本发明涉及一种操纵杆驱动试验装置及其控制 方法。 背景技术

侧杆操纵机构在民用飞机上的应用是一个明显 的趋势。 相对于 传统的中央杆 /盘操纵方式， 侧杆操纵扞具有如下优势： 重量轻、 节 省安装空间、 易于拆卸从而降低维护成本、 降低飞行员工作负荷等。 空客系列飞机驾驶舱操纵系统采用了被动式侧 杆机构作为横滚、 俯 仰系统的操纵输入， 驾驶员通过控制侧杆的横向、 纵向运动实现对 飞机相关轴的控制。

侧杆操纵杆的引入对侧杆的试验方法和设备也 提出了新的要 求。 在适航验证试验、 地面模拟试验中， 需要驱动侧杆来完成侧杆 操纵力-位移特性试验、 频响试验、 阶跃响应试验等项目， 并且还需 要进行飞行试验中的故障复现等工作。 因此需通过可控性强、 精度 高、 稳定性好的驱动机构驱动侧杆进行指定形式的 运动， 以满足地 面模拟试验的要求。

现有的侧杆驱动机构为单一自由度操纵杆驱动 机构如图 6示例 性所示， 直线作动器 61通过连接夹具驱动单一自由度操纵杆 62进 行前后运动， 实现对操纵杆 62的单自由度驱动。

由于侧杆机构同时具有两个轴向的运动自由度 ， 是一种典型的 二自由度操纵杆， 采用传统的单一自由度的驱动机构无法实现两 个 轴向之间的耦合运动， 无法验证侧杆轴向控制指令交叉耦合对飞机 控制的影响。 发明内容

本发明的目的在于克服现有设计中所存在的上 述缺点， 提供一 种新的二自由度操纵杆驱动装置。 为了达到上述目的， 本发明的操纵杆驱动试验装置包括有机械 部分， 所述机械部分提供二自由度操纵杆的安装及运 动台架， 从而 使得二自由度操纵杆可靠、 稳定地安装在运动平台上。

所述机械部分包括机械台体、 外框、 内框、 操纵杆夹具、 应力 消除机构。

机械台体用于安装二自由度操纵杆及内、 外框。 外框转轴固定 于机械台体， 所述外框的转轴与二自由度操纵杆俯仰或者横 滚转轴 相交于二自由度操纵杆的枢转点， 优选采用圆框或者方框 （包括全 框和部分框） 的形式， 优选通过设置在外框上的外框电机驱动俯仰 或者横滚方向运动， 这里所说的 "俯仰"是指飞机的低头下降（俯）、 抬头上升 （仰） 运动， 即对应于外框的枢转运动， "横滚" 对应于 内框的枢转摆动。 内框转轴安装于外框， 所述内框的转轴与二自由 度操纵杆横滚 （或者俯仰） 转轴相交于二自由度操纵杆的枢转点， 优选采用圆框或者方框 （包括全框和部分框） 的形式， 优选通过设 置在内框上的内框电机驱动横滚 （或者俯仰） 方向运动。 操纵杆夹 具用以实现二自由度操纵杆与内框之间的过渡 连接， 操纵杆夹具与 操纵杆手柄固定连接。 应力消除机构采用仅有一个轴向运动自由度 的连接组件， 用于连接内框和操纵杆夹具， 用以消除在运动过程中 由机械误差引起的内框与操纵杆夹具之间的应 力， 使得操纵杆夹具 在内框连接处只能上下运动而不能左右运动。 优选地， 所述应力消 除机构是由滑动轴承或滚动轴承和轴套构成的 连接组件。

优选地， 所述二自由度操纵杆驱动试验装置在所述内、 外框连 接处和所述外框与所述机械台体的连接处设置 有机械止动块， 防止 在所述操纵杆运动过程中产生急偏而破坏。

