УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ПИЛОТАЖНЫЙ МОДЕЛИРУЮЩИЙ СТЕНД

Полезная модель относится к авиационному тренажеростроению (учебно-тренировочным средствам), в частности, к пилотажным моделирующим стендам летательных аппаратов различных типов и может быть использована для отработки систем управления летательных аппаратов различных типов, отработки в замкнутом контуре управления с летчиком всех режимов полета, включая особые случаи в полете.
Известен патент на изобретение «Система загрузки рычагов управления авиационного тренажера» (Патент на изобретение РФ №2298836), в котором система загрузки рычагов управления тренажера содержит вычислитель и несколько (по количеству рычагов управления) исполнительных блоков загрузки, каждый из которых содержит силовой электропривод, механически связанный с рычагом управления и снабженный датчиком положения, отличающаяся тем, что каждый исполнительный блок загрузки для обеспечения прямого преобразования сигнала заданного усилия в механическое усилие на рычагах управления снабжен управляемым источником тока, при этом вход вычислителя соединен с датчиком положения, а выход - с входом управляемого источника тока, выход которого соединен с силовым электроприводом.
Данный аналог обладает следующим недостатком - позволяет изменять только усилие на ручке управления, передаваемое на рычаг управления и ощущаемое летчиком. При этом не позволяет воспроизводить реальные физические процессы в проводке управления и использовать штатные устройства загрузки.
Наиболее близким по исполнению аналогом, принятым в качестве прототипа полезной модели, является авиационный тренажер (Патент на полезную модель РФ №38511), содержащий макет кабины летчика, в котором размещены имитаторы приборной доски, пультов, центральной ручки управления и педалей с механизацией загрузки и триммерного эффекта по каналам тангажа, крена и курса, и рычагов управления двигателями, вычислительную управляющую систему, обучающую систему, а также системы имитации внешней обстановки и акустических шумов, и рабочее место инструктора, отличающийся тем, что обучающая система тренажера содержит вычислитель, реализующий программный модуль "эталонного" летчика, который выдает управляющие сигналы на входы устройств воспроизведения обучающей зрительной, звуковой и осязательной информации, причем в устройство воспроизведения обучающей осязательной информации включены центральная ручка управления, педали и рычаги управления двигателями с соответствующими электромеханизмами перемещения и датчиками обратной связи, кроме этого вычислитель обучающей системы связан с рабочим местом инструктора и вычислительной управляющей системой тренажера, которая также связана с системой имитации внешней обстановки и с расположенным на рабочем месте инструктора пультом включения тренажера, обучающей системы и режимов управления полетом.
Причем, авиационный тренажер отличается тем, что электромеханизмы перемещения центральной ручки управления и педалей включены в систему управления по каналам тангажа, крена и курса с возможностью выполнения функций соответствующих механизмов триммерного эффекта, а на механизмы загрузки рычагов управления установлены электрические датчики положения подвижных штоков, формирующие сигналы по соответствующим каналам управления.
Вышеуказанный прототип авиационного тренажера с достаточно высокой точностью позволяет моделировать динамику полета, автоматические режимы управления и внешнюю обстановку.
Однако, вышеуказанный прототип не может быть использован для решения исследовательских задач в части отработки систем автоматического управления полетом летательных аппаратов различных типов (с механической проводкой управления, с электродистанционной проводкой управления), отработки взаимодействия контура «летчик - автопилот», отработки систем электронной индикации и рациональной компоновки информационно управляющего поля (ИУП) кабины экипажа, стендовых исследований по отработке перспективных систем бортового оборудования и взаимодействия «экипаж-БРЭО», т.к. прототип имеет узкую специализацию под конкретный тип летательного аппарата, в части: рычаги управления; проводка управления; система нагружения рычагов управления (СНРУ); программного обеспечения; приборные доски и пульты управления; система визуализации внекабинного пространства и применяется для задач обучения летного состава на конкретном типе летательного аппарата.
Технический результат, позволяющий преодолеть недостатки описанных аналогов, достигается универсальностью проводки управления, которая с одной стороны использует элементы штатных бортовых устройств (загрузочные механизмы, электромеханические раздвижные тяги, электромеханические муфты), а с другой стороны позволяет их заменять аналогичными агрегатами, с заранее заданными характеристиками, для адаптации под конкретный тип летательного аппарата. При этом система ввода-вывода данных и программное обеспечение является универсальными и могут настраиваться под конкретный тип летательного аппарата.
