DE102011115318A1

DE102011115318A1 - Flight control system for aircraft, has actuator control electronics and actuators connected with each other through data network, where control electronics are connected in addition to another data network of redundant implemented system

Info

Publication number: DE102011115318A1
Application number: DE102011115318A
Authority: DE
Inventors: Franz Martin Vögel
Original assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Current assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Priority date: 2011-10-07
Filing date: 2011-10-07
Publication date: 2013-04-11
Anticipated expiration: 2031-10-08
Also published as: DE102011115318B4

Abstract

The system has a redundant implemented system (10) for processing a flight control function to control an airplane with a control surface (40). Two computers (12, 14) and sensors (16, 18) i.e. global positioning sensors, are connected to a data network (50) accommodating the control surface. Actuator control electronics (22, 24) and actuators (30, 32) are connected with each other through another data network (60). The actuator control electronics are connected in addition to the former data network of the redundant implemented system, where the control surface is connected to the actuators.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Flugsteuerungssystem für ein Flugzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a flight control system for an aircraft according to the preamble of claim 1.

Ein Flugsteuerungssystem setzt bekannterweise Eingaben um, die der Pilot über Eingabegeräte vorgibt, in entsprechende Bewegungen der verschiedenen Steuerflächen, mit denen wiederum das Flugzeug im Flug gesteuert wird.A flight control system is known to implement inputs that the pilot provides via input devices into corresponding movements of the various control surfaces, which in turn control the aircraft in flight.

Bei modernen Fly-by-Wire-Flugzeugen werden die Piloteneingaben an sogenannten Seitensteuer-Bediengeräten (side-sticks) in elektronische Steuersignale umgewandelt, so dass elektronische Daten in die Computer des Flugsystems eingegeben und daraus unter Hinzunahme von Lagesensorinformationen mittels digitalisierter Regelgesetze letztendlich Steuerkommandos für Betätigungseinrichtungen, die sogenannte Aktuatoren erzeugt werden können. Diese führen dann dazu, dass die Steuerklappen die geeigneten Bewegungen ausführen. Die Daten können automatisch oder manuell entsprechend der Flugphase oder den Umständen angezeigt oder abgerufen werden. Ein zentralisiertes Betriebsstörungsdisplay überwacht ständig die Flugzeugsysteme, indem es Diagnosedaten sammelt. Eventuell auftretende Probleme werden automatisch im Cockpit angezeigt sowie an die Bodenstation gesendet, wobei auch nach dem Flug ein Zugriff auf die Daten möglich ist.In modern fly-by-wire aircraft, the pilot inputs on so-called side-control devices (side-sticks) are converted into electronic control signals, so that electronic data entered into the computers of the flight system and from this with the addition of position sensor information by means of digitized control laws ultimately control commands for controls , the so-called actuators can be generated. These then cause the control flaps to make the appropriate movements. The data can be automatically or manually displayed or retrieved according to the flight phase or circumstances. A centralized malfunction display constantly monitors the aircraft systems by collecting diagnostic data. Any problems that occur are automatically displayed in the cockpit and sent to the ground station, whereby access to the data is possible even after the flight.

In heutigen Ausführungen werden die Regelgesetze in zwei Rechnereinheiten, den sogenannten „Flight Control Computern”, welche aus mehreren einzelnen Computern bestehen, gerechnet. All diese Computer sind in der sogenannten „Avionic Bay” untergebracht und mittels Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit den einzelnen zur Flugsteuerung notwendigen Aktuatoren verbunden. Typischerweise sind diese Verbindungen analog.In today's versions, the control laws in two computer units, the so-called "flight control computers", which consist of several individual computers, calculated. All these computers are housed in the so-called "avionic bay" and connected by point-to-point connections with the individual actuators necessary for flight control. Typically, these compounds are analogous.

Zwischenzeitlich sind viele weitere Entwicklungen und Konzepte bekannt geworden. Die WO 2010/103234 A1 offenbart beispielsweise ein einheitliches Flugzeugnetzwerksystem, das die Flugsteuerung durchführt, und die Aktuatoren oder die Aktuator-Steuer-Elektroniken direkt das eine Netzwerk einbindet. Hier ist zwar offenbart, dass die Aktuator-Steuer-Elektroniken geeignet sein müssen, ein massives Voting, d. h. eine logische Verknüpfung der Überwachungsergebnisse, durchzuführen. Auf die nähere Ausführung der dort offenbarten Aktuator-Steuer-Elektronik wird jedoch nicht eingegangen. Eine Vernetzung der Aktuator-Steuer-Elektroniken wird hier derart durchgeführt, dass diese untereinander in die Lage versetzt werden, flexibel auf Ausfälle zu reagieren und sich im Fehlerfall zu rekonfigurieren. Das heißt, sie werden durch ein eigenes, konkret sogar durch zwei redundante eigene Netzwerke, verbunden. Diese starke Zentralisierung führt aber dazu, dass solche Flugsteuerungssysteme die Erfordernisse der Echtzeitfähigkeit mit kleinen Rechenzeiten nur schwer erfüllen können.In the meantime, many other developments and concepts have become known. The WO 2010/103234 A1 for example, discloses a unitary aircraft network system that performs flight control, and the actuators or actuator control electronics directly incorporates a network. Although disclosed herein, it is disclosed that the actuator control electronics must be capable of performing a massive voting, ie a logical combination of the monitoring results. However, the detailed execution of the disclosed there actuator control electronics is not discussed. A networking of the actuator control electronics is carried out here so that they are able to react flexibly to failures and to reconfigure in the event of an error. That is, they are connected by their own, specifically even by two redundant networks. However, this strong centralization means that such flight control systems can hardly meet the requirements of real-time capability with small computation times.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Flugsteuerungssystem für ein Flugzeug bereitzustellen, durch welches der Hardware- und damit der Kostenaufwand wesentlich reduziert werden, wobei den hohen Sicherheitsanforderungen an solche Systeme Rechnung getragen wird.The object of the present invention is therefore to provide a flight control system for an aircraft, by which the hardware and thus the cost is substantially reduced, taking into account the high security requirements for such systems.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Flugsteuerungssystem für ein Flugzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a flight control system for an aircraft with the features of claim 1.