优选地， 所述二自由度操纵杆驱动试验装置还包括测控 系统， 所述测控系统实现对操纵杆的二自由度控制， 对操纵杆力-位移特性、 输出信号特性的检测。 所述测控系统包括上位机、 控制系统和测试 系统。 所述机械部分与所述测控系统的结合通过电机 控制器与所述 内、 外框电机连接实现。 所述上位机的功能包括键盘输入、 LCD显 示、 数据通讯和电源电压检测、 进行数据交互及远程监控， 所述上 位机优选采用个人计算机 （PC机） 。 所述控制系统根据试验要求， 由自身或者外部激励信号发出对内、 外框电机的控制指令， 实时釆 集内、 外框电机的力、 位移、 速度反馈， 对内、 外框电机进行力、 位移、 速度闭环控制， 并实现两个电机的耦合运动， 优选地， 所述 控制系统包括信号源、 电机控制器、 数 /模转换卡 （D/A卡） 、 模 / 数转换卡 （A/D卡） 、 角度解码器、 以太网、 控制应用程序。 所述 测试系统在二自由度操纵杆运动过程中实时采 集操纵杆操纵力、 操 纵位移、 输出电信号， 并绘制试验曲线， 分析试验结果， 优选地， 所述测试系统包括模 /数转换卡（ A/D卡）、数字量输入输出卡（ DIO )、 旋转可变差动传感器 （RVDT ) 激励 /解调、 测试应用程序。

本发明主要是由电脑或者上位机控制板输入控 制指令从而实现 对两个电机的控制， 分别驱动二自由度操纵杆进行俯仰和横滚方向 运动， 实现对操纵杆的二自由度耦合控制。 其可作为一个二自由度 操纵杆的驱动装置。

根据本发明的操纵杆驱动试验装置， 将二自由度操纵杆安装在 两轴运动平台上， 驱动操纵杆机构同时进行俯仰轴和横滚轴独立 或 耦合运动； 在安装时保证操纵杆的转轴与外框的旋转轴线 、 内框的 旋转轴线交点重合， 避免操纵杆在运动过程中产生过大应力， 导致 操纵杆损坏； 在操纵杆与内框的连接处采用应力消除机构消 除因机 械误差而产生的操纵杆应力， 保护操纵杆机构； 在内、 外框处设置 机械止动块， 防止在操纵杆运动过程中产生急偏而破坏操纵 杆。

根据本发明的操纵杆驱动试验装置提供了二自 由度操纵杆运动 平台， 结构简单， 体积小， 无需破坏操纵杆本体结构， 不会影响操 纵杆操纵力特性， 可实现对操纵杆的二自由度耦合控制。 在无需破 坏二自由度操纵杆本体的前提下， 实现操纵杆的二自由度耦合运动 控制， 避免二自由度操纵杆在运动过程出现机械卡死 乃至损坏， 可 以测得操纵杆力-位移、 输出信号特性等参数。 附图说明

图 1为根据本发明的二自由度操纵杆驱动试验装� �的立体示意 图；

图 2为根据本发明的二自由度操纵杆驱动试验装� �的机械部分 工作原理示意图；

图 3为根据本发明的二自由度操纵杆驱动试验装� �的安装流程 图；

图 4为根据本发明的二自由度操纵杆驱动试验装� �的控制流程 图；

图 5为光学测量法确定二自由度操纵杆、 两个运动平台运动轴 线的原理图；

图 6为现有技术的单一自由度操纵杆驱动机构示� �图。

附图标记说明

1一机械台体 21—外框 22—外框电机 23—外框支座 31—内框 32—内框电机 33—内框支座

4一操纵杆夹具 5—应力消除机构 6—操纵杆 7—操 纵杆手柄

—外框 21的转轴 L ₂ —内框 31的转轴

61—直线作动器 62—单一自由度操纵杆 具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。

图 1给出了二自由度操纵杆驱动装置的立体示意� �。 在本发明 的一个实施方式中， 操纵杆驱动试验装置包括机械部分和测控系统 ， 所述机械部分包括机械台体 1、 外框 21、 内框 31、 操纵杆夹具 4、 应力消除机构 5 ,还包括设置在外框 21上的外框电机 22和设置在内 框 31上的内框电机 32，其中外框电机 22和内框电机 32分别包含减 速器、 扭矩传感器、 角度编码器 （图中未示出） 。 其中外框 21用于 控制俯仰轴， 内框 31用于控制横滚轴。 机械台体 1用于安装二自由度操纵杆 6及内框 31、 外框 21。 外 框 21及外框电机 22通过外框支座 23 (位置可调整） 转轴固定于机 械台体 1， 所述外框 21的转轴与操纵杆 6的俯仰 （或者横滚） 转轴 相交于二自由度操纵杆的枢转点， 可采用半圆框或者方框 （包括全 框和部分框） 的形式， 在本实施方式中采用全圆框的形式， 通过外 框电机 22驱动俯仰 （或者横滚） 方向运动。 在本实施方式中， 机械 台体 1为一个根据二自由度操纵杆安装面设计的长� �体台架， 可将 二自由度操纵杆本体稳定、 可靠地固定在机械台体 1上。 在机械台 体 1的上部两侧安装有轴承， 用来支承外框 21及外框电机 22。 外框 21与轴承安装后能够转动自如，外框 21的直径与机械台体 1的宽度 相配合， 一端与机械台体 1可靠连接， 一端与扭矩传感器连接， 扭 矩传感器与外框电机 22的轴相连接 , 外框电机 22上还安装有角度 编码器。

