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Gerät zur automatischen Flugzeugsteuerung - Dokument DE69401854T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69401854T2 26.06.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0628898
Titel Gerät zur automatischen Flugzeugsteuerung
Anmelder Sextant Avionique, Meudon la Foret, FR
Erfinder Pierson, Benoit, F-75014 Paris, FR;
Guiol, Georges, F-91470 Limours, FR;
Limon, Florence, F-91170 Gif sur Yvette, FR
Vertreter Patentanwälte Dr. Solf & Zapf, 81543 München
DE-Aktenzeichen 69401854
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument Fr
EP-Anmeldetag 11.05.1994
EP-Aktenzeichen 944010743
EP-Offenlegungsdatum 14.12.1994
EP date of grant 05.03.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.06.1997
IPC-Hauptklasse G05D 1/00

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatischen Steuerung eines Luftfahrzeugs wie z.B. eines Hubschraubers.

Solche Vorrichtungen sollen im allgemeinen den Piloten von einer bestimmten Anzahl von Aufgaben befreien, indem sie die Flugeigenschaften des Luftfahrzeugs verbessern, das im allgemeinen instabil ist, und indem sie bestimmte Steueraufgaben wie z.B. das Halten des Luftfahrzeugs auf einer bestimmten, vom Piloten gewählten Flugbahn gewährleisten.

Die Autopilot-vorrichtungen für Hubschrauber haben insbesondere zum Ziel, die Stabilität des Geräts bei manueller Steuerung zu verbessern und dem Piloten einen Eindruck größerer Stabilität und Homogenität in Bezug auf die Merkmale der Wirkungen der verschiedenen Steuerungen zu bieten.

Bisher führten diese Vorrichtungen für jede der drei Fluglagenregelungsachsen Nicken, Rollen und Gieren eine analoge Berechnung durch, die die Steuerung des Satzes von Betätigungsorganen ermöglicht, die auf die Flugsteuerungen in Abhängigkeit von den Befehlen des Piloten und den von Meßsonden gelieferten Informationen einwirken.

Im allgemeinen enthalten die Betätigungsorgane einer Fluglagenregelungsachse einen Serienzylinder mit geringer Wirksamkeit, dessen Bewegung sehr schnell ist, und einen "Trimm"-Zylinder mit voller Wirksamkeit, dessen Bewegung langsamer ist und der die Position des Serienzylinders neu zentriert.

Da jede Achse unterschiedliche Regelgesetze aufweist, ist jede Berechnung anders. Daraus folgt, daß eine solche Vorrichtung sehr teuer ist, da jeder Rechner individuell ausgebildet, getestet und zugelassen werden muß.

Außerdem soll ein Hubschrauber eine große Zahl von Flugaufträgen erfüllen. Um die Erlaubnis zum Fliegen und für die Durchführung dieser Flugaufträge unter ausreichenden Sicherheitsbedingungen zu erhalten, muß der Hubschrauber zur Zulassung vorgeführt werden. Diese Zulassung bezieht sich hauptsächlich auf die Sicherheit des Hubschraubers und der überflogenen Gegenden und Anwohnern. Sie betrifft die organe, die auf seinen Sicherheitspegel Einfluß haben können, und insbesondere die Autopilot-Vorrichtung.

Aus Kostengründen, und weil die Flugeigenschaften der Hubschrauber von einem Modell zum anderen sehr unterschiedlich sein können, muß ihre Ausrüstung an ihre Eigenschaften und an die von ihnen durchzuführenden Flugaufträge angepaßt werden.

Seit dem Beginn der digitalen Technologien wurde mit dem Ziel, eine große Anzahl von Funktionen in ein weniger platzraubendes, sich weiterentwickelndes und leichter zu wartendes System zu integrieren, vorgeschlagen, alle Funktionen der drei analogen Berechnungen der Autopilot-Vorrichtung in einen einzigen digitalen Rechner zu integrieren. Diese Lösung erlaubt eine große Anpassungsfähigkeit der Vorrichtung an alle Arten von Verwendungen, wobei diese Anpassung durch einfachen Austausch der Version des Programms erfolgen kann, das die Betätigungsorgane steuert.

Solche digitalen Autopilot-Rechner wurden zum Beispiel in der Patentanmeldung W0-A-84 00071 und im Aufsatz "Advanced Real Time Integrated Processors" von Robinson et al. in der Druckschrift IEEE Plans '92 Position Location And Navigation Symposium Record, 1. Januar 1992, Seiten 173 bis 178 beschrieben.

Wenn diese Lösung es auch vermeidet, einen Rechner je Gerätetyp und je Art von Flugauftrag herstellen zu müssen, so beseitigt sie jedoch nicht den Schritt der Zulassung, der jede Version betrifft.

Außerdem ändert sich die notwendige Rechenleistung stark, je nachdem, ob man eine oder drei Achsen gleichzeitig steuern muß, und so kommt es trotzdem dazu, daß zur Optimierung der Kosten mehrere Hardware-Konfigurationen der Steuervorrichtung vorgeschlagen werden, um sich den Erfordernissen des Flugauftrags besser anpassen zu können.

Die digitalen Autopilot-Rechner bestehen im allgemeinen aus mehreren Elektronikkarten, die dem digitalen Kern, der Stromversorgung, der Verwaltung der Eingänge/Ausgänge und der Erzeugung der Leistungssignale zur Steuerung der Betätigungsglieder entsprechen. Alle diese Karten stehen miteinander über eine Verbindungskarte in Verbindung, die "Korbboden" genannt wird.

Diese Struktur erfordert es, daß jede Karte vor der Integration und der Identifikation der Gesamtheit des Rechners getrennt identifiziert werden muß.

