浅析飞机侧杆驾驶装置设计

海军装备部西安局 史国荣

西安飞行自动控制研究所 李 凯 郭韶华 张亚崇

目的：简单论述飞机侧杆驾驶装置的设计要素。方法：由侧杆装置的产生背景引出了侧杆的定义，并对国内外的研究现状进行了梳理，进一步阐述了侧杆的特点。结果：侧杆设计的要素主要有自由度、操纵方式、人机功效和附属按键等。结论：对其设计要素进行了逐一分析，提出了侧杆装置的设计思路与考虑要点。

随着电子信息技术和软件控制算法的不断发展和进步，越来越多的飞行控制系统都由传统的机械式变为电传式，通过电缆传导电气信号取代了由机械结构传递位移信号，信号链的输入是飞行员的操纵量，只要能够准确地获取操纵输入量，就可以将这些输入交给飞控控制律的解算，最后经过伺服系统转换成为作动机构的机械位移。可以说，飞控系统的输出对输入已经没有机械结构上的约束，两者已经独立开来，这个转变是电传飞行控制系统对操纵装置带来的影响，也正是电传时代的到来为侧杆操纵装置的发展提供了平台基础。

本文就侧杆操纵装置的特点和研究现状进行了分析和总结，进一步提出了关于侧杆操纵装置的设计要点和思路。

1 侧杆装置

侧杆是中央驾驶杆的一种偏置，从座舱布局上来看，仅仅是位置的改变，但是从机械结构、性能功能角度剖析，侧杆已经完全不同于中央驾驶杆。因为侧杆具有紧凑、短小和集成化程度高的特点，所以侧杆的安装位置灵活自由。只要飞行员可以接受，侧杆能够放置在驾驶舱的任何位置，并且可以根据飞行员的需求任意微调。侧杆已经可以作为一个单独的LRU进行维护和外场更换。另外，更重要的是轻巧的侧杆装置可以很方便地引入主动控制技术，以此实现飞行员操纵力感特性的实时可编程能力，若再对飞机运动参数进行计算转化，还能够将飞机本身的运动状态通过力感、限位或者是震动等触觉方式直接反馈给飞行员。

2 国内外研究现状

20世纪70年代，美国首先采用电传操纵系统之后，侧杆装置迎来了蓬勃的发展机会，随着电传技术的日渐成熟和普遍应用，人们对侧杆驾驶装置的重视程度也越来越高。F-16和AC320是军机和民机中首次采用被动侧杆的机型。侧杆的应用在它们各自的领域带来了操纵的变革。后续，如美国的F-22、B-47和A-340，俄罗斯的Su-37、S-37/C-37，法国的“阵风”、台湾的IDF飞机等也都采用了侧杆装置；甚至以操纵难度大负荷大的直升机领域也紧跟侧杆趋势：RAH-60科曼奇直升机，由美国波音/西科斯基公司90年代研制，其作战效能及飞行品质均大大超过了现有的任何一架武装直升机，它的座舱操纵装置为3+1结构，俯仰、横滚、偏航轴为小位移的三轴侧杆控制器，总距轴为中等位移的总距杆。

我国在主动侧杆领域尚处起步阶段，多是进行理论方面的研究。南京航空航天大学导航研究中心从2006年上半年开始对主动驾驶杆控制系统展开理论研究。2005年西北工业大学航空工程专业对侧杆操纵品质展开理论研究。2005年北京航空航天大学飞行力学与控制教研室对侧杆人感系统对飞行品质的影响展开理论研究。另外，一些医学研究院所在侧杆领域也展开了相应的研究，如空军航空医学研究院、第四军医大学等对侧杆在人机工效、使用需求等方面展开相应研究。

3 侧杆装置的特点

3.1 侧杆装置的优点

侧杆装置和其他驾驶装置相比，比如中央驾驶盘、中央驾驶杆等，首先视觉角度，观察仪表盘和显示器更加方便；空间角度，原本被复杂杆系占据的位置可以加装其他设备，飞行员进出座位区域更加方便。另外，对于运输机和民机等长航时的机种来说，节省出来的中央空间还可以安装伸缩小桌板，用来工作或者进餐。人机功效方面，侧杆的驾驶姿势更加舒适，左右上肢运动更加对称协调，飞行员操纵力更小，行程更短，搭配扶手，驾驶疲劳程度更低。

3.2 侧杆装置的控制特点

（1）控制动作精度特点

侧杆的位移较小，飞行员能分辨出来的位移是固定的，分辨率=行程/飞行员分辨能力，所以相比之下，侧杆分辨率低，尤其在横滚轴方向上。在闭环飞行任务中，品质主要取决于分辨率和飞行员动态特性。纵轴方向，侧杆的良好动态特性足以弥补较差的分辨率，最终的品质可以做到优于传统驾驶杆/盘。但是横轴方向，由于分辨率进一步减小，控制精度就没有明显的优势了。

