Ontwerp van een actieve Side Stick Controller.

December 2004 Louis R.F. Kram Ontwerp van een actieve Side Stick Controller. Afstudeeropdracht in het kader van de studie aan de HBO deeltijdopleiding ACE Mecanical Designer aan het TEC Cad College te Nijmegen. Begeleid door ir. R. Boeklage 2

Voorwoord. Na een vliegtuigbouwