EP4347396A1 - Flight compensator control system for aircraft with haptic feedback - Google Patents

Flight compensator control system for aircraft with haptic feedback

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EP4347396A1
EP4347396A1 EP22735207.7A EP22735207A EP4347396A1 EP 4347396 A1 EP4347396 A1 EP 4347396A1 EP 22735207 A EP22735207 A EP 22735207A EP 4347396 A1 EP4347396 A1 EP 4347396A1
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EP
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control system
motor
output shaft
reducer
flight
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EP22735207.7A
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Remi-Louis Lawniczak
Christophe BASTIDE
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Safran Electronics and Defense SAS
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Safran Electronics and Defense SAS
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    • B64C27/56—Mechanisms for controlling blade adjustment or movement relative to rotor head, e.g. lag-lead movement characterised by the control initiating means, e.g. manually actuated
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Abstract

The invention relates to an aircraft flight compensator control system including a motor (3) and a variable-friction actuator (6) coupled to the motor and to an output shaft (8). The variable-friction actuator includes a variable-friction-torque magnetic clutch connected to the output shaft

Description

DESCRIPTION DESCRIPTION
Titre : Système de commande de compensateur de vol pour aéronef à retour haptique Title: Haptic Feedback Aircraft Flight Trim Control System
La présente invention concerne les systèmes de commande de vol pour aéronef et se rapporte plus particulièrement à la commande d’un compensateur de vol pour aéronef, notamment pour hélicoptère. Les compensateurs ou TRIM, ont notamment pour fonction de compenser diverses perturbations susceptibles d’avoir une influence sur les paramètres de vol de l’aéronef, sans que le pilote n’ait à agir sur les commandes de vol. The present invention relates to flight control systems for aircraft and relates more particularly to the control of a flight trim tab for aircraft, in particular for helicopters. The trim tabs or TRIM, have the particular function of compensating for various disturbances likely to have an influence on the flight parameters of the aircraft, without the pilot having to act on the flight controls.
Les actionneurs de TRIM restituent classiquement au pilote un effort résistant sur les commandes de vol sous la forme d’un retour haptique. Cet effort est généralement engendré par un ressort, un moteur électrique en court-circuit, une friction mécanique et est dès lors essentiellement passif. TRIM actuators typically return to the pilot a resistive effort on the flight controls in the form of haptic feedback. This effort is generally generated by a spring, a short-circuited electric motor, mechanical friction and is therefore essentially passive.
Le retour haptique appliqué aux commandes de vol par les actionneurs de TRIM est dès lors constant et correspond à un niveau de couple résistif figé à la conception. The haptic feedback applied to the flight controls by the TRIM actuators is therefore constant and corresponds to a level of resistive torque fixed at the design.
Il est notamment constant, quelle que soit la position de la commande de vol. It is in particular constant, whatever the position of the flight control.
En particulier, les actionneurs de TRIM à ressort nécessitent une architecture spécifique pour chaque commande de vol, notamment spécifique au roulis, au lacet, au tangage, ... In particular, spring TRIM actuators require a specific architecture for each flight control, in particular specific to roll, yaw, pitch, ...
Lorsque l’on souhaite modifier le retour haptique, par exemple pour proposer un effort résistif ou un amortissement, par exemple après essai d’un premier prototype sur un aéronef, il est nécessaire de reconfigurer l’ensemble de la chaîne de retour d’effort. When it is desired to modify the haptic feedback, for example to propose a resistive force or a damping, for example after testing a first prototype on an aircraft, it is necessary to reconfigure the entire force feedback chain. .
Il a été proposé de remplacer les actionneurs de TRIM conventionnels par des actionneurs actifs comprenant un moteur électrique alimenté et piloté relié directement à l’arbre de sortie de l’actionneur et agissant sur les commandes de vol. Les actionneurs de TRIM de ce type nécessitent en premier lieu des moteurs électriques de forte capacité, qui engendrent une consommation électrique élevée et ont une masse très importante. It has been proposed to replace conventional TRIM actuators with active actuators comprising a powered and controlled electric motor connected directly to the output shaft of the actuator and acting on the flight controls. TRIM actuators of this type firstly require high-capacity electric motors, which generate high electrical consumption and have a very large mass.