Das erfindungsgemäße Flugsteuerungssystem besteht aus einem ersten redundant ausgeführten System für die Verarbeitung von mindestens einer ersten Flugsteuerfunktion zur Steuerung des Flugzeugs mit mindestens einer Steuerfläche. Durch die hohe Redundanz an Übertragungskanälen wird bekannterweise eine zuverlässige Kommunikation selbst bei erheblichen Störungen möglich. Das erste System weist dabei mindestens einen ersten und einen zweiten Sensor oder aber auch eine erste und eine zweite Sensorgruppe auf, die jeweils mit einem ersten und einem zweiten Rechner in Verbindung stehen, wobei die Rechner die Messwerte der zugeordneten Sensoren erhalten und jeweils einen Sollwert für die mindestens eine Steuerfläche ausgeben. Das erfindungsgemäße Flugsteuerungssystem weist weiterhin ein zweites System auf, zur Regelung der Position der mindestens einen Steuerfläche auf den im ersten System bestimmten Sollwert. Dabei weist das zweite System mindestens eine erste und eine zweite Aktuator-Steuer-Elektronik (ACE) und mindestens einen ersten und einen zweiten Aktuator auf, wobei die Aktuatoren mit den Steuerflächen in Verbindung stehen.The flight control system according to the invention consists of a first redundant system for processing at least one first flight control function for controlling the aircraft with at least one control surface. Due to the high redundancy of transmission channels, reliable communication is known to be possible even in the case of considerable disturbances. In this case, the first system has at least one first and one second sensor or else a first and a second sensor group which are in each case connected to a first and a second computer, the computers receiving the measured values of the associated sensors and in each case setting a target value for spend the at least one control surface. The flight control system according to the invention further comprises a second system for controlling the position of the at least one control surface to the setpoint determined in the first system. In this case, the second system has at least a first and a second actuator control electronics (ACE) and at least a first and a second actuator, wherein the actuators are in communication with the control surfaces.

Das Flugsteuerungssystem ist erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass die Rechner und die Sensoren oder die Sensorgruppen an ein erstes Datennetzwerk, welches die Sollwerte für die wenigstens eine Steuerfläche enthält, angeschlossen werden, und die Aktuator-Steuer-Elektroniken (ACEs) und die Aktuatoren über wenigstens ein weiteres Datennetzwerk miteinander verbunden werden. Dabei werden die ACEs zusätzlich an das erste Datennetzwerk des ersten Systems angeschlossen, wobei beim Ausfall einer oder mehrerer ACEs, die verbleibenden in der Lage sind, die Aufgaben der ausgefallenen ACEs zu übernehmen, d. h. dass auch eine letzte verbleibende Aktuator-Steuer-Elektronik in der Lage sein kann, alle Aktuatoren über das gemeinsame Datennetz korrekt anzusteuern. Die ACEs erhalten vom ersten Datennetzwerk alle Sollwerte für die Steuerflächen und können in der Lage versetzt werden, mittels Voting- und Datenkonsistenzmechanismen zueinander konsolidierende Stellkommandos für die Aktuatoren auszugeben.According to the invention, the flight control system is designed in such a way that the computers and the sensors or the sensor groups are connected to a first data network containing the nominal values for the at least one control surface, and the actuator control electronics (ACEs) and the actuators via at least one further data network are interconnected. In this case, the ACEs are additionally connected to the first data network of the first system, and in case of failure of one or more ACEs, the remaining are able to take over the tasks of the failed ACEs, ie that also a last remaining actuator control electronics in the It can be able to control all actuators via the common data network correctly. The ACEs receive from the first data network all the setpoints for the control surfaces and can be enabled to use Voting and data consistency mechanisms to spend mutually consolidating setting commands for the actuators.

Somit wird mit dem erfindungsgemäßen Flugsteuerungssystem erreicht, dass durch einen intermodularen Datenaustausch und durch die Möglichkeiten zur sicheren Fehlererkennung, die durch die Redundanz ermöglicht wird, ab vier Rechnern sogar ein sog. „byzantinischer Fehler” erkannt werden kann, so dass keine falschen Nachrichten generiert und übermittelt werden können. Somit kann eine fehlerhafte Aktuator-Steuer-Elektronik eindeutig erkannt und aus dem Verbund herausgenommen werden, und die verbleibenden ACEs können ohne Weiteres ihre Funktionen übernehmen. Dies führt zu einer wesentlichen Erhöhung der Sicherheit und auch zur Reduzierung des erheblichen Hardware- und somit des Kostenaufwands solcher Flugsteuerungssystemen.Thus, with the flight control system according to the invention is achieved that even an so-called. "Byzantine error" can be detected by an inter-modular data exchange and the possibilities for reliable error detection, which is made possible by the redundancy, so that no false messages generated and four computers can be transmitted. Thus, faulty actuator control electronics can be uniquely identified and removed from the network, and the remaining ACEs can readily assume their functions. This leads to a significant increase in security and also to reduce the considerable hardware and thus the cost of such flight control systems.

