DE19913651B4

DE19913651B4 - Gyroskop für ferngesteuerte Helikopter

Info

Publication number: DE19913651B4
Application number: DE19913651A
Authority: DE
Inventors: Michio Mobara Yamamoto
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 1998-03-27
Filing date: 1999-03-25
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2019-03-26
Also published as: DE19913651A1; JP3166703B2; JPH11276722A; TW380218B; KR20000005617A; US6227482B1; KR100351377B1

Abstract

Giersteuerungssystem für einen ferngesteuerten Helikopter mit einem Hauptrotor und mit einem Heckrotor, mit den folgenden Merkmalen:
einer proportional-integral-differenzial-Steuerung (2) zur Steuerung der Bewegung des ferngesteuerten Helikopters um die Gierachse,
einem Gierachsen-Winkelgeschwindigkeits-Sensor (10),
einer Mischeinheit (3) zum Mischen eines Hauptrotor-Anstellwinkel-Steuersignales mit einem Gierachsen-Steuersignal,
wobei in die proportional-integral-differenzial-Steuerung (2) eine Abweichung zwischen einem Gierachsen-Winkelgeschwindigkeits-Referenzwert und einem Gierachsen-Steuersignal sowie eine Abweichung zwischen dem Gierachsen-Winkelgeschwindigkeits-Referenzwert und einem Ausgangssignal von dem Gierachsen-Winkelgeschwindigkeits-Sensor (10) eingegeben wird,
wobei dem Gegendrehmoment in Bezug auf die Gierachse, das durch die Hauptrotor-Anstellwinkel-Einstellung erzeugt wird, entgegengewirkt wird, indem ein Ausgangssignal von der proportional-integral-differenzial-Steuerung (2), ein Ausgangssignal von der Mischeinheit (3) und das Gierachsen-Steuersignal an die Gierachsen-Antriebseinheit ausgegeben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gyroskopsystem für ferngesteuerte Helikopter, beispielsweise Luftaufnahmen-Helikopter oder landwirtschaftliche Helikopter zum Versprühen von Chemikalien.
Um einen Modellhelikopter zu handhaben, ist das Gyroskopsystem oder das Heckstabilisierungssystem eine Hilfseinrichtung, die zur Stabilisierung des Helikopters um die Gierachse dient. Ohne Gyroskopsystem giert der Helikopter in einer Horizontalen, da keine automatische Stabilisierungsfunktion seiner Bewegung um die Gierachse vorhanden ist.
Bei der Steuerung eines Modellhelikopters um seine Gierachse wird die Bewegung des Helikopters um die Gierachse unter Steuerbefehlen von einem Transmitter an der Steuereinheit so gedreht, daß die Nase des Helikopters in seine Zielrichtung gedreht wird. Das Gyroskopsystem stoppt die Drehbewegung des Helikopters um die Gierachse, wenn keine Steuerbefehle von der Steuerungsseite kommen, und dreht den Helikopter jedoch schnell um seine Gierachse in Antwort auf Steuerbefehle von der Steuerungsseite. Bei einem Gyroskopsystem für die Heckstabilisation bei einem Helikopter wird die Drehgeschwindigkeit des Helikopters um seine Gierachse dadurch erfaßt, daß eine Abweichung zwischen einem Signal von einem Winkelgeschwindigkeits-Sensor, der an dem Modellhelikopter vorgesehen ist, und einem Referenzsignal berechnet wird, welches einen Sollwert für die Winkelgeschwindigkeit darstellt. Das resultierende Signal wird zu der Stelleinheit der Gierachsensteuerung an dem Helikopter gesendet und unterliegt einer Rückkopplungsregelung zum Nullsetzen der Winkelgeschwindigkeit des Helikopters um die Gierachse. Bisher wird ein Proportionalsteuerungssystem als Rückkopplungsregelsystem eingesetzt, welches eine vereinfachte Ausführung darstellt. Bei dem Proportionalsteuersystem ist das Ausgangssignal der Steuerung proportional zu einer Abweichung des Meßwertes von einem Sollwert.

