DE102013111560B4

DE102013111560B4 - A method and apparatus for stabilizing a helicopter flight condition with a load attached to the helicopter

Info

Publication number: DE102013111560B4
Application number: DE102013111560.8A
Authority: DE
Inventors: Daniel Benjamin Nonnenmacher; Hyun-Min Kim
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2013-10-21
Filing date: 2013-10-21
Publication date: 2017-03-23
Anticipated expiration: 2033-10-22
Also published as: DE102013111560A1

Abstract

Verfahren zum Stabilisieren eines Flugzustands eines Hubschraubers (1), in dem eine Last (2) über ein Seil (3) und eine Seilwinde (8) mit einer zum Aufwickeln des Seils (3) verdrehbaren Trommel an einem Aufhängepunkt (4) an den Hubschrauber (1) angehängt ist, wobei der aktuelle Flugzustand des Hubschraubers (1) während des Flugs erfasst wird und wobei in Abhängigkeit von dem aktuellen Flugzustand eine von der Trommel abgewickelte Seillänge (8) verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Trommel abgewickelte Seillänge (8) in Abhängigkeit von dem aktuellen Flugzustand derart verändert wird, dass sich ein Abstand der Last (2) von ihrem Aufhängepunkt (4) an dem Hubschrauber (1) ändert.A method for stabilizing a flight condition of a helicopter (1), in which a load (2) via a cable (3) and a winch (8) with a rotatable for winding the rope (3) drum at a suspension point (4) to the helicopter (1) is attached, wherein the current flight state of the helicopter (1) is detected during the flight and wherein depending on the current flight condition a unwound from the drum rope length (8) is changed, characterized in that the unwound from the drum rope length (8) is changed in dependence on the current flight state such that a distance of the load (2) from its suspension point (4) on the helicopter (1) changes.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Stabilisieren eines Flugzustands eines Hubschraubers, in dem eine Last über ein Seil und eine Seilwinde mit einer zum Aufwickeln des Seils verdrehbaren Trommel an den Hubschrauber angehängt ist. The invention relates to a method and a device for stabilizing a flight condition of a helicopter in which a load is attached to the helicopter via a cable and a winch with a rotatable drum for winding the rope.

Aus der Druckschrift DE 20 2010 002 309 U1 ist eine Reglereinrichtung für einen Hubschrauber bekannt, bei der eine Pendelbewegung einer an den Hubschrauber angehängten Last über eine Lastpendelerfassungseinheit erfasst wird. Die erfasste Pendelbewegung wird bei dem Generieren von Regelsignalen für Steuerausschläge des Hubschraubers berücksichtigt, um durch die Bewegung des Hubschraubers die Pendelbewegung zu kompensieren. Neben der Pendelbewegung werden bei dem Generieren der Regelsignale auch die Masse der Last und die Tragseillänge eines Tragseils, über das die Last an den Hubschrauber angehängt ist, berücksichtigt.From the publication DE 20 2010 002 309 U1 For example, a controller for a helicopter is known in which a pendulum motion of a load attached to the helicopter is sensed via a load shuttle detection unit. The sensed pendulum motion is taken into account in generating control signals for helicopter control excursions to compensate for the pendulum motion by the movement of the helicopter. In addition to the pendulum motion, the generation of the control signals also takes into account the mass of the load and the suspension rope length of a suspension cable via which the load is attached to the helicopter.

Aus der Druckschrift US 3 838 836 A ist ein Verfahren zum Stabilisieren einer an einen Hubschrauber angehängten Last bekannt, bei dem zum Dämpfen einer unerwünschten Lastbewegung gezielt Kräfte auf die Last ausgeübt werden, die der unerwünschten Lastbewegung entgegenwirken. Die Last ist an einem Befestigungsdreieck befestigt, wobei das Befestigungsdreieck über die Seile von drei Seilwinden an dem Hubschrauber gehalten ist und die Position des Befestigungsdreiecks über das Ab- und Aufrollen der Seile jeweils unabhängig voneinander verändert werden kann. An dem Befestigungsdreieck ist eine Sensoreinheit angeordnet, über die Bewegungen des Befestigungsdreiecks erfasst werden. Die Sensoreinheit ist mit einem zentralen Steuersystem des Hubschraubers verbunden, das Sensorsignale zu der erfassten Bewegung des Befestigungsdreiecks als Eingangssignale empfängt. Neben den Sensorsignalen liegen in dem zentralen Steuersystem als weitere Eingangssignale Kommandosignale des Hubschrauberpiloten und Sensorsignale von dem Hubschrauber zugeordneten Sensoren vor. Aus den Eingangssignalen werden Ausgangssignale zur Steuerung des Hubschraubers und der Seilwinden generiert. In Abhängigkeit von den Ausgangssignalen zur Steuerung der Seilwinden werden das Auf- und Abrollen der Seile von den Seilwinden und das Verändern der Positionen der Seilwinden derart gesteuert, dass eine Kraft auf die Last ausgeübt wird, die der erfassten Bewegung entgegenwirkt.From the publication US Pat. No. 3,838,836 For example, there is known a method of stabilizing a load attached to a helicopter in which forces are deliberately applied to the load to dampen unwanted load movement that counteract the undesired load movement. The load is attached to a mounting triangle, with the mounting triangle over the ropes of three winches on the helicopter is held and the position of the fastening triangle on the unwinding and rolling up of the ropes can each be independently changed. At the mounting triangle a sensor unit is arranged, are detected by the movements of the fastening triangle. The sensor unit is connected to a central control system of the helicopter, which receives sensor signals to the detected movement of the fastening triangle as input signals. In addition to the sensor signals, command signals of the helicopter pilot and sensor signals of sensors assigned to the helicopter are present in the central control system as further input signals. From the input signals output signals for controlling the helicopter and the winches are generated. Depending on the output signals for controlling the winches, the winding and unwinding of the cables by the cable winches and the changing of the positions of the cable winches are controlled such that a force is exerted on the load which counteracts the detected movement.