Als besonders bevorzugt wird hier angesehen, dass jede Steuerfläche jeweils mit zwei Aktuatoren verbunden ist, wobei jeder der beiden Aktuatoren über das wenigstens eine Datennetzwerk des zweiten Systems mit den Aktuator-Steuer-Elektroniken kommuniziert. Somit kann auch beim Ausfall eines der Aktuatoren oder beim Ausfall einer der Aktuator-Steuer-Elektroniken, die Bewegung der Steuerfläche durchgeführt werden. Dabei wird als besonders vorteilhaft angesehen, dass die Aktuatoren über eine Schnittstellenelektronik verfügen und mechanisch mit der wenigstens einen Steuerfläche verbunden sind.It is considered to be particularly preferred here that each control surface is respectively connected to two actuators, wherein each of the two actuators communicates with the actuator control electronics via the at least one data network of the second system. Thus, even if one of the actuators fails or if one of the actuator control electronics fails, the movement of the control surface can be performed. It is considered particularly advantageous that the actuators have an interface electronics and are mechanically connected to the at least one control surface.

Es ist besonders vorteilhaft, dass die Aktuator-Steuer-Elektroniken die Sollwerte für die Steuerflächen durch das erste Datennetzwerk des ersten Systems erhalten und somit in der Lage sind, zueinander konsolidierende Stellkommandos für die Aktuatoren zu generieren und über das weitere Datenneztwerk des zweiten Systems, an welches auch die Aktuatoren angeschlossen sind, auszugeben. Die Verwendung von zwei voneinander unabhängigen Datennetzwerken, an denen die Aktuator-Steuer-Elektroniken gleichzeitig verbunden sind, erhöht wesentlich die Zuverlässigkeit des Flugsteuerungssystems.It is particularly advantageous for the actuator control electronics to receive the setpoint values for the control surfaces through the first data network of the first system and thus to be able to generate mutually consolidating positioning commands for the actuators and via the further data numbering system of the second system which also the actuators are connected to spend. The use of two independent data networks to which the actuator control electronics are connected simultaneously significantly increases the reliability of the flight control system.

Vorzugsweise bestehen die ACEs jeweils aus zwei einzelnen, voneinander unabhängig arbeitenden CPU-Einheiten, die galvanisch voneinander getrennt sind und geeignet sind, jeweils eine Verbindung zum Datenbussystem des ersten Systems und eine Verbindung zu dem zumindest einen Datenbussystem des zweiten Systems zu realisieren. Somit wird durch die ACEs die Verbindung der beiden Systeme geschaffen.Preferably, the ACEs each consist of two separate, independently operating CPU units, which are galvanically separated from each other and are adapted to each realize a connection to the data bus system of the first system and a connection to the at least one data bus system of the second system. Thus, the ACEs create the connection between the two systems.

Weiterhin wird bei dem erfindungsgemäßen Flugsteuerungssystem als besonders vorteilhaft angesehen, dass der Datenaustausch innerhalb der ACEs zwischen den beiden CPU-Einheiten stattfindet, so dass die Daten einem Vergleich unterzogen werden können.Furthermore, it is considered particularly advantageous in the flight control system according to the invention that the data exchange takes place within the ACEs between the two CPU units, so that the data can be subjected to a comparison.

Vorzugsweise erfolgt der Datenaustausch unter den ACEs über das Datenbussystem oder die Datenbussysteme im zweiten System, so dass eine Entscheidung über die ordnungsgemäße Funktion der ACEs im zweiten System getroffen werden kann. Somit kann auch die Elektronik ermittelt werden, die der entscheidende Master unter den Aktuator-Steuer-Elektroniken ist. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass auch innerhalb der ACEs die eine der CPU-Einheiten die eigentlichen Regelaufgaben (Controlling) und die andere CPU-Einheit die funktional unterschiedliche Überwachungsfunktion (Monitoring) durchführt.The data exchange between the ACEs preferably takes place via the data bus system or the data bus systems in the second system, so that a decision about the proper functioning of the ACEs in the second system can be made. Thus, also the electronics can be determined, which is the crucial master among the actuator control electronics. It is particularly advantageous that within the ACEs one of the CPU units performs the actual control tasks (controlling) and the other CPU unit performs the functionally different monitoring function (monitoring).

Mit dem erfindungsgemäßen Flugsteuerungssystem kann erreicht werden, dass die Anordnung beliebig durch Aktuatoren und Aktuator-Steuer-Elektroniken erweitert werden kann, und dass durch eine je nach Anforderung an die Verfügbarkeit definierte Anzahl ACEs beliebig viele Aktuatoren mit ihren Elektronikschnittstellen (Remote Elektronic Unit, REU) angeschlossen werden können. Der Typ des Aktuators ist dabei nicht entscheidend. Lediglich die REU muss die Daten am Aktuator aufbereiten, eventuell unterlagerte Regelungen durchführen und über die einheitlichen Busschnittstellen mit dem verbundenen ACE-Netzwerk kommunizieren. Bei Ausfall einer ACE wird die Master ACE neu bestimmt und die Aufgaben von den verbleibenden ACEs ausgeführt.With the flight control system according to the invention can be achieved that the arrangement can be arbitrarily extended by actuators and actuator control electronics, and that any number of actuators with their electronic interfaces (Remote Electronic Unit, REU) defined by a number of ACEs defined according to availability requirements. can be connected. The type of actuator is not critical. Only the REU must process the data on the actuator, possibly perform subordinate control and communicate via the standardized bus interfaces with the connected ACE network. If an ACE fails, the master ACE is redetermined and the tasks are executed by the remaining ACEs.