Um einen fehlerhaften Rechner zu reparieren, ist es außerdem notwendig, die Einheit zu testen, um die fehlerhafte Karte zu lokalisieren. Wenn die Karte repariert ist oder ersetzt wurde, muß sie getrennt getestet und dann in die Rechnereinheit integriert werden, die von neuem einer Abnahmeprüfung unterzogen werden muß. Diese Struktur führt also zu relativ aufwendigen und somit teuren Wartungs- und Abnahmeverfahren.

Die vorliegende Erfindung hat insbesondere zum Ziel, diese Nachteile zu vermeiden, indem sie eine Autopilot-Vorrichtung für ein Luftfahrzeug vorschlägt, die einen digitalen Rechner verwendet, der von einer Einheit von Meßsonden kommende Informationen empfängt und der Betätigungsglieder steuert, die auf die Steuerungen einwirken. Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner mindestens einen Rechenmodul aufweist, der enthält:

- Mittel, um die Steuerbefehle zu berechnen und zu erzeugen, die an die Betätigungsglieder angelegt werden, die auf eine beliebige der drei Fluglagenregelungsachsen in Abhängigkeit von den von den Meßsonden gelieferten Informationen einwirken,

- Anschlußmittel, um die Rechenmittel mit den Meßsonden und den Betätigungsgliedern zu verbinden, die einer beliebigen der drei Fluglagenregelungsachsen entsprechen, und

- Mittel, um die Rechenmittel so zu konfigurieren, daß sie die automatische Flugregelung gemäß der Fluglagenregelungsachse durchführen, die den Betätigungsgliedern entspricht, an die die Anschlußmittel angeschlossen sind.

Bei dieser Vorrichtung verwendet jeder Rechenmodul eine digital-analoge Technologie, und um jede Fluglagenregelungsachse einzeln behandeln zu können, integriert er die für jede Fluglagenregelungsachse spezifischen Funktionen.

Um gleichzeitig die drei Flugregelungsachsen behandeln zu können, kann diese Autopilot-Vorrichtung somit drei identische Rechenmoduln aufnehmen, die je von den beiden anderen vollständig unabhängig sein können. Auf diese Weise kann eine Panne eines der Moduln also nicht die beiden anderen beeinträchtigen. Mit dieser Anordnung kann man darauf verzichten, zur Gewährleistung eines bestimmten Sicherheitspegels die Rechenketten zu vervielfältigen.

Außerdem ermöglicht es diese modulare Bauweise, eine für jeden Hubschraubertyp und für jede Art von Zulassung angepaßte Konfiguration anzubieten, wobei die minimale Konfiguration nur einen einzigen Rechenmodul enthält, der somit die Steuerung einer einzigen Fluglagenregelungsachse gewährleistet.

Gemäß einer Besonderheit der Erfindung enthält jeder Rechenmodul auf einer einzigen Karte integriert die Anschlüsse, die es ihm ermöglichen, direkt mit den Meßsonden und den Betätigungsgliedern Schnittstellen zu bilden, und eine Leistungsschaltung, die es ihm erlaubt, direkt die Betätigungsglieder zu steuern, wobei keinerlei Verbindung zwischen Moduln im Inneren des die Module vereinenden Gehäuses vorgesehen ist.

Aufgrund dieser Konfiguration beschränken sich der Test und die Wartung des Rechners auf den Test und die Wartung der Rechenmodule unabhängig voneinander. Außerdem sind manche Betätigungsglieder mit einer Leistungssteuerschaltung versehen. In diesem Fall muß man also Rechenmodule ohne Leistungssteuerschaltung vorsehen.

Um die Anpassungsfähigkeit noch zu vergrößern und somit die Herstellungs- und Wartungskosten eines solchen Rechners zu verringern, enthält jeder Rechenmodul mindestens einen einsteckbaren Modul, der die Leistungssteuerschaltungen und die Verwaltungsschaltungen der Eingänge und Ausgänge zusammenfaßt, die sich am ehesten von einer Konfiguration zur anderen ändern können.

Aufgrund dieser Maßnahme kann der Rechenmodul ohne jede Veränderung seiner Struktur genau an die meisten möglichen Konfigurationen der Autopilot-Vorrichtung angepaßt werden.

Alle diese Maßnahmen ermöglichen eine modulare, mate riell vereinfachte und somit in Bezug auf Herstellung und Wartung im Vergleich mit bereits vorgeschlagenen Systemen wesentlich kostengünstigere Autopilot-Vorrichtung.

Nachfolgend wird eine nicht einschränkend zu verstehende Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Figur 1 zeigt schematisch die Autopilot-Vorrichtung innerhalb eines Lageregelungssystems gemäß einer Fluglagenregelungsachse eines Hubschraubers.

Figur 2 zeigt schematisch den Hardware-Aufbau des Rechners, der mit den Betätigungsgliedern und der Einheit von Meßsonden verbunden ist.

Figur 3 zeigt schematisch den Hardware-Aufbau eines Moduls des Rechners.

Figur 4 zeigt in Explosionsdarstellung das Gehäuse des Rechners, in das ein, zwei oder drei identische Moduln integriert werden können.

Figur 5 zeigt drei äußere Verbinder, die verschiedene Schaltpläne aufweisen.

Figur 6 zeigt das Schaltbild eines Rechenmoduls mit einem Einsteckmodul.

Figur 7 zeigt schematisch einen Einsteckmodul.

Die Figuren 8 und 9 zeigen schematisch zwei Teile der Leistungssteuerschaltung.

Figur 10 zeigt ein Beispiel für eine Verwaltungsschaltung der Eingänge und Ausgänge.

Die Figuren 11, 12 und 13 zeigen mehrere Beispiele möglicher Konfigurationen der Lageregelungsvorrichtung.

