【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于航空器飞行控制，具体涉及一种操纵杆变稳的操纵系统及方法。
技术介绍
1、目前大多数飞机采用的是类似弹簧加载的被动侧杆系统，操纵这种类型的操纵杆时飞行员所受到杆力与飞机的飞行舵面力矩无关。被动侧杆存在的缺点：杆力不可调，只与侧杆内置弹簧的刚度有关，与杆位移成正比关系；并且飞行员所受力与飞机舵面的力矩无关，因此不能感受飞机的飞行状态信息。与被动侧杆相比，主动操纵杆存在不少的优点：由于其在俯仰和滚转轴都安装了直流电机使得杆力可调；飞行员可以通过操纵杆手柄上的力准确判断出飞机的飞行状态，提高了飞行的操纵品质。
2、操纵杆可提供力反馈功能以模拟弹簧的作用，结合飞行状态信息灵活调整杆力-位移曲线，经控制算法计算输出相应力矩，将人感与飞行状态联系起来，使飞行员获得更逼真的操纵力感觉，飞行员操纵侧杆在不同的角度和速度时，侧杆有相应大小的反馈力。现有的控制方案无法实现飞机的变稳操纵。
3、专利《一种飞机操纵杆系统的杆力控制方法》(专利技术号：cn105599894b)采用了专家pid控制，可以使驾驶杆有较快的响应速度，但是不能实现飞机的变稳操纵。哈尔滨工业大学在操纵杆系统中使用了基于速度和位置的阻抗控制，通过降低阻尼或者提高增益使系统有更好的跟随性能，但是无法调整操纵杆的操纵特性。本专利技术不仅可以提高操纵杆的杆力控制精度，而且可以实现操纵杆的变稳操作，即可以在这一套操纵杆上模拟不同飞机的操纵感觉。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术提出了一种操纵
2、为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
3、一种操纵杆变稳的操纵系统，包括：操纵杆的机械结构、时变阻抗控制器和操纵杆控制系统；
4、所述操纵杆的机械结构用于输出位置信号和杆力信号；
5、所述时变阻抗控制器用于对所述位置信号和所述杆力信号进行解析；
6、所述操纵杆控制系统用于基于解析的信号发送控制信号，实现双通道的操纵杆力反馈。
7、优选的，所述机械结构包括：手柄、操纵杆、力传感器、横滚轴、俯仰轴、横滚轴轴承和俯仰轴轴承、套筒、轴承端盖、轴承支柱和底座；
8、所述手柄上设置按钮，所述手柄与操纵杆固连，所述操纵杆的杆体与横滚轴通过内部设置的杆体支撑装置相连，所述横滚轴在俯仰轴上设置的滑槽内滑动；所述横滚轴与俯仰轴轴承对应安装在轴承支柱上，且在右侧安装轴承端盖；所述轴承支柱插入到底座设置的四个槽中；
9、所述横滚/俯仰轴的左/右侧设置轴肩和套筒，在右侧与第一端摇杆固连，第一端摇杆通过球头轴承与力传感器上端进行螺纹连接，力传感器的下端与连杆进行螺纹连接，连杆下端与第二端摇杆连接，第二端摇杆与联轴器端的输出轴固连。
10、优选的，所述操纵杆控制系统包括：上位机、驱动器、直流电机和下位机；
11、所述机械结构和所述驱动器通信连接，所述驱动器和所述上位机通信连接；所述上位机和所述下位机采用以太网通信连接；
12、所述直流电机用于驱动相应的横滚/俯仰通道动作；
13、所述下位机用于采集传感器状态信号；
14、所述上位机用于接收下位机采集的传感器状态信号并向所述驱动器发送控制指令；
15、所述驱动器用于向对应的所述直流电机发送驱动信号，实现双通道的操纵杆力反馈。
16、优选的，所述上位机根据杆力信号计算出侧杆的期望位置，基于所述侧杆的期望位置计算出减速器端输出轴的期望位置，所述减速器端输出轴的期望位置和所述直流电机的实际位置信号经过时变阻抗控制律，得到期望输入力，所述期望输入力与所述杆力信号进行pid控制输出占空比，进而控制电机转动，形成力-位双闭环控制。
17、优选的，所述上位机包括：图形用户界面和数据处理模块；
18、所述图形用户界面用于进行参数显示、调参和数据监视；
19、所述数据处理模块用于进行数据通讯。
20、本专利技术还提供了一种操纵杆变稳的操纵方法，包括以下步骤：
21、获取操纵杆的位置信号和杆力信号；
22、对所述位置信号和所述杆力信号进行解析；
23、基于解析的信号发送控制信号，实现双通道的操纵杆力反馈。
24、优选的，基于解析的信号发送控制信号，实现双通道的操纵杆力反馈的方法包括：
25、利用直流电机驱动相应的横滚/俯仰通道动作；
26、利用下位机采集传感器状态信号；
27、利用上位机接收下位机采集的传感器状态信号并向驱动器发送控制指令；
28、利用所述驱动器向对应的所述直流电机发送驱动信号，实现双通道的操纵杆力反馈。
