本發(fā)明涉及一種具有觸覺引導(dǎo)的直升機(jī)模擬操縱負(fù)荷模擬裝置，屬于機(jī)器人人機(jī)交互領(lǐng)域，是基于觸覺引導(dǎo)的模擬器操縱負(fù)荷模擬裝置。

背景技術(shù)：

在真實直升機(jī)上，操縱負(fù)荷系統(tǒng)是飛行員操縱飛機(jī)的直接裝置。由于直升機(jī)的飛行環(huán)境復(fù)雜，飛行狀態(tài)變化多，俯仰角、翻滾角、舵偏角和飛行速度等飛行參數(shù)變化快，加載到操縱桿、腳蹬上的氣動力改變快，飛行員要憑借操縱力的變化迅速做出判斷并執(zhí)行相應(yīng)的操作。這對直升機(jī)駕駛學(xué)員的培訓(xùn)來說，真機(jī)訓(xùn)練的安全性和經(jīng)濟(jì)效益都非常差，因此需要有專門的模擬訓(xùn)練器材來模擬真實直升機(jī)的操縱力感。

操縱負(fù)荷裝置作為直升機(jī)人機(jī)交互的重要接口，其主要作用是提供直升機(jī)的操縱接口以及反饋飛行員駕駛直升機(jī)的操縱力感。為了有效提高直升機(jī)駕駛學(xué)員的訓(xùn)練效率，操縱負(fù)荷模擬裝置所模擬的靜態(tài)和動態(tài)力感相對真機(jī)操縱力感必須具有高逼真度。

目前，直升機(jī)模擬器的力感模擬采用的方式或是采用彈簧加載，通過各種剛度的彈簧組合實現(xiàn)操縱力的模擬；或是采用液壓伺服操縱負(fù)荷系統(tǒng)，實現(xiàn)了較高逼真度的力感加載。但是，彈簧加載由于其固定的形式，無法對不同飛行狀態(tài)的動態(tài)力感進(jìn)行逼真模擬，而液壓伺服操縱負(fù)荷系統(tǒng)由于液壓管路泄漏、摩擦阻力等影響，在細(xì)微緩慢操作時力感效果不穩(wěn)定，這兩種操縱負(fù)荷系統(tǒng)難以建立精確的操縱負(fù)荷模型，仿真度與實際相差甚遠(yuǎn)。

另外，一般的直升機(jī)模擬器操縱負(fù)荷裝置并沒有考慮飛行學(xué)員與裝置的力覺交互，裝置反饋了直升機(jī)飛行狀態(tài)產(chǎn)生的氣動模型力，但無法直接快速地檢測飛行學(xué)員根據(jù)操縱桿模型力做出判斷后所施加的人手操作力。這在快速頻繁的操縱過程中容易導(dǎo)致反映到操縱桿的模型力與飛行學(xué)員的操作力沖突，產(chǎn)生頓挫力感，同時也無法實現(xiàn)示教模式下的觸覺引導(dǎo)，進(jìn)而影響了模擬訓(xùn)練的臨場感和最終的訓(xùn)練效果。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種具有觸覺引導(dǎo)的直升機(jī)模擬操縱負(fù)荷模擬裝置，其可根據(jù)直升機(jī)動力學(xué)模型和操縱桿模型實時、精確地提供觸覺引導(dǎo)力，模擬高逼真的臨場力感。同時，針對不同的直升機(jī)機(jī)型，可采用編程的方式來模擬各機(jī)型在力感上的細(xì)微差別，具有較好的適應(yīng)性和通用性。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：一種具有觸覺引導(dǎo)的直升機(jī)模擬操縱負(fù)荷模擬裝置，由操縱手柄、6維力覺傳感器、操縱桿、臺面板底座、橫向運(yùn)動伺服電機(jī)、橫向運(yùn)動盤式減速器、固定底座、縱向運(yùn)動盤式減速器、操縱桿底座、縱向運(yùn)動伺服電機(jī)、旋轉(zhuǎn)支架、臺面板底座臺面板、臺面板底座下底板組成，其特征在于：臺面板底座由臺面板底座下底板和臺面板底座臺面板組成，臺面板底座下底板頂面固定連接臺面板底座臺面板，固定底座固定連接在臺面板底座臺面板的頂面，橫向運(yùn)動伺服電機(jī)通過固定底座與臺面板底座臺面板固定連接，橫向運(yùn)動伺服電機(jī)前端有橫向運(yùn)動盤式減速器，橫向運(yùn)動盤式減速器的外耳與固定底座連接，旋轉(zhuǎn)支架呈直角結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)支架的底面與橫向運(yùn)動盤式減速器的法蘭面固定連接，旋轉(zhuǎn)支架垂直的另一個面與縱向運(yùn)動伺服電機(jī)前端的縱向運(yùn)動盤式減速器的法蘭面固定連接，縱向運(yùn)動盤式減速器的外耳與操縱桿底座固定連接，操縱桿下端與操縱桿底座頂部連接，操縱手柄下端有6維力覺傳感器并與操縱桿上端固定連接；

