DE69612150T2

DE69612150T2 - Aktives Handsteuerknüppelsystem

Info

Publication number: DE69612150T2
Application number: DE69612150T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey W. Hegg; William F. Potter; Larry J. Yount
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1995-08-22
Filing date: 1996-08-20
Publication date: 2001-07-19
Anticipated expiration: 2016-08-21
Also published as: CA2183614C; US5694014A; EP0759585A1; EP0759585B1; DE69612150D1; CA2183614A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft aktive Handknüppelsteuersysteme, bei denen manuelle Steuervorrichtungen wie zum Beispiel Handknüppel mit einem elektrisch simulierten variablen Gefühl ausgestattet werden. Die Erfindung betrifft insbesondere die Redundanz der Handknüppel und die Architektur zur Verwendung solcher Handknüppel.
Aus US-A-5 389 865 ist ein Steuersystem bekannt, bei dem ein Computer, der die an einem Handgriff gemessene Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Kraft verwendet, auf ein Objekt abgebildet werden kann und einer Bedienungsperson des Handgriffs eine Reaktion übermittelt werden kann.
Ferner ist aus EP-A-0 573 106 ein redundantes mehrkanaliges Lenkflugsteuersystem zur Verwendung in einem Flugzeug bekannt, wobei verschiedene Steuerkanäle verwendet werden und jeder Kanal für sich in der Lage ist, das Flugzeug zu fliegen, falls einer oder mehrere andere Kanäle ausfallen. Pilot-Steuerwandlersignale werden über Servosteuerelektronik zu Flugcomputern gesendet.
Die Arten von Handknüppel, an die sich die vorliegende Erfindung allgemein wendet, ist aus dem US-Patent Nr. 5,264,768 bekannt. Bei den Handknüppeln wird im allgemeinen ein Steuerknüppel verwendet, der in mindestens zwei senkrechten Ebenen bewegbar ist, um sowohl eine vertikale als auch laterale Steuerung der gesteuerten Einrichtung bereitzustellen. Die Handknüppel können in drei Dreh- oder drei Translationsachsen mit bis zu sechs Achsenfreiheitsgraden bewegbar sein. Dem Steuerknüppel ist ein Positionswandler zugeordnet und dient zur Erzeugung von Ausgangssignalen, die einem Steuerservo befehlen, die Steuerung der gesteuerten Einrichtung zu bewirken. Das Ausgangssignal aus dem Wandler wird durch ein Gefühls- Servosystem mindestens einem Servomotor zugeführt, der mechanisch an seiner Achse an einen Steuerknüppel angekoppelt ist. Der Servomotor wendet entweder eine Widerstandskraft an den Steuerknüppel an oder treibt als Reaktion auf ein Signal, das durch Sensoren erzeugt wird, die Kräfte erkennt, die an die gesteuerte Einrichtung oder Oberfläche angewandt werden, den Knüppel an und steuert dann wiederum die gesteuerte Einrichtung so an, daß durch die gesteuerte Einrichtung erzeugte Kräfte abgeschwächt werden. Der aktive Handknüppel des US-Patents Nr. 5,264,768 verwendet einen Geschwindigkeitsdetektor zur Erzeugung eines Geschwindigkeitssignals, einen Positionsdetektör zur Erzeugung eines Positionssignals, das die Position des Steuerknüppels anzeigt, und einen Kräftedetektor zur Erkennung der durch den Benutzer auf den Steuerknüppel ausgeübten Kraft. Eine Steuerelektronik empfängt die erzeugten Signale und sendet ein Steuersignal, das an einen Motor angelegt wird, der eine Kraft auf den Steuerknüppel ausübt, um das elektrisch simulierte variable Gefühl für das System zu erreichen.
Im Betrieb sind die in dem Cockpit von Flugzeugen eingesetzten Einrichtungen in der Regel so ausgelegt, daß sie für den Benutzer bestimmte Kraft/Auslenkungs-Kennlinien aufweisen, wodurch der Betrag der Steuerknüppelauslenkung proportional zu der angewandten Kraft ist. Die Pilotensteuerung erzeugt an ihrem Ausgang ein elektrisches Signal, das der Steuerknüppelposition entspricht, und das Signal wird durch die Wirkung verschiedener Motoren und mechanischer Mittel auf Durchschnittsfachleuten wohlbekannte Weise zur Steuerung des Flugzeugs verwendet. Somit liefern solche Systeme beim Betrieb einen elektronisch gesteuerten manuellen Eingangssteuerknüppel mit Kraftgefühlskennlinien, die denen rein mechanisch gekoppelter Systeme gleichen. Bei solchem elektrisch gesteuerten System treten Anwendungen auf, die in der Regel als "Lenkflug"- Anwendungen bezeichnet werden.
An Bord eines Flugzeugs ist es wünschenswert, zwei Steuerknüppel miteinander zu koppeln, um sicherzustellen, daß sie einander folgen und daß dem Flugzeug nur eine einzige Menge von Befehlssignalen bereitgestellt wird. Zum Beispiel folgen die Seitenknüppel eines Kopiloten und eines Piloten einander, und geben Befehlssignale an die Steueroberflächen und Motoren aus. In der Vergangenheit wurden solche Flugzeug-Pilotensteuerknüppel durch mechanische Mittel wie zum Beispiel Kopplungen, Stangen, hydraulische Vorrichtungen und andere komplizierte, umfangreiche und schwere Mechanismen zwischen den Sitzen des Piloten und des Kopiloten gekoppelt. Die jüngsten Bemühungen, an dem Gewicht dieser mechanischen Koppelsysteme zu sparen, haben die "Lenkflug"-Anwendungen bereitgestellt, die kein Mittel zur Kopplung der Bewegungen der Steuerknüppel des Piloten und des Kopiloten verwenden. Dieser Ansatz hat den Nachteil, daß bestimmte Mittel zur Mittelwertbildung oder Arbitrierung zwischen den verschiedenen Befehlssignalen erforderlich sind, falls die Piloten und Kopiloten die Seitenknüppel gleichzeitig in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Das US-Patent Nr. 5,291,113 stellt eine Servokopplung der Seitenknüppel des Piloten und des Kopiloten bereit. Jeder Seitenknüppel ist in der Lage, als Reaktion auf eine manuelle Eingabe auf dem Seitenknüppel aus der durch einen Piloten oder Kopiloten bewirkten Bewegung des Seitenknüppels Steuersignale zu erzeugen. Einer der Seitenknüppel ist die Hauptsteuerung und der andere Seitenknüppel ist ein folgender Steuerknüppel. Zum Beispiel wird die Hauptvorrichtung vom Piloten und der folgende Seitenknüppel vom Kopiloten verwendet. Durch eine solche Kopplung können die Seitenknüppel gegenseitig ihre Bewegungen spiegeln. Dementsprechend können der Pilot und der Kopilot gegenseitig ihren Einfluß auf die Steuerung des Flugzeugs fühlen.
