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全電動六自由度飛行模擬器的飛行感覺

文章出處:6dof 人氣:發表時間:2019-01-21 22:24

TYT六自由度平臺
        每個飛行器都有它自身特殊的飛行感覺,特殊的飛行參數和操作規程。我們開發了特殊傳感器讓飛行模擬器在不同飛行狀態下與真實飛行中有著這相近的響應,飛行員正確反應在試飛和安全飛行是完全不同的。
 
       飛行仿真行業就是讓飛行員學習飛行過程中的各方面感受,同時減去了真正飛行中的高額成本和潛在風險。據《航空安全飛行雜志》調查:高質量的飛行模擬器飛行訓練是航線機組人員走上崗位前非常重要第一課。對以后的飛行安全有著非常明顯的作用,飛行模擬器最卓越的功能就是對所有現實飛行中的任何地點,任何可能遇到的特殊狀況進行模擬挑戰。
 
        全天候六自由度飛行模擬器控制系統必須復制飛行員例行飛行中遇到的所有條件狀況,飛行員在領取飛行執照和晉升飛行等級前必須精通并通過飛行模擬器的考核。簡單的說:這種六自由度運動控制系統包含復雜的硬件和軟件集成智能化協調控制飛行模擬器,飛行員在虛擬的天空中駕駛飛機飛行。確切地說,飛行模擬器必須具備集成六自由度運動平臺控制系統與控制加載硬件重建行動,與初級控制系統和次級控制系統,與整個座艙儀表,與機艙仿真視景系統完美無接縫對接。
 
        液壓運動控制系統統治了飛行模擬器行業已經40 年。但近十年來,隨著伺服控制系統得日臻完善,全電動運動控制系統迅速崛起,高性能平臺參數以及低投資成本和低維護費用受到了廣大用戶充分肯定。全電動運動控制系統已經是飛行模擬器的首要選擇。
 
電子器件挑戰
 
        雖然液壓運動控制系統基本能夠滿足全天候飛行模擬器的所有性能參數,但是全電動運動控制系統能夠提供優越于液壓系統的更多優點:整個系統的更高效率,在低維護費用下更長正常運轉時間,低成本的基礎配套設施投資。液壓系統得基礎設施需要可觀的前期投入:液壓管線溝,液壓泵站,液壓閥組,液壓過濾器,液壓系統溫度控制器,等等,還有這些液壓系統得安裝費用。
 
        另外液壓系統得應用不符合現代綠色環境保護要求,因為液壓油泄露和需要定期更換使用過的液壓油。對于飛行培訓學校的飛行模擬器需要24 小時,每周7 天的連續訓練使用 ,全電動運動系統更長正常運行時間對他們最具吸引力。
 
        雖然有這么多優點, 但是全電動運動控制系統得發展為何剛剛起步,一個原因為早期的伺服電機對于大行程大負載(14 噸)平臺的很難提供高功率密度電機,大功率工業伺服系統缺少功率器件和中央處理器,使他們在飛行模擬器上難有作為。同時當時在安全系統上沒有成熟的保障,但是液壓系統有保壓液壓油, 可以使系統在出現故障的時候回到平臺初始位置,保證人員的安全。但是伺服電動缸卻需要電力將模擬器回到初始位置。飛行員在駕駛前期的電動飛行模擬器的時候飛行感覺與液壓飛行模擬器有很大差別。
 
        經過這些年來電子技術/控制技術突飛猛進,全新的電動運動控制系統在技術上的日漸完善成熟,已經給飛行模擬器帶來了全新的革命。
 
伺服電動缸為飛行助力
 
        對飛行模擬器的工程師在選擇全電動系統替代液壓系統最大的困擾是:需要能夠承受高載荷和大功率驅動控制系統;需要高保真系統,在大功率系統下運動轉換的平滑性過渡;必須有絕對可靠的安全緩沖保護機構:保證飛行員人身安全以及仿真設備不會損壞。對于商業應用,通過美國聯邦航空管理局(FAA)D 級認證的全電動全天候模擬器是最酷的挑戰。
 
        對于制造商業飛行器飛行訓練的全天候飛行模擬器廠家,象 Flightsafety International (FSI, 布羅肯阿羅,奧克拉) 和 CAE(蒙特利爾,加拿大),必須得到 FAA 出具的 D 級認證證書才能將他們生產的飛行模擬器應用在美國飛行員訓練上。D 級證書保證了在模擬器上飛行經驗充分等效于飛行員的飛行小時,為了達到D 級認證標準,飛行模擬器必須達到所有商業運動控制系統中最高級別保真度和安全性。
TYT六自由度平臺
        全電動系統得優點驅動工程師們去創造出更優越的全電動飛行模擬器(FFS)去替代液壓 FFS。第一個將改進的電動技術成功應用在飛行模擬器上的公司就是來自紐約州東奧羅拉的Moog Inc. Moog 公司向正使用moog 伺服閥的液壓飛行模擬器廠家推薦了他的全電動運動控制平臺構想。
 