Технический результат достигается тем, что в универсальном пилотажном моделирующем стенде, содержащем рабочее место оператора, вычислительный управляющий комплекс, систему визуализации, макет кабины летчика, включающий имитаторы приборной доски и пультов, центральную ручку управления, педали и рычаги управления двигателями с датчиками обратной связи (ДОС), жесткую проводку управления с механизмом загрузки и триммерного эффекта с датчиком обратной связи по каналам тангажа, крена и курса и механизмом триммерного эффекта, проводка управления выполнена универсальной, однотипной для каждого канала управления, адаптируемой под конкретный тип летательного аппарата (ЛА) и обеспечивающей отработку систем автоматического управления полетом ЛА различных типов и отработку взаимодействия контура «летчик-автопилот», для чего в проводке управления установлены электромеханическая раздвижная тяга, выполненная с возможностью изменения в известных пределах длины тяги и соединяющая ручку управления и плечо качалки. Жестко закрепленный на платформе электромеханический тормоз, загрузочный механизм с подвижными штоками, концы которых соединены с электромеханическим тормозом и вторым плечом качалки. Муфта сухого трения, также соединенная со вторым плечом качалки. ДОС контроля отклонения ручки управления. ДОС контроля выхода штока электромеханической раздвижной тяги. ДОС контроля обжатия загрузочного механизма. Выходы ДОС подключены к входам вычислительного управляющего комплекса, а выходы вычислительного управляющего комплекса подключены к управляющим входам электромеханической раздвижной тяги и электромеханического тормоза. При этом рабочее место оператора имеет двухстороннюю связь с вычислительным управляющий комплексом, один из выходов вычислительного управляющего комплекса подключен к входу системы визуализации. Кроме того, вычислительный управляющий комплекс имеет вторую двухстороннюю связь с системой сенсорных мониторов. Рычаги управления имеют двухстороннюю связь с универсальной проводкой управления, при наличии летчика в контуре управления (летчик располагается в кабине) летчик получает информацию от системы визуализации, от системы сенсорных мониторов и рычагов управления (усилия на ручке) и производит управляющее воздействие на рычаги управления и на систему сенсорных мониторов.
На рычагах управления установлены служебные кнопки, электрически связанные с входом вычислительного комплекса, например, кнопка «триммер». Для каждого канала управления, можно использовать элементы штатных бортовых устройств (загрузочные механизмы, электромеханические раздвижные тяги, электромеханические муфты) или заменять аналогичными агрегатами, с заранее заданными характеристиками.
Загрузочный механизм выполнен из загрузочной пружины с подвижными штоками, концы которых соединены с магнитным тормозом, с рычагом управления летчика и с приводом управления (рулевой машиной автопилота) автоматом перекоса или хвостового винта вертолета, при этом механизм загрузки, действует как механизм приведения рычагов управления в нейтральное положение с нагрузкой, создаваемой загрузочной пружиной, а информацию с датчиков положения проводки управления используют в алгоритмах, с помощью которых обеспечивают бесконфликтное взаимодействие летчика с системой автоматического управления вертолетом и, в частности, с системой автоматического триммирования.
Таким образом, полезная модель обеспечивает адаптацию стенда под конкретный тип летательного аппарата. При этом система ввода-вывода данных и программное обеспечение является универсальными и могут настраиваться под конкретный тип летательного аппарата. Кроме того, предлагаемый стенд обеспечивает моделирование управления по четырем каналам, в отличие от прототипа: по циклическому шагу (управление по крену и тангажу), по шагу рулевого винта (путевое управление), по общему шагу (несущий винт), отработку систем автоматического управления полетом ЛА различных типов и отработку взаимодействия контура «летчик-автопилот».
Сущность данного технического решения поясняется чертежами, где представлены:
на фиг.1 - структурная блок-схема универсального пилотажного моделирующего стенда;
на фиг.2 - принципиальная схема универсальной проводки управления, отдельный канал (однотипная для всех каналов управления);
на фиг.3 - внешний вид универсального пилотажного моделирующего стенда;
на фиг.4 - расположение рычагов управления на универсальном пилотажном моделирующем стенде;
на фиг.5 - отображение приборной панели и пультов управления на системе сенсорных мониторов;
на фиг.6 - схема установки системы загрузки рычагов управления.
Универсальный пилотажной моделирующий стенд содержит (фиг.1, 2, 3, 4, 5):
- рабочее место оператора 1;
- вычислительный управляющий комплекс 2;
- макет кабины летчика 3;
- универсальную проводку управления 4;
- центральную ручку управления, педали и рычаги управления управления 5;
- систему сенсорных мониторов 6;
- систему визуализации 7;
- летчика 8;
- универсальная проводка управления 4;
- электромеханическая раздвижная тяга (линейный актуатор LAM3) 9;
- электромеханический тормоз (ЭМТ-2М) 10;
- муфта сухого трения 11;
- загрузочный механизм 12;
- датчик обратной связи (ДОС) контроля отклонения рычага управления 13;
- ДОС контроля выхода штока электромеханической раздвижной тяги (линейного актуатора) 14;
- ДОС контроля обжатия загрузочного механизма 15.
