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Die vorliegende Erfindung betrifft ein aktives Steuerknüppelsystem zur Steuerung eines Luftfahrzeugs, wobei am mechanisch bewegbaren Steuerknüppel ein elektrisch simuliertes Gefühl für den Bediener des Luftfahrzeuges erzeugbar ist.
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Derartige Steuerknüppelsysteme verwenden in der Regel einen mechanisch um mehrere Achsen bewegbaren Steuerknüppel, der durch den Piloten zur Flugsteuerung eines Luftfahrzeugs betätigbar ist. Die Neigung des Steuerknüppels um eine der Achsen beeinflußt beispielsweise die Längs- und/oder Querneigung eines Flugzeugs oder die Nick- und Rollbewegung sowie die Vertikalbewegung eines Helikopters. Im Unterschied zur klassischen Steuerung, bei der die Steuerbewegungen des Piloten durch Stahlseile, Schubstangen oder sonstige Hydrauliksysteme an die steuernden Stellvorrichtungen des Luftfahrzeugs übertragen werden, wird die veränderliche Stellposition des mechanisch bewegbaren Steuerknüppels durch eine zugeordnete Sensorik erfaßt und über elektrische Leitungen an die entsprechenden Stellvorrichtungen des Luftfahrzeugs übertragen.
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Bei einer klassischen Steuerknüppel-Ausführung werden die Kräfte, die während des Fluges auf das Flugzeug wirken, in Form von Widerstand und Ausschlag auf die Steuereinheit übertragen. Bei der Ausführung des Fly by Wire Systems mit passivem Steuerknüppelsystem entfällt diese Rückmeldung. Insbesondere in der Luftfahrtechnik ist für den Piloten oftmals die haptische Informationsübermittlung des Steuerungssystems von großem Vorteil.
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Aktive Steuerungssysteme ermöglichen die Simulation der auftretenden Steuerkräfte und passen diese an die jeweilige Flugsituation an, um so eine optimale Unterstützung des Piloten zu erreichen. Die Rückmeldungen werden beispielsweise in Form von Bewegungen oder Signalen an die Steuervorrichtung übertragen, wodurch eine intuitive Reaktion des Piloten auf die jeweilige Flugsituation erleichtert wird. Ferner erhält der Pilot eine präzise Rückmeldung über die von ihm durchgeführten Steuereingaben. Dem Piloten bietet sich daher die Möglichkeit auch bei Verwendung eines elektrischen Steuersystems, das Verhalten des Luftfahrzeugs während des Flugbetriebs zu fühlen.
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Heutige Luftfahrzeuge besitzen ein doppeltes Steuerungssystem für Pilot und Copilot. In diesem Fall ist es sinnvoll, dass eine Verbindung bzw. Kopplung zwischen den beiden Steuerungssysteme besteht. Diese Kopplung synchronisiert beide Steuervorrichtungen, damit zu jedem Zeitpunkt der andere Pilot über die Steuereingaben des anderen bewußt ist und um gegenseitige Konflikte der Steuervorrichtungen zu vermeiden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Steuerknüppelsystem für Luftfahrzeuge aufzuzeigen, das eine durch Steuereingaben ausgelöste Gefühlserzeugung auf den Steuerknüppel verwirklicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein aktives Steuerknüppelsystem gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen des Steuerknüppelsystems sind Gegenstand der sich an den Hauptanspruch anschließenden Unteransprüche.
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Demnach weist ein aktives Steuerknüppelsystem zur Steuerung eines Luftfahrzeugs eine Steuerorganarchitektur sowie eine Steuerungsarchitektur auf. Die Steuerorganarchitektur besteht im wesentlichen aus einem mechanisch bewegbaren Steuerknüppel, der um eine beliebige Anzahl an Achsen frei beweglich gestaltet ist und zur Steuerbefehleingabe des Piloten dient. Die Einbindung des Steuerknüppels beruht auf der bekannten Steer-by-wire Technologie, die eine Weiterleitung der mittels Steuerknüppelsensorik erfaßten Steuereingaben des Piloten per Signalleitungen an die entsprechenden Stellorgane des Flugzeugs vorsieht. Die diesbezüglichen Ausführungen des Steuerknüppels sind beliebig zu wählen, sollen jedoch im weiteren Verlauf nicht näher beschrieben werden.
