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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuervorrichtung, die mit einem System für sogenanntes taktiles Cueing ausgerüstet ist. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Steuervorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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Eine solche Steuervorrichtung kann zum Steuern von Fahrzeugen, insbesondere Luftfahrzeugen, Verwendung finden. Durch das taktile Cueing werden dem Benutzer der Steuervorrichtung haptische Signale gegeben. Diese Signale können intuitiv interpretiert werden, weil sie beispielsweise die Aufmerksamkeit des Benutzers in eine bestimmte Raumrichtung lenken, oder ihre Interpretation muss erlernt werden. Dann können über die haptischen Signale sehr unterschiedliche und detaillierte Informationen an den Benutzer übermittelt werden.
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STAND DER TECHNIK
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Aus A. Taylor et al. „The Development of Active Inceptor Systems and the Scope and Design Issues of Tactile Cueing Systems“, presented at the American Helicopter Society 64th Annual Forum, Montreal, April 2008 ist eine Steuervorrichtung mit einem um zwei zueinander senkrechte Schwenkachsen gegenüber einer Basis verschwenkbaren Steuerhebel bekannt, der auf Positions- und Kraftsensoren einwirkt, um einen Hubschrauber nach dem Fly by Wire-Konzept zu steuern. Zwischen dem Steuerhebel und der Basis wirkenden Rückstellfedern sind Aktuatoren parallel geschaltet, um aktiv Kräfte auf den Steuerhebel auszuüben. Diese Kräfte werden auf einen Handgriff am freien Ende des Steuerhebels und darüber auf die Hand eines Piloten des Hubschraubers übertragen. Mit Hilfe der Kräfte werden dem Benutzer unterschiedliche haptische Signale, sogenannte Cues, gegeben. Konkret handelt es sich um kurzzeitige Kräfte, die mit den Aktuatoren in bestimmten Richtungen und in bestimmter Abfolge auf den Steuerhebel aufgebracht werden. Mit den Aktuatoren soll zwar eine zusätzliche Sicherheit erreicht werden, weil die Aktuatoren aufgrund ihrer inhärenten Eigenschaften und ihrer Anordnung die Positionssensoren bei deren Ausfall ersetzen können. Tatsächlich ist es aber so, dass eine mechanische Blockade der Aktuatoren die Steuervorrichtung blockiert. Die Aktuatoren müssen also höchsten Anforderungen genügen und bei der bekanntermaßen aufwändigen Zulassung eines Luftfahrzeugs berücksichtigt werden. Dies bedeutet insbesondere, dass eine vorhandene Steuervorrichtung grundsätzlich nicht einfach mit den Aktuatoren nachgerüstet werden kann, um dem Benutzer der Steuervorrichtung haptische Signale geben zu können.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuervorrichtung mit einer solchen Einrichtung zum Geben von haptischen Signalen an einen Benutzer der Steuervorrichtung aufzuzeigen, dass auch Steuervorrichtungen von Luftfahrzeugen ohne Schwierigkeiten hinsichtlich deren Zulassung mit der Einrichtung nachrüstbar sind.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Steuervorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 11 definiert. Der Patentanspruch 12 betrifft ein Fahrzeug, insbesondere ein Luftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine erfindungsgemäße Steuervorrichtung weist eine Basis, einen um mindestens eine Hebelschwenkachse gegenüber der Basis verschwenkbar gelagerten Steuerhebel, einen in einem Griffabstand zu der mindestens einen Hebelschwenkachse an dem Steuerhebel gelagerten Handgriff und eine Einrichtung mit mindestens einem Aktuator zum Aufbringen von Kräften auf den Handgriff auf, um durch Ansteuern des mindestens einen Aktuators über den Handgriff haptische Signale an einen Benutzer der Steuervorrichtung zu geben. Der mindestens eine Aktuator bringt die Kräfte zwischen dem Steuerhebel und zumindest einem Teil des Handgriffs auf. Der mindestens eine Aktuator ist also zwischen den Steuerhebel und den Handgriff geschaltet. Der Aktuator stützt sich für das Aufbringen der Kräfte auf den zumindest einen Teil des Handgriffs nicht an der Basis der Steuervorrichtung ab, gegenüber der der Steuerhebel verschwenkt gelagert ist, sondern an dem Steuerhebel. Ein Funktionsausfall des mindestens einen Aktuators hat daher nur zur Folge, dass keine haptischen Signale mehr an den Benutzer der Steuervorrichtung gegeben werden können. Die grundsätzliche Funktionsweise des gegenüber der Basis verschwenkbar gelagerten Steuerhebels und der restlichen Steuereinrichtung ist nicht betroffen.