Aus der DE 10 2010 023 228 A1 ist eine Stabilisierungseinrichtung für Drehflügler bekannt, die eine vom Drehflügler in Richtung Erdboden an wenigstens einem Tragseil hängende Last tragen. Die Stabilisierungseinrichtung ist zum Generieren von Regelsignalen eingerichtet, die Steuersignalen zur Flugsteuerung des Drehflüglers aufgeprägt werden, und weist mindestens eine Lastpendelerfassungseinheit auf, die zur Erfassung der Pendelbewegung der Außenlast eingerichtet ist. Darüber hinaus weist die Stabilisierungseinrichtung eine Bewegungsraumermittlungseinheit auf, die zur Ermittlung eines freien Bewegungsraums, in dem sich der Drehflügler mit Außenlast kollisionsfrei bewegen kann, eingerichtet ist. Die Stabilisierungseinrichtung ist zum Generieren der Regelsignale, die den Steuersignalen zur Flugsteuerung des Dreflüglers aufgeprägt werden, in Abhängigkeit von der erfassten Pendelbewegung der Außenlast und in Abhängigkeit von dem ermittelten Bewegungsraum eingerichtet.From the DE 10 2010 023 228 A1 is known a stabilizer for rotorcraft, which carry a rotary wing from the direction of the ground on at least one support cable hanging load. The stabilization device is set up for generating control signals which are impressed on control signals for flight control of the rotary-wing aircraft, and has at least one load-sway detection unit which is set up to detect the pendulum movement of the external load. In addition, the stabilization device has a movement space determination unit which is set up to determine a free movement space in which the rotorcraft can move with external load without collision. The stabilization device is set up for generating the control signals that are impressed on the control signals for flight control of the three-winged aircraft as a function of the detected oscillating movement of the external load and as a function of the determined movement space.

Aus der US 3 904 156 A ist eine Stabilisierungsvorrichtung zum Stabilisieren einer an einen Hubschrauber über zwei parallele Seile angehängten Last bekannt. Die Seile sind an Arme angehängt, die an der Unterseite des Hubschraubers angelenkt sind und nach unten abstehen. Um Pendelbewegungen der Last zu dämpfen, werden diese Arme gegenüber dem Rest des Hubschraubers aktiv verschwenkt.From the US 3 904 156 A A stabilizer is known for stabilizing a load attached to a helicopter via two parallel cables. The ropes are attached to arms, which are hinged to the underside of the helicopter and project downwards. To dampen pendulum movements of the load, these arms are actively pivoted relative to the rest of the helicopter.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Stabilisieren eines Flugzustands eines Hubschraubers mit einer an den Hubschrauber angehängten Last aufzuzeigen, mit denen einer den Flugzustand destabilisierenden Bewegung der Last auf einfachere und/oder bessere Weise entgegengewirkt wird. The invention has for its object to provide a method and apparatus for stabilizing a flight condition of a helicopter with an attached to the helicopter load, which is counteracted to a flight state destabilizing movement of the load in a simpler and / or better way.

Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungen sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen. The object of the invention is achieved with the features of the independent claims. Further preferred embodiments according to the invention can be found in the dependent claims.

Der Flugzustand eines Hubschraubers, in dem eine Last über ein Seil und eine Seilwinde mit einer zum Aufwickeln des Seils verdrehbaren Trommel an den Hubschrauber angehängt ist, hängt zum einen vom Bewegungszustand des Hubschraubers selbst ab. Zum anderen hängt der Flugzustand des Hubschraubers mit der angehängten Last von einem Bewegungszustand der Last ab, insbesondere von einer Bewegung der Last relativ zu dem Hubschrauber. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass eine den Flugzustand stabilisierende Wirkung erreicht werden kann, wenn alternativ oder kumulativ zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, bei denen eine Stabilisierung des Flugzustands durch eine Änderung des Bewegungszustands des Hubschraubers erreicht werden soll, auf den Bewegungszustand der Last Einfluss genommen wird. The flight condition of a helicopter, in which a load is attached to the helicopter via a cable and a winch with a drum rotatable for winding the rope, depends on the one hand on the state of motion of the helicopter itself. On the other hand, the flying condition of the helicopter with the load attached depends on a state of movement of the load, in particular on a movement of the load relative to the helicopter. According to the invention, it has been recognized that an effect stabilizing the flight condition can be achieved if, alternatively or cumulatively to the methods known from the prior art in which a stabilization of the flight condition is to be achieved by a change in the state of motion of the helicopter, on the movement state of the load Influence is taken.

