基于SimMechanics操縱負(fù)荷系統(tǒng)建模與仿真

陳龍+潘春萍+劉志星+韓魯佳

【摘 要】建模與仿真是飛行模擬器操縱負(fù)荷系統(tǒng)研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。為分析飛行模擬器操縱負(fù)荷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，本文以縱向操縱系統(tǒng)為例，基于SimMechanics建立了飛行模擬器縱向操縱系統(tǒng)仿真模型，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。在模型的相關(guān)點(diǎn)處設(shè)置檢測(cè)模塊，實(shí)時(shí)的直觀的分析了系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能。仿真結(jié)果表明，在Matlab/SimMechanics仿真環(huán)境中建立飛行模擬器縱向操縱系統(tǒng)仿真模型，可以簡潔、高效的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，并得到精確分析結(jié)果。

【關(guān)鍵詞】操縱負(fù)荷系統(tǒng)；SimMechanics；建模；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

0 引言

操縱負(fù)荷系統(tǒng)是飛行模擬器的重要組成部分，它的仿真效果直接影響飛行員的操縱力感和對(duì)模擬器飛行質(zhì)品評(píng)定，因此其必須能夠?qū)?/p>

時(shí)復(fù)現(xiàn)飛機(jī)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性。操縱系統(tǒng)的建模和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真是飛行模擬器操縱負(fù)荷系統(tǒng)研究的重要過程，通過建模與仿真可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)從理論角度有更深的理解[1]。

目前，國內(nèi)學(xué)者在構(gòu)建飛行模擬器操縱負(fù)荷系統(tǒng)模型方面主要包括產(chǎn)生模型力的機(jī)構(gòu)和模擬器加載系統(tǒng)兩部分進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。如王輝等[2]提出三段式跟蹤力模型，建立系統(tǒng)分段等效數(shù)學(xué)模型研究解決系統(tǒng)多余力與穩(wěn)態(tài)誤差的問題，關(guān)理想[3]則建立電動(dòng)式操縱負(fù)荷系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)的操縱性進(jìn)行分析研究，段永勝[4]利用最小二乘參數(shù)估計(jì)法得到系統(tǒng)等效模型并對(duì)其操縱結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體分析。然而飛行模擬器是一個(gè)半物理系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型可以解決系統(tǒng)運(yùn)行問題，但卻需要大量的公式、參數(shù)和計(jì)算，對(duì)系統(tǒng)的仿真實(shí)時(shí)性有很大的影響，過程復(fù)雜并影響仿真效果。所以本文采用Matlab/SimMechanics仿真工具對(duì)飛行模擬器操縱負(fù)荷系統(tǒng)建立機(jī)械模型并用解析法來實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行模擬器祝操縱負(fù)荷系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

1 系統(tǒng)建模仿真

1.1 飛行模擬器操縱負(fù)荷系統(tǒng)

飛行模擬器操縱負(fù)荷系統(tǒng)有縱向、橫向、航向三軸操縱系統(tǒng)，其模型建立原理基本相同。本文以縱向操縱系統(tǒng)為例進(jìn)行介紹，如圖1所示，縱向操縱系統(tǒng)是有駕駛桿機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電動(dòng)伺服系統(tǒng)三部件組成。駕駛桿作縱向繞軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作平面運(yùn)動(dòng)；電液私服負(fù)荷系統(tǒng)作繞軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[5]。在飛行模擬器主操縱負(fù)荷系統(tǒng)中，駕駛桿的長度為60cm（轉(zhuǎn)軸上部分50cm，轉(zhuǎn)軸下部分10cm），駕駛桿半徑為2.4cm（駕駛桿此處近似看作圓柱體）；聯(lián)動(dòng)桿長度為50cm，半徑為0.8cm，作動(dòng)缸內(nèi)缸長度為24cm，半徑為1cm；外缸長度為30cm，半徑為3cm。