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Die erfindungsgemäße Architektur bezieht sich im wesentlichen auf die Gefühlserzeugung mittels des Gefühlserzeugungsmittels und die Ansteuerung, die dem betätigtem Steuerknüppel überlagert wird. Hierzu umfasst die Steuerorganarchitektur wenigstens ein Erfassungsmittel zur Erfassung wenigstens einer Zustandsgröße des Steuerknüppels. Das Erfassungsmittel kann Bestandteil der vorgenannten Sensorik eines elektrischen Steuerknüppels sein oder als gesondertes Mittel angeordnet sein. Insbesondere dient das Erfassungsmittel zur Erfassung wenigstens einer Bewegungszustandsgröße des Steuerknüppels. Eine Bewegungszustandsgröße ist beispielsweise durch die aktuelle Steuerknüppelposition charakterisiert.
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Vorteilhafterweise werden ebenfalls die Geschwindigkeit und/oder die Beschleunigung, mit der der Steuerknüppel betätigt wird, erfaßt. Ebenfalls umfasst die Steuerorganarchitektur wenigstens ein Stellglied zur mechanischen Betätigung des Steuerknüppels. Bevorzugt ist das Stellglied als elektrischer Aktuator, insbesondere als Elektromotor oder dergleichen ausgeführt, dessen Antriebswelle über eine Getriebeanordnung mit dem Steuerknüppel mittelbar oder unmittelbar in Verbindung steht. Insbesondere kann für jede Bewegungsachse des Steuerknüppels wenigstens ein Stellglied vorgesehen sein. Die erfindungsgemäße Gefühlserzeugung kann vorzugsweise auf jede Achse eine als Sidestick ausgeführten Steuerknüppel angewendet werden.
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Weiterhin umfasst das aktive Steuerknüppelsystem erfindungsgemäß eine Steuerungsarchitektur, die eine elektronische Kraftrückkopplung zur Gefühlserzeugung realisiert. Die Steuerungsarchitektur beinhaltet wenigstens einen Bewegungsregler, der in Abhängigkeit einer Bewegungssollgröße entsprechende Steuersignale erzeugt, um die vorliegende Zustandsgröße auszuregeln. Der Ausgang des Bewegungsreglers steht mittelbar oder unmittelbar mit wenigstens einem Stellglied der Steuerorganarchitektur in Verbindung, um die erzeugten Steuersignale wenigstens einem Stellglied zuzuführen. Ferner ist ein Gefühlserzeugungsmittel vorgesehen, das auf Grundlage wenigstens einer Bewegungszustandsgröße wenigstens eine Bewegungssollgröße generiert. Hierzu steht das Gefühlserzeugungsmittel mittelbar oder unmittelbar mit wenigstens einem Erfassungsmittel der Steuerorganarchitektur in Verbindung, wodurch wenigstens eine Zustandsgröße des Erfassungsmittels dem Gefühlserzeugungsmittel zuführbar ist.
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Der Ausgang des Gefühlserzeugungsmittels steht mittelbar oder unmittelbar mit wenigstens einem Bewegungsregler in Verbindung, wodurch die generierte Bewegungssollgröße wenigstens einem Bewegungsregler zuführbar ist. Unter Bewegungsregelung wird die Regelung der Pose, Geschwindigkeit, Beschleunigung oder einer Kombination daraus bezeichnet. Die Erzeugung einer Bewegungssollgröße durch das Gefühlserzeugungsmittel und die entsprechende Regelung durch Bewegungsregler und das Stellglied sorgt für eine realitätsnahe Gefühlserzeugung am mechanisch bewegbaren Steuerknüppel.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens ein Bewegungsregler als Positionsregler ausgeführt. Der Positionsregler kann beliebig realisiert werden, z. B. in Form einer Kaskadenregelung, einer Zustandsregelung oder einer PID-Regelung. Bei der Verwendung eines Positionsreglers muss das Gefühlerzeugungsmittel eine Sollposition generieren, die dem Eingang des Positionsreglers mittelbar oder unmittelbar zugeführt wird. Wird der mechanisch bewegbare Steuerknüppel durch den Piloten betätigt, erzeugt das Gefühlserzeugungsmittel eine Sollposition, wodurch der Positionsregler eine aktive Bewegung auf den Steuerknüppel erzeugt. Der Pilot erhält ein unmittelbares Feedback auf seine getätigte Steuereingabe durch eine simulierte spürbare mechanische Kraftrückkopplung, wie sie bei herkömmlichen mechanischen Steuervorrichtungen auftritt.