Dazu wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Stabilisieren des Flugzustands des Hubschraubers der aktuelle Flugzustand des Hubschraubers erfasst und in Abhängigkeit von dem erfassten Flugzustand die von der Trommel abgewickelte Seillänge derart verändert, dass sich ein Abstand der Last von ihrem Aufhängepunkt an dem Hubschrauber ändert. Von diesem Abstand hängt insbesondere eine Pendelbewegung der Last um ihren Aufhängepunkt ab. Indem also der Abstand geändert wird, kann auf diese Pendelbewegung und somit auch auf den Flugzustand des Hubschraubers Einfluss genommen werden. Zum Beispiel hängt eine Eigenfrequenz der Pendelbewegung von dem Abstand der Last von ihrem Aufhängepunkt an dem Hubschrauber ab. Somit bestimmt sich u. a. über den Abstand der Last von ihrem Aufhängepunkt, wie gut eine periodisch auf die an den Hubschrauber angehängte Last oder deren Aufhängung ausgeübte Kraft an eine Pendelbewegung der Last ankoppeln und diese verstärken kann. Weiterhin können andere die Pendelbewegung definierende Parameter, z. B. eine Dämpfung der Pendelbewegung, von dem Abstand der Last von ihrem Aufhängepunkt abhängen, so dass mit einer Änderung des Abstands durch Veränderung der Seillänge auf diese Parameter und damit die Pendelbewegung Einfluss genommen werden kann, um den Flugzustand des Hubschraubers zu stabilisieren.For this purpose, in a method according to the invention for stabilizing the flight state of the helicopter, the current flight status of the helicopter is detected and in dependence on the Detected flight condition, the unwound from the drum rope length changed such that a distance of the load changes from its suspension point on the helicopter. From this distance depends in particular a pendulum motion of the load around its suspension point. Thus, by changing the distance, it is possible to influence this pendulum movement and thus also the flight status of the helicopter. For example, a natural frequency of the pendulum motion depends on the distance of the load from its suspension point on the helicopter. Thus, inter alia, the distance of the load from its suspension point determines how well a force applied periodically to the load attached to the helicopter or its suspension can couple to and strengthen a pendulum motion of the load. Furthermore, other parameters defining the pendulum motion, e.g. As a damping of the pendulum motion, depend on the distance of the load from its suspension point, so that with a change in the distance by changing the rope length on these parameters and thus the pendulum motion can be influenced to stabilize the flight condition of the helicopter.

Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die aktuelle Seillänge erfasst und anhand der aktuellen Seillänge auf das Resonanzverhalten der Pendelbewegung der Last um ihren Aufhängepunkt geschlossen. Weiterhin wird anhand des erfassten Flugzustands auf die Anregungsfrequenz einer Kraft geschlossen, mit der die Last zu der Pendelbewegung angeregt wird. Die Seillänge wird dann in Abhängigkeit von dem Resonanzverhalten bei der ermittelten Anregungsfrequenz verändert. Beispielsweise kann anhand der aktuellen Seillänge (zumindest näherungsweise) auf die Eigenfrequenz der Pendelbewegung geschlossen werden. Der Flugzustand kann dann stabilisiert werden, indem die Seillänge derart verändert wird, dass sich der Unterschied zwischen der Anregungsfrequenz und der Eigenfrequenz der Pendelbewegung vergrößert, womit die die Pendelbewegung anregende Kraft schlechter an die Pendelbewegung ankoppeln und diese verstärken kann. Es ist auch möglich, dass jeder Seillänge eine Resonanzkurve zugeordnet ist, die das Resonanzverhalten der Pendelbewegung der Last um ihren Aufhängepunkt angibt. Die Resonanzkurven für verschiedene Seillängen können beispielsweise im Vorfeld experimentell oder auf Basis eines Modells und unter der Annahme von fest vorgegebenen Eigenfrequenzen und Dämpfungswerten für die verschiedenen Seillängen ermittelt werden. Über die Resonanzkurven kann unmittelbar bestimmt werden, wie gut die Kraft, mit der die Last zu der Pendelbewegung angeregt wird, an die Pendelbewegung ankoppeln kann. According to one embodiment of the method according to the invention, the current rope length is detected and closed on the basis of the current rope length on the resonance behavior of the pendulum movement of the load to its suspension point. Furthermore, it is concluded from the detected flight condition on the excitation frequency of a force with which the load is excited to the pendulum motion. The cable length is then changed depending on the resonance behavior at the determined excitation frequency. For example, based on the current cable length (at least approximately) on the natural frequency of the pendulum motion can be concluded. The flight condition can then be stabilized by changing the rope length such that the difference between the excitation frequency and the natural frequency of the pendulum movement increases, whereby the force that stimulates the pendulum motion can be inferior to the pendulum motion and strengthen it. It is also possible that each rope length is assigned a resonance curve which indicates the resonance behavior of the pendulum movement of the load about its suspension point. The resonance curves for different cable lengths can be determined, for example, beforehand experimentally or on the basis of a model and assuming fixed natural frequencies and damping values for the different cable lengths. The resonance curves can be used to directly determine how well the force with which the load is excited to oscillate can be coupled to the pendulum motion.