Figur 1 zeigt die verschiedenen Fluglageregelungselemente gemäß der Nick- oder der Rollachse. Diese Elemente enthalten einen vom Piloten betätigten Steuerknüppel 7, der den Boden 15 des Cockpits durchquert und um eine Achse 12 schwenkt. Das dem Steuerknüppel 7 entgegengesetzte Ende verlängert sich in einem Hebel, auf den einerseits eine Vorrichtung 9, die auf den Steuerknüppel eine einem vorbestimmten Kräftegesetz gehorchende Widerstandskraft ausübt, und andererseits ein Serienzylinder 2 einwirken.

Diese Vorrichtung 9 enthält einen Auflagepunkt, der an einem Hebel 13 befestigt ist, welcher von einem Motor 3 betätigt wird, der "Trimm"-Zylinder genannt wird und am Boden 15 befestigt ist.

Das andere Ende des Serienzylinders 2 betätigt einen weiteren Hebel 14, der um eine mit dem Boden 15 fest verbundene Achse schwenkt. Dieser Hebel 14 betätigt den Verteiler eines Hydrauliksystems 11, das direkt auf die Steuerungen des Hubschraubers einwirkt.

In dieser Struktur soll der "Trimm"-Zylinder 3 die Position des Serienzylinders 2, dessen Bewegung sehr schnell ist, langsam wieder zentrieren, indem das ganze Lenkgestänge verschoben wird, um ihn in seine neutrale Stellung zurückzu holen und ihm seine ganze Steuerwirksamkeit zurückzugeben.

In Figur 2 enthält der Rechner 1 einen Modul 10, der Informationen mit einer Einheit 4 austauscht, die die Meßsonden, das Steuerpult des Hubschraubers und ggf. eine Testausrüstung darstellt.

Er ist ausgebildet, um zwei weitere Module 10 aufzunehmen (in unterbrochenen Strichen dargestellt), die mit dem ersten Modul identisch sind und es ermöglichen, die beiden anderen Flugregelungsachsen des Hubschraubers zu steuern.

Der Modul 10 ermöglicht es, den Serienzylinder 2 und den "Trimm"-Zylinder 3 einer Fluglagenregelungsachse in Abhängigkeit von den von der Einheit 4 kommenden Informationen direkt zu steuern. Zu diesem Zweck besitzt er einen Kontaktstecker 5, auf den sich eine Kontaktbuchse 6 aufsetzt, die die Enden aller von den Meßsonden, den Betätigungsgliedern und dem Steuerpult kommenden elektrischen Verbindungen zusammen faßt.

Diese Figur zeigt die minimale Konfiguration, die von der Autopilot-Vorrichtung angeboten wird. Gemäß dieser Konfiguration enthält der Rechner 1 einen einzigen Modul 10, zum Beispiel zur Kontrolle der Steuerung gemäß der Gierachse.

Diese Konfiguration ermöglicht es insbesondere, einen Gierdämpfer oder eine automatische Aufrechterhaltung des Kurses in Abhängigkeit von den von den zur Verfügung stehenden und angeschlossenen Meßsonden kommenden Informationen zu realisieren.

In Figur 3 enthält jeder Modul 10:

- einen digitalen Kern 20, der insbesondere einen Mikroprozessor und Speicher verwendet, in denen insbesondere ein Programm und Daten gespeichert werden;

- eine Schaltung 27 zur Verwaltung der Datenein- und -ausgänge, die digital oder analog sein und von den anderen Moduln 10 des Rechners 1 und den anderen Geräten des Hubschraubers kommen oder für sie bestimmt sein können;

- eine Leistungssteuerschaltung 26 für die Betätigungsglieder einer Fluglagenregelungsachse, die den Wert der Position des Serienzylinders und vom digitalen Kern 20 die Sollwerte der analogen Steuerung erhält, die an die Betätigungsglieder der betreffenden Fluglagenregelungsachse angelegt werden sollen;

- eine Speiseschaltung 21, die die verschiedenen Schaltungen des Moduls 10 mit Gleichstrom versorgt, und

- eine Filter- und Schutzschaltung 22 gegen die Wirkungen des Blitzschlags und der elektromagnetischen Strahlungen, die insbesondere die Leistungssteuerungen schützt, die von der Leistungsteuerschaltung 26 kommen und für die Betätigungsglieder der Fluglagenregelungsachse bestimmt sind.

Die Schaltung 27 zur Verwaltung der Eingänge und Ausgänge kann insbesondere Daten von den anderen Geräten des Hubschraubers empfangen, wie zum Beispiel von der Lotsteuerung, den Höhenmessern, den Systemen zur Navigation durch Verfolgung der Funknavigationssender oder zur Messung der Geschwindigkeit in Bezug auf die Luft. Diese Informationen können vom digitalen Kern 20 ausgewertet werden, um Funktionen auf höchstem Niveau durchzuführen, z.B. Navigationsfunktionen.

Der digitale Kern 20 steht über eine Serienverbindung direkt mit dem Cockpit und den Testgeräten in Verbindung. Er verfügt über alle Hardware- und Software-Ressourcen, um die folgenden Funktionen durchzuführen:

- Initialisierung des Moduls und des Programms,

- Echtzeit-Steuerung und Verwaltung der Unterbrechungen,

- Verwaltung der Eingangs/Ausgangs-Ports, des Speichers und des Ladens des Programms,

- Berechnung des Fluglagenreglungs-Sollwerts, der an die Betätigungsglieder angelegt werden soll, mit denen er verbunden ist, mit Hilfe der Steuerungsgesetze der betreffenden Achse,

- Wartung des Systems und Verwaltung der vor und während jedes Flugs durchzuführenden Tests, und

- Verwaltung der Serienverbindungen, die es ihm ermöglichen, mit den Testgeräten und dem Cockpit zu kommunizieren.