Vorteilhafterweise weist mindestens eines der Datenbussysteme des zweiten Systems zwei redundante Kanäle auf, so dass ein Totalausfall eines Kommunikationskanals durch den Einsatz redundanter Kanäle toleriert werden kann, wobei die Kanäle von Störeinflüssen abgeschirmt werden.Advantageously, at least one of the data bus systems of the second system has two redundant channels, so that a total failure of a communication channel can be tolerated by the use of redundant channels, wherein the channels are shielded from interference.

Vorzugsweise werden die Datenbussysteme des zweiten Systems mit unterschiedlichen Datenbustypen realisiert. Diese können die sogenannten fehlertoleranten Datenbusse, welche für sicherheitskritische Anwendungen vorgesehen werden, sein, wie der auf dem TTP-Protokoll (Time-Triggered Protokol) basierende fehlertolerante TTP-Bus oder auch der FlexRay-Bus, der sich durch eine hohe Datenrate, Fehlertoleranz und durch garantierte Latenzzeiten auszeichnet. Es kann aber auch ein MIL-STD-1553 Bus verwendet werden. Als besonders vorteilhaft wird angesehen, wenn ein Time-Triggered CAN (TTCAN), bei welchem die Protokollvariante des normalen CAN-Buses um zeitbasierte Anteile erweitert ist und nicht ereignissondern zeitgesteuert arbeitet, verwendet wird. Die unterschiedlichen Datenbussysteme des zweiten Systems sind vorzugsweise an sich und/oder zueinander synchronisierbar.Preferably, the data bus systems of the second system are realized with different data bus types. These can be the so-called fault-tolerant data buses which are provided for safety-critical applications, such as the fault-tolerant TTP bus based on the Time-Triggered Protocol (TTP) or the FlexRay bus, which is characterized by a high data rate, fault tolerance and fault tolerance characterized by guaranteed latency. It is also possible to use a MIL-STD-1553 bus. It is considered to be particularly advantageous if a time-triggered CAN (TTCAN), in which the protocol variant of the normal CAN bus is extended by time-based components and does not operate on an event-time basis, is used. The different data bus systems of the second system are preferably synchronizable per se and / or to one another.

Aus Sicherheitsgründen ist es notwendig, das ACE-Netzwerk doppelt auszuführen, wobei durch eine typverschiedene, d. h. dissimilare Ausführung auch ein systematischer Fehler, der sogenannte „Common Mode Failure”, reduziert oder ausgeschlossen werden kann. For security reasons, it is necessary to duplicate the ACE network, whereby a systematic, ie dissimilar, implementation can also reduce or eliminate a systematic error, the so-called "common mode failure".

Die Aktuatoren können entweder nur an eines der beiden Datenbussysteme des zweiten Systems oder aber auch aufgeteilt an die beiden Datenbussysteme des zweiten Systems angeschlossen sein, wobei auf eine von mehreren Steuerflächen vorzugsweise mehrere Aktuatoren wirken, so dass beim Ausfall eines der Aktuatoren seine Funktion durch den verbleibenden oder die verbleibende übernommen wird.The actuators can either be connected to only one of the two data bus systems of the second system or else split to the two data bus systems of the second system, preferably acting on a plurality of control surfaces more actuators, so that when one of the actuators its function by the remaining or the remaining is taken over.

Es wird weiterhin als besonders vorteilhaft angesehen, wenn an das oder die Datenbussysteme des zweiten Systems ein oder mehrere zusätzliche Sensoren angeschlossen sind, welche Daten für die Aktuatorregelfunktion bereitstellen.It is further considered to be particularly advantageous if one or more additional sensors are connected to the data bus system (s) of the second system, which data provide data for the actuator control function.

Aus regelungstechnischer Sicht ist es erforderlich, dass die Aktuatorregelungen typischerweise deutlich schneller bearbeitet werden müssen, als die Flugregelungen, die in den Hauptrechnern des Hauptnetzwerks eingebettet sind. Besonders drastisch wird dies bei Betätigung einer Steuerfläche durch zwei oder drei Aktuatoren, möglicherweise sogar von unterschiedlichem Typ (elektrisch, hydraulisch, hybrid usw.). Um Kraftkonflikte zu vermeiden oder auf ein definiertes Maß zu beschränken sind sehr schnelle, in Echtzeit arbeitende Datensätze und sehr schneie, eventuell synchron arbeitende Rechner notwendig. Durch eine Abkopplung der Aktuatorregelung vom Flugzeug-Backbone-Netzwerk kann diesen Ansprüchen besser gerecht werden und in vielen Fällen die Regelung innerhalb eines Netzwerks erst ermöglicht werden. Die Durchführung der Aktuatorpositionsregelung in den Schnittstellenelektroniken am Aktuator wäre nur lokal und ohne die Konsolidierungsmöglichkeit mit den Nachbaraktuatoren.From a control engineering point of view, it is necessary that the actuator controls typically have to be processed much faster than the flight controls embedded in the main network hosts. This becomes particularly drastic when a control surface is actuated by two or three actuators, possibly even of different types (electric, hydraulic, hybrid, etc.). To avoid power conflicts or to limit them to a defined level, very fast, real-time data sets and very snowy, possibly synchronous computers are necessary. By decoupling the actuator control from the aircraft backbone network can better meet these demands and in many cases, the regulation within a network only be enabled. The implementation of the actuator position control in the interface electronics on the actuator would only be local and without the possibility of consolidation with the neighboring actuators.