Gemäß einer besonders einfachen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Amplitude der Pendelbewegung der Last um ihren Aufhängepunkt erfasst und die Seillänge wird in Abhängigkeit von der erfassten Amplitude verändert. Insbesondere kann die Seillänge zum Stabilisieren des Flugzustands des Hubschraubers gemäß einem iterativem Verfahren verändert werden. Dazu wird für eine Änderung der Seillänge jeweils berücksichtigt, ob die erfasste Amplitude der Pendelbewegung nach einer vorhergehenden Änderung zu oder abgenommen hat. Bei einer Abnahme der Amplitude der Pendelbewegung wird die Seillänge im nächsten Verfahrensschritt in der gleichen Richtung wie zuvor verändert, während die Seillänge bei einer Zunahme der erfassten Amplitude in entgegengesetzter Richtung verändert wird.According to a particularly simple embodiment of the method according to the invention, an amplitude of the pendulum movement of the load is detected around its suspension point and the cable length is changed in dependence on the detected amplitude. In particular, the cable length for stabilizing the flight condition of the helicopter may be changed according to an iterative method. For this purpose, a change in the cable length is taken into account in each case whether the detected amplitude of the pendulum movement has increased or decreased after a previous change. With a decrease in the amplitude of the pendulum movement, the cable length is changed in the next step in the same direction as before, while the cable length is changed in an opposite direction with an increase of the detected amplitude.

Die Seillänge kann unabhängig von einer Frequenz der Pendelbewegung der Last um ihren Aufhängepunkt geändert werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Seillänge periodisch mit einer Pendelbewegung der Last um ihren Aufhängepunkt geändert wird. Wenn die Seillänge in den Umkehrpunkten der Pendelbewegung verkürzt und zwischen den Umkehrpunkten verlängert wird, kann die Pendelbewegung der Last besonders effizient geschwächt werden. Indem der Masseschwerpunkt der Last relativ zu dem Aufhängepunkt zwischen den Umkehrpunkten vergrößert und in den Umkehrpunkten, in denen die Last in Ruhe ist, wieder verkürzt wird, wird dem schwingendem System sukzessive Energie entzogen, womit die Pendelbewegung geschwächt und somit der Flugzustand des Hubschraubers stabilisiert werden kann.The cable length can be changed independently of a frequency of the pendulum movement of the load around its suspension point. But it can also be provided that the cable length is changed periodically with a pendulum movement of the load to its suspension point. If the cable length is shortened at the reversal points of the pendulum movement and extended between the reversal points, the pendulum movement of the load can be weakened particularly efficiently. By increasing the center of gravity of the load relative to the suspension point between the reversal points and shortening again at the reversal points where the load is at rest, successive energy is withdrawn from the oscillating system, thus weakening the pendulum motion and thus stabilizing the flight condition of the helicopter can.

Vorzugsweise wird die Steuerung der Seillängen von einem zentralen Steuersystem des Hubschraubers gesteuert, über das auch der Bewegungszustand des Hubschraubers gesteuert wird. Typischerweise liegen in dem zentralen Steuersystem ohnehin den Flugzustand definierende Flugzustandsparameter sowie Kennfelder für die Stabilisierung des Flugzustands durch Anpassung der Flugzustandsparameter vor. Diese Kennfelder können für das erfindungsgemäße Verfahren durch den Parameter der Seillänge bzw. des Abstands der Last von ihrem Aufhängepunkt ergänzt sein. Anhand der in dem zentralen Steuersystem vorliegenden Kennfelder kann dann ermittelt werden, wie der Hubschrauber und die Seillänge zu steuern ist, um den Flugzustand des Hubschraubers zu stabilisieren.Preferably, the control of the cable lengths is controlled by a central control system of the helicopter, via which also the state of motion of the helicopter is controlled. The flight state parameters defining the flight state and maps for stabilizing the flight state are typically already present in the central control system by adapting the flight state parameters. These maps can be supplemented for the inventive method by the parameter of the rope length or the distance of the load of its suspension point. On the basis of the present in the central control system maps can then be determined how to control the helicopter and the cable length to stabilize the flight condition of the helicopter.

Zum Erfassen des Flugzustands kann insbesondere eine Höhe, eine Geschwindigkeit, eine Beschleunigung und/oder eine Drehrate des Hubschraubers erfasst werden. Daneben können auch andere Parameter erfasst werden, zum Beispiel die Seillänge, die Masse und/oder die Geometrie der Last u. ä. Diese Flugzustandsparameter, die den aktuellen Flugzustand des Hubschraubers mit der an den Hubschrauber angehängten Last definieren, können zum Beispiel dem zentralen Steuersystem des Hubschraubers zugeführt werden. Auf Basis der erfassten Flugzustandsparameter und des damit verbundenen Flugzustands kann der Hubschrauber von dem zentralen Steuersystem aus so gesteuert werden, dass er eine Korrekturbewegung ausführt, um die Pendelbewegung abzuschwächen. Zusätzlich dazu wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in Abhängigkeit von dem aktuellen Flugzustand die von der Trommel abgewickelte Seillänge verändert, um den Abstand der Last von ihrem Aufhängepunkt an dem Hubschrauber zu ändern, womit Einfluss auf die Pendelbewegung der Last genommen werden kann.For detecting the flight condition, in particular a height, a speed, an acceleration and / or a rotation rate of the helicopter can be detected. In addition, other parameters can be detected, for example, the rope length, the mass and / or the geometry of the load u. Ä. These flight condition parameters, the For example, defining the helicopter's current flight condition with the load attached to the helicopter may be supplied to the helicopter's central control system. Based on the detected flight condition parameters and the associated flight condition, the helicopter may be controlled by the central control system to make a correction movement to mitigate the pendulum motion. In addition, according to the method of the invention, depending on the current flight condition, the rope length unwound by the drum is changed to change the distance of the load from its suspension point on the helicopter, thus influencing the pendulum movement of the load.