Die Funktion der Berechnung der Sollwerte enthält ebenfalls Steuerungsfunktionen auf hohem Niveau, wie z.B. Navigationsfunktionen.

Wie in Figur 4 dargestellt, enthält der Rechner 1 ein parallelepipedisches Gehäuse 28, das von einer Vorderseite 29 mit drei rechteckigen Öffnungen verschlossen wird, und einen Befestigungssockel 38. In dieses Gehäuse können ein bis drei identische Moduln 10 eingesetzt werden, die in Form einer Elektronikkarte vorliegen, die insbesondere einen Mehrfachsteckverbinder 5 enthält, der über eine der Öffnungen der Vorderseite 29 zugänglich ist.

Da die zu verwendenden Steuerungsgesetze je nach den Fluglagenregelungsachsen unterschiedlich sind, enthalten die Funktionen der Sollwert-Berechnung und der Tests für jede Fluglagenregelungsachse spezifische Funktionen. Um zu bestimmen, welche die anzuwendenden Gesetze sind, erkennt jeder Modul 10 die Fluglagenregelungsachse, die er entsprechend dem Verbindungsmodus seines äußeren Verbinders bearbeiten muß. Auf diese Weise ist keine besondere Manipulation erforderlich, um jedem Modul 10 anzugeben, welche Fluglagenregelungsachse er kontrollieren soll.

Zu diesem Zweck enthalten die Verbinder 5, 6 eine Einheit von freien Verbindungspunkten 19 (entsprechend einer Spalte von Punkten auf dem Verbinder), die verwendet werden, um es jedem Rechenmodul zu ermöglichen, die den Betätigungsgliedern und den Meßsonden, mit denen er verbunden ist, entsprechende Fluglagenregelungsachse zu erkennen, um sich selbst konfigurieren zu können. Figur 5 zeigt drei Beispiele einer Verbindung zwischen den Punkten dieser Einheit 19, die an der mit der Umgebung des Moduls 10 verbundenen Kontaktbuchse 6 ausgeführt sind. Außerdem verfügt der digitale Kern jedes Moduls 10 über eine Funktion der Selbstkonfiguration, die gestartet wird beim Unterspannungsetzen des Moduls, um die Verbindungen zu bestimmen, die zwischen den Punkten dieser Einheit 19 in der Kontaktbuchse 6 hergestellt werden, wobei jede Fluglagenregelungsachse einem spezifischen Verbindungsschaltbild entspricht.

Zu diesem Zweck setzt die Funktion der Selbstkonfiguration nacheinander jeden Punkt dieser Einheit 19 auf den logischen Pegel "1" und liest die logischen Pegel der anderen Punkte derselben Einheit 19.

Um zu garantieren, daß nicht zwei Module der gleichen Achse zugeordnet werden können, erstellt die Funktion der Selbstkonfiguration einen Dialog zwischen den Moduln des Gehäuses 11, während dem jeder Modul einen Identifikationskode der Achse ausgibt, mit der er verbunden ist, und überprüft, daß kein anderer Modul den gleichen Kode ausgegeben hat.

Gemäß der in Figur 6 gezeigten Ausführungsform sind die Leistungssteuerschaltungen und die Verwaltungsschaltungen der Eingänge und Ausgänge in einem Einsteckmodul 23 zusammengefaßt. Zu diesem Zweck enthält jeder Rechenmodul 10 einen Verbinder 24, der einen Verbinder 25 aufnimmt, mit dem der Einsteckmodul 23 versehen ist.

In Figur 7 enthält jeder Einsteckmodul 23:

- eine Schaltung 27 zur Verwaltung der Eingänge und Ausgänge von Daten, unabhängig davon, ob sie digital oder analog sind, die von den anderen Geräten des Hubschraubers oder ggf. den anderen Rechenmoduln 10 des Rechners 1 kommen oder für diese bestimmt sind; und

- eine Leistungssteuerschaltung 26 für die Betätigungsglieder einer Fluglagenregelungsachse, die den Wert der Position des Serienzylinders und, vom digitalen Kern 20, die Sollwerte der analogen Steuerung empfängt, die auf die Betätigungsglieder der betreffenden Fluglagenregelungsachse angelegt werden sollen.

Um die Anpassungsmöglichkeiten des Rechenmoduls 10 noch zu vergrößern, kann er zwei Einsteckmoduln 23' und 23" aufnehmen, von denen der Modul 23' die Leistungssteuerschaltung 26 und der Modul 23" die Schaltung 27 zur Verwaltung der Eingänge und Ausgänge enthält.

Wenn die Betätigungsglieder mit ihrer eigenen Leistungssteuerschaltung versehen sind, empfängt somit der Rechenmodul nur den Einsteckmodul 23", der die Schaltung 27 der Eingänge und Ausgänge enthält, die an diese Konfiguration angepaßt ist.

Unabhängig davon, ob sie sich im Rechenmodul 10 oder in einem Einsteckmodul 23 oder 23' befindet, enthält die Leistungssteuerschaltung 26 zwei unabhängige Schaltkreise, von denen einer die Steuerung des Serienzylinders (Figur 8) und der andere die Steuerung des "Trimm"-Zylinders (Figur 9) ermöglicht.

Die in Figur 8 gezeigte Schaltung ermöglicht die Steuerung des Motors des Serienzylinders 2 ausgehend von dem Sollwert, der vom digitalen Kern 20 erarbeitet und von der Schaltung 27 zur Verwaltung der Eingänge und Ausgänge in einen analogen Sollwert konvertiert wurde.

Diese Schaltung empfängt außerdem am Eingang den Wert der Position des Serienzylinders, der vorher eine Anpassungsschaltung 42 durchläuft.