Vorzugsweise werden an das erste System neben anderen Teilnehmern mehrere Systeme des zweiten Systems angeschlossen, was zu einer wesentlichen Reduzierung der notwendigen Hardware führt. Dabei wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn das erste System ein AFDX-Bussystem (Avionic Full Duplex Switched (X)Ethernet Bussystem), welches das Computernetzwerk und das dazugehörige Protokoll zur Kommunikation zwischen Flugzeugsystemen (Avionik) umfasst, aufweist.Preferably, several systems of the second system are connected to the first system in addition to other participants, resulting in a substantial reduction of the necessary hardware. It is considered particularly advantageous if the first system has an AFDX bus system (Avionic Full Duplex Switched (X) Ethernet bus system), which includes the computer network and the associated protocol for communication between aircraft systems (avionics).

Durch das erfindungsgemäße Flugsteuerungssystem kann der Hardware-Aufwand durch Modularisierung der Hardware wesentlich reduziert und die Software standardisiert werden, was zu erheblichen Kosteneinsparungen führt. Dabei wird eine vereinfachte und sichere Steuerung des Flugzeugs ermöglicht und zwar während aller Flugphasen.By the flight control system according to the invention, the hardware overhead can be significantly reduced by modularizing the hardware and the software can be standardized, resulting in significant cost savings. Simplified and safe control of the aircraft is made possible during all flight phases.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The present invention will now be explained in more detail with reference to an embodiment and the drawing. Show it:

1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Flugsteuerungssystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, 1 FIG. 2: a schematic representation of a flight control system according to the invention according to a first embodiment, FIG.

2: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Flugsteuerungssystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, 2 FIG. 2 shows a schematic representation of a flight control system according to the invention according to a second embodiment, FIG.

3: eine schematische Gesamtdarstellung des erfindungsgemäßen Flugsteuerungssystems, wobei die Erweiterbarkeit des Systems gezeigt wird. 3 : An overall schematic representation of the flight control system according to the invention, wherein the expandability of the system is shown.

In 1 ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Flugsteuerungssystems gemäß einer ersten Ausführungsform gezeigt.In 1 a simplified schematic representation of a flight control system according to the invention according to a first embodiment is shown.

Das Flugsteuerungssystem besteht aus einem ersten redundant ausgeführten System 10, zur Abarbeitung mindestens einer ersten Flugsteuerfunktion zur Steuerung eines Flugzeugs, welches mindestens eine Steuerfläche 40 aufweist. Das erste System 10 weist dabei Sensoren 16 und 18 sowie Rechner 12 und 14 auf, welche anhand der erhaltenen Messwerte der zugehörigen Sensoren 16, 18, welche an Bedienelemente angebracht sind, jeweils einen Sollwert für die Steuerfläche 40 berechnen und ausgeben können. Es versteht sich, dass anstatt der einzelnen hier gezeigten Sensoren 16, 18, Sensorgruppen vorgesehen werden können. Die beiden Rechner 12 und 14 sowie die Sensoren 16 und 18 sind an ein erstes Datennetzwerk 50 angeschlossen. Es wird dabei als besonders vorteilhaft angesehen, wenn das erste System ein AFDX-Bussystem (Avionic Full Duplex Switched (X)Ethernet – Bussystem) aufweist. Dieses umfasst bekannterweise das Computernetzwerk und das dazugehörige Protokoll zur Kommunikation zwischen Flugzeugsystemen (Avionik).The flight control system consists of a first redundant system 10 for processing at least one first flight control function for controlling an aircraft, which has at least one control surface 40 having. The first system 10 has sensors 16 and 18 as well as calculator 12 and 14 based on the obtained measured values of the associated sensors 16 . 18 , which are attached to controls, each a target value for the control surface 40 calculate and spend. It is understood that instead of the individual sensors shown here 16 . 18 , Sensor groups can be provided. The two computers 12 and 14 as well as the sensors 16 and 18 are on a first data network 50 connected. It is considered to be particularly advantageous if the first system has an AFDX bus system (Avionic Full Duplex Switched (X) Ethernet bus system). As is known, this includes the computer network and the associated protocol for communication between aircraft systems (avionics).

Das Flugsteuerungssystem umfasst weiterhin ein zweites System 20 zur Regelung der Position der Steuerfläche 40 auf den im ersten System 10 bestimmten Sollwert. Es versteht sich, dass hier aus Vereinfachungsgründen nur eine von vielen Steuerflächen dargestellt wird. Das zweite System 20 weist weiterhin eine erste und eine zweite Aktuator-Steuer-Elektronik (ACE) 22 und 24 und einen ersten und einen zweiten Aktuator 30 und 32, welche mit der Steuerfläche 40 verbunden sind, auf.The flight control system further includes a second system 20 for controlling the position of the control surface 40 on the first system 10 specific setpoint. It is understood that, for reasons of simplification, only one of many control surfaces is shown here. The second system 20 also has first and second actuator control electronics (ACE) 22 and 24 and a first and a second actuator 30 and 32 which with the control surface 40 are connected to.

