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Die Erfindung betrifft ein System für die haptische Vermittlung von Fernsteuerbewegungen.
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Ein derartiges System umfasst mindestens ein haptisches Bediengerät, das eine Fernsteuerung für ein reales bewegliches Objekt umfasst, wobei die Fernsteuerung das Folgende aufweist: Mindestens ein Bedienelement, welches zum Erzeugen erster Steuersignale, die sich auf eine Bewegung des Objekts beziehen, manuell zwischen mehreren Verstellpositionen verstellbar ist, wobei ein Verstellbereich Grenzen der manuellen Verstellbarkeit des mindestens einen Bedienelements definiert; mindestens einen Stellantrieb, der ausgebildet und eingerichtet ist, das mindestens eine Bedienelement zwischen den Verstellpositionen zu verstellen; und mindestens eine Regelungseinheit, die ausgebildet und eingerichtet ist, den mindestens einen Stellantrieb zu steuern und mittels des mindestens einen Stellantriebs die Verstellposition des mindestens einen Bedienelements bezüglich einer Soll-Verstellposition zu regeln, wobei der Verstellbereich Grenzen der möglichen Soll-Verstellpositionen definiert. Das System umfasst ferner mindestens eine Instanz zum Bereitstellen zweiter Steuersignale, aus denen eine Soll-Verstellposition des mindestens einen Bedienelements des mindestens einen haptischen Bediengeräts ableitbar ist, wobei die zweiten Steuersignale von der mindestens einen Instanz an die mindestens eine Regelungseinheit des mindestens einen haptischen Bediengeräts übermittelbar sind.
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Bei einer Fernsteuerung der beschriebenen Art kann es sich beispielsweise um eine Modellflugfernsteuerung handeln. Es kann sich dabei aber auch zum Beispiel um eine Fernsteuerung für ein Modellauto oder ein Modellboot handeln. Dabei können die beispielhaft genannten beweglichen Objekte - z. B. Modellflugzeug, Modellauto oder Modellboot - reale oder virtuelle Objekte sein.
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Virtuelle bewegliche Objekte spielen zum Beispiel im Rahmen von computerimplementierten Modellsimulationen für Spiel- oder Trainingszwecke eine Rolle. Dabei lässt sich die Bewegung des virtuellen Objektes auf einem Bildschirm verfolgen und mittels einer an den Computer angeschlossenen Fernsteuerung steuern. Die Fernsteuerung kann mit einer Force Feedback-Funktion versehen sein, wie sie aus der manntragenden Luftfahrt im Zusammenhang mit Fly-by-wire-Steuerungen bekannt ist. Hierbei wird ein Bedienelement der Fernsteuerung durch einen Stellantrieb mit Kräften und/oder Drehmomenten beaufschlagt, um einem Bediener den Eindruck von physikalischen Gegenkräften, welche bei bestimmten Steuerbewegungen oder Flugbedingungen wirksam werden, zu vermitteln. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Flugsimulation oder ein Autorennspiel als realistischer erfahren werden.
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Ein Joystick mit der beschriebenen Force Feedback-Funktion ist beispielsweise aus der
US 6,429,849 B1 bekannt. Demnach ist an einem Steuerknüppel ein Motor vorgesehen, welcher von einem Controller angesteuert wird, den Steuerknüppel entlang zweier Drehachsen mit entsprechenden Drehmomenten zu beaufschlagen.
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Mit bekannten Fernsteuerungen der beschriebenen Art kann einem Bediener zwar der Eindruck von Gegenkräften und Gegendrehmomenten vermittelt werden, sie erlauben jedoch nicht, ein Bedienelement in der Weise automatisch zu verstellen, dass das bewegliche Objekt mit diesen Bewegungen tatsächlich steuerbar wäre. Dies kann aber beispielsweise bei der Ausbildung von Modellflugschülern zur Vermittlung von korrigierenden Fernsteuerbewegungen eines Modellfluglehrers oder bei einer Flugshow zum Mitfühlen der Fernsteuerbewegungen eines Modellflugkünstlers durch die Zuschauer wünschenswert sein.
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Die
DE 10 2013 003 245 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Lehren des Steuerns eines fernsteuerbaren Modellgeräts mit mindestens einem beweglichen Bedienungselement, das mit jeweils mindestens einem Stellantrieb versehen ist, der durch Steuerbefehle zur Steuerung des Modellgeräts ebenfalls gleichzeitig zur Ansteuerung von Bewegungen des Bedienungselements ansteuerbar ist. Dabei sind die Bewegungen des Bedienungselements identisch zu jenen, die zur entsprechenden Steuerung des Modellgeräts von Hand auszuführen sind.
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In der
US 2007/0162192 A1 ist ein Trainingssystem für ferngesteuerte Fahrzeuge, insbesondere Flugzeuge wie z.B. Helikopter, beschrieben. Dabei verwendet eine Slave-Einheit von einer Master-Einheit übertragene Signale, um die Bewegungen der Steuereingabe an der Master-Einheit zu imitieren.
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Die
DE 195 02 713 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Messwertübertragung bei funkferngesteuerten Modellen. Das Modell weist Messfühler zur Ermittlung verschiedener Messwerte sowie einen Funktelemetriesender zur Übermittlung der Messwerte an einen Telemetrieempfänger beim Piloten auf, wobei Einrichtungen zur Darstellung der Telemetriedaten im, am oder auf dem Sendergehäuse der Funkfernsteuerung des Modells vorgesehen sind.
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Die
US 5 904 724 A beschreibt die Verwendung von Telemetriedaten eines Flugzeugs in der Flugsteuerung und die Nutzung der Telemetriedaten zur Beeinflussung der Benutzer Bedienelemente.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Fernsteuerung für ein reales oder virtuelles bewegliches Objekt bereitzustellen, welche eine haptische Vermittlung von Fernsteuerbewegungen einer Instanz, beispielsweise von einer Fernsteuerung eines Modellfluglehrers, an einen Bediener der Fernsteuerung erlaubt.
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Diese Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Demnach ist bei einem gattungsgemäßen System für die haptische Vermittlung von Fernsteuerbewegungen ferner vorgesehen, dass das bewegliche Objekt eine Telemetrieeinheit zum Erfassen von Messdaten aufweist, und dass die mindestens eine Instanz die Telemetrieeinheit umfasst, wobei die zweiten Steuersignale aus den Messdaten ableitbar sind.
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Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, dass sich Fernsteuerbewegungen haptisch vermitteln lassen, wenn alle Verstellpositionen, in welche ein Bedienelement manuell verstellbar ist, auch automatisch, d.h. durch den Stellantrieb, gezielt anfahrbar sind. Mittels der Regelungseinheit kann dabei beispielsweise eine Soll-Verstellposition des Bedienelements angefahren werden, welche einer momentanen Verstellposition eines Bedienelements einer Modellfluglehrer-Fernsteuerung entspricht. Für den Bediener, beispielsweise einen Modellflugschüler, besteht somit die Möglichkeit, die Fernsteuerbewegungen des Fluglehrers zeitgleich mit dem Beobachten des realen Modellflugzeugs mitzufühlen, um sich die erforderlichen Steuerknüppel-Bewegungsabläufe einprägen zu können.
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Es ist auch denkbar, bei einem Flugsimulator von einem simulierten Modellflugzeug Steuersignale zurück an die Fernsteuerung zu senden und dort in Bewegungen der Steuerknüppel umzusetzen. So können beispielsweise zuvor aufgezeichnete Flugsequenzen abgespielt und einem trainierenden Bediener die dazu passenden Steuerknüppelbewegungen fühlbar vermittelt werden.
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Beispielsweise kann das bewegliche Objekt ein unbemanntes Landfahrzeug, Wasserfahrzeug und/oder Luftfahrzeug sein. So kann das Objekt zum Beispiel ein fernsteuerbares Modellfahrzeug für den Betrieb zu Land, zu Wasser und/oder in der Luft, insbesondere ein fernsteuerbares Modellflugzeug oder ein fernsteuerbarer Modellhubschrauber, sein. Das Fernsteuern solcher Modelle setzt im Allgemeinen ein vergleichsweise aufwändiges Training voraus, bei welchem die erfindungsgemäße haptische Vermittlung von Fernsteuerbewegungen eines Modellfluglehrers an einen Modellflugschüler besonders vorteilhaft zum Einsatz kommen kann.
