本发明涉及驾驶模拟器技术领域，具体而言涉及一种用于驾驶模拟器的人感系统。
背景技术
驾驶模拟器是一种有人参与的复杂的模拟仿真系统，能够模拟和复现特定环境下的驾驶和操纵状态，广泛应用于装甲车、坦克、飞机等驾驶模拟训练中，它的功能和目的是在不实际进入装甲车、坦克、飞机等驾驶舱进行实际驾驶和操纵的情况下，将操纵实景、过程、力感等感知以尽可能真实的程度提供给训练人员。其中，在模拟器的设计中，尤其是力感系统，即人感系统的设计，其目的是提供逼真的力的感觉，对训练人员进行模拟训练，能够提前了解和适应操纵场景以及可能的驾驶、飞行状态，并能够及时和准确的做出判断、发出正确的操纵指令。因此，人感系统设计的性能直接决定驾驶模拟器的力感模拟效果。
现有驾驶模拟器的人感系统设计通常基于液压式人感系统或者电驱动式人感系统，随着电机以及电机驱动技术发展，目前以电驱动式人感系统为主要的方式。以用于飞机的驾驶模拟器的主操纵杆力感模拟系统为例，主要设计包括：检测训练人员操纵主操纵杆而产生的转动信号，将转动信号通过信号处理后输入给力感仿真模型，模型输出需要模拟的力（即施加到主操纵杆的力），并据此驱动伺服电机转动，通过加载机构将电机输出的力矩施加到主操纵杆上，对驾驶训练人员提供力感的反馈。
在一些改进的方案中，还提出一种基于加载力反馈的闭环控制仿真方式，即在加载机构输出端检测驾驶训练人员实际施加的力，与力感仿真模型输出的力进行比较，基于比较结果生成驱动伺服电机的驱动控制信号，以补偿和抑制多余力，提高力感模拟的真实性。
另外，现有技术中还通过其他的方式来补偿和抑制多余力，例如基于缓冲弹簧从结构设计上抑制和补偿，以及基于扰动观测器、神经网络模型以及自适应控制系统模型进行抑制。这些方式尽管从软件或者硬件上实现对基本的力感反馈反馈系统的整体设计以及常见的多余力问题的抑制，但作为主要问题的主操纵杆的操纵来说，对前端系统和后端系统之间连接以及力感反馈未进行完整力系统回路的模拟。
现有技术文献：
专利文献1：CN110827620A 一种数字式操纵负荷系统；
专利文献2：CN110444078A 一种模拟飞机的操纵负荷系统；
专利文献3：CN110706550A 一种模拟飞机的电动操纵负荷系统；
专利文献4：CN111063235A 一种飞行模拟器的操控负荷训练仿真系统。
技术实现要素：
本发明目的在于提供一种用于驾驶模拟器的人感系统，尤其适用于飞行模拟器的人感系统，提供一种能够给予驾驶训练人员逼真的力感反馈的操纵负荷系统，通过传感器量测驾驶训练人员施加在操纵杆或脚蹬上的力、位置、速度等信号，基于采集到的信号解算出当前应当加于执行机构上的力度大小，并产生对应的电机驱动信号，驱动对应通道的伺服电机产生对应的力矩，通过连杆机构传递至驾驶盘、操纵杆、脚蹬和油门，并反馈至操纵的手握端，从而模拟出在真实飞行驾驶中操纵感觉，以达到对力感的模拟。
为实现上述目的，本发明的第一方面提出一种用于驾驶模拟器的人感系统，包括：
用于检测主操纵杆的俯仰操纵状态的第一传感器组以及用于检测主操纵杆被操纵实际施加的力（Fx1）的第一力传感器；
用于检测驾驶盘的横滚操纵状态的第二传感器组以及用于检测驾驶盘被操纵实际施加的力（Fx2）的第二力传感器；
用于检测偏航脚踏的偏航操纵状态的第三传感器组以及用于检测偏航脚踏被操纵实际施加的力（Fx3）的第三力传感器；
用于检测油门踏板的油门操纵状态的第四传感器组以及用于检测油门被操纵实际施加的力（Fx4）的第四力传感器；
力感模拟主控系统，用于接收俯仰操纵状态、偏航操纵状态、横滚操纵状态、油门操纵状态以及检测到的实际施加的力（Fx1;Fx2;Fx3;Fx4）并生成驱动俯仰通道、横滚通道、偏航通道以及油门通道对应的伺服电机的驱动信号；
