DE102005008556A1 - Aircraft controlling device, has decision unit provided to decide execution of security-critical control function on microcomputers and/or control units due to comparison of output data of microcomputers - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung von Flugzeugen, mit aerodynamischen Steuerflächen und deren Aktuatoren sowie mit pilotseitigen Bedienelementen, insbesondere zur einfachen und sicheren Steuerung von Flugzeugen der Zulassungsklassen JAR23, Class VSA, I, II, III, IV sowie von Business Jets und Reginals der Zulassungsklasse JAR 25.The The present invention relates to a device for controlling Aircraft, with aerodynamic control surfaces and their actuators as well with pilot-side controls, especially for simple and safe control of aircraft of the approval classes JAR23, Class VSA, I, II, III, IV as well as business jets and reginals of the admission class JAR 25.
Bekannt sind so genannte „Full Fly-by-Wire"-Plattformen, die das Erfassen von Pilotenkommandos, das Ausführen der eigentlichen Steuerfunktion als auch die Ansteuerung der Stellorgane in elektronischer Form mit Hilfe von Computern durch führen. Die zentrale Herausforderung solcher Plattformen ist die Ausfallsicherheit. Fällt nämlich das System z.B. durch ein Versagen des Fly-by-Wire-Computers (FBWC) aus, so ist die Steuerbarkeit des Flugzeugs nicht mehr gegeben. Ein fataler Flugunfall wäre die Folge.Known are so-called "Full Fly-by-wire "platforms, capturing pilot commands, performing the actual control function as well as the control of the actuators in electronic form with the help of computers. The key challenge of such platforms is resilience. That's right System e.g. due to a failure of the fly-by-wire computer (FBWC) out, so the controllability of the aircraft is no longer given. A fatal accident would be the episode.
Flugzeuge der Klasse JAR23 Class VSA I, II, III, IV (General Aviation) und Business-Jets, Regionals der Klasse JAR 25 werden vom Pilot weitgehend über eine mechanische Steuerung gesteuert, d.h., das zentrale Steuerorgan (Steuerhorn oder Steuerknüppel) und die Pedale sind mechanisch mit den verschiedenen aerodynamischen Steuerflächen der Primärsteuerung verbunden. Der Ausschlag der einzelnen Steuerflächen ertolgt in direktem Zusammenhang zum Ausschlag der Steuerorgane. Es gibt keine direkt und mit voller Autorität eingreifende Stabilisierungsfunktionen, „Flight Envelope Protection" und Vorgabesteuerung. Durch diese Art der Steuerung weist jeder Flugzeugtyp ein für ihn charakteristisches Steuerverhalten auf, das von Flugschülern durch intensives Üben erlernt bzw. von erfahrenen Piloten beim „Type-Rating" speziell trainiert werden muss. Für das Einhalten der „Operational Flight Envelope" ist allein der Pilot zuständig. Warneinrichtungen zur Einhaltung der minimalen Geschwindigkeit sind teilweise vorhanden. Sie greifen allerdings nicht direkt in die Steuerung ein, sondern machen durch Warnungen den Piloten auf die kritische Situation aufmerksam. In jedem Fall muss der Pilot reagieren, wodurch er in Stresssituationen oft überfordert ist. Derartige Situation sind häufig Ursachen für schwere Flugunfälle.Aircrafts Class JAR23 Class VSA I, II, III, IV (General Aviation) and Business Jets, Regionals of Class JAR 25 are largely controlled by the pilot via a mechanical control controlled, that is, the central control (control wheel or joystick) and the pedals are mechanical with the different aerodynamic ones control surfaces the primary control connected. The rash of each tax area is directly related to the rash of the tax organs. There are no direct and full ones authority aggressive stabilization features, Flight Envelope Protection and Preset Control. By this type of control, each type of aircraft has a characteristic for him Control behavior learned by flight students through intense practice or specially trained by experienced pilots in the "Type Rating" must become. For adherence to the "Operational Flight Envelope "is alone the pilot in charge. Warning devices to comply with the minimum speed partly available. They do not, however, directly access the Control, but by warning the pilot on the attentive to the critical situation. In any case, the pilot has to react, which makes him often overwhelmed in stressful situations. Such situation are common Reasons for heavy air accidents.
Autopilotensysteme, sofern vorhanden, greifen über eigene Stellmotoren in die mechanische Steuerkette ein und führen das Flugzeug automatisch in bis zu drei Steuerachsen. Die Autorität des Autopiloten ist jedoch begrenzt. Er deckt somit nicht den kompletten Flugbereich ab. Im Fehlerfall schaltet sich der Autopilot selbst ab oder muss vom Piloten abgeschaltet werden. Im Extremfall, wenn sich der Autopilot nicht mehr abschalten lässt, muss der Pilot ihn über die zentralen Steuerorgane überdrücken. Die Autopilotenfunktionen müssen manuell über ein „Bedienpanel" aktiviert und deaktiviert werden. Steuervorgaben wie der Steuerkurs erfolgen manuell durch den Piloten. Autopilot systems if available, grab over own servomotors in the mechanical timing chain and lead the Airplane automatically in up to three control axes. The authority of the autopilot is limited. He does not cover the entire flight range from. In the event of a fault, the autopilot shuts itself off or must be switched off by the pilot. In extreme cases, when the autopilot can not turn off anymore, the pilot has to pass him over override the central controls. The Autopilot functions must manually over a "control panel" is activated and deactivated become. Tax specifications such as the tax rate are carried out manually the pilot.
Bei großen Transportflugzeugen neuen Typs, wie dem Airbus A320, A330/340 oder der Boeing B777, die alle zur Zulassungsklasse JAR 25 (FAR 25) gehören, ist der Stand der Technik wie folgt:
- • Die Flugzeuge weisen eine „Fly-by-Wire"-Steuerung mit voller Steuerautorität in allen drei Steuerachsen auf.