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Gemäß einer weiteren Variante ist bei einem erfindungsgemäßen System ferner eine Fernsteuerungsattrappe nach Art einer Modellfernsteuerung vorgesehen. Die Fernsteuerungsattrappe weist mindestens zwei Bedienelemente auf, welche als Steuerknüppel ausgebildet sind und entsprechend den Verstellpositionen der Steuerknüppel einer Modellfernsteuerung zwischen mehreren Verstellpositionen innerhalb eines Verstellbereichs verstellbar sind. Beispielsweise können die Steuerknüppel um jeweils mindestens zwei Achsen schwenkbar sein. Die Fernsteuerungsattrappe umfasst ferner mindestens einen Stellantrieb je Bedienelement, wobei der mindestens eine Stellantrieb ausgebildet und eingerichtet ist, das jeweilige Bedienelement zwischen den Verstellpositionen des Verstellbereichs zu verstellen, und mindestens eine Regelungseinheit, die ausgebildet und eingerichtet ist, den mindestens einen Stellantrieb je Bedienelement zu steuern und mittels des mindestens einen Stellantriebs die Verstellposition des jeweiligen Bedienelements bezüglich einer Soll-Verstellposition zu regeln. Dabei definiert der Verstellbereich Grenzen der möglichen Soll-Verstellpositionen. Mit einer derartigen Fernsteuerungsattrappe kann z.B. ein Modellflugschüler oder ein Zuschauer einer Modellflugshow Steuerknüppelbewegungen eines Fluglehrers bzw. Modellflugkünstlers haptisch mitfühlen.
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Die möglichen Verstellpositionen eines Bedienelements der Fernsteuerung oder der Fernsteuerungsattrappe können in dem Verstellbereich kontinuierlich verteilt sein. Beispielsweise kann das Bedienelement ein um mehrere Achsen kontinuierlich schwenkbarer Steuerknüppel oder ein kontinuierlich verstellbarer Schieberegler sein. Gerade bei solchen kontinuierlich verstellbaren Bedienelementen können komplexe Steuerbewegungen mittels einer erfindungsgemäßen Fernsteuerung besonders eingängig durch haptisches Nachfühlen vermittelbar sein.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass ein Bedienelement einer Fernsteuerung oder einer Fernsteuerungsattrappe ausgebildet ist, unter überlagerten Wirkungen des Stellantriebs einerseits und einer manuellen Betätigung durch den Bediener andererseits zwischen den Verstellpositionen verstellt zu werden. Damit ist gemeint, dass eine solche überlagerte Betätigung des Bedienelements entsprechend der Konstruktion des Bedienelements und des Stellantriebs auch vorgesehen ist und nicht etwa nur durch „rohe Gewalt“ bei der manuellen Betätigung bewirkt werden kann. Beispielsweise kann ein Steuerknüppel als Bedienelement an einer Welle eines Elektromotors, welcher einen Stellantrieb bildet, befestigt sein, wobei die Welle des Elektromotors leichtgängig und von außen drehbar ausgebildet ist. In diesem Fall stellt der Stellantrieb keine konstruktionsbedingte mechanische Hemmung für ein manuelles Verstellen des Bedienelements dar.
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In einer Weiterbildung ist die Regelungseinheit der Fernsteuerung oder der Fernsteuerungsattrappe ausgebildet, die Kraft und/oder das Drehmoment, mit welcher bzw. welchem der Stellantrieb das Bedienelement beaufschlagt, zu begrenzen.
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Insbesondere können dabei Grenzen der Kraft und/oder des Drehmoments variabel einstellbar sein. Auf diese Weise kann die Wirkung des Stellantriebes eine manuelle Betätigung des Bedienelements mehr oder weniger stark überlagern. Beispielsweise kann an der Fernsteuerung eine Einstellvorrichtung für obere Grenzen der Kraft und/oder des Drehmoments des Stellantriebs vorgesehen sein. Ein Bediener hat dann z. B. die Möglichkeit, die Grenzen der Kraft und/oder des Drehmoments des Stellantriebs innerhalb eines Intervalls von Null bis zu einer jeweiligen maximalen Obergrenze für die Kraft und/oder das Drehmoment zu wählen. Wird durch den Bediener eine niedrige Obergrenze eingestellt, so betätigt er das Bedienelement im Wesentlichen selbst manuell, wobei durch die relativ niedrigen Kräfte und/oder Drehmomente des Stellantriebes lediglich leichte haptische Korrekturen bereitgestellt werden. Wird demgegenüber eine relativ hohe Obergrenze eingestellt, so kann der Bediener die Steuerung im Wesentlichen dem Stellantrieb überlassen und dessen Steuerbewegungen des Bedienelementes lediglich weitgehend passiv nachfühlen.
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In einer Variante umfasst die Fernsteuerung oder die Fernsteuerungsattrappe zusätzlich eine Sensoreinheit zum Erfassen der Verstellposition, in welcher sich ein Bedienelement befindet, sowie zum Übersetzen der erfassten Verstellposition in zweite Steuersignale, und einen Signalausgang zur Ausgabe der zweiten Steuersignale. Beispielsweise kann eine aktuelle Verstellposition des Bedienelements mittels an dem Bedienelement angeordneter Potenziometer oder optischer und/oder magnetischer Sensoren erfasst werden. Im Rahmen der Sensoreinheit können Messsignale, beispielsweise der Potenziometer, in den zweiten Steuersignalen kodiert werden. Über den Signalausgang der Fernsteuerung können die zweiten Steuersignale nach extern ausgegeben werden. Der Signalausgang kann z. B. eine Funk-Sendeeinheit für die zweiten Steuersignale umfassen. Es ist aber auch denkbar, dass der Signalausgang eine Buchse für eine drahtgebundene Ausgabe der Steuersignale aufweist.
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Beispielsweise kann der Bediener ein Modellfluglehrer sein, und die mittels der Sensoreinheit erfassten Verstellpositionen eines oder mehrerer Bedienelemente an seiner Fernsteuerung können als zweite Steuersignale an eine weitere erfindungsgemäße Fernsteuerung eines Modellflugschülers übermittelt werden. Die Regelungseinheit der Fernsteuerung des Modellflugschülers kann dabei ein entsprechendes Bedienelement bezüglich einer Soll-Verstellposition regeln, wobei die Soll-Verstellposition z. B. einer mittels der zweiten Steuersignale übermittelten aktuellen Verstellposition eines Bedienelements der Fernsteuerung des Modellfluglehrers entsprechen kann.
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Beispielsweise kann bei einem erfindungsgemäßen System die Instanz zum Bereitstellen zweiter Steuersignale eine Fernsteuerung der beschriebenen Art mit einer Sensoreinheit umfassen, mit welcher eine Verstellposition eines Bedienelements erfasst und in zweite Steuersignale übersetzt werden kann. Es kann dabei vorgesehen sein, dass die zweiten Steuersignale über einen Signalausgang der Fernsteuerung ausgegeben und, beispielsweise per Funk oder drahtgebunden, an ein oder mehrere haptische Bediengeräte des Systems übermittelt werden. Aus den übermittelten zweiten Steuersignalen ist eine Soll-Verstellposition eines oder mehrerer Bedienelemente des mindestens einen haptischen Bediengeräts ableitbar, sodass bezüglich derer die Regelungseinheit des jeweiligen haptischen Bediengeräts das Bedienelement regeln kann. Das Funkgerät, welches die Instanz darstellt, kann z. B. von einem Modellfluglehrer bedient werden. Dementsprechend können ein oder mehrere haptische Bediengeräte, welche die zweiten Steuersignale von der Instanz empfangen können, z. B. von Modellflugschülern bedient werden.
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Diesem Erfindungsaspekt liegt der Gedanke zugrunde, dass mit dem erfindungsgemäßen System Fernsteuerbewegungen einer Instanz, beispielsweise eines Modellfluglehrers oder Modellsimulators, an einen oder mehrere Bediener eines oder mehrerer haptischer Bediengeräte, beispielsweise nach Art einer Modellflugfernsteuerung, haptisch vermittelbar sind. Mittels des Systems kann beispielsweise ein Modellflugschüler in seinen Fernsteuerbewegungen durch einen Modellfluglehrer korrigiert werden. Es ist dabei auch denkbar, dass gleichzeitig mehrere Bediener von Fernsteuerungen oder Fernsteuerungsattrappen, welche ein haptisches Bediengerät verwirklichen, rein passiv durch haptisches Nachfühlen den Fernsteuerbewegungen eines Modellfluglehrers oder beispielsweise eines Modellflugkünstlers bei einer Modellflugshow folgen.
