DE202008015384U1

DE202008015384U1 - Vorrichtung für schaltbare Pilotensteuerkräfte

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Publication number: DE202008015384U1
Application number: DE202008015384U
Authority: DE
Original assignee: Eurocopter Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 2008-11-19
Filing date: 2008-11-19
Publication date: 2009-01-22
Anticipated expiration: 2018-11-20
Also published as: US20100123045A1; US8376283B2

Abstract

Eine Vorrichtung (100) zur Steuerung von Fahrzeugen, welche umfasst:
– eine manuelle Steuereinheit (101), welche es ermöglicht die Bewegungsrichtung eines Fahrzeugs zu beeinflussen, wobei ein Trimmpunkt (201) vorgesehen ist, welcher eine bevorzugte Bewegungsrichtung bei einer neutralen Position der manuellen Steuereinheit (101) festlegt;
– Mittel zur Erzeugung von Kräften (130–134), welche in Richtung der neutralen Position der manuellen Steuereinheit (101) wirken;
– eine Trimm-Kupplung (110), welche es ermöglicht, bei Betätigung, die Kräfte (130–134) auf die manuelle Steuereinheit (101) zu reduzieren; und
– eine Trimm-Kontroll-Einheit (112), welche den Trimmpunkt (201), welcher vor Betätigung der Trimm-Kupplung (110) bestand, speichert und beibehält.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung von Fahrzeugen, wie z. B. Luft- und Wasserfahrzeugen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Verbesserung der Robustheit von Steuerungssystemen in Luftfahrzeugen gegen unbeabsichtigte Piloteneingriffe unter Beibehaltung der direkten Eingriffsmöglichkeit des Piloten.
Die folgenden Ausführungen werden am Beispiel eines Luftfahrzeugs dargestellt, können aber analog für alle Fahrzeuge eingesetzt werden, bei denen eine Steuerung von Rudern innerhalb von Strömungen erfolgt, z. B. Wasserfahrzeugen.
In Luftfahrzeugen mit servo-verstärkten Steuerungen ist ein sogenanntes „künstliches Kraftgefühl" mit künstlichen Ausbrechkräften, welche bevorzugt konstant sind, und einem ggf. zusätzlichen künstlichen Kraftgradienten zur komfortablen Steuerung durch den Piloten üblich. Diese künstlichen Kräfte, d. h. die künstlichen Ausbrechkräfte und die zusätzlichen optionalen künstlichen Kraftgradienten, sollten relativ moderat sein, um dem Piloten ein feinfühliges Steuern zu ermöglichen. Der Trimmpunkt, an dem das künstliche Kraftgefühl für den Piloten spürbar wird, ist durch eine Trimmkupplung und/oder einen Trimmmotor innerhalb eines bestimmten Steuerbereiches verschiebbar.
Bei Verwendung eines Flugreglers oder eines Autopiloten (Automatic Flight Control System, AFCS) werden diese künstlichen Ausbrechkräfte als Abstützung für die Einbringung von AFCS-Stellantriebssignalen in die Flugsteuerung genutzt. Die Kräfte, welche von einem solchen Autopiloten auf die Steuerung ausgeübt werden können, sind somit durch diese künstlichen Ausbrechkräfte der Steuerung begrenzt.
Eine Überwindung der künstlichen Ausbrechkraft bzw. eine Bewegung im Bereich des Kraftgradienten wird vom AFCS Rechner im Allgemeinen als beabsichtigter Eingriff des Piloten in die Steuerung gewertet und führt zur zeitwesen Degradierung der AFCS Betriebsart, um ein Gegeneinander-Arbeiten von Pilot und AFCS zu vermeiden. In Abhängigkeit von dem Typ des Luftfahrzeugs und der aktuellen Flugsituation, kann eine Degradierung der AFCS Betriebsart dabei in unterschiedlichem Ausmaß erfolgen. Es ist z. B. eine komplette Degradierung des Autopiloten vorstellbar, so dass eine Steuerung des Luftfahrzeugs ausschließlich durch die manuellen Steuereingriffe des Piloten erfolgt. Es ist aber auch eine nur teilweise Degradierung des Autopiloten denkbar, bei dem das Luftfahrzeug weiterhin durch den Autopiloten stabilisiert wird und der Pilot durch seine manuellen Steuereingriffe die groben Steuereingaben, wie z. B. die Flugrichtung, übernimmt.
Der Vorteil dieser Ausführung liegt in der direkten Eingriffsmöglichkeit des Piloten in die Steuerung und in einer eindeutigen automatischen Degradierung der AFCS Betriebsart zugunsten der manuellen Steuerung durch den Piloten. Dadurch kann ein unbeabsichtigtes Gegeneinander-Arbeiten des Autopiloten und des Piloten vermieden werden, was ansonsten zu kritischen Flugsituationen führen könnte. Eine derartige direkte Eingriffsmöglichkeit für den Piloten setzt jedoch moderate Ausbrechkräfte voraus, um eine komfortable manuelle Steuerung zu ermöglichen. Diese gesamten Ausbrechkräfte setzen sich zum einen aus der Komponentenreibung in der Steuerung und den zusätzlichen künstlichen Ausbrechkräften zur Abstützung des Autopiloten zusammen. Da die gesamten Ausbrechkräfte durch den Piloten zu überwinden sind, ergibt sich der Nachteil, dass bei hoher unerwünschte Komponentenreibung, nur geringe künstlichen Ausbrechkräfte zur Abstützung des Autopiloten gewählt werden können, so dass sich eine hohe Empfindlichkeit des Systems gegen unbeabsichtigte Eingriffe des Piloten ergibt. Das kann dazu führen, dass ein unbeabsichtigtes Anstoßen des Steuerorgans oder ein versehentliches Festlegen des Steuerorgans durch den Piloten zu einer Degradierung des Autopiloten führen könnte, ohne dass dies vom Piloten beabsichtigt und/oder bemerkt wird. Außerdem werden, wie bereits erwähnt, durch geringe künstliche Ausbrechkräfte auch die Kräfte begrenzt, welche durch den Autopiloten während der AFCS-Betriebsart auf die Steuerung ausgeübt werden können.