Die Pendelbewegung der Last kann unter Umständen nicht nur in einer, sondern in mehreren Richtungen erfolgen, wobei sich die Pendelbewegungen in den unterschiedlichen Richtungen in ihrer Amplitude und/oder ihrer Phase unterscheiden können. Dies ist bei der Änderung der Seillänge zum Stabilisieren des Flugzustands des Hubschraubers zu berücksichtigen, um zu vermeiden, dass eine Änderung der Seillänge in Bezug auf die Pendelbewegung in einer Richtung zwar zu einer Abschwächung der Pendelbewegung führt, während die Änderung der Seillänge gleichzeitig für eine Pendelbewegung in einer anderen Richtung zu einer Verstärkung der Pendelbewegung und damit ggf. zu einer Destabilisierung des Flugzustands führt.Under certain circumstances, the pendulum movement of the load can take place not only in one direction but in several directions, with the pendulum movements in the different directions being able to differ in their amplitude and / or their phase. This is to be taken into account when changing the rope length to stabilize the helicopter's flight condition, to avoid that a change in the cable length in relation to the pendulum motion in one direction leads to a weakening of the pendulum movement, while the change of the rope length at the same time for a pendulum movement in another direction leads to an amplification of the pendulum motion and thus possibly to a destabilization of the flight condition.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Stabilisieren eines Flugzustands eines Hubschraubers, in dem eine Last über ein Seil und eine Seilwinde mit einer zum Aufwickeln des Seils verdrehbaren Trommel an den Hubschrauber angehängt ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Sensoreinrichtung zum Erfassen des aktuellen Flugzustands des Hubschraubers und eine Steuereinheit zum Steuern der von der Trommel abgewickelten Seillänge in Abhängigkeit von dem aktuellen Flugzustand auf. Dabei ist die von der Trommel abgewickelte Seillänge mit der Steuereinheit in Abhängigkeit von dem aktuellen Flugzustand derart steuerbar, dass sich ein Abstand der Last von ihrem Aufhängepunkt an dem Hubschrauber ändert. Insbesondere kann die Steuerung der Seillänge wie voranstehend beschrieben erfolgen.Furthermore, the invention relates to a device for stabilizing a flight condition of a helicopter, in which a load is attached to the helicopter via a cable and a winch with a rotatable drum for winding the rope. The inventive device has a sensor device for detecting the current flight state of the helicopter and a control unit for controlling the unwound from the drum rope length in dependence on the current flight condition. The unwound from the drum rope length with the control unit in response to the current flight state is controlled so that changes a distance of the load from its suspension point on the helicopter. In particular, the control of the rope length as described above.

Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind ein Sensor zur Erfassung der aktuellen Seillänge und eine Auswerteeinheit vorgesehen, wobei mit der Auswerteeinheit die aktuelle Seillänge hinsichtlich des Resonanzverhaltens und insbesondere hinsichtlich der Eigenfrequenz einer Pendelbewegung der Last um ihren Aufhängepunkt ausgewertet wird. Weiterhin wertet die Auswerteeinheit den mit der Sensoreinrichtung erfassten Flugzustand hinsichtlich der Anregungsfrequenz einer Kraft aus, die die Last zu der Pendelbewegung anregt. Anhand des so ermittelten Resonanzverhaltens und der ermittelten Anregungsfrequenz wird dann die Seillänge von der Steuereinheit gesteuert. Insbesondere kann die Steuereinheit die Seillänge in Abhängigkeit von dem Unterschied der Eigenfrequenz und der Anregungsfrequenz steuern.According to one embodiment of the device according to the invention, a sensor for detecting the current cable length and an evaluation unit are provided, wherein the evaluating unit evaluates the current cable length with regard to the resonance behavior and in particular with respect to the natural frequency of a pendulum movement of the load around its suspension point. Furthermore, the evaluation unit evaluates the detected with the sensor device flight condition with respect to the excitation frequency of a force that excites the load to the pendulum motion. On the basis of the thus determined resonance behavior and the determined excitation frequency, the cable length is then controlled by the control unit. In particular, the control unit can control the rope length in dependence on the difference of the natural frequency and the excitation frequency.

Alternativ oder kumulativ kann die Vorrichtung einen Sensor zur Erfassung einer Pendelbewegung der Last aufweisen, wobei die Steuereinheit die Seillänge in Abhängigkeit von der erfassten Pendelbewegung der Last steuert. Insbesondere kann so ein iteratives Verfahren zum Stabilisieren des Flugzustand des Hubschraubers realisiert werden, bei dem die Seillänge in Abhängigkeit von einer Änderung der Amplitude der Pendelbewegung infolge einer vorhergehenden Änderung der Seillänge verändert wird.Alternatively or cumulatively, the device may comprise a sensor for detecting a pendulum movement of the load, wherein the control unit controls the rope length in response to the detected pendulum movement of the load. In particular, such an iterative method for stabilizing the flight condition of the helicopter can be realized in which the rope length is changed in response to a change in the amplitude of the pendulum motion due to a previous change in the rope length.