Der analoge Sollwert und der Wert der Position des Serienzylinders werden zunächst von einem Summierglied 41 addiert, dessen resultierender Wert einen Impulsgenerator 43 beaufschlagt.

Das Signal am Ausgang des Impulsgenerators 43 durchquert eine Anpassungsschaltung 44 und dann eine Schaltung zur galvanischen Isolation 45, bevor es von einem Leistungsverstärker mit H-förmiger Brücke 46 verarbeitet wird. Das so verstärkte Signal wird dann über ein L-förmiges Filter 50 zum Motor des Serienzylinders gesandt.

Der Leistungsverstärker 46 wird außerdem über eine Unterbrecherschaltung 48 und einen Strombegrenzer/Unterbrecher 47 mit einer Spannung 54 von 28 Volt gespeist, und das Signal, das er am Ausgang liefert, wird zum digitalen Kern gesendet, der dann insbesondere in der Vorflugs-Testphase die an den Serienzylinder über eine andere Schaltung zur galvanischen Isolation 51 angelegten Befehle überwachen kann.

Außerdem kann der Leistungsverstärker mit H-förmiger Brücke 46, der in der Steuerschaltung (Figur 8) verwendet wird, durch eine manuelle Einwirkung des Piloten gesperrt werden, entweder direkt über den Eingang 56, oder indem ein Signal 53 ausgesendet wird, um den Schalter zur Unterbrechung der Stromversorgung 48 zu betätigen.

Figur 9 zeigt die Leistungssteuerschaltung des Motors des "Trimm"-Zylinders. Diese Schaltung empfängt am Eingang einerseits die vom digitalen Kern erarbeiteten Impulsbefehle, die die Richtung und die Drehgeschwindigkeit des "Trimm"-Zylinders 3 liefern, und andererseits logische Befehle, die von einer Hardware-Vorrichtung 71 erarbeitet wurden und die die Drehrichtung des "Trimm"-Zylinders angeben. Diese Vorrichtung 71 erarbeitet diese Richtungsbefehle mit Hilfe eines Schwellenkomparators direkt ausgehend von der Stellung des zugehörigen Serienzylinders 2, mit dem sie verbunden ist. Die Position des Serienzylinders 2 wird so mit Null verglichen, um am Ausgang ein logisches Signal zu liefern, das für das Vorzeichen der Position des Serienzylinders in Bezug auf eine zentrale Position repräsentativ ist.

Es ist hier angebracht klarzustellen, daß die Vorrichtung 71 völlig unabhängig vom digitalen Kern ist. Zudem ist sie mit einer Positionsmeßsonde des Serienzylinders 2 verbunden, die unabhängig von derjenigen ist, die bei der Erarbeitung der Leistungssteuerung dieses Zylinders verwendet wird.

Die Impulsbefehle und die logischen Befehle werden über eine Anpassungsstufe 70 und eine galvanische Isolierstufe 72 zu einem Verstärker mit H-förmiger Brücke 73 gesendet.

Wenn sie verstärkt sind, beaufschlagen diese Befehle den Motor des "Trimm"-Zylinders über ein L-förmiges Filter 76 und werden über eine Schaltung zur galvanischen Isolation 77 zum digitalen Kern 20 gesendet.

Der Leistungsverstärker wird unabhängig vom Rest der Leistungssteuerschaltung 26 über einen Schalter 75 und einen Strombegrenzer/Unterbrecher 74 mit 28 Volt gespeist.

Die Steuerung des "Trimm"-Zylinders wird so auf verschiedene Weise gesichert.

Zunächst einmal ist der Leistungsverstärker 73 so ausgebildet, daß er nur dann ein Steuersignal für den "Trimm"-Zylinder liefert, wenn die einerseits vom digitalen Kern 20 und andererseits von der Hardware-Vorrichtung 71 erarbeiteten Richtungssteuerungen die gleiche Richtung angeben. Wenn die von diesen Steuerungen angegebenen Ablaufrichtungen unterschiedlich sind, wird der "Trimm"-Motor nicht gesteuert und bleibt somit blockiert.

Dieser Motor kann auch blockiert werden, indem die Stromversorgung des Leistungsverstärkers 73 über den Schalter 75 unterbrochen wird, der vom Signal 80 gesteuert wird, oder indem die Inhibitionssteuerung 78 des Verstärkers aktiviert wird.

Außerdem werden die Leistungssteuerungen durch die Stufe 77 galvanisch isoliert und zum digitalen Kern 20 gesendet, der dann prüfen kann, ob die so erzeugten Steuerungen mit der Position des Serienzylinders kohärent sind.

Aufgrund dieser Maßnahmen ist die Leistungssteuerschaltung des Motors des "Trimm"-Zylinders völlig unabhängig vom Rest der Leistungssteuerschaltung 26. So bewirkt eine Panne des digitalen Kerns 20 oder der Leistungssteuerschaltung des Serienzylinders 2 systematisch die Blockierung des "Trimm"-Zylinders.

Die in Figur 10 dargestellte Schaltung 27 zur Verwaltung der Eingänge und Ausgänge enthält zum Beispiel zweimal 16 logische Datenein- und -ausgänge 16EB bzw. 16SB, 32 analoge Eingänge 32EA und vier analoge Ausgänge 4SA. Die logischen Eingänge sind mit einem Parallel-Serienwandler 33 über eine Anpassungsschaltung 32 verbunden. Diese Schaltung enthält außerdem einen Bus 30, der mit dem digitalen Kern 20 verbunden ist und über den die Daten am Eingang und am Ausgang und die Signale CS der Kanalwahl transportiert werden. Wenn einer der Parallel-Serienwandler 33 vom digitalen Kern ein Signal CS empfängt, überträgt er die von ihm empfangenen Daten in paralleler Form an den Eingang und in serieller Form an den Bus 30. Um die Übertragung logischer Daten, die für die anderen Geräte des Hubschraubers bestimmt sind, zu einem der Ausgänge 16SB zu steuern, wählt der digitale Kern 20 einen der Serien-Parallelwandler 34, indem er ihm ein Signal CS sendet, was die übertragung der auf dem Bus 30 vorhandenen Daten zum entsprechenden Ausgang 16SB in paral leler Form über eine weitere Anpassungsschaltung 32 bewirkt.