Bei anderen Ausführungen bleibt das AFCS solange aktiv bis es vom Piloten durch einen Schalter oder einen Berührungssensor am Steuerorgan degradiert wird. Bei dieser Ausführung ergibt sich als Vorteil die größere Robustheit gegen unbeabsichtigte Piloteneingriffe, dem jedoch als Nachteil das Fehlen einer selbststätigen Degradierung bei Piloteneingriffen gegenübersteht, was – wie bereits erwähnt – zu kritischen Flugsituationen führen kann. Die Betätigung des Schalters oder des Berührungssensors am Steuerorgan führt im Allgemeinen zu einer Entkopplung der Trimm-Kupplung, wodurch ein Trimm-Motor, über den das AFCS in die Steuerung eingreift, von der Steuerung entkoppelt wird. Diese Entkopplung führt im Allgemeinen auch zu einer Reduzierung der Ausbrechkräfte, z. B. durch eine teilweise oder komplette Entkopplung der künstlichen Ausbrechkräfte. Der Pilot ist dann in der Lage eine manuelle Steuerung des Flugzeugs mit reduzierten Ausbrechkräften durchzuführen. Außerdem ist es möglich, erhöhte künstliche Ausbrechkräfte in der AFCS-Betriebsart zu verwenden und somit den Kräftespielraum für den Autopiloten zu erhöhen, da eine manuelle Steuerung durch den Piloten bei teilweiser oder kompletter Entkopplung dieser künstlichen Ausbrechkräfte erfolgt. Durch die Entkopplung des Trimm-Motors geht jedoch im Allgemeinen auch der ursprüngliche Trimmpunkt verloren, was von den Piloten häufig als unangenehm empfunden wird, da der Trimmpunkt nach Beendigung des manuellen Eingriffs wieder eingestellt werden muss.
Es existieren außerdem kombinierte Ausführungsformen, bei denen eine Degradierung des Autopiloten sowohl über den direkten Eingriff des Piloten in die Steuerung durch Überwindung der gesamten Ausbrechkräfte, als auch durch Betätigung eines Schalters oder eines Berührungssensors am Steuerorgan erfolgen kann. Bei diesen ergeben sich jedoch auch die bereits erwähnten Nachteile, dass die künstlichen Ausbrechkräfte, welche dem Autopiloten zur Einwirkung in die Steuerung zu Verfügung stehen, moderat sein müssen, um einen manuellen Eingriff des Piloten zu ermöglichen und dass bei Entkopplung der Trimm-Kupplung der Trimmpunkt verloren geht.
Die vorliegende Erfindung löst die angeführten Probleme und offenbart eine Vorrichtung zur Steuerung von Luft- und Wasserfahrzeugen, welche eine hohe Robustheit gegen unbeabsichtigte Piloteneingriffe aufweist und einen hohen Kräftespielraum für das Einwirken des Autopiloten ermöglicht. Außerdem wird weiterhin der manuelle Eingriff in die Steuerung durch den Piloten bei akzeptablen Aus brechkräften gewährleistet. Schließlich ermöglicht die Erfindung eine Beibehaltung eines voreingestellten Trimmpunktes auch nach Durchführung einer manuellen Steuerung.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung von Fahrzeugen, welche eine manuelle Steuereinheit umfasst, welche es ermöglicht die Bewegungsrichtung eines Fahrzeugs zu beeinflussen. Bei der manuellen Steuereinheit kann es sich je nach Fahrzeugtyp z. B. um einen Steuerknüppel, ein Steuerhorn, ein Sidestick, Pedalen, ein Lenkrad oder ein Steuerruder handeln. Bei den Fahrzeugen handelt es sich bevorzugt um Fahrzeuge, welche in einem strömenden Medium gesteuert werden, wie z. B. Luftfahrzeuge oder Wasserfahrzeuge. Insbesondere betrifft die vorliegende Vorrichtung die Steuerung von Hubschraubern.
Die Vorrichtung hat einen Trimmpunkt, welcher eine bevorzugte Bewegungsrichtung des Fahrzeugs bei einer neutralen Position der manuellen Steuereinheit festlegt. Diese neutrale Position der manuellen Steuereinheit zeichnet sich im Allgemeinen dadurch aus, dass in ihr keine Kräfte auf die manuelle Steuereinheit wirken. D. h. weder der Pilot noch ein Autopilot müssen Kräfte aufbringen, um die manuelle Steuereinheit in ihrer neutralen Position zu halten. Da im Allgemeinen Ausbrechkräfte überwunden werden müssen, um die manuelle Steuereinheit aus ihrer neutralen Position zu bringen, zeichnet sich die neutrale Position der manuellen Steuereinheit auch dadurch aus, dass in ihr Kräfte wirken, welche kleiner sind als die gesamten Ausbrechkräfte der Steuerung.