Für eine zentrale Steuerung des Flugzustands des Hubschraubers kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine Schnittstelle zur Kommunikation mit einem zentralen Steuersystem des Hubschraubers aufweist, über das beispielsweise die Hubschraubergeschwindigkeit, die Lagewinkel und/oder Drehrate des Hubschraubers gesteuert wird. So kann die Stabilisierung des Flugzustands zentral gesteuert werden. Die Steuereinheit zum Steuern der von der Trommel abgewickelten Seillänge kann auch Teil des zentralen Steuersystems sein.For centralized control of the helicopter's flight condition it can be provided that the device has an interface for communication with a central control system of the helicopter, via which, for example, the helicopter speed, attitude angle and / or yaw rate of the helicopter is controlled. Thus, the stabilization of the flight condition can be controlled centrally. The control unit for controlling the rope length unwound from the drum may also be part of the central control system.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen. Advantageous developments of the invention will become apparent from the claims, the description and the drawings. The advantages of features and of combinations of several features mentioned in the description are merely exemplary and can take effect alternatively or cumulatively, without the advantages having to be achieved by embodiments according to the invention. Without thereby altering the subject matter of the appended claims, as regards the disclosure of the original application documents and the patent, further features can be found in the drawings, in particular the illustrated geometries and the relative dimensions of several components and their relative arrangement and operative connection. The combination of features of different embodiments of the invention or of features of different claims is also possible deviating from the chosen relationships of the claims and is hereby stimulated. This also applies to those features which are shown in separate drawings or are mentioned in their description. These features can also be combined with features of different claims. Likewise, in the claims listed features for further embodiments of the invention can be omitted.

Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs "mindestens" bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht. The features mentioned in the patent claims and the description are to be understood in terms of their number that exactly this number or a greater number than the said number is present, without requiring an explicit use of the adverb "at least". For example, when talking about an element, it should be understood that there is exactly one element, two elements or more elements. These features may be supplemented by other features or be the only characteristics that make up the product in question.

Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen. The reference numerals contained in the claims do not limit the scope of the objects protected by the claims. They are for the sole purpose of making the claims easier to understand.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben. In the following the invention will be further explained and described with reference to preferred embodiments shown in the figures.

1 zeigt einen Hubschrauber mit einer angehängten Last in einem ersten Flugzustand in einer Seitenansicht. 1 shows a helicopter with an attached load in a first flight state in a side view.

2 zeigt den Hubschrauber gemäß 1 in einer Frontansicht. 2 shows the helicopter according to 1 in a front view.

3 zeigt den Hubschrauber gemäß 1 in einem zweiten Flugzustand in einer Seitenansicht. 3 shows the helicopter according to 1 in a second flight state in a side view.

1 und 2 zeigen einen Hubschrauber 1 mit einer an den Hubschrauber 1 angehängten Last 2, wobei die Last 2 über ein Seil 3 an einem Aufhängepunkt 4 an den Hubschrauber 1 angehängt ist. Der Flugzustand des Hubschraubers 1 in 1 und 2 entspricht einem Schwebeflugzustand, wobei sich das Seil 3 parallel zur Vertikalen 5 erstreckt, d. h. die Last 2 hängt senkrecht nach unten. 1 and 2 show a helicopter 1 with one to the helicopter 1 attached load 2 where the load 2 over a rope 3 at a suspension point 4 to the helicopter 1 is attached. The flight condition of the helicopter 1 in 1 and 2 corresponds to a hovering condition, where the rope 3 parallel to the vertical 5 extends, ie the load 2 hangs down vertically.

In 3 ist der Hubschrauber 1 in einem zweiten Flugzustand gezeigt, in dem eine Rotorblattebene 6, in welcher die Rotorblätter rotieren, gegenüber der Horizontalen 7 einen anderen Neigungswinkel aufweist als in 1 und 2 für eine Änderung der Bewegung des Hubschraubers 1 in Vorwärtsrichtung. Mit der Änderung der Bewegung des Hubschraubers 1 wird auf die an den Hubschrauber 1 angehängte Last 2 eine Kraft ausgeübt, wodurch die Last 2, wie in 3 gezeigt, gegenüber der Vertikalen 5 ausgelenkt wird und zu einer Pendelbewegung angeregt wird. Die Anregungsfrequenz entspricht dabei der Änderungsrate für die Änderung der Bewegung in Vorwärtsrichtung. Insbesondere hängt die Anregungsfrequenz also von Steuerbefehlen des Hubschrauberpiloten und der Geschwindigkeit mit der die Steuerbefehle umgesetzt werden ab.In 3 is the helicopter 1 shown in a second flight state in which a rotor blade plane 6 , in which the rotor blades rotate, relative to the horizontal 7 has a different angle of inclination than in 1 and 2 for a change in the movement of the helicopter 1 in the forward direction. With the change of movement of the helicopter 1 will be on the helicopter 1 attached load 2 exerted a force, reducing the load 2 , as in 3 shown, opposite the vertical 5 is deflected and is stimulated to a pendulum motion. The excitation frequency corresponds to the rate of change for the change of the movement in the forward direction. In particular, the excitation frequency thus depends on control commands of the helicopter pilot and the speed with which the control commands are implemented.

