操纵机构之间的力联合装置、操纵机构和飞行器 |
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| 申请号 | CN201380036995.0 | 申请日 | 2013-07-05 | 公开(公告)号 | CN104640769A | 公开(公告)日 | 2015-05-20 |
| 申请人 | 拉蒂埃-菲雅克公司; | 发明人 | C·安特雷格; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种两个 力 反馈式操纵机构之间的力联合装置，每个操纵机构包括操作 手柄 (21，31)和至少一个力 传感器 (24，34)，所述至少一个力传感器适用于提供由驾驶员施加的操纵力值(Fp，Fcp)，所述装置适用于根据每个操纵机构的操纵力值的总和形成 力反馈 值。修正装置根据从所述第二操纵机构的操纵力绝对值(Fcp)和每个操纵机构的操纵力值之间的差值中选取的至少一个参数来限制所述力反馈值(Fcor_p)。本发明还涉及一种包括这种力联合装置的操纵机构，本发明同样涉及装配有这种操纵机构的 飞行器 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种第一(20)和第二(30)力反馈式操纵机构之间的力联合装置(1)，每个操纵机构包括可相对于底座(40)移动的操作手柄(21，31)和至少一个力传感器(24，34)，所述至少一个力传感器适用于提供由驾驶员施加于操作手柄上的力值、即操纵力值(Fp，Fcp)，所述装置适用于根据每个操纵机构的操纵力值的总和形成力反馈值，其特征在于，所述装置还包括修正装置，所述修正装置适用于根据从所述第二操纵机构的操纵力绝对值(Fcp)和每个操纵机构的操纵力值之间的差值中选取的至少一个参数来限制所述力反馈值(Fcor_p)。 |
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| 说明书全文 | 操纵机构之间的力联合装置、操纵机构和飞行器技术领域[0001] 本发明涉及至少两个飞行器操纵机构之间的力联合装置，所述飞行器包括一种操纵装置，对于每个飞行器驾驶机构，所述操纵装置配备有两个(全部通过机械传动链或以至少局部电气的方式)与该驾驶机构连接的这种操纵机构，以使飞行器能够同时由两个人操纵：机长(或驾驶员)或副驾驶员。 背景技术[0002] 在全文中，除非相反指示，术语“操纵”和其派生词表示由至少一个人类驾驶员通过操作至少一个例如操作杆、控制杆、脚踏板、踏板等操纵机构来驾驶飞行器，所述操纵机构与至少一个例如飞行器的舵面或油门控制杆的驾驶机构连接。另外，采用术语“力”以根据施加有该力(如果旋转则为扭力或如果平移则为推力(force))的配置来无区别地表示扭力或推力。 [0003] 在需要由驾驶员和副驾驶员同时操纵飞行器时，已知在两个驾驶员之间连接每个驾驶员的操纵机构或操作杆，以便每个操作杆跟随另一个移动，且每个驾驶员在其操作杆上可感受到另一驾驶员在自己的操作杆上施加的力。传统上，通过机械连接两个操纵机构的一组连杆或电缆来执行在操纵机构间的该力联合。 [0004] 然而，当操纵机构为电气或电子类型时，需要例如通过电动机来模拟传统机械操作杆的性能。从文件US 5291113中已知操纵装置包括联合装置，所述联合装置实现应用至驾驶员和副驾驶员操作杆上的推力和位移的联接。对于每个操纵机构，该操纵装置包括与(扭力传感器形式的)力传感器和位置传感器连接的操作手柄。每个扭力传感器发送表示由驾驶员(或副驾驶员)在操作手柄上施加/感受到的扭力的信号。根据由位置传感器发送的位置信号和由扭力信号总和形成的力反馈值，加法器形成之后被应用至电子控制器的扭力误差，所述电子控制器发送适合于电动机的电流以修正该扭力误差并改变驾驶员(或副驾驶员)感受到的扭力。 [0005] 这种力联合装置具有的缺点在于，通过模拟在驾驶员和副驾驶员的操纵机构之间类似于刚性连杆的联接，降低了驾驶员的力感知。然而，这种连杆在机械系统中通常配备有当由一个操作杆在另一个操纵杆上施加的力超过预先确定极限时使驾驶员的操作杆断开连结装置。这种“断连”不实现于先有技术的联合装置中，且当驾驶员和副驾驶员的联合力导至发提供至电动机的电流饱和时不实现力限制。在该情况下，由发动机提供与驾驶员施加的力相反的力是恒定的且不再能够感受到相对于操作杆总行程的位置。而且，如果根据位置设置了如类似于开槽(crantage)的感知或可通过的止挡(butée)(例如通过操作杆振动器引起的振动，以触碰地警告接近熄火的情况)的力变化规律，则通过电动机控制饱和度进行“擦除”。 发明内容[0006] 本发明的目的在于提供一种联合操纵机构间力的装置，所述操纵机构不具有现有技术的缺点。 [0007] 本发明的目的还在于所提供的这种装置能够当由一个操作杆在另一个操作杆上作用的力超过预先确定极限时，在驾驶员和副驾驶员的操作杆之间实现“断连”。 [0008] 本发明的目的同样在于通过将电动机控制饱和度极限保持足够高，能够得到操纵机构的最佳动力。 [0009] 本发明的目的还在于所提供的这种联合装置能够考虑到被动回复装置(dispositifs de rappel passives)的存在，如弹簧和/或缓冲器，所述被动回复装置与和主动装置(电动机、各种致动器等)并联的操纵机构的操作手柄连接。 [0010] 为此，本发明涉及一种第一和第二力反馈式操纵机构之间的力联合装置，每个操纵机构包括可相对于底座移动的操作手柄和至少一个力传感器，所述至少一个力传感器适用于提供由驾驶员施加于操作手柄上的力值、即操纵力值，所述装置适用于根据每个操纵机构的操纵力值的总和形成力反馈值，其特征在于，所述装置还包括修正装置，所述修正装置适用于根据从所述第二操纵机构的操纵力绝对值和每个操纵机构的操纵力值之间的差值中选取的至少一个参数来限制所述力反馈值。 [0011] 通过或者根据每个操纵机构的操纵力间的差值、或者根据第二机构的操纵力绝对值来引起力反馈值的修正，能够限制由其它操纵机构提供的操纵力值对给定的操纵机构的操纵力的影响。更具体地，在包括两个操纵机构、例如机长使用的操作杆(驾驶员操作杆)和副驾驶员使用的操作杆(副驾驶员操作杆)的操纵装置中，如果由于任何原因锁定了副驾驶员操作杆，或如果驾驶员和副驾驶员在相反方向上分别启动了各自的操作杆，在驾驶员的操纵力和副驾驶员的操纵力间的较大的根据差值的力反馈修正在两个操纵杆间的刚性联接中引起弹力形式。而且，通过限制传送给驾驶员操作杆的副驾驶员的力绝对值，能够在驾驶员的操纵力中保留根据飞行状况、例如操作杆位置来计算的力分量而没有掩盖任何可通过的止挡(例如由操作杆振动器引起的振动，以触碰地警告接近熄火的情况)，以及没有该限制的其它表示特定状态或情况的触碰感知由于向电动机供应的电流的饱和而将消失。 [0012] 有利地，根据本发明，所述修正装置至少包括： [0013] ·比较器，所述比较器适用于形成每个操纵机构的操纵力值的差值，[0014] ·带死区(bande morte)的修正器，所述修正器适用于在所述力差值小于预先确定阈值时提供基本为零的修正值，或者在所述力差值大于所述预先确定阈值时提供基本等于所述力差值绝对值减去阈值且带有差值符号的修正值，以及 [0015] ·加法器，所述加法器用于根据操纵力总和以及修正值形成力反馈值。 [0016] 由于向每个操纵机构间的操纵力差值提供不敏感范围的修正器死区，在操纵力差值小于预先确定阈值时，本发明的联合装置表现为如存在于操纵机构的操作杆之间的刚性连接。