Рычаги управления 5 содержат (фиг.4):
- ручку циклического шага (РЦШ) для вертолетного стенда 16;
- ручку общего шага (РОШ) для вертолетного стенда 17;
- педали управления 18.
Качалка 19.
Универсальный пилотажный моделирующий стенд содержит (см. фиг.1, 2) содержит рабочее место оператора 1, вычислительный управляющий комплекс 2, систему визуализации 7, макет кабины летчика 3, включающий имитаторы приборной доски и пультов, центральную ручку управления 5, педали 5 и рычаги управления двигателями 5 с датчиками обратной связи (ДОС), жесткую проводку управления 4 с механизмом загрузки и триммерного эффекта с датчиком обратной связи по каналам тангажа, крена и курса и механизмом триммерного эффекта, проводка управления 4 выполнена универсальной, однотипной для каждого канала управления. В проводке управления 4 установлены электромеханическая раздвижная тяга 9, выполненная с возможностью изменения в известных пределах длины тяги и соединяющая ручку управления 5 и плечо качалки 19. Жестко закрепленный на платформе электромеханический тормоз 10, загрузочный механизм с подвижными штоками 12, концы которых соединены с электромеханическим тормозом 10 и вторым плечом качалки 19. Муфта сухого трения 11, также соединена со вторым плечом качалки 19. ДОС контроля отклонения ручки управления 13. ДОС контроля выхода штока электромеханической раздвижной тяги 14. ДОС контроля обжатия загрузочного механизма 15. Выходы ДОС подключены к входам вычислительного управляющего комплекса 2, а выходы вычислительного управляющего комплекса 2 подключены к управляющим входам электромеханической раздвижной тяги 9 и электромеханического тормоза 10. При этом рабочее место оператора 1 имеет двухстороннюю связь с вычислительным управляющий комплексом 2, один из выходов вычислительного управляющего комплекса 2 подключен к входу системы визуализации 7. Кроме того, вычислительный управляющий комплекс 2 имеет вторую двухстороннюю связь с системой сенсорных мониторов 6. Рычаги управления 5 имеют двухстороннюю связь с универсальной проводкой управления 4, при наличии летчика в контуре управления (летчик располагается в кабине 3) летчик получает информацию от системы визуализации 7, от системы сенсорных мониторов 6 и рычагов управления (усилия на ручке) и производит управляющее воздействие на рычаги управления и на систему сенсорных мониторов 6.
На рычагах управления установлены служебные кнопки, электрически связанные с входом вычислительного комплекса2, например, кнопка для триммирования.
Рабочее место оператора 1 предназначено для управления стендом, обеспечения контроля и управления процессом моделирования (задания начальных условий моделирования, «сценария полета», запуска и оперативного контроля хода моделирования, ввода отказов, останова и завершения процесса моделирования). Рабочее место оператора 1 выполнена на базе ЭВМ, состоящей из системного блока персональной ЭВМ с набором необходимого ПО, средств отображения информации (три компьютерных дисплея на базе жидкокристаллических матриц на одном столе) и рычагов управления: компьютерная клавиатура, манипулятор типа «мышь».
Вычислительный управляющий комплекс 2 предназначен для моделирования динамики полета, работы бортовых систем и оборудования летательного аппарата. Вычислительный управляющий комплекс 2 выполнен на базе универсальных средств вычислительной техники необходимой производительности - одна персональная ЭВМ, в которой реализованы соответствующие программно-математические модули моделирования динамики и соответствующих систем летательного аппарата.
Кабина 3 предназначена для создания рабочего места летчика в кабине, с воспроизведением информационно-управляющего поля кабины в зависимости от типа летательного аппарата и размещения универсальной проводки управления 4, рычагов управления 5, системы сенсорных мониторов 6. Кабина выполнена в виде металлического каркаса, изготовленного по модульной схеме, на котором установлены: штатное кресло летчика, система сенсорных мониторов 6, рычагов управления 5 (штатные ручки управления и педали), универсальная проводка управления 4, расположенная под полом кабины.