设置于俯仰通道中、并位于第一伺服电机与主操纵杆之间的第一加载机构，被所述第一伺服电机驱动而提供施加到主操纵杆上的力矩；
设置于横滚通道中、并位于第二伺服电机与驾驶盘之间的第二加载机构，被所述第二伺服电机驱动而提供施加到驾驶盘上的力矩；以及
设置于偏航通道中、并位于第三伺服电机与偏航脚踏之间的第三加载机构，被所述第三伺服电机驱动而提供施加到偏航脚踏上的力矩；
设置于油门通道中、并位于第四伺服电机与偏航脚踏之间的第四加载机构，被所述第四伺服电机驱动而提供施加到油门踏板上的力矩；
其中，所述第一加载机构、第二加载机构以及第三加载机构均采用万向铰接的第一连杆以及第一摇臂结构，第一摇臂结构被驱动往复摆动以同步带动所述第一连杆往复位移，从而提供施加到主操纵杆、驾驶盘以及偏航脚踏的力矩，形成力感模拟；
所述第四加载机构包括油门连杆、钢索以及滑轮与滑轮摇臂，所述滑轮用于固定传动的钢索，传动的钢索缠绕固定在滑轮的槽内，钢索的末端连接到油门踏板，油门连杆的一端铰接到滑轮摇臂，另一端与油门通道中的第二摇臂结构连接，第二摇臂结构被驱动往复摆动以同步带动所述油门连杆往复位移，提供油门通道的力感模拟，其中所述钢索被设置成具有预设的预紧力。
与现有技术相比，本发明显著的有益效果在于：
1、本发明提出的用于驾驶模拟器的人感系统，采用直驱式永磁同步力矩电机以及直驱的连杆传动力感反馈，电机转子惯量较小，采用直驱的方式能够增加传动效率，消除减速机式的机械间隙，且输出力曲线线性度较高，动态响应更好，使得整个力感模拟反馈的平滑度优异，为飞行训练提供逼真的座舱操纵感觉；
2、本发明提出的操纵连杆设计，可以按照位移传动1:1设计，即电机输出轴端偏转角度等于操纵手握点偏转的角度，使得伺服电机行程利用最大化；同时操纵连杆的万向铰接以及可调节的设计，统一设计可适应对各通道的应用和调整需求；同时，连杆长度可依照伺服电机和操纵器件本体的距离和安装位置确定以及适应性的调节，既保证传递效率又保证维护的便捷性；
3、本发明的用于驾驶模拟器的人感系统中，通过对机械结构合理设计，使得前端操纵位移与后端执行机构位移呈简单线性关系，在操纵负荷伺服电机和操纵器件之间高保真度连接情况下，不会对力造成明显衰减，确保最大化使用伺服电机的加载力和50%～75%行程；
4、在力感模拟过程中，同时引入实际测量获得的驾驶训练人员实际输入给操纵对象的力以及基于最邻近的操纵的补偿控制，提高力感反馈的真实感和逼真度，以提供准确的操纵力感，而准确实时的操控力感能帮助判断飞机驾驶操纵的飞行状态，从而可以根据飞行状态做出判断并做出正确的操纵指令。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
图1是根据本发明实施例的用于驾驶模拟器的人感系统的示意图。
图2是根据本发明实施例的驾驶模拟人感系统的力感模拟主控系统的示意图。
图3是根据本发明实施例的驾驶模拟人感系统的力感模拟示意图。
图4是根据本发明实施例的俯仰通道力感模拟的示意图。
图5A-5B是根据本发明实施例的连杆结构示意图，其中图5A是整体结构示意图，图5B是剖视图。
图6是根据本发明实施例的偏航通道的力感模拟示意图。
图7是根据本发明实施例的模拟弹簧模型的模型曲线示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
结合附图所示的用于驾驶模拟器的人感系统，旨在实现飞行驾驶模拟器中对俯仰通道、偏航通道、横滚通道以及油门通道的力感模拟和反馈控制，通过传感器量测驾驶训练人员施加在操纵杆或脚蹬上的力、位置、速度等信号，基于采集到的信号解算出当前应当加于执行机构上的力度大小，并产生对应的电机驱动信号，驱动对应通道的伺服电机产生对应的力矩，通过连杆机构传递至驾驶盘、操纵杆、脚蹬和油门踏板（即油门台），并反馈至操纵的手握端，从而模拟出在真实飞行驾驶中操纵感觉，以达到对力感的模拟。