Durch die Festlegung eines Trimmpunkts kann die Steuerung des Fahrzeugs an bestimmte Strömungsverhältnisse angepasst werden. Insbesondere in Luftfahrzeugen kann so erreicht werden, die für eine stabile Flugsituation und/oder eine bevorzugte Bewegungsrichtung erforderlichen Steuerkräfte auf Null zu bringen, welche von dem Piloten oder einem Autopiloten aufgebracht werden müssen. Es müssen dann von dem Piloten bzw. von dem Autopiloten nur Kräfte aufgebracht werden, wenn die stabile Flugsituation oder die bevorzugte Bewegungsrichtung verlassen werden soll. Die aufzubringenden Kräfte setzen sich im Allgemeinen aus Reibungskräften der gesamten Steuerung und möglicherweise zusätzlichen künstlichen Ausbrechkräften und künstlichen Kräftegradienten zusammen.
Desweiteren umfasst die Vorrichtung Mittel zur Erzeugung von Rückstellkräften, welche in Richtung der neutralen Position der manuellen Steuereinheit wirken. Diese Mittel zur Erzeugung von Rückstellkräften umfassen z. B. elastische Elemente, wie vorgespannte Rückstell-Federn, oder hydraulische Vorrichtungen, welche vorgesehen sind, um die manuelle Steuereinheit in ihre neutrale Position zu bringen und in dieser Position zu halten. Außerdem können die Rückstellkräfte auch direkt durch die getrimmten Ruder selbst bewirkt werden. Diese Rückstellkräfte werden jedoch im Allgemeinen durch eine Servo-Einrichtung reduziert oder komplett beseitigt. Eine solche Servo-Einrichtung wird üblicherweise einem Ruder oder einem anderen Mittel zur Steuerung der Bewegungsrichtung vorgeschaltet, um die Steuereingaben eines Piloten oder eines Autopiloten zu verstärken und so die häufig sehr hohen Kräfte zur Auslenkung der Ruder aufzubringen.
Es ist zu unterscheiden zwischen Rückstellkräften, welche in Richtung der neutralen Position der manuellen Steuereinheit wirken, und Ausbrechkräften, welche aufgebracht werden müssen, um die manuelle Steuereinheit aus ihrer neutralen Position zu bringen. Die gesamten Ausbrechkräfte können sich beispielsweise aus mechanischen Reibungskräften innerhalb der Steuerungs-Vorrichtung und zusätzlichen künstlichen Ausbrechkräften einer Rückstell-Feder zusammensetzen. Die Rückstellkräfte der Vorrichtung bestehen dann aus den Rückstellkräften dieser Rückstell-Feder.
Die Vorrichtung umfasst außerdem eine Trimm-Kupplung, welche es ermöglicht, bei Betätigung der Trimm-Kupplung, die Kräfte auf die manuelle Steuereinheit, welche zur Auslenkung der manuellen Steuereinheit aus der neutralen Position heraus aufzubringen sind, zu reduzieren. Eine Steuer-Vorrichtung könnte z. B. derart aufgebaut sein, dass durch eine Rückstell-Feder künstliche Ausbrechkräfte auf die manuelle Steuereinheit erzeugt werden. Diese Rückstell-Feder ist dann auf der einen Seite mit der manuellen Steuereinheit verbunden und auf der anderen Seite fixiert. Die Reduzierung der Kräfte auf die manuelle Steuereinheit kann dann z. B. dadurch erreicht werden, dass die Trimm-Kupplung zwischen der Rückstell-Feder und der Fixierung angebracht ist, so dass bei Betätigung der Trimm-Kupplung die Rückstell-Feder funktionell von der manuellen Steuereinheit entkoppelt wird und so die Kräfte um die von der Rückstell-Feder bewirkten Kräfte reduziert werden.
Schließlich umfasst die Vorrichtung eine Trimm-Kontroll-Einheit, welche den Trimmpunkt, welcher vor Betätigung der Trimm-Kupplung bestand, speichert und es – z. B. in einem ersten Modus – ermöglicht, diesen Trimmpunkt – auch nach erneuter Kopplung der Trimm-Kupplung – beizubehalten bzw. wieder herzustellen. Durch eine derartige Vorrichtung wird es einem Piloten ermöglicht, sowohl manuelle Steuerungen bei reduzierten Steuerkräften durchzuführen, als auch eine Beibehaltung des Trimmpunktes zu veranlassen.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung einen zweiten Modus auf, in welchem bei Betätigung der Trimm-Kupplung der Trimmpunkt neu eingestellt wird. Dieser zweite Modus ermöglicht die manuelle Steuerung des Fahrzeugs bei reduzierten Kräften, welche in Richtung der neutralen Position der manuellen Steuereinheit wirken, und die gleichzeitige Einstellung eines neuen Trimmpunktes. Dies kann z. B. dann erforderlich sein, wenn sich die Strömungsverhältnisse oder die gewünschte Bewegungsrichtung geändert haben.
Die beiden Modi der Vorrichtung können durch den Piloten gewählt und z. B. jeweils durch Einfach- bzw. Doppel-Klicken eines Schalters an der manuellen Steuereinheit aktiviert werden. Es sind auch andere Aktivierungsmöglichkeiten der Modi denkbar, z. B. Kippschalter oder die Verwendung zweier separater Schalter. Außerdem ist denkbar, dass die Trimm-Kontroll-Einheit grundsätzlich immer den Trimmpunkt bei Betätigung der Trimm-Kupplung speichert und der Pilot erst bei der Kopplung der Trimm-Kupplung entscheiden kann, ob der ursprüngliche Trimmpunkt wieder hergestellt wird oder ob ein neuer Trimmpunkt eingestellt werden soll.
Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung umfasst die Vorrichtung Mittel zur Steuerung der Bewegungsrichtung, insbesondere Seitenruder, Höhenruder oder Steuerruder. Bei Hubschraubern können die Mittel zur Steuerung der Bewegungsrichtung die Rotoren und die Taumelscheibe des Hubschraubers, welche den Anstellwinkel des Rotors beeinflusst, umfassen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung weiter ein Stellglied, welches – direkt oder indirekt über die manuelle Steuereinheit – auf die Mittel zur Steuerung der Bewegungsrichtung einwirkt. Bei einem Stellglied kann es sich z. B. um einen Trimm-Motor bzw. einen Stellmotor handeln, welcher auf der einen Seite mit der Trimm-Kupplung verbunden ist und auf der anderen Seite fixiert ist. Über den Timm-Motor kann dann der Trimmpunkt eingestellt werden. Dabei kann es sich um einen Schritt-Motor handeln, welcher über einen Trackpoint, einen Trackball oder allgemein einen richtungsabhängigen Schalter angesteuert wird, um möglichst genau den Trimmpunkt einstellen zu können.
Bei Verwendung eines Stellglieds und insbesondere eines Trimm-Motors kann der erste Modus der Vorrichtung dadurch realisiert werden, dass die Trimm-Kontroll-Einheit die Einstellungsinformationen des Trimm-Motors vor Betätigung der Trimm-Kupplung speichert. Bei diesen Einstellungsinformationen kann es sich z. B. um Informationen bzgl. der örtlichen Koordinaten der neutralen Position und/oder bzgl. der Einstellungen des Trimm-Motors in dieser neutralen Position handeln. Nach Kopplung der Trimm-Kupplung kann dann der ursprüngliche Trimmpunkt dadurch beibehalten bzw. wiederhergestellt werden, dass diese gespeicherten Einstellungsinformationen über den Trimm-Motor wieder eingestellt werden.
Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung weist die Vorrichtung einen Steuerbereich auf, in welchem der Trimmpunkt eingestellt werden kann. Dieser Steuerbereich entspricht im Allgemeinen dem Bereich, innerhalb dessen die Mittel zur Steuerung der Bewegungsrichtung durch die Auslenkung der manuellen Steuereinheit beeinflusst werden können.
Desweiteren kann die Vorrichtung einen Autopiloten umfassen. Dieser kann beispielsweise anhand des Timm-Motors auf die Mittel zur Steuerung der Bewe gungsrichtung einwirken. Die Vorrichtung kann weiter zwischen manueller Steuereinheit und den Mitteln zur Steuerung der Bewegungsrichtung einen sogenannten SAS (Stability Agumented System)/SEMA (Smart Electromechanical Actuator)-Aktuator umfassen, welcher kurzfristige Stabilisierungsfunktionen wahrnimmt und ebenfalls vom Autopiloten gesteuert wird. Dieser SAS/SEMA-Aktuator ergänzt dann die Steuerung über den Timm-Motor, welche für die übergeordnete Richtungs- und Bewegungssteuerung zuständig ist, und ermöglicht stabilisierende Maßnahmen, wie z. B. das ausgleichende Reagieren auf Windböen oder Wellen.
Der Einfluss des Autopiloten auf die Bewegungsrichtung des Fahrzeugs kann durch Betätigung der Trimm-Kupplung oder durch Betätigung der manuellen Steuereinheit reduziert werden. Z. B. kann der Autopilot durch Betätigung der Trimm-Kupplung komplett von der Steuerung der Bewegungsrichtung entkoppelt, d. h. komplett degradiert, werden. Es ist aber auch möglich, dass der Autopilot nur teilweise degradiert wird und weiterhin in einem reduzierten Rahmen auf die Bewegungsrichtung des Fahrzeugs einwirken kann. Insbesondere kann der Autopilot weiterhin auf die Stabilisierung des Fahrzeugs einwirken und so z. B. ausgleichend auf Windböen oder Wellen reagieren. Dies kann durch den SAS/SEMA-Aktuator ermöglicht werden, da, anders als der Trimm-Motor, der SAS/SEMA-Aktuator nicht durch die Entkopplung der Trimm-Kupplung von der Steuerung entkoppelt wird. Der Autopilot wird daher durch Betätigung der Trimm-Kupplung nur teilweise degradiert und kann weiterhin stabilisierende Maßnahmen über den SAS/SEMA-Aktuator durchführen.
Wie bereits dargestellt, können durch ein Rückstell-Element zwischen der manuellen Steuereinheit und der Trimm-Kupplung Kräfte, welche in Richtung der neutralen Position der manuellen Steuereinheit wirken, erzeugt werden. Diese Kräfte können aus einer konstanten Ausbrechkraft zur anfänglichen Auslenkung der manuellen Steuereinheit und einem Kraftgradienten bei steigender Auslenkung der manuellen Steuereinheit bestehen. Die Kräfte mit denen ein Autopilot, welcher über die Trimm-Kupplung eingekuppelt wird, auf die Mittel zur Steuerung der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs einwirken kann, sind im Allgemeinen durch die Ausbrechkräfte dieses Rückstell-Element begrenzt.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Dabei zeigt
1 ein Ausführungsbeispiel für die Steuerung eines Hubschraubers; und
2 die Kräfte, welche bei manueller Steuerung überwunden werden müssen.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Steuerung 100 eines Hubschraubers. Der Steuerknüppel 101 verfügt über einen Griff 102 an dem ein Schalter 106 zur Betätigung einer Trimmkupplung 110 angebracht ist. Über den Steuerknüppel 101 kann der Pilot manuell mittels mechanischer Verbindungen, wie z. B. Steuerstangen, einen Rotor 120 über eine Taumelscheibe 119 bewegen. Es ist auch die Verwendung von fly-by-wire Systemen denkbar, bei denen zwar eine mechanische Steuerung mit einem Steuerknüppel 101 erfolgt, die Information über die Auslenkung des Steuerknüppels 101 jedoch elektrisch oder optisch an die Taumelscheibe 119 übertragen wird. Die Auslenkung der Taumelscheibe 119 und des Rotors 120 wird dann durch digital gesteuerte Stellmotoren (nicht gezeigt) bewirkt.