Zu den durch die servomotorgesteuerten Steuerknüppel bereitgestellten Merkmalen gehören die Kopplung über das Cockpit hinweg, Autopiloten- Nachsteuerung, Systeme mit variablem Gefühl und Flugbahnbegrenzung. Gemäß den Bestimmungen der Luftfahrtbehörde und um eine sichere Steuerung eines Flugzeugs über die gesamten Betriebsweisen, in denen ein Flugsteuersystem eines Flugzeugs verwendet wird, bereitzustellen, werden Flugsteuersystemen wie zum Beispiel dort verwendeten Handknüppelsteuerungssystemen Beschränkungen auferlegt. Jeder Ausfallzustand, der eine Fortsetzung des sicheren Flugs und eine sichere Landung verhindert, muß äußerst unwahrscheinlich sein. Die derzeitigen Bestimmungen erfordern für flugkritische Komponenten eine sehr geringe Wahrscheinlichkeit des Ausfalls pro Flugstunde. Handknüppelsteuerungssysteme sind flugkritische Teile eines Flugsteuersystems, deren Ausfall des zu Lebensgefahr der an Bord des Flugzeugs befindlichen Personen führt. Die Sicherheitsgrade und die Komponenten des Systems werden im allgemeinen durch die Fachleuten bekannte Flugzeugstufenanalyse bestimmt. Die Analyse unkritischer Flugsteuersystemelemente wird jedoch mit einem wesentlich geringeren Wahrscheinlichkeitsgrad von Ausfällen pro Stunde als flugkritische Teile durchgeführt. Zum Beispiel können Komponenten eines Flugsteuersystems mit einem Handknüppelsteuerungssystem, das beim Landen eines Flugzeugs verwendet wird, als flugkritisch ausgelegt sein, während bestimmte Komponenten, die während der Reiseflugregelung verwendet werden, als unkritisch ausgelegt sein können. Mit der Entwicklung aktiver Seitenknüppel für Flugzeuge mit Lenkflug ist ein Bedarf an solchen Handknüppelsteuerungssystemen in Verbindung mit zuverlässigen und fehlertoleranten Flugsteuersystemen entstanden. Bisherige Architekturimplementierungen wurden mit einem passiven Seitenknüppel erzielt, sind jedoch nicht auf die oben besprochene neue aktive Seitenknüppeltechnologie anwendbar. Deshalb ist es notwendig geworden, redundante aktive Seitenknüppel für Flugzeuge mit Lenkflug in Flugcomputerarchitekturen von Flugzeug- Avioniksystemen zu integrieren.
Die aktiven Handknüppelsteuerungssysteme gemäß den unabhängigen Ansprüchen erfüllen diesen Bedarf.
Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems können den abhängigen Ansprüchen entnommen werden.
Es wird ein Handknüppelsteuerungssystem offengelegt, in das eine redundante Selbstüberwachung integriert ist, und das den Handknüppel eines Piloten und Kopiloten in die Flugsteuersystemarchitektur des Flugzeugs integriert. Ein nicht-redundantes Handknüppelsteuerungssystem enthält eine manuelle Steuerung, bei der die Steuerbefehle vom Piloten eingegeben werden. Ein Motor ist mechanisch mit der manuellen Steuerung verbunden. Positions- und Drehmomentsensoren überwachen die Bewegungen der manuellen Steuerung und liefern Eingangssignale an einen Gefühlsgenerator. Der Gefühlsgenerator liefert ein Rückkopplungssignal an den Motor, der wiederum das richtige "Gefühl" für den Handknüppel liefert. Das Handknüppelsteuerungssystem enthält außerdem Mittel zur Selbstüberwachung des Motorsignals, des Positionssignals und des Drehmomentsignals.
Der Handknüppel kann ein Paar digitaler Steuerungen einschließen Software oder Firmware zur Implementierung verschiedener Funktionen wie Selbstüberwachung enthalten. Jede digitale Steuerung empfängt die Positions- und Drehmomentsignale, während die erste digitale Steuerung als eine Befehlssteuerung wirkt und ein Rückkopplungssignal an den Motor liefert, um die Gefühlseigenschaften bereitzustellen. Die zweite digitale Steuerung wirkt zur Überwachung der Befehlssteuerung und liefert ebenfalls Rückkopplungssignale an den Motor. Beide digitalen Steuerungen müssen funktionsfähig sein, damit die Motoren ein Drehmoment erzeugen. Die digitalen Steuerungen verfügen außerdem über Verbindungen mit den Flugzeugsystemen, so daß zwischen dem Handknüppel des Piloten und des Kopiloten eine Querverbindung auftreten kann und die Autopilot-Nachsteuerung erzielt wird.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung enthält das Handknüppelsteuerungssystem redundanten Kanal identisch zu dem oben beschriebenen. Beide Kanäle enthalten den Motor, mehrere Sensoren und Gefühlsgeneratoren. Die redundanten Motoren sind beide mechanisch an den Getriebekopf des Handknüppels angeschlossen. Beide Kanäle sind kontinuierlich wirksam, um das richtige "Gefühl" für den Handknüppel bereitzustellen. Beide Kanäle können außerdem digitale Steuerungen umfassen, die die Sensorsignale verarbeiten und das Rückkopplungssignal bereitstellen. Außerdem werden Verbindungen bereitgestellt, damit beide Kanäle eine Kopplung über das Cockpit hinweg und eine Autopilot-Nachsteuerung bereitstellen können. Außerdem wird Architektur der Erfindung bei einer Integration mit dem Flugzeug-Flugsteuersystem sowohl für die nichtredundante als auch die redundante Implementierung bereitgestellt.
Fig. 1 ist ein Blockschaltbild der Servoelemente des Gefühlssystems in einem nicht-redundanten aktiven Handknüppel.
Fig. 2 ist ein Blockschaltbild der Selbstüberwachung für den Motor und die Motorsteuerung.
Fig. 3 ist ein Blockschaltbild der Selbstüberwachung für die Positions- und Drehmomentsignale.
