DE102008022838A1

DE102008022838A1 - Landehilfseinrichtung

Info

Publication number: DE102008022838A1
Application number: DE102008022838A
Authority: DE
Inventors: Mario Dipl.-Ing. Hamers; Christoph Dr. Keßler
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2008-05-08
Filing date: 2008-05-08
Publication date: 2009-11-19
Anticipated expiration: 2028-05-09
Also published as: DE102008022838B4

Abstract

Eine Landehilfseinrichtung (4) für Hubschrauber (3) hat mindestens eine Sensoreinheit mit Sensoren (5, 6) zur Erfassung der relativen Lage zwischen einer Landeplattform (2) und einem Hubschrauber (3) und eine mit der Sensoreinheit verbindbaren Auswerteeinheit (8), die zur Ermittlung von Landehilfsinformation in Abhängigkeit der mit den Sensoren (5, 6) erfassten relativen Lage eingerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Landehilfseinrichtung für Hubschrauber.
Zur Unterstützung des Landeanflugs von Luftfahrzeugen sind eine Vielzahl von Landeanflughilfssystemen bekannt, die den Piloten bei einer Landung unterstützen und ein Luftfahrzeug automatisch zur Landung führen.
Bei dem Einsatz von Hubschraubern besteht die besondere Situation, dass die Landeplattform selbst nicht notwendigerweise statisch ist, sondern beweglich sein kann. Dies ist der Fall, wenn die Landeplattform auf einem Schiff montiert ist. Im Gegensatz zu Landeflächen auf Land stellt das Schiffsdeck eine sich gegenüber dem Horizont bewegende Landefläche dar. Die Bewegung des Schiffes hängt in erster Linie von dem vorherrschenden Seegang ab. Ein mehr oder weniger regelmäßiges Wellenmuster resultiert aber aus Stärke, Richtung und räumlicher Ausdehnung des Windes sowie der Tiefe des Wassers. Die Größe des Schiffes bestimmt, wie stark und in welchen Frequenzen der Wellenbewegung gefolgt wird. Kleinere Schiffe führen dabei höher-frequente Bewegungen mit größerer Amplitude aus. Das Schiffsdeck kann dabei beträchtliche Bewegungen in Form von Rollbewegungen, d. h. Drehbewegungen um die Längsachse des Schiffes, Stampfbewegungen, d. h. Nickbewegungen um eine Querachse des Schiffes, sowie Hubbewegungen ausführen.
Beim Landen eines Hubschraubers auf einer solchen bewegten Landefläche muss der Pilot die Bewegung des Schiffes beobachten und antizipieren, um eine kontrollierte Landung ohne Beschädigung des Hubschraubers durchzuführen. Insbesondere kurz vor dem Aufsetzen kann eine vertikale Abwärtsbewegung des Hubschraubers einer vertikalen Aufwärtsbewegung des Schiffes überlagert werden, so dass es zu einer Überhöhung der Relativgeschwindigkeit zwischen der Landeplattform und dem Landewerk des Hubschraubers kommt. Die Folge ist ein extrem harter Landestoß. Dieser Landestoß kann zu Beschädigung des Landewerkes und der Hubschrauberzelle, in die dieser Stoß geleitet wird, führen.
Das Landen auf bewegten Landeplattformen erfordert daher erfahrene und trainierte Piloten, denen mit Hilfe eines auf dem Schiff stehenden Lotsens die Schiffsbewegungen signalisiert werden. Zudem müssen das Landewerk und die Zellenstruktur von Hubschraubern für Schiffsdecklandungen entsprechend verstärkt werden. Dies führt zu einer Erhöhung des Leergewichts des Hubschraubers und zu einer Reduzierung der mitführbaren Nutzlast.
Ausgehend hiervon ist es daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Landehilfseinrichtung für Hubschrauber zu schaffen.
Die Aufgabe wird mit der Landehilfseinrichtung der eingangs genannten Art gelöst durch mindestens eine Sensoreinheit mit Sensoren zur Erfassung der relativen Lage zwischen einer Landeplattform und einem Hubschrauber und mit einer mit der Sensoreinheit verbindbaren Auswerteeinheit, die zur Ermittlung von Landehilfsinformationen in Abhängigkeit der mit den Sensoren erfassten relativen Lage eingerichtet ist.