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Alternativ oder zusätzlich kann wenigstens ein Bewegungsregler als Geschwindigkeitsregler ausgeführt sein. In diesem Fall muss das Gefühlserzeugungsmittel zusätzlich oder alternativ wenigstens eine Sollgeschwindigkeit generieren, die dem Geschwindigkeitsregler mittelbar oder unmittelbar zur Verfügung gestellt wird. Weiterhin vorteilhaft kann wenigstens ein Bewegungsregler als Beschleunigungsregler ausgeführt sein. Zur Ansteuerung des Beschleunigungsreglers muss von dem Gefühlserzeugungsmittel wenigstens eine Sollbeschleunigung erzeugt werden.
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Das Gefühlserzeugungsmittel kann durch innere und bzw. oder äußere Zustandsgrößen beeinflußt werden. Zu den inneren Zustandsgrößen gehören die durch wenigstens ein Erfassungsmittel erfaßten Zustandsgrößen der Steuerorganarchitektur. Um die Gefühlserzeugung zu präzisieren und weiter zu sensibilisieren lassen sich zusätzliche, von außen zugeführte Zustandsgrößen berücksichtigen. Vorteilhafterweise zählen hierzu bei der Verwendung des aktiven Steuerknüppelsystems in einem Luftfahrzeug die Fluggeschwindigkeit, die Flughöhe, sowie die Meßdaten eines Gyroskops oder weitere beliebige den Flugbetrieb charakterisierende Daten.
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Weiterhin vorteilhafterweise können ebenfalls die Signale eines Autopiloten auf die Gefühlserzeugung des Gefühlserzeugungsmittels angewendet werden. Das aktive Steuerknüppelsystem ist folglich durch den Autopiloten steuerbar.
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Es ist denkbar, dass die im Gefühlserzeugungsmittel verwendeten Zustandsgrößen durch ein oder mehrere Erfassungsmittel gemessen werden oder alternativ von einer oder mehreren erfaßten Zustandsgrößen innerhalb des Gefühlserzeugungsmittels mathematisch bestimmt bzw. abgeleitet werden. Die Zahl der erforderlichen Erfassungsmittel läßt sich demnach reduzieren. Beispielsweise kann das gesamte Steuerknüppelsystem mit nur einer gemessenen und/oder abgeleiteten Zustandsgröße realisiert werden. Durch Addition weiterer Zustandsgrößen kann die Güte des aktiv haptischen Steuerorgans verbessert werden.
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Weiterhin kann wenigstens ein Kraftregler vorgesehen sein, der unterstützend zur Bewegungsregelung der Steuerungsarchitektur auf die Steuerorganarchitektur einwirkt.
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Wenigstens ein Erfassungsmittel dient zur Ermittlung der aktuellen Stellposition oder Lage des Steuerknüppels. Zusätzlich oder alternativ ist wenigstens ein Erfassungsmittel zur Messung der aktuellen Geschwindigkeit und/oder der aktuellen Beschleunigung und/oder der aktuellen Kraft und/oder einer weiteren Zustandsgröße, die der mechanisch bewegbare Steuerknüppel bei Betätigung erfährt, vorgesehen.