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Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass die Instanz einen Computer und/oder einen Server umfasst. Insbesondere kann die Instanz zum Bereitstellen der zweiten Steuersignale ein Modellsimulator, welcher auf dem Computer und/oder dem Server ausgeführt wird, sein. So können beispielsweise Fernsteuerbewegungen, die sich auf bestimmte Bewegungssequenzen eines virtuellen Objektes im Rahmen des Modellsimulator beziehen, in einer Datenbank des Computers und/oder Servers hinterlegt und als zweite Steuersignale an eine an den Computer und/oder Server angeschlossene Fernsteuerung oder Fernsteuerungsattrappe übermittelbar sein. Dabei können die zweiten Steuersignale beispielsweise auch innerhalb eines Netzwerkes wie z. B. dem Internet hinterlegt sein. Es ist auch denkbar, dass die zweiten Steuersignale von einer Fernsteuerung der beschriebenen Art mit einer Sensoreinheit erzeugt und über das Internet an wenigstens ein haptisches Bediengerät übermittelt werden. Die Übermittlung kann dabei unmittelbar oder verzögert, d.h. durch Hinterlegen der Steuersignale in einer Datenbank zum späteren Abrufen, erfolgen.
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Die Telemetrieeinheit bildet im Rahmen des erfindungsgemäßen Systems eine Instanz (oder einen Teil hiervon), wobei die zweiten Steuersignale aus den Messdaten der Telemetrieeinheit abgeleitet werden. Beispielsweise verfügen Flugmodelle gemäß dem Stand der Technik bereits über die Möglichkeit, aktuelle Betriebsdaten wie Flughöhe, Geschwindigkeit, Rotordrehzahl, Akkukapazität etc. über eine derartige Telemetrieeinheit zurück an eine Fernsteuerung zu senden. Bei bisherigen Lösungen werden diese Daten dem Bediener über die Fernsteuerung visuell oder per Sprache angezeigt. Ferner ist es bekannt, bei Auftreten einer Fehlersituation ein haptisches Feedback an der Fernsteuerung vorzusehen, wobei zum Beispiel eine Vibration eines Steuerknüppels dem Bediener das Vorliegen der Fehlersituation anzeigen kann.
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Mit der Telemetrieeinheit als Instanz in einem erfindungsgemäßen System lassen sich nun mit den zweiten Steuersignalen sensorbasierte Steuerungsinformationen, beispielsweise zum automatischen Zurücknehmen von Pitch bei Drehzahleinbruch des Rotors eines Modellhubschraubers, an die Fernsteuerung als haptisches Bediengerät übermitteln. Aufgrund dieser zweiten Steuersignale lässt sich beispielsweise ein Bedienelement zum Einstellen des Pitchs automatisch verstellen, wobei diese automatische Notfallkorrektur dem Bediener fühlbar vermittelt wird. Dabei wird eine Verstellposition des Bedienelements nur dann durch die Regelungseinheit und den Stellantrieb der Fernsteuerung automatisch angefahren, wenn die durch den Bediener aufgebrachte manuelle Stell- bzw. Haltekraft zu gering ist, um der Stellkraft des Stellantriebs entgegenzuwirken bzw. wenn der Bediener das Bedienelement ganz losgelassen hat. In jedem Fall ist für den Bediener die Richtung der automatischen Korrektur durch die Telemetrieeinheit spürbar.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren für die haptische Vermittlung von Fernsteuerbewegungen, welches ein erfindungsgemäßes System verwendet.
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Demnach werden in einem ersten Schritt die zweiten Steuersignale durch die mindestens eine Instanz bereitgestellt, wobei die zweiten Steuersignale eine Soll-Verstellposition des mindestens einen Bedienelements des haptischen Bediengeräts betreffen. Das bewegliche Objekt weist eine Telemetrieeinheit zum Erfassen von Messdaten auf und die mindestens eine Instanz umfasst die Telemetrieeinheit, wobei die zweiten Steuersignale aus den Messdaten abgeleitet werden. Zu diesem Zweck wird beispielsweise bei einer erfindungsgemäßen Fernsteuerung mit einer Sensoreinheit die Verstellposition eines oder mehrerer Bedienelemente erfasst, anschließend in zweite Steuersignale übersetzt und zur Ausgabe auf den Signalausgang gegeben. Alternativ können die zweiten Steuersignale auch von einem Computer und/oder einem Server, auf welchem ein Modellsimulator ausgeführt wird, bereitgestellt werden. Es ist weiterhin denkbar, dass die zweiten Steuersignale von einem Computer und/oder einem Server bereitgestellt werden, auf welchem sie innerhalb einer Datenbank gespeichert sind.
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In einem zweiten Schritt werden die zweiten Steuersignale von der Instanz an das haptische Bediengerät übermittelt. Die Übermittlung der zweiten Steuersignale kann beispielsweise per Funk von einer Fernsteuerung eines Modellfluglehrers an die Fernsteuerung eines Modellflugschülers erfolgen. Die Übermittlung kann jedoch auch drahtgebunden erfolgen, zum Beispiel per Kabel von einem Computer an eine daran angeschlossene Fernsteuerungsattrappe.
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In einem dritten Schritt wird die Verstellposition des mindestens einen Bedienelements des haptischen Bediengeräts in Abhängigkeit der zweiten Steuersignale geregelt. Dabei erfolgt die Regelung mittels der Regelungseinheit und des mindestens einen Stellantriebs des haptischen Bediengeräts. So kann beispielsweise ein Steuerknüppel an der Fernsteuerung eines Modellflugschülers auf eine Verstellposition geregelt werden, die einer Verstellposition eines Steuerknüppels an der Fernsteuerung eines Modellfluglehrers, welche die Instanz darstellt, entspricht. Dabei sind die Bedienelemente der Instanz und des haptischen Bediengeräts derart ausgebildet, dass es eine im Wesentlichen eindeutige Abbildung zwischen den Verstellpositionen des Bedienelements der Instanz einerseits und dem Bedienelement des haptischen Bediengeräts andererseits gibt.
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In einer Variante des Verfahrens kommen wenigstens zwei Fernsteuerungen der beschriebenen Art, welche jeweils eine Sensoreinheit aufweisen, zum Einsatz. Dabei wird einerseits eine erste Fernsteuerung als eine erste Instanz für eine zweite Fernsteuerung als ein erstes haptisches Bedienelement verwendet, wobei die Soll-Verstellposition des mindestens einen Bedienelements der zweiten Fernsteuerung einer Verstellposition eines entsprechenden Bedienelements der ersten Fernsteuerung entspricht. Andererseits wird wiederum die zweite Fernsteuerung als eine zweite Instanz für die erste Fernsteuerung als ein zweites haptisches Bediengerät verwendet, wobei die Soll-Verstellposition des mindestens einen Bedienelements der ersten Fernsteuerung einer Verstellposition eines entsprechenden Bedienelements der zweiten Fernsteuerung entspricht. Beispielsweise kann eine Fernsteuerung eines Modellflugschülers einerseits zweite Steuersignale von einer Fernsteuerung eines Modellfluglehrers empfangen und auf diese Weise dessen Fernsteuerbewegungen an einem Steuerknüppel nachfühlen, und umgekehrt kann auch der Modellfluglehrer mit seiner Fernsteuerung zweite Steuersignale von der Fernsteuerung des Modellflugschülers empfangen, sodass der Modellfluglehrer Fernsteuerbewegungen des Modellflugschülers haptisch nachempfinden kann.
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Es kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ferner vorgesehen sein, dass das mindestens eine Bedienelement von dem mindestens einen Stellantrieb zum Verstellen der Verstellposition mit einer umso größeren Kraft und/oder mit einem umso größeren Drehmoment beaufschlagt wird, je weiter die Verstellposition des mindestens einen Bedienelements von der jeweiligen Soll-Verstellposition abweicht. Beispielsweise kann die Kraft und/oder das Drehmoment im Wesentlichen linear von der Abweichung abhängen. Auf diese Weise kann eine, z.B. elastische, haptische Kopplung zwischen einem Bedienelement der ersten Fernsteuerung (beispielsweise des Modellfluglehrers) und einem Bedienelement der zweiten Fernsteuerung (beispielsweise des Modellflugschülers) verwirklicht werden. Eine solche haptische Kopplung ist analog zu einer Kopplung der Steuerhörner eines Piloten und eines Copiloten, wie sie aus der manntragenden Luftfahrt bekannt ist, zu verstehen.
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In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass bei einer Abweichung zwischen der Verstellposition des mindestens einen Bedienelements und der jeweiligen Soll-Verstellposition das mindestens eine Bedienelement durch den mindestens einen Stellantrieb mit einer umso größeren Kraft und/oder mit einem umso größeren Drehmoment beaufschlagt wird, je größer eine Kopplungsstärke für das mindestens eine Bedienelement gewählt wird. Dabei wird die Kopplungsstärke an dem mindestens einen haptischen Bediengerät und/oder an der mindestens einen Instanz eingestellt.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass eine Kopplungsstärke einer haptischen Kopplung zwischen einer ersten Fernsteuerung und einer zweiten Fernsteuern mittels der Regelungseinheiten nach Bedarf variabel eingestellt wird. Die Kopplungsstärke kann beispielsweise in einem Bereich von Null bis zu einer maximalen Kopplungsstärke eingestellt werden, wobei die maximale Kopplungsstärke z. B. (je nach Leistungsstärke des Stellantriebs) einer im Wesentlichen starren Kopplung zwischen den Bedienelementen der ersten Fernsteuerung und der zweiten Fernsteuerung entsprechen kann. Dabei kann das Einstellen der Kopplungsstärke für die jeweilige Fernsteuerung an der Fernsteuerung selbst erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann an einer der Fernsteuerungen die Kopplungsstärke für beiden Fernsteuerungen eingestellt werden.