Es wird somit vorgeschlagen, die relative Lage der sich bewegenden Landeplattform zum Hubschrauber ständig aktuell zu erfassen und auf Basis dieser Informationen Landehilfsinformationen zu generieren, die dem Piloten eine einfache Erkennung der Bewegungen der Landeplattform und damit ein sicheres manuelles oder sogar automatisches Landen erlauben.
Die Sensoren zur Erfassung der relativen Lage von Landeplattform und Hubschrauber können im Hubschrauber fest eingebaut und justiert sein. Derartige Sensoren können bspw. mindestens eine Kamera enthalten, mit der die Landeplattform aufgenommen wird. Aus dem ausgenommenen Bild kann dann in an sich bekannter Weise durch togometrische Methoden die relative Lage bestimmt werden.
Denkbar ist aber auch alternativ oder zusätzlich hierzu, dass Sensoren an der Landeplattform angebaut sind, die auf einen anfliegenden Hubschrauber gerichtet sind und von Seiten der Landeplattform die relative Lage zwischen Landeplattform und Hubschrauber erfassen. Diese Sensordaten können dann per Funk an den Hubschrauber übertragen werden.
Auch eine Kombination von am Hubschrauber und der Landeplattform installierten Sensoren ist denkbar. Bei einer solchen Kombination können bspw. passive oder aktive Markierungen an der Landeplattform vorgesehen sein, die mit Sensoren an dem Hubschrauber zur Erfassung der relativen Lage zusammenwirken. Auch mit der Landeplattform zusammenwirkende Drehraten- oder Beschleunigungssensoren sowie Positionssensoren sind nutzbar.
Die Sensoren und in der Folge auch die Auswerteeinheit sind vorzugsweise zur Erfassung der Relativgeschwindigkeit und der Relativposition der Landeplattform gegenüber dem Landewerk des Hubschraubers eingerichtet.
Die Erfassung der Relativgeschwindigkeit hat den Vorteil, dass Landehilfsinformationen generiert werden können, mit deren Hilfe der Hubschrauber einer sich fortbewegenden Landeplattform nachgeführt werden kann. Mit Hilfe der Relativposition kann der Hubschrauber auf eine feststehende Lage bezogen auf eine normale Ebene der Landeplattform (z. B. bei horizontal stillstehender Landeplattform) geführt werden. Die einzelnen Relativbewegungen sind dann nur noch Roll-, Stampf- und Hubbewegungen.
Die Sensoren sowie die Auswerteeinheit sollten zudem zur Erfassung dieser Rollbewegungen um die Längsachse der Landeplattform, Stampfbewegungen um die Querachse der Landeplattform und Hubbewegungen senkrecht zu einer horizontalen Ebene der feststehenden Landeplattform eingerichtet sein.
Diese Informationen können aus Radar- und/oder Bilddaten mit Hilfe an sich bekannter Auswertemethoden extrahiert werden. Vorteilhaft ist es, wenn die Positions- und Beschleunigungswerte des Hubschraubers selbst mit Hilfe von Positionserfassung- und Beschleunigungssensoren erfasst und von der Auswerteeinheit bei der Ermittlung der relativen Lage und der hieraus abgeleiteten Landehilfsinformationen genutzt werden.
Um dem Piloten eines Hubschraubers ein weiches Landen zu erleichtern hat die Auswerteeinheit vorzugsweise eine Anzeige zur Vermittlung eines Eindrucks der relativen Lage der Landeplattform mittels eines die Landeplattform repräsentierenden künstlichen Horizonts. Zudem können auch Steiggeschwindigkeiten und Seitenversatzänderungen bspw. durch von Luftfahrzeug-Navigationsinstrumenten bekannten Falldarstellungen dem Piloten vermittelt werden.
Ein solcher künstlicher Horizont kann vom Piloten schnell und einfach zur Erkennung der momentanen relativen Lage und der Lageänderung erfasst werden.
Vorteilhaft ist es auch, wenn in Ergänzung zu der Anzeige oder als Ersatz die Landehilfsinformation auf aktiv ansteuerbare Steuerorgane für eine kollektive und zyklische Steuerung und ggf. Pedalen aufgeprägt werden. Damit werden dem Piloten haptische Steuerinformationen übermittelt die ihm zu einem weichen Landen veranlassen, wenn er den Steuerungsvorgaben folgt, und die Kontrolle vollständig beim Piloten belässt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Auswerteeinheit mit einer Hubschraubersteuerungseinheit verbunden ist und Steuerungsgrößen zur Landeanflugsteuerung in Abhängigkeit von den Landehilfsinformationen generiert. Auf diese Weise ist ein automatisierter Landeanflug möglich.