2 ist ein Blockdiagramm eines herkömmlichen Gyroskopsystems mit einem Proportionalsteuersystem für Helikopter. Die Bezugszeichen 21, 4, 5, und 8 sind Additionspunkte. Das Bezugszeichen 22 stellt eine Proportionalsteuerung dar. Das Bezugszeichen 3 stellt eine Mischeinheit zum Mischen eines Anstellwinkelsignals mit einem Gierachsensteuersignal dar. Das Bezugszeichen 6 stellt eine Stelleinheit dar. Das Bezugszeichen 7 stellt eine Gierachsen-Antriebseinheit dar. Das Bezugszeichen 9 stellt einen Rumpf dar. Das Bezugszeichen 10 stellt einen Gierachsen-Winkelgeschwindigkeits-Sensor dar.

Als Gierachsen-Winkelgeschwindigkeits-Sensor 10 wird beispielsweise ein Geschwindigkeitsgyroskop oder ein Gyroskop des piezoelektrischen Vibrationstyps, d. h. ein Winkelgeschwindigkeits-Sensor vom piezoelektrischen Vibrationstyp, verwendet. Eine Abweichung zwischen dem durch den Gierachsen-Winkelgeschwindigkeits-Sensor 10 gemessenen Winkelgeschwindigkeitssignal und dem Winkelgeschwindigkeits-Null-Referenzwert wird an dem Additionspunkt 21 erhalten und nachfolgend in die Proportionalsteuerung 22 eingegeben. Das Ausgangssignal der Proportionalsteuerung 22 wird dem Ausgangssignal der Mischeinheit 3 an dem Additionspunkt 4 zuaddiert. Des weiteren wird an dem Additionspunkt 5 das resultierende Signal zu dem Gierachsensteuersignal addiert, und das Ergebnis wird an die Stelleinheit 6 gesendet. Die Gierachsen-Antriebseinheit 7 verändert den Anstellwinkel des Heckrotors entsprechend dem Ausgangssignal der Stelleinheit 6, wodurch der Antrieb des Helikopters um die Gierachse verändert wird.

An dem virtuellen Additionspunkt 8 wird das Ausgangssignal von der Gierachsenantriebseinheit 7 mit einem Störfaktor addiert, der beispielsweise durch die Gegenkraft des Hauptrotors oder durch Windeinwirkung verursacht wird. Das resultierende Summensignal der Kräfte oder Momente wirkt auf den Rumpf 9. Der Gierachsen-Winkelgeschwindigkeits-Sensor 10 erfaßt die Winkelgeschwindigkeit des Rumpfes 9 um die Gierachse. Das erfaßte Ausgangssignal wird an den Additionspunkt 21 gegeben. Somit liegt eine Steuerschleife (in 2 nicht gezeigt) vor, mit der Gierachsensteuersignale bereitgestellt werden, wenn der Benutzer eines drahtlosen gesteuerten bzw. funkgesteuerten Helikopters den Knüppel einer drahtlosen Steuereinrichtung bedient, um Fernsteuersignale zu dem Helikopter zu übertragen, während die Winkelbewegungen des Helikopters um seiner Gierachse beobachtet werden.

Um das Gierachsensteuerverfahren in dem Gyroskopsystem durchzuführen, das das Proportionalsteuersystem verwendet, dient das Ausgangssignal des Gierachsen-Winkelgeschwindigkeits-Sensors 10 als Winkelgeschwindigkeits-Korrektursignal. Die Steuerungseinheit liefert ein Gierachsensteuersignal mit einer zu der des Winkelgeschwindigkeits-Korrektursignals entgegengesetzten Polarität. Die Rotationsbewegung des Helikopters um die Gierachse erfolgt entsprechend der resultierenden Differenz dieser beiden Signale. Der Gierachsen-Winkelgeschwindigkeits-Sensor 10 handhabt einen Störfaktor als Gierachsensteuersignal. Die Drehbewegung tritt proportional zu einer Winkelgeschwindigkeitsabweichung auf, die als Eingangssignal der Proportionalsteuerung 22 dient. Als Ergebnis davon zeigt das herkömmliche System den Nachteil, daß es schwierig ist, den Helikopter exakt zu manövrieren, weil Abweichungen oder ein Offset bei der Drehung um die Gierachse auftreten, die durch Störfaktoren, beispielsweise Seitenwind, veranlaßt sind.