下面我们将结合附图所示的示例更加具体地介绍用于驾驶模拟器的人感系统的组成以及各部分的示例性实现过程。
结合图1-3所示，本发明提出的用于驾驶模拟器的人感系统，通过多个传感器来检测驾驶训练人员施加在操纵杆或脚蹬上的力以及操纵这些对象所产生的位置、速度、加速度等信号，用于表征主操纵杆的俯仰操纵状态、驾驶盘的横滚操纵状态、偏航脚踏的偏航操纵状态以及油门踏板的油门操纵状态，例如被操作而产生位移、加速度和/或转动角等。
应当理解，在一个驾驶模拟器中，通常包含主副两个位置的操纵器。尤其是，还可以具备多发油门通道，而不仅仅限于一发油门通道，例如在本发明的实施例中，即可设置有四发油门通道。
结合图1的示例的用于驾驶模拟器的人感系统包括：用于检测主操纵杆的俯仰操纵状态的第一传感器组以及用于检测主操纵杆被操纵实际施加的力（Fx1）的第一力传感器；用于检测驾驶盘的横滚操纵状态的第二传感器组以及用于检测驾驶盘被操纵实际施加的力（Fx2）的第二力传感器；用于检测偏航脚踏的偏航操纵状态的第三传感器组以及用于检测偏航脚踏被操纵实际施加的力（Fx3）的第三力传感器；用于检测油门踏板的油门操纵状态的第四传感器组以及用于检测油门被操纵实际施加的力（Fx4）的第四力传感器。
在可选的实施例中，多个传感器组被设置采用相同的传感器型号设置，例如包括相同型号和高精度的加速度计、位移传感器以及角度传感器。
可选的实施例中，力传感器采用集成式设计，可集成在操纵器上。
结合图1所示，力感模拟主控系统用于接收俯仰操纵状态、偏航操纵状态、横滚操纵状态、油门操纵状态以及检测到的实际施加的力（Fx1;Fx2;Fx3;Fx4）并生成驱动俯仰通道、横滚通道、偏航通道以及油门通道对应的伺服电机的电机驱动控制信号，驱动伺服电机运动输出力矩，通过各自通道的加载机构，实际到对应的操纵器上，形成力感的反馈。
结合图1，力感模拟主控系统经由通信总线系统接收操纵状态信息以及实际施加的力的信息。
优选地，通信总线系统采用EtherCAT现场总线系统，具有带宽高，响应速度快，可靠性高，低延时等特点，且最高满足128个伺服轴控制，适应后期集成多通道。在本发明的实施例中，通信总线系统包括力感模拟主控系统设置的标准以太网接口和力感模拟主控系统与第一台伺服驱动器之间的Cat5e以太网电缆，其他驱动器通过Cat5e以太网电缆以菊花链的方式从第一台伺服驱动器以串行总线方式连接至最后一个伺服驱动器。
力感模拟主控系统可采用工业高实时的控制器，最大可以配备256个操纵负荷通道（EtherCAT周期4ms），可以配置36个力感模拟通道（EtherCAT周期500us）。力感模拟主控系统的性能指标如下：处理器：内核执行周期最快200us，抖动40us以内；操作系统：高实时性操作系统；供电：24VDC，最大功耗48W。通讯接口包含1路EtherNet，用于和上位系统通讯交互。控制器采用了EtherCat总线，支持按照驱动器总线方式控制。
结合图2所示，力感模拟主控系统具有信号接口组件、信号处理组件以及力感模拟解算组件。如前述的，信号接口组件可采用上述标准以太网口，用于接收数据信息。
信号处理组件包括模拟数字转换电路以及信号放大电路，可采用现有的电路设计。
力感模拟解算组件被设置用于基于存储与力感模拟主控系统的高速存储器内的解算模型，并通过高速处理器进行解算处理，生成各个对应通道的驱动力，即模型解算认为应当施加到操纵器上的驱动力。
结合图3所示，在俯仰通道中，第一传感器组检测主操纵杆的俯仰操纵状态，获得主操纵杆的行程、加速度以及旋转角，输入到力感模拟主控系统中基于预设的力感模拟解算模型获得俯仰通道驱动力。
在横滚通道中，第二传感器组检测驾驶盘的横滚操纵状态，获得驾驶盘的加速度以及旋转角，输入到力感模拟主控系统中，并且基于预设的力感模拟解算模型获得横滚通道驱动力。