- • Das Flugsteuerungssystem ist mit einem „minimalen" mechanisch-hydraulischen Backupsystem ausgerüstet (bei Airbus für den „Trimable Horizontal Stabilizer" (THS) und das Seitenruder; bei Boeing für ein Spoilerpaar und den THS). Mit diesem System lässt sich das Flugzeug auch bei einem Komplettausfall der „Flyby-Wire"-Steuerung zumindest in einer stabilen Fluglage halten.
- • Ein minimales mechanisch-hydraulisches Backupsystem ist nur sinnvoll, solange das Flugzeug noch natürliche Stabilität im Steuerverhalten aufweist. Flugzeuge mit instabilen Steuerverhalten sind mit derartigen Systemen nicht realisierbar.
- • Die „Fly-by-Wire"-Steuerung umfasst im Wesentlichen – die Flugsteuerung um alle 3 Steuerachsen; – Vorgabesteuerung in der Nickachse durch Vorgabe des Lastvielfachen; – Vorgabesteuerung in der Rollachse durch Vorgabe der Rollrate und beim Überschreiten eines Grenzwertes durch Vorgabe des Rollwinkels; – Automatische Kurvenkoordination für alle drei Steuerachsen (Nick, Gier, Roll); – Automatische Trimmung mit „Side Slip" Minimierung in der Gierachse; – Flugbereichsüberwachung und „Flight Envelope Protection" während des Fluges, allerdings nicht am Boden und nicht beim unmittelbaren Lande- oder Startvorgang); – „Direct Control" (Direct Law) am Boden, d.h., am Boden werden die Steuerklappen proportional zu den Ausschlägen der zentralen Steuerorgane ausgefahren.
- • Bei Fehlern im Flugsteuersystem wird bis auf das „Direct Control" (Direct Law) degradiert. Damit ändert sich das Steuerverhalten des Flugzeugs signifikant.
- • Die Autopilotenfunktionen sind weitgehend von der Flugsteuerung getrennt und müssen über eigene, dafür vorgesehene Bedieneinheiten vorgegeben werden.
- • Eine direkt in die Steuerung eingreifende Führung durch den Autopiloten beim Anrollen und Abheben während des Starts ist nicht vorgesehen.
- • Nach einem zweiten Fehler steht die Autopilotenfunktion nicht mehr zur Verfügung. Es muss dann manuell weitergeflogen werden.
- • Aircraft have fly-by-wire control with full control authority in all three control axes.
- • The flight control system is equipped with a "minimal" mechanical-hydraulic backup system (at Airbus for the "Trimable Horizontal Stabilizer" (THS) and the rudder, at Boeing for a spoiler pair and the THS). With this system, the aircraft can be maintained at least in a stable attitude even in the event of complete failure of the flyby-wire control.
- • A minimal mechanical-hydraulic backup system only makes sense, as long as the aircraft still has natural stability in the control behavior. Aircraft with unstable control behavior are not feasible with such systems.
- • The "fly-by-wire" control essentially comprises - the flight control around all 3 control axes, - default control in the pitch axis by specifying the load factor, - default control in the roll axis by specifying the roll rate and exceeding a limit by specifying the roll angle - Automatic curve coordination for all three control axes (pitch, yaw, roll) - Automatic trimming with "Side Slip" minimization in the yaw axis; - Flight area monitoring and "Flight Envelope Protection" during the flight, but not on the ground and not during the direct landing or take-off operation; - "Direct Control" on the ground, ie on the ground the control flaps become proportional to the rashes of the extended central control organs.
- • Errors in the flight control system are downgraded to "direct control" (direct law), which means that the steering behavior of the aircraft changes significantly.
- • The autopilot functions are largely separate from the flight control and have their own, because be specified for intended control units.
- • The autopilot does not envisage direct guidance into the control when rolling up and taking off during take-off.
- • After a second error, the autopilot function is no longer available. It must then be flown manually.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfach strukturierte Vorrichtung zur Steuerung von Flugzeugen bereitzustellen, die trotz eines fehlerhaften Steuergeräts funktionsfähig bleibt.task It is the object of the present invention to provide a simply structured device to provide control of aircraft, despite a faulty ECU functioning remains.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Steuerung von Flugzeugen mit einem redundanten Datenbussystem mit zwei Datenbussen, mit aerodynamischen Steuerflächen, deren Aktuatoren jeweils nur an einen der beiden Datenbusse angekoppelt sind, und mit pilotseitigen Bedienelementen, die an einen oder an beide Datenbusse angekoppelt sind, wobei zwischen den Datenbussen mindestens zwei Steuergeräte angekoppelt sind, die jeweils funktionsgleiche sicherheitskritische Steuerungssoftware beinhalten, welche von mindestens einem der Steuergeräte abgearbeitet wird, so dass bei Ausfall des gerade aktiven Steuergeräts die sicherheitskritische Steuerungsaufgabe nun von dem anderen Steuergerät übernommen werden kann, wobei jedes Steuergerät zwei voneinander unabhängig arbeitende Mikrorechner aufweist, die jeweils beide die sicherheitskritische Steuerungssoftware beinhalten und deren aus Sensordaten der Bedienelemente und/oder anderer Sensoren berechnete Ergebnisdaten austauschbar und miteinander vergleichbar sind, und wobei ein Entscheidungsmittel vorgesehen ist, das aufgrund des Vergleichs der Ergebnisdaten entscheidet, welcher Mikrorechner bzw. welches Steuergerät die sicherheitskritische Steuerungsaufgabe durchführt.These The object is achieved by a device for controlling aircraft with a redundant Data bus system with two data buses, with aerodynamic control surfaces, their actuators each coupled to only one of the two data buses, and with pilot-side controls connected to one or both data buses coupled, wherein between the data buses at least two ECUs are coupled, each functionally equivalent safety critical Include control software, which is processed by at least one of the control units is so that in case of failure of the currently active control unit, the safety-critical Control task can now be taken over by the other controller, wherein every control unit two independent of each other working microcomputer, both of which are safety-critical Include control software and their from sensor data of the controls and / or other sensors calculated result data interchangeably and are comparable to each other, and being a decision-making tool is provided, which decides on the basis of the comparison of the result data, which microcomputer or which control unit the safety-critical Performs control task.
Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung, im Folgenden auch als „Carefree Control System" (CCS) bezeichnet, dient zur einfachen und sicheren Steuerung von Flugsteuerung der Zulassungsklassen JAR23, Class VSA, I, II, III, IV sowie für Business Jets und Reginals der Zulassungsklasse JAR 25.The control device according to the invention, hereinafter also referred to as "Carefree Control System "(CCS), is used for easy and safe control of flight control of the Admission classes JAR23, Class VSA, I, II, III, IV and Business Jets and reginals of approval class JAR 25.
Auf einer solchen erfindungsgemäßen Fly-by-Wire-Plattform werden Flugsteuer- und Autopilotenfunktionen in integrierter Form implementiert mit dem Ziel, über möglichst wenige Eingabeeinheiten dem Piloten eine einfache, übersichtliche und in vielen Flugphasen automatische Führung des Flugzeugs zu ermöglichen, ohne dass er sich dabei um eine Vielzahl unterschiedlicher „Modes" im Flugsteuer- und Autopilotensystem kümmern muss.On Such a fly-by-wire platform according to the invention become flight control and autopilot functions in integrated form implemented with the goal over preferably few input units give the pilot a simple, concise and to enable automatic guidance of the aircraft in many phases of flight without that he is dealing with a variety of different "modes" in flight control and Take care of autopilot system got to.
Die vom Piloten über einen „Stick Controller" (SC) eingegebenen Kommandos werden vom CCS als Vorgabekommandos aufgefasst. Diese Vorgabekommandos werden in unterschiedlichen Flugphasen vom CCS in unterschiedlicher Weise interpretiert. Dies geschieht in einer Art und Weise, dass das daraus resultierende Steuerverhalten des Flugzeugs dem Steuerempfinden eines Menschen für ein Flugzeug möglichst nahe kommt. So interpretiert das CCS Querausschläge beim Anrollen, beim Abheben, im Cruise-Mode oder bei der Landung als Vorgaben unterschiedlicher Größen. Ein Querausschlag am SC gibt einmal die Querbeschleunigung des Flugzeugs, in einer anderen Phase die reine Gierrate zur Korrektur des Kurses oder wiederum in einer anderen Phase die Rollrate des Flugzeugs vor. In jedem Fall bewirkt es am Ende des Manövers eine Kurs- bzw. Ausrichtungsänderung des Flugzeugs, auch wenn das Manöver dazu flugphasen- und vorgabeabhängig ist. Weiter gilt für die flughasenabhängige Wahl der Vorgabegrößen:
- • Im dynamischen Steuerbereich bei der Durchführung von Manövern (Manövermode) werden über den „Stick Controller" für den Piloten natürlich wahrnehmbare physikalische Größen wie das Lastvielfache (Nickachse) oder die Rollrate (Rollachse) vorgegeben.
- • Im statischen Bereich (Cruise-Mode) werden die Piloteneingaben über den „Stick Controller" weitgehend als Änderungen der Bahnführung oder der Flugzeugausrichtung bzw. des Flugbahnneigungswinkels interpretiert.
- • Die o.a. Vorgabesteuerung stellt sicher, dass die Steuercharakteristik des Flugzeuges über den gesamten Bereich der „Operational Flight Envelope" (OFE) annähernd gleich ist, also nicht von Geschwindigkeit u.a. abhängt.
- • In the dynamic control range when performing maneuvers (maneuvering mode), the pilot's "stick controller" specifies natural physical parameters such as the load multiple (pitch axis) or the roll rate (roll axis).
- • In the static area (cruise mode), the pilot inputs via the "stick controller" are largely interpreted as changes in the path guidance or the aircraft orientation or the trajectory inclination angle.
- • The above-mentioned default control ensures that the control characteristic of the aircraft is approximately the same over the entire range of the "Operational Flight Envelope" (OFE), ie does not depend on speed and the like.
Zur Erreichung der natürlichen Steuercharakteristik ist eine Vielzahl verschiedener Steuermodes im CCS notwendig. Viele davon wie Kurs- und Höhehaltung sind schon lange im Einsatz. Neu sind allerdings:
- • das automatische Umschalten zwischen den verschiedenen Modes der klassischen Fly-By-Wire-Flugsteuerung und des Autopiloten, wobei das automatische Umschalten zwischen den Modes für den Piloten transparent ist (nicht unmittelbar erkennbar ist) das Anwenden der Vorgabesteuerung auch während des Abfangbogens mit Alignment (Längsausrichtung) das Anwenden der Vorgabesteuerungen auf alle Bodenoperationen
- • die Steuerung nur mit dem Stick über alle Flug- und Rollphasen.
- The automatic switching between the different modes of the classic fly-by-wire flight control and the autopilot, wherein the automatic switching between the modes for the pilot is transparent (not immediately recognizable), the application of the default control even during the Intercept arc with alignment applying default controls to all ground operations
- • Control only with the stick over all flight and taxi phases.
Flugsteuer- und Autopilotenfunktionen werden sowohl funktionell als auch plattformbedingt zu einer Einheit verschmolzen.flight control and autopilot functions become both functional and platform-driven merged into a single entity.
Über eine konsequent ausgelegte „Flight Envelope Protection" (FEP) wird sichergestellt, dass das Flugzeug seine „Operational Flight Envelope" nicht verlassen kann und somit immer in einem sicheren für den Piloten beherrschbaren Flugzustand ist. Diese „Flight Envelope Protection" ist auch bei Operationen am Boden aktiv, d.h. während der Rollphase bei Start und Landung. Selbst in diesen Phasen steuert der Pilot das Flugzeug per „Stick Controller" (optional auch über die Pedale) über Vorgabekommandos, welche in Abhängigkeit des Rollzustandes automatisch begrenzt werden.Over a consistently designed "Flight Envelope Protection "(FEP) ensures that the aircraft does not leave its "Operational Flight Envelope" can and therefore always in a safe for the pilot controllable Flight condition is. This "Flight Envelope Protection "is also active in operations on the ground, i. during the rolling phase at start and landing. Even in these phases, the pilot controls the aircraft via "stick Controller "(optional also over the pedals) over Default commands, which depend on the Roll state automatically be limited.