1.2 SimMechanics仿真模型的建立

SimMechanics是Matlab軟件中Simulink環(huán)境下的多體動(dòng)力機(jī)械系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)的建模工具箱，其中包括剛體模塊、運(yùn)動(dòng)副模塊、約束與傳動(dòng)模塊、檢測(cè)與驅(qū)動(dòng)模塊、力元件模塊及輔助工具模塊，利用它可以方便的建立復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的圖示化模型[6]。

SimMechanics的建模方法與Simulink建模相似，只需將一系列關(guān)聯(lián)模塊在普通Simulink窗口中繪制出來，并使用其自帶的檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)模塊與Simulink模塊連接起來，設(shè)置完參數(shù)便可得到整個(gè)系統(tǒng)的仿真結(jié)果，無需建立復(fù)雜數(shù)學(xué)模型，即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真結(jié)果分析[7]。

根據(jù)駕駛桿主操縱負(fù)荷系統(tǒng)的模型簡圖，用Simlink以及SimMechanics中的模塊，建立仿真模型如圖2所示。

圖2中Ground1、Ground2表示機(jī)架模塊，v_stick、h_stick、cylinder_inner、cylinder_outer為剛體模塊，stick-bottom-Rev1、stick-bottom-Rev2、Revolute為單自由轉(zhuǎn)動(dòng)鉸，Joint Sensor1、Joint Sensor為鉸檢測(cè)模塊，Joint Actuator為在鉸鏈處施加力或力矩模塊，Scope、Scope1、Scope2為示波器模塊，Weld為剛節(jié)點(diǎn)模塊，Sine Wave為正弦波信號(hào)源。

2 模塊參數(shù)設(shè)置

在SimMechanics仿真環(huán)境中建模，模塊搭建的步驟非常簡單，只需要挑選與實(shí)際系統(tǒng)構(gòu)件性能相似的模塊并用線連接便可完成。在搭建完模塊之后便是SimMechanics建模的最關(guān)鍵的步驟——設(shè)置模塊參數(shù)。

在仿真模型建立完成后，要對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。如剛體模塊需要設(shè)置的參數(shù)有：質(zhì)量、慣性張量、位置屬性、方向以及隨動(dòng)坐標(biāo)系。下面以電動(dòng)伺服系統(tǒng)內(nèi)桿（cylinder_inner）模塊為例，雙擊cylinder_inner模塊打開參數(shù)對(duì)話框（Block Parameters）設(shè)置參數(shù)，可以看到如圖3所示的對(duì)話框。

在Mass properties下有Mass和Inertia兩個(gè)參數(shù)設(shè)置項(xiàng)。即質(zhì)量參數(shù)和慣性張量參數(shù)。我們將質(zhì)量參數(shù)設(shè)為Stick_left2_mass，慣性張量參數(shù)設(shè)為Stick_left2_inertia。質(zhì)量和慣性張量參數(shù)只需要在編寫m文件中設(shè)置好密度、長度、內(nèi)徑和外徑然后調(diào)用inertiaCylinder函數(shù)便可，然后如圖3在相應(yīng)位置填上對(duì)應(yīng)的變量名就完成質(zhì)量和慣性張量的參數(shù)設(shè)置[13]。

Position設(shè)置的是模塊的位置參數(shù)。駕駛桿的縱向運(yùn)動(dòng)區(qū)間是[-α，α]，因?yàn)榉抡婺Ｐ驮谶\(yùn)動(dòng)過程中各個(gè)點(diǎn)是隨駕駛桿不斷運(yùn)動(dòng)的，所以其坐標(biāo)也是不斷變化的。在位置參數(shù)中選擇顯示隨動(dòng)坐標(biāo)CS1和CS2，設(shè)置CS1為電動(dòng)伺服系統(tǒng)內(nèi)桿左端坐標(biāo)，CS2為電液伺服系統(tǒng)內(nèi)桿右端坐標(biāo)，CG為其幾何中心。

同理可以得到其他各剛體模塊的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和隨動(dòng)坐標(biāo)參數(shù)。對(duì)v_stick 、h_stick、cylinder_outer剛體模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，在根據(jù)需要設(shè)置輸入和運(yùn)動(dòng)副的的轉(zhuǎn)動(dòng)方式便完成了主要參數(shù)的設(shè)置。