Seit kurzem ist das PID-Steuersystem (Proportional-Integral-Differenzial-Steuersystem) bei Gyroskopsystemen für Helikopter kommerziell eingeführt worden, wodurch der erwähnte Offset aufgehoben werden kann, das den Nachteil des erwähnten Proportionalsystems darstellt. Zusätzlich zu dem proportionalen Steuerverfahren zur Handhabung des Ausgangssignals einer Stelleinheit, wobei der Stellwert proportional zu der Abweichung oder dem Fehler ist, führt das PID-Steuersystem ein Integrationsverfahren zur Integration vorhandener Abweichungen oder Fehler durch und gibt anschließend ein Ergebnissignal aus, und es führt ferner ein Differenziationsverfahren durch, um Ausgangssignale proportional zu Änderungen in den Abweichungen oder Fehlern auszugeben. Das Differenziationsverfahren wird nicht für sich alleine verwendet, sondern wird dazu benutzt, das Proportionalverfahren und das Integrationsverfahren zu verbessern.

Das Gyroskopsystem unter Verwendung des PID-Steuersystems wird in Zukunft stärker angewendet werden, da das erwähnte Offset aufgehoben werden kann und ausgezeichnete Steuercharakteristiken in Bezug auf Störfaktoren, beispielsweise Wind, bereitgestellt werden können. Bei dem PID-Steuersystem wirkt das Gierachsensteuersignal von der Handhabungs- oder Steuerseite dem Referenzsignal auf der Gyroskopseite entgegen. In anderen Worten dient das Steuersignal als Winkelgeschwindigkeits-Steuersignal.

Um das Steigen, das Absenken, die Steiggeschwindigkeit oder die Absenkgeschwindigkeit eines Modellhelikopters in dem herkömmlichen Handhabungssystem zu steuern, wird der Anstellwinkel der Hauptrotorblätter entsprechend eingestellt, wobei die Anstellwinkel von jedem der Hauptrotorblätter gleichzeitig geändert werden. Eine Änderung in dem Anstellwinkel der Hauptrotorblätter bewirkt eine Veränderung des Gegendrehmoments um die Gierachse des Helikopters. Daher verändert der Benutzer den Anstellwinkel des Heckrotors entsprechend den Änderungen in dem Anstellwinkel im Hauptrotor, um das Drehmoment um die Gierachse zu verändern. Mit anderen Worten wird das Mischungsverhältnis zwischen der Anstellwinkelsteuerung des Hauptrotors und der Gierachsensteuerung automatisch geändert. Die Einstellung des Mischungsverhältnisses bedeutet, daß das Betätigungssignal, das auf der Handha bungsseite dem Hauptrotor-Anstellwinkel-Steuerkanal aufgegeben wird, dem Signal auf dem Gierachsen-Steuerkanal mit einem vorgegebenen Verhältnis und einer vorgegebenen Übergangscharakteristik zugegeben wird.

Bei dem Gyroskopsystem mit Proportionalsteuerung (2) wird das Hauptrotor-Anstellwinkel-Steuersignal an dem Additionspunkt 4 über die Mischeinheit 3 zugeführt und dann an das Gierachsensteuersystem abgegeben.

Das Gyroskopsystem mit eingebautem PID-Steuersystem hat den Nachteil, daß das gleiche Mischverfahren wie bei dem Proportionalsteuersystem nicht durchgeführt werden kann, da das Gierachsensteuersignal als Winkelgeschwindigkeits-Steuersignal gehandhabt wird. In dem PID-Steuersystem können Veränderungen in dem Gegendrehmoment automatisch aufgehoben werden, wenn das Integrationssteuerverfahren ohne Mischverfahren zum Einsatz kommt. Die ausschließliche Verwendung des Integrations-Steuerverfahrens führt jedoch zu einem schlechten Steueransprechverhalten.