模擬裝置的測控系統(tǒng)模塊包括PC上位機(jī)的系統(tǒng)控制模塊、電機(jī)伺服控制模塊和力/力矩檢測模塊，以及配套的通信模塊——包括EntherNet TCP/IP協(xié)議通信和CANOpen協(xié)議通信；其中，力/力矩檢測模塊通過USB接口與PC上位機(jī)連接，電機(jī)伺服控制模塊通過以太網(wǎng)接口（EntherNet TCP/IP協(xié)議）或CAN總線工業(yè)以太網(wǎng)接口（CANOpen協(xié)議）與PC上位機(jī)連接。

所述的操縱桿運(yùn)動角度范圍不小于縱向、橫向，而真實直升機(jī)周期操縱桿的運(yùn)動角度范圍要求為縱向、橫向。

本發(fā)明的積極效果是其相對其他機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用了電機(jī)伺服驅(qū)動系統(tǒng)，縱向操縱機(jī)構(gòu)通過旋轉(zhuǎn)支架懸掛于橫向操縱機(jī)構(gòu)上，兩者為串聯(lián)關(guān)系，降低了結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。本發(fā)明中，直升機(jī)飛行中產(chǎn)生的力感由伺服電機(jī)直接提供，根據(jù)模型程序的直升機(jī)動力學(xué)模型進(jìn)行計算和模擬，解決了彈簧加載對動態(tài)力感模擬的不足以及液壓操縱負(fù)荷裝置對細(xì)微緩慢操縱力模擬不足等硬件組件影響臨場力感的缺點，提高了裝置的可操縱性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖。

圖2為操縱負(fù)荷裝置橫向運(yùn)動機(jī)構(gòu)和縱向運(yùn)動機(jī)構(gòu)軸測圖。

圖3為操縱負(fù)荷裝置橫向運(yùn)動機(jī)構(gòu)和縱向運(yùn)動機(jī)構(gòu)俯視圖。

圖4為操縱負(fù)荷裝置的系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)圖。

圖5為操縱負(fù)荷裝置的系統(tǒng)工作原理框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：如圖1-4所示，一種具有觸覺引導(dǎo)的直升機(jī)模擬操縱負(fù)荷模擬裝置，由操縱手柄1、6維力覺傳感器2、操縱桿3、臺面板底座4、橫向運(yùn)動伺服電機(jī)5、橫向運(yùn)動盤式減速器6、固定底座7、縱向運(yùn)動盤式減速器8、操縱桿底座9、縱向運(yùn)動伺服電機(jī)10、旋轉(zhuǎn)支架11、臺面板底座臺面板12、臺面板底座下底板13組成，其特征在于：臺面板底座4由臺面板底座下底板13和臺面板底座臺面板12組成，臺面板底座下底板13頂面固定連接臺面板底座臺面板12，固定底座7固定連接在臺面板底座臺面板12的頂面，橫向運(yùn)動伺服電機(jī)5通過固定底座7與臺面板底座臺面板12固定連接，橫向運(yùn)動伺服電機(jī)5前端有橫向運(yùn)動盤式減速器6，橫向運(yùn)動盤式減速器6的外耳與固定底座連接，旋轉(zhuǎn)支架11呈直角結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)支架11的底面與橫向運(yùn)動盤式減速器6的法蘭面固定連接，旋轉(zhuǎn)支架11垂直的另一個面與縱向運(yùn)動伺服電機(jī)10前端的縱向運(yùn)動盤式減速器8的法蘭面固定連接，縱向運(yùn)動盤式減速器8的外耳與操縱桿底座9固定連接，操縱桿3下端與操縱桿底座9頂部連接，操縱手柄1下端有6維力覺傳感器2并與操縱桿3上端固定連接；

模擬裝置的測控系統(tǒng)模塊包括PC上位機(jī)的系統(tǒng)控制模塊、電機(jī)伺服控制模塊和力/力矩檢測模塊，以及配套的通信模塊——包括EntherNet TCP/IP協(xié)議通信和CANOpen協(xié)議通信；其中，力/力矩檢測模塊通過USB接口與PC上位機(jī)連接，電機(jī)伺服控制模塊通過以太網(wǎng)接口（EntherNet TCP/IP協(xié)議）或CAN總線工業(yè)以太網(wǎng)接口（CANOpen協(xié)議）與PC上位機(jī)連接。