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Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanken soll nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
- 1A eine schematische Ansicht einer Fernsteuerung in einer ersten Variante;
- 1 B eine schematische Ansicht einer Fernsteuerung in einer zweiten Variante;
- 1C eine schematische Ansicht einer Fernsteuerungsattrappe;
- 2A eine schematische Ansicht eines Bedienelements mit einem Stellantrieb in einer ersten Variante;
- 2B eine schematische Ansicht eines Bedienelements mit einem Stellantrieb in einer zweiten Variante;
- 2C eine schematische Ansicht eines Bedienelements mit einem Stellantrieb in einer dritten Variante;
- 3 eine schematische Ansicht eines Systems für die haptische Vermittlung von Fernsteuerbewegungen in einer ersten Variante;
- 4 eine schematische Ansicht eines Systems für die haptische Vermittlung von Fernsteuerbewegungen in einer zweiten Variante;
- 5 eine schematische Ansicht eines Systems für die haptische Vermittlung von Fernsteuerbewegungen in einer dritten Variante; und
- 6 eine schematische Ansicht eines Systems für die haptische Vermittlung von Fernsteuerbewegungen in einer vierten Variante.
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Die 1A und 1B zeigen eine Fernsteuerung 1 für ein reales oder virtuelles bewegliches Objekt 5 in einer ersten und zweiten Variante. Beispielsweise können die gezeigten Fernsteuerungen 1 für ein Modellflugzeug oder einen Modellhubschrauber verwirklichen. Die Fernsteuerungen 1 können aber auch z. B. zum Fernsteuern von anderen unbemannten Landfahrzeugen, Wasserfahrzeugen und/oder Luftfahrzeugen vorgesehen und eingerichtet sein.
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Die dargestellten Fernsteuerungen 1 weisen Bedienelemente 10 auf, welche hier beispielhaft als zwei Steuerknüppel 10 nach Art einer Modellflugfernsteuerung dargestellt sind. Ein Bediener B der Fernsteuerung 1 kann die Bedienelemente 10 manuell zwischen mehreren möglichen Verstellpositionen verstellen (das manuelle Einwirken auf die Bedienelemente ist hier mit einem dünnen Pfeil von dem Bediener B zu den Bedienelementen 10 symbolisiert). Dabei werden durch die Bedienelemente 10 und gegebenenfalls einen Mikrocontroller erste Steuersignale S1 zum Steuern der Bewegung des Objekts 5 erzeugt und auf einen ersten Signalausgang 16 gegeben. Der erste Signalausgang 16 kann beispielsweise eine Sendeeinheit, z. B. das Hochfrequenzteil einer herkömmlichen Modellflugfernsteuerung, umfassen. In anderen Ausführungsformen kann der erste Signalausgang 16 auch eine Kabelbuchse zur drahtgebundenen Ausgabe der ersten Steuersignale S1 umfassen.
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Ein Verstellbereich V definiert Grenzen der manuellen Verstellbarkeit der Bedienelemente 10. Vorliegend lassen sich die Steuerknüppel innerhalb eines bestimmten Radius (entsprechend den jeweils äußeren gestrichelten Kreisen um das Bedienelement 10 der 1A-1C) kontinuierlich verstellen, wobei der Radius den Verstellbereich V festlegt.
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An der Fernsteuerung 1 ist ferner ein Stellantrieb 11 vorgesehen, wobei der Stellantrieb 11 ausgebildet ist, die Bedienelemente 10 mit einer Kraft F und/oder einem Drehmoment zu beaufschlagen und es infolgedessen innerhalb des Verstellbereichs V zu verstellen. Beispielsweise kann eine elektromechanische Einheit als Stellantrieb 11 an einem oder mehreren Bedienelementen 10 vorgesehen sein. Beispiele hierfür sind weiter unten mit Bezug auf die 2A bis 2C erläutert.
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Das automatische Verstellen eines Bedienelements 10 durch den Stellantrieb 11 ist für den Bediener an dem Bedienelement 10 haptisch wahrnehmbar, d.h. fühlbar. Dieses haptische Wahrnehmen der automatischen Verstellbewegungen der Bedienelemente 10 ist in den 1A-1C mit einem dicken Pfeil von den Bedienelementen 10 zum Bediener B symbolisiert.
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Eine Regelungseinheit 13 der Fernsteuerung 1 ist ausgebildet und eingerichtet, den Stellantrieb 11 zu steuern und dadurch die Verstellpositionen der Bedienelemente 10 jeweils bezüglich einer Soll-Verstellposition zu regeln. Dabei definiert der Verstellbereich V Grenzen der möglichen Soll-Verstellpositionen, d.h., jede beliebige Verstellposition innerhalb des Verstellbereichs V ist mittels der Regelungseinheit 13 anfahrbar. Die Regelungseinheit 13 kann beispielsweise einen Mikrocontroller umfassen. Beispielsweise kann die Regelungseinheit 13 ausgebildet sein, im Rahmen der Regelung der Verstellposition eines Bedienelements 10, sowohl kraftbezogene Steuersignale SF als auch positionsbezogene Steuersignale SP an den Stellantrieb 11 zu übermitteln. Dabei sollen unter den kraftbezogenen Steuersignalen SF ggf. auch Steuersignale verstanden werden, welche sich auf ein Drehmoment des Stellantriebs 11 beziehen. Im Rahmen der Regelung kann z. B. ein Feedbackkanal SR vorgesehen sein, über welchen Messsignale bezüglich einer aktuellen Verstellposition des Bedienelements 10 zurück an einen Mikrocontroller der Regelungseinheit übermittelbar sind.
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Im Ausführungsbeispiel empfängt die Regelungseinheit 13 zweite Steuersignale S2 von einem Signaleingang 12 der Fernsteuerung 1. Dabei kann die Regelungseinheit 13 aus den zweiten Steuersignale S2 Soll-Verstellpositionen für die Bedienelemente 10 ableiten und entsprechende Steuersignale SF, SP zur Regelung der Verstellpositionen eines Bedienelements 10 an den Stellantrieb 11 übermitteln.
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Die zweiten Steuersignale S2 können beispielsweise von einer Instanz 32 außerhalb der Fernsteuerung 1 an den Signaleingang 12 übermittelt werden. In einer solchen Konstellation kann die Fernsteuerung 1 ein haptisches Bediengerät 31 in einem System 3 für die haptische Vermittlung von Fernsteuerbewegungen verwirklichen.
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Die Instanz 32, welche die zweiten Steuersignale S2 bereitstellt, kann zum Beispiel eine weitere erfindungsgemäße Fernsteuerung 1 sein, die in 1B schematisch dargestellt ist. Demnach ist an einer Fernsteuerung 1, wie sie mit Bezug auf 1A erläutert worden ist, eine Sensoreinheit 15 zum Erfassen der Verstellposition, in welcher sich ein Bedienelement 10 befindet, sowie zum Übersetzen der erfassten Verstellposition in zweite Steuersignale S2 vorgesehen. Beispielsweise kann die Sensoreinheit 15 ein oder mehrere Potenziometer, magnetische Sensoren und/oder optische Sensoren aufweisen, welche eine aktuelle Verstellposition der Bedienelemente 10 erfassen können. Dabei ist auch denkbar, dass die erfassten Verstellpositionen zugleich für die Erzeugung der ersten Steuersignale S1 verwendet werden. Das Übersetzen der erfassten Verstellpositionen in die zweiten Steuersignale S2 kann z. B. durch einen Mikrocontroller der Sensoreinheit 15 vorgenommen werden.
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Die zweiten Steuersignale S2 können über einen zweiten Signalausgang 14, der an der Fernsteuerung 1 gemäß der 1B vorgesehen ist, ausgegeben werden. Von dem zweiten Signalausgang 14 sind die zweiten Steuersignale S2 drahtlos oder drahtgebunden an ein haptisches Bediengerät 31, wie zum Beispiel eine Fernsteuerung 1 nach 1A, übermittelbar.
