间接驱动的主动控制杆 |
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| 申请号 | CN201110213011.4 | 申请日 | 2011-07-28 | 公开(公告)号 | CN102343975A | 公开(公告)日 | 2012-02-08 |
| 申请人 | 伍德沃德MPC股份有限公司; | 发明人 | D·S·斯塔赫尼亚克; T·M·拉萨克; B·P·戴拉; | ||||
| 摘要 | 提供一种用于飞机控制系统的间接驱动的主动控制杆。所述间接驱动的主动控制杆向所述控制杆提供包括主动反馈和被动反馈。所述被动反馈涉及所述控制杆相对于反馈中间 位置 的调整。所述主动反馈主动地调整所述反馈中间位置的位置，从而调整所述被动反馈的反馈表现。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种间接驱动的主动控制杆，其包括： |
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| 说明书全文 | 间接驱动的主动控制杆技术领域[0001] 本发明通常涉及用于飞机的控制杆，更具体地，用于飞机的线传飞控控制杆。 背景技术[0002] 随着对民用和军用飞机的性能要求的提高，传统的使用机械连接的控制技术不能缓解飞行员的更高的脑力和体力的控制行为。这样，现今的高性能飞机以及一些运输机使用“线传飞控”的侧杆和中心杆，它们也被称为“控制杆”。 [0004] 在“被动的”控制杆中，根据控制杆的杆所施加的偏离，飞行员会感到弹簧力或阻尼力，所施加的偏离是给飞行控制电脑(FCC)的控制输入。这些力由弹簧阻尼箱实现。在这种被动的控制杆中，飞行员的控制器的力(即，触觉)通常是固定的。 [0005] 与传统的控制器相反，这种被动控制概念的弊端在于飞行员失去了与飞机的操纵面的联系，在驾驶舱中也失去了与第二飞行员的联系。这样，飞行员失去了触觉信息，只能使用视觉线索来告知自己实际的飞行状态和可用的平稳控制动力以及另外一个飞行员做什么。其他不足之处涉及这样的事实：反馈表现(反馈资料，feedback profile)不能被调整以弥补飞机在飞行状态中或操纵面的其他的变化，例如因海拔高度、天气、或机械故障产生的变化。 [0006] 在“直接驱动的主动”控制杆中，飞行员通过单独使用精密的伺服系统而感受到模拟的控制力。在直接驱动的主动控制器中，马达、驱动器、高带宽闭环力和阻尼控制算法被用来直接给杆提供触觉反馈，以便模拟飞机的操纵面的触觉反馈。通过使用该高带宽系统，由于增加了多个传感器，以及控制系统的复杂性，该系统既昂贵又笨重。此外，考虑到了，在这些直接驱动的主动系统中，如果马达故障，杆能被锁定，从而阻止飞行员控制飞机。为了纠正这个问题，必须把不必要的冗余建立这个系统中。 [0007] 希望提供一种用于控制杆的可调整的触觉反馈系统，它没有标准的、“完全主动”的控制杆的缺点，并且能被调整以向一个控制杆提供有关其他控制杆的飞行员的行动的触觉反馈。 发明内容[0008] 本发明的实施例提供了用于飞机的新型的和改进的控制系统，它包括向该控制系统的控制杆提供主动和被动反馈。使用主动和被动反馈能给两个系统都带来好处，比如制造成本较低的简单的机械设备，并且不需要高带宽驱动器和算法。 [0009] 在具体的实施例中，一个间接驱动的主动控制杆包括杆，被动反馈装置和致动器。杆相对于机械基准可由飞行员移动，以向飞机输入控制信号。杆能控制俯仰和滚转的其中一种或两种姿态。被动装置相对于机械基准可移动，并且当杆相对于被动装置移动时，被动装置直接作用于杆，以便提供被动反馈力的表现(力的资料，force profile)给杆。致动器可操作地与被动反馈装置耦联，以便主动地调整被动反馈装置相对于机械基准的位置。通过调整被动反馈装置相对于机械基准的位置，从而能够调整被动反馈装置相对于机械基准的力的表现。 [0010] 在实施例中，被动反馈部件包括凸轮，其包括凸轮表面和阻力装置。凸轮表面限定了反馈中间位置。杆包括凸轮从动件，其随凸轮表面从动。阻力装置逐渐使凸轮表面偏置，来抵抗凸轮从动件从反馈中间位置移动，以提供被动触觉反馈。 [0011] 在更具体的实施例中，阻力装置可由弹簧和/或阻尼装置提供。