内框 31及内框电机 32通过内框支座 33 (其安装位置通过外框 本身的加工精度来保证）转轴安装于外框 21 , 所述内框 31的转轴与 二自由度操纵杆 6的横滚或者俯仰转轴相交于二自由度操纵杆� �枢 转点， 可采用半圆框或者方框 （包括全框和部分框） 的形式， 在本 实施方式中为半圆框，通过内框电机 32驱动横滚或者俯仰方向运动。 在本发明的一个实施方式中， 在外框 21上安装有轴承， 用来支承内 框 31及内框电机 32。 内框 31与轴承安装后能够转动自如， 内框 31 的直径与外框 21的直径相配合， 一端与外框 21可靠连接， 一端与 扭矩传感器连接， 扭矩传感器与内框电机 32的轴相连接， 内框电机 32上安装有角度编码器。 内、 外框转轴轴线相互垂直等分。

操纵杆夹具 4用以实现二自由度操纵杆与内框之间的过渡� �接， 操纵杆夹具 4与操纵杆手柄 7固定连接。 根据操纵杆手柄 7的机械 特点， 设计操纵杆夹具 4 , 使得操纵杆 6与内框 21可靠连接， 二自 由度操纵杆 6的转轴与内、 外框转轴轴线交点重合， 以避免操纵杆 在运动过程中卡死。

在本实施方式中， 在操纵杆与内框的连接处， 应力消除机构 5 采用带有滑动轴承、 轴套组件形成可变长度的连接组件， 用于连接 内框 31及内框电机 32和操纵杆夹具 4,用以消除在运动过程中由机 械安装及制造误差引起的内框 31与操纵杆夹具之间的应力。 内、 外 框电机根据模型的大小选择合适的大小和扭矩 。

测控系统包括上位机、 控制系统和测试系统。

上位机采用个人计算机 （PC机） ， 其功能包括键盘输入、 LCD 显示、 数据通讯和电源电压检测、 进行数据交互及远程监控。

控制系统包括信号源、 电机控制器、 数 /模转换卡 （D/A卡） 、 模 /数转换卡 （A/D卡） 、 角度解码器、 以太网、 控制应用程序。 负 责根据试验要求， 由自身或者外部激励信号发出对内、 外框电机的 控制指令， 实时采集内、 外框电机的力、 位移、 速度反馈， 对内、 外框电机进行力、 位移、 速度闭环控制， 并实现两个电机的耦合运 动。

测试系统包括模 /数转换卡（ A/D )、 数字量输入输出卡（ DIO ) 、 旋转可变差动传感器 （RVDT ) 激励 /解调、 测试应用程序。 主要负 责在二自由度操纵杆运动过程中， 实时采集操纵杆操纵力、 操纵位 移、 输出电信号等参数， 并绘制试验曲线， 分析试验结果。

机械部分与测控系统的结合通过电机控制器与 内、 外框电机连 接实现。 所述驱动试验装置在所述内、 外框连接处和所述外框与所 述机械台体的连接处设置有机械止动块 （图中未示出） ， 防止在所 述操纵杆运动过程中产生急偏而破坏。