Die Schaltung 27 zur Verwaltung der Eingänge und Ausgänge kann auch analoge Daten verarbeiten. Hierzu enthält sie einen Analog-Digital-Wandler 35, der es ermöglicht, die am Eingang 32EA vorhandenen und die Anpassungsschaltung 37 durchquerenden analogen Daten in digitale Werte umzuwandeln. Um diese analogen Daten zu empfangen, sendet der digitale Kern 20 über den Bus 30 ein Auswahlsignal CS an diesen Wandler 35, der dann die analogen Daten, die er am Eingang empfängt, in digitaler Form auf den Bus 30 überträgt.

Der Bus 30 besitzt zwei voneinander durch eine Vorrichtung zur galvanischen Isolation 31 getrennt Teile, um den Teil, der die digitalen Daten verwaltet, von dem Teil zu trennen, der die analogen Daten verwaltet.

Um analoge Daten zu den anderen Geräten des Hubschraubers zu senden, wählt der digitale Kern 20 den Digital-Analog-Wandler 36, indem er ihm ein Signal CS sendet. Die Daten, die über den Bus 30 transportiert werden, werden dann in analoge Form gebracht und zum Ausgang der analogen Daten 4SA über eine Anpassungsschaltung 37 gesendet.

Diese Schaltung 27 besitzt außerdem eine Schaltung zur galvanischen Isolation, die es ermöglicht, den Teil des Busses 30, in dem die logischen Daten transportiert werden, von dem Teil zu isolieren, in dem die analogen Daten transportiert werden und der mit dem digitalen Kern 20 verbunden ist.

Aus der Beschreibung der Leistungssteuerschaltung 26 und der Schaltung 27 zur Verwaltung der Eingänge und Ausgänge geht hervor, daß diese Schaltungen eine von einer Rechnerkonfiguration zur anderen sehr variable Struktur aufweisen können, um sich so genau wie möglich an die Ausrüstung des Hubschraubers anzupassen. Daher sind sie vorteilhafterweise auf einem oder zwei Einsteckmoduln 23, 23', 23" angeordnet, wobei das Vorhandensein des Moduls 23' von der Art der Betätigungsglieder mit oder ohne integrierter Leistungssteuerung abhängt, die zur Ausrüstung des Hubschraubers gehören.

Es ist außerdem anzumerken, daß die Anzahl von Eingängen und Ausgängen, die die Schaltung 27 aufweisen muß, nicht nur von der Ausrüstung des Hubschraubers und den vom digitalen Kern durchgeführten Funktionen abhängt, sondern auch von den von der Leistungssteuerschaltung 26 ausgeführten Funktionen.

Selbstverständlich sind die Verbinder 24, 25 an alle möglichen Versionen dieser beiden Schaltungen 26, 27 und somit an alle vorgesehenen Konfigurationen der Einsteckmoduln angepaßt.

Sie enthalten somit eine Vielzahl von Verbindungspunkten, die nicht systematisch alle bei allen Konfigurationen des Einsteckmoduls benutzt werden. Unter diesem Blickwinkel enthält die Funktion der Selbstkonfiguration des digitalen Kerns 20 bei der Initialisierung des Rechners vorteilhafterweise:

- Mittel, um die Anzahl und die Art, logisch oder analog, der Eingänge und der Ausgänge zu bestimmen, die vom Einsteckmodul 23 oder 23" verwaltet werden,

- Mittel, um das Vorhandensein des Moduls 23' zu erfassen, das die Leistungssteuerschaltung trägt, und

- Mittel, um zu bestimmen, welches die von der Leistungssteuerschaltung 26 durchgeführten Leistungssteuerungen sind, d.h. um das Vorhandensein der Steuerschaltung des Serienzylinders 2, der Steuerschaltung der Rückzentrierung des Serienzylinders 2 und der Steuerschaltung des "Trimm"-Zylinders 3 zu erfassen.

Um sich an alle vorgesehenen Konfigurationen der Einsteckmoduln anpassen zu können, enthält außerdem die Steuer-Software des digitalen Kerns 20 alle notwendigen Funktionen, um den oder die Einsteckmoduln 23, 23', 23" zu steuern, die die vollständigsten Konfigurationen aufweisen.

Die oben beschriebenen Hardware- und Software-Struktur ermöglicht es, die Autopilot-Vorrichtung sehr genau an die Flugeigenschaften jedes Hubschraubers und an den Flugauftrag anzupassen, den dieser durchführen soll.

So zeigt Figur 11 eine Konfiguration des Rechners 1, die es ermöglicht, eine Autopilot-Vorrichtung gleichzeitig auf den drei Flugregelungsachsen zu erhalten. Zu diesem Zweck enthält der Rechner 1 drei Module 10, die je einerseits mit einer eigenen Einheit von Meßsonden 60, 65, 66 und andererseits mit eigenen Betätigungsgliedern 2, 3 verbunden sind.

Nur die aktiven Steuerketten 61 und 62 jedes Moduls 10, die je den Serienzylinder 2 bzw. den "Trimm"-Zylinder 3 betätigen, wurden dargestellt. Diese Steuerketten enthalten sowohl die entsprechenden Funktionen, die vom digitalen Kern 20 ausgeführt werden, als auch diejenigen, die von der Leistungsschaltung 26 und der Schaltung 27 zur Verwaltung der Eingänge und Ausgänge durchgeführt werden.