阻尼装置可为旋转式流体阻尼器。 [0012] 在一个实施例中，凸轮表面为基本V形，凸轮从动件位于凸轮表面的V形内。当凸轮从动件接触V形表面的两侧或处于V形的中部时，此位置为反馈中间位置。 [0013] 在一个实施例中，被动反馈组件包括承载凸轮表面和阻力装置的万向节装置。致动器可操作地耦接至万向节装置，并且被配置称调整万向节装置相对于机械基准的位置，以用于主动地调整被动反馈组件相对于机械基准的位置。这样的调整也有利于反馈表现相对于机械基准的修改。 [0014] 万向节装置和杆可枢转地固定至机械基准，以便绕共同的第一轴线枢转运动。此外，致动器可为线性致动器，枢转地耦接至万向节装置，以便绕第二轴线进行相对的枢转运动，并且致动器可枢转地耦接至机械基准，以便偏离第一和第二轴线的绕第二轴线运动。 [0015] 在一个实施例中，被动反馈装置可操作地在杆与致动器之间耦接，使得致动器任何的故障都不会完全地阻止杆相对于机械基准和反馈组件的运动。因为以杆相对于机械基准的运动成比例地对飞机进行控制，在致动器故障，杆相对于机械基准的移动没有被阻止的情况下，控制杆仍然能够被用于控制该飞机。 [0016] 在另一个实施例中，被动反馈组件包括至少一个偏压件，偏压件设置在在致动器与杆之间，而不是在机械基准和杆之间位于杆和机械基准的连接处。在这种设置中，没有施加至杆的外部的负载，偏压件没有通过致动器抵抗被动反馈装置相对于机械基准的位置的主动调整。因此，由于致动器调整被动反馈装置相对于机械基准的位置，在飞行员对操作杆进行作用时，偏压件没有被操作。 [0017] 在一个实施例中，万向节装置与包含凸轮表面的凸轮彼此枢转地耦接。 [0018] 在一个实施例中，杆相对于机械基准至少可在二个维度移动，其中一个维度代表俯仰，另外一个维度代表滚转。 [0019] 通过可移动地耦接至机械基准的杆和提供杆相对于机械基准的被动反馈表现的反馈装置来提供另一个飞机控制系统。反馈装置的至少一部分可相对于机械基准和第一杆移动，以相对于机械基准调整第一反馈表现。 [0020] 在一个实施例中，飞机控制系统还包括耦接至被动反馈装置的致动器，以便调整被动反馈装置相对于机械基准的位置从而调整反馈表现。 [0021] 在一个实施例中，反馈装置包括减震构件。当致动器调整被动反馈装置相对于机械基准的位置时，减震构件不会抵抗(work against)致动器。 [0022] 还提供向飞机控制系统的控制杆提供反馈的方法。该方法包括以下步骤：当控制杆从反馈中间位置过渡时，被动地偏压控制杆；主动地相对于机械基准调整反馈中间位置，以相对于机械基准调整被动反馈表现。 [0023] 被动地偏压控制杆的步骤可由被动反馈装置实施。被动地偏压控制杆的步骤可包括：当杆从相对于被动反馈装置的反馈中间位置运动(transition)时，对杆的偏压减振。在更具体的实施例中，减振独立于机械基准和控制杆之间的相对运动。 附图说明[0026] 所包括的附图是根据本发明的实施例的、包括控制杆的飞机控制系统的示意图。 具体实施方式[0028] 所包括的附图是飞机控制系统100的简化的示意图，飞机控制系统100能控制飞机的俯仰、滚转或俯仰和滚转。飞机控制系统100基本包括第一和第二控制杆102，104(统称为“控制杆102，104”)。飞行员(例如：飞行员和副驾驶)使用控制杆102，104来控制不同的飞机操作，例如俯仰、滚转和/或俯仰和滚转。 [0029] 控制杆102，104被视为线传飞控控制杆，因为操纵控制杆以调整飞机的俯仰和/或滚转状态，并不是直接通过机械设备传递到飞机的操纵面上的。相反，控制杆从中间位置的偏离被感知后，转化为电子信号。这些信号接着被传递给致动器，致动器用这些电子信号，在飞机的操纵面中进行按比例的变化。 [0030] 因为控制杆102，104不是机械地连接至操纵面，所以控制系统100结合有应用到控制杆102，104的触觉反馈，以便模拟如果控制杆102，104实际上是机械地耦接至操纵面时，飞行员可能会有的感觉。例如，如果飞行员需要大幅度地俯仰或滚转，触觉反馈会增加飞行员必须施加给控制杆的力，以便执行在操纵面中的改变。这样，通过飞行员向相应的控制杆施加大的力，将实现在飞机的现有控制中的很大程度的偏离。 [0031] 控制杆102，104基本包括第一和第二杆108，110(即飞行员和副驾驶的杆)，飞行员通过它们输入有关期望的俯仰和/或滚转的控制信号。第一和第二杆108，110与第一和第二反馈组件112，114相互作用，以提供触觉反馈。杆102，104耦接至用来控制反馈组件112.114的动态调整的电子控制装置106。 [0032] 每个反馈组件112，114向其相应的杆108，110提供触觉反馈。在一些实施例中，此触觉反馈有两个分量，被动分量和主动分量。 [0033] 通常，被动分量，即触觉反馈的第一部分，涉及飞行状态，即由杆从中间位置偏移的量而产生的飞行员所需要的俯仰或滚转的量。在一个实施例中，主动分量，即触觉反馈的第二部分，涉及两个不同控制杆102，104之间的矛盾。更具体地说，当两个杆108，110相对于机械基准(mechanical ground)不处于相同的位置时，即，飞行员正向飞机提出冲突的控制命令时，反馈组件112，114提供触觉反馈。但，其他系统能根据其他的输入，例如，飞机特性的改变，如海拔、操纵面的结冰情况、控制操纵面的致动器的功能的故障或降低等，提供主动触觉反馈。 [0034] 本实施例的控制杆102，104基本上是相同的。杆108基本包括第一手柄部116，杆110包括第二手柄部118。飞行员手动地操作手柄部116，118，以控制想要的俯仰和/或滚转的量。手柄部116可操作地耦接至第一连接棒120，手柄部118可操作地耦接至第二连接棒122。连接棒120，122分别可操作地耦接至或包括第一和第二凸轮从动件124，126中的一个(在本实施例中为滚轴)。凸轮从动件124，126与相应的反馈组件112，114相互作用，以便向杆108，110提供不同的触觉反馈表现。 [0035] 相对于相应的第一和第二基准中间位置132，134，杆108，110绕相应的第一或第二共同的枢转点128，130中之一枢转。杆108，110相对于相应的基准中间位置132，134的角位移是与飞行员要求的俯仰或滚转的量成比例的，即，与飞机相应的操纵面的位置的变化量成比例。 [0036] 通常，反馈组件112，114通过向杆108，110从基准(ground)中间位置132，134的移动提供主力，向飞行员提供触觉反馈。在一个实施例中，反馈组件112，114是间接驱动的主动反馈组件。这允许系统提供主动反馈和被动反馈。反馈组件112，114使用被动的反馈作为触觉反馈的第一形式，如上所述，触觉反馈的第一形式通常涉及杆108，110的控制状态。这涉及要求的俯仰和/或滚转的量，并模拟与飞机的操纵面的连接。此被动反馈由阻力装置136，138(即，弹簧阻尼箱)，通过使用一个或多个弹簧和/或阻尼器或其他偏压装置提供，阻力装置136，138抵抗杆108，110从反馈中间位置的旋转运动。 [0037] 在典型的实施例中，阻力装置的阻力表现(阻力资料，resistance profile)增加了杆108，110从反馈中间位置的角位移或偏离的更大的量，反馈中间位置在图示的实施例中为中间位置132，134。阻力向飞行员提供了反馈，使得当飞行员要求一定量的俯仰或滚转时，他的肌肉记忆会用一定量的推力或拉力，来克服阻力装置136，138的弹簧和阻尼器的力。因此，飞行员会“学会”需要用多大的力来控制飞机，即，使用多大的力来调整杆108，110相对于基准中间132，134的位置，来实现俯仰和/或滚转的量。 [0038] 在附图的实施例中，反馈组件112，114包括成形的(profiled)第一或第二凸轮144，146，第一或第二凸轮分别具有与凸轮从动件124，126相互作用的第一和第二V形凸轮表面148，150。当凸轮从动件124，126从凸轮表面148，150的中心，即，“V”的底部，离开(transition away)，阻力装置136，138增加作用于相应杆108，110的角向力，以便向飞行员提供触觉反馈。 [0039] 凸轮表面148，150的中点也可以被称作“反馈中间位置”或“万向节中间位置”，因为在这个位置，反馈组件112，114没有施加任何旋转力给杆108，110。在实施例中，在反馈中间位置(如图所示)，凸轮从动件124，126将接触相应的V形凸轮表面148，150的两侧，使得反馈组件112，114没有施加旋转力给杆108，110。图1中，反馈中间位置是与基准中间位置132，134对齐的。 [0040] 第一和第二凸轮144，146与第一和第二阻力装置136，138可被称为被动定心机构，因为由此产生的力总是试图向凸轮144，146的中心驱动杆108，110，凸轮144，146的中心对应于反馈中间位置。 [0041] 在一些实施例中，飞机控制系统100也被构造成当两个不同杆108，110之间的控制输入不一致时，向飞行员提供主动触觉反馈。当一个飞行员相对于另一个飞行员试着要求不同程度的俯仰和/或滚转时，就产生了不一致。这能利用前述的第二种形式的触觉反馈，即，主动触觉反馈来表示。 [0042] 在一个实施例中，当一个飞行员的动作引起两个杆108，110之间位置不一致时，反馈组件112，114被构造成试图将第一和第二杆108，110维持在相对于机械基准159相同的位置。 [0043] 为了向一个杆108，110提供有关另一个杆110，108的操作的主动触觉反馈，反馈组件112，114包括由第一和第二致动器156，158中的相应的一个驱动的、可移动的第一和第二万向节152，154中的一个，以便调整第一和第二凸轮144，146相对于机械基准159的位置。凸轮144，146相对于机械基准159的位置的调整会主动地调整相对于机械基准159的力反馈表现。因此，当杆108，110相对于机械基准移动时，相应的反馈组件108，110能将不同的力施加至相应的杆108，110。 [0044] 在所示的实施例中，致动器156，158被示意为线性致动器，其被枢转地耦接至机械基准159，并且枢转地耦接至万向节152，154。但是，其它致动器可被用作，例如(定位在，比如，枢转点128，130处的)旋转式致动器，或用作具有齿轮的马达，齿轮用作万向节152，154的相应的齿轮传动。其它种类的驱动机构可用于调整万向节152，154相对于机械基准 159的位置。 [0045] 此外，因为被动反馈部分，即，阻力装置136，138，相应的万向节152，154，凸轮144，146，被设置在致动器156，158和杆108，110之间，这提供的是间接驱动，因为致动器 156，158不是直接耦接至杆108，110。因此，杆108，110至少在一定程度上可以独立于致动器156，158移动。因此，至少在杆108，110和其相应的反馈组件112，114之间有受限制的自由度或偏压程度的自由度(a limited or biased degree of freedom)。这样，如果致动器156，158被锁定或被控制成固定状态，杆108，110仍然可以相对于机械基准159运动，使飞行员在飞机处于控制状态中时，仍然能够进行调整。 [0046] 万向节152，154旋转地安装在机械基准159上，以便分别绕第一和第二共同的枢转点128，130转动。这样，指定的控制杆102，104的杆108，110和万向节152，154被允许绕着由各自的共同的枢转点128，130提供的相应的共同的轴转动。 [0047] 在图示的实施例中，万向节152，154包含万向节架160，162。万向节架160，162可移动地承载第一和第二凸轮144，146。在图示的实施例中，第一和第二凸轮144，146包括凸轮连接臂164，166，凸轮连接臂枢转地连接于第一和第二万向节架臂168，170。第一和第二凸轮144，146和万向节架160，162通过在它们之间的枢转连接部172，174相对于彼此旋转，以便由于在阻力装置136，138内调整偏压机构的压缩或扩张，来调整实施于第一和第二杆108，110的力的量。 [0048] 然而，还可以提供允许凸轮144，146相对于万向节框架160，162移动的其他装置。例如，凸轮144，146可以自由地浮动并只连接到阻力装置136，138的端部。替代地，凸轮 144，146可以沿着万向节框架160，162线性地滑动。 [0049] 阻力装置136，138提供的阻尼器174，176增加了系统的阻尼。在图示的实施例中，阻力装置136，138，特别是其中的阻尼器，设置在杆108，110和万向节152，154之间。当其它的实施例将阻力装置136，138，特别是阻尼器174，176，设置在机械基准159和杆108，110之间，而本实施例并没有这么做，因为将阻尼器174，176的作用从致动器156，158中隔离出来，会增加其优势。