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Der zweite Signalausgang 14 kann dabei beispielsweise eine Kabelbuchse oder eine Sendeeinheit, z. B. ein Hochfrequenzteil, umfassen. Beispielsweise kann bei einer Fernsteuerung 1 für ein Modellflugzeug 5 zur Übermittlung der zweiten Steuersignalen S2 eine zweite, von einer Funkübertragung erster Steuersignale S1 zu einem Modellflugzeug 5 unabhängige Funkstrecke vorgesehen sein. Mit den zweiten Steuersignalen S2 müssen nicht bereits von einem Controller umgerechnete Kanalwerte für die einzelnen Servos des Modellflugzeugs 5, sondern z.B. die originalen Verstellpositionen der Steuerknüppel 10 übertragen werden.
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Insoweit der zweite Signalausgang 14 beispielsweise eine Sendeeinheit für die zweiten Steuersignale in Form eines Hochfrequenzteils umfassen kann und somit zum Übersetzen der durch die Sensoreinheit 15 erfassten Verstellpositionen in zweite Steuersignale S2 (als Funksignale) vorgesehen ist, kann der zweite Signalausgang 14 auch als ein Teil der Sensoreinheit 15 verstanden werden oder mit diesem gemeinsame Komponenten aufweisen.
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In Abhängigkeit der übermittelten zweiten Steuersignale S2 kann dann die Verstellposition mindestens eines Bedienelements 10 des haptischen Bediengeräts 31 geregelt werden.
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Dabei kann auch eine weitere Fernsteuerung 1 gemäß der 1B im Rahmen eines erfindungsgemäßen Systems 3 als haptisches Bediengerät dienen, welches beispielsweise einerseits über den Signaleingang 12 zweite Steuersignale S2 empfängt und andererseits (andere) zweite Steuersignale S2 über den zweiten Signalausgang 14 abgibt und an ein weiteres haptisches Bediengerät 31 übermittelt.
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Das haptische Bediengerät 31 kann in einer Variante auch durch eine Fernsteuerungsattrappe 7 gemäß der 1C verwirklicht sein. Diese unterscheidet sich von einer Fernsteuerung 1 gemäß der 1A dadurch, dass sie nicht zum Erzeugen erster Steuersignale S1 zum Fernsteuern eines beweglichen Objekts 5 ausgebildet ist. Eine solche Fernsteuerungsattrappe 7 kann beispielsweise zu Trainingszwecken für einen Modellflugschüler als Bediener B vorgesehen sein, der damit Fernsteuerbewegungen eines Modellfluglehrers nachfühlen kann.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Bedienelemente 10 an der Fernsteuerungsattrappe 7 der 1C überhaupt nicht manuell, sondern nur automatisch durch den mindestens einen Stellantrieb 11 verstellbar sind.
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Im Gegensatz hierzu kann bei Fernsteuerungen 1 nach 1A und 1B das Bedienelement 10 unter den überlagerten Wirkungen des Stellantriebs 11 einerseits und einer manuellen Betätigung durch den Bediener B andererseits verstellbar sein. Dabei können die Kraft F und/oder das Drehmoment M, mit welchem der Stellantrieb 11 das Bedienelement 10 beaufschlagt, mittels der Regelungseinheit 13 begrenzt werden. In einer Variante können dabei die Grenzen der Kraft 11 und/oder des Drehmoments mittels der Regelungseinheit 13, beispielsweise über einen Drehregler, variabel einstellbar sein.
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Die 2A bis 2C zeigen in schematische Ansicht verschiedene Ausführungsformen eines Bedienelements 10 mit einem daran angeordneten Stellantrieb 11. Das Bedienelement 10 gemäß der 2A ist ein Steuerknüppel, welcher hier beispielhaft lediglich in einachsiger Ausführung (d.h. mit nur einer Wirkebene) dargestellt ist. Der Steuerknüppel 10 ist an einer Welle eines Elektromotors 110 angeordnet, welcher einen Teil des Stellantriebs 11 bildet. Dabei kann der Elektromotor 110 in einer vorteilhaften Ausführungsform konstruktiv für ein großes Drehmoment und eine geringe Drehzahl ausgelegt sein. Ferner kann die Welle des Elektromotors 110 leichtgängig und von außen drehbar ausgebildet sein. Beispielsweise kann, um eine entsprechende Leichtgängigkeit zu erzielen, der Steuerknüppel 10 direkt an der Welle befestigt sein, ohne dass ein zwischengeschaltetes Getriebe vorgesehen ist.
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Der Steuerknüppel 10 ist in dieser Ausführungsform unter der überlagerten Wirkungen einer manuellen Einwirkung durch den Bediener einerseits sowie des durch den Elektromotor 110 auf die Welle gebrachten Drehmoments andererseits über seinen gesamten Verstellbereich V hinweg verstellbar. Dabei können an dem Steuerknüppel 10 Rückstellfedern 113 vorgesehen sein, die bei Wegnahme der beiden Antriebswirkungen den Steuerknüppel 10 zurück in eine Zentrier- oder Ausgangsposition bewegen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 2B ist als Bedienelement 11 ein Schieberegler auf einer Spindel 111 montiert. Die Spindel 111 wird dabei von einem Elektromotor 110 angetrieben. Über die Spindel 111 beaufschlagt der Elektromotor 110 den Schieberegler 10 mit einer Kraft F, wodurch der Schieberegler 10 entlang der Spindel 111 linear verstellbar ist. Dies ist ein Beispiel für eine Anordnung, bei welcher eine manuelle Betätigung des Schiebereglers 10 von außen, also durch einen Bediener B, konstruktionsbedingt erschwert oder sogar ausgeschlossen ist. Eine solche Anordnung kann beispielsweise bei einer Fernsteuerungsattrappe 7 gemäß der 1C verwendet werden. Dabei dient der Schieberegler 10 dem Bediener B beispielsweise ausschließlich zum Erlernen geeigneter Schiebepositionen, beispielsweise im Rahmen komplexer Flugsequenzen eines Modellflugzeugs.
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Wird der Schieberegler 10, wie in 2C gezeigt, demgegenüber auf einem Riemen 112 montiert, welcher von einem Elektromotor 110 angetrieben wird, so ist seine Verstellposition sowohl durch den Elektromotor 110 als Stellantrieb 11 als auch manuell durch den Bediener B verstellbar. Eine konstruktionsbedingte mechanische Hemmung wie in dem Ausführungsbeispiel der 2B ist nicht vorhanden. Vorzugsweise ist der Elektromotor 110 dabei konstruktiv für ein großes Drehmoment und eine geringe Drehzahl ausgelegt und weist ferner eine leichtgängige und von außen drehbare Welle auf. Ein solcher Schieberegler 10 kann beispielsweise bei einer Fernsteuerung 1 gemäß den 1A oder 1 B Verwendung finden, mit welcher ein Bediener B zugleich selbst ein Objekt 5 fernsteuern kann und zusätzlich Fernsteuerbewegungen von einer Instanz 32 haptisch erfahren kann.
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Im Folgenden werden anhand der 3 bis 6 verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems 3 für die haptische Vermittlung von Fernsteuerbewegungen beschrieben, wobei die zuvor beschriebenen Fernsteuerungen 1 bzw. Fernsteuerungsattrappen 7 gemäß der 1A bis 1C als haptische Bediengeräte 31 verwendet werden können.
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In der 3 ist ein System 3 für die haptische Vermittlung von Fernsteuerbewegungen in einer ersten Variante schematisch dargestellt. Bei dem dargestellten System 3 dient eine erste Fernsteuerung 1-1 eines ersten Bedieners B1 als Instanz 32, welche einer zweiten Fernsteuerung 1-2 als einem haptischen Bediengerät 31 zweite Steuersignale S2-2 bereitstellt. Dabei sind in den zweiten Steuersignalen S2-2 Verstellpositionen von Bedienelementen 10 der ersten Fernsteuerung 1-1 kodiert. Die zweiten Steuersignale S2-2 werden beispielsweise per Funk an die zweite Fernsteuerung 1-2 übermittelt, und die Verstellpositionen von Bedienelementen 10 der zweiten Fernsteuerung 1-2 werden bezüglich der mit den zweiten Steuersignalen S2-2 übermittelten Soll-Verstellpositionen geregelt.
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Umgekehrt können in ganz analoger Weise von der zweiten Fernsteuerung 1-2 zweite Steuersignale S2-1 für die Regelung der Verstellpositionen der Bedienelemente 10 der ersten Fernsteuerung 1-1 bereitgestellt werden. Auf diese Weise kann eine gegenseitige Kopplung der Bedienelemente 10 der ersten Fernsteuerung 1-1 und der zweiten Fernsteuerung 1-2 verwirklicht werden.
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Dieses Ausführungsbeispiel geht von dem Gedanken aus, beispielsweise einem Modellflugschüler B2 über die Bedienelemente 10 seiner zweiten Fernsteuerung 1-2 ein haptisches Feedback, welches von einem Modellfluglehrer B1 mit dessen erster Fernsteuerung 1-1 erzeugt wird, zu vermitteln. Zu diesem Zweck kann mit dem dargestellten System 3 dem Modellflugschüler B2 insbesondere ein vollständiges Abbild der Bedienelemente 10 der ersten Fernsteuerung 1-1 des Modellfluglehrers B1 haptisch übermittelt werden.