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Dabei versteht es sich, dass der an dem Steuerhebel gelagerte Handgriff der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung und auch der zumindest eine Teil des Handgriffs ohne Ansteuern des mindestens einen Aktuators gegenüber dem Steuerhebel festliegt, also insbesondere kein Spiel zwischen diesen beiden Teilen vorliegt. Beim Geben der haptischen Signale durch die mit dem Aktuator auf den Handgriff aufgebrachten Kräfte kann ein effektives Spiel der Steuervorrichtung gezielt genutzt werden, so dass aufgrund der Kräfte keine Steuersignale von der Steuervorrichtung generiert werden. Konkret kann es infolge der Kräfte auf den Handgriff und der dadurch provozierten Reaktionskräfte der Hand des Benutzers zwar zu Bewegungen des Steuerhebels gegenüber der Basis der Steuervorrichtung kommen. Diese Bewegungen können aber so klein bleiben oder so hochfrequent sein, dass sie zu keiner Ausgabe von Steuersignalen durch die erfindungsgemäße Steuervorrichtung führen, also beispielsweise in keine Bewegungsänderungen eines mit der Steuervorrichtung gesteuerten Fahrzeugs resultieren.
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Vorzugsweise ist der mindestens eine Aktuator bei der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung in einem Aktuatorabstand zu der mindestens einen Hebelschwenkachse angeordnet, der mindestens 75 %, vorzugsweise mindestens 90 % und am meisten bevorzugt mindestens 100 % des Griffabstands beträgt. Unter dem Griffabstand ist hier immer der Abstand zwischen der mindestens einen Hebelschwenkachse und dem der Hebelschwenkachse zugekehrten Ende des Handgriffs zu verstehen. Typischerweise liegt der Griffabstand in der Größenordnung von einem oder wenigen Dezimetern. Durch den möglichst mindestens genauso großen oder auch größeren Aktuatorabstand werden die Kräfte zwischen dem Steuerhebel und dem zumindest einen Teil des Handgriffs zwar mit einem hohen Drehmoment um die Hebelschwenkachse, aber ohne eine Wegvergrößerung durch einen längeren Hebelarm, aufgebracht.
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Günstig ist es, wenn der Aktuator innerhalb des Handgriffs angeordnet ist. Dort liegt er geschützt und nimmt keinen Extrabauraum in Anspruch.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der zumindest eine Teil des Handgriffs, auf den der mindestens eine Aktuator die Kräfte aufbringt, um eine Griffschwenkachse verschwenkbar an dem Steuerhebel gelagert. Diese Griffschwenkachse kann in einem Achsenabstand zu der mindestens einen Hebelschwenkachse angeordnet sein, der mindestens 90 %, vorzugsweise mindestens 100 % und am meisten bevorzugt mindestens 110 % des Griffabstands beträgt. Die Griffschwenkachse verläuft also am meisten bevorzugt durch den Handgriff. Die Griffschwenkachse kann insbesondere auf etwa halber Längserstreckung des Handgriffs durch den Handgriff verlaufen.
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Konkret kann die Griffschwenkachse mit einem Festkörpergelenk zwischen dem Steuerhebel und dem zumindest einen Teil des Handgriffs ausgebildet sein. Mit einem Festkörpergelenk kann mit geringem Aufwand eine spielfreie und ohne Betätigung des Aktuators starre Lagerung des Handgriffs an dem Steuerhebel erreicht werden.