所述的操縱桿3運(yùn)動角度范圍不小于縱向、橫向，而真實直升機(jī)周期操縱桿的運(yùn)動角度范圍要求為縱向、橫向。

本發(fā)明的整個工作過程為：6維力覺傳感器測得直升機(jī)駕駛學(xué)員的操作力，當(dāng)直升機(jī)的模型力、路徑引導(dǎo)力和人手操作力共同作用時，通過直升機(jī)動力學(xué)系統(tǒng)模型和加權(quán)力融合策略產(chǎn)生融合力，通過位置預(yù)測器得到操縱桿在融合力作用下的橫向、縱向運(yùn)動角度，通過驅(qū)動器控制電機(jī)動作，最終引導(dǎo)操縱桿動作。

當(dāng)融合力使操縱桿3做周期運(yùn)動時，其運(yùn)動可解耦為縱向運(yùn)動和橫向運(yùn)動。橫向運(yùn)動機(jī)構(gòu)的盤式減速器6通過旋轉(zhuǎn)支架11帶動縱向運(yùn)動機(jī)構(gòu)繞其中心軸線旋轉(zhuǎn)，反映到操縱桿上即是做橫向周期運(yùn)動；同時，縱向運(yùn)動機(jī)構(gòu)的盤式減速器8的法蘭面由于與旋轉(zhuǎn)支架的連接面固定連接，其繞自身的中心軸線旋轉(zhuǎn)，反映到操縱桿上即是做縱向周期運(yùn)動。兩種周期運(yùn)動的合運(yùn)動最終形成了操縱桿的特定運(yùn)動軌跡。此外，通過程序可以控制操縱負(fù)荷裝置，使其在需要時能夠自動回正以及在加載不同的直升機(jī)動力學(xué)模型時可以適應(yīng)不同的直升機(jī)類型。

本發(fā)明中，操縱桿的運(yùn)動角度范圍不小于縱向、橫向，完全滿足直升機(jī)操縱負(fù)荷裝置操縱桿縱向、橫向的運(yùn)動角度范圍要求。

所述發(fā)明的電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的功能為：6維力覺傳感器檢測到操作者對操縱桿施加的力/力矩信號，通過與上位機(jī)的USB接口輸入到上位機(jī)的控制程序中；另一方面，在加權(quán)力融合策略生成的融合力使操縱桿位于特定的操縱位置后，伺服電機(jī)5和伺服電機(jī)10的絕對式光電編碼器可以分別獲得操縱桿在橫向和縱向運(yùn)動分量上的位置信息和轉(zhuǎn)速信息，通過伺服電機(jī)驅(qū)動器與上位機(jī)的反饋接口輸入到上位機(jī)的控制程序中。所測信息在上位機(jī)的控制程序中作為直升機(jī)系統(tǒng)模型的輸入?yún)⑴c模型仿真計算，并得到下一時刻的融合力，該融合力經(jīng)過操縱桿的位置預(yù)測模型最終得到伺服電機(jī)下一時刻的轉(zhuǎn)動角度及轉(zhuǎn)速信息。根據(jù)轉(zhuǎn)速信息對伺服電機(jī)進(jìn)行PWM控制，同時絕對式光電編碼器實時檢測伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并將此信息反饋回伺服電機(jī)驅(qū)動器，實現(xiàn)驅(qū)動器對其的閉環(huán)控制，最終使操縱桿能夠反饋特定的力感并以特定的速度到達(dá)指定的操縱位置。系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)圖如附圖4所示。

電機(jī)伺服控制系統(tǒng)包括力/力矩檢測模塊、電機(jī)伺服驅(qū)動控制模塊，6維力覺傳感器的力/力矩檢測模塊的通過USB接口與上位機(jī)通信端和數(shù)據(jù)傳輸端連接，為了實現(xiàn)操縱桿位置檢測和閉環(huán)控制，需要對伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動位置以及轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測，AKD-P00306-NBCN-0000伺服電機(jī)驅(qū)動器中有編碼器的輸入接口，將絕對式光電編碼器與驅(qū)動器相連接，并通過驅(qū)動器內(nèi)部參數(shù)的設(shè)置，可以實現(xiàn)對電機(jī)的數(shù)據(jù)采集和閉環(huán)控制。驅(qū)動器與上位機(jī)使用以太網(wǎng)或CAN總線連接，采用TCP/IP協(xié)議或CANOpen協(xié)議進(jìn)行通信。