在偏航通道中，第三传感器组检测偏航脚踏的偏航操纵状态，获得偏航脚踏的行程、加速度以及旋转角，在力感模拟主控系统中基于预设的力感模拟解算模型获得偏航通道驱动力。
在油门通道中，第四传感器组检测油门踏板的油门操纵状态，获得油门踏板的行程、加速度以及旋转角，输入到力感模拟主控系统中基于预设的力感模拟解算模型获得油门通道驱动力。
在一个实施例中，力感模拟主控系统的处理器还被设置成响应于横滚通道驱动力、横滚通道驱动力、偏航通道驱动力以及油门通道驱动力的基础上，分别与检测到的实际施加的力进行反馈控制，基于二者相对的大小以及差值的大小，生成用于驱动对应通道的伺服电机的电机驱动控制信号。
在更加优选的实施例中，力感模拟主控系统的处理器还被设置成响应于横滚通道驱动力、横滚通道驱动力、偏航通道驱动力以及油门通道驱动力，分别与检测到的实际施加的力进行反馈控制，基于二者相对的大小以及差值的大小生成驱动力，并与基于最邻近的操纵的补偿控制，生成用于驱动对应通道的伺服电机的实际的电机驱动控制信号，以获得更加逼真的力感。
在一些实施例中，人感系统还可以基于最邻近的操纵进行补充控制，调整和改变力感的模拟反馈。在可选的实施例中，力感模拟主控系统设置有对应于每个通道的电机驱动控制器，其响应于模拟对象的速度或者加速度超过设定的阈值，增大输出力矩，例如控制调节系数δ（四个通道对应分别为δ1、δ2、δ3、δ4）在[1,1.5]调节，以提高调节力感模拟感觉。
例如，基于模拟对象例如飞机的飞行速度，和/或加速度，例如俯仰、横滚、偏航加速度，而调节力感模拟感觉。在一些实施例中，以飞行速度为例，当飞机的飞行速度V超过比较高的速度阈值v时，以(V/v)来确定调节系数，并且限定其最大值为1.5，以不宜过高进行补偿和调节。由此，基于实际速度调节力感模拟感觉以使得驾驶人员感觉到飞行的速度较高的状态，从而更加逼着的提供操纵感觉反馈。
在本发明的实施例中，尤其是以主操纵杆的力感模拟为主，将人感系统的操纵杆位移与实际施加给主操纵杆力之间构造成模拟弹簧模型，即：
F=k*Δx
F为实际施加的力，用于克服模拟弹簧模型的弹簧力，k为人感系统的模拟弹簧模型的弹性系数，Δx为的人感系统的操纵杆位移。
结合图7所示的模拟弹簧模型的模型曲线示意图，采用分段线性弹簧力加载方式加载弹簧力，具有后端系统极限位置和前端系统极限位置，在主操纵杆的力感模拟系统中，后端系统是指固定翼飞机操纵面，前端系统是指加载机构到主操纵杆的部分。连杆的连接拉伸量是前端位置与后端位置之差，连接力是连接拉伸量与连接刚度的乘积。在启动力死区区间，连接力为零。
如图7所示，坐标原点O位置表示升降舵偏角为零。O点到E/B点的区间，即OB和OE区间为模拟弹簧模型的弹簧力加载区间，到达E/B点之后，后端系统走到极限位置，BA以及EF两个区间为极限缓冲区间。此时，由于连接系统刚性，主操纵杆可以继续移动一定位移。当移动到F/A点时，主操纵杆到达前端极限位置。
因此，在实际模拟过程中，可以通过增加F/A点的弹簧力梯度，使得在该两点位置的力感反馈非常大，从而达到模拟主操纵杆行程限位的目的，使得模拟过程中感觉无法再进行移动。
应当理解，在可选的实施例中，前述的基于控制调节系数δ的力感反馈模拟过程中，对于主操纵杆的力感模拟过程中，是指在弹簧力加载区间的补偿控制，而对于处于极限缓冲区间范围内则不再进行补偿控制。
结合图1所示，加载机构设置在对应通道的伺服电机以及操纵器之间，用于将伺服电机输出力矩施加到操纵器上，并反馈至操纵的手握端，从而模拟出在真实飞行驾驶中操纵感觉，以达到对力感的模拟。
结合图1、3所示示例的人感系统包括多通道相互独立的加载机构，具体为：