Fig. 4 ist ein Blockschaltbild des aktiven Handknüppels des Systems, wobei die elektronischen Funktionen in eine digitale Steuerung integriert sind.
Fig. 5 ist ein Blockschaltbild der Servoelemente des zweifach redundanten aktiven Handknüppelgefühlssystems.
Fig. 6 ist ein Blockschaltbild eines zweifach redundanten aktiven Handknüppels, wobei die elektronischen Funktionen in digitale Steuerungen integriert sind.
Fig. 7 ist ein Blockschaltbild des nichtredundanten aktiven Handknüppelsteuerungssystems, das mit den Flugsteuercomputern und den Primärflugsteuersystemen integriert ist.
Fig. 8 ist ein Blockschaltbild des redundanten aktviven Handknüppelsteuerungssystems, das mit den Flugsteuercomputern und dem Primärflugsteuersystem integriert ist.
Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Gefühlsystems in einer Servoschleife eines nichtredundanten Handknüppels. Es ist eine nicht-redundante Servoschleifenanordnung eines Handknüppels gezeigt. In diese Anordnung sind die in Fig. 2, 3 und 4 beschriebenen Selbstüberwachungsausfallerkennungsverfahren integriert. Das Gesamtsystem enthält sowohl Pilot- als auch Kopilot-Handknüppel sowie die Verbindungen zwischen den Handknüppelsteuerungssystemen und dem Flugsteuersystem des Flugzeugs.
Der Handgriff 12 ist in der Regel durch eine bestimmte Art von kardanischer Anordnung (nicht gezeigt) mit dem Getriebekopf 14 verbunden. Der Getriebekopf 14 ist physisch mit einer gemeinsamen Motorwelle verbunden, die in Fig. 1 durch eine gestrichelte Linie gezeigt ist. Der Drehmomentsensor 28 und der Positionssensor 17 sind physisch mit einer kardanischen Anordnung zwischen dem Griff und dem Getriebekopf verbunden (nicht gezeigt).
Die Motorsteuerung 18 empfängt einen Motordrehmomentbefehl von der System-Ausgleichsvorrichtung 22 und ein Positionssignal aus dem Positionssensor 17 und dem Demodulator 15. Die Motorsteuerung 18 liefert ein Ansteuersignal an den Motor 16. Der Positionssensor 17 gibt ein Signal an den Demodulator 15 aus, das ein Positionsausgangssignal und über einen Differenzierer 20 ein Geschwindigkeitssignal liefert. Das Drehmomentsignal aus dem Drehmomentsensor 28 wird dem Demodulator 26 zugeführt, der ein Drehmomentausgangssignal liefert. Das Positionssignal wird entweder vor oder nach dem Demodulator aus dem Handknüppel ausgegeben, um dem Lenkflug-Steuersystem ein Signal zu liefern. Das Drehmomentausgangssignal wird zur Kopplung des Pilot- und Kopilot-Handknüppels über das Cockpit hinweg bereitgestellt.
Der Gefühlsgenerator 24 nimmt ein Positionssignal, ein Geschwindigkeitssignal und ein Drehmomentsignal an. Der Gefühlsgenerator liefert ein Drehmomentfehlerbefehlssignal an die System- Ausgleichsvorrichtung 22. Die System- Ausgleichsvorrichtung 22 sendet dann ein Motordrehmomentbefehlssignal an die Motorsteuerung 18. Das Ausgangssignal des Positionssensors 17 und des Demodulators 15 wird von der Motorsteuerung 18 verwendet, um die Signale zu dem Motor A 16 zu kommutieren. Die Gefühlsgeneratoren bestimmen das Gefühl des Handgriffs 12 für eine Bedienungsperson, so daß die Bedienungsperson die gewünschte Kraft/Verschiebungs-Kennlinie des Handknüppels 12 fühlt. Die Elemente von Fig. 1 können mit digitalen oder analogen Schaltkreisen implementiert werden.
Um eine Selbstüberwachung der in Fig. 1 offengelegten Servoschleife des Gefühlssystems bereitzustellen, müssen mehrere eingebaute Tests durchgeführt werden. Diese Tests überwachen das Drehrtiomentsignal und die Positionssignale, die Stromversorgungen, den Motor und die Motoransteuerungen. Die Selbstüberwachung eines nicht-redundanten Systems liefert eine Architektur, die für den aktiven Handknüppel einzelausfallsicher ist. Diese eingebauten Tests, die für sich oder in Verbindung miteinander durchgeführt werden können, werden in Fig. 2-4 nachfolgend weiter beschrieben.
Fig. 2 zeigt das Selbstüberwachungsverfahren, wobei der Motordrehmomentbefehl mit dem Motorstrom verglichen wird. Zwischen dem Motordrehmomentbefehl und dem Strom für den Motor 16 besteht eine feste Beziehung. Durch Vergleichen der tatsächlichen Werte in Echtzeit, wird eine Selbstüberwachung für alle Elemente erzielt, die bei der Erzeugung des Stroms für den Motor als Reaktion auf den Motorbefehl beteiligt sind. Der in Fig. 2 gezeigte Motorbefehl steuert die Kräfte auf dem Griff. Das Motordrehmomentbefehl wird an die Motor- Kommutation 34 angelegt, die Strombefehle der einzelnen Motorwicklungen, die Phase A, A und Phase B, B bestimmt. Diese Strombefehle werden bei einer digitalen Systemimplementierung über D/A's 35 und 33 an die Ausgangsstufe 40 eines Impulsbreitenmodulators (PWM) angelegt, die spezifische gepulste Spannungsbefehle A, B und C für den Dreiphasenmotor 16 erzeugt. A und B werden gemessen und zu der PWM-Ausgangsstufe 40 rückgekoppelt, um den Strombefehlen in geschlossener Schleife zu folgen. Der Gesamtstrom, der von allen Phasen des Motors entnommen wird, wird in der PWM- Leistungsausgangsstufe 40 gemessen und über den A/D 31 der eingebauten Motor-Testfunktion 32 zugeführt, die den gemessenen Gesamtstrom mit dem Motordrehmomentbefehl vergleicht, um zu bestimmen, ob in einem oder mehreren der Elemente ein Ausfall eingetreten ist. Die Motorkommutation benötigt Informationen über die Rotorposition des Motors in bezug auf den Motoranlasser. Diese Informationen werden durch die mechanische Verbindung zwischen der Rotorposition des Motors und der kardanischen Position 38 bestimmt, die durch einen variablen Differenzialdrehtransformator RVDT gemessen wird. Die Spannung der demodulierten RVDT-Kardanposition wird über den A/D 39 an die Motorrotorpositionsberechnung 36 angelegt, die entweder digital oder mit analogen Schaltkreisen durchgeführt wird, um eine Spannungs- oder digitale Darstellung der Rotorposition des Motors für den Motorkommutator 34 bereitzustellen. Daher werden der Kardanpositions-RVDT 38, das Auflösungs-Motorrotorpositionsberechnungselement 36, die Motorkommutation 34, die Impulsbreitenmodulationsausgangsstufe (PWM-Ausgangsstufe) 40 und der Motor 16 alle unter Verwandung des Vergleichs, zwischen dem Motordrehmomentbefehl und dem Motorstrom überwacht.