Das zweite System 20 weist auch ein eigenes Datennetzwerk 60 auf, über welches die ACEs 22, 24 und die Aktuatoren 30, 32 miteinander kommunizieren. Das Datennetzwerk 60 kann ein zeitbasiertes System sein, wie ein TTP-Bus (Time-Triggered Protocol Bus), welches Busprotokoll sich mit einer minimalen Ausfallrate auszeichnet, oder aber auch ein FlexRay-System, welches für sicherheitskritische Anwendungen besonders geeignet ist. Es wird hier als besonders vorteilhaft angesehen, wenn ein gemischtes Ereignis- und Zeit-basiertes System verwendet wird, wie ein Time-Triggered CAN Bus (TTCAN), bei welchem die Protokollvariante des normalen CAN-Buses um zeitbasierte Anteile erweitert ist.The second system 20 also has its own data network 60 on which the ACEs 22 . 24 and the actuators 30 . 32 communicate with each other. The data network 60 can be a time-based system, such as a TTP bus (Time-Triggered Protocol Bus), which bus protocol is characterized by a minimal failure rate, or even a FlexRay system, which is particularly suitable for safety-critical applications. It is considered particularly advantageous here if a mixed event and time-based system is used, such as a time-triggered CAN bus (TTCAN), in which the protocol variant of the normal CAN bus is extended by time-based components.

Die ACEs 22, 24 sind jeweils sowohl an dem zweiten Datenbussystem 60 als auch an dem ersten Datenbussystem 50 angeschlossen und bestehen aus jeweils zwei einzelnen, voneinander unabhängig arbeitenden CPU-Einheiten, die voneinander galvanisch getrennt sind. Über die CPU-Einheiten wird jeweils die Verbindung zum Datenbussystem 50 des ersten Systems 10 und zum Datenbussystem 60 des zweiten Systems 20 realisiert. Dabei ist die erste CPU-Einheit geeignet, Regelaufgaben zu übernehmen, wobei die zweite CPU-Einheit in der Lage ist, funktional unterschiedliche Überwachungsfunktionen durchzuführen. Innerhalb der ACEs 22, 24 findet zwischen den beiden CPU-Einheiten ein Datenaustausch statt, so dass ein Datenvergleich realisierbar ist.The ACEs 22 . 24 are each on both the second data bus system 60 as well as the first data bus system 50 connected and consist of two separate, independently operating CPU units, which are galvanically isolated from each other. The CPU units are used to connect to the data bus system 50 of the first system 10 and the data bus system 60 of the second system 20 realized. In this case, the first CPU unit is suitable for assuming control tasks, with the second CPU unit being able to perform functionally different monitoring functions. Within the ACEs 22 . 24 There is a data exchange between the two CPU units, so that a data comparison can be realized.

Der erste 12 und der zweite Rechner 14 verarbeiten alle von den Sensoren 16, 18 erhaltene Informationen und geben Befehle über das erste Datenbussystem 50 an die Aktuator-Steuer-Elektroniken 22, 24, die über das weitere Datenbussystem 60 an die Aktuatoren 30, 32 weitergeleitet werden. Dabei sind die ACEs 22, 24 geeignet, die Sollwerte für die Steuerfläche 40 durch das erste Datennetzwerk 50 des ersten Systems 10 zu erhalten, um zueinander konsolidierende Stellkommandos für die Aktuatoren 30, 32 auszugeben. Dadurch, dass die beiden ACEs 22, 24 einzeln jeweils mit den beiden Datenbussysteme 50, 60 des ersten und des zweiten Systems 10, 20 verbunden sind, ist es möglich, dass beim Ausfall einer der beiden ACEs 22, 24, die ausgefallene durch die funktionierende ersetzt werden kann, so dass die Aktuatoren 30, 32, welche mit der funktionierenden ACE über das zweite Datenbus System 60 verbunden sind, weiterhin ungestört die Stellkommandos erhalten. Dies ist besonders wichtig, da an Flugsteuerungssysteme sehr hohe Sicherheitsanforderungen gestellt werden.The first 12 and the second computer 14 process all of the sensors 16 . 18 received information and give commands via the first data bus system 50 to the actuator control electronics 22 . 24 that have the further data bus system 60 to the actuators 30 . 32 to get redirected. Here are the ACEs 22 . 24 suitable, the setpoints for the control surface 40 through the first data network 50 of the first system 10 to obtain mutually consolidating positioning commands for the actuators 30 . 32 issue. By doing that, the two ACEs 22 . 24 each individually with the two data bus systems 50 . 60 of the first and second systems 10 . 20 it is possible that in case of failure of one of the two ACEs 22 . 24 The failed ones can be replaced by the working ones so that the actuators 30 . 32 which works with the working ACE over the second data bus system 60 are connected, continue to receive the control commands undisturbed. This is especially important because very high safety requirements are placed on flight control systems.

Die Verbindung der Steuerfläche 40 mit zwei Aktuatoren 30, 32, welche jeweils über das Datenbussystem 60 mit den beiden ACEs 22, 24 oder beim Ausfall mit der verbleibenden funktionierenden ACE kommunizieren, führt ebenfalls zur Erhöhung der Sicherheit des erfindungsgemäßen Flugsteuerungssystems, da selbst beim Ausfall eines der Aktuatoren, die Bewegung der Steuerfläche 40 über den anderen durchgeführt wird.The connection of the control surface 40 with two actuators 30 . 32 , each via the data bus system 60 with the two ACEs 22 . 24 or communicate with the remaining functioning ACE at failure, also increases the security of the flight control system according to the invention, since even if one of the actuators fails, the movement of the control surface 40 is done over the other one.

Die Aktuatoren 30, 32 empfangen vorzugsweise Signale nach dem Prinzip der Pulsweitenmodulation (PWM), welches häufig zur Informationsübermittlung genutzt wird. Wenn der Aktuator einen Impuls empfängt, bewegt er sich und bewirkt eine Bewegung der Steuerfläche.The actuators 30 . 32 preferably receive signals according to the principle of pulse width modulation (PWM), which is often used for information transmission. When the actuator receives a pulse, it moves and causes movement of the control surface.