Für die Stabilisierung während des Anrollens bis zum Abheben beim Start wird eine Kombination einer aerodynamischen Stabilisierung mit einer nur über das zu lenkende Fahrwerk realisierten „Fahrzeugstabilisierung" durchgeführt. Für die Stabilisierung beim Aufsetzen und Ausrollen während der Landung wird eine Kombination einer aerodynamischen Stabilisierung mit einer über Lenkung und Bremsung realisierten „Fahrzeugstabilisierung" durchgeführt.For stabilization while Starting to take off at take-off will be a combination of aerodynamic Stabilization with a just over the chassis to be steered realized "vehicle stabilization" carried out for the stabilization when putting on and rolling out during The landing will be a combination of aerodynamic stabilization with one over Steering and braking realized "vehicle stabilization" performed.
Bei heutigen nur in großen Transportflugzeugen eingesetzten „Fly-by-Wire"-Steuerungen ändert sich die Steuercharakteristik signifikant beim Auftreten von Systemfehlern. Die oberste Stufe der Steuercharakteristik ist das „Normal Law", die unterste Stufe der Steuercharakteristik ist das so genannte „Direct Law". Das Normal Law entspricht dem im Manövermode vom CCS angewandten „Law". Im Direct Law werden die Steuerflächen weitgehend proportional zu den „Stick Controller-„ und Pedalkommandos ausgeschlagen. Bei Systemfehlern schaltet die Flugsteuerung von großen Transportflugzeugen schließlich in das Direct Law. Damit verbunden ist eine signifikante Änderung der Steuercharakteristik. Das Direct Law kommt im CCS nicht zum Einsatz. Kommt es bei Steuersystemen zu signifikanter Degradation in der Steuercharakteristik, so müssen all diese Fälle vom Piloten trainiert werden. Dies ist gerade bei den hier betrachteten Flugzeugen, zum Teil von Privatpiloten gesteuert, nicht akzeptabel. Deshalb sind im CCS die Regelgesetze und das Redundanzmanagement der Fly-by-Wire-Plattform dergestalt kombiniert, dass sich selbst bei Fehlern die Steuercharakteristik des Flugzeugs nicht signifikant ändert. Allerdings kann es im Fall von Fehlern zur Einschränkung der „Operational Flight Envelope" kommen. Dies kann zwar die Leistungsfähigkeit des Flugzeugs herabsetzen, stellt allerdings keinen Trainingsfall dar. Die fehlerbedingte „Flight Envelope" Einschränkung wird vom CCS automatisch durchgeführt.at today only in large Transport aircraft used "fly-by-wire" controls changes the control characteristics significant when system errors occur. The top step The control characteristic is the "Normal Law", the lowest level The tax characteristic is the so-called "direct law", the normal law corresponds to that in Manövermode CCS applied "Law." In Direct Law the control surfaces largely proportional to the "stick controller" and pedal commands knocked out. In case of system errors, the flight control of huge Finally, transport planes in the Direct Law. This is associated with a significant change the control characteristic. Direct Law is not used in the CCS. Is there a significant degradation in tax systems in the Control characteristic, so must all these cases be trained by the pilot. This is just the case here considered Aircraft, partly controlled by private pilots, unacceptable. Therefore in CCS the rules and the redundancy management are the fly-by-wire platform so combined that itself in case of errors, the control characteristic of the aircraft does not change significantly. Indeed In the case of errors, the "Operational Flight Envelope" can be restricted although the performance reduce the aircraft, but does not provide a training case dar. The error-related "Flight Envelope "restriction becomes automatically performed by the CCS.
Die Charakteristika der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung sind wie folgt:
- • Der Pilot steuert das Flugzeug im Wesentlichen ausschließlich über den Stick Controller (neu) und den Schubhebel.
- • Per „Stick Controller" erfolgt die Eingabe von – Vorgabegrößen für die Flugsteuerung (heute Stand bei Airbus) und – die automatische Flugführung (neu).
- • Das Umschalten von manuellen „Steuermodes" auf automatische „Führungsmodes" und damit verbunden die automatische Variation der Bedeutung der Vorgabe erfolgt automatisch und transparent für den Piloten (neu). Dies gilt für den gesamten Flug- und Rollbereich (neu).
- • Eine „Flight Envelope Protection", ausgeweitet auf das Rollen (neu), Abheben (neu) und Aufsetzen am Boden, schützt das Flugzeug automatisch vor unsicheren Flugzuständen.
- • Systemfehler bedingte Degradationen in der Steuercharakteristik der Art, dass sie vom Piloten trainiert werden müssen, gibt es nicht (neu).
- • Durch CCS ist es möglich, unterschiedlichen Flugzeugtypen eine vergleichbare Steuercharakteristik aufzuprägen und damit das „Type-Rating" für Piloten unnötig zu machen oder auf ein Minimum zu begrenzen (Airbus).
- • Das „Fly-by-Wire"-System ohne Backup ermöglicht die über Regelung erzeugte künstliche Stabilisierung des dynamischen Steuerverhaltens des Flugzeugs und damit den Verzicht auf natürliche Stabilität beim Auslegung von Flugzeugen. Dies wiederum erlaubt eine weitere Steigerung der Leistung bzw. Effizienz des Flugzeugs, ohne damit die Steuercharakteristik für Piloten zu verschlechtern oder das Flugzeug gar unfliegbar zu machen.
- • The pilot steers the aircraft essentially exclusively via the stick controller (new) and the throttle lever.
- • The "Stick Controller" is used to enter - default values for the flight control (today stand on Airbus) and - automatic flight guidance (new).
- • Switching from manual "control modes" to automatic "guidance modes" and, as a result, the automatic variation of the meaning of the preset is automatic and transparent for the pilot (new). This applies to the entire flight and taxi area (new).
- • A "Flight Envelope Protection", extended to rolling (new), lifting (new) and landing on the ground, automatically protects the aircraft from unsafe flight conditions.