Bei der vorliegenden mechanischen Steuerung verfügt die Steuerung 100 zur Verstärkung der auf den Steuerknüppel 101 einwirkenden Kraft über eine Servo-Einrichtung 118. Diese Servo-Einrichtung 118 kann sowohl hydraulisch als auch elektrisch (elektromechanisch oder elektrohydraulisch) aufgebaut sein. Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn das Ausmaß der Kraftunterstützung der Servo-Einrichtung 118 von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs oder von den auf den Rotor 120 einwirkenden Kräften abhängt.
Die Steuerung 100 kann außerdem einen SAS (Stability Augmentation System)/SEMA (Smart Elektromechanical Actuator) Aktuator 117 umfassen, welcher dazu dient schnelle, möglicherweise ruckartige, Steuer-Bewegungen des Piloten auszugleichen, indem diese nur in begrenzter Weise an den Rotor 120 weitergegeben werden. Darüberhinaus können durch die Verwendung eines derartigen Aktuators 117 Fehlsteuerungen aufgrund von Böen und Windstößen ausgeglichen werden. Auf der anderen Seite können aber auch automatisch, z. B. durch den Autopiloten, kurzfristige und schnelle Steuereingriffe durchgeführt werden, welche beispielsweise zur Stabilisierung des Hubschraubers dienen können.
Neben der mechanischen Verbindung mit dem Rotor 120 ist der Steuerknüppel 101 noch parallel mit einem Trimm-Aktuator 103 verbunden, welcher das „künstliche Kraftgefühl" mit Ausbrechkräften und einem optionalen Kraftgradienten erzeugt und darüberhinaus die Steuerung über einen Autopiloten ermöglicht. Der Trimm-Aktuator 103 umfasst eine Rückstell-Feder 104, welche eine künstliche Ausbrechkraft und den Kraftgradienten erzeugt. Die Rückstell-Feder 104 ist auf der einen Seite mit dem Steuerknüppel 101 verbunden und auf der anderen Seite über die Trimm-Kupplung 110 mit einem Stellglied 111, z. B. einem Trimm-Motor, gekoppelt. Im gekoppelten Zustand ist es daher erforderlich, dass der Pilot die Ausbrechkräfte und den Kraftgradienten der Rückstell-Feder 104 überwindet, um eine manuelle Steuerung des Rotors 120 zu bewirken. Durch die Rückstell-Feder 104 wird so ein „künstliches Kraftgefühl" für die ergonomische Steuerung durch den Piloten erzeugt. Außerdem wird eine gewisse Robustheit gegen fehlerhafte Eingriffe, z. B. durch versehentliches Anstoßen des Steuerknüppels 101 durch den Piloten, gewährleistet.
Andererseits kann ein Autopilot über eine Bewegung des Trimm-Motors 111 im gekoppelten Zustand eine automatische Steuerung des Rotors 120 bewirken. Dabei sind die Kräfte, welche vom Trimm-Motor 111 auf die Steuerung einwirken können, durch die Ausbrechkräfte der Rückstell-Feder 104 begrenzt. Außerdem kann im gekoppelten Zustand der Trimmpunkt, welcher den Ruhepunkt des Steuerknüppels 101 bei Abwesenheit von einwirkenden Kräften darstellt, über eine Einstellung und Fixierung des Trimm-Motors 111 eingestellt werden. Durch einen zusätzlichen Kipp-Schalter oder Trackpoint kann der Pilot die Einstellung des Trimm-Motors 111 verändern und so den Trimmpunkt justieren.
Die Trimm-Kupplung 110 ist so ausgebildet, dass sie im entkoppelten Zustand eine vollständige Entkopplung von Rückstell-Feder 104 und Trimm-Motor 111 ermöglicht, so dass der Steuerknüppel 101 ohne die Rückstellkräfte der Feder 104 bewegt werden kann. Außerdem wird durch die Entkopplung vom Trimm-Motor 111 eine zumindest teilweise Degradierung des Autopiloten realisiert.
Um auch im entkoppelten Zustand dem Piloten ein „künstliches Kraftgefühl" bei der manuellen Steuerung zu Verfügung zu stellen, kann zwischen Trimm-Motor 111 und dem Steuerknüppel 101 eine zweite Rückstell-Feder angebracht werden (nicht dargestellt), welche nicht durch die Trimm-Kupplung 110 entkoppelt wird. Im entkoppelten Zustand wirken dann die durch Reibung in der Steuerung verursachten Ausbrechkräfte und die künstlichen Kräfte der zweiten Rückstell-Feder. Im gekoppelten Zustand wirken hingegen zusätzlich noch die künstlichen Kräfte der Rückstell-Feder 104.