Для вертолета (фиг.6) стенд выполнен с загрузочным механизмом 12, содержащем загрузочную пружину с подвижными штоками, концы которых соединены с магнитным тормозом 10, с рычагом управления летчика 5 и с приводом управления (рулевой машиной автопилота) автоматом перекоса и хвостового винта вертолета, при этом механизм загрузки, действует как механизм приведения рычагов управления в нейтральное положение с нагрузкой, создаваемой загрузочной пружиной, а информацию датчиков 13, 15 положения проводки управления используют для формирования алгоритмов, с помощью которых обеспечивают бесконфликтное взаимодействие летчика с системой автоматического управления вертолетом признака о наличие усилия в системе загрузки.
Универсальная проводка управления 4 предназначена для отработки систем автоматического управления полетом перспективных вертолетов и самолетов и отработки взаимодействия в контуре «летчик-автопилот». Универсальная проводка управления 4 является однотипной для каждого из четырех каналов управления. Универсальная проводка управления обеспечивает перемещение рычагов управления 5 с помощью электромеханизмов 9 по командам от вычислительного управляющего комплекса 2.
Рычаги управления 5 предназначены для формирования летчиком управляющих воздействий с последующей передачи их в универсальную проводку управления 4 и далее в вычислительный управляющий комплекс 2 и перемещения в соответствии с командами системы автоматического управления (САУ). Перемещение рычагов управления 5 обеспечивает механическая связь рычагов управления 5 и универсальной проводки управления 4. Рычаги управления представляют собой штатные ручки управления 5 и педали 18и могут заменяться в зависимости от моделируемого летательного аппарата (ручка управления самолетом (РУС), ручка управления двигателями (РУД) и педали - для самолетов; ручка циклического шага 16 (РЦШ), ручка общего шага (РОШ) 17 (ручка «Шаг-Газ») и педали 18 - для вертолетов) (см. фиг.4).
Система сенсорных мониторов 6 (см. фиг.5) предназначена для имитации приборных панелей и пультов кабины летательного аппарата и управления соответствующими пультами. Кроме того, система сенсорных мониторов 6 может быть использована для отработки перспективных много функциональных индикаторов (МФИ). Управление соответствующими имитируемыми пультами осуществляется нажатием пальцем на сенсорном мониторе. Управляющие воздействия при работе с пультами передаются в вычислительный управляющий комплекс 2. Система сенсорных мониторов 6 включают в себя сенсорные мониторы, а также ЭВМ, с набором необходимого ПО, которые подключены к моделирующему комплексу 2.
Система визуализации 7 предназначена для генерации изображения закабинной обстановки. Данная система состоит из нескольких персональных ЭВМ и блока коррекции, объединенных в высокоскоростную локальную вычислительную сеть, проекторов и сферы. Данная система визуализации отображает летчику внекабинное пространство на сферическом экране с углами обзора: -40/+20 град по вертикали и 160 град по горизонтали, что обеспечивает возможность моделировать условия полета во всем диапазоне ожидаемых условий эксплуатации.
Электромеханическая раздвижная тяга (линейный актуатор LAM3) 9 предназначен для перемещения проводки управления и может применяться как триммерная машинка.
Электромеханический тормоз (ЭМТ-2М) 10 предназначен для снятия загрузки в универсальной проводке управления 4.
Муфта сухого трения 11 предназначена для устранения колебаний в универсальной проводке управления 4.
Загрузочный механизм 12 предназначен для создания усилий в универсальной проводке управления 4.
ДОС контроля отклонения рычага управления 13 предназначен для контроля отклонения рычага управления 5.
ДОС контроля выхода штока электромеханической раздвижной тяги 14 предназначен для контроля выхода штока электромеханической раздвижной тяги 9.
ДОС контроля обжатия загрузочного механизма 15 предназначен для контроля обжатия загрузочного механизма 12, т.е. вмешательства летчика в процесс пилотирования при работе САУ.
Варианты работы предлагаемого универсального пилотажного моделирующего стенда.
Перед началом моделирования летчик (если это необходимо) занимает свое рабочее место в кабине стенда 3, а оператор - за рабочим местом оператора 1.
Далее оператор выбирает на вычислительном управляющем комплексе 2 один из следующих вариантов работы стенда:
- Пилотирование лётчиком;
- Автоматический полёт;
- Воспроизведение ранее записанного полета.
Для вариантов «Пилотирование летчиком» и «Автоматический полет» выполняется моделирование, которое состоит из: задания начальных условий или сценария моделирования, процесса моделирования, остановки процесса моделирования.
Для варианта «Воспроизведение ранее записанного полёта» - выбирается запись полёта, которая ставиться на воспроизведение.