Eine Selbstüberwachung wird auch für die internen Stromversorgungen vorgesehen. Die Ausgangsspannungen werden in Überwachungsschaltungen eingegeben, die die Stromversorgung mit im voraus eingestellten Grenzen vergleichen, um zu bestimmen, ob die Stromversorgung in Spezifikationsgrenzen liegt.
Dieses Selbstüberwachungsverfahren für Stromversorgungen ist im Stand der Technik wohlbekannt und wird nicht ausführlich gezeigt.
Die Positions- und Drehmomentmessungen basieren auf einem elektromagnetischen Sensor, der elektronisch als eine Primärwicklung 50 und zwei Sekundärwicklungen 52 und 54 dargestellt ist (siehe Fig. 2). Weitere Einzelheiten bezüglich dieser RVDT-Sensoren werden in dem US-Patent 5,264,868 offengelegt, auf das hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird. Der Selbstüberwachungsansatz für einen einzigen RVDT basiert auf parallelen Demodulatoren 56 und 58, die verschiedene Wechselspannungen von dem RVDT, E1 für den Demodulator 5ß und E1-E2 für den Demodulator 56, empfangen. Der Demodulator 56 mit der Spannung E2-E2 wird für den Primärweg des Steuersignals und der Demodulator 58 mit der Spannung E2 als ein Monitorweg zur Selbstüberwachung des RVDT und der Demodulatoren verwendet. Die Demodulatoren weisen eine Verstärkung K1 und K2 auf, die dazu führen, daß das Signal aus den Demodulatoren K1 (E1-E2) und K2 (E1) über die A/D 57 und 59 ist. Der Überwachungskanal wird im Block 60 mit der Konstante 2 (K1/K2) multipliziert, und danach wird das Ausgangssignal des Demodulators 56 von der Multiplikation in der Summierungsfunktion 64 subtrahiert, wodurch sich ein Signal K1 (E1-E2) ergibt. Für einen RVDT ist die Summe der Spannung E1 und E2 eine Konstante, und dadurch sollte das Subtrahieren einer Bezugskonstante 62, die der Konstante K1 (E1-E2) äquivalent ist, von dem gemessenen K1 (E1-E2) in, dem Summierungsknoten 66 zu einem Wert von 0 führen. Daher werden im Zustandserkennungsblock 68 eine Plus- und Minustoleranz um den Nullpunkt herum untersucht, wodurch sich ein M-Zustand von 0 ergibt, wenn der eingebaute Test bestanden ist, und ein M-Zustand von 1 ergibt, wenn der eingebaute Test nicht bestanden wurde. Ein weiterer eingebauter Test, der an den Positions- und Drehmoment-RVDT-Signalen durchgeführt wird, erfolgt an dem Strom in der Primärwicklung. Die Wechselstromerregung 51 auf der Primärwicklung steuert einen Strom durch die Primärwicklung 50 an, der durch einen Strommeßwiderstand 53 und einen Gleichrichter 55 gemessen wird, um über den A/D 61 eine Gleichspannung zu erzeugen, die in dem Summierungsknoten 65 mit einer Bezugskonstante 63 verglichen wird, wodurch sich bei einem bestandenen Zustand ein Nullwert ergibt. Eine diskrete Variable I wird in dem Zustandserkennungsblock 67 ähnlich wie für den Zustand M erzeugt.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der in Fig. 1 gezeigten Servoschleife des nicht-redundanten Gefühlssystems. Bei dieser Ausführungsform liefern die -Drehmoment- und Positionssensoren Ausgangssignale, die die Bewegungen und Kräfte des Handknüppels 12 anzeigen. Diese Signale werden zu den digitalen Steuerungen 90 und 92 übertragen. Die digitale Steuerung 90 enthält den Befehlsprozessor 94 und die digitale Steuerung 92 enthält den Überwachungsprozessor 98. Sowohl der Befehlsprozessor 94 als auch der Überwachungsprozessor 98 müssen den Motor 16 jeweils durch Verstärker 96 und 100 aktivieren, damit der Motor 16 eine Kraftrückkopplung an den Handgriff 12 liefern kann. Der Motor übersetzt diese Rückkopplungssignale dann und liefert das ordnungsgemäße Gefühl für den Handgriff 12 durch den Kardanmechanismus 17. Die digitale Steuerung wirkt als der Gefühlsgenerator 24, die System- Ausgleichsvorrichtung 22 und der Differenzierer 20 der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform. Die digitalen Steuerungen 90 und 92 geben außerdem Drehmomentsignale 102 bzw. 104 für die Kopplung über das Cockpit hinweg aus.
Die digitalen Steuerungen liefern außerdem die Funktionen der Motorsteuerung 18 von Fig. 1, wie in dem Motorkommutator 34 und der Motorrotorpositionsberechnung 36 von Fig. 2 offengelegt wurde. Die mathematischen Funktionen 60, 64, 66, 68, 62, 63, 65 und 67 von Fig. 3 werden ebenfalls in der digitalen Steuerung durchgeführt.
Die digitale Steuerung 90 und 92 sind Computerplattformen, die in der Technik wohlbekannt sind und Prozessoren, Analog/Digital-Umsetzer, Speicher und Digital/Analog-Umsetzer enthalten. Beide digitalen Steuerungen 90 und 92 empfangen identische Daten (Position 84, Drehmoment 86 und Drehmomentsignale für die Kopplung über das Cockpit hinweg) und führt identische Software aus. Durch Vergleichsergebnisse der Softwareberechnung zwischen den digitalen Steuerungen 90 und 92 wird daher ein eingebauter Test durchgeführt, um die Gültigkeit der Daten aus beiden digitalen Steuerungen zu verifizieren. Das Aktivierungssignal aus jeder digitalen Steuerung kann die Erzeugung einer Kraftrückkopplung durch den Motor sperren. Die Drehmomentsignale für die Kopplung über das Cockpit hinweg werden in dem oben angeführten US-Patent 5,291,113 definiert.