Wie oben erwähnt kann diese Autopilot-Vorrichtung Fluglageregelungsfunktionen auf hohem Niveau durchführen. Hierzu kann der Rechner mit einem Steuergehäuse verbunden sein, das im Cockpit angeordnet sind. Diese Fluglagenregelungs funktionen betreffen:

- das Halten des Fluggeräts auf einer konstanten Höhe,

- das Halten der Geschwindigkeit des Fluggeräts,

- das Einhalten eines Kurses,

- die Verfolgung von Funknavigationssendern.

So gewährleistet die in Figur 12 gezeigte Autopilotvorrichtung die Steuerung gemäß vier Achsen, d.h. Nickachse, Rollachse, Gierachse und kollektive Achse, und um eine große Betriebssicherheit zu gewährleisten, enthält sie zwei Steuerketten für die Steuerungen je Fluglagenregelungsachse.

Hierzu enthält diese Vorrichtung zwei Rechner 1 und 1', die je mit drei Rechenmoduln 10a, 10b, 10c ausgestattet sind, die die automatische Regelung gemäß der Nickachse, der Rollachse bzw. der Gierachse gewährleisten. Jede dieser Fluglagenregelungsachsen ist mit zwei Serienzylindern 2a, 2a' - 2b, 2b, - 2c, 2c', die in Reihe auf dem Lenkgestänge der entsprechenden Steuerung angeordnet sind, und mit einem "Trimm"-Zylinder 3a, 3b, 3c versehen. Die beiden Serienzylinder jeder Fluglagenregelungsachse werden je von den beiden Rechnern 1 bzw. 1' kontrolliert, während jeder "Trimm"- Zylinder von den beiden Rechnern betätigt wird.

Die beiden Rechner 1, 1' empfangen über ein Netz, das gemäß einem besonderen Protokoll wie z.B. ARINC 429 verwendet wird, Informationen von:

- einem Navigationsrechner 81,

- einem Flugleitungsrechner, der die Fluglagenregelung ausgehend von Sollwerten gewährleistet, die vom Navigationsrechner geliefert werden,

- einem Fluglagenanzeiger 83,

- einer Zentrale zur Lieferung der waagrechten und Fluglagen-Bezugswerte 84, 84', und

- ggf. einem gyroskopischen Bezugswert der senkrechten und der Richt-Fluglage 86, 87.

Die Rechenmoduln 10a, 10b, 10c sind je mit einem digitalen Kern "CPU", einem Modul zur Verwaltung der Eingänge und Ausgänge "I/O" und einem Leistungssteuermodul "CP" ausgestattet. Außerdem sind die Rechenmoduln der beiden Rechner 1, 1' so miteinander verbunden, daß sie einerseits einen der beiden Serienzylinder, z.B. 2a, 2b, 2c und den "Trimm"-Zylinder 3a, 3b, 3c der entsprechenden Fluglagenregelungsachse steuern und andererseits den guten Betrieb der Steuerkette des anderen Serienzylinders 2a', 2b', 2c' überwachen. Wenn eine Inkohärenz zwischen den Steuerketten der beiden Serienzylinder 2a, 2a' einer gleichen Fluglagenregelungsachse auftritt, werden auf diese Weise diese beiden Serienzylinder automatisch rückzentriert, und die automatische Steuerung gemäß der entsprechenden Achse wird in die Stand-by- Stellung gebracht.

Vorteilhafterweise sind die Rechner 1, 1' mit einer Filter- und Schutzschaltung 22 gegen die Wirkung des Blitzschlags und der elektromagnetischen Strahlungen, einer Schnittstellenkarte 16 mit einer Steuerstation 85, 85' und mit einem Leistungssteuermodul "CP" ausgestattet, der es ermöglicht, den "Trimm"-Zylinder 3d zur Steuerung der Kollektivachse des Hubschraubers zu betätigen.

Die in Figur 13 gezeigte Konfiguration verwendet Betätigungsglieder der Art Serienzylinder 17a, 17a' - 17b, 17b' - 17c, 17c' und sogenannte intelligente "Trimm"-Zylinder 18a, 18b, 18c, d.h. daß sie mit ihrer eigenen Leistungs steuerschaltung ausgestattet sind. So benötigen die Rechenmodule 10a, 10b, 10c der beiden Rechner 1, 1' keinen einsteckbaren Leistungsschaltungsmodul und alle Verbindungen der beiden Rechner mit den Betätigungsgliedern und den anderen Geräten des Hubschraubers werden vom gleichen Netz aus geführt.

So ist es aufgrund der Modularität der Rechner 1, 1' möglich, die Vorrichtung aus Figur 12 stark zu vereinfachen und dabei die gleichen Funktionalitäten und das gleiche Sicherheitsniveau beizubehalten.


Anspruch[de]

1. Autopilot-Vorrichtung für ein Luftfahrzeug, die mindestens einen digitalen Rechner verwendet, der von einer Einheit von Meßsonden (4) kommende Informationen empfängt und der Betätigungsglieder (2, 3) steuert, die auf die Steuerungen einwirken,

dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (1) mindestens einen Rechenmodul (10) aufweist, der enthält:

- Mittel (20), um die Steuerbefehle zu berechnen und zu erzeugen, die an die Betätigungsglieder angelegt werden, die auf eine beliebige der drei Fluglagenregelungsachsen in Abhängigkeit von den von den Meßsonden gelieferten Informationen einwirken,

- Anschlußmittel (5), um die Rechenmittel mit den Meßsonden (4) und den Betätigungsgliedern (2, 3) zu verbinden, die einer der drei Fluglagenregelungsachsen entsprechen, und