L’électronique de pilotage doit également être très performante. II a également été proposé d’utiliser un moteur électrique directement relié à la commande de vol et ayant une vitesse de rotation élevée et continue, et d’utiliser un actionneur comprenant un frein magnétorhéologique qui fournit un retour haptique piloté. The control electronics must also be very efficient. It has also been proposed to use an electric motor directly connected to the flight control and having a high and continuous rotation speed, and to use an actuator comprising a magnetorheological brake which provides controlled haptic feedback.
Ce type d’actionneur présente également un certain nombre d’inconvénients majeurs relatifs à la consommation électrique élevée du moteur, au bruit de fonctionnement, à l’usure importante de l’actionneur et à l’utilisation d’une électronique de pilotage complexe et dès lors onéreuse. This type of actuator also has a certain number of major drawbacks relating to the high electrical consumption of the motor, the operating noise, the high wear of the actuator and the use of complex control electronics and therefore expensive.
Le but de l’invention est donc de pallier ces divers inconvénients et de proposer un système de commande de compensateur de vol qui soit capable de fournir un retour haptique qui soit variable. The object of the invention is therefore to overcome these various drawbacks and to propose a flight trim control system which is capable of providing a haptic feedback which is variable.
L’invention a donc pour objet un système de commande de compensateur de vol d’aéronef comprenant un moteur et un actionneur à friction variable couplé au moteur et à un arbre de sortie. L’actionneur comprend un embrayage magnétique à couple de friction variable lié à l’arbre de sortie. The invention therefore relates to an aircraft flight trim control system comprising a motor and a variable friction actuator coupled to the motor and to an output shaft. The actuator includes a variable friction torque magnetic clutch linked to the output shaft.
Ce système de commande comporte en outre un réducteur placé entre le moteur et l’actionneur. Grâce au réducteur, il est possible d’utiliser un moteur ayant une puissance moins élevée, notamment un couple relativement faible, et nécessitant une électronique de pilotage moins complexe. This control system further comprises a reduction gear placed between the motor and the actuator. Thanks to the reduction gear, it is possible to use a motor with lower power, in particular a relatively low torque, and requiring less complex control electronics.
En outre, l’embrayage à couple de friction variable permet de modifier le retour haptique fourni au pilote, par exemple en modifiant la raideur de la commande ou en créant des butées virtuelles. Par exemple, l’embrayage à couple de friction variable comporte deux disques liés l’un au moteur et l’autre à l’arbre de sortie, un fluide magnétorhéologique en contact avec les disques et une source de champ magnétique agissant sur le fluide magnétorhéologique pour faire varier le couple de friction entre les disques. Selon une autre caractéristique, le système de commande comporte un capteur de position angulaire de l’arbre de sortie. In addition, the variable friction torque clutch makes it possible to modify the haptic feedback provided to the pilot, for example by modifying the stiffness of the control or by creating virtual stops. For example, the variable friction torque clutch comprises two discs, one linked to the motor and the other to the output shaft, a magnetorheological fluid in contact with the discs and a source of magnetic field acting on the magnetorheological fluid to vary the friction torque between the discs. According to another characteristic, the control system comprises an angular position sensor for the output shaft.
Il peut en outre comprendre des moyens de détection d’un sens de l’effort appliqué à l’arbre de sortie. Par exemple, les moyens de détection comprennent un capteur de position relative entre deux portions d’arbre reliées avec jeu. It may further comprise means for detecting a direction of the force applied to the output shaft. For example, the detection means comprise a relative position sensor between two shaft portions connected with play.
Dans un mode de réalisation, le réducteur est un réducteur irréversible. In one embodiment, the reducer is an irreversible reducer.
Dans un autre mode de réalisation, le système de commande comprend en outre un frein magnétorhéologique interposé entre l’embrayage magnétique et le moteur, le réducteur étant un réducteur réversible. In another embodiment, the control system further comprises a magnetorheological brake interposed between the magnetic clutch and the motor, the reducer being a reversible reducer.
L’invention a également pour objet un hélicoptère comprenant un système de commande de compensateur tel que défini ci-dessus. D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : The invention also relates to a helicopter comprising a trim control system as defined above. Other aims, characteristics and advantages of the invention will appear on reading the following description, given solely by way of non-limiting example, and made with reference to the appended drawings in which:
[Fig 1] illustre schématiquement la structure générale d’un système de commande de compensateur de commande de vol conforme à l’invention ; et [Fig 1] schematically illustrates the general structure of a flight control trim control system according to the invention; and
[Fig 2] illustre schématiquement la structure d’un système de commande d’un compensateur de vol selon un autre mode de réalisation. [Fig 2] schematically illustrates the structure of a control system of a flight trim according to another embodiment.
Sur la figure 1 , on a représenté l’architecture générale d’un système de commande de TRIM pour hélicoptère conforme à l’invention, désigné par la référence numérique générale 1. In Figure 1, there is shown the general architecture of a TRIM control system for a helicopter according to the invention, designated by the general reference numeral 1.
Ce système de commande est destiné à fournir un retour haptique au pilote qui soit modifiable sous l’effet d’une commande qui lui est appliquée, en particulier pendant le vol de la machine, et qui présente une consommation et une masse relativement faible. This control system is intended to provide haptic feedback to the pilot which is modifiable under the effect of a command applied to it, in particular during the flight of the machine, and which has a relatively low consumption and mass.
Ce système de commande comporte un motoréducteur 2 comprenant un moteur 3 associé à un capteur 4 de position du moteur pour permettre le pilotage du moteur et un réducteur 5. This control system comprises a geared motor 2 comprising a motor 3 associated with a motor position sensor 4 to allow the control of the motor and a reduction gear 5.
Le moteur 3 est un moteur à faible couple et à haute vitesse de rotation, par exemple de l’ordre de 5 degrés par seconde, le réducteur étant un réducteur à rapport de réduction élevée, par exemple de l’ordre de 50. The motor 3 is a low torque, high rotational speed motor, for example of the order of 5 degrees per second, the reduction gear being a reducer with a high reduction ratio, for example of the order of 50.
Le système de commande 1 comporte en outre un actionneur à friction variable 6 couplé à un arbre moteur 7, en sortie du réducteur, et lié à l’arbre de sortie 8 du système de commande qui agit sur un instrument de commande de vol, tel qu’un manche ou un palonnier, par l’intermédiaire d’un volant 9. The control system 1 further comprises a variable friction actuator 6 coupled to a motor shaft 7, at the output of the reducer, and linked to the output shaft 8 of the control system which acts on a flight control instrument, such as than a stick or a rudder, via a steering wheel 9.
Par ailleurs, le système de commande comporte un premier capteur de position angulaire 10 assurant la mesure de la position angulaire de l’arbre de sortie 8 par rapport à un point fixe, constitué par exemple par le bâti du système de commande. Furthermore, the control system comprises a first angular position sensor 10 ensuring the measurement of the angular position of the output shaft 8 with respect to a fixed point, constituted for example by the frame of the control system.
En outre, dans un mode de réalisation, la ligne d’arbres de l’arbre de sortie comporte deux portions d’arbre reliées entre elles avec jeu autorisant un débattement angulaire par exemple de l’ordre de 0, 1° et avec une faible raideur d’actionnement. Tel qu’illustré, le système de commande comprend alors un deuxième capteur de position angulaire 12 assurant la mesure de la position angulaire relative entre les deux portions d’arbre dans la zone de jeu 13 pour détecter les changements de sens de l’effort appliqué par le pilote sur l’instrument de commande de vol. In addition, in one embodiment, the line of shafts of the output shaft comprises two shaft portions interconnected with play allowing an angular displacement for example of the order of 0.1° and with a small actuation stiffness. As illustrated, the control system then comprises a second angular position sensor 12 measuring the relative angular position between the two shaft portions in the clearance zone 13 to detect changes in direction of the force applied. by the pilot on the flight control instrument.