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Das erfindungsgemäße System 3 realisiert eine Kopplung zwischen den Bedienelementen der ersten Fernsteuerung 1-1 des Modellfluglehrer B1 einerseits und der zweiten Fernsteuerung 1-2 des Modellflugschülers B2 andererseits, die analog zu der Kopplung der Steuerhörner Pilot und Copilot in der manntragenden Fliegerei zu verstehen ist. Dabei können sowohl Pilot als auch Copilot das Flugzeug fliegen, und beide können jederzeit fühlen, was der andere macht, sodass sie bei Problemen schnell eingreifen könnten.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass eine Kopplungsstärke der Kopplung mittels der Regelungseinheiten 13 nach Bedarf variabel einstellbar ist. Die Kopplungsstärke kann beispielsweise in einem Bereich von Null bis zu einer maximalen Kopplungsstärke einstellbar sein, wobei die maximale Kopplungsstärke z. B. einer im Wesentlichen starren Kopplung zwischen den Bedienelementen 10 der ersten Fernsteuerung 1-1 und der zweiten Fernsteuerung 1-2 entsprechen kann.
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In der beispielhaften Ausführungsform der 3 ist die erste Fernsteuerung 1-1 des Modellfluglehrers B1 per Funk an das Modellflugzeug 5 gekoppelt. Somit hat der Modellfluglehrer B1 die Hauptverantwortung für das korrekte Steuern des Modellflugzeugs 5 inne.
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Wenn der Modellfluglehrer B1 nun seine Steuerknüppel 10 verstellt, so werden deren Verstellpositionen einerseits zur Steuerung des Modellflugzeugs 5 in einem Controller in erste Steuersignale S1, welche z. B. Servosignale umfassen, verrechnet und über den ersten Signalausgang 16 (vergleiche 1B) an das Modellflugzeug 5 gefunkt. Andererseits werden die Verstellpositionen der Steuerknüppel 10 durch die Sensoreinheit 15 erfasst und über den zweiten Signalausgang 14 als zweite Steuersignale S2-2 an den Signaleingang 12 der zweiten Fernsteuerung 1-2 des Modellflugschülers B2 gesendet.
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An der zweiten Fernsteuerung 1-2 werden die empfangenen zweiten Steuersignale S2-2 durch die Regelungseinheit 13 in Soll-Verstellpositionen für die Regelung der Steuerknüppel 10 umgerechnet. Der Stellantrieb 11 wird von der Regelungseinheit 13 mit entsprechenden Eingangssignalen SP, SF bezüglich einer Kraft, eines Drehmoments und/oder einer Position versorgt. Im Ergebnis führt die Regelung durch die Regelungseinheit 13 und den Stellantrieb 11 zu einer elektromotorischen Bedienung der Steuerknüppel 10, wobei die Steuerknüppel 10 ohne manuelle Beeinflussung von außen in ihren beiden Achsen jeweils präzise diejenige Verstellposition einnehmen, die einer Verstellposition des entsprechenden Steuerknüppels 10 an der ersten Fernsteuerung 1-1 entspricht. Dies ermöglicht dem Modellflugschüler B2 ein Nachfühlen der Fernsteuerbewegungen des Modellfluglehrers B1.
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Da die beschriebene Kopplung in beide Richtungen verwirklicht ist, kann auch der Modellflugschüler B2 die Steuerknüppel 10 seiner zweiten Fernsteuerung 1-2 manuell bedienen, wobei deren Verstellpositionen in Form von zweiten Steuersignale S2-1 an die erste Fernsteuerung 1-1 des Modellfluglehrers B1 übermittelt werden. Wenn der Modellfluglehrer B1 nun z. B. seine Steuerknüppel 10 loslässt und keine manuelle Kraft gegen die Stellkraft F (oder ein Stelldrehmoment M) des Stellantriebs 11 aufbringt, so nehmen seine Steuerknüppel 10 die Verstellposition der Steuerknüppel 10 der zweiten Fernsteuerung 1-2 des Modellflugschülers B2 ein. In diesem Fall wird die erste Fernsteuerung 1-1 des Modellfluglehrers B1 durch den Modellflugschüler B2 „ferngesteuert“, wobei der Modellflugschüler B2 das Modellflugzeug 5 transitiv über die erste Fernsteuerung 1-1 steuert.
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In dem Fall, dass der Modellflugschüler B2 einen kritischen Steuerfehler begeht, kann der Modellfluglehrer B1 jederzeit eingreifen und mit seinen, für das Fernsteuern des Modellflugzeugs 5 letztlich maßgeblichen, Steuerknüppeln 10 entsprechend korrigieren. Der Modellfluglehrer B1 muss hierbei manuell die Stellkraft F des Stellantrieb 11 überwinden, wobei vorgesehen sein kann, dass er eine maximale Stellkraft und/oder ein maximales Drehmoment des Stellantriebs 11 über ein weiteres Bedienelement der ersten Fernsteuerung 1-1 (z. B. über ein Drehpotentiometer oder einen Schieberegler) variabel einstellen kann.
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Infolge dieses manuellen Eingreifens durch den Modellfluglehrer B1 kann der Stellantrieb 11 der ersten Fernsteuerung 1-1 nicht die vom Modellflugschüler B2 vorgegebene Verstellposition der Steuerknüppel 10 anfahren, und die Steuerknüppel 10 der ersten Fernsteuerung 1-1 erreichen die für die Rettung des Modellflugzeug 5 erforderlichen Verstellpositionen entsprechend den Vorgaben des Modellfluglehrers B1.
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Der Modellflugschüler B2 fühlt dabei die durch die Korrektur des Modellfluglehrers B1 hervorgerufene Stellkraft F seines Stellantriebs 11 über die Steuerknüppel 10 seiner zweiten Fernsteuerung 1-2. Dadurch bekommt der Modellflugschüler B2 eine sofortige Rückmeldung über seinen Steuerfehler und fühlt insbesondere auch genau die anzustrebende korrekte Position des Steuerknüppels 10. Dabei hat auch der Modellflugschüler B2 die Möglichkeit, an seiner zweiten Fernsteuerung 1-2 eine maximale Stellkraft und/oder in maximales Drehmoment des Stellantriebs 11 einzustellen. Je nach Trainingsfortschritt und Anwendung (z. B. langsamer Segelflieger, schneller und harter Kunstflug, Helikopter-3-D-Flug etc.) können hierbei unterschiedliche Einstellungen sinnvoll sein.
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Falls der Modellflugschüler B2 die Korrektur des Modellfluglehrers B1 ignoriert und mit seiner manuellen Stellkraft entgegen dem Stellantrieb 11 wirkt, hat dies für das Modellflugzeug 5 keine Konsequenzen, da für das Fernsteuern des Modellflugzeug 5 ja letztlich nur die erste Fernsteuerung 1-1 des Modellfluglehrer B1 maßgeblich ist. Die Verstellpositionen der Steuerknüppel der zweiten Fernsteuerung 1-2 werden in diesem Fall also von dem Modellflugzeug 5 ignoriert.
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Die 4 zeigt eine zweite Variante eines erfindungsgemäßen Systems 3 für die haptische Vermittlung von Fernsteuerbewegungen. Dabei ist ein haptisches Bediengerät 31 eines zweiten Bedieners B2 mit einem Computer 320 verbunden, auf welchem ein Modellsimulator ausgeführt wird. Das haptische Bediengerät 31 kann beispielsweise eine Fernsteuerung 1 gemäß den 1A-1B oder eine Fernsteuerungsattrappe 7 nach 1C sein. Der Modellsimulator simuliert die Bewegung eines virtuellen beweglichen Objekts 5, beispielsweise eines Hubschraubers 5. In 4 ist auf dem Bildschirm des Computers 320 zusätzlich zu dem virtuellen Objekt 5 eine virtuelle Fernsteuerung zu sehen, wie sie häufig bei Modellsimulatoren vorkommt.
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Der Computer 320 stellt im Rahmen des Systems 3 eine Instanz 32 für das haptische Bediengerät 31 dar, indem er über einen Signaleingang 12 des haptischen Bediengeräts 31 zweite Steuersignale S2 für die Regelung der Verstellpositionen der Bedienelemente 10 bereitstellt.