Aus der nächstliegenden DE 692 22 536 T2 ist ein Niedriggeschwindigkeits-Kurvenflugkoordinationssystem für einen Hubschrauber bekannt. Dieses umfasst eine Steuerung zum Bereitstellen eines Befehlssignals, eine Einrichtung zum Bereitstellen eines Soll-Giergeschwindigkeits-Einstellpunktsignals, eine Kurvenflugkoordinationseinrichtung, Einrichtungen zum Transformieren von Werten in eine neue Basis bezüglich Euler-Trägheitsachsen und zum Bereitstellen eines transformierten Signals, zum Integrieren des transformierten Signalwerts, zum Berechnen eines Differenzsignalwerts, zum Zurücktransformieren von Kursfehlersignalwerten zurück auf die Basis bezüglich der Hubschrauber-Rumpfachsen und zum Berechnen eines zweiten Differenzwerts. Das Niedriggeschwindigkeits-Kurvenflugkoordinationssystem verfügt weiterhin über eine Inversmodell-Einrichtung zum Bereitstellen eines Vorwärts-Giereinstellpunktsignalwerts, über eine Einrichtung zum Summieren des transformierten Kursfehlersignalwerts des Giergeschwindigkeitsfehlersignalwerts und des Vorwärts-Gier-Einstellpunktsignalwerts und über eine Einrichtung zum Ausgeben des koordinierten Gierbefehlssignalwerts an den Hubschrauber-Heckrotor.

Die DE 693 07 536 T2 offenbart ein Hubschrauber-Flugsteuersystem zum Bereitstellen von Leitwert-Befehlssignalen für die Hubschrauber-Leitflächen, um dadurch die Gier-, Nick-, Roll- und Hublageachsen des Hubschraubers beim Flug zu steuern. Dabei wird ein Paar in einer Gruppe von Paaren von Feuerleit-Azimut-Koordinaten-Fehlersignalen und Hö henkoordinaten-Fehlersignalen als die Fluglagen-Referenzgröße für das Fluggerät eingeblendet, um das Flugsteuersystem-Gierlagen-Rückkopplungsfehlersignal bzw. das Nicklage-Rückkopplungsfehlersignal zu ersetzen. Das in der DE 693 07 536 T2 beschriebene Flugsteuersystem betrifft Kampfhubschrauber, die über eine Waffen-Abfeuersteuerung verfügen.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Gyroskopsystem für einen ferngesteuerten Helikopter bereitzustellen, bei dem die Steuercharakteristik in Bezug auf Störfaktoren, beispielsweise Wind und das Gierachsensteuerungs-Ansprechverhalten bei der Einstellung des Hauptrotor-Anstellwinkels, verbessert werden.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Gyroskopsystem nach Anspruch 1 gelöst, wobei das PID-Steuerungssystem zur Anwendung kommt, welches eine Verbesserung gegenüber dem bekannten Proportionalsystem darstellt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gyroskopsystem ergibt sich aus Anspruch 2, wobei das System auf unterschiedliche Helikoptertypen in einfacher Weise einzustellen ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gyroskopsystem ergibt sich aus Anspruch 3, wobei das Ansprechverhalten des Systems verbessert wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm eines Gyroskopsystems für einen ferngesteuerten Helikopter gemäß der Erfindung;
2 ein Blockdiagramm eines herkömmlichen Gyroskopsystem unter Verwendung des Proportionalsteuersystems für einen Modellhelikopter.
In 1 sind ein Additionspunkt 1 und eine PID-Steuerung 2 dargestellt. Ein Winkelgeschwindigkeitssignal von dem Gierachsen-Winkelgeschwindigkeits-Sensor 10 wird mit dem Gierachsensteuersignal von der Steuereinheit und mit einem Winkelgeschwindigkeits-Null-Referenzwert an dem Additionspunkt 1 addiert. Das resultierende Abweichungssignal (Fehlersignal) wird in die PID-Steuerung 2 eingegeben.
Die Mischeinheit 3 empfängt das Hauptrotor-Anstellwinkel-Signal und erzeugt ein Mischsignal für das Verhältnis von Hauptrotor-Anstellwinkel-Signal und Gierachsensteuersignal. Das Mischsignal wird mit dem Ausgangssteuersignal der PID-Steuerung 2 an dem Additionspunkt 4 addiert. Des weiteren wird an dem Additionspunkt 5 erneut das Ergebnissignal mit dem Gierachsensteuersignal addiert, und anschließend wird das so erhaltene Signal in die Stelleinheit 6 eingegeben. In Antwort auf das Ausgangssignal von der Stelleinheit 6 stellt die Gierachsenantriebseinheit 7 den Anstellwinkel des Heckrotors ein, um die Antriebskraft auf den Helikopter um die Gierachse zu verändern. Das Ausgangssignal von der Gierachsenantriebseinheit 7 wird an dem virtuellen Additionspunkt 8 mit einem Störfaktor, beispielsweise mit einem Faktor, der den Windeinfluß berücksichtigt, und einem Faktor, der die Gegenkraft des Hauptrotors berücksichtigt, addiert. Der Gierachsen-Winkelgeschwindigkeits-Sensor 10 erfaßt die Winkelgeschwindigkeit des Rumpfes 9 um die Gierachse und führt anschließend ein Sensorausgangssignal zu dem Additionspunkt 1 zurück.
Bei der oben beschriebenen Anordnung wird das Ausgangssignal der Mischeinheit in das Gierachsen-Steuersystem entsprechend den Veränderungen in der Einstellung des Hauptrotor-Anstellwinkels zurückgeführt oder dort eingegeben. Folglich kann ein geeignetes Steuersignal selbst unter einer PID-Steuerung in das Gierachsen-Steuersystem zugegeben werden, so daß diese zusätzliche Hilfsfunktion des Gyroskopsystems in die Praxis umgesetzt und die Ansprechcharakteristik verbessert werden kann. Da das Mischungsverhältnis in der Mischeinheit 3 von den Charakteristiken des Modellhelikopters abhängt, wird eine Mischungsverhältnis-Einstelleinrichtung vorgesehen, um die Charakteristiken des Modellhubschraubers auf einen optimalen Wert einzustellen.
Um das Ansprechverhalten zu verbessern, wird bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Vorkopplungssteuerung mit dem Gierachsen-Steuersignal durchgeführt, indem das Gierachsen-Steuersignal von der Steuerseite an den Additionspunkt 5 auf der Ausgangsseite der PID-Steuerung 2 und zusätzlich zu dem Additionspunkt 1 auf der Eingangsseite der PID-Steuerung 2 zugeführt.