Die Auswerteeinheit kann dabei eingerichtet sein, um in einer ersten Landephase durch an die jeweils erfasste momentane relative Lage angepasste Steuerungsgröße den Hubschrauber auf einer annähernd konstanten Position in Bezug auf die Landeplattform zu halten und in einer anschließenden zweiten Landephase einen Sinkflug unter Ausgleich von erkannten Roll-, Stampf- und Hubbewegungen durchzuführen.
In der ersten Landephase folgt der Hubschrauber einer sich ggf. fortbewegenden Landeplattform und wird in einer solchen Höhe und Position über der Landeplattform gehalten, dass ein Kontakt zwischen Landeplattform und Hubschrauber vermieden wird. Wenn der Hubschrauber in dieser Position stabilisiert ist, wird die zweite Landephase eingeleitet und unter Beibehaltung der auf die horizontale Ebene feststehende Relativposition zwischen Landeplattform und Hubschrauber und Ausgleich der Roll-, Stampf- und Hubbewegungen der Hubschrauber weich auf der Landeplattform aufgesetzt.
Nach dem Aufsetzen kann es passieren, dass der Hubschrauber aufgrund der Bewegungen der Landeplattform wieder leicht abhebt. Die Auswerteeinheit sollte daher vorzugsweise weiterhin eingerichtet sein, um in einer dritten Landephase den Hubschrauber durch angepasste Steuerungsgrößen an sensierte Bewegungsdaten des gelandeten Hubschraubers auf einer bewegten Landeplattform zu halten.
Die drei Landephasen unterscheiden sich somit im Wesentlichen durch die unterschiedliche Art und Weise der Auswertung der sensierten Größen wie Relativposition, Roll-, Stampf- und Hubbewegungen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 – Skizze einer auf einem Schiff montierten bewegten Landeplattform und eines Hubschraubers mit einer Landehilfseinrichtung;
2 – Skizze einer Anzeige zur Darstellung der Landehilfsinformation in Form eines künstlichen Horizonts.
1 lässt eine Skizze eines Schiffs 1 erkennen, auf dessen Heck eine Landeplattform 2 für Hubschrauber 3 eingebaut ist. Ein sich dem Schiff 1 nähernder Hubschrauber 3 hat eine Landehilfseinrichtung 4 mit einer Sensoreinheit, die mindestens einen Sensor 5 zur Erfassung der relativen Lage zwischen Hubschrauber 3 und Schiff 1 hat. Ein solcher Sensor 5 kann bspw. eine an dem Hubschrauber 3 fest montierte Kamera, ein Radargerät, eine mit Funkbaken auf der Landeplattform 2 zusammenwirkende Positionserfassungseinheit, Drehratensensoren, Beschleunigungssensoren, Positionsortungssensoren etc. sein. Auch eine Kombination unterschiedlicher Sensoren ist denkbar und vorteilhaft, insbesondere um bei unterschiedlichen Wetterbedingungen eine sichere Landung zu ermöglichen.
Die Sensoreinheit hat weiterhin Sensoren 6 zur Erfassung der Hubschrauberdaten bestehend mindestens aus der Hubschrauberposition und der Beschleunigung in der horizontalen und vertikalen Ebene. Die Sensoren 6 können zudem auch den Nick- und Rollwinkel des Hubschraubers erfassen.
Neben den an dem Hubschrauber 3 installierten Sensoren 5, 6 können alternativ oder zusätzlich auch auf der Landeplattform 2 oder dem Schiff 1 Sensoren installiert sein, die zur Ermittlung der relativen Lage zwischen Schiff 1 und Hubschrauber 3 benutzt werden können. Denkbar ist hierbei z. B., dass auf Seiten der Landeplattform 2 die relative Lage der Landeplattform 2 zum Hubschrauber 3 erfasst und Landehilfsinformationen an den Hubschrauber 3 übermittelt werden. Dies hat den Vorteil, dass auch nicht speziell ausgerüstete Hubschrauber 3 bei der weichen Landung auf der Landeplattform 2 unterstützt werden können. Lediglich eine Datenübertragung der Landehilfsinformation und ggf. eine Anzeige derselben im Hubschrauber 3 ist dann erforderlich.