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In einem herkömmlichen Betriebsmodus eines Modellsimulators verstellt der zweite Bediener B2 die Steuerknüppel 10 seiner Fernsteuerung 1. Die Verstellpositionen der Steuerknüppel 10 werden über einen ersten Signalausgang 16 als erste Steuersignale S1 an den Computer 320 übermittelt. Im Rahmen des Modellsimulators werden die ersten Steuersignale S1 in entsprechende Verstellpositionen der auf dem Monitor abgebildeten virtuellen Fernsteuerung sowie in eine Steuerung der Bewegung des virtuellen Objekts 5 umgesetzt.
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Das erfindungsgemäße System 3 ermöglicht einen neuen Betriebsmodus, in welchem der zweite Bediener B2 eine von einem erfahrenen Piloten und dritten Bediener B3 bereits zuvor eingesteuerte und in einer Datenbank 322 des Computers 320 abgespeicherte Flugsequenz (z. B. ein besonders schwieriges Flugmanöver) in den Modellsimulator laden kann. Dabei kann das Hochladen der Flugsequenz auch beispielsweise über eine Internetplattform erfolgen. Wenn der zweite Bediener B2 auf der Ebene des Modellsimulators die geladene Flugsequenz startet, werden die Steuerknüppel 10 seines haptischen Bediengeräts 31 präzise nach den abgespeicherten Vorgaben der Flugsequenz bewegt. Dies kann, insbesondere in Verbindung mit anderen abgespeicherten Parametern, wie einem Modelltyp, simulierten Windverhältnissen etc., zu einer realistischen Erfahrung der Fernsteuerbewegungen des virtuellen Objekts 5 führen. Dieses Playback der gespeicherten Flugsequenz wird von der virtuellen Fernsteuerung in Form von zweiten Steuersignalen S2 an den Signaleingang 12 des haptischen Bediengeräts 31 gesendet und führt dort über die Regelungseinheit 13 zur Ansteuerung des Stellantriebs 11 und letztlich der Bedienelemente 10. Somit kann der zweite Bediener B2 die korrekte Auslenkung der Steuerknüppel 10 für die schwierige Flugsequenz ergänzend zur visuellen Wahrnehmung der virtuellen Fernsteuerung an den Steuerknüppeln 10 haptisch nachvollziehen.
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Denkbar sind dabei auch Mischformen der beiden beschriebenen Betriebsmodi, bei denen der zweite Bediener B2 einerseits die Möglichkeit hat, das virtuelle Objekt 5 selbst manuell zu steuern, andererseits aber noch über das haptische Feedback der virtuellen Fernsteuerung sanft geführt wird. So kennt die virtuelle Fernsteuerung aufgrund der Flugsequenz-Datenbank 322 den optimalen Steuerungsablauf und kann diesen mit den manuellen Fernsteuerbewegungen des zweiten Bedieners B2 vergleichen. Wenn die Abweichungen von den optimalen Fernsteuerbewegungen zu groß werden, kann mit dem Stellantrieb 11 eine entsprechende Gegenkraft F und/oder ein entsprechendes Gegendrehmoment M auf die Steuerknüppel 10 des haptischen Bediengeräts 31 erzeugt werden.
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Denkbar ist in Bezug auf visuelles Feedback auch ein sogenannter Split-Screen-Ansatz, wobei beispielsweise in einer linken Bildschirmhälfte das optimal von der virtuellen Fernsteuerung gesteuerte virtuelle Objekt 5 gezeigt wird und auf der rechten Bildschirmhälfte das manuell von dem zweiten Bediener B2 gesteuerte virtuelle Objekt 5. Zusätzlich zu den Abweichungen in den Bewegungen der beiden virtuellen Objekte 5 können dabei auch die Abweichungen der Verstellpositionen der Steuerknüppel 10 der virtuellen Fernsteuerung einerseits und des haptischen Bediengeräts 31 andererseits grafisch animiert und am Ende des simulierten Fluges ausgewertet werden. Ein Integral über die Abweichungen der Verstellpositionen über die Dauer des simulierten Fluges wäre ein erster Anhaltspunkt für die Ausführungsqualität und den Lernerfolg des Modellflugschülers B2.
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Gemäß einer weiteren Variante des Ausführungsbeispiels der 4 können zwei Modellsimulationen mit ihren jeweiligen Bedienern (beispielsweise ein erster Bediener B1 als Modellfluglehrer und ein zweiter Bediener B2 als Modellflugschüler) live und zeitsynchron über das Internet 321 gekoppelt sein. Dieses Modellfluglehrer/Modellflugschüler-Szenario ist analog zu dem mit Bezug auf 3 beschriebenen zu verstehen, allerdings mit dem Vorteil der völligen Orts- und Wetterunabhängigkeit der beiden Bediener B1, B2.
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Die beiden haptischen Bediengeräte 31 sind hierbei nicht per Funk oder Kabel miteinander verbunden sondern jeweils über einen Modellsimulator, der auf einem Computer 320 ausgeführt wird, wobei die Computer 320 wiederum über das Internet 321 miteinander gekoppelt sind. Obwohl es sich physisch um zwei verschiedene Fernsteuerungen 1 des ersten Bedieners B1 und des zweiten Bedieners B2 handelt, bleibt durch die Kopplung nur noch eine logische virtuelle Fernsteuerung sowie ein logisches virtuelles Objekt 5 übrig, welches beide Bediener B1, B2 sehen und fernsteuern können.
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Der Bediener B1 kann dabei als Modellfluglehrer dominant die virtuelle Fernsteuerung mit seinem haptischen Bediengerät 31 ansteuern, was wiederum zum Steuern des virtuellen Objekts 5 führt. Beispielsweise per Headset-Kommunikation kann der erste Bediener B1 dem zweiten Bediener B2 das Kommando geben, die Fernsteuerung zu übernehmen (ganz wie Pilot und Copilot im Cockpit einer manntragenden Maschine per Helm-Mikrofon und Kopfhörer kommunizieren). Der zweite Bediener B2 kann daraufhin die einzige logische virtuelle Fernsteuerung und darüber das virtuelle Objekt 5 steuern. Dabei werden die Verstellpositionen der Steuerknüppel der virtuellen Fernsteuerung über das Internet 321 zum haptischen Bediengerät 31 des ersten Bedieners B1 gesendet und bewirken dort eine entsprechende Auslenkung der Steuerknüppel 10.
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Die 5 zeigt eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Systems 3 für die haptische Vermittlung von Fernsteuerbewegungen. Dabei können gleichzeitig viele Zuschauer (sowohl reale als auch virtuelle über das Internet 321) eine Modellflugvorführung eines Wettbewerbs- bzw. Showpiloten haptisch nachfühlen und dementsprechend „live“ miterleben.
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Ein Showpilot steuert in diesem Ausführungsbeispiel als erster Bediener B1 ein reales Modellflugzeug 5. Dabei werden die Steuerknüppelbewegungen und damit die zum Fernsteuern des Modellflugzeugs 5 erforderlichen Steuersignale S2 an haptische Bediengeräte 31 realer, bei der Flugveranstaltung anwesender Zuschauer B2 übertragen. In Abhängigkeit der zweiten Steuersignale S2 werden die Steuerknüppel 10 der haptischen Bediengeräte 31, welche beispielsweise als Fernsteuerungen 1 oder Fernsteuerungsattrappen 7 verwirklicht sein können bewegt, wodurch für die Zuschauer B2 ein Nachfühlen des Showfluges ermöglicht wird.
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Zusätzlich zu den realen Zuschauern B2 vor Ort kann das zweite Steuersignal S2 des Show- bzw. Wettbewerbspiloten auch über eine Internetplattform 321 an eine interessierte weltweite Community übertragen werden. Virtuelle Zuschauer B2 können dann beispielsweise mittels einer auf ihrem Heim-PC 320 zu installierenden Software und eines an den Heim-PC 320 anzuschließenden haptischen Bediengeräts 31 den Showflug „live“ oder aber auch zeitversetzt nachfühlen und miterleben. Die hierzu erforderlichen Bildsowie Steuersignale S2 müssen dabei von der Internetplattform 321 zeitsynchron, z. B. mittels eines Streaming-Verfahrens, übertragen werden. Die zu installierende Software auf dem Heim PC 320 dekodiert aus dem Stream dann wieder die zur Ansteuerung des haptischen Bediengeräts 31 notwendigen Eingangssignale S2
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Eine vierte Variante eines erfindungsgemäßen Systems 3 ist in 6 schematisch dargestellt. Dabei steuert ein Bediener B mit einer Fernsteuerung 1, die ein haptisches Bediengerät 31 verwirklicht, ein reales fernsteuerbares Objekt 5, wie zum Beispiel einen Modellhubschrauber. An dem Objekt 5 ist eine Telemetrieeinheit 51 angeordnet, welche mit einer Telemetriesensorik 510 aktuelle Betriebsdaten wie eine Flughöhe, eine Fluggeschwindigkeit, eine Rotordrehzahl, eine Akkukapazität etc. erfassen und über einen Telemetriesender 511 an die Fernsteuerung 1 des Bedieners B funken kann. Konventionell werden derartige Telemetriedaten einem Bediener B visuell oder per Sprache vermittelt.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Fernsteuerung 1 des Bedieners B und die Telemetrieeinheit 51 des Objekts 5 ein erfindungsgemäßes System 3 verwirklichen, wobei das Objekt 5 mit der Telemetrieeinheit 51 eine Instanz 32 für die Fernsteuerung 1 als haptisches Bediengerät 31 darstellt.
