具有操作负荷功能的模拟飞行驾驶系统的制作方法

1.本发明涉及一种具有操作负荷功能的模拟飞行驾驶系统，属于模拟飞行驾驶系统领域。


背景技术：

2.近年来兴起的模拟飞行能够使用电脑仿真技术模拟真实飞行的体验，广泛应用于娱乐游戏等领域，同时也为飞行员培训带来了极高的便利性。
3.在模拟飞行中，操纵杆作为对飞机控制的核心组件是最不可或缺的硬件设备，合适的模拟操纵杆能极大地提升模拟的真实性。
4.然而目前的仿真操纵杆设备只能实现从操纵杆输入到模拟器的单向反馈，而无法将真实飞机操纵杆上的反馈力传递给操纵者，导致模拟体验与实机操作体验存在本质区别，亟待改进。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是提供一种具有操作负荷功能的模拟飞行驾驶系统，该装置可提供拥有两个自由度的操控输入和操纵负荷，能够实现模拟阻尼，力反馈，操控触觉引导和多机同步功能，以解决现有技术存在的上述问题。
6.为实现上述目的，本发明所采取的技术方案包括：
7.一种具有操作负荷功能的模拟飞行驾驶系统，包括由滑动轴承、传动轴和驾驶盘组成的操纵组件，驾驶盘连接在传动轴的前端，传动轴通过滑动轴承安装在前面板上，前面板固定在基座的前端；在驾驶盘上装有控制电路和操纵按钮，操纵按钮的数据通过连接于驾驶盘与基座间的弹性数据线传输至控制器，还包括：第一力反馈组件和第二力反馈组件，其中：
8.该第一力反馈组件包括滑轨，滑动平台、丝杆、第一伺服电机和第一编码器，滑动平台的底面两侧分别滑动安装在两条平行安装在基座上面滑轨上；在两条该滑轨之间的基座上面固定的前支架和后支架上转动支撑有丝杆，第一伺服电机安装于后支架上，第一伺服电机的输出轴与丝杆的后端同轴连接；在该丝杆上装有螺母，该螺母与滑动平台的底面连接；在该第一伺服电机的输出轴上装有第一编码器；
9.该第二力反馈组件包括第二伺服电机、第二编码器、轴承和轴承支架，轴承支架的底端固定在所述的滑动平台上面，该传动轴的后端通过轴承贯穿并转动安装在该轴承支架上，第二伺服电机通过电机支架固定在滑动平台的上面，第二伺服电机的输出轴与传动轴的后端同轴连接；在第二伺服电机的输出轴上装有第二编码器；
10.该控制器包括主控模块、伺服电机驱动模块、电源模块和电源插口及开关，电源模块通过电源插口及开关与电源连接，为主控模块和伺服电机驱动模块提供动力；主控模块、伺服电机驱动模块和电源模块安装于基座上，主控模块用于完成反馈力的控制和上传由第一编码器和第二编码器所获取的两轴位置数据；所述的伺服电机驱动模块用于驱动第一伺
服电机和第二伺服电机产生需要的反馈力，伺服电机驱动模块与第二伺服电机之间采用柔性线缆连接。
11.作为本发明一种优选的具体实施方案，所述的主控模块设有数据线插头，在基座后面板对应位置设有开口，用于插入数据线连接至电脑。
12.作为本发明一种优选的具体实施方案，所述的滑动平台的底面两侧分别通过直线轴承滑动安装在两条平行安装在滑轨上。
13.作为本发明一种优选的具体实施方案，所述的第一伺服电机和第二伺服电机均采用无刷电机。
14.本发明的主要优点包括：本发明模拟飞行驾驶系统能提供拥有两个自由度的操控输入和操纵负荷，能够实现模拟阻尼，力反馈，操控触觉引导和多机同步功能。装置与运行模拟飞行软件的计算机相连以传输数据，通过控制系统和力反馈组件提供操纵负荷，位置同步，操作引导功能，模拟出更真实的操纵体验。
附图说明
15.图1是本发明实施例的立体结构示意图；
16.图2是图1的俯视图；
17.图3是图2的右视图(顺时针旋转90
°
)；
18.图4是本发明的控制系统电路框图。
19.附图标记说明：1、基座，2、前面板，3、侧面板，4、后面板，5、主控模块，6、伺服电机驱动模块，7、电源模块，8、电源插口及开关，9、柔性线缆，10、滑轨，11、丝杆，12、前支架，13、后支架，14、直线轴承，15、滑动平台，16、第一伺服电机，17、第一编码器，18、电机支架，19、轴承支架，20、轴承，21、滑动轴承，22、第二伺服电机，23、第二编码器，24、传动轴，25、数据线，26、驾驶盘。
具体实施方式
20.以下结合实施例和附图来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例和附图仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