Auf der Basis der von den Sensoren 5, 6 detektierten Informationen wird die relative Lage zwischen der Landeplattform 2 und dem Landewerk 7 des Hubschraubers 3 mit Hilfe einer Auswerteeinheit 8 ermittelt. Dies kann mit an sich bekannten Bildauswerteverfahren trigonometrischen Messverfahren und trigonometrischen Algorithmen durch eine Recheneinheit automatisch erfolgen.
Die von den Sensoren 5, 6 gelieferten Rohdaten werden hierzu vorverarbeitet und in der Auswerteeinheit 8 genutzt um die Schiffsbewegungen rollen und stampfen, die Relativgeschwindigkeit des Schiffs 1 gegenüber dem Hubschrauber 3 und die Relativposition des Schiffs 1 gegenüber dem Hubschrauber 3 zu erfassen. Zudem ist der Hubschrauber mit Hilfe der Sensoren 6 in der Lage, seine Lage und Bewegung im Raum zu ermitteln.
Aus diesen Daten werden nun in der Auswerteeinheit 8 Landehilfsinformationen in Abhängigkeit der mit den Sensoren 5, 6 erfassten relativen Lage ermittelt.
Diese Lagehilfsinformationen oder hieraus abgeleitete Größen können dem Piloten angezeigt werden, um dem Piloten bei einer manuellen Landung zur unterstützen. Die Anzeige 9 kann einen künstlichen Horizont 10 enthalten, der die relative Lage der Landeplattform 2 zum Hubschrauber 3 und hierbei vorzugsweise zum Landewerk 7 zeigt. Die Landeebene der Landeplattform 2 wird hierbei durch den künstlichen Horizont 10 in einen oberen und unteren Bereich teilenden Linie 11 repräsentiert.
Die Steiggeschwindigkeit zwischen Landeplattform 2 und Hubschrauber 3 kann durch die vertikale Pfeildarstellung 12 auf der rechten Seite des künstlichen Horizonts vermittelt werden. Während der horizontale Strich einen Soll-Wert der Steiggeschwindigkeit zeigt, weist der Abstand zwischen diesem horizontalen Strich und dem an der Linie positionierten Pfeil auf die Abweichung der Steiggeschwindigkeit vom Soll-Wert hin.
In entsprechender Weise ist eine horizontale Pfeildarstellung 13 oberhalb des künstlichen Horizonts 10 vorgesehen, der den Kursausschnitt vermittelt. Wiederum zeigt der horizontale Strich den erforderlichen Seitenversatz an, während der Abstand zwischen dem horizontalen Strich und dem an der horizontalen Linie anliegendem Pfeil die Abweichung des Seitenversatzes vom Soll-Wert repräsentiert, d. h. die Seitenversatzänderung.
Diese Landehilfsinformationen können nicht nur dem Piloten angezeigt werden, sondern auch direkt als Soll Werte für ein vorhandenes Regelungssystem, wie z. B. einem Autopiloten des Hubschraubers 3 verwendet werden. Dadurch ist eine vollautomatische Schiffsdecklandung möglich.
Die Auswerteeinheit 8 ist hierzu mit einer nicht dargestellten Hubschraubersteuerungs-Einheit verbunden und berechnet zunächst mittels geeigneter Regelalgorithmen die erforderlichen Größen, um den Hubschrauber 3 in einer absoluten Höhe über dem Schiff 1 zu positionieren. Diese Höhe kann durch den Piloten gewählt werden oder durch die Auswerteeinheit 8 berechnet und vorgegeben werden. Die Steuerungsgrößen werden dann von der Hubschraubersteuereinheit genutzt, um in einer ersten Landephase den Hubschrauber in einer absoluten Höhe sicher zu halten, so dass der Hubschrauber 3 dem Schiff 1 folgt, sofern dieses Fahrt hat und sich in einer Höhe über dem Schiff 1 nahezu fest positioniert befindet, so dass ein Kontakt zwischen dem Schiff 1 und dem Hubschrauber 3 vermieden wird. Wenn der Hubschrauber 3 in dieser Position stabilisiert ist, erfolgt in der zweiten Landephase das Aufsetzen auf die Landeplattform 2. Dies kann entweder durch den Piloten manuell unterstützt durch Anzeige 9 oder bevorzugt automatisch durch die Auswerteeinheit 8 und Hubschraubersteuerungseinheit erfolgen. In der automatischen Landephase wird von der Auswerteeinheit 8 ein neuer Satz von Steuerungsgrößen berechnet, die den Hubschrauber 3 in einen Sinkflug überführen. Dabei spielen die Roll-, Stampf- und Hubbewegungen der Landeplattform 2 eine sehr wichtige Rolle. Sie bestimmen im Wesentlichen die Sinkgeschwindigkeit, Sinkrichtung und Lageänderung des Hubschraubers 3 bei einem Sinkflug. Während des Sinkflugs wird die momentane relative Lage kontinuierlich erfasst und zur Ermittlung geeigneter Steuerungsgrößen verwenden.