当操纵力差值大于阈值时，所述装置对于所考虑的操纵机构表现为由其它操纵机构传送的操纵力的限制器且引起了在不同操纵机构的操作杆间的角度变化的可能性。 [0017] 有利地，根据本发明，所述预先确定阈值等于断连可接受力的极限值的两倍。在传统机械系统中，根据该断连可接受力对应的力，驾驶员和副驾驶员的两个操作杆不再彼此刚性连接。因此，当根据差值的修正增益等于1时，来自第二操纵机构的操纵力的影响被限制于断连可接受力，且由驾驶员施加/感受到的操纵力基本对应于单独操纵时将感受到的力的一半加上固定力，所述固定力等于断连可接受力极限值，代表了在两个操作杆之间的异常。 [0018] 有利地，根据本发明，所述预先确定阈值可根据表示每个操纵机构的操作手柄位置的信号之间的差值变化。在根据本发明的联合装置的该变型中，断连可接受力可根据驾驶员操作杆和副驾驶员操作杆之间的位置的差值变化。位置差值越大，断连的极限力越大。 [0019] 有利地，根据本发明，所述修正装置还包括在带死区的修正器的输出端处的阈值比较器，所述阈值比较器适用于在当修正器输出非零时提供断连信号。以该方式，在驾驶员操作杆之间的断连接信号不再取决于操纵机构的电动机中循环的电流，且容易被大动力运动影响，因此能够提供较弱的断连信号。 [0020] 有利地，根据本发明，在本发明的联合装置的第二实施例中，所述修正装置包括至少一个饱和器，所述饱和器适用于将第二操纵机构的操纵力值限制到断连可接受力的极限值。该实施例比之前的实施例更简单且更经济，还能够满足给予力联合装置的大部分函数。在该第二实施例中，两个(驾驶员和副驾驶员的)操纵机构不需要同时饱和，且仅在单一操纵机构上执行断相关联探测(除非在所述第一操纵机构以及所述第二操纵机构上观察到了力饱和)。 [0021] 有利地，根据本发明，所述断连可接受力极限值是可变化的且所述修正装置适用于根据表示每个操纵机构的操作手柄位置的信号之间的差值来确定所述断连可接受力的极限值。 [0022] 有利地，根据本发明，所述修正装置还包括比较器，所述比较器适用于形成第二操纵机构的操纵力值与饱和器的输出值之间的差值并在所述差值非零时提供断连信号。当饱和器不介入时饱和器的输入和输出的差值为零，以限制副驾驶员的操纵力。一旦限制介入，差值非零且发送代表两个操作杆之间断连的信号。 [0023] 有利地，根据本发明，在本发明的任意实施例中，所述装置包括输出端，所述输出端适用于当激活断连信号时控制断连指示器。该指示器是可见(可看见)的、有声音的又或通过在驾驶员可见到的屏幕上的警告实现。 [0024] 有利地，根据本发明，所述装置还包括由断连信号激活的计数器，所述计数器适用于在预先确定时间段之后开启转换器，所述转换器能够将第一操纵机构与第二操纵机构的操纵力信号隔离。因此例如当其中一个操纵机构的操作杆被锁定时，所述操作杆与联合装置断开连接且能够在剩余的操纵机构上独立操纵。 [0025] 本发明还涉及一种操纵机构，所述操纵机构适用于与相同类型的第二操纵机构相关联，所述操纵机构至少包括： [0026] -可根据至少一个自由度移动的操作手柄， [0027] -力传感器，所述力传感器适用于提供由驾驶员施加于操作手柄上的力值、即操纵力值， [0028] -位置传感器，所述位置传感器适用于提供操作手柄的位置信号，[0029] -计算器，所述计算器适用于： [0030] ■根据位置信号来计算理论控制力值、即控制力值， [0031] ■根据操纵力值和由相关联的第二操纵机构提供的操纵力值形成力反馈值，[0032] ■根据控制力和所述力反馈值形成力误差值， [0033] ■根据所述误差值控制致动器，所述致动器适用于调制操纵力，[0034] 其特征在于，所述计算器包括力反馈值的修正装置，所述修正装置适用于根据从所述第二操纵机构的操纵力绝对值和每个操纵机构的操纵力值之间的差值中选取的至少一个参数来限制所述力反馈值。因此根据本发明的操纵机构包括根据本发明的应用联合装置和第二操纵机构。