DE102008028365B4

DE102008028365B4 - Rotorfluggerät mit einer Steuereinrichtung zum Generieren von Steuerbefehlen

Info

Publication number: DE102008028365B4
Application number: DE102008028365A
Authority: DE
Inventors: Bastian Wilke
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2008-06-13
Filing date: 2008-06-13
Publication date: 2012-12-13
Anticipated expiration: 2028-06-14
Also published as: DE102008028365A1

Abstract

Rotorfluggerät mit einer Steuereinrichtung zum Generieren von Steuerbefehlen an Antriebs- und Lenkeinrichtungen des Rotorfluggeräts, wobei die Steuereinrichtung einen Handgriff aufweist, der aus einer gegenüber dem Rotorfluggerät definierten Grundstellung translatorisch und in allen drei rotatorischen Richtungen auslenkbar ist, wobei die Steuereinrichtung bei jeder Auslenkung des Handgriffs den Bewegungszustand des Rotorfluggeräts in der Richtung der Auslenkung verändert, wobei das Maß der Veränderung mit dem Maß der Auslenkung zunimmt und wobei Gegenkräfte auf den Handgriff wirken, deren Maß mit dem Maß der Auslenkung des Handgriffs aus der Grundstellung zunimmt, dadurch gekennzeichnet, dass der Handgriff (1) aus seiner gegenüber dem Rotorfluggerät definierten Grundstellung in allen drei translatorischen Richtungen (4, 6, 7) auslenkbar ist und dass die Gegenkräfte auf den Handgriff (1) von dem aktuellen Flugszustand des Rotorfluggeräts abhängig sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Rotorfluggerät mit einer Steuereinrichtung zum Generieren von Steuerbefehlen an Antriebs- und Lenkreinrichtungen des Rotorfluggeräts.
Mit Rotorfluggeräten sind hier insbesondere Hubschrauber und dabei sowohl zivile als auch militärische Hubschrauber gemeint.
STAND DER TECHNIK
Mit zunehmender Komplexität von Rotorfluggeräten wird deren Bedienung ebenfalls komplexer, wenn hierfür herkömmliche Bedienungseinheiten, d. h. insbesondere Steuerhebel und Pedale verwendet werden. So verlangen diese Bedienungseinheiten dem Piloten eine gleichzeitige Koordination mehrerer Extremitäten ab. Dies birgt ein erhebliches Fehlerrisiko, weil die Betätigung der Bedienungseinheiten durch den Piloten nicht intuitiv erfolgen kann.
Aus der EP 1 146 317 A1 ist ein Hubschrauber bekannt, bei dem eine zeitliche Ableitung eines Winkels zwischen einem Seil, über das eine Last an dem Hubschrauber angehängt ist und der Erdsenkrechten zeitlich überlagert mit dem Nickwinkel des Hubschraubers dargestellt, um dem Piloten ein Signal zur Verfügung zu stellen, dass bei ihm ein intuitives Verhalten auslöst, welches Schwingungen der Last reduziert und nicht weiter aufbaut. Der Pilot dieses bekannten Hubschraubers muss aber bereits in der Lage sein, auf einen angezeigten Nickwinkel des Hubschraubers mit Hilfe der üblichen Bedieneinrichtungen eines herkömmlichen Hubschraubers angemessen zu reagieren.
Aus der US 5,001,646 geht ein Rotorfluggerät mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 hervor. Hier ist der Handgriff eines Joysticks den originären Bewegungsrichtungen eines Hubschraubers entsprechend um die Längs-, Quer- und Hochachse des Hubschraubers verschwenkbar sowie in vertikaler Richtung verschiebbar. Dabei wird ein von der auf den Handgriff ausgeübten Kraft in der jeweiligen Richtung abhängiges Anforderungssignal für eine Bewegung des Hubschraubers in der jeweiligen Richtung generiert.
Aus der DE 195 36 293 C2 ist eine Steuer- und Programmiereinrichtung für einen Manipulator bekannt, die eine Handbedieneinheit in Form eines in allen drei rotatorischen und allen drei translatorischen Richtungen auslenkbaren Joysticks bekannt.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rotorfluggerät mit einer Steuereinrichtung bereitzustellen, die zu einer deutlichen Entlastung eines Piloten des Rotorfluggeräts führt, damit dieser sich auf missionsbezogene Aufgaben konzentrieren kann.