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Das Gefühlserzeugungsmittel erzeugt bevorzugt unter Verwendung einer Kennlinie und/oder eines Federmassedämpfermodells beliebiger Ordnung und Dimension und unter Berücksichtigung wenigstens einer zugeführten Zustandsgröße die entsprechende Sollgröße zur Ansteuerung des verwendeten Bewegungsreglers. Vorteilhafterweise dient das Gefühlserzeugungsmittel zur Realisierung diverser Gefühlscharakteristiken im aktiven Steuerungsknüppelsystem. Hierzu zählen bevorzugt unter anderem die Realisierung einer beliebigen Kraftpositionskennlinie und/oder einer beliebigen Dämpfungsgeschwindigkeitskennlinie und/oder eines Detends und/oder eines Breakouts und/oder einer Positionsbegrenzung und/oder eines Softstopps und/oder eines Reibungsmodells und/oder eines Kraftoffsets und/oder eines Positionsoffsets und/oder eins Stickshakers und/oder einer Geschwindigkeitsbegrenzung und/oder einer Kraftbegrenzung.
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Zur Realisierung eines Parallelbetriebs von mindestens zwei mechanisch bewegbaren Steuerknüppeln ist es wünschenswert, dass diese miteinander koppelbar sind. Vor diesem Hintergrund umfasst das Steuerknüppelsystem in einer vorteilhaften Ausführung mindestens zwei Steuerknüppel und ein oder mehrere Steuerarchitekturen, die miteinander koppelbar sind. Beispielsweise lässt sich die durch wenigstens ein Gefühlserzeugungsmittel erzeugte Sollgröße synchron auf beide mechanisch bewegbaren Steuerknüppel anwenden. Weiterhin kann der Kopplungsmechanismus weitere Funktionsmechanismen zur Vermeidung der auftretenden Konfliktsituationen aufweisen.
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Vorteilhafterweise umfasst das Steuerknüppelsystem wenigstens ein Monitoring- und/oder Konsolidierungsmittel. Die erzeugten oder erfaßten Zustands- bzw. Sollgrößen können demnach einem Plausibilitätscheck unterzogen werden. Mögliche Fehlfunktionen oder Unstimmigkeiten werden frühzeitig erkannt und unter Umständen automatisch behoben. Die entsprechenden Ergebnisdaten sind vorteilhafterweise als Statusmeldungen speicherbar und/oder über ein oder mehrere optische und/oder akustische Anzeigemittel ausgebbar.
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Der mechanisch bewegbare Steuerknüppel ist nicht auf eine vordefinierte Anzahl an Freiheitsgraden begrenzt. Um jede Bewegungsachse des Steuerknüppels mit einer Gefühlserzeugung zu belegen, ist wenigstens eine Reglerarchitektur pro Achse vorgesehen.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Die einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen aktiven Steuerknüppelsystems. Die Steuerorganarchitektur umfasst den mechanisch bewegbaren Steuerknüppel 10, der physisch mit wenigstens einem Stellglied 30 in Verbindung steht. Das Stellglied 30 ist bevorzugt als Elektromotor ausgeführt, dessen Antriebswelle über eine Getriebestruktur eine mechanische Kraft auf den Steuerknüppel 10 bewirkt und eine Steuerknüppelbewegung erzeugt. Da der Steuerknüppel 10 um eine beliebige Anzahl an Achsen frei beweglich ist, ist pro Achse ein Stellglied 30 vorgesehen.
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Die Architektur umfasst ferner Erfassungsmittel 20, die an der Knüppelmechanik angeordnet sind und zur Ermittlung der aktuellen Stellposition des Steuerknüppels 10 dienen. Weitere Parameter, wie die Geschwindigkeit, Beschleunigung und Kraft, die bei einer Betätigung des Steuerknüppels 10 auftreten, werden ebenfalls durch weitere Erfassungsmittel 20 ermittelt. Eine weitere Sensorik 40 bestimmt die aktuellen Zustandsgrößen der eingesetzten Aktuatoren 40 zur Bewegung des Steuerknüppels 10.
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Zur Erzeugung der elektronisch geregelten Rückkopplung in Abhängigkeit der Steuerknüppelbetätigung dient das Gefühlserzeugungsmittel 50. Am Eingang des Gefühlerzeugungsmittels 50 liegen die durch die Sensoren 20, 40 erzeugten Signale der internen Zustandsgrößen an. Ferner greift der Positionsregler 70 auf die genannten Signalleitungen der Sensoren 20, 40 zu.