29、优选的，所述上位机根据杆力信号计算出侧杆的期望位置，基于所述侧杆的期望位置计算出减速器端输出轴的期望位置，所述减速器端输出轴的期望位置和所述直流电机的实际位置信号经过时变阻抗控制律，得到期望输入力，所述期望输入力与所述杆力信号进行pid控制输出占空比，进而控制电机转动，形成力-位双闭环控制。
30、与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
31、本专利技术提供的操纵杆系统可以用于模拟不同飞机的操纵杆试验系统，例如可以为实际能够飞行的飞机，比如客机，或者可以是供飞行员日常训练使用的飞行模拟训练器等。能够在真实的驾驶舱环境下对操纵杆的杆力特性、主动控制律、人机交互特性等进行评估；
32、本专利技术提供的摇杆与连杆直接采用球头杆端关节轴承连接，既实现了机构的稳定运动，又实现了驱动力的传递；
33、本专利技术提供的时变阻抗控制器，可以代替传统的弹簧力反馈系统，可以在一套机构上模拟不同飞机的操纵感受。
34、本专利技术采用模块化的设计，将整个结构分为多个组件，使得制造，维护，维修与更换都比较方便。
35、附图说明
36、为了更清楚地说明本专利技术的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37、图1示例性地示出了根据本专利技术的一种实施方式的操纵杆系统的总体示意图；
38、图2示例性地示出了根据本专利技术的一种实施方式的操纵杆系统的控制流程示意；
39、图3示例性地示出了根据本专利技术的一种实施方式的软件总体框架图；
40、图4示例性地示出了根据本专利技术的传动机构示意图；
41、图5示例性地示出了根据本专利技术控制律中的期望角度为60°时末端位置随时间变化曲线图；
42、图6示例性地示出了根据本专利技术控制律中的正弦信号下末端位置随时间变化曲线；
43、图7示例性地示出了根据本专利技术的一种二自由度解耦结构图；
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1.一种操纵杆变稳的操纵系统，其特征在于，包括：操纵杆的机械结构、时变阻抗控制器和操纵杆控制系统；
2.根据权利要求1所述的操纵杆变稳的操纵系统，其特征在于，所述机械结构包括：手柄、操纵杆、力传感器、横滚轴、俯仰轴、横滚轴轴承和俯仰轴轴承、套筒、轴承端盖、轴承支柱和底座；
3.根据权利要求1所述的操纵杆变稳的操纵系统，其特征在于，所述操纵杆控制系统包括：上位机、驱动器、直流电机和下位机；
4.根据权利要求3所述的操纵杆变稳的操纵系统，其特征在于，所述上位机根据杆力信号计算出侧杆的期望位置，基于所述侧杆的期望位置计算出减速器端输出轴的期望位置，所述减速器端输出轴的期望位置和所述直流电机的实际位置信号经过时变阻抗控制律，得到期望输入力，所述期望输入力与所述杆力信号进行PID控制输出占空比，进而控制电机转动，形成力-位双闭环控制。
5.根据权利要求3所述的操纵杆变稳的操纵系统，其特征在于，所述上位机包括：图形用户界面和数据处理模块；
6.一种操纵杆变稳的操纵方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的
8.根据权利要求7所述的操纵杆变稳的操纵方法，其特征在于，所述上位机根据杆力信号计算出侧杆的期望位置，基于所述侧杆的期望位置计算出减速器端输出轴的期望位置，所述减速器端输出轴的期望位置和所述直流电机的实际位置信号经过时变阻抗控制律，得到期望输入力，所述期望输入力与所述杆力信号进行PID控制输出占空比，进而控制电机转动，形成力-位双闭环控制。
...【技术特征摘要】
1.一种操纵杆变稳的操纵系统，其特征在于，包括：操纵杆的机械结构、时变阻抗控制器和操纵杆控制系统；
2.根据权利要求1所述的操纵杆变稳的操纵系统，其特征在于，所述机械结构包括：手柄、操纵杆、力传感器、横滚轴、俯仰轴、横滚轴轴承和俯仰轴轴承、套筒、轴承端盖、轴承支柱和底座；
3.根据权利要求1所述的操纵杆变稳的操纵系统，其特征在于，所述操纵杆控制系统包括：上位机、驱动器、直流电机和下位机；
4.根据权利要求3所述的操纵杆变稳的操纵系统，其特征在于，所述上位机根据杆力信号计算出侧杆的期望位置，基于所述侧杆的期望位置计算出减速器端输出轴的期望位置，所述减速器端输出轴的期望位置和所述直流电机的实际位置信号经过时变阻抗控制律，得到期望输入力，所述期望输入力与所述杆力信号进行pid控制输出占...
【专利技术属性】
技术研发人员：何广平，孙文栋，刘健龙，赵成浩，张成杰，章杰，袁俊杰，
申请(专利权)人：北方工业大学，
类型：发明
国别省市：
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