Zur Stabilisierung des Flugzustands des Hubschraubers 1 wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Flugzustand und somit auch die Änderung des Flugzustands des Hubschraubers 1 erfasst und in Abhängigkeit von dem aktuellen Flugzustand die Seillänge 8 derart geändert, dass sich der Abstand der Last 2 von ihrem Aufhängepunkt 4 ändert. Insbesondere soll mit der Änderung der Seillänge 8 ein "Aufschaukeln" der Pendelbewegung verhindert werden. Zusätzlich kann auch auf den Bewegungszustand des Hubschraubers 1 Einfluss genommen werden, um mit einer Ausgleichsbewegung des Hubschraubers 1 einer Pendelbewegung der Last 2 entgegenzuwirken.To stabilize the flight condition of the helicopter 1 In the method according to the invention, the state of flight and thus also the change in the flying state of the helicopter are determined 1 recorded and depending on the current flight condition, the rope length 8th changed so that the distance of the load 2 from their suspension point 4 changes. In particular, should with the change of the rope length 8th a "rocking" of the pendulum motion can be prevented. In addition, also on the state of motion of the helicopter 1 Influence, with a compensatory movement of the helicopter 1 a pendulum movement of the load 2 counteract.

Für die Ermittlung des aktuellen Flugzustands sind an dem Hubschrauber 1 und/oder der Seilwinde Sensoren vorgesehen. Beispielsweise können hierbei Abstands-, Geschwindigkeits- oder Kraftsensoren zum Einsatz kommen, um die Flughöhe, die Geschwindigkeit und/oder die Drehrate des Hubschraubers 1 und/oder die Seillänge 8 zu erfassen. Es kann auch ein Sensor zur Erfassung einer Pendelrate und/oder eines Pendelwinkels der Pendelbewegung der Last 2 vorgesehen sein. Z. B. kann dies über eine Kamera und eine optische Markierung an der Last 2 erfolgen, wobei die mit der Kamera aufgenommenen Bilder von der optischen Markierung der Last hinsichtlich einer Entfernung von und eines Winkels zu der Last ausgewertet werden. Weiterhin kann die Seilwinde einen Sensor zur Erfassung der Masse der Last 2 aufweisen, um diese bei der Änderung der Seillänge 8 berücksichtigen zu können. Die ermittelten Werte können dabei einem zentralen Steuersystem des Hubschraubers 1, wie einem AFCS (engl. "automatic flight control system"), zugeführt werden, mit dem dann die Änderung der Seillänge 8 gesteuert wird.For the determination of the current flight condition are at the helicopter 1 and / or the winch sensors provided. For example, distance, speed or force sensors can be used here, such as the altitude, the speed and / or the yaw rate of the helicopter 1 and / or the rope length 8th capture. It can also be a sensor for detecting a pendulum rate and / or a pendulum angle of the pendulum movement of the load 2 be provided. For example, this can be done via a camera and an optical mark on the load 2 take place, wherein the images taken with the camera are evaluated by the optical marking of the load with respect to a distance from and an angle to the load. Furthermore, the winch a sensor for detecting the mass of the load 2 exhibit this when changing the rope length 8th to take into account. The determined values can be a central control system of the helicopter 1 , as fed to an AFCS (English: "automatic flight control system"), with the then changing the rope length 8th is controlled.

Zur Stabilisierung des Flugzustands kann beispielsweise aus der Änderungsrate, mit der die Bewegung des Hubschraubers 1 in Vorwärtsrichtung zum Erreichen des Flugzustands gemäß 3 geändert wird, auf die Anregungsfrequenz der Kraft geschlossen werden, die die Last 2 zu der Pendelbewegung anregt. Wenn die Masseverteilung der Last 2 bekannt ist und die Seillänge 8 erfasst wird, kann auf den Abstand der Last 2 von ihrem Aufhängepunkt 4 geschlossen werden und daraus die Eigenfrequenz der Pendelbewegung der Last 2 um ihren Aufhängepunkt 4 ermittelt werden. Wenn lediglich die Seillänge 8 erfasst wird, die Masseverteilung der Last 2 jedoch nicht bekannt ist, kann aus der Seillänge 8 zumindest näherungsweise auf die Eigenfrequenz der Pendelbewegung der Last 2 um ihren Aufhängepunkt 4 geschlossen werden. Aus einem Vergleich der Eigenfrequenz der Pendelbewegung der Last 2 und der Anregungsfrequenz der Kraft, die die Last 2 zu der Pendelbewegung anregt, kann abgeschätzt werden, wie die Seillänge 8 verändert werden muss, um zu erreichen, dass sich die Änderung des Flugzustands nur in einem möglichst geringem Maße zu einer Pendelbewegung der Last 2 führt, die eine Destabilisierung des Flugzustands des Hubschraubers 1 zur Folge hätte.To stabilize the flight condition, for example, from the rate of change with which the movement of the helicopter 1 in the forward direction for reaching the flight condition according to 3 is changed to be closed at the excitation frequency of the force that the load 2 to the pendulum motion. If the mass distribution of the load 2 is known and the rope length 8th can be detected on the distance of the load 2 from their suspension point 4 be closed and from it the natural frequency of the pendulum motion of the load 2 around her suspension point 4 be determined. If only the rope length 8th is detected, the mass distribution of the load 2 However, it is not known, may be from the rope length 8th at least approximately to the natural frequency of the pendulum motion of the load 2 around her suspension point 4 getting closed. From a comparison of the natural frequency of the pendulum motion of the load 2 and the excitation frequency of the force that is the load 2 to the pendulum motion can be estimated, as the rope length 8th must be changed in order to ensure that the change in the state of flight is only to the slightest extent possible to a pendulum movement of the load 2 leads, which destabilize the flight condition of the helicopter 1 would result.

