本發明涉及一種具有觸覺引導的直升機模擬操縱負荷模擬裝置，屬于機器人人機交互領域，是基于觸覺引導的模擬器操縱負荷模擬裝置。

背景技術：

在真實直升機上，操縱負荷系統是飛行員操縱飛機的直接裝置。由于直升機的飛行環境復雜，飛行狀態變化多，俯仰角、翻滾角、舵偏角和飛行速度等飛行參數變化快，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行相應的操作。這對直升機駕駛學員的培訓來說，真機訓練的安全性和經濟效益都非常差，因此需要有專門的模擬訓練器材來模擬真實直升機的操縱力感。

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

目前，直升機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操縱力的模擬；或是采用液壓伺服操縱負荷系統，實現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的動態力感進行逼真模擬，而液壓伺服操縱負荷系統由于液壓管路泄漏、摩擦阻力等影響，在細微緩慢操作時力感效果不穩定，這兩種操縱負荷系統難以建立精確的操縱負荷模型，仿真度與實際相差甚遠。

另外，一般的直升機模擬器操縱負荷裝置并沒有考慮飛行學員與裝置的力覺交互，裝置反饋了直升機飛行狀態產生的氣動模型力，但無法直接快速地檢測飛行學員根據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致反映到操縱桿的模型力與飛行學員的操作力沖突，產生頓挫力感，同時也無法實現示教模式下的觸覺引導，進而影響了模擬訓練的臨場感和最終的訓練效果。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種具有觸覺引導的直升機模擬操縱負荷模擬裝置，其可根據直升機動力學模型和操縱桿模型實時、精確地提供觸覺引導力，模擬高逼真的臨場力感。同時，針對不同的直升機機型，可采用編程的方式來模擬各機型在力感上的細微差別，具有較好的適應性和通用性。

本發明的技術方案是這樣實現的：一種具有觸覺引導的直升機模擬操縱負荷模擬裝置，由操縱手柄、6維力覺傳感器、操縱桿、臺面板底座、橫向運動伺服電機、橫向運動盤式減速器、固定底座、縱向運動盤式減速器、操縱桿底座、縱向運動伺服電機、旋轉支架、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，橫向運動伺服電機通過固定底座與臺面板底座臺面板固定連接，橫向運動伺服電機前端有橫向運動盤式減速器，橫向運動盤式減速器的外耳與固定底座連接，旋轉支架呈直角結構，旋轉支架的底面與橫向運動盤式減速器的法蘭面固定連接，旋轉支架垂直的另一個面與縱向運動伺服電機前端的縱向運動盤式減速器的法蘭面固定連接，縱向運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模塊包括PC上位機的系統控制模塊、電機伺服控制模塊和力/力矩檢測模塊，以及配套的通信模塊——包括EntherNet TCP/IP協議通信和CANOpen協議通信；其中，力/力矩檢測模塊通過USB接口與PC上位機連接，電機伺服控制模塊通過以太網接口（EntherNet TCP/IP協議）或CAN總線工業以太網接口（CANOpen協議）與PC上位機連接。

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

本發明的積極效果是其相對其他機械結構，采用了電機伺服驅動系統，縱向操縱機構通過旋轉支架懸掛于橫向操縱機構上，兩者為串聯關系，降低了結構復雜度。本發明中，直升機飛行中產生的力感由伺服電機直接提供，根據模型程序的直升機動力學模型進行計算和模擬，解決了彈簧加載對動態力感模擬的不足以及液壓操縱負荷裝置對細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為本發明的結構圖。

圖2為操縱負荷裝置橫向運動機構和縱向運動機構軸測圖。

圖3為操縱負荷裝置橫向運動機構和縱向運動機構俯視圖。

圖4為操縱負荷裝置的系統硬件電路結構圖。

圖5為操縱負荷裝置的系統工作原理框圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步說明：如圖1-4所示，一種具有觸覺引導的直升機模擬操縱負荷模擬裝置，由操縱手柄1、6維力覺傳感器2、操縱桿3、臺面板底座4、橫向運動伺服電機5、橫向運動盤式減速器6、固定底座7、縱向運動盤式減速器8、操縱桿底座9、縱向運動伺服電機10、旋轉支架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，橫向運動伺服電機5通過固定底座7與臺面板底座臺面板12固定連接，橫向運動伺服電機5前端有橫向運動盤式減速器6，橫向運動盤式減速器6的外耳與固定底座連接，旋轉支架11呈直角結構，旋轉支架11的底面與橫向運動盤式減速器6的法蘭面固定連接，旋轉支架11垂直的另一個面與縱向運動伺服電機10前端的縱向運動盤式減速器8的法蘭面固定連接，縱向運動盤式減速器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模塊包括PC上位機的系統控制模塊、電機伺服控制模塊和力/力矩檢測模塊，以及配套的通信模塊——包括EntherNet TCP/IP協議通信和CANOpen協議通信；其中，力/力矩檢測模塊通過USB接口與PC上位機連接，電機伺服控制模塊通過以太網接口（EntherNet TCP/IP協議）或CAN總線工業以太網接口（CANOpen協議）與PC上位機連接。

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

本發明的整個工作過程為：6維力覺傳感器測得直升機駕駛學員的操作力，當直升機的模型力、路徑引導力和人手操作力共同作用時，通過直升機動力學系統模型和加權力融合策略產生融合力，通過位置預測器得到操縱桿在融合力作用下的橫向、縱向運動角度，通過驅動器控制電機動作，最終引導操縱桿動作。

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

本發明中，操縱桿的運動角度范圍不小于縱向、橫向，完全滿足直升機操縱負荷裝置操縱桿縱向、橫向的運動角度范圍要求。

所述發明的電機伺服控制系統的功能為：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，通過與上位機的USB接口輸入到上位機的控制程序中；另一方面，在加權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5和伺服電機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動分量上的位置信息和轉速信息，通過伺服電機驅動器與上位機的反饋接口輸入到上位機的控制程序中。所測信息在上位機的控制程序中作為直升機系統模型的輸入參與模型仿真計算，并得到下一時刻的融合力，該融合力經過操縱桿的位置預測模型最終得到伺服電機下一時刻的轉動角度及轉速信息。根據轉速信息對伺服電機進行PWM控制，同時絕對式光電編碼器實時檢測伺服電機的轉速，并將此信息反饋回伺服電機驅動器，實現驅動器對其的閉環控制，最終使操縱桿能夠反饋特定的力感并以特定的速度到達指定的操縱位置。系統的硬件電路結構圖如附圖4所示。

電機伺服控制系統包括力/力矩檢測模塊、電機伺服驅動控制模塊，6維力覺傳感器的力/力矩檢測模塊的通過USB接口與上位機通信端和數據傳輸端連接，為了實現操縱桿位置檢測和閉環控制，需要對伺服電機的轉動位置以及轉速進行檢測，AKD-P00306-NBCN-0000伺服電機驅動器中有編碼器的輸入接口，將絕對式光電編碼器與驅動器相連接，并通過驅動器內部參數的設置，可以實現對電機的數據采集和閉環控制。驅動器與上位機使用以太網或CAN總線連接，采用TCP/IP協議或CANOpen協議進行通信。