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Rotorfluggerät mit einer Steuereinrichtung und den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele des neuen Rotorfluggeräts sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung geht von einem intuitiven, ergonomischen Ansatz zur Definition der Mensch-Maschine-Schnittstelle bei einem Rotorfluggeräte aus. Zu diesem Zweck weist die Steuereinrichtung des neuen Rotorfluggeräts einen Handgriff auf, der aus einer gegenüber dem Rotorfluggerät definierten Grundstellung in allen drei translatorischen Richtungen und allen drei rotatorischen Richtungen auslenkbar ist, wobei die Steuereinrichtung bei jeder Auslenkung des Handgriffs den Bewegungszustand des Rotorfluggeräts in der Richtung der Auslenkung verändert, wobei das Maß der Veränderung mit dem Maß der Auslenkung zunimmt und wobei Rückstellkräfte auf den Handgriff in die Grundstellung wirken, deren Maß ebenfalls mit dem Maß der Auslenkung des Handgriffs zunimmt. Der Handgriff symbolisiert das Fluggerät. Die sechs Richtungen, in denen der Handgriff auslenkbar ist, stehen stellvertretend für die sechs Bewegungsrichtungen des Fluggeräts. Die Steuerung des Fluggeräts über den Handgriff ist in höchstem Maße intuitiv und verlangt ausschließlich die Koordination verschiedener Bewegungen einer Hand des Piloten an dem Handgriff. Mit dieser Hand kontrolliert er das gesamte Rotorfluggerät.
Das Fliegen eines Rotorfluggeräts mittels Betätigung eines einzelnen Handgriffs ist nicht nur intuitiv sondern kann auch leicht simuliert und damit trainiert bzw. erlernt werden. Es kommt auch den sowieso schon hochgradig trainierten Fähigkeiten von Computernutzern und insbesondere Spielern von Computerspielen entgegen und nutzt diese geschickt aus.
Eine besonders sinnvolle, weil leicht intuitiv ausnutzbare Verknüpfung zwischen den einzelnen Auslenkungen des Handgriffs mit den Steuerbefehlen der Steuereinrichtung an die Antriebs- und Lenkeinrichtungen des Rotorfluggeräts ist dann gegeben, wenn die Steuereinrichtung das Rotorfluggerät proportional zur Auslenkung des Handgriffs in der translatorischen Richtung nach vorne oder hinten oder in der rotatorischen Richtung um die Hochachse beschleunigt, proportional zur Auslenkung des Handgriffs in den translatorischen Richtungen nach oben und unten bzw. rechts und links die Geschwindigkeit des Rotorfluggeräts vorgibt und proportional zur Auslenkung des Handgriffs in den rotatorischen Richtungen um die Längs- und Querachse den Roll- bzw. Nickwinkel des Rotorfluggeräts vorgibt. D. h., abhängig von der Auslenkung des Rotorfluggeräts in bestimmte translatorische und rotatorische Richtungen werden die Beschleunigung, die Geschwindigkeit oder die Lage des Rotorfluggeräts in der jeweiligen Richtung vorgegeben bzw. die Steuerbefehle von der Steuereinrichtung entsprechend generiert.
Weiter erweist es sich als günstig, dass die Gegenkräfte auf den Handgriff in den verschiedenen Richtungen nicht nur von der Auslenkung selbst sondern auch von dem aktuellen Flugzustand des Rotorfluggeräts abhängig sind, um diesen an den Piloten zurückzukoppeln. So kann mindestens eine der Gegenkräfte von der aktuellen Geschwindigkeit des Rotorfluggeräts zum Boden in ihrer Richtung abhängig sein oder von dem aktuellen Abstand des Rotorfluggeräts zum Boden in ihrer Richtung. Ganz grundsätzlich können die Gegenkräfte von einem Abstand des Rotorfluggeräts von einer vorgegebenen Flugenveloppe des Rotorfluggeräts abhängig sein. Eine Annäherung an die Flugenveloppe, die die zulässigen Flugzustände des Rotorfluggeräts einschließt, sollte ein starkes Ansteigen der Gegenkräfte auf den Handgriff zur Folge haben.
Darüber hinaus kann durch eine ansteigende Stufe bei den Gegenkräften darauf hingewiesen werden, dass der Pilot eine Grenze eines bevorzugten Flugzustands des Rotorfluggeräts überschreitet, wenn er den Handgriff weiter auslenkt.
Idealerweise werden bei dem neuen Rotorfluggerät die Auslenkungen des Handgriffs in allen drei linearen Richtungen und allen drei Drehrichtungen gegenüber einem innerhalb des Handgriffs befindlichen Ursprungspunkt erfasst. D. h., in diesem Ursprungspunkt schneiden sich die translatorischen und rotatorischen Richtungen, in denen der Handgriff auslenkbar ist.
Vorzugsweise ist der Handgriff ergonomisch aufgeformt, d. h. an die Kontur einer um ihn geschlossenen Hand angepasst. Der Handgriff weist aber auch bei ergonomischer Ausgestaltung eine Haupterstreckung auf. Diese verläuft bei dem neuen Rotorfluggerät vorzugsweise in der Richtung dessen Querachse.