Для варианта «Пилотирование лётчиком» - универсальная проводка управления 4 работает как проводка управления соответствующего ЛА. Пространственное положение ЛА получается путем расчёта динамики движения в вычислительном управляющем комплексе 2 при соответствующем управлении от лётчика 8. В процессе пилотирования лётчик 8 отклоняет рычаги управления 5, которые перемещает универсальной проводкой управления 4 посредством механической связи. ДОС контроля отклонения рычага управления 13 измеряет полученную величину отклонения и передает ее в вычислительный управляющий комплекс 2. Для летательного аппарата типа самолет при нажатии кнопки «триммер» на ручке управления происходит выдача сигнала на электромеханическую раздвижную тягу 9, которая смещает проводку управления 4 и соответственно ручку управления в нужную сторону до полного снятия усилия с рычагов управления. Для летательного аппарата типа вертолет, обладающего бустерами в системе управления, при нажатии кнопки «триммер» происходит разблокировка электромеханического тормоза 10, происходит освобождение механизма загрузки и универсальная проводка управления и рычаги управления перемещаются без усилий. После отпускания кнопки «триммер» происходит блокировка электромеханического тормоза 10, происходит захват механизма загрузки и перемещение рычагов управления 5 происходит с усилиями. При этом положение рычагов управления 5 на которых будут нулевые усилия будет соответствовать моменту отпускания кнопки «триммер». В частном случае, для летательного аппарата типа вертолет, система загрузки рычагов управления летчика состоит из загрузочной пружины 12 и магнитного тормоза 10. Магнитный тормоз является частью вращательного привода МГУ - 1, с помощью которого обеспечивается автоматическое триммирование проводки управления. Система загрузки, действующая как механизм приведения рычагов управления в нейтральное положение с нагрузкой, создаваемой пружиной, обеспечивает пилоту искусственное ощущение усилия в тех случаях, когда он выполняет маневры вручную. Схема установки системы загрузки приведена на фиг.6. В состав вращательного привода входит датчик положения вала (ДП-М2), информация которого вместе с информацией датчиков положения проводки управления (ДП-М1) используется для формирования признака наличия усилия в системе загрузки. Наличие этого признака позволяет с помощью специальных алгоритмов обеспечить бесконфликтное взаимодействие летчика с системой автоматического управления вертолетом и, в частности, с системой автоматического триммирования. В системе автоматического триммирования, как только осредненное положение штоков рулевых машин автопилота приближаются к установленным границам их рабочего диапазона (30% их полного диапазона перемещения) система автотриммирования снова возвращает их в центральное (среднее) положение. Для этого автопилот вычисляет, в каком направлении и на какую величину должны быть перемещены ручка циклического шага, ручка общего шага или педали, для того, чтобы снова привести шток рулевой машины в центральное положение, и приводит в действие вращающийся привод. Когда ручка циклического, общего шага или педали перемещаются триммерными машинами, на вход рулевых машин автопилота подается сигнал встречного знака, делающий итоговое перемещение несущего или хвостового винта равными нулю.
Для варианта «Автоматический полёт» - универсальная проводка управления отрабатывает рычагами управления 5 заданные САУ положения рычагов управления, пространственное положение ЛА получается путем расчета динамики движения при соответствующем управлении. Отработка рычагами управления заданных положений рычагов управления 5 осуществляется путем подачи команд с вычислительного управляющего комплекса 2 на электромеханическую раздвижную тягу 9 соответствующего канала, который перемещает проводку управления соответствующего канала, а, соответственно, и рычаг управления 5 соответствующего канала, в нужную сторону на необходимую величину. Если в процессе автоматического полета со стороны летчика 8 происходит вмешательство в управление, происходит обжатие механизма загрузки 12, которое измеряется ДОС контроля механизма загрузки 15, и подается соответствующий сигнал в вычислительный управляющий комплекс 2, а дальше моделирование осуществляется в соответствии с заданной логикой взаимодействия контура «лётчик-автопилот».
Для варианта «Воспроизведение ранее записанного полета» - универсальная проводка управления отрабатывает рычагами управления записанные положения рычагов управления, при этом пространственное положение ЛА строится по записанным данным. Отработка рычагами управления записанных положений рычагов управления осуществляется путем подачи команд с вычислительного управляющего комплекса 2 на электромеханическую раздвижную тягу 9 соответствующего канала, которая перемещает универсальную проводку управления 4, а, соответственно, и рычаг управления 5 соответствующего канала, в нужную сторону на необходимую величину.
Промышленная применимость полезной модели определяется тем, что предлагаемый стенд может быть изготовлен в соответствии с приведенным описанием и графическими материалами на базе известных комплектующих изделий и технологического оборудования.