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Wenn die Griffschwenkachse nicht parallel, sondern normal zu der mindestens einen Hebelschwenkachse verläuft, wird verhindert, dass die mit dem Aktuator auf den Handgriff aufgebrachten Kräfte zu einem Verschwenken des Hebels um die Hebelschwenkachse führen. Dann ist es jedoch nicht möglich, den Benutzer gezielt in der Betätigungsrichtung des Steuerhebels um die mindestens eine Hebelschwenkachse haptische Signale zu geben. Daher werden die Griffschwenkachse und die mindestens eine Hebelschwenkachse häufig doch parallel zueinander verlaufen.
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Wenn der mindestens eine Aktuator Kräfte in gegenläufigen Richtungen auf den zumindest einen Teil des Handgriffs und einen diesem gegenüberliegenden weiteren Teil des Handgriffs aufbringt, wird ebenfalls verhindert, dass sich durch die Abstützung des Handgriffs an der Hand des Benutzers oder von dem Benutzer aufgebrachte Gegenkräfte eine Bewegung des Steuerhebels gegenüber der Basis ergibt. Wie bereits ausgeführt wurde, kann diese Bewegung aber auch grundsätzlich innerhalb des effektiven Spiels der Steuervorrichtung gehalten werden und somit ohne Auswirkung bleiben. Aus diesem Grund ist auch eine einteilige Ausbildung des Handgriffs der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung vorteilhaft, bei der der Aktuator die Kräfte zwischen dem Steuerhebel einerseits und dem gesamten Handgriff andererseits aufbringt.
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Um eine effektive Steuereingabe durch die mit dem Aktuator auf den einteiligen Handgriff aufgebrachten Kräfte zu verhindern, kann der mindestens eine Aktuator die Kräfte abwechselnd in gegenläufigen Richtungen aufbringen, wobei sich die Richtungen der Kräfte mit einer minimalen Frequenz von 1 Hz und vorzugsweise mit einer minimalen Frequenz von 0,5 Hz abwechseln. Die minimale Frequenz kann in Abstimmung auf die restliche Steuervorrichtung so festgelegt sein, dass mit dieser oder höheren Frequenzen resultierende Bewegungen des Steuerhebels nicht als Steuereingaben registriert werden. Der mindestens eine Aktuator kann die Kräfte auch so abwechselnd in den gegenläufigen Richtungen aufbringen, dass ein Integral der Kräfte mit der minimalen Frequenz um null schwankt. Dabei ist jeweils auf die Gesamtkräfte abzustellen, die etwaige Rückstellkräfte einschließen, welche zwischen dem Handgriff und dem Steuerhebel wirksam sind.
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Weiterhin kann der mindestens eine Aktuator die Kräfte so aufbringen, dass der Handgriff bei den üblicherweise auftretenden Gesamtsteifigkeiten in der jeweiligen Richtung um mindestens 0,1 mm und nicht mehr als 10mm, vorzugsweise um mindestens 0,5 mm und nicht mehr als 5 mm, gegenüber dem Steuerhebel verlagert wird. Diese Angaben beziehen sich auf den Bereich des Handgriffs, in dem dessen Verlagerung gegenüber dem Steuerhebel am größten ist. Die Verlagerungen des Handgriffs gegenüber dem Steuerhebel können in den gegenläufigen Richtungen unterschiedlich sein, um ein in die Richtung mit der schnelleren Verlagerung weisendes haptisches Signal zu geben.
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In dieselbe Richtung zielt, wenn der mindestens eine Aktuator die Kräfte für jeweils nicht mehr als 0,5 s, vorzugsweise für nicht mehr als 0,3 s und am meisten bevorzugt für nicht mehr als 0,1 s. ununterbrochen in derselben Richtung aufbringt. Auch hierdurch wird vermieden, dass die an den Benutzer mittels der Kräfte gegebenen haptischen Signale in ungewollte Steuereingaben resultieren.
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Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug, insbesondere ein Luftfahrzeug, weist eine erfindungsgemäße Steuervorrichtung auf. Dabei kann das erfindungsgemäße Fahrzeug mit dem Aktuator zwischen dem Steuerhebel und dem Handgriff der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung nachgerüstet sein. Eine derartige Nachrüstung ist auch bei einem Luftfahrzeug möglich, ohne dass eine komplett neue Zulassung erforderlich ist.