- • System-related degradations in the control characteristic of the kind that they must be trained by the pilot, there is not (new).
- • CCS makes it possible to impose comparable control characteristics on different types of aircraft, thereby eliminating or minimizing the "type rating" for pilots (Airbus).
- • The fly-by-wire system with no back-up allows for artificial stabilization of the aircraft's dynamic control behavior, eliminating the need for natural stability in aircraft design, which in turn further enhances the performance and efficiency of the aircraft without impairing the pilot's control characteristics or even making the aircraft fly.
Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung CCS ist auf einer Fly-by-Wire-Plattform ohne mechanisches Backup implementiert Die wesentlichen Charakteristika der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung sind:
- • Kein mechanisches Backup (neu für Transportflugzeuge)
- • Die Plattform lässt sich an die unterschiedlichen Sicherheitsanforderungen ohne große Systemänderungen anpassen: P{Ausfall für eine einstündige Mission} < 10–6 ... 10–9
- • Die Plattform besteht aus zwei Systemhälften, welche voneinander weitgehend getrennt sind (neu)
- • Fällt eine Systemhälfte komplett aus, so ist die Steuerbarkeit des Flugzeugs bei gleich bleibender Steuercharakteristik sichergestellt
- • Jeder Seite sind Stellmotoren, Sensoren, Energieversorgung, ein Systembus fest zugeordnet (neu)
- • Der Systembus arbeitet bevorzugt nach dem „Time triggered Datentransferverfahren"
- • Die beiden Systembusse arbeiten unabhängig voneinander und sind miteinander nicht synchronisiert.
- • Beide Busse können dissimilar zueinander aufgebaut sein (z.B. FlexRay und TTP).
- • Stellmotoren und Sensoren sind nur mit dem Systembus ihrer Seite verbunden
- • „Smart"-Sensoren oder -Stellmotoren sind direkt mit dem Systembus ihrer Seite verbunden und erhalten/versenden darüber Daten von/an den FBWC beider Seiten
- • „Dumb"-Sensoren oder -Stellmotoren, die keinen direkten Anschluss an den Systembus aufweisen, sind über ein IOM mit ihrem Systembus verbunden und erhalten/versenden darüber Daten von/an den FBWC beider Seiten
- • Die Daten aller Stellmotoren und Sensoren stehen beiden FBWC zur Verfügung
- • Eine externe Einheit erhält über ihren Systembus Daten von den FBWC beider Seiten
- • Jeder FBWC ist intern modular aufgebaut
- • Jeder FBWC kann intern redundant aufgebaut sein
- • Die interne Redundanz eines FBWC ist für externe über den Systembus oder IOM angekoppelte Einheiten transparent; folglich ist das System skalierbar bzgl. der FBWC-internen Redundanz
- • Die Module eines FBWC tauschen ihre Daten untereinander über die Systembusse aus
- • Die beiden FBWC tauschen ihre Daten untereinander ebenfalls über die Systembusse aus.
- • Nur die CPM innerhalb eines FBWC haben Zugang zu beiden Systembussen • Die CPM sind die zentralen Module eines FBWC.
- • Das CPM ist duplex aufgebaut, um so eigene Fehler sicher erkennen zu können.
- • Das CPM hat nur minimale IO-Fähigkeit.
- • Jeder FBWC muss mindestens ein CPM aufweisen
- • Das CPM bearbeitet die Steueraufgaben des CCS und bearbeitet das System-/Redundanz-/Ressourcemanagement
- • Im Falle des Ausfalls eines CPM kann innerhalb eines FBWC ein anderes CPM eine weniger sicherheitskritische Aufgabe suspendieren und dafür die absolut sicherheitskritische Aufgabe übernehmen (Dynamic Resource Sharing).
- • No mechanical backup (new for transport planes)
- • The platform can be adapted to different security requirements without major system changes: P {one-hour mission failure} <10 -6 ... 10 -9
- • The platform consists of two system halves, which are largely separated from each other (new)
- • If one half of the system fails completely, the controllability of the aircraft is ensured with the same control characteristic
- • Each side has positioning motors, sensors, power supply, a system bus permanently assigned (new)
- The system bus preferably operates according to the "time-triggered data transfer method"
- • The two system buses work independently and are not synchronized with each other.
- • Both buses may be dissimilar to each other (eg FlexRay and TTP).
- • Actuators and sensors are only connected to the system bus on their side
- • "Smart" sensors or motors are directly connected to the system bus on their side and receive / send data from / to the FBWC on both sides
- • "Dumb" sensors or motors that are not directly connected to the system bus are connected to their system bus via an IOM and receive / send data to / from the FBWC on both sides
- • The data of all servomotors and sensors are available to both FBWCs
- • An external unit receives data from the FBWC on both sides via its system bus
- • Each FBWC has a modular internal structure
- • Each FBWC can be internally redundant
- • The internal redundancy of a FBWC is transparent to external devices connected via the system bus or IOM; Consequently, the system is scalable with respect to the internal FBWC redundancy
- • The modules of a FBWC exchange their data with each other via the system buses
- • The two FBWC also exchange their data with each other via the system buses.
- • Only the CPMs within a FBWC have access to both system busses • The CPMs are the central modules of a FBWC.
- • The CPM is constructed in duplex mode so that you can reliably identify your own errors.
- • The CPM has only minimal IO capability.
- • Each FBWC must have at least one CPM
- • The CPM processes the control tasks of the CCS and processes the system / redundancy / resource management
- • In the event of a CPM failure, another CPM within one FBWC can suspend a less critical task and take on the task that is absolutely critical to security (Dynamic Resource Sharing).