- Mittel, um die Rechenmittel (20) so zu konfigurieren, daß sie die automatische Fluglagenregelung gemäß der Fluglagenregelungsachse durchführen, die den Betätigungsgliedern (2, 3) entspricht, an die die Anschlußmittel (5) angeschlossen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel aufweist, um einen jeder Fluglagenregelungsachse eigenen Identifikationskode zu definieren, wobei jeder Modul Mittel zum Lesen dieses Identifikationskodes aufweist, um sich selbst in Abhängigkeit von der Achse zu konfigurieren, gemäß der er die Fluglagenregelung durchführen soll.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußmittel (5) eine Vielzahl von Anschlußpunkten aufweisen und mit einem äußeren Verbinder (6) zusammenwirken, der die Enden der mit der Einheit von Meßsonden (4) und den einer Fluglagenregelungsachse entsprechenden Betätigungsgliedern (2, 3) verbundenen elektrischen Verbindungen zusammenfaßt, wobei die Mittel zur Definition eines jeder Fluglagenregelungsachse eigenen Identifikationskodes erhalten werden, indem gemäß einem für jede Achse spezifischen Schema eine vorbestimmte Einheit von Verbindungspunkten (25) des äußeren Verbinders (6) miteinander verbunden wird.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rechenmodul (10) aufweist:

- einen digitalen Kern (20), der einen Mikroprozessor enthält, der von einer Software gesteuert wird, die unabhängig von der Achse, gemäß der er die Fluglagenregelung durchführen soll, gleich ausgebildet ist,

- eine Leistungssteuerschaltung (26), die es ihm ermöglicht, die Betätigungsglieder (2, 3) direkt zu steuern,

- eine Speiseschaltung (21),

- eine Verwaltungsschaltung für die Eingänge und Ausgänge (27) und

- eine Filter- und Schutzschaltung (22) gegen die Wirkung des Blitzschlags und der elektromagnetischen Strahlungen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rechenmodul (10) mindestens einen einsteckbaren Modul (23) aufweist, der die Verwaltungsschaltung (27) der Eingänge und Ausgänge des Rechenmoduls (10) und ggf. die Leistungssteuerschaltung (26) der Betätigungsglieder (2, 3) umfaßt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rechenmodul (10) zwei einsteckbare Moduln (23', 23") aufweist, von denen der eine (23') die Leistungssteuerschaltung (26) der Betätigungsglieder und der andere (23") die Verwaltungsschaltung (27) der Eingänge und Ausgänge des Rechenmoduls (10) umfaßt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rechenmodul (10) außerdem aufweist:

- Mittel, um die Anzahl und die Art, logisch oder analog, der Eingänge und Ausgänge zu bestimmen, die vom einsteckbaren Modul (23 oder 23") verwaltet werden,

- Mittel, um das Vorhandensein des Moduls (23') zu erfassen, der die Leistungssteuerschaltung (26) trägt, und

- Mittel, um zu bestimmen, welches die Leistungssteuerungen sind, die von der Leistungssteuerschaltung (26) ausgeführt werden.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwaltungsschaltung (27) der Eingänge und Ausgänge des einsteckbaren Moduls (23) Mittel (33 bis 36) aufweist, um digitale und analoge Daten zu empfangen und zu senden.

9. Vorrichtung nach einem deransprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungs-Software des digitalen Kerns (20) alle notwendigen Funktionen enthält, um den oder die einsteckbaren Moduln (23, 23', 23") zu steuern, die die vollständigsten Konfigurationen aufweisen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rechenmodul (10) aus einer einzigen Elektronikkarte besteht, die die Anschlußmittel (5) enthält.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (1) keinerlei inneren Verbinder aufweist, der eine Verbindung zwischen den Rechenmoduln (10) gewährleistet, während Verbindungen zwischen den Rechenmoduln in Höhe ihrer äußeren Verbinder (6) hergestellt werden können.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsglieder (2, 3) für jede Fluglagenregelungsachse aus einem Serienzylinder (2), dessen Bewegung sehr schnell und dessen Wirksamkeit schwach ist und der in Serie auf dem Lenkgestänge der betreffenden Steuerungen angeordnet ist, und aus einem "Trimm"-Zylinder (3) bestehen, dessen Bewegung langsamer und mit voller Wirksamkeit ist und der die Gesamtheit des Lenkgestänges der Steuerungen verschieben kann, um die Position des Serienzylinders (2) neu zu zentrieren, und daß die Leistungssteuerschaltung (26) Mittel aufweist, um die Leistungssteuerungen des Serienzylinders (2) und des "Trimm"- Zylinders (3) ausgehend von Sollwerten auszuarbeiten, die vom digitalen Kern (20) berechnet werden mit Hilfe der Steuerungsgesetze und ausgehend von dem Wert der Position des Serienzylinders (2).

13. Vorrichtung nach Anspruch 12' dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungssteuerschaltung (26) Mittel aufweist, um den "Trimm"-Zylinder (3) nur dann zu steuern, wenn der an den "Trimm"-Zylinder anzulegende Befehl mit der Position des Serienzylinders (2) kohärent ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuer-Sollwert des "Trimm"-Zylinders (3), der vom digitalen Kern (20) an die Leistungssteuerschaltung (26) angelegt wird, aus einer Geschwindigkeit und einer Drehrichtung besteht und daß die Leistungssteuerschaltung (26) Mittel (71), um einen weiteren Befehl für die Drehrichtung des "Trimm"-Zylinders ausgehend vom Wert der Position des Serienzylinders (2) auszuarbeiten, und Mittel aufweist, um den "Trimm"-Zylinder (3) nur dann zu steuern, wenn die beiden Befehle der Drehrichtung des "Trimm"-Zylinders (3) identisch sind.







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