Fachleuten sollte klar sein, daß alle eingebauten Testverfahren und -vorrichtungen nur eine Konfiguration dieser darstellen, und daß andere Selbstüberwachungskonfigurationen verwendet werden könnten, um eine solche Selbstüberwachung bereitzustellen, die Fachleuten wohlbekannt ist.
Die oben in dem Handknüppelsteuerungssystem offengelegten nicht-redundanten elektronischen Elemente können mit einer (nicht gezeigten) mechanischen Hilfsfeder kombiniert werden, so daß ein Ausfall des Kraftrückkopplungsaktivierungs-, des Positions-, des Drehmoment- oder des eingebauten Motortests die Griffposition auf Null hält. Die Implementierung mit mechanischer Feder ist im Stand der Technik wohlbekannte herkömmliche Technik. Durch Kombinieren des mechanischen Elements mit Elektronik erhält man, daß beim Auftreten eines elektrischen Ausfalls dieser erkannt und das elektrische System abgeschaltet werden kann, während das mechanische System (z. B. die Hilfsfeder) weiterhin funktionsfähig ist. Der Verlust der elektrischen Elemente führt jedoch zu einem Verlust der durch das elektrische System erzielten Funktionen (z. B. Kopplung über das Cockpit hinweg, Autopilot- Nachsteuerfähigkeit und das variable Gefühlssystem).
Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform der Servoschleifen des Handknüppelgefühlssystems. Der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform wurde ein redundanter Kanal hinzugefügt, um ein Handknüppelsteuerungssystem mit einem redundanten Kanal A und einem redundanten Kanal B bereitzustellen. Fig. 5 zeigt eine Servoschleifenanordnung eines zweifach redundanten Gefühlssystems eines Handknüppels, bei der das Selbstüberwachungsausfallerkennungsverfahren für jede Redundanz verwendet wird, wodurch sich ein einzelausfallfunktionsfähiges und zweifachausfallsicheres Handknüppelsteuerungssystem ergibt.
Wie bei der ersten Ausführungsform der Servoschleife ist der Handgriff 12 in der Regel durch eine bestimmte Art von kardanischer Anordnung (nicht gezeigt) mit dem Getriebekopf 14 verbunden. Der Getriebekopf 14 ist physisch mit einer gemeinsamen Motorwelle mit dem Motor A 110 und dem Motor B 112 verbunden, wie in Fig. 5 durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Der Drehmomentsensor 138, der Drehmomentsensor 140, der Positionssensor 114 und der Positionssensor 116 sind physisch mit einer kardanischen Anordnung zwischen dem Griff und dem Getriebekopf verbunden (nicht gezeigt).
Die Motorsteuerung 118 erhält einen Motordrehmomentbefehl aus der System-Ausgleichsvorrichtung 126 und ein Positionssignal aus dem Positionssensor 114 und dem Demodulator 115. Die Motorsteuerung 118 liefert ein Ansteuersignal an den Motor A 110. Der Positionssensor 114 und der Demodulator 115 liefern ein Positionssignal, und der Differenzierer 122 liefert ein Geschwindigkeitssignal. Das Drehmomentsignal aus dem Drehmomentsensor A 138 wird einem Demodulator 134 zugeführt, der ein Drehmomentausgangssignal für den Kanal A liefert. Das Positionssignal A verläuft von dem Handknüppelkanal A zu dem Lenkflug-Steuersystem. Das Drehmomentsignal A wird zur Kopplung zwischen dem Pilot- und Kopilot- Handknüppel für den redundanten Kanal A über das Cockpit hinweg bereitgestellt.
Der Gefühlsgenerator A 130 erhält ein Positionssignal, ein Geschwindigkeitssignal und ein Drehmomentsignal. Der Gefühlsgenerator A liefert ein Drehmomentfehlerbefehlssignal an die System- Ausgleichsvorrichtung 126. Die System- Ausgleichsvorrichtung sendet dann ein Signal zu der Motorsteuerung 118. Das Ausgangssignal des Positionssensors 114 und des Demodulators 115 wird von der Motorsteuerung 118 verwendet, um die Signale für den Motor A 110 zu kommutieren. Die Gefühlsgeneratoren bestimmen das Gefühl des Handgriffs 12 für eine Bedienungsperson, so daß die Bedienungsperson die gewünschte Kraft/Verschiebungs-Kennlinie des Handknüppels 12 fühlt.
Mit Bezug auf den redundanten Kanal B erhält die Motorsteuerung 120 einen Motordrehmomentbefehl aus der System-Ausgleichsvorrichtung 128 und ein Positionssignal aus dem Positionssensor 116 und dem Demodulator 117. Die Motorsteuerung 120 liefert dann ein Motorbefehlssignal an den Motor B 112. Der Positionssensor B 116 und der Demodulator 117 liefern ein Positionssignal, und der Differenzierer 124 liefert ein Geschwindigkeitssignal. Ein Drehmomentsignal wird aus dem Drehmoment sensor B 140 für den Demodulator 136 bereitgestellt, der das Ausgangsdrehmomentsignal für den Kanal B bereitstellt. Ein Positionssignal B wird aus dem Handknüppelkanal B an das Lenkflug-Steuersystem ausgegeben. Das Drehmomentsignal B wird für die Kopplung zwischen dem Pilot- und Kopilot-Handknüppel für den redundanten Kanal B über das Cockpit hinweg bereitgestellt.
Der Gefühlsgenerator B 132 erhält das Positionssignal, das Geschwindigkeitssignal und das Drehmomentsignal. Durch die System- Ausgleichsvorrichtung 128 liefert der Gefühlsgenerator B ein Drehmomentfehlerbefehlssignal an die Motorsteuerung 120. Die Gefühlsgeneratoren bestimmen das Gefühl des Handknüppels 12 für die Bedienungsperson.
Kanal A und Kanal B liefern jeweils vollständig und unabhängig alle Steuerfunktionen, die zur Bereitstellung des gewünschten Drehmoments an der gemeinsamen Welle notwendig sind. Wenn einer der Kanäle ausfällt, liefert der übrige Kanal weiter das gewünschte Drehmoment.