通过在每个操纵机构的计算器中整合根据本发明的力联合装置，以及更具体地力反馈值的修正装置，所得到的操纵机构只需要一个分支以接收由第二操纵机构提供的操纵力信号，以实现在两个操纵机构间的力联合。包括至少两个操纵机构的操纵装置的安装相对于同类机械装置大大简化。 [0035] 本发明还涉及一种包括操纵装置的飞行器，所述操纵装置包括至少两个具有之前或之后提及的全部或部分特征的相关联的操纵机构，所述操纵装置尤其包括联合第一操纵机构和第二操纵机构间力以反馈力的装置。 [0037] 通过阅读以下详细描述和附图，本发明的其它目的、特征和优点将更加清楚，在附图中： [0038] -图1示意性示出了包括两个操纵机构的操纵装置，至少其中一个操纵机构包括根据本发明第一实施例的力联合装置； [0039] -图2以更详细的框图方式示出了操纵机构控制部分，所述操纵机构控制部分包括根据本发明第一实施例的变型的力联合装置； [0040] -图3示出了根据本发明第一实施例中采用的带死区的修正器的传递函数图形； [0041] -图4示出了根据本发明第二实施例的力联合装置。 具体实施方式[0042] 参照图1，在图1中示出了飞行器的两个操纵机构存在小型操作杆20和30的情况。这些小型操作杆包括操纵手柄21(或31)，每个操纵手柄适用于被驾驶员(或副驾驶员)操控。这些操纵手柄通常沿两条并行(concurrent)且正交的轴线旋转移动，形成与中心点的联接。在示出的示例中，每个操纵机构的两条轴线的其中一条、例如俯仰轴被完整地示出，另一轴线可由此类推。在该示例中，所施加的力为与旋转相关的力，因此使用术语扭力，以用于表示如果不能够由例如约束说明的所述力，例如在控制杆线性运动的情况下所施加的力为沿控制杆平移轴线的推力。 [0043] 例如驾驶员(机长)专用的小型操作杆20包括串接到俯仰轴上的扭力传感器24，所述扭力传感器适用于提供表示力值的信号，在此情况下为由驾驶员施加于操纵手柄上的扭力Fp。扭力传感器24一方面与操纵手柄21连接以及另一方面与适用于在操纵手柄轴线上施加扭力ΔF的电动机23连接。电动机23的转子可例如与俯仰轴联接，而电动机23的定子与操纵机构的底座40连接。位置传感器22也被串接装配在俯仰轴上且能够发送操纵手柄的位置信号θp，此处为角度位置。当然，小型操作杆的轴线也可包括与底座连接的“被动”元件，例如弹簧或缓冲器。 [0044] 以对称的方式，副驾驶员专用的小型操作杆30包括：操纵手柄31；扭力传感器34，所述扭力传感器提供表示由副驾驶员施加在其操纵手柄上的扭力值Fcp信号；电动机 33；以及位置传感器32，所述位置传感器发送副驾驶员的操纵手柄的角度位置θcp信息。 [0045] 在之后的文本中，当参数涉及驾驶员的操纵机构时带有下标p。当相同参数涉及副驾驶员的操纵机构时带有下标cp。 [0046] 驾驶员的小型操作杆20包括计算工具25，计算工具25包括第一控制模块26，控制模块26适用于接收由位置传感器22提供的位置信号θp并提供需要由驾驶员在各自的操作杆上联合施加的理论控制力Fcmd_p。该理论控制力Fcmd_p被传送至加法器29，在加法器29中该理论控制力Fcmd_p与由力联合装置1根据操纵力Fp和Fcp的总和传送的力反馈Fcor_p比较。将在之后详细描述该力反馈值Fcor_p的确定。 [0047] 因此加法器29将对应于扭力误差的信号传送至控制器27，在控制器27中扭力误差被转换成适于传送给电动机23的电流。控制器27的输出被传输至饱和器28，在饱和器28中电动机23的控制电流被限制于预先确定饱和电流值。饱和器28的输出被以电动机 23的控制信号ΔF的形式发送，控制信号ΔF代表了应用于俯仰轴且因此应用于操纵手柄 21的扭力变化。 [0048] 在本发明的第一实施例中，与小型操作杆20相关联的力联合装置1根据分别来自驾驶员的小型操作杆20的扭力传感器24和副驾驶员的小型操作杆30的扭力传感器34的操纵力Fp和Fcp来确定力反馈Fcor_p。加法器10计算总和Fp+Fcp并将该总和传输至第二加法器14。 [0049] 操纵力Fp和Fcp还被传输至比较器11，所述比较器11适用于形成这两个操纵力值之间的差值。之后比较器11的输出被传输至带死区的修正器12。结合图3的图形将会更好地理解该修正器12的传递函数。差值Fp-Fcp由图3的图形的横坐标表示，且修正器12的输出对应于该图形的纵坐标。修正器12的死区在相对原点彼此对称的负阈值-2Fijm和正阈值+2Flim之间延伸。选择每个阈值的绝对值以使其等于预先确定力Flim的两倍，且代表对应于在两个操作杆恢复彼此移动的相对自由度之前由一个操作杆施加于另一操作杆上的最大力的力、即断连可接受力。而且，在代数值形式的差值Fp-Fcp包括在修正器12的死区中时，修正器12的输出为零。一旦差值Fp-Fcp超过其中一个阈值，修正器12的输出等于差值减去最接近的阈值。 [0050] 之后修正器12的输出一方面应用于具有增益K的放大器13，放大器13的输出与第二加法器14的第二输入相连。第二加法器14因此根据所应用的操纵力的差值Fp-Fcp和所述操纵力总和Fp+Fcp来计算力反馈修正值的和。第二加法器14的输出所表示的经修正的力反馈Fcor_p之后被传输至计算工具25的加法器29。 [0051] 当增益K等于1时，经修正的力反馈Fcor_p等于： [0052] ·两个操作杆20和30的操纵力总和Fp+Fcp，如果差值Fp-Fcp包括在修正器12的死区的两个阈值之间； [0053] ·驾驶员的操纵力Fp减去最接近阈值得到的值的两倍，即2(Fp-Flim)，如果由驾驶员施加的操纵力Fp大于由副驾驶员施加的操纵力Fcp，或在相反情况下等于2(Fp+Flim)。 [0054] 将经修正的力反馈Fcor_p引入电动机23的控制回路中能够得到由驾驶员施加的操纵力Fp： [0055] ·Fp＝Fcmd_p-Fcp，如果驾驶员和副驾驶员的操纵力差值Fp-Fcp在绝对值上小于2Flim； [0056] · 如果驾驶员施加的操纵力大于副驾驶员施加的操纵力； [0057] · 如果副驾驶员施加的操纵力大于驾驶员施加的操纵力。 [0058] 还注意到，在所有情况下由驾驶员施加的力取决于理论控制力Fcmd_p，且即使在两个操作杆之间的操纵力差值大于断连极限时，在理论控制力中引起的力变化对于驾驶员仍是可感觉到的。 [0059] 修正器12的输出另一方面应用于阈值探测器36，当修正器12的输出非零时阈值探测器36提供断连信号。该断连信号应用于断连指示器37，且该断连信号是可见的和/或有声音的和/或为屏幕上的警示信息，以在驾驶员和副驾驶员的操作杆之间差值异常的情况下通知全体机组人员。 [0060] 断连信号还应用于计数器38，计数器38适用于扣除预先确定时间段且在该时间段后开启转换器15，以将由扭力传感器34提供的操纵力Fcp的力联合装置与小型操作杆30隔离。此时，驾驶员的小型操作杆20完全独立于小型操作杆30。 [0061] 应当理解，在之前的描述中，描述了本发明关联于驾驶员的小型操作杆20的力联合装置。明显的是，这种装置在驾驶员的小型操作杆20和副驾驶员的小型操作杆30之间完全对称。因此，与装置1相同的带有分别为操纵力Fp和Fcp倒置的力联合装置与小型操作杆30相关联，以向计算器35的加法器提供经修正的力反馈Fcor_p。 [0062] 现在参考图2更详细地描述本发明的力联合装置的变型。 [0063] 在之后的详细描述中，使用相同的附图标记来表示与图1相同的元件。 [0064] 将控制模块26更详细化，控制模块26在输入端接收来自位置传感器22的位置信号θp。