3 系統(tǒng)建模仿真

運(yùn)行建立好的SimMechanics仿真模型，利用虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)演示，如圖4所示為系統(tǒng)的某一時(shí)刻的動(dòng)畫演示截圖。

要對(duì)剛體或運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行分析，就要在模型中添加傳感器模塊，使用Simlink中的Scope模塊對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行動(dòng)畫顯示。在m文件編寫完成和仿真參數(shù)設(shè)置完畢后啟動(dòng)仿真，因?yàn)閟tick-bottom-Rev1處運(yùn)動(dòng)副是轉(zhuǎn)動(dòng)副，它處在駕駛桿“杠桿”的支點(diǎn)位置，所以鉸檢測(cè)模塊Scope2檢測(cè)的結(jié)果便是該鉸接處駕駛桿繞鉸接點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的和計(jì)算扭矩，如圖5。

另一個(gè)鉸檢測(cè)模塊Scope檢測(cè)的是自定義鉸模塊Custom Joint，本文將其定義為可以轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)的二自由度運(yùn)動(dòng)副，通過在該鉸接處添加正弦信號(hào)來拖動(dòng)模擬器操縱負(fù)荷系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，正弦信號(hào)幅值設(shè)定在駕駛桿運(yùn)動(dòng)的極限位置，所以鉸檢測(cè)模塊檢測(cè)的是隨著的正弦信號(hào)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置、速度、加速度反映駕駛桿相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如圖6。

通過上述的仿真曲線，操縱負(fù)荷系統(tǒng)的駕駛桿鉸接點(diǎn)的角度、角速度、角加速度以及電動(dòng)伺服系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置、速度、加速度的關(guān)系及聯(lián)系可以直接與仿真動(dòng)畫中的每一個(gè)運(yùn)動(dòng)過程相對(duì)應(yīng)，這就使得整個(gè)操縱負(fù)荷系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過程變得直觀，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力參數(shù)能夠方便快捷的掌握。

4 結(jié)語

本文基于SimMechanics對(duì)飛行模擬器操縱負(fù)荷系統(tǒng)的縱向操縱系統(tǒng)進(jìn)行了建模并且完成運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，給出了系統(tǒng)相應(yīng)的仿真結(jié)果和相關(guān)的構(gòu)件的位置、速度和加速度曲線的繪制，有了這些數(shù)據(jù)才能分析、評(píng)價(jià)操縱負(fù)荷系統(tǒng)的工作性能，為以后的進(jìn)一步研究提供了基礎(chǔ)。

所以使用SimMechanics建立操縱負(fù)荷系統(tǒng)模型仿真功能強(qiáng)大、仿真結(jié)果方便直觀并且可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)建模分析，這對(duì)于提高操縱負(fù)荷系統(tǒng)的仿真條件以及系統(tǒng)的性能優(yōu)化提供了新的方法，為實(shí)驗(yàn)奠定了理論基礎(chǔ)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王芳.知網(wǎng)飛行模擬器操縱負(fù)荷系統(tǒng)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2008：20-25.

[2]王輝，閆祥安，王立文.飛行模擬器操縱負(fù)荷系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模及仿真研究[J].中國機(jī)械工程，2006，17：258-261.

[3]關(guān)理想，顧宏斌，柴功博.一種電動(dòng)式操縱負(fù)荷系統(tǒng)建模與仿真研究[J].飛機(jī)設(shè)計(jì)，2011，31（5）：51-53.

[4]段永勝，盧穎，閆梁，等.飛行模擬器操縱負(fù)荷系統(tǒng)建模與仿真[J]. 兵工自動(dòng)化，2012，31（8）：24-28.

[5]鄭淑濤，廖峰，王立文，韓俊偉.飛行模擬器操縱負(fù)荷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008，20（4）：965-969.

[責(zé)任編輯：李書培]