21.参见图1-图4，本实施例提供了一种具有操纵负荷功能的飞行模拟驾驶盘，其结构主要分为外壳(包括基座1，前面板2)，侧面板3(图中只画出部分)，后面板4(图中只画出部分)顶板(图中未画出))，控制系统(包括主控模块5，伺服电机驱动模块6，电源模块7，电源插口及开关8，柔性线缆9)，第一力反馈组件(包括滑轨10，丝杆11，螺丝(图中未画出)，前支架12，后支架13，直线轴承14，滑动平台15，第一伺服电机16，第一编码器17)，第二力反馈组件(包括电机支架18，轴承支架19，轴承20，第二伺服电机22和第二编码器23)和操纵组件(包括传动轴24，数据线25，滑动轴承21，驾驶盘26)。其中第一力反馈组件用以提供轴向直线方向的反馈力，第二力反馈组件则用于提供绕轴旋转方向的反馈力。操纵组件将两反馈力传递给操纵者，从而使操纵者体验到操纵负荷，并将操纵者通过操纵组件输入的两轴位置通过控制系统回传给电脑端上位机。
22.控制系统各部件主要安装于基座1的后方。电源模块7安装于基座1后方右侧，在后面板4上设有电源插口及开关8，用以接入动力电源。电源模块7使用电源线连接至伺服电机驱动模块6，为其提供电力供应。主控模块5位于基座1后方左侧，用以完成反馈力的控制和两轴位置的上传。主控模块5设有数据线插头，在基座1后面板对应位置设有开口，可以插入数据线连接至电脑。伺服电机驱动模块6用以驱动第一伺服电机16和第二伺服电机22产生扭矩。伺服电机驱动模块6使用柔性线缆9连接至伺服电机，一端固定于基座伺服电机驱动模块6旁，另一端固定于第二力反馈组件。主控模块5通过数据线连接至伺服电机驱动模块6，控制其驱动第一伺服电机16和第二伺服电机22产生额定扭矩，从而模拟出需要的反馈力。
23.本发明的主控模块5和伺服电机驱动模块6采用现有部件，其中主控模块5可选用任何能够与电脑和电机驱动模块6通信的控制器；电机驱动模块可以选用任何能够对无刷第一伺服电机16和第二伺服电机22进行闭环扭矩控制的驱动装置。
24.第一力反馈组件固定于基座1。滑轨10共两条，分别固定于基座1底面的左右两侧。丝杆11前设有前支架12，后设有后支架13，丝杆11分别通过轴承连接在前支架12和后支架13上。前支架12和后支架13架连接于基座1。第一伺服电机16连接于基座1，第一伺服电机16的转子通过联轴器与丝杆11连接。丝杆11与滑动平台15通过螺母连接，丝杆11转动时螺母可在丝杆11上沿直线移动，并带动滑动平台15移动，完成转动到直线运动的转化。输出扭矩经转化提供传动轴24径向的第一反馈力。滑动平台15两侧通过直线轴承14安装在滑轨10上，可在滑轨10上滑动，以增强结构稳定性。
25.第二力反馈组件固定于第一力反馈组件的滑动平台15上。电机支架18连接至滑动平台15，用以固定第二伺服电机22；轴承支架19连接至滑动平台15，用以固定轴承20。轴承20安装于轴承支架19上，连接传动轴24，可进行旋转运动。第二伺服电机22安装于电机支架18上。第二伺服电机22的转子通过联轴器连接至传动轴24，直接通过第二伺服电机22输出扭矩，提供第二反馈力。
26.上述第一力反馈组件和第二力反馈组件中，第一编码器17、第二编码器23可选用任何能够返回轴体旋转角度的传感器装置。
27.驾驶盘26连接在传动轴13的前端。传动轴13与第二力反馈组件和前面板2进行连接，其中与第二力反馈组件的连接如上文所示，传动轴24与前面板2则通过滑动轴承21连接，用以增加装置强度，减少驾驶盘晃动。滑动轴承21固定于前面板2，传动轴24可在滑动轴承21约束下沿自身轴心进行轴向水平移动和径向绕轴心转动。驾驶盘26端设置有操纵按钮(图中未画出)，可配置为飞行相关操作。驾驶盘26中部镂空，内部安装有控制电路板(用于将操纵按钮的信号传输给主控，为现有技术)。按钮数据通过连接于驾驶盘26和前面板2之间的数据线25传输。
28.系统运行过程中，由安装在两力反馈组件上的第一编码器17和第二编码器23反馈俯仰和横滚轴输的入位置，速度和加速度。控制系统由输入加速度乘以比例系数ka确定需要提供用于抵消系统阻力的补偿量，由输入速度乘以比例系数kv确定需要提供用于模拟机械系统阻尼的反馈量，由通过数据线接受的实时力反馈值乘以比例系数kf确定用于模拟舵面反馈的反馈量。ka，kv，kf由操作者根据实际需要自由设定。系统采用电流闭环的形式控制两伺服电机输出确定的反馈力。将上述三反馈系数之和作为总反馈力，最终作用在驾驶
盘26上，并由操作者感受到。
29.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。