       推進全電動技術的第一個技術突破是滾珠絲杠技術。工業專家確認:正是滾珠絲杠這種裝置將旋轉運動轉化為直線運動,保證了伺服缸中最重要的功能部件能夠實現高保真的應用。
 
       Moog 公司發展了這種特殊應用的滾珠絲杠技術,提高了高保真級別同時實現低噪音和解決了傳輸干擾問題。這就意味著運動平滑的伺服電動缸工作時不會增加任何噪音和振動到飛行模擬器正常運行中。這種技術在20 年前是不可能的,這需要投入大量精力設計開發特殊的滾珠滾動系統,特殊制造工藝,誤差的精準控制,100%全檢。 
 
       同時受益于電子技術飛速發展,高性能中央處理器的出現和大容量存儲器的發明。高電壓功率器件的問世帶動了大功率伺服電機及驅動系統得成熟應用,高能磁鐵技術推動了無刷伺服電機的高功率密度。伺服電動缸的行程已經達到1520mm, 同時有效載荷已經超過14 噸, 將使飛行模擬器的全電動使用范圍越來越大。
 
       Moog 公司工程師保證了運動平臺伺服電動缸,加載控制,伺服驅動系統,和于飛行模擬器主機的交換數據通訊軟件的合理設計。 FSI 公司改進了他們的運動控制系統為Moog 設計的六自由度運動平臺系統。 
 
       FSI 公司讓 Moog 公司為直升機操縱負載夾具原型機設計測試平臺,這套測試系統迫使 Moog 公司加速整合模擬器主機與 Moog 硬件平臺系統的軟件通訊速度,以及消除振動源和扭矩脈沖,同時以最短的時間通過D 級認證。
 
       為滿足實際應用需求,Moog 工程師們重新構建標準的伺服驅動系統,內置高性能微處理器達到更高的刷
 
       新率和對電流/速度/位置閉環控制的高速計算速度,以及與模擬器主機的高速通訊速度。
 
       經過匹配伺服電動缸的試驗平臺的原型機的試驗控制,對初始概念的驗證。試驗證明全電動運動平臺的平穩運動特性優于液壓系統。
 
       伺服電動缸電機是12 級無刷伺服電機,特殊設計的轉子和定子在低定位扭矩,低扭矩脈沖,低無用諧波下達到輸出633Nm 扭矩。特殊設計的滾珠絲杠和伺服電機系統輕松處理高負載運動平臺。
 
       當然,安全是必須關注的問題。不間斷電源給運動平臺系統提供安全故障恢復功能和連續記錄功能。另外48V 備用電池和故障安全驅動系統提供充分電力保證飛行模擬器座艙因為系統意外斷電回到初始位置。 
 
       在極端操作狀態下,例如模擬飛行風暴氣候和強風切變,伺服電動缸將不尋常的達到行程的最低點和行程的最高點。當然液壓缸有典型的內部緩沖系統保證伺服缸前段接頭和伺服缸伸縮管的不會損壞,為防止伺服電動缸到達極限位置的造成的損壞,Moog 創新發明了伺服電動缸內置免維護緩沖器。這種緩沖器將行程的兩端加長76.2mm,消除了運動平臺的反作用動能。 
 
       運動平臺的控制只是整個運動控制的一部分,Moog 同時也發展了直線電機控制裝載機,保證了飛行模擬器的充分保真度。操作負荷就是長期將力負荷反饋至駕駛員使用的初級和次級控制器。這種反饋仿真了駕駛員的在真正飛機上控制感覺,這個非常相近于動感游戲機上的方向盤和操縱桿。
 
電動系統成功起飛了
 
        在 2006 年,世界上第一個全電動全天候飛行模擬器正式通過聯邦航空管理局的 D 級證書。Moog 公司和FSI 公司成功合作創造的新的歷史—全電動飛行模擬器,FAA 認真仔細的對比并肯定了真實飛行與模擬飛行感覺的相似。
 
        從那時起, 全電動飛行模擬器的市場快速的發展起來。《國內航空訓練雜志》最近指出:現有1150 臺飛行模擬器正在全球各地正常使用。新的飛行模擬器在不斷的制造和銷售,有85%的產品是全電動模擬器。 
 
       從綠色低碳角度看待這個創舉,全電動飛行模擬器帶來了重大意義。全電動系統相比液壓系統節約了 80%的能源,當然同時我們沒有液壓油,沒有過濾器,沒有液壓系統得漏油和滴油。最終全電動飛行模擬器減少了維護時間, 給與模擬訓練更多的時間,事實上降低了客戶的成本。

 
 

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