Nach der Landung kann in einer dritten Landephase ein weiterer Satz von Steuergrößen berechnet werden, die den Hubschrauber 3 sicher auf der Landeplattform 2 erhalten, bevor dieser festgezurrt wird und die Triebwerke dann sicher abgestellt werden können.

Claims

Landehilfseinrichtung (4) für Hubschrauber (3) mit mindestens einer Sensoreinheit mit Sensoren (5, 6) zur Erfassung der relativen Lage zwischen einer Landeplattform (2) und einem Hubschrauber (3) und mit einer mit der Sensoreinheit verbindbaren Auswerteeinheit (8), die zur Ermittlung von Landehilfsinformationen in Abhängigkeit der mit den Sensoren (5, 6) erfassten relativen Lage eingerichtet ist.
Landehilfseinrichtung (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (5, 6) zur Erfassung der Relativgeschwindigkeit der Landeplattform (2) gegenüber dem Hubschrauber (3) eingerichtet sind.
Landehilfseinrichtung (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren (5, 6) zur Erfassung der Relativposition der Landeplattform (2) gegenüber dem Hubschrauber (3) eingerichtet sind.
Landehilfseinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (5, 6) zur Erfassung der relativen Lage zwischen einer Landeplattform (2) und dem Landewerk (7) des Hubschraubers (3) eingerichtet sind.
Landehilfseinrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren (5, 6) zur Erfassung von Rollbewegungen der Landeplattform (2) um eine Längsachse der Landeplattform (2) eingerichtet sind.
Landehilfseinrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren (5, 6) zur Erfassung von Stampfbewegungen der Landeplattform (2) um eine Querachse eingerichtet sind.
Landehilfseinrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren (5, 6) zur Erfassung von Hubbewegungen der Landeplattform (2) um eine Querachse eingerichtet sind.
Landehilfseinrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (8) eine Anzeige (9) zur Vermittlung eines Eindrucks der relativen Lage der Landeplattform (2) mittels eines die Landeplattform (2) repräsentierenden künstlichen Horizonts hat.
Landehilfseinrichtung (4) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeige (9) eine Vermittlung eines Eindrucks der Steiggeschwindigkeit und Seitenversatzänderungen des Hubschraubers (3) relativ zur Landeplattform (2) hat.
Landehilfseinrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (8) mit einer Hubschrau bersteuerungseinheit verbunden ist und Steuerungsgrößen zur Landeanflugsteuerung in Abhängigkeit von den Landehilfsinformationen generiert.
Landehilfseinrichtung (4) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (8) eingerichtet ist, um in einer ersten Landephase durch an die jeweils erfasste momentane relative Lage angepasste Steuerungsgrößen den Hubschrauber (3) auf einer annähernd konstanten Position in Bezug auf die Landeplattform (2) zu halten und in einer anschließenden zweiten Landephase einen Sinkflug unter Ausgleich von erkannten Roll-, Stampf- und Hubbewegungen durchzuführen.
Landehilfseinrichtung (4) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (8) eingerichtet ist, um in einer dritten Landephase den Hubschrauber (3) durch angepasste Steuerungsgrößen an sensierte Bewegungsdaten des gelandeten Hubschraubers (3) auf einer bewegten Landeplattform (2) zu halten.
Landehilfseinrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Landehilfsinformationen mittels haptischer Rückführung auf aktiv ansteuerbare und gleichzeitig manuell oder per Fuß betätigbare Steuerorgane aufgeprägt sind.