Claims

Giersteuerungssystem für einen ferngesteuerten Helikopter mit einem Hauptrotor und mit einem Heckrotor, mit den folgenden Merkmalen: einer proportional-integral-differenzial-Steuerung (2) zur Steuerung der Bewegung des ferngesteuerten Helikopters um die Gierachse, einem Gierachsen-Winkelgeschwindigkeits-Sensor (10), einer Mischeinheit (3) zum Mischen eines Hauptrotor-Anstellwinkel-Steuersignales mit einem Gierachsen-Steuersignal, wobei in die proportional-integral-differenzial-Steuerung (2) eine Abweichung zwischen einem Gierachsen-Winkelgeschwindigkeits-Referenzwert und einem Gierachsen-Steuersignal sowie eine Abweichung zwischen dem Gierachsen-Winkelgeschwindigkeits-Referenzwert und einem Ausgangssignal von dem Gierachsen-Winkelgeschwindigkeits-Sensor (10) eingegeben wird, wobei dem Gegendrehmoment in Bezug auf die Gierachse, das durch die Hauptrotor-Anstellwinkel-Einstellung erzeugt wird, entgegengewirkt wird, indem ein Ausgangssignal von der proportional-integral-differenzial-Steuerung (2), ein Ausgangssignal von der Mischeinheit (3) und das Gierachsen-Steuersignal an die Gierachsen-Antriebseinheit ausgegeben wird.
Giersteuerungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Einstellung des Mischungsverhältnisses zwischen dem Hauptrotor-Anstellwinkel-Steuersignal und dem Gierachsen-Steuersignal vorgesehen ist, deren Ausgangssignal an die Mischeinheit (3) abgegeben wird.
Giersteuerungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gierachsen-Steuersignal sowohl an der Ausgangsseite der proportional-integral-differenzial-Steuerung (2) als auch an deren Eingangsseite zugeführt wird.