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Für eine solche Nachrüstung ist es vorteilhaft, wenn der mindestens eine Aktuator die Kräfte zwischen einem auf einen Grundkörper des Steuerhebels aufgesetzten Stützkörper und dem zumindest einem Teil des Handgriffs aufbringt, wobei an dem Stützkörper eine Schnittstelle zum Empfangen von vorzugsweise drahtungebundenen Ansteuersignalen für den mindestens einen Aktuator und ein Energiespeicher zur Energieversorgung des mindestens einen Aktuators angeordnet sind. Dann kann einfach ein bisheriger Handgriff durch die Baugruppe mit dem Grundkörper und dem Handgriff der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung ausgetauscht werden. Wenn an dem Steuerhebel eine Spannungsversorgung gegeben ist, kann der Energiespeicher für den Aktuator hieraus aufgeladen werden. Ansonsten sollte er von extern aufladbar und/oder auswechselbar sein.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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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.
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Hinsichtlich des Offenbarungsgehalts - nicht des Schutzbereichs - der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents gilt 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, was aber nicht für die unabhängigen Patentansprüche des erteilten Patents gilt.
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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. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch weitere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die der Gegenstand des jeweiligen Patentanspruchs aufweist.
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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.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
- 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Steuervorrichtung, deren Handgriff von einer Hand eines Benutzers gehalten wird.
- 2 zeigt schematisch den inneren Aufbau des Handgriffs der Steuervorrichtung gemäß 1.
- 3 zeigt eine Relativbewegung des Handgriffs gemäß 2 gegenüber einem Steuerhebel gemäß 1 beim Geben eines haptischen Signals und
- 4 zeigt eine Relativbewegung des Handgriffs gemäß 2 gegenüber einem Steuerhebel gemäß 1 beim Geben eines anderen haptischen Signals.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Die in 1 schematisch dargestellte Steuervorrichtung 1 weist eine Basis 2 auf, gegenüber der ein Steuerhebel 3 um mindestens eine Hebelschwenkachse 4 verschwenkbar gelagert ist, wie durch einen Doppelschwenkpfeil 5 angedeutet ist. Dabei ist der Steuerhebel 3 über eine Abstützung 6 elastisch an der Basis 2 abgestützt. An der Abstützung 6 sind hier nicht dargestellte Positions- und Kraftsensoren angeordnet, um die Position, d. h. die Schwenkstellung des Steuerhebels 3 um die Hebelschwenkachse 4, und eine dabei von einem Benutzer der Steuervorrichtung 1 auf den Steuerhebel 3 ausgeübte Kraft zu messen. Aus den Messwerten der Position und der Kraft wird ein Steuersignal generiert, dass die Steuervorrichtung 1 ausgibt. Basierend auf diesem Steuersignal wird dann beispielsweise ein hier nicht dargestelltes Fahrzeug, insbesondere ein Luftfahrzeug, gesteuert. Der Benutzer der Steuervorrichtung 1 greift mit seiner Hand 7 an einem Handgriff 8 an, der an einem freien Ende 9 des Steuerhebels gelagert ist. Der Handgriff 8 ist in einem Griffabstand 10 zu der Hebelschwenkachse 4 an dem Steuerhebel 3 angeordnet und gegenüber dem Steuerhebel 3 um eine Griffschwenkachse 11 verschwenkbar. Diese Verschwenkbarkeit ist durch einen Doppelschwenkpfeil 12 und dadurch angezeigt, dass der Handgriff 8 mit schwarzen Linien 13 und grauen Linien 14 in zwei verschiedenen Schwenkstellungen um die Griffschwenkachse 11 dargestellt ist. Die Griffschwenkachse 11 verläuft in einem Achsenabstand 15, der hier um etwa ein Drittel größer als der Griffabstand 10 ist, parallel zu der Hebelschwenkachse 4.