Um eine frühzeitige und sichere Detektion eines manuellen Eingriffs des Piloten zu gewährleisten, umfasst das dargestellt Ausführungsbeispiel einen Druck-Detektor 105, welcher einen Schwellwert-Schalter für einen Piloteneingriff darstellt. Der Druck-Detektor 105 registriert eine Einwirkung auf den Steuerknüppel 101, z. B. bei Überwindung der Ausbrechkräfte, und kann so eine Degradierung des Autopiloten auch ohne Entkopplung der Trimm-Kupplung 110 einleiten. Eine Degradierung des Autopiloten bei gekoppelter Trimm-Kupplung 110 kann z. B. bedeuten, dass zwar die eigentliche Steuerung des Hubschraubers manuell erfolgt, dass der Autopilot jedoch weiterhin stabilisierende Steuerungsmaßnahmen, z. B. über einen SAS/SEMA-Aktuator, durchführt.
Neben Druck-Detektoren 105 sind auch andere Indizierungsmöglichkeiten denkbar, z. B. eine Auslenkung der Trimm- bzw. der Rückstell-Feder, welche einen manuellen Eingriff des Piloten detektieren könnten.
Schließlich umfasst die Steuerung 100 eine Trimm-Kontroll-Einheit 112, welche den Trimmpunkt der Steuerung 100 speichert. Dadurch wird es einem Piloten ermöglicht, auch nach Betätigung der Trimm-Kupplung 110 und/oder nach Veränderung der Einstellung des Timm-Motors 111, den gespeicherten Trimmpunkt automatisch wieder einzustellen. Je nach Ausführungsform kann die Trimm-Kontroll-Einheit 112 ständig und zu jedem Zeitpunkt den aktuellen Trimmpunkt speichern.
Es ist aber auch möglich, dass eine Speicherung des Trimmpunktes nur auf Anweisung des Piloten erfolgt.
1 illustriert außerdem die verschiedenen Kräfte, welche bei der manuellen Steuerung des Rotors 120 über den Steuerknüppel 101 überwunden werden müssen. An den verschiedenen Gelenken zwischen den Steuerstangen der mechanischen Verbindung zwischen Steuerknüppel 101 und Rotor 120 kommt es insbesondere zu Reibungskräften, wie z. B. der Reibkraft 130 der mechanischen Flugsteuerung, der Reibkraft 131 des Timm-Aktuators 103 und der Reibkraft 132 an dem Übergang zur Servo-Einrichtung 118. Diese Reibkräfte 130–132 – und mögliche Ausbrechkräfte und Kräftegradienten einer zweiten Rückstellfeder – müssen vom Piloten auch bei entkoppelter Trimm-Kupplung 110 überwunden werden. Darüberhinaus wirken bei gekoppelter Trimm-Kupplung 110 die Ausbrechkräfte 133 und der Kraftgradient 134 der Rückstell-Feder 104.

2 stellt diese Trimm-Kräfte in Abhängigkeit von der Auslenkung des Steuerknüppels 101 dar. Bei fehlenden Kräften befinden sich der Rotor 120 und der Steuerknüppel 101 im Trimmpunkt 201. Um eine erste Auslenkung des Steuerknüppels 101 von diesem Trimmpunkt 201 zu bewirken, müssen sowohl die Reibkräfte 130–132 als auch die Ausbrechkraft 133 der Rückstell-Feder 104 überwunden werden. Für weitere Auslenkungen müssen dann noch die zusätzlichen Kräfte gemäß des Kräftegradienten 134 der Rückstell-Feder 104 überwunden werden. Die gesamten zu überwindenden Kräfte steigen somit mit steigender Auslenkung des Steuerknüppels 101 an.

	Manuelle Pilotensteuerung bei gekoppelter Trimm-Kupplung	Manuelle Pilotensteuerung bei entkoppelter Trimm-Kupplung	Steuerung durch SAS/SEMA-Aktuator	Steuerung durch Trimm-Motor
Reibkräfte der mechanischen Flugsteuerung	+	+	0	+
	Manuelle Pilotensteuerung bei gekoppelter Trimm-Kupplung	Manuelle Pilotensteuerung bei entkoppelter Trimm-Kupplung	Steuerung durch SAS/SEMA-Aktuator	Steuerung durch Trimm-Motor
Reibkräfte am Übergang zur Servo-Einrichtung	+	+	+	+
Ausbrechkraft & Kräftegradient der Rückstell- Feder	+	0	0	–
Reibkräfte des Timm-Aktuators	+	+	0	+

Tabelle 1

Tabelle 1 stellt die Kräfte dar, welche von verschiedenen Steuereinrichtungen, z. B. der manuellen Steuereinheit, dem Autopiloten oder dem SAS/SEMA-Aktuator, in verschiedenen Situationen überwunden werden müssen, bzw. welche auf diese Steuereinrichtungen einwirken. Dabei deutet ein „+" an, dass diese Kräfte von der Steuereinrichtung zur Auslenkung der Mittel zur Steuerung der Bewegungsrichtung überwunden werden müssen. Ein „0" deutet an, dass diese Kräfte keine Rolle spielen und ein „–" bedeutet, dass diese Kraft nicht überschritten werden darf.
Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass bei manueller Pilotensteuerung bei gekoppelter Trimm-Kupplung 110 alle Kräfte durch den Piloten überwunden werden müssen. Bei entkoppelter Trimm-Kupplung 110 entfallen, wie bereits erläutert, die Kräfte der Rückstell-Feder 104. Der SAS/SEMA-Aktuator muss für seine stabilisierenden Steuermaßnahmen nur die Reibungskräfte 132 an dem Übergang zur Servo-Einrichtung überwinden, wobei der Trimm-Motor 111 für die Steuerung die Reibungskräfte 131–132 überwinden muss, gleichzeitig aber die Ausbrechkräfte 133 der Rückstell-Feder 104 nicht überschreiten darf.