In detaillierter Form sind die Charakteristika der Fly-by-Wire-Plattform und des FBWC in den beiden folgenden Tabellen dargestellt: In detail, the characteristics of the fly-by-wire platform and the FBWC are shown in the following two tables:
Vorteile der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung CCS für die o.a. Flugzeugklassen sind:
- • Sehr einfache und sichere Steuerung des Flugzeugs durch (Privat-)Piloten
- • Erhöhung der Sicherheit – durch weitgehende Entlastung des Piloten von der eigentlichen Steuerung des Flugzeugs – durch das für den Piloten transparente Systemverhalten bzg. der Aktivierung unterschiedlicher Steuer- und „Flugführungsmodes" im CCS (dem Pilot bleiben CCS-interne „Modeumschaltungen" verborgen; der Pilot fliegt das Flugzeug nach einer seinen natürlichen Steuergefühlen in allen Flugphasen weitgehend angepassten Vorgabesteuerung) – wegen keiner signifikanten Änderung der Steuercharakteristik bei Systemfehlern – durch die automatische „Flight Envelope Protection" mit integriertem Schutz der Flugzeugstruktur in allen Betriebsphasen – durch automatische Anpassung der „Allowed Flight Envelope" (AFE) im Fall von Systemfehlern, sofern notwendig
- • Reduktion des Ausbildungsaufwandes durch das vereinfachte Handhaben des Flugzeugs sowohl im dynamischen Steuerbereich (Manövermode) als auch im horizontalen und vertikalen „Cruise-Mode"
- • Aufprägen von ähnlichem oder gleichem Steuerverhalten bei Flugzeugen unterschiedlichen Typs und damit signifikante Vereinfachung des „Type-Ratings" für Piloten
- • Schaffung eines Leistungs- und Effizienzerhöhungspotentials für Flugzeuge – durch künstliche Stabilisierung des Flugzeugs mit CCS – durch im CCS integrierten Strukturschutz
- • Anwendung des Steuersystems auf verschiedene Flugzeugtypen durch die skalierbare Ausführung des Systems bezüglich – Rechnerredundanz – Anzahl und Typ der Sensoren – Anzahl und Typ der Stellmotoren – Technologie der Stellmotoren in Bezug auf Dumb/Smart-Ausführung
- • Very simple and safe control of the aircraft by (private) pilots
- • Increased safety - by largely relieving the pilot of the actual control of the aircraft - by the transparent for the pilot system behavior bzg. the activation of different control and "flight control" modes in the CCS (the pilot remains hidden CCS-internal "mode remodeling"), the pilot flies the plane after a natural control feelings in all phases of flight largely adjusted default control) - due to no significant change in control characteristics in case of system failure - by the automatic "Flight Envelope Protection" with integrated protection of the aircraft structure in all phases of operation - by automatic adaptation of the "Allowed Flight Envelope" (AFE) in case of system errors, if necessary
- • Reduction of training costs due to the simplified handling of the aircraft both in the dynamic control range (maneuvering mode) and in horizontal and vertical "cruise mode"
- • Imposing similar or similar control behavior on aircraft of different types and thus significantly simplifying pilot type rating
- • Creating a performance and efficiency enhancement potential for aircraft - by artificially stabilizing the aircraft with CCS - through CCS integrated structural protection
- • Application of the control system to different types of aircraft due to the scalable design of the system with respect to - Computer redundancy - Number and type of sensors - Number and type of servomotors - Technology of servomotors with respect to Dumb / Smart design
Erfindungsgemäß ist ein Datenbussystem mit Steuergeräten zur Ansteuerung der Aktuatoren für die aerodynamischen Steuerflächen des Flugzeugs vorgesehen. Die Steuerdaten werden über das Datenbussystem in Form von elektronischen Nachrichten übertragen und ein Aktuator, beispielsweise ein Elektromotor, bewirkt dann die eigentliche Verstellung der aerodynamischen Steuerflächen. Ein Datenbus ist in diesem Sinne ein einfacher LIN-, CAN-, oder FlexRay-Datenbus. Dabei kann jeder Datenbus jeweils zwei Datenbusleitungen aufweisen, wie dies beispielsweise beim CAN üblich ist.According to the invention is a Data bus system with control units for controlling the actuators for the aerodynamic control surfaces provided the aircraft. The control data is about the Transfer data bus system in the form of electronic messages and an actuator, such as an electric motor, then causes the actual adjustment of the aerodynamic control surfaces. One Data bus is in this sense a simple LIN, CAN, or FlexRay data bus. Each data bus can have two data bus lines in each case, as is customary for CAN, for example.
Sensoren mit sicherheitsrelevanten Aufgaben, dazu zählen auch Sensoren zur Erfassung der Pilotenkommandos in sicherheitsrelevanten Bedieneinheiten, sind mehrfach (redundant) ausgeführt. Dabei sind Mehrfachsensoren mit sicherheitsrelevanten Aufgaben so an die beiden Systembusse angekoppelt, dass an jedem der beiden Systembusse mindestens einer der mehrfachen Sensoren angekoppelt ist. Die Daten der mehrfach ausgeführten Sensoren werden so über die beiden Systembusse an die Steuergeräte übertragen. Das gerade aktive Steuergerät wählt im Wesentlichen über Mehrheitsvoting die korrekten Daten der redundanten Sensoren aus.sensors with safety-related tasks, including sensors for recording the pilot commands in safety-related control units, are executed multiple times (redundant). In this case, multiple sensors with safety-relevant tasks are like that coupled to the two system buses, that at each of the two System buses coupled to at least one of the multiple sensors is. The data of the multiply executed sensors are so over the both system buses are transmitted to the control units. The currently active one control unit chooses in Essentially about Majority vote, the correct data from the redundant sensors.