因此，在本实施例中，当致动器156，158调整万向节152，154相对于机械基准159的位置时，阻力装置136，138，特别是阻尼器174，176由此没有妨碍致动器156，158操作。 [0050] 通过将阻力装置设置在杆108，110和万向节152，154之间，致动器156，158通过反馈组件112，114的被动反馈部分来驱动杆108，110，但是，没有飞行员的输入，阻力装置136，138和特别是阻尼器174，176不会抵抗致动器156，158的运动。 [0051] 阻尼器174，176可为可旋转式流体阻尼模块。替代地，它也可以为线型的流体阻尼器。也可以结合其他阻尼器，例如电子阻尼器。 [0052] 更具体地，关于控制凸轮144，146相对于机械基准的位置的描述，记载在转让给本申请(instant application)的受让人的同时待决的申请文件中，其代理人案卷号为RBVD 507843，名称为《用于线传飞控的控制杆的交叉耦合操作的位置控制系统》(Cross Coupled Operation of Fly-By-Wire Control Columns)，申请号12/844,867，申请日期2010年7月28日，其中的教导和披露的内容在此作为参考被并入。 [0053] 在一个实施例中，通过主动调整万向节152，154的位置，以及相应的凸轮144，146绕共同的枢转点128，130的位置，相对于中间位置132，134和机械基准159、施加于相应杆108，110的阻力或反馈表现被主动地改变，以便向飞行员提供已修改的触觉反馈。 [0054] 主动可调整性能可用来指示出两根杆108，110之间接受到的不一致的指令。当一个飞行员通过向已移动的杆提供矫正力(该矫正力补偿了飞行员试图偏离另一个杆而施加的增加的力)来输入控制差异时，力的表现的可调整性也可用于试图将两个杆108，110维持在共同的位置。此外，阻力或反馈表现的主动可调整性也可以用来模拟飞机的其它变化，比如操纵面的变化，控制操纵面的致动器的变化或故障，操纵面的结冰情况，海拔高度的变化等。 [0055] 系统100的附加特征在转让给本申请的受让人的同时待决的申请文件中公开，其代理人案卷号为RBVD 507949，名称为《具有用于被动控制杆的手动激活复位件的主动控制杆》(Active Control Column with Manually Activated Reversion to Passive Control Column)，申请号12/845,246，申请日期2010年7月28日，其中的教导和披露的内容在此通过参考被并入。 [0057] 除非在此另有说明或与文章内容明显矛盾，本申请的说明书正文中(特别是以下的权利要求书正文中)使用术语“一个(a)”和“一个(an)”和“这(the)”和类似的指示对象均理解为包括单数和复数。除非有另外的批注，术语“包括，(comprising)”、“有，(having)”、“含有，(including)”和“包含(containing)”均理解为开放式术语(即，意思为“含有，却不局限为”)。除非另有说明，在此列举的范围值仅仅意欲作为一种速记法，单独地记录涉及落在此范围内的每个单独的值，并且好像在此把它单独地列举一样地将每个单独的值合并入本说明书。除非另有说明或与文章内容明显矛盾，在此描述的所有方法能以任意合适的顺序实施。除非另有说明，对任何和所有例子或的使用示范语言(即“例如”)的使用仅仅意欲更好地说明本发明，其没有对本发明的范围提出限制。不可把本发明的语言理解为将任何没有说明过的元素暗示为对本发明的实践不可或缺的。 [0058] 本申请优选实施例包括了发明者所知道的最好的用来实施本发明的模式。通过阅读前述说明书，那些优选实施例的变化形式对本领域的专业人士是显而易见的。发明者期望专业人士适当地使用变化形式，并且，除了在文中详细描述的内容之外，发明者打算将本发明用于更多的实践中。因此，由适用法批准的、附加权利要求书中所引用的、本主题的所有的修正和等价方案都包括在本申请中。而且，除非在此另有说明或与文章内容明显矛盾，本发明包含了以所有可能的变化形式对上述元素进行的任何的结合方式。 |
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