Eine konkrete Umsetzung der Lagerung des Handgriffs bei dem neuen Rotorfluggerät kann von dem Handgriff aus gesehen zunächst eine kardanische Lagerung umfassen, die ihrerseits linear verschieblich gelagert ist. Die Auslenkungen des Handgriffs in den verschiedenen Richtungen können dabei unmittelbar im Bereich seiner Lagerungen oder auch kontaktlos erfasst werden. Da aber auf die Rückstellkräfte auf den Handgriff erfindungsgemäß sinnvollerweise Einfluss genommen wird, sind aktive Elemente in den Lagerungen bevorzugt, mit denen die Rückstellkräfte variierbar sind und mit denen zugleich die Auslenkungen des Handgriffs in den verschiedenen Richtungen erfassbar sind.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
1 skizziert einen Handgriff der in drei translatorischen Richtungen und drei rotatorischen Richtungen aus seiner dargestellten Ausgangssituation auslenkbar ist, um auf diese Weise ein Rotorfluggerät zu steuern.
2 zeigt einen Hubschrauber als Beispiel für ein Rotorfluggerät und dessen drei translatorischen und drei rotatorischen Bewegungsrichtungen, die den in 1 dargestellten Bewegungsrichtungen des Handgriffs entsprechen.
3 zeigt eine konkrete Ausführungsform einer Lagerung für den Handgriff gemäß 1 in einer Draufsicht auf den Handgriff; und
4. zeigt eine Seitenansicht der Lagerung des Handgriffs gemäß 3.
FIGURENBESCHREIBUNG
Der in 1 gezeigte Handgriff 1 ist im Wesentlichen stabförmig. Vorzugsweise ist er jedoch ergonomisch ausgeformt, d. h. an die Konturen des freien Innenvolumens einer sich um ihn schließenden Hand 2 angepasst. Bei der Hand 2 handelt es sich um die Hand eines Piloten, die den Handgriff 1 ergreift, um ein Rotorfluggerät, wie einen in 2 gezeigten Hubschrauber 3 zu steuern. Dabei werden mit Hilfe von Auslenkungen des Handgriffs 1 aus seiner fastfreien Grundstellung Steuerbefehle an Antriebs- und Lenkeinrichtungen des Hubschraubers 3 generiert, die sich jeweils auf die Bewegungsrichtung beziehen, in der der Handgriff ausgelenkt wurde. Konkret führt eine Auslenkung des Handgriffs 1 in der translatorischen Richtung 4 nach vorne bzw. hinten zu einer dem Maß der Auslenkung entsprechenden Beschleunigung des Hubschraubers 3. Dabei wirkt auf den Handgriff eine proportional zu seiner Auslenkung ansteigende Rückstellkraft ein. Solche Rückstellkräfte gibt es auch bei Auslenkungen des Handgriffs in den anderen translatorischen und rotatorischen Richtungen. Eine Auslenkung des Handgriffs 1 in der rotatorischen Richtung 5 um die Hochachse führt ebenfalls zu einer dazu proportionalen Beschleunigung des Hubschraubers 3 um die Hochachse, während Auslenkungen des Handgriffs 1 in der translatorischen Richtung 6 nach oben beziehungsweise unten und der translatorischen Richtung 7 nach links bzw. rechts die Geschwindigkeit des Hubschraubers 3 in diesen Richtungen proportional zum Maß der Auslenkung vorgeben. Auslenkungen des Handgriffs 1 in der rotatorischen Richtung 8 um die Lenkachse und der rotatorischen Richtung 9 um die Querachse führen zu dem Maß der Auslenkung proportionalen Einstellungen dieser Winkel bei dem Hubschrauber 3. Zusätzlich zu den bereits angesprochenen, von der Auslenkung des Handgriffs 1 selbst abhängigen Rückstellkräften auf den Handgriff 1 kann dieser abhängig von den Grenzen einer zulässigen Flugenveloppe des Hubschraubers 3 mit äußeren Kräften beaufschlagt werden, um dem Piloten beim Annähern an die Grenzen der Flugenveloppe eine Rückkopplung über die Hand 2 zu geben.
3 und 4 skizzieren eine konkrete mögliche Ausführungsform des Handgriffs 1. Für diesen ist zunächst ein kardanisches Lager 10 und dann eine Linearlagerung 11 vorgesehen. Das kardanische Lager 10 weist unmittelbar an den Handgriff 1 angrenzend ein Achslager 14 mit Torsionsfederelementen und Winkelgebern auf. Hieran schließen sich kardanisch geschachtelte Rotationslager 12 an, wobei das innere Rotationslager über ein Achslager 15 und das äußere Rotationslager direkt an einem Viertelkugelschalengehäuse 13 abgestützt ist. Die jeweilige Winkelstellung der Rotationslager wird über Winkelgeber erfasst, und es sind Rückstellfederelemente vorgesehen. Die Linearlagerung 11 wird durch drei Lager 17 mit jeweils zwei linearen Achsen bewirkt, die das Viertelkugelschalengehäuse 13 über jeweils ein lineares Doppelzugfederelement mit Weggeber 16 abstützen. Jede Achse kann dabei nicht nur mit einem Weg- bzw. Winkelgeber und einem Rückstellfederelement versehen sein, sondern auch mit einem Auslenkungsbegrenzer. Die Maximalauslenkung kann dabei in Abhängigkeit von dem aktuellen Flugzustand des Rotorfluggeräts mit Stellgliedern einstellbar sein.
Bezugszeichenliste