Steuergeräte mit sicherheitsrelevanten Aufgaben sind jeweils als Duplex, d. h. mit an sich gleichen oder dissimilaren Hardwaremodulen, doppelt ausgelegt. Dissimilar bedeutet hier, dass die Hardwaremodule funktionsidentisch, aber mit unterschiedlichen Komponenten ausgeführt sein können, um so Entwurfs- oder Produktionsfehler in einem Komponententyp nicht in beiden Hardwaremodulen gleichzeitig auftreten zu lassen (z.B.: die CPUs der beiden Hardwaremodule sind vom Typ her unterschiedlich). Die Ausführung mit zwei Hardwaremodulen hat für das Steuergerät den Vorteil, dass seine Aufgabe in jedem der Hardwaremodule separat berechnet und die Ergebnisse verglichen werden. Bei Übereinstimmung kann von einer ordnungsgemäßen Funktion des jeweiligen Hardwaremoduls ausgegangen werden. Unterscheiden sich die beiden berechneten Ergebnisse, so führt das gerade aktive Steuergerät entsprechend einer vorgegebenen Fehlerroutine Berechnungen durch. Im Fehlerfall übernimmt dann ein anderes Steuergerät die sicherheitskritische Steuerungsaufgabe oder bei weniger sicherheitskritischen Fehlern kann auch nur einer der beiden Mikrorechner des Steuergeräts die Aufgabe übernehmen, soweit eine Plausibilitätsprüfung vorher durchgeführt wurde. Die Steuergeräte sind über das Datenbussystem mit den jeweiligen sicherheitsrelevanten Aktuatoren (Stellmotoren) für die aerodynamischen Steuerflächen verbunden.Control units with safety-related Tasks are each as duplex, d. H. in itself or the same dissimilaren hardware modules, double designed. Dissimilar means here that the hardware modules are functionally identical, but with different Components executed could be, so design or production error in a component type is not occur simultaneously in both hardware modules (e.g. the CPUs of the two hardware modules are different in type). Execution with two hardware modules has for the control unit the advantage that calculates its task separately in each of the hardware modules and the results are compared. With agreement can of a proper function of the respective hardware module are assumed. distinguish If the two calculated results, then the currently active control unit performs accordingly a given error routine calculations by. In case of error takes over then another controller the safety-critical control task or less safety-critical Errors can take over even only one of the two microcomputer of the controller, the task as far as a plausibility check before carried out has been. The controllers are about the data bus system with the respective safety-relevant actuators (Servomotors) for the aerodynamic control surfaces connected.
Vorzugsweise ist eine sicherheitskritische Bedienfunktion entweder durch ein einziges an beide Datenbusse angekoppeltes Bedienelement, z.B. bei einem einpilotigen Flugzeug der Steuerknüppel des Piloten, oder durch zwei Bedienelemente (z.B. bei einem zweipilotigen Flugzeug die Steuerknüppel des Piloten und des Copiloten), von denen das eine an den einen und das andere an den anderen Datenbus angeschlossen ist, realisiert.Preferably is a safety-critical operating function either by a single control element coupled to both data buses, e.g. at a single-pilot pilot's joystick, or through two controls (e.g., on a two pilot airplane, the control sticks of the Pilots and the copilot), of which one to the one and the other is connected to the other data bus realized.
Bevorzugt sind die beiden Datenbusse unabhängig voneinander und nicht synchronisiert.Prefers the two data buses are independent from each other and not synchronized.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eines der Steuergeräte bzgl. einer sicherheitskritischen Steuerungsaufgabe als Master-Steuergerät vorgesehen, das die sicherheitskritischen Steuerungsaufgabe ausführt, wobei das Entscheidungsmittel diese sicherheitskritische Steuerungsaufgabe im Fehlerfall auf das andere Steuergerät überträgt. Das Datenbussystem weist bzgl. einer Steuerungsaufgabe zwei voneinander unabhängige Steuergeräte mit jeweils zwei voneinander unabhängig arbeitenden Mikrorechnern auf. Innerhalb jedes Steuergeräts sind zwei Mikrorechner mit einer zwischen die beiden Mikrorechner geschalteten Datenschnittstelle vorhanden, über welche die aus den sicherheitsrelevanten Steuernachrichten berechneten Ergebnisdaten austauschbar und miteinander vergleichbar sind. Das Entscheidungsmittel, das als Software in jedem Steuergerät implementiert sein kann, entscheidet dann aufgrund des Vergleichs der Ergebnisdaten, welcher Mikrorechner bzw. welches Steuergerät die sicherheitskritische Steuerungsaufgabe durchführt.In an advantageous embodiment of the invention, one of the control units is provided with respect to a safety-critical control task as the master control unit, which controls the safety-critical operation executes this task task critical in the event of an error on the other control unit. With regard to a control task, the data bus system has two independent control devices each having two mutually independently operating microcomputers. Within each control unit there are two microcomputers with a data interface connected between the two microcomputers, via which the result data calculated from the security-relevant control messages are interchangeable and comparable with one another. The decision-making means, which can be implemented as software in each control device, then decides on the basis of the comparison of the result data which microcomputer or which control device performs the safety-critical control task.
Das Datenbussystem ist auf diese Weise mehrfach redundant. Bezogen auf eine sicherheitskritische Steuerungsaufgabe sind mindestens zwei Steuergeräte mit der notwendigen Steuerungssoftware versehen. Bei ordnungsgemäßem Betrieb des Datenbussystems übernimmt eines der beiden Steuergeräte, im Folgenden als das Master-Steuergerät bezeichnet, die sicherheitskritische Steuerung, z.B. die Steuerung aller Stellflächen. Die entsprechenden Aktuator-Nachrichten und -Daten werden auf einem der beiden Datenbusse zum Master-Steuergerät übertragen, die Nachrichten und Daten der Sensoren und anderer Systeme werden auf einem und für sicherheitskritische Daten auf beiden Bussen an das Master-Steuergerät übertragen. Die Steuerdaten werden innerhalb des Master-Steuergeräts jeweils unabhängig auf den beiden Mikrorechnern berechnet. Bei gleichlautenden Ergebnisdaten wird dann ein ordnungsgemäßer Betrieb des Master-Steuergeräts festgestellt, und einer der Mikrorechner oder auch beide Mikrorechner berechnen neue Steuersignale und diese werden auf beiden Datenbussen an die Aktuatoren übertragen, wobei ein Aktuator nur an einem Datenbus angekoppelt ist. Unterscheiden sich jedoch die beiden berechneten Ergebnisdaten im Master-Steuergerät, so beauftragt das Entscheidungsmittel über den Datenbus das andere Steuergerät mit der Berechnung der jeweiligen Steuerungsaufgaben. Dieses andere Steuergerät hat dazu die Systemsteuerdaten auf dem Datenbus auch zuvor schon empfangen und gespeichert, so dass nun die Berechnung der Steuerungsdaten ohne Zeitverzug anlaufen kann. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass bei sicherheitskritischen Anwendungen im Flugzeug die Steuerung und Kommunikation auf dem Datenbussystem auch bei auftretenden Fehlern ohne Zeitverzug weitergeführt werden kann. Dadurch entsteht ein fehlersicheres Datenbussystem bezogen auf die dafür vorgesehenen sicherheitskritischen Steuerungsaufgaben.The Data bus system is multi-redundant in this way. Related to a safety-critical control task is at least two ECUs provided with the necessary control software. In proper operation of the data bus system one of the two control units, hereinafter referred to as the master controller, the safety-critical Control, e.g. the control of all shelves. The corresponding actuator messages and data are transferred on one of the two data buses to the master controller, the news and data of the sensors and other systems become on one and for transmit safety-critical data on both buses to the master control unit. The control data is within the master controller respectively independently calculated on the two microcomputers. For identical result data will then be a proper operation detected by the master controller, and calculate one of the microcomputers or both microcomputers new control signals and these are on both data buses to the Transmit actuators, wherein an actuator is coupled only to a data bus. distinguish However, the two calculated result data in the master control unit, so instructed the decision-making tool about the data bus the other control unit with the calculation of the respective Control tasks. This other controller has the system control data on the data bus also previously received and stored, so that now start the calculation of the control data without delay can. This ensures that that in safety-critical applications in the aircraft control and communication on the data bus system even if errors occur continued without delay can be. This creates a fail-safe data bus system based on the designated safety-critical control tasks.