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2 ist ein Längsschnitt durch den Handgriff 8 und zeigt dessen schwenkbare Lagerung um die Griffschwenkachse 11 an dem freien Ende 9 des Steuerhebels 8. Insbesondere dann, wenn der Steuerhebel 8 seinerseits um mehrere Hebelschwenkachsen 4 gegenüber der Basis 2 verschwenkbar ist, können auch mehrere Griffschwenkachsen 11 zwischen dem Steuerhebel 3 und dem Handgriff 8 ausgebildet sein. Jede Griffschwenkachse 11 kann durch ein hier nicht dargestelltes Festkörpergelenk realisiert sein. Zum Verschwenken des Handgriffs 8 gegenüber dem Steuerhebel 3 um die Griffschwenkachse 11 ist ein Aktuator 16 in dem Handgriff 8 vorgesehen. Beim Ansteuern des Aktuators 16 übt dieser eine Kraft zwischen dem Steuerhebel 3 und dem Handgriff 8 aus. Aufgrund dieser Kraft wird der Handgriff 8 gegenüber dem Steuerhebel 3 in einer der Richtungen des Doppelschwenkpfeils 12 um die Griffschwenkachse 11 verschwenkt. Dieses Verschwenken hat selbst dann, wenn der Benutzer der Steuervorrichtung 1 den Handgriff 8 mit seiner Hand 7 festhält, allenfalls ein minimales Verschwenken des Steuerhebels 3 um die Hebelschwenkachse 4 in einer der Richtungen des Doppelschwenkpfeils 5 zur Folge. Dieses Verschwenken hat in der Regel kein Steuersignal der Steuereinrichtung 1 zur Folge, sondern bewegt sich innerhalb deren effektiven Spiel. Dieses effektive Spiel umfasst solche Relativbewegungen des Steuerhebels 3 gegenüber der Basis 2 um die Hebelschwenkachse 4, die wegen ihrer zu geringen Amplitude und/oder ihrer zu hohen Frequenz bei der Erzeugung von Steuersignalen durch die Steuervorrichtung 1 gezielt unberücksichtigt bleiben.
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3 zeigt eine durch die Kraft des Aktuators 16 hervorgerufene Schwenkbewegung des Handgriffs 8 gegenüber dem Steuerhebel 3 in Form eines Sägezahnmusters 17 eines Schwenkwinkels φ. Durch dieses haptische Signal 18 kann dem Benutzer der Steuervorrichtung 1 signalisiert werden, dass in der entsprechenden Betätigungsrichtung des Steuerhebels 3 Aufmerksamkeit geboten ist.
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4 zeigt ein anderes haptisches Signal 19, bei dem mit einer Relativbewegung des Handgriffs 8 gegenüber dem Steuerhebel 3 in Form einzelner Pulse 20 dem Benutzer der Steuervorrichtung 1 eine andere Information übermittelt wird. Konkret kann es sich um die Annäherung an eine Grenze der Flugenveloppe eines Luftfahrzeugs handeln, wobei der noch vorhandene Abstand zu der Grenze durch einen Pulsabstand 21 der Pulse 20 angezeigt wird. Mit anderen Worten kann sich der Pulsabstand 21 mit dem aktuellen Abstand zu der Flugenveloppe des Luftfahrzeugs ändern.
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Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung ist nicht nur bei Fahrzeugen, insbesondere Luftfahrzeugen, sondern auch auf allen anderen Gebieten anwendbar, auf denen Steuerhebel verwendet werden, zu denen auch Lenker von Zweirädern, industrielle Steuerstände, Computer, Joysticks und dergleichen zählen.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 1
- Steuervorrichtung
- 2
- Basis
- 3
- Steuerhebel
- 4
- Hebelschwenkachse
- 5
- Schwenkdoppelpfeil
- 6
- Abstützung
- 7
- Hand
- 8
- Handgriff
- 9
- freies Ende des Steuerhebels 3
- 10
- Griffabstand
- 11
- Griffschwenkachse
- 12
- Doppelschwenkpfeil
- 13
- schwarze Linie
- 14
- graue Linie
- 15
- Achsenabstand
- 16
- Aktuator
- 17
- Sägezahnmuster
- 18
- haptisches Signal
- 19
- haptisches Signal
- 20
- Puls
- 21
- Pulsabstand