Le système de commande est complété par une carte électronique (non représentée), recevant les mesures de position angulaire délivrées par le premier capteur de position 10 et par le deuxième capteur de position 12 et recevant la mesure de position du capteur 4 de position du moteur pour piloter le moteur ainsi que l’actionneur à friction variable 6. The control system is completed by an electronic card (not shown), receiving the angular position measurements delivered by the first position sensor 10 and by the second position sensor 12 and receiving the position measurement from the motor position sensor 4 to control the motor as well as the variable friction actuator 6.
L’actionneur à friction variable 6 est constitué, dans l’exemple de réalisation illustré à la figure 1 , par un embrayage magnétique à couple de friction variable qui est interposé entre l’arbre de sortie du réducteur 5 et l’arbre de sortie du système de commande lié au volant 9. Par exemple, cet embrayage comprend deux disques 14 et 15 liés l’un à l’arbre moteur 7 et l’autre à l’arbre de sortie 8 et un fluide magnétorhéologique 16 emplissant localement l’espace entre les deux disques 14 et 15 de manière à être en contact avec ces disques, une source de champ magnétique, par exemple une bobine alimentée sous le contrôle de la carte électronique, délivrant un champ magnétique agissant sur le fluide magnétorhéologique dans la zone située entre les deux disques de manière à faire varier sa viscosité et par conséquent le couple de friction entre les deux disques. Ainsi, en fonction de la commande qui lui est appliquée, le système de commande qui vient d’être écrit peut modifier l’effort ou l’amortissement appliqué à l’instrument de commande de vol en particulier en agissant sur la vitesse de rotation du moteur et sur le couple de friction fourni par l’embrayage, notamment selon les phases de vol de l’hélicoptère. The variable friction actuator 6 is constituted, in the example embodiment illustrated in FIG. 1, by a magnetic clutch with variable friction torque which is interposed between the output shaft of the reducer 5 and the output shaft of the control system linked to the flywheel 9. For example, this clutch comprises two discs 14 and 15 linked one to the motor shaft 7 and the other to the output shaft 8 and a magnetorheological fluid 16 locally filling the space between the two discs 14 and 15 so as to be in contact with these discs, a source of magnetic field, for example a coil supplied under the control of the electronic card, delivering a magnetic field acting on the magnetorheological fluid in the zone located between the two discs so as to vary its viscosity and consequently the friction torque between the two discs. Thus, depending on the control applied to it, the control system which has just been written can modify the force or the damping applied to the flight control instrument, in particular by acting on the speed of rotation of the engine and on the friction torque provided by the clutch, in particular depending on the flight phases of the helicopter.
Il permet également de fournir des butées virtuelles permettant d’augmenter virtuellement l’effort nécessaire pour atteindre certaines positions de l’instrument de commande selon les phases de vol, par exemple pour éviter des positions critiques susceptibles d’engendrer des dysfonctionnements. It also makes it possible to provide virtual stops making it possible to virtually increase the effort required to reach certain positions of the control instrument according to the flight phases, for example to avoid critical positions liable to cause malfunctions.
Ce système de commande permet également de procurer une assistance au pilotage en fournissant un effort actif permettant de repositionner l’instrument de commande en position initiale. This control system also makes it possible to provide piloting assistance by providing an active effort making it possible to reposition the control instrument in its initial position.
En outre, l’embrayage magnétique est placé au plus près de la sortie et permet dès lors de lisser et gommer tous les effets de l’entrainement. Le système de commande profite d’un effet sécuritaire en cas de blocage du motoréducteur 2, en raison du glissement possible de l’embrayage pour redonner la main au pilote. In addition, the magnetic clutch is placed as close as possible to the output and therefore makes it possible to smooth out and erase all the effects of the drive. The control system takes advantage of a safety effect in the event of blocking of gearmotor 2, due to the possible slipping of the clutch to give control back to the pilot.