设置于俯仰通道中、并位于第一伺服电机与主操纵杆之间的第一加载机构，被所述第一伺服电机驱动而提供施加到主操纵杆上的力矩；
设置于横滚通道中、并位于第二伺服电机与驾驶盘之间的第二加载机构，被所述第二伺服电机驱动而提供施加到驾驶盘上的力矩；以及
设置于偏航通道中、并位于第三伺服电机与偏航脚踏之间的第三加载机构，被所述第三伺服电机驱动而提供施加到偏航脚踏上的力矩；
设置于油门通道中、并位于第四伺服电机与偏航脚踏之间的第四加载机构，被所述第四伺服电机驱动而提供施加到油门踏板上的力矩。
如前述的，在飞机驾驶模拟器中，设置有四路独立的油门通道。
其中，第一加载机构、第二加载机构以及第三加载机构均采用万向铰接的第一连杆13以及第一摇臂结构14，第一摇臂结构14被驱动往复摆动以同步带动所述第一连杆往复位移，从而提供施加到主操纵杆、驾驶盘以及偏航脚踏的力矩，形成力感模拟。
结合图4所示示例性的表示了第一加载机构的示例以及俯仰通道力感模拟的示意，其中主操纵杆11具有一操纵的铰接点12，主操纵杆11在被操纵时围绕该铰接点运动。标号10表示第一伺服电机的电机轴，第一摇臂结构14具有T型结构，一端与第一伺服电机的电机轴10连接，可被第一伺服电机驱动而逆时针或者顺时针往复运动，另一端与第一连杆13连接，带动第一连杆13同步的朝向接近主操纵杆或者远离主操纵杆11的方向运动，从而对主操纵杆11形成力感模拟。
本发明的实施例中，采用主副驾驶位置的驾驶杆通道机械结构不联动的方式，图4中示例性地表示其中一个通道的结构设计示例。
如图5A、5B所示，第一连杆13由叉型头13a、具有螺纹孔的连杆本体13-1、第一螺纹接头13-2、第二螺纹接头13-3以及球铰接头13b和滚子轴承随动器用销15组成，叉型头13a与第一螺纹接头13-2一体形成，第二螺纹接头13-3与球铰接头13b一体成型，均采用刚性构件组件，具备接触面大、承载强度高、不易磨损的优点。叉型头13a通过滚子轴承随动器用销15与第一摇臂结构14相连接，球铰接头13b通过耳环螺杆与主操纵杆11相连接。
如图5B，第二螺纹接头、第一螺纹接头分别与连杆本体13-1的两端部螺纹连接，并被设置成通过螺纹旋转配合以调整第一连杆的长度。
应当理解，在滚转通道中，第二伺服电机是通过横滚通道的第一连杆与驾驶盘连接，通过第二伺服电机带动第一摇臂结构的摆动，驱动滚转通道中的第一连杆的摆动，实现对驾驶盘的力感模拟。其中， 采用主副驾驶位置的驾驶盘滚转通道的机械结构不联动的方式。
在偏航通道中，第三伺服电机是通过偏航通道的第一连杆与偏航脚踏连接，通过第三伺服电机带动第一摇臂结构的摆动，驱动偏航通道中的第一连杆的摆动，实现对偏航脚踏的力感模拟。其中， 采用主副驾驶位置的偏航脚踏的偏航通道的机械结构不联动的方式。
结合图6所示，第四加载机构包括油门连杆（未表示出）、滑轮31以及钢索33与滑轮摇臂32。滑轮31用于固定传动的钢索33，传动的钢索33缠绕固定在滑轮的槽内，并且钢索的末端连接到油门踏板。油门连杆的一端铰接到滑轮摇臂32上，另一端与油门通道中的第二摇臂结构连接。由此，第二摇臂结构可被第四伺服电机驱动往复摆动，以同步带动油门连杆往复位移，提供油门通道的力感模拟，其中所述钢索被设置成具有预设的预紧力。
可选的实施例中，第一摇臂结构与第二摇臂结构采用一致相同的结构，第一连杆与油门连杆采用一致相同的结构。
结合图6所示，在钢索的一端设置有调节螺母34，通过旋转调节螺母以调节钢索的松紧程度，从而调节钢索的预紧力。
在本发明的实施例中，在调节钢索的松紧程度过程中，通过张力计实时测量钢索的预紧力，以保持钢索的预紧力与真机（真实模拟对象）的油门钢索的预紧力一致。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
本文用于企业家、创业者技术爱好者查询，结果仅供参考。