该位置信号被直接传输至参考表261，参考表261适用于根据位置θp提供第一控制力值。 [0065] 在第一微分器265中对信号θp进行求导，以提供对应于操纵手柄21的移动速率的信号ω。该信号ω被传输至第二参考表262，第二参考表262适用于根据操纵手柄的移动速率提供对应于缓冲力的力值。 [0066] 以相同的方式，信号ω供应给第二微分器266，以提供代表操纵手柄21的加速度的信号γ。该信号被传输至第三参考表263的输入端，以得到对应于操纵手柄21的惯性的控制力值。 [0067] 这三个控制力值之后被添加入加法器264中，以提供理论控制力Fcmd_p的结果值。 [0068] 该理论控制力Fcmd_p之后在加法器29中与经修正的力反馈Fcor_p比较，以在通过控制器27和饱和器28之后，确定由电动机23应用的力修正。 [0069] 如图1所示，修正力反馈Fcor_p在力联合装置1中确定，力联合装置1包括：第一加法器10；比较器11，所述比较器用于形成来自驾驶员的操纵杆和副驾驶员的操作杆的操纵力差值；以及带死区的修正器12。修正器12包括的补充输入端能够调节确定死区宽度的阈值。在该变型中，力联合装置1还包括适用于接收由小型操作杆20的位置传感器22发送的位置信号θp的输入端和适用于接收由小型操作杆30的位置传感器32发送的位置信号θcp的输入端。比较器16形成的差值Fp-Fcp的绝对值被传输至增益为K′的放大器17。放大器17的输出被传输至加法器18，加法器18在其另一输入端接收来自存储器19的等于2Flim的阈值。以这种方式，根据每个小型操作杆20和30各自的位置传感器提供的位置信号的差值，加法器18的输出端向修正器12传输可变化的死区阈值。 [0070] 以这种方式，经修正的力反馈Fcor_p一方面为操纵力间的差值的函数，另一方面为驾驶员和副驾驶员的小型操作杆的操纵手柄位置间的差值的函数。 [0071] 如图4所示，在根据本发明的力联合装置1的第二实施例中，装置1包括在副驾驶员操纵力Fcp的输入和加法器10之间串联的力饱和器41。力饱和器41包括极限值，所述极限值设置用于将操纵力值Fcp限幅于对应于断连可接受力值Flim的值。而且，如果Fcp小于Flim，力反馈值Fcor_p等于Fp+Fcp，或如果Fcp大于Flim，力反馈值Fcor_p等于Fp+Flim。 [0072] 力联合装置1还包括在饱和器41的接线端上与饱和器41并联的比较器11′，比较器11′适用于形成饱和器41的输出和饱和器41输入端的操纵力Fcp之间的差值。如果操纵力Fcp小于Flim，该差值为零。该差值被提供至阈值比较器36，以生成适于操纵断连指示器37和计数器38的断连信号，以便在断连的预先确定时间段之后开启转换器15及断开操纵力Fcp的输入。 [0073] 本发明还涉及一种操纵机构，例如图1所示的小型操作杆20，在所述操纵机构中计算器重组了根据本发明的计算工具25和力联合装置1的函数。该计算器适用于根据由位置传感器22提供的位置信号θp，例如通过根据该机构的操纵手柄的位置、速率和/或加速度的控制力参照表来计算理论控制力值。 [0074] 该计算器还适用于根据由扭力传感器24提供的操纵力值和由相关联的操纵机构提供的操纵力值形成力反馈值Fcor_p，根据在控制模块26中计算的控制力值和力反馈值Fcor_p计算力误差值，并推导可应用于电动机23的力修正ΔF。 [0075] 根据本发明，该计算器还包括力联合装置，所述力联合装置包括如之前描述的力反馈值的修正装置。 [0076] 应当理解，该详细描述仅作为示意性示例给出，本领域技术人员能够进行多种改变而不脱离本发明的范围，例如使用多于两个的操纵机构，或将本发明的教导应用于包括一个或多个自由度的操纵机构。 |
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