2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Flugsteuerungssystems. Das erste System 10 ist mit dem ersten System des ersten Ausführungsbeispiels identisch ausgeführt. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich jedoch von dem in der ersten Figur gezeigten und oben beschriebenen dadurch, dass das zweite System 20 vier ACEs 22 bis 28 aufweist, die über zwei Datenbussysteme 60, 62 mit den Aktuatoren 30 bis 36 verbunden sind. 2 shows a second embodiment of the flight control system according to the invention. The first system 10 is identical to the first system of the first embodiment. However, the second embodiment differs from that shown in the first figure and described above in that the second system 20 four ACEs 22 to 28 that has two data bus systems 60 . 62 with the actuators 30 to 36 are connected.

Die Aktuatoren 30, 32 sind ihrerseits an einer ersten Steuerfläche 40 gekoppelt und die weiteren Aktuatoren 34, 36 – an einer zweiten Steuerfläche 42. Wie aus der 2 ersichtlich ist, sind die Aktuatoren paarweise mit den Steuerflächen 40, 42 verbunden, wobei jeder Aktuator nur an einem der beiden Datenbussysteme 60, 62 angeschlossen ist, so dass jedes Aktuatorpaar mit den beiden Datenbussystemen 60, 62 kommuniziert. Auf der anderen Seite sind die vier ACEs 22 bis 28 jeweils mit den beiden Datenbussysteme 60, 62 verbunden, so dass eine sichere Übertragung der Stellkommandos für die Aktuatoren, gewährleistet wird.The actuators 30 . 32 are in turn at a first control surface 40 coupled and the other actuators 34 . 36 - on a second control surface 42 , Like from the 2 As can be seen, the actuators are in pairs with the control surfaces 40 . 42 each actuator is connected to only one of the two data bus systems 60 . 62 is connected, so that each actuator pair with the two data bus systems 60 . 62 communicated. On the other side are the four ACEs 22 to 28 each with the two data bus systems 60 . 62 connected, so that a secure transmission of the control commands for the actuators, is ensured.

Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die beiden Datenbussysteme 60, 62 typverschieden, d. h. dissimilar ausgeführt werden, so dass ein systematischer Fehler, der sogenannte „Common Mode Failure”, wesentlich reduziert oder sogar ausgeschlossen werden kann.It is considered particularly advantageous if the two data bus systems 60 . 62 typisch, ie dissimilar be executed so that a systematic error, the so-called "common mode failure," can be significantly reduced or even excluded.

3 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flugsteuerungssystems, wobei die modulare Grundidee durch die gezeigte Erweiterbarkeit veranschaulicht wird. Hier wird nämlich an das erste System ein zweites System und weitere Systeme angeschlossen. 3 shows an embodiment of the flight control system according to the invention, wherein the basic modular idea is illustrated by the expandability shown. Here, a second system and additional systems are connected to the first system.

Die Aktuatoren 30, 34 sowie 30', 34' sind über ihre Elektronikschnittstellen (Remote Elektronic Unit, REU) über ein zeitbasiertes Datenbus-System 60 sowie 60', wie ein Time-Triggered Protokol (TTP), welches sich mit einer minimalen Ausfallrate auszeichnet, mit jeweils einer Aktuator-Steuer-Elektronik ACE 22, 24 sowie ACE 22', 24' verbunden.The actuators 30 . 34 such as 30 ' . 34 ' are via their electronic interfaces (Remote Electronic Unit, REU) via a time-based data bus system 60 such as 60 ' , such as a time-triggered protocol (TTP), which is characterized by a minimal failure rate, each with an actuator control electronics ACE 22 . 24 as well as ACE 22 ' . 24 ' connected.

Um die Anforderungen an Echtzeitbedingungen gerecht zu werden, sind die weiteren hier gezeigten Aktuatoren 32, 36 bzw. 32', 36' über ein Time-Triggered CAN (TTCAN) mit jeweils einer Aktuator-Steuer-Elektronik ACE 22, 24 sowie 22', 24' verbunden.To meet the requirements for real-time conditions, the other actuators shown here are 32 . 36 respectively. 32 ' . 36 ' over a time Triggered CAN (TTCAN), each with one actuator control electronics ACE 22 . 24 such as 22 ' . 24 ' connected.

Die ACEs 22, 24, 22', 24' kommunizieren ihrerseits mit dem Datenbussystem 50, hier das AFDX Bussystem (Avionic Full Duplex Switched (X)Ethernet Bussystem), welches das Computernetzwerk und das dazugehörige Protokoll zur Kommunikation zwischen Flugzeugsystemen (Avionik) umfasst. Der AFDX-Bus erlaubt eine sehr hohe Übertragungsrate sowie eine Vielzahl von Teilnehmern und ermöglicht die direkte Kommunikation zwischen den Systemen.The ACEs 22 . 24 . 22 ' . 24 ' in turn communicate with the data bus system 50 , here the AFDX bus system (Avionic Full Duplex Switched (X) Ethernet bus system), which includes the computer network and the associated protocol for communication between aircraft systems (avionics). The AFDX bus allows a very high transmission rate as well as a large number of users and enables direct communication between the systems.

Alternativ können GPS-Sensoren vorgesehen werden, die Positions- und Raumlageinformationen liefern. Beim Ausfall eines der Rechner 12, 14 kann dann per Fernsteuerung die Kontrolle über das Flugzeug übernommen werden.Alternatively, GPS sensors may be provided that provide position and attitude information. If one of the computers fails 12 . 14 can then be taken over by remote control of the aircraft.