Par exemple, le système de commande qui vient d’être décrit fonctionne de la façon suivante. For example, the control system just described operates as follows.
En premier lieu, le système de commande peut être utilisé pour délivrer un effort variable selon une loi d’effort croissante. First, the control system can be used to deliver a variable force according to an increasing law of force.
Dans ce cas, le moteur électrique tourne dans un sens opposé à celui de l’arbre de sortie 8 lié à l’instrument de commande. Il est entraîné à une faible vitesse de rotation et l’embrayage fournit un retour d’effort F selon une loi F=f(position, vitesse) qui croît en fonction de la position et de la vitesse de l’arbre de sortie 8. In this case, the electric motor rotates in a direction opposite to that of the output shaft 8 linked to the control instrument. It is driven at a low rotational speed and the clutch provides a force feedback F according to a law F=f(position, speed) which increases as a function of the position and the speed of the output shaft 8.
Ce mode de fonctionnement assure la réactivité et sécurise les équipements embarqués en cas de panne. Lorsque le pilote relâche l’instrument de commande, par exemple le manche, le moteur électrique, qui tournait dans le sens inverse de celui de l’arbre de sortie 8 ramène le manche en position initiale. Si le pilote ramène le manche à zéro à faible vitesse, c’est-à-dire à une vitesse inférieure à la vitesse de rotation du moteur lors de la première phase, le deuxième capteur de position 12 détecte qu’aucun changement de sens de l’effort fourni par le pilote n’est intervenu. L’embrayage 6 fournit un retour d’effort F=f(position, vitesse) pour ramener le manche à faible vitesse. This mode of operation ensures responsiveness and secures the on-board equipment in the event of a breakdown. When the pilot releases the control instrument, for example the stick, the electric motor, which was rotating in the opposite direction to that of the output shaft 8, brings the stick back to its initial position. If the pilot brings the stick back to zero at low speed, that is to say at a speed lower than the rotational speed of the engine during the first phase, the second position sensor 12 detects that no change in direction of the effort provided by the pilot did not intervene. The clutch 6 provides a force feedback F=f(position, speed) to bring the stick back to low speed.
Le moteur électrique ramène alors le manche à zéro. The electric motor then brings the stick back to zero.
Au contraire, si le pilote ramène le manche à zéro à haute vitesse, c’est-à-dire à une vitesse supérieure à la vitesse du moteur électrique de la première phase, le deuxième capteur de position 12 détecte le changement de sens de l’effort fourni par le pilote et le moteur électrique est accéléré jusqu’à ce que le capteur de position détecte à nouveau un changement de sens de l’effort, la vitesse de rotation du moteur, supérieure à la vitesse d’actionnement de l’instrument de commande permettant de rattraper le jeu qui existait initialement. Puis, le moteur électrique ramène le manche à zéro. On the contrary, if the pilot brings the stick back to zero at high speed, that is to say at a speed greater than the speed of the electric motor of the first phase, the second position sensor 12 detects the change in direction of the effort provided by the pilot and the electric motor is accelerated until the position sensor again detects a change in the direction of the effort, the speed of rotation of the motor, greater than the speed of actuation of the control instrument allowing to catch up the play which initially existed. Then, the electric motor brings the stick back to zero.
On notera qu’entre ces diverses phases, le moteur électrique est arrêté. Note that between these various phases, the electric motor is stopped.
Dans le mode de réalisation décrit en référence à la figure 1 , le réducteur 5 est un réducteur irréversible, de sorte que les efforts appliqués sur l’instrument de commande ne sont pas remontés par le réducteur vers le moteur. In the embodiment described with reference to FIG. 1, the reducer 5 is an irreversible reducer, so that the forces applied to the control instrument are not passed up by the reducer to the motor.