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Der Bediener B steuert das fernsteuerbarer Objekt 5 über die Steuerknüppel 10 seiner Fernsteuerung 1. Dabei werden die ersten Steuerungssignale S1 über den ersten Signalausgang 16 an einen Empfänger 52 des fernsteuerbaren Objekts 5 gefunkt. In der Folge werden die erste Steuersignale S1 in Bewegungen einzelner Servos (Rudermaschinen) 53 des fernsteuerbaren Objekts 5 umgesetzt, welche letztlich das Objekt 5 physisch steuern.
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Basierend auf bestimmten Flugzuständen bzw. Flugbedingungen (zum Beispiel eine zu geringe Rotordrehzahl, zu geringe Höhe, zu geringe Akkukapazität etc.) kann die Telemetriesensorik 510 Alarm geben und den Telemetriesender 511 veranlassen, zweite Steuersignale S2 an den Signaleingang 12 des haptischen Bediengeräts 31 zu senden, um damit entweder Flugzustandsschalter 10 automatisch und zeitnah zu (de)aktivieren oder Steuerknüppel 10 in bestimmte Verstellpositionen zu bringen. Beispielsweise kann auf diese Weise mit einem Flugzustandsschalter 10 automatisch eine andere Rotordrehzahl eines Modellhubschraubers 5 ausgewählt werden. Im Falle eines Modellflugzeugs 5 kann z. B. ein drohender Strömungsabriss („Stall“ aufgrund zu geringer Anströmgeschwindigkeit oder zu hohen Anstellwinkels einer Tragfläche) ein rettendes „Drücken“ des Höhenruder-Knüppels bewirken.
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Dabei muss der Bediener B nicht tatenlos zuschauen Eine automatische Steuerknüppelposition wird vielmehr nur dann von der Stelleinheit 11 angefahren, wenn er nicht genügend manuelle Haltkräfte oder Haltedrehmomente aufbringt, um gegen eine einstellbare Maximalkraft bzw. ein einstellbares Maximaldrehmoment des Stellantriebes 11 halten zu können. In jedem Fall kann der Bediener B die Vorgaberichtung der automatischen Korrektur durch die Telemetrieeinheit 51 des fernsteuerbaren Objektes 5 spüren.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems 3 ist im Zusammenhang mit einer Multikopter-Drohne denkbar, welche autark per GPS vorgegebene Positionen (sogenannte „Waypoints“) abfliegt. Wenn ein Bediener B einen solchen autonomen Flugmodus startet, können mit einem erfindungsgemäßen System 3 die von einem Flight Computer der Multikopter-Drohne 5 errechneten Steuerimpulse (zum Erreichen der Waypoints) über einen Telemetriesender 511 der Multikopter-Drohne 5 an ein haptisches Bediengerät 31 des Bedieners B gesendet werden, sodass die Steuerknüppel 10 des haptischen Bediengeräts 31 wie bei einem Autopiloten gesteuert werden. Es ist dabei auch ein Szenario denkbar, in welchem keine Betätigung eines Schalters mehr zum Verlassen des Autopilotenmodus erforderlich ist, sondern der Bediener B, beispielsweise in einem Notfall, lediglich in die Steuerknüppel 10 greifen muss, um wieder die Kontrolle über die Multikopter-Drohne 5 zu übernehmen. Eine Abweichung der Verstellpositionen der Steuerknüppel 10 des haptischen Bediengeräts 31 von den durch den Flight Computer errechneten optimalen Verstellpositionen kann dabei als Indikator für das Verlassen des Autopiloten-Modus verwendet werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann bei einer erfindungsgemäßen Fernsteuerung 1 durch die vorgesehene Regelungseinheit 13 in Verbindung mit dem Stellantrieb 11 eine manuelle Betätigung eines Steuerknüppels 10 zum Ausführen präziser Steuerknüppelbewegungen („Stickmoves“) unterstützt und erleichtert werden.
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Herkömmlichen Steuerknüppel weisen häufig mechanische Eigenschaften auf, die dem exakten biomotorischen Ausführen von bestimmten Stickmoves durch einen Bediener B in unerwünschter Weise entgegenwirken. Dazu zählt ein Wirkrichtungswechsel einer mechanischen Rückstellkraft beim Durchlaufen der Zentrierposition (d.h. der Position, die der Steuerknüppel nach Loslassen des Steuerknüppels 10 einnimmt). Ferner weisen die vier Quadranten-Bedienflächen eines herkömmlichen Steuerknüppels 10 im Allgemeinen im Vergleich zu den orthogonalen Steuerachsen unterschiedliche Rückstellkräfte auf. So fällt eine Bewegung entlang der Hauptachseln („hoch“, „runter“, „links“, „rechts“) einem Bediener leichter als eine diagonale Bewegung. Der Grund hierfür sind die Anzahl und Kennlinien der jeweils beteiligten Rückstellfedern 113. Deshalb ist es beispielsweise sehr schwer mit dem Steuerknüppel eine saubere Kreisbahn zu beschreiben.
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Bei einer erfindungsbemäßen Fernsteuerung 1 können Stellantriebe 11 die Kennlinien der Rückstellfedern nach individuellen Vorgaben überlagern. Möglich ist z. B., jeder Position des Steuerknüppels einen Wert für eine gewünschte Rückstellkraft F in Richtung eines frei wählbaren Zentrierpunktes vorzugeben. Haben beispielsweise in der Folge die Punkte einer Kreisbahn um den mittigen Zentrierpunkt herum gleichmäßig die Rückstellkraft Null, ist ein Bewegen des Steuerknüppels 10 auf dieser rückstellkraftlosen Kreisbahn innerhalb des Verstellbereichs V ohne viel Übung möglich.
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Grundsätzlich können die mechanischen Rückstellfedern 113 auch komplett durch die Regelungseinheit 13 und den Stellantrieb 11, z. B. elektromotorisch, nachgebildet und demzufolge bei der Konstruktion einer Fernsteuerung 1 eingespart werden. Es kann jedoch aus Sicherheitsgründen vorteilhaft sein, mechanische Rückstellfedern 113 dennoch beizubehalten, so dass beim Ausfall eines Stellantriebs 11 immer noch ein Zentrieren des Steuerknüppels 10 auf mechanischem Weg erfolgt.
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Ferner ist beispielsweise die Erzeugung einer gleich großen Rückstellkraft F in allen Richtungen möglich. Zudem kann ein unerwünschtes gedämpftes Schwingen des Steuerknüppels 10 um die Zentrierposition herum beim schlagartigen Loslassen aus einer weiten Auslenkung vermieden werden. Zusammenfassend sind mittels der Regelungseinheit 13 und des Stellantriebs 11 situations- und zustandsbedingt die Wirkung und Eigenschaften eines Steuerknüppels 10 modifizierbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fernsteuerung
- 1-1
- Erste Fernsteuerung
- 1-2
- Zweite Fernsteuerung
- 10
- Bedienelement
- 11
- Stellantrieb
- 110
- Motor
- 111
- Spindel
- 112
- Riemen
- 113
- Rückstellfeder
- 12
- Signaleingang
- 13
- Regelungseinheit
- 14
- Zweiter Signalausgang
- 15
- Sensoreinheit
- 16
- Erster Signalausgang
- 3
- System
- 31
- Haptisches Bediengerät
- 32
- Instanz
- 320
- Computer
- 321
- Server / Internet
- 322
- Datenbank
- 5
- Objekt
- 51
- Telemetrieeinheit
- 510
- Telemetriesensorik
- 511
- Telemetriesender
- 52
- Empfänger
- 53
- Servo
- 7
- Fernsteuerungsattrappe
- B
- Bediener
- B1
- Erster Bediener
- B2
- Zweiter Bediener
- B3
- Dritter Bediener
- F
- Kraft
- M
- Drehmoment
- S1
- Erste Steuersignale
- S2
- Zweite Steuersignale
- S2-1
- Zweite Steuersignale für die erste Fernsteuerung
- S2-2
- Zweite Steuersignale für die zweite Fernsteuerung
- SF
- Kraftbezogene Steuersignale
- SP
- Positionsbezogenen Steuersignale
- SR
- Feedbackkanal
- V
- Verstellbereich