In einer ersten Betriebsart, z. B. einer Betriebsart 'Pilot', weist die Vorrichtung 100 bei entkoppelter Kupplung ein moderates Kraftgefühl auf, welches auch wie oben beschrieben durch eine zweite Rückstell-Feder ein ergonomisch optimiertes, moderates künstliches Kraftgefühl umfassen kann. Dadurch wird dem Piloten eine präzise und angenehme Steuerung des Hubschraubers ermöglicht. Demgegenüber weist die erfindungsgemäße Steuerung 100 in einer zweiten Betriebsart, z. B. einer Betriebsart 'AFCS', bei gekoppelter Kupplung wesentlich höhere – aber weiterhin durch den Piloten beherrschbare – künstliche Kraftgefühle aus, um so dem Autopiloten einen größeren Kräftespielraum für den Eingriff in die Flugsteuerung zu ermöglichen.
Die Umschaltung zwischen den beiden Betriebsarten kann bevorzugt im AFCS-Rechner erfolgen, welcher in der Regel eine Ansteuermöglichkeit auf die Trimm-Kupplung 110 hat. In einer Ausführungsform ersetzt dabei die Umschaltung zwischen den beiden Betriebsarten eine aus dem Stand der Technik bekannte Funktion „Trimmkupplung", welche eine Änderung des Trimmpunktes 201 bei gleichzeitiger Steuereingabe ermöglichte.
In einem anderen Ausführungsbeispiel wird durch Einführung einer zusätzlichen „Doppelklick" Funktion für die Trimm-Kupplung 110 im Schalter 106 des Griffs 102 des Steuerknüppels 101 dafür gesorgt, dass der AFCS-Rechner nach dem Loslassen des Schalters die Steuerung wieder auf den ursprünglichen Trimmpunkt 201 zurückführt. Dieser ursprüngliche Trimmpunkt 201 kann z. B. der Trimm-Kontroll-Einheit 112 entnommen werden.
In einer Ausführungsform kann durch einen „Einfachklick" des Schalters 106 am Griff 102 des Steuerknüppels 101 der Trimm-Motor 111 entkoppelt werden, so dass der Pilot – wie bisher – eine manuelle Feinsteuerung des Rotors 120 durch führen kann. Wie oben dargelegt, müssen in diesem Fall nur geringe Ausbrechkräfte, welche durch die Reibungskräfte 130–132 und möglichen Rückstellkräften einer zweiten Rückstell-Feder verursacht werden, überwunden werden. Außerdem kann mit dieser Funktion ein neuer Trimmpunkt 201 eingestellt werden. Durch einen „Doppelklick" des Schalters 106 am Griff 102 des Steuerknüppels 101 kann hingegen dafür gesorgt werden, dass nach Beendigung der manuellen Steuerung, der Trimmpunkt 201, welcher vor der Entkopplung des Timm-Motors 111 bestand, automatisch wiederhergestellt wird. Dies kann dadurch realisiert werden, dass vor der Entkopplung des Trimm-Motors 111 der dann bestehende Trimmpunkt 201 von der Trimm-Kontroll-Einheit 112 gespeichert wird, welche nach Beendigung der manuellen Steuerung dafür sorgt, dass der Trimm-Motor 111 so eingestellt wird, dass der gespeicherte Trimmpunkt 201 wiederherstellt wird.
In einer beispielhaften Ausführungsform könnte der Pilot durch „Doppelklick" eines Tasters bzw. eines Schalters am Steuerknüppel 101 eine Öffnung der Trimm-Kupplung 110 veranlassen. Bei gepresstem Taster könnte der Pilot dann in einer leichtgängigen Steuer-Betriebsart korrigierende Steuerbewegungen durchführen. Durch ein Loslassen des Tasters würde die Trimm-Kupplung 110 schließen und die Steuerung würde – eventuell mit einer Zeitverzögerung – anhand des Trimm-Motors 111 auf den in der Trimm-Kontroll-Einheit 112 gespeicherten Trimmpunkt 201 zurückgeführt. Bei einem „Einfachklick" des Tasters würde dagegen keine Rückführung auf den Trimmpunkt 201 stattfinden.
Die beschriebene Vorrichtung ermöglicht es dem Piloten beabsichtigte Feinsteuerungen des Rotors 120 gegen geringe Ausbrechkräfte durchzuführen. Dies wird durch eine Entkopplung des Trimm-Motors 111 in einer „Pilot" Betriebsart realisiert, welche z. B. durch einen „Einfachklick" des Trimm-Kupplungs-Schalters aktiviert wird. Außerdem können in einer zweiten „AFCS" Betriebsart die Ausbrechkräfte der Rückstell-Feder 104 erhöht werden, um so einen größeren Kräfte-Spielraum für den Autopiloten zu ermöglichen. Dadurch kann ebenfalls der Schwellwert des Druck-Detektors 105, bei dem ein manueller Eingriff des Piloten bei kurzfristigen bzw. Notfall-Situationen detektiert wird, erhöht werden, so dass die Wahrscheinlichkeit von Fehldetektionen, z. B. durch Anstoßen des Steuer knüppels 101 durch den Piloten oder durch Vibrationen des Hubschraubers, reduziert werden kann. In Summe wird so eine erhöhte Robustheit gegen unbeabsichtigte Degradierung des Autopiloten ermöglicht.