Dans un autre mode de réalisation illustré sur la figure 2, sur lequel on reconnaît le motoréducteur 2, les premier et deuxième capteurs de position 10 et 12 et la zone de jeu 13 ainsi que le volant 9, l’actionneur à friction 6 comprend un embrayage magnétique 17, similaire à l’embrayage magnétique décrit précédemment en référence à la figure 1 et un frein magnétorhéologique 18 comprenant par exemple un disque en contact avec un fluide rhéologique dont la viscosité et donc l’effort de friction est modifié sous l’effet d’un champ magnétique. Dans ce cas, le réducteur n’est pas nécessairement irréversible, le couple de friction appliquée au volant 9 étant constitué par la somme des effets de la friction procurée par l’embrayage 17 et par le frein 18. In another embodiment illustrated in Figure 2, on which the geared motor 2, the first and second position sensors 10 and 12 and the play zone 13 as well as the steering wheel 9 are recognized, the friction actuator 6 comprises a magnetic clutch 17, similar to the magnetic clutch described previously with reference to FIG. 1 and a magnetorheological brake 18 comprising for example a disc in contact with a rheological fluid whose viscosity and therefore the friction force is modified under the effect of a magnetic field. In this case, the reducer is not necessarily irreversible, the friction torque applied to the flywheel 9 consisting of the sum of the effects of the friction provided by the clutch 17 and by the brake 18.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de commande de compensateur de vol d’aéronef, comprenant un moteur (3), et un actionneur (6) à friction variable couplé au moteur et à un arbre de sortie (8), caractérisé en ce que l’actionneur à friction variable comprend un embrayage magnétique à couple de friction variable lié à l’arbre de sortie, le système de commande de compensateur de vol d’aéronef comprenant des moyens de détection d’un sens d’effort appliqué à l’arbre de sortie. 1. Aircraft flight trim control system, comprising a motor (3), and a variable friction actuator (6) coupled to the motor and to an output shaft (8), characterized in that the actuator with variable friction comprises a variable friction torque magnetic clutch linked to the output shaft, the aircraft flight trim control system comprising means for detecting a direction of force applied to the output shaft.
2. Système de commande selon la revendication 1 , comprenant un réducteur (5) placé entre le moteur (3) et l’actionneur (6). 2. Control system according to claim 1, comprising a reducer (5) placed between the motor (3) and the actuator (6).
3. Système de commande selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel l’embrayage magnétique comporte deux disques (14, 15) liés l’un au moteur et l’autre à l’arbre de sortie (8), un fluide (16) magnétorhéologique en contact avec les disques et une source de champ magnétique agissant sur le fluide magnétorhéologique pour faire varier le couple de friction entre les disques. 3. Control system according to one of claims 1 and 2, wherein the magnetic clutch comprises two discs (14, 15) connected one to the motor and the other to the output shaft (8), a magnetorheological fluid (16) in contact with the discs and a magnetic field source acting on the magnetorheological fluid to vary the friction torque between the discs.
4. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant un capteur de position angulaire (10) de l’arbre de sortie (8). 4. System according to any one of claims 1 to 3, comprising an angular position sensor (10) of the output shaft (8).
5. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les moyens de détection comprennent un capteur (12) de position relative entre deux portions de l’arbre de sortie reliées avec jeu. 5. System according to any one of claims 1 to 4, wherein the detection means comprise a relative position sensor (12) between two portions of the output shaft connected with play.
6. Système selon l’une quelconque des revendication 1 à 5 dans lequel le réducteur est un réducteur irréversible. 6. System according to any one of claims 1 to 5 wherein the reducer is an irreversible reducer.
7. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant en outre un frein magnétorhéologique (18) interposé entre l’embrayage magnétique et le moteur, le réducteur étant un réducteur réversible. 7. System according to any one of claims 1 to 5, further comprising a magnetorheological brake (18) interposed between the magnetic clutch and the motor, the reducer being a reversible reducer.
8. Hélicoptère comprenant un système de commande de compensateur selon l’une quelconque des revendications 1 à 7. 8. Helicopter comprising a trim control system according to any one of claims 1 to 7.
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