Das erfindungsgemäße Flugsteuerungssytem kann nicht nur für die primäre Flugsteuerung eingesetzt werden, sondern auch bei den sogenannten „Highlift” Hochauftriebssystemen sowie bei der Klappenansteuerung „THSA” (Timmable Horizontal Stabilizer Actuator).The flight control system according to the invention can be used not only for the primary flight control, but also in the so-called "high lift" high-lift systems and in the flap control "THSA" (Timmable Horizontal Stabilizer Actuator).

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2010/103234 A1 [0005]

Claims

Flight control system for an aircraft comprising: - a first redundant system ( 10 ) for processing at least one first flight control function for controlling the aircraft with at least one control surface ( 40 ; 40 . 42 ), the first system ( 10 ) at least a first and a second sensor ( 16 . 18 ) and at least a first and a second computer ( 12 . 14 ), each of which has a measured value or measured values of the respective associated sensors ( 16 . 18 ) each receive a setpoint for the at least one control surface ( 40 ; 40 . 42 ), and - at least one second system ( 20 ) for controlling the position of the at least one control surface ( 40 ; 40 . 42 ) in the first system ( 10 ), the second system ( 20 ) at least a first and a second actuator control electronics (ACE) ( 22 . 24 ; 22 - 28 ) and at least one first and one second actuator ( 30 . 32 ) connected to the at least one control surface ( 40 ; 40 . 42 ), characterized in that the at least first and second computer ( 12 . 14 ), and the at least first and second sensors ( 16 . 18 ) to a first data network ( 50 ), which determines the setpoint values for the at least one control surface ( 40 ; 40 . 42 ), the ACEs ( 22 . 24 ; 22 - 28 ) and the actuators ( 30 . 32 ) via at least one other data network ( 60 ; 60 . 62 ) and the ACEs ( 22 . 24 ; 22 - 28 ) in addition to the first data network ( 50 ) of the first system ( 10 ) are connectable.

Flight control system according to claim 1, characterized in that one or more ACEs ( 22 . 24 ; 22 - 28 ) in case of failure by the others is or are replaceable.

Flight control system according to one of claims 1 or 2, characterized in that the at least one control surface ( 40 ; 40 . 42 ) to at least two actuators ( 30 . 32 ; 30 . 32 . 34 . 36 ) is connectable, wherein each of the actuators ( 30 . 32 ; 30 . 32 . 34 . 36 ) with the at least one data network ( 60 . 60 . 62 ) of the second system ( 20 ) is connectable.

Flight control system according to one of the preceding claims, characterized in that the ACEs ( 22 . 24 ; 22 - 28 ), the setpoint values for the at least one control surface ( 40 ; 40 . 42 ) through the first data network ( 50 ) of the first system ( 10 ) in order to obtain mutually consolidated positioning commands for the actuators ( 30 . 32 ; 30 - 36 ).

Flight control system according to one of the preceding claims, characterized in that the first system ( 10 ) has at least a first and a second sensor group.

Flight control system according to one of the preceding claims, characterized in that the actuators ( 30 . 32 ; 30 - 36 ) have an interface electronics and mechanically with the at least one control surface ( 40 ; 40 . 42 ) are connectable.

Flight control system according to one of the preceding claims, characterized in that the ACEs ( 22 . 24 ; 22 - 28 ) each consist of two separate, independently operating CPU units, which are galvanically isolated from each other and each have a connection to the data bus system ( 50 ) of the first system ( 10 ) and to the at least one data bus system, preferably to the two data bus systems ( 62 . 62 ) of the second system ( 20 ), exhibit.

Flight control system according to claim 7, characterized in that within the ACEs ( 22 . 24 ; 22 - 28 ) between the two CPU units, a data exchange and thus a data comparison can be realized.

Flight control system according to one of claims 7 or 8, characterized in that the ACEs ( 22 . 24 ; 22 - 28 ) via the data bus system or systems ( 60 . 62 ) in the second system ( 20 ) to exchange the relevant data in order to decide on the proper functioning of the ACEs ( 22 . 24 ; 22 - 28 ) and to identify the electronics that is the master among them.

Flight control system according to claim 9, characterized in that within the ACEs ( 22 . 24 ; 22 - 28 ) the first CPU unit is adapted to take control tasks and the second CPU unit is adapted to perform functionally different monitoring functions.

Flight control system according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the data bus systems ( 60 . 62 ) of the second system ( 20 ) consists of two redundant channels.

Flight control system according to one of the preceding claims, characterized in that the data bus systems ( 60 . 62 ) of the second system ( 20 ) can be realized with different data bus types.

Flight control system according to one of the preceding claims, characterized in that the actuators ( 30 . 32 ; 30 - 36 ) only to one of the two data bus systems ( 60 . 62 ) of the second system ( 20 ) are connectable.

Flight control system according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of actuators ( 30 . 32 ; 30 - 36 ) are adapted to act on one of a plurality of control surfaces, wherein the actuators ( 30 . 32 ; 30 - 36 ) to one or to the two data bus systems ( 60 . 62 ) of the second system ( 20 ) are connectable.

Flight control system according to one of the preceding claims, characterized in that the data bus system or systems ( 60 . 62 ) of the second system ( 20 ) One or more additional sensors, which provide data for the Aktuatorregelfunktion be connected.

Flight control system according to one of the preceding claims, characterized in that the data bus systems ( 60 . 62 ) of the second system ( 20 ) can be synchronized per se and / or each other.

Flight control system according to one of the preceding claims, characterized in that the first system ( 10 ) besides other participants several systems of the second system ( 20 ) are connectable.