Um zu ermitteln, wie die Seillänge 8 zur Stabilisierung des Flugzustands zu ändern ist, können in dem zentralen Steuersystem beispielsweise Kennfelder hinterlegt sein, die für einen bestimmten Hubschraubertypen und die zu transportierende Außenlast im Vorfeld durch eine flugdynamische Analyse mit Hilfe von Simulationen erstellt worden sind. Anhand des Stabilitätskennfelds für den aktuellen Flugzustand kann dann ermittelt werden, ob ein Verkürzen oder Verlängern der Seillänge 8 eine stabilisierende Wirkung auf den Flugzustand hat, beispielsweise weil eine die Pendelbewegung anregende Kraft dadurch schlechter an die Pendelbewegung ankoppeln kann. Die Seillänge 8 wird dann entsprechend von dem zentralen Steuersystem des Hubschraubers 1 gesteuert angepasst.To determine how the rope length 8th In order to stabilize the flight condition, for example, maps may be stored in the central control system, which have been prepared in advance for a specific type of helicopter and the external load to be transported by means of a flight dynamics analysis by means of simulations. Based on the stability map for the current flight state can then be determined whether a shortening or lengthening the rope length 8th has a stabilizing effect on the flight state, for example, because a pendulum motion stimulating force can thereby connect worse to the pendulum motion. The rope length 8th is then correspondingly from the helicopter's central control system 1 controlled adapted.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Hubschrauber helicopter
22: Last load
33: Seil rope
44: Aufhängepunkt suspension
55: Vertikale vertical
66: Rotorblattebene Rotor blade plane
77: Horizontale horizontal
88th: Seillänge, Seilwinde Rope length, winch

Claims

Method for stabilizing a flight condition of a helicopter ( 1 ), in which a load ( 2 ) over a rope ( 3 ) and a winch ( 8th ) with one for winding the rope ( 3 ) rotatable drum at a suspension point ( 4 ) to the helicopter ( 1 ), with the current flight status of the helicopter ( 1 ) is detected during the flight and wherein depending on the current flight condition a unwound from the drum rope length ( 8th ) is changed, characterized in that the unwound from the drum rope length ( 8th ) is changed in dependence on the current flight state such that a distance of the load ( 2 ) from its suspension point ( 4 ) on the helicopter ( 1 ) changes.

A method according to claim 1, characterized in that - the current pitch ( 8th ), - based on the current rope length ( 8th ) on the resonance behavior, in particular the natural frequency, a pendulum movement of the load ( 2 ) around its suspension point ( 4 ) is closed, - is closed on the basis of the detected flight condition on the excitation frequency of a force with which the load ( 2 ) is excited to the pendulum motion, and - the rope length ( 8th ) is changed as a function of the resonance behavior at the determined excitation frequency, in particular the difference of the natural frequency and the excitation frequency.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that an amplitude of a pendulum movement of the load ( 2 ) around its suspension point ( 4 ) and the rope length ( 8th ) is changed depending on the detected amplitude.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the cable length ( 8th ) periodically with a pendulum movement of the load ( 2 ) around its suspension point ( 4 ) will be changed.

Method according to claim 4, characterized in that the cable length ( 8th ) is shortened at the reversal points of the pendulum movement and extended between the reversal points.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the change in the cable length ( 8th ) from a central control system of the helicopter ( 1 ) is controlled.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that for detecting the flight condition, a height, a speed, an acceleration and / or a rotation rate of the helicopter ( 1 ) is detected.

Device for stabilizing a flight condition of a helicopter ( 1 ), in which a load ( 2 ) over a rope ( 3 ) and a winch ( 8th ) with one for winding the rope ( 3 ) rotatable drum at a suspension point ( 4 ) to the helicopter ( 1 ), with - a sensor device for detecting the current flight state of the helicopter ( 1 ) and - a control unit for controlling the rope length unwound from the drum ( 8th ) As a function of the current flight condition, characterized in that the unwound from the drum rope length ( 8th ) is controllable with the control unit in dependence on the current flight state such that a distance of the load ( 2 ) from its suspension point ( 4 ) on the helicopter ( 1 ) changes.

Apparatus according to claim 8, characterized in that - a sensor for detecting the current pitch ( 8th ) is provided, - an evaluation unit is provided, the current pitch ( 8th ) with regard to the resonance behavior, in particular the natural frequency, a pendulum movement of the load ( 2 ) around its suspension point ( 4 ) evaluates, - the evaluation unit evaluates the detected flight state with respect to the excitation frequency of a force that the load ( 2 ) to the pendulum motion, and - the control unit the rope length ( 8th ) as a function of the resonance behavior at the determined excitation frequency, in particular the difference of the natural frequency and the excitation frequency controls.

Apparatus according to claim 8 or 9, characterized in that a sensor for detecting a pendulum movement of the load ( 2 ) and the control unit determines the cable length ( 8th ) as a function of the detected pendulum movement of the load ( 2 ) controls.

Device according to one of claims 8 to 10, characterized in that the device has an interface for communication with a central control system of the helicopter ( 1 ) having.