（2）噪声抑制特点

侧杆的行程小，驾驶过程中的一些误操纵，如抖动、无意识的移动以及不可避免的纵横交叉耦合操纵等，都会被敏感到，使飞机产生非预期的动作。横滚轴方面表现尤为明显，在一些需要精确控制横滚姿态的任务中，比如渐进降落任务，飞行员因为横向分辨率低，为了调整飞机的响应，会增加很多横向操纵动作，有可能会激起飞机谐振。解决这些缺点，需要从侧杆结构、人机工效、控制系统架构和算法等方面入手。

4 侧杆装置的设计

合理的侧杆设计能提高飞行员的操纵效率和飞行品质。侧杆操纵装置的基本设计要素有：自由度、操纵方式、人机功效、附属按键、传感器类型、配平等。

4.1 自由度

大多数飞机用两自由度侧杆。三自由度多是用来控制航向，比如用在航天员外太空行动控制中。研究表明航空驾驶员使用三自由度侧杆和两自由度侧杆（配合脚蹬）两种装置时，不论在地面仿真还是飞行，前者都没有明显的优势。

4.2 操纵方式

一般侧杆装有一个两自由度的万向节，可以进行推/转操纵。有的旋转轴基点是基于手柄的，配上扶手臂托装置，可以稳定的将胳膊的力量传至杆头；有的是基于手腕的，航天员使用基于手腕的居多，因位移小，便于操纵。

4.3 人机功效

这是影响控制舒适度和精度的重要特点。舒适度取决于杆头的形状和杆的位置。大多数杆都是有一个垂直的把手，下面是纵横向的转动基座。因为人进行纵横向操纵时使用的都是同一块肌肉，所以纵横向耦合不可避免。减小耦合有以下几个有效的方法：一是从飞行员角度设置最优的侧杆中立位置；二是安装可调整的扶手；三是根据个人尺寸测量的结果调整座椅和扶手。许多飞机的研发和试验数据表明，最有效的解决耦合的方法是中立时，侧杆向左有稍许倾斜（对于右侧驾驶员来说，反之则反）。另外就是扶手，扶手决定了手和杆的相对位置，还能引导胳膊的纵向运动，减小胳膊的横向平移，减小耦合。手臂和扶手的相对运动（摩擦感觉）还能提供触觉提示，提高控制精度。

4.4 附属按钮

为了避免按压按钮时引起杆的移动，按钮受力的方向必须穿过杆的转动基点，并且按压力不能超过侧杆的启动力的50%。在那些杆头按钮很多的侧杆上，这些尤其要注意。客机上面的侧杆按钮设计的很少，比如A-320，侧杆顶部只有一个拇指用自动驾驶按钮，杆头底部有一个食指用的通讯切换扳机。

4.5 传感器类型

侧杆使用的传感器一般有两种信号类型，一是力信号，一个是位移信号。类型的不同决定了侧杆和控制系统的架构。

力信号的主要优势在于：简单、紧凑、重量轻。位移信号需要更复杂的结构，主要用来根据位置传感器的输出生成杆力。力信号更加可靠，因为它不需要机械运动部件，避免了卡滞、死区，摩擦力也可以忽略不计。力信号最主要的缺点是它的抗噪声能力不好，有些无意识使出的力甚至手的紧张都会被敏感到，进入控制系统，降低了飞行精度。纵横向的无意识耦合同样会被敏感到。为了增强抗噪性，力信号通常需要经过一个超前滤波的洗出环节。加了超前滤波器后，还能够减小轴间耦合的影响，相当于引进了一个死区。

位移信号的噪声则小一些，因为杆系活动部件本身就是滤波器，将力的随机干扰都去除了。这种机械滤波装置和前面的超前滤波相比，最大的好处就是不会引入任何额外的时延。位移信号式的侧杆可以在杆力特性和控制敏感度之间实现最优设置。

侧杆的输出信号形式对飞行包线保护的算法没有影响，但是在接近包线边缘时的提示功能，用位移信号更适合，因为位移可以用机械限位，到了限位位置就能感觉到。用力信号，飞行员只能间接的从飞机不响应自己的操纵（即死区）来判断已经接近包线了，这样不利于良好的驾驶体验。

4.6 配平机构

大多数侧杆都没有配平机构，多是通过算法自动实现配平。但是也有关于侧杆的配平机构的研究，但是因为结构复杂，没有被普遍接受与应用。

结束语：本文由侧杆装置的产生背景引出了侧杆的定义，进一步阐述了侧杆的特点，并对国内外的研究现状进行了梳理。对于侧杆设计，本文从控制精度与噪声抑制等侧杆本身的特点出发，总结了六个方面的设计要素，并对其进行了逐一分析，提出了侧杆装置的设计思路与考虑要点。