Bevorzugt sind jeder sicherheitskritischen Bedienfunktion mindestens ein Sensor, der an den einen Datenbus angekoppelt ist, und mindestens ein Sensor, der an den anderen Datenbus angekoppelt sind, zugeordnet. Durch die doppelte (mehrfache) Auslegung können gerade sicherheitskritische Sensoren besser auf deren Funktion überprüft werden. Dabei werden die redundanten Sensoren möglichst gleich auf beide Systembusse verteilt. Im Fehlerfall kann dann auf einen Sensor umgeschaltet werden, der innerhalb des vorgesehenen Plausibilitätsbereichs Daten liefert.Prefers are every safety-critical operating function at least one sensor, which is coupled to the one data bus, and at least one sensor, which are coupled to the other data bus assigned. By The double (multiple) design can be safety-critical Sensors are better checked for their function. Here are the redundant sensors as possible immediately distributed to both system buses. In case of error can then a sensor can be switched within the provided plausibility range Provides data.
Bevorzugt weist jeder Mikrorechner die Steuerungssoftware aller sicherheitskritischen Steuerungsaufgaben auf, so dass auf jedem Steuergerät die Gesamtinformation aller sicherheitskritischen Steuerungsaufgaben vorgesehen ist. Dadurch kann jedes Steuergerät im Fehlerfall auch als Vertreter für ein anderes Steuergerät bei jeder beliebigen sicherheitskritischen Steuerungsaufgabe auftreten.Prefers Every microcomputer has the control software of all safety-critical ones Control tasks, so that the total information on each control unit all safety-critical control tasks is provided. Thereby can any controller in case of error also as representative for another control unit at each any safety-critical control task occur.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further Advantages of the invention will become apparent from the description and the Drawing. Likewise, the mentioned above and the features further listed individually or can be used for several in any combination. The shown and described embodiments are not as final enumeration but have rather exemplary character for the description of the Invention.
Es zeigen:It demonstrate:
Die
in
An
die beiden Datenbusse B1 und B2 sind unterschiedliche Komponenten,
wie Bediengeräte
Die
Bezugsziffern
Neben
diesen jeweils nur einem Datenbus B1 bzw. B2 zugeordneten Komponenten,
welche nicht fehlersicher sein müssen,
sind die sicherheitskritischen Komponenten, d.h. die Bedienelemente
Die
doppelte Auslegung der Bedienelemente
Die
Steuergeräte
Im
Fehlerfall, d.h. wenn die berechneten Ergebnisdaten des einen Mikrorechners
Zur
Ansteuerung des sicherheitskritischen Seitenruders
Die
Modul
Die
Steuergeräte
Von
der Steuervorrichtung
Abkürzungen und ÜbersetzungenAbbreviations and translations
- FPlatFPlat
- Fly by Wire PlattformFly by Wire platform
- FBWCFBWC
- Fly by Wire ComputerFly by wire computer
- CPMCPM
- Computing ModuleComputing modules
- IOMIOM
- Input/Output ModuleInput / output modules
- GWMGWM
- Gateway ModuleGateway modules
- PDMPDM
- Power Distribution ModulePower Distribution modules
- SCSC
- Star CpouplerStar Cpoupler
- SCSC
- Stick ControllerStick controller
- HDGHDG
- Headingheading
- TRKTRK
- Trackingtracking
- BRGBRG
- BearingBearing
- PICPIC
- Pilot In CommandPilot In Command
- FOFO
- First OfficerFirst Officer
- NWSNWS
- Nose Wheel SteeringNose Wheel Steering
- WOWWOW
- Weight On WheelWeight On Wheel
- GPSGPS
- Global Positioning SystemGlobal Positioning system
- ECUECU
- Engine Control UnitEngine control unit
- PWRPWR
- Powerpower
- TTPTTP
- Time Trigger ProtocolTime Trigger Protocol
- BATBAT
- BatteryBattery
- GENGENE
- Generatorgenerator
- CoCo
- CommandCommand
- MoNot a word
- Monitormonitor
- PSPS
- Power SupplyPower supply
- FlightFlight
- Envelope Protection FlugbereichsüberwachungEnvelope Protection Flight range monitoring
- CCSCCS
- Carefree Control SystemCarefree Control System
- AFPAFP
- Allowed Flight EnvelopeAllowed Flight Envelope
- CANCAN
- Controller Area NetworkController Area Network
- A/CA / C
- AircraftAircraft
Claims (9)
Priority Applications (1)
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