Desweiteren wird durch die Einführung einer „Doppelklick" Funktion der Trimm-Kupplung 110 dem Piloten die Möglichkeit gegeben, eine manuelle Steuerung bei geringen Ausbrechkräften durchzuführen und dennoch den ursprünglichen Trimmpunkt 201 beizubehalten.

100: Steuerung eines Hubschraubers
101: manuelle Steuereinheit/Steuerknüppel
102: Griff
103: Trimm-Aktuator
104: Rückstell-Element
105: Druck-Detektor
106: Schalter
110: Trimm-Kupplung
111: Stellglied/Trimm-Motor
112: Trimm-Kontroll-Einheit
117: SAS/SEMA-Aktuator
118: Servo-Einrichtung
119: Taumelscheibe
120: Rotor
130: Reibkraft der mechanischen Flugsteuerung
131: Reibkraft des Timm-Aktuators
132: Reibkraft an dem Übergang zur Servo-Einrichtung
133: Ausbrechkraft der Rückstell-Feder
134: Kräftegradient der Rückstell-Feder
201: Trimmpunkt

Claims

Eine Vorrichtung (100) zur Steuerung von Fahrzeugen, welche umfasst: – eine manuelle Steuereinheit (101), welche es ermöglicht die Bewegungsrichtung eines Fahrzeugs zu beeinflussen, wobei ein Trimmpunkt (201) vorgesehen ist, welcher eine bevorzugte Bewegungsrichtung bei einer neutralen Position der manuellen Steuereinheit (101) festlegt; – Mittel zur Erzeugung von Kräften (130–134), welche in Richtung der neutralen Position der manuellen Steuereinheit (101) wirken; – eine Trimm-Kupplung (110), welche es ermöglicht, bei Betätigung, die Kräfte (130–134) auf die manuelle Steuereinheit (101) zu reduzieren; und – eine Trimm-Kontroll-Einheit (112), welche den Trimmpunkt (201), welcher vor Betätigung der Trimm-Kupplung (110) bestand, speichert und beibehält.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei bei Kopplung der Trimm-Kupplung (110) eine Wiedereinstellung des Trimmpunkts (201) bewirkt wird, welcher vor Betätigung der Trimm-Kupplung (110) bestand.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorrichtung (100) einen Steuerbereich aufweist, in welchem der Trimmpunkt (201) eingestellt werden kann.
Die Vorrichtung gemäß einem vorangegangenen Anspruch, wobei in einen zweiten Betriebs-Modus bei Betätigung der Trimm-Kupplung (110) der Trimmpunkt (201) neu eingestellt wird.
Die Vorrichtung gemäß einem vorangegangenen Anspruch, wobei das Fahrzeug ein Luftfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei das Fahrzeug ein Hubschrauber ist.
Die Vorrichtung gemäß einem vorangegangenen Anspruch, welche weiter Mittel (120) zur Steuerung der Bewegungsrichtung umfasst.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 7 in Bezug auf Anspruch 6 wobei die Mittel (120) zur Steuerung der Bewegungsrichtung die Rotoren (120) des Hubschraubers sind.
Die Vorrichtung gemäß einem vorangegangenen Anspruch, wobei die Vorrichtung weiter einen Trimm-Motor (111) umfasst, welcher auf die Mittel (120) zur Steuerung der Bewegungsrichtung einwirkt.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei der Trimm-Motor (111) über die Trimm-Kupplung (110) auf die manuelle Steuereinheit (101) einwirkt.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei durch Verstellung des Trimm-Motors (111) der Trimmpunkt (201) eingestellt wird.
Die Vorrichtung gemäß einem vorangegangenen Anspruch, wobei die Vorrichtung weiter einen Autopiloten umfasst, welcher neben der manuellen Steuereinheit (101) die Bewegungsrichtung des Fahrzeugs beeinflusst.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 12 in Bezug auf Anspruch 9, 10 oder 11, wobei der Autopilot anhand des Timm-Motors (111) auf die Mittel (120) zur Steuerung der Bewegungsrichtung einwirkt.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei der Einfluss des Autopiloten auf die Bewegungsrichtung des Fahrzeugs durch Betätigung der Trimm-Kupplung (110) oder durch Betätigung der manuellen Steuereinheit (101) reduziert wird.
Die Vorrichtung gemäß einem vorangegangenen Anspruch, wobei durch ein Rückstell-Element (104) zwischen der manuellen Steuereinheit (101) und der Trimm-Kupplung (110) Rückstellkräfte, welche in Richtung der neutralen Position der manuellen Steuereinheit (101) wirken, bewirkt werden.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 15, wobei der Autopilot über das Rückstell-Element (104) auf die Mittel (120) zur Steuerung der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs einwirkt.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 15 oder 16, wobei die Kräfte des Rückstell-Elements (104) eine Ausbrechkraft zur anfänglichen Auslenkung der manuellen Steuereinheit (101) und einen Kraftgradienten bei steigender Auslenkung der manuellen Steuereinheit (101) aufweisen.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 17, wobei das Rückstell-Element (104) eine Feder umfasst.
Die Vorrichtung gemäß einem vorangegangenen Anspruch, wobei die Trimm-Kupplung (110) durch einen Schalter (106) an der manuellen Steuereinheit (101) betätigt werden kann.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 19 in Bezug auf Anspruch 4, wobei die beiden Betriebs-Modi der Vorrichtung (100) jeweils durch Einfach- bzw. Doppel-Klicken des Schalters (106) aktiviert werden können.