1: Handgriff
2: Hand
3: Hubschrauber
4: translatorische Richtung
5: rotatorische Richtung
6: translatorische Richtung
7: translatorische Richtung
8: rotatorische Richtung
9: rotatorische Richtung
10: kardanisches Lager
11: Linearlagerung
12: Rotationslager
13: Viertelkugelschalengehäuse
14: Achslager
15: Achslager
16: Doppelzugfederelement
17: Linearlager

Claims

Rotorfluggerät mit einer Steuereinrichtung zum Generieren von Steuerbefehlen an Antriebs- und Lenkeinrichtungen des Rotorfluggeräts, wobei die Steuereinrichtung einen Handgriff aufweist, der aus einer gegenüber dem Rotorfluggerät definierten Grundstellung translatorisch und in allen drei rotatorischen Richtungen auslenkbar ist, wobei die Steuereinrichtung bei jeder Auslenkung des Handgriffs den Bewegungszustand des Rotorfluggeräts in der Richtung der Auslenkung verändert, wobei das Maß der Veränderung mit dem Maß der Auslenkung zunimmt und wobei Gegenkräfte auf den Handgriff wirken, deren Maß mit dem Maß der Auslenkung des Handgriffs aus der Grundstellung zunimmt, dadurch gekennzeichnet, dass der Handgriff (1) aus seiner gegenüber dem Rotorfluggerät definierten Grundstellung in allen drei translatorischen Richtungen (4, 6, 7) auslenkbar ist und dass die Gegenkräfte auf den Handgriff (1) von dem aktuellen Flugszustand des Rotorfluggeräts abhängig sind.
Rotorfluggerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung das Rotorfluggerät proportional zur Auslenkung des Handgriffs (1) nach vorne oder hinten oder um die Hochachse beschleunigt; proportional zur Auslenkung des Handgriffs nach oben, unten, rechts oder links die Geschwindigkeit des Rotorfluggeräts vorgibt und proportional zur Auslenkung des Handgriffs um die Längs- oder Querachse den Roll- bzw. Nickwinkel des Rotorfluggeräts vorgibt.
Rotorfluggerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Gegenkräfte von der aktuellen Geschwindigkeit des Rotorfluggeräts zum Boden in ihrer Richtung abhängig ist.
Rotorfluggerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Gegenkräfte von dem aktuellen Abstand des Rotorfluggeräts zum Boden in ihrer Richtung abhängig ist.
Rotorfluggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenkräfte von einem Abstand des Rotorfluggeräts von einer vorgegebenen Flugenveloppe des Rotorfluggeräts abhängig sind.
Rotorfluggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Gegenkräfte eine Stufe aufweist, die eine Grenze eines bevorzugten Bereichs von Flugzuständen des Rotorfluggeräts anzeigt.
Rotorfluggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkungen des Handgriffs (1) in allen drei translatorischen Richtungen (4, 6, 7) und allen drei rotatorischen Richtungen (5, 8, 9) gegenüber einem innerhalb des Handgriffs befindlichen Ursprungspunkt erfasst werden.
Rotorfluggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Handgriff (1) ergonomisch ausgeformt ist.
Rotorfluggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Handgriff (1) eine in Richtung der Querachse verlaufende Haupterstreckung aufweist.
Rotorfluggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Handgriff (1) kardanisch gelagert ist.
Rotorfluggerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das kardanische Lager (10) linear verschieblich gelagert ist.