Es sollte beachtet werden, daß die in Fig. 2 bis 4 offengelegte Selbstüberwachungsausführungsform in dem in Fig. 5 offengelegten System mit redundantem Kanal verwendet werden kann. Zum Beispiel wird der eingebaute Motorsteuerungstest unabhängig in den Überwachungsbetrieb des Motors A' 110 und des Motors B 112 integriert. Der eingebaute Test des Positions- und des Drehmomentsensors überwacht unabhängig den Drehmomentsensor A 138, die Demodulation 134, den Positionssensor A 114, die Demodulation 115, den Drehmomentsensor B 140, den Positionssensor B 116 der Demodulation 136 und die Demodulation 117. Daran sind zwei Schaltungen für jede Achse des Handknüppels beteiligt (siehe Fig. 2). Fig. 6 zeigt weitere zweifache Mengen von digitalen Computern, die die unabhängige Überwachung der Softwarefunktion aufrechterhalten.
Fig. 6 zeigt eine digitale Ausführungsform der Servoschleife des nicht-redundanten Gefühlssystems mit zweifachen Kanälen. Im Kanal A liefern der Drehmoment- bzw. der Positionssensor 202 und 204 Ausgangssignale,- die die Bewegungen und Kräfte des Handknüppels 12 anzeigen. Diese Signale werden zu den digitalen Steuerungen 214 und 216 übertragen. Die digitale Steuerung 214 enthält den Befehlsprozessor 218, und die digitale Steuerung 216 enthält den Überwachungsprozessor 222. Sowohl der Befehlsprozessor 218 als auch der Überwachungsprozessor 222 muß den Motor 212 durch Verstärker 220 bzw. 224 für den Motor 212 aktivieren, um die Kraftrückkopplung für den Handgriff 12 bereitzustellen. Der Motor übersetzt diese Rückkopplungssignale dann und liefert das ordnungsgemäße Gefühl durch den Kardanmechanismus 17 an den Handgriff 12.
Im Kanal B der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform liefern der Drehmoment- und der Positionssensor 206 bzw. 208 Ausgangssignale, die die Bewegungen und Kräfte des Handknüppels 12 anzeigen. Diese Signale werden zu den digitalen Steuerungen 230 und 232 übertragen. Die digitale Steuerung 230 enthält den Befehlsprozessor 234, und die digitale Steuerung 232 enthält den Überwachungsprozessor 238. Sowohl der Befehlsprozessor 234 als auch der Überwachungsprozessor 238 muß den Motor 210 durch Verstärker 236 bzw. 240 für den Motor 212 aktivieren, um eine Kraftrückkopplung für den Handgriff 12 bereitzustellen. Der Motor übersetzt diese Rückkopplungssignale dann und liefert das ordnungsgemäße Gefühl durch den Kardanmechanismus 17 an den Handgriff 12.
Kanal A und Kanal B liefern jeweils vollständig und unabhängig alle Steuerfunktionen, die zur Bereitstellung des gewünschten Drehmoments an der gemeinsamen Welle notwendig sind. Wenn einer der Kanäle ausfällt, liefert der übrige Kanal weiter das gewünschte Drehmoment. Jeder der Kanäle enthält die oben beschriebenen Selbstüberwachungsfähigkeiten.
Die Integration des nicht-redundanten Handknüpppelgefühlssystems in die Architektur eines Flugzeug-Flugsteuersystems ist in Fig. 7 dargestellt. Jeder Handknüppel ist mit quad-redundanten Positonssensoren 142, 144, 146 und 148 ausgestattet. Diese redundanten Sensoren liefern Positionssignale an die quad-redundanten Primärflugsteuercomputer (PFC) 150-156 für das Lenkflug-Flugsteuersystem. Diese Verbindung gewährleistet, daß im Fall des Ausfalls des Gefühlssystems in den Handknüppeln die quad-redundanten Positionssensoren in dem Seitenknüppel unabhängig an den durch die PFCs bereitgestellten Erregungssignalen wirken, wodurch die mechanische Hilfsfeder eine Griffzentrierung der Positionssensoren bereitstellen kann, wodurch Griffpositionsdaten für den PFC für einen sicheren Flug aufrechterhalten werden. Jeder PFC ist so verbunden, daß eine Überwachung der redundanten Systeme bereitgestellt wird. Diese Implementierung kann auch mit Triplex-Positionssensoren erzielt werden und liefern flugkritisches Datum.
Wie oben in Fig. 4 beschrieben wurde, empfangen die digitalen Steuerungen 90 und 92 jeweils die Drehmoment- und Positionssignale, die die Bewegungen des Handknüppels anzeigen. Die digitalen Steuerungen senden die Rückkopplungssignale zu dem Motor, um das ordnungsgemäße Gefühl für den Handknüppel bereitzustellen. Die digitalen Steuerungen empfangen Autopilot-Nachfolgesignale aus beiden Flugsteuercomputern (FCC) 158 und 160. Die Nachfolgefunktion wird als zweifachredundant implementiert, um einen Einzelausfallbetrieb der Nachfolgefunktion bereitzustellen
Fig. 8 ist ein Blockschaltbild des redundanten aktiven Handknüppelsteuerungssystems, das mit den Flugsteuercomputern und dem primären Flugsteuersystem integriert ist. Wie bei dem nicht-redundanten System ist jeder Handknüppel mit quad-redundanten Positionssensoren 142, 144, 146 und 148 ausgestattet. Diese redundanten Sensoren liefern Positionssignale an die quad-redundanten primären Flugsteuercomputer (PFC) 150-156 für das Lenkflug-Flugsteuersystem. Dieselben Vorsichtsmaßnahmen, die durch die obenerwähnten quadredundanten Sensoren bereitgestellt werden, werden bei dieser Ausführungsform für beide Kanäle bereitgestellt.
Die digitalen Steuerungen 214, 216, 230 und 232 empfangen jeweils die Drehmoment und Positionssignale, die die Bewegungen des Handknüppels anzeigen. Die digitalen Steuerungen senden die Rückkopplungssignale zu den Motoren, um das ordnungsgemäße Gefühl für den Handknüppel bereitzustellen. Die zweifachen Kanäle stellen im Fall des Ausfalls eines Kanals eine Sicherung bereit. Die digitalen Steuerungen empfangen Autopilot-Nachfolgesignale aus beiden Flugsteuercomputern (FCC) 158 und 160. Die Nachfolgefunktion wird als zweifachredundant implementiert, um einen Einzelausfallbetrieb der Nachfolgefunktion bereitzustellen.
Fachleute werden erkennen, daß hier nur bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, daß andere Vorteile gefunden und realisiert werden können und daß verschiedene Modifikationen von Fachleuten vorgeschlagen werden können. Es versteht sich, daß die hier gezeigten Ausführungsformen abgeändert und modifiziert werden können, ohne vom wahren Gedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der in den beigefügten Ansprüchen definiert wird.