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Zur Berücksichtigung der aktuellen Fluglage des Luftfahrzeugs werden weiterhin externe Zustandsgrößen 90 durch externe Sensorsysteme erfaßt und an das Gefühlserzeugungsmittel 50 übergeben. Unter die externen Zustandsgrößen fallen beispielsweise die aktuelle Fluggeschwindigkeit, die Flughöhe, der eingestellte Klappenwinkel, sowie die Meßdaten der im Flugzeug verwendeten Gyroskope und entsprechende Signale des Autopiloten.
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Das Gefühlserzeugungsmittel 50 generiert aus den zugeführten Zustandsgrößen der Sensoren 20, 40 und den externen Zustandsgrößen 90 eine Sollposition für den Steuerknüppel 10. Die Sollposition lässt sich unter Verwendung einer hinterlegten Kennlinie oder einem Gefühlsmodell erzeugen, denen unterschiedliche Verhaltenscharakteristika zugeordnet werden können. Beispielhaft seien die Verwendung eines Feder-Masse-Modells oder einer beliebigen Kraft-Positionskennlinie genannt, die in Abhängigkeit einer zugehenden Kraftzustandsgröße eine vordefinierte Sollposition für den Steuerknüppel 10 bestimmt. Weitere Ausführungen verwenden eine Dämpfungsgeschwindigkeitskennlinie oder simulieren eine Detend- und/oder Breakout- und/oder Positionsbegrenzungs- und/oder Softstoppcharakteristika und/oder ein Reibmodell und/oder einen Kraft- bzw. Positionsoffset und/oder eine Kraft- und/oder Geschwindigkeitsbegrenzung.
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Am Isteingang des Positionsreglers 70 liegen die Zustandsgrößen des Steuerorgans 10 sowie des Aktuators 40 an. Unter Berücksichtigung der vom Gefühlserzeugungsmittel 50 erzeugten Sollposition sowie der zusätzlichen Hilfsgrößen, die aus gemessenen Zustandsgrößen abgeleitet bzw. bestimmt werden, wird eine entsprechende Stellgröße 71 für die Stellglieder 30 der Steuerorganarchitektur erzeugt. Die Stellgröße 71 beinhaltet z. B. beliebige Steuerspannungen, Steuerströme sowie sonstige Steuergrößen für die Motor- bzw. Stellgliedansteuerung.
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Aus sicherheitstechnischen Gründen umfasst das Steuerknüppelsystem ein Konsolidierungs- bzw. Monitoringmittel 80, das die erzeugten Größen des Positionsreglers 70 sowie des Gefühlserzeugungsmittels 50 überwacht und gegebenenfalls einem Plausibilitätscheck unterzieht. Die jeweiligen Daten des Monitoring bzw. Konsolidierungsmittels 80 werden optional über ein Anzeigeelement akustisch oder optisch als Statusmeldung ausgegeben.
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Die Gefühlserzeugung am mechanisch bewegbaren Steuerknüppel 10 lässt sich ohne weiteres anhand einer Positionsregelung erzeugen. Ferner lässt sich die Zustandsgröße Kraft durch eine Zustandsgröße Drehmoment ersetzen.
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Da ein Luftfahrzeug oftmals aus Redundanzgründen mit mehreren Steuerknüppelsystemen ausgestattet ist, muß zwischen den verwendeten Systemen eine Kopplung erfolgen. Die Kommunikation zwischen beiden Systemen wird mittels eines einer elektrischen Verbindung umgesetzt. Zwischen den Steuerarchitekturen der gekoppelten Systeme werden unter anderem Statusmeldungen des Monitoring oder Konsolidierungsmittels oder die verwendeten Zustandsgrößen der Aktuatoren sowie der Steuerknüppel ausgetauscht.
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Alternativ wird eine Vielzahl von Steuerknüppel bzw. Steuerknüppelsystemen nicht aus Redundanzgründen sondern zur Verwirklichung diverser Steueraufgaben verwendet. Beispielsweise dient ein Sidestick zur Ausführung einer Roll- und Nickbewegungen eines Helikopters, während ein zweiter Sidestick die Vertikalbewegung steuert. Auch hier ist eine synchronisierte Gefühlserzeugung auf beide Sticks sowie der Austausch diverser Statusmeldungen und Zustandsgrößen zwingend erforderlich.