图 4给出了二自由度操纵杆驱动装置的控制流程� �。 控制系统 通过信号源发出标准信号 （正弦、 方波、 三角波） 或者由 D/A通道 接收外部激励信号至电机控制器， 电机控制器将控制信号输出至外 框电机驱动器， 驱动外框电机转动， 带动外框运动。 同时， 实时通 过角度解码器釆集外框的角度， 通过扭矩传感器釆集外框电机的输 出力矩， 通过测速板检测外框电机转速， 经 A/D转换作为控制反馈， 实现对二自由度操纵杆俯仰或横滚方向的位置 、 速度闭环控制和力 矩限制功能。 同理， 控制内框以实现对二自由度操纵杆横滚（或俯 仰） 方向的位置、 速度闭环控制和力矩限制功能。 控制系统应用程 序按照试验要求对内、 外框电机进行协调控制， 实现操纵杆两个自 由度的耦合运动。

在二自由度操纵杆运动过程中， 测试系统通过 RVDT激励 /解调 检测操纵杆的输出信号特性， A/D釆集扭矩传感器输出和角度编码 器的解码输出以得到操纵杆角度， DIO采集操纵杆的输出的离散量 信号。 测试应用程序对采集的数据进行分析、 绘图。

上位机通过以太网 （RS232/485 )等与其它试验设备进行通讯的 接口， 以进行数据交互、 协调控制及远程监控。

以下通过具体实施例进行说明二自由度操纵杆 驱动试验装置的 安装方法以及驱动控制方法。

其中， 将二自由度操纵杆安装至机械台体的具体步骤 如下 （参 见图 2、 3、 5 ) ：

a) 在机械台体 1上安装二自由度操纵杆 6;

b) 通过光学测量方法， 确定该操纵杆 6的转轴位置， 记作： 0

( x ₀ , y ₀ , z ₀ ) ；

c) 安装外框 21、 外框电机 22、 角度编码器、 扭矩传感器， 其 中扭矩传感器直接安装于外框 21 与外框电机 22之间用于测量外框 电机 22的扭矩， 角度编码器用于测量外框 21的转角；

d) 通过光学测量方法， 确定外框 21的转轴 L!;

e) 判断 是否经过 O点；

f)若否， 则重新调整安装外框等部件；

g) 若是经过 0点，则安装内框 31、 内框电机 32、角度编码器、 扭矩传感器， 其中扭矩传感器直接安装于内框 31 与内框电机 32之 间用于测量内框电机 32的扭矩， 角度编码器用于测量内框 31 的转 角；

h) 通过光学测量方法， 确定内框 31的转轴 L ₂ ;

i)判断 L ₂ 是否经过 0点；

若否， 则重新调整安装内框等部件； k) 若是经过 O点， 则判断！^和 L ₂ 是否垂直等分相交且交点 与 0点重合；

1)若否， 则重新调整内、 外框及内外框电机等部件；

m) 若是， 则通过操纵杆夹具及应力消除机构 5， 连接操纵杆 6 与内框 31 ;

n) 手动全行程运动内、 外框 21、 31 ;

0) 判断操纵杆 6在应力消除机构 5中上下运动是否超过 1mm; p) 若是， 则重新调整外框等安装；

q) 若否， 则结束操纵杆的安装。

其中， 光学测量方法如图 5所示， 操作过程如下： 在二自由度 操纵杆的中立位置上安装一个感光点， 作为第一点 （设为 A点） ， 通过光学测量仪确定 A点坐标（xl,yl,zl ) , 操纵操纵杆分别运动到 第二、三、四点（B、 C、 D )，并确定坐标第二点 B的坐标（x2,y2,z2 )、 第三点 C的坐标 （x3，y3,z3 ) 、 第四点 D的坐标 （ x4,y4，z4 ) , 这四 个点 A、 B、 C、 D不在同一平面上。 求出第一个三角形 AABD和第 二个三角形 ABCD的第一、 第二外心 01， 02, 过所述第一、 第二外 心 01、 02分别做 ΔΑΒϋ和 ABCD的法线， 相交于 0点， 0点即为操 纵杆转轴位置 （枢转点） 。 通过多次测量取均值， 减少测量误差。 在同一坐标系下， 使用相似方法， 可以确定两个运动平台的轴线。 在进行安装时， 实时根据光学测量仪及后续的计算结果进行调 整。

然后， 在二自由度操纵杆驱动试验装置安装完成后， 通过控制 内、 外框 21、 31的运动， 就可以实现对二自由度操纵杆 6的驱动控 制。

在本发明的一个实施方式中， 控制二自由度操纵杆先进行俯仰 正弦运动 5个周期（幅值 5deg, 频率 Ο.ΙΗζ ) , 再控制其进行横滚运 动 3个周期（幅值 3deg,频率 0.2Hz )。力值保护限均为 100N。 RVDT 激励电压为 5V， 并且采用 16位 A/D卡， 用于检测操纵杆输出电信 号。 其中， 内、 外框电机及其减速器的额定输出扭矩不小于 INm, 额定输出转速不低于 1000r/s， 减速比不低于 10: 1 (内、 外框电机 自带位置传感器） ， 内、 外框电机上的扭矩传感器量程 10Nm， 线性 度不低于 0.5%, 角度编码器单圈分辨率 14位， 多圏分辨率为 13位。

将操纵杆安装至机械台体， 控制其进行緩慢、 平稳的全行程运 动， 得到侧杆俯仰、 横滚操纵力 -角度曲线， 分析该曲线得出结果： 俯仰、 横滚操纵力 （ 100N ) , 俯仰、 横滚操纵行程 （-35〜35deg ) , 俯仰、 横滚启动力 （ 10N ) , 俯仰、 横滚间隙 （O.ldeg ) , 俯仰、 横 滚间隙摩擦力 （5N ) , 俯仰、 横滚电信号输出 （侧杆运动过程中， 通过 RVDT激励 /解调卡和 A/D卡采集， -10〜10V ) 。

具体的驱动控制方法步骤如下 （见图 4 ) ：

n) 通过信号源向外框电机控制器 （含电机运动控制卡的计算 机）发送正弦波控制指令；

0) 外框电机控制器将控制指令输入至外框电机驱 动器， 驱动 外框电机转动；

p) 外框电机控制器根据外框电机本身的位置传感 器经测速板 后， 得到外框电机的转速信号， 将其作为外框电机转动频率的反馈 值输入至外框电机控制器， 实现外框的速度闭环控制， 以达到 0.1Hz 的周期要求；

q) 外框电机控制器根据角度编码器确定外框的位 置， 将其作 为外框位置的反馈信号输入至外框电机控制器 ， 实现外框的位置闭 环控制， 以达到 5deg的幅值要求；

r)外框电机控制器根据外框电机与外框之间的� ��矩传感器，测试 操纵杆的操纵力矩， 并作为力限制保护的反馈值， 实时监测操纵杆 在运动过程中操纵力， 以达到 100N力限制保护的要求。

s) 由外框电机控制器对外框运动周期进行计数， 以达到 5 个 周期的运动要求；

t)外框运动 5个周期后， 由通过信号源向内框电机控制器发送正 弦波控制指令；

u) 内框电机控制器将控制指令输入至内框电机驱 动器， 驱动 内才] I电机转动； V) 内框电机控制器根据内框电机本身的位置传感 器经测速板 后， 得到内框电机的转速信号， 将其作为内框电机转动频率的反馈 值输入至内框电机控制器， 实现内框的速度闭环控制， 以达到 0.2Hz 的周期要求；

w) 内框电机控制器根据角度编码器确定内框的位 置， 将其作 为内框位置的反馈信号输入至内框电机控制器 ， 实现内框的位置闭 环控制， 以达到 3deg的幅值要求；

X) 内框电机控制器根据内框电机与内框之间的扭 矩传感器， 测试操纵杆的操纵力矩， 并作为力限制保护的反馈值， 实时监测操 纵杆在运动过程中操纵力， 以达到 100N力限制保护的要求。

y) 由内框电机控制器对内框运动周期进行计数， 以达到 3 个 周期的运动要求；

z) 在操纵杆整个运动过程中， 通过内、 外框上角度编码器及 扭矩传感器的测试值， 便可得到操纵杆横滚、 俯仰运动的操纵力、 位移特性。 根据本发明的操纵杆试验装置在实际实施时， 先根据具体的二 自由度操纵杆外形， 进行设计操纵杆驱动试验装置的机械部分 （包 含机械台体、 外框、 内框、 操纵杆夹具、 应力消除机构） ， 经过相 应的理论计算及实际测量， 表明该操纵杆试验装置能够满足操纵杆 二自由度运动的条件， 与传统的驱动装置对比， 能够实现对操纵杆 的二自由度运动耦合控制。