Claims

1. Aktives Handknüppelsteuerungssystem, umfassend:

eine manuelle Steuerung (12), die auf eine manuelle Eingabe des Benutzers reagiert;

einen ersten Motor (16) in mechanischer Verbindung mit der manuellen Steuerung;

ein Positionserfassungsmittel (17) zur Erzeugung eines Positionssignals, das die Position der jeweils mit ihm verbundenen manuellen Steuerung darstellt;

ein Geschwindigkeitserfassungsmittel (20) zur Erzeugung eines Geschwindigkeitssignals, das die Bewegungsgeschwindigkeit der jeweils mit ihm verbundenen manuellen Steuerung darstellt;

ein Drehmomenterfassungsmittel (28) zur Erzeugung eines Drehmomentsignals, das die Kraft darstellt, die auf die jeweils mit ihm verbundene manuelle Steuerung ausgeübt wird;

ein Gefühlserzeugungsmittel (24) zum Empfangen des Geschwindigkeitssignals, des Positionssignals und des Drehmomentsignals und zum Erzeugen eines Motorbefehlssignals für den Motor, eine Verschiebungsgegenkraft für eine jeweils mit ihm verbundene Motorsteuerung zu erzeugen;

gekennzeichnet durch

Mittel zur Selbstüberwachung des Motorsignals, des Geschwindigkeitssignals, des Positionssignals und des Drehmomentsignals, wobei die Mittel folgendes umfassen:

a) ein Mittel (32) zum Vergleichen des Motorbefehlssignals mit einem zum Betrieb des Motors (16) verwendeten Stromsignal; und

b) ein Mittel (50-52) zum Vergleichen von Spannungssignalen aus einem RVDT-Sensor (38) mit einem Bezugsspannungssignal;

wobei die Selbstüberwachung durch Eingabe der Drehmoment- und Positionssignale sowohl in einen Befehlscomputer (94) als auch einen Überwachungscomputer (98), die miteinander verbunden sind, erfolgt, wobei der Befehlscomputer den Motor als Reaktion auf den Empfang der Positions- und Drehmomentsignale steuert und der Überwachungscomputer den Befehlscomputer so überwacht, daß beide Computer den Motor (16) deaktivieren können.

2. Aktives Handknüppelsteuerungssystem nach Anspruch 1, wobei das Handknüppelsteuerungssystem von einer mechanischen Hilfsfeder unterstützt wird.

3. Aktives Handknüppelsteuerungssystem nach Anspruch 1, wobei das Positionserfassungsmittel, das Geschwindigkeitserfassungsmittel, das Drehmomenterfassungsmittel, das Gefühlserfassungsmittel und das Mittel zur Selbstüberwachung in eine erste digitale Steuerung (90) integriert sind, die Rückkopplungssignale an den ersten Motor (16) liefert.

4. Aktives Handknüppelsteuerungssystem nach Anspruch 3, wobei das Positionserfassungsmittel, das Geschwindigkeitserfassungsmittel, das Drehmomenterfassungsmittel, das Gefühlserfassungsmittel und das Mittel zur Selbstüberwachung in eine zweite digitale Steuerung (92) integriert sind, die die Rückkopplungssignale aus der ersten digitalen Steuerung (90) überwacht und in elektrischem Kontakt mit dem ersten Motor (16) steht.

5. Aktives Handknüppelsteuerungssystem nach Anspruch 4, weiterhin mit einer dritten und einer vierten digitalen Steuerung (230, 232), die als redundantes Positionserfassungsmittel, Geschwindigkeitserfassungsmittel, Drehmomenterfassungsmittel, Gefühlserfassungsmittel und Mittel zur Selbstüberwachung für die Handknüppelsteuerung wirken, wobei die dritte und vierte digitale Steuerung ein zweites Rückkopplungssignal an einen zweiten Motor (210) in mechanischer Verbindung mit der manuellen Steuerung (12) liefern.

6. Aktives Handknüppelsteuerungssystem nach Anspruch 5, wobei quad-redundante Positionssensoren (142-148) Bewegungen der manuellen Steuerung (12) messen und mehreren Primär-Flugsteuerungssystemen (90, 92) Positionssignale liefern.

7. Aktives Handknüppelsteuerungssystem nach Anspruch 6, wobei die erste und zweite digitale Steuerung (90, 92) Autopilot-Nachfolgesignale aus dem ersten und zweiten Flugsteuerungscomputer (158, 160) empfangen.

8. Aktives Handknüppelsteuerungssystem nach Anspruch 6, wobei die erste, zweite, dritte und vierte digitale Steuerung (214, 216, 230, 232) Autopilot- Nachfolgesignale aus dem ersten und zweiten Flugsteuerungscomputer (158, 160) empfangen.

9. Aktives Handknüppelsteuerungssystem mit redundanten Kanälen, umfassend:

einen ersten Motor (110) in mechanischer Verbindung mit der manuellen Steuerung;

einen zweiten Motor (112) in mechanischer Verbindung mit der manuellen Steuerung;

ein erstes Positionserfassungsmittel (114) zur Erzeugung eines ersten Positionssignals, das die Position der jeweils mit ihm verbundenen manuellen Steuerung darstellt;

ein zweites Positionserfassungsmittel (116) zur Erzeugung eines zweiten Positionssignals, das die Position der jeweils mit ihm verbundenen manuellen Steuerung darstellt;

ein erstes Geschwindigkeitserfassungsmittel (122) zur Erzeugung eines ersten Geschwindigkeitssignals, das die Bewegungsgeschwindigkeit der jeweils mit ihm verbundenen manuellen Steuerung darstellt;

ein zweites Geschwindigkeitserfassungsmittel (124) zur Erzeugung eines zweiten Geschwindigkeitssignals, das die Bewegungsgeschwindigkeit der jeweils mit ihm verbundenen manuellen Steuerung darstellt;

ein erstes Drehmomenterfassungsmittel (138) zur Erzeugung eines ersten Drehmomentsignals, das die Kraft darstellt, die auf die jeweils mit ihm verbundene manuelle Steuerung ausgeübt wird;

ein zweites Drehmomenterfassungsmittel (140) zur Erzeugung eines Drehmomentsignals, das die Kraft darstellt, die auf die jeweils mit ihm verbundene manuelle Steuerung ausgeübt wird;

ein erstes Gefühlserzeugungsmittel (130) zum Empfangen des ersten Geschwindigkeitssignals, des ersten Positionssignals und des ersten Drehmomentsignals und zum Erzeugen eines ersten Motorbefehlssignals für den ersten Motor, eine erste Verschiebungsgegenkraft für eine jeweils mit ihm verbundene erste Motorsteuerung zu erzeugen;

ein zweites Gefühlserzeugungsmittel (132) zum Empfangen des zweiten Geschwindigkeitssignals, des zweiten Positionssignals und des zweiten Drehmomentsignals und zum Erzeugen eines zweiten Motorbefehlssignals für den zweiten Motor, eine zweite Verschiebungsgegenkraft für eine jeweils mit ihm verbundene zweite Motorsteuerung zu erzeugen; und

ein Mittel zur Selbstüberwachung des ersten und zweiten Motorsignals, des ersten und zweiten Geschwindigkeitssignals, des ersten und zweiten Positionssignals und des ersten und zweiten Drehmomentsignals.

10. Aktives Handknüppelsteuerungssystem nach Anspruch 9, wobei das Mittel zur Selbstüberwachung des ersten und zweiten Motorsignals ein Mittel (32) zum Vergleichen des ersten und zweiten Motorsignals mit einem ersten und zweiten Stromsignal, die zum Betrieb des ersten und zweiten Motors (110, 112) erforderlich sind, umfaßt.

11. Aktives Handknüppelsteuerungssystem nach Anspruch 9, wobei das Mittel zur Selbstüberwachung der ersten und zweiten Positions- und Drehmomentsignale ein Mittel (50-52) zum Vergleichen von Spannungssignalen aus einem RVDT-Sensor (38) mit einem Bezugsspannungssignal umfaßt.

12. Aktives Handknüppelsteuerungssystem nach Anspruch 9, wobei die Selbstüberwachung durch Eingabe des ersten und zweiten Drehmoment- und Positionssignals sowohl in einen Befehlscomputer als auch einen Überwachungscomputer (218, 222), die miteinander verbunden sind, erfolgt, wobei der Befehlscomputer den Motor als Reaktion auf den Empfang der Positions- und Drehmomentsignale steuert und der Überwachungscomputer den Befehlscomputer so überwacht, daß entweder der Befehlscomputer oder der Überwachungscomputer den Motor deaktivieren kann.

13. Aktives Handknüppelsteuerungssystem nach Anspruch 9, wobei das erste Positionserfassungsmittel, das erste Geschwindigkeitserfassungsmittel, das erste Drehmomenterfassungsmittel, das erste Gefühlserfassungsmittel und das Mittel zur Selbstüberwachung in eine erste digitale Steuerung (120; 214) integriert sind, die Rückkopplungssignale an den ersten Motor (112; 212) liefert.

14. Aktives Handknüppelsteuerungssystem nach Anspruch 13, wobei das erste Positionserfassungsmittel, das erste Geschwindigkeitserfassungsmittel, das erste Drehmomenterfassungsmittel, das erste Gefühlserfassungsmittel und das Mittel zur Selbstüberwachung in eine zweite digitale Steuerung (120; 216) integriert sind, die die Rückkopplungssignale aus der ersten digitalen Steuerung überwacht und in elektrischem Kontakt mit dem ersten Motor (112; 212) steht.

15. Aktives Handknüppelsteuerungssystem nach Anspruch 9, wobei das zweite Positionserfassungsmittel, das zweite Geschwindigkeitserfassungsmittel, das zweite Drehmomenterfassungsmittel, das zweite Gefühlserfassungsmittel und das Mittel zur Selbstüberwachung in eine dritte digitale Steuerung (118; 230) integriert sind, die Rückkopplungssignale an den zweiten Motor liefert.

16. Aktives Handknüppelsteuerungssystem nach Anspruch 15, wobei das zweite Positionserfassungsmittel, das zweite Geschwindigkeitserfassungsmittel, das zweite Drehmomenterfassungsmittel, das zweite Gefühlserfassungsmittel und das Mittel zur Selbstüberwachung in eine vierte digitale Steuerung (118; 232) integriert sind, die die Rückkopplungssignale aus der dritten digitalen Steuerung überwacht und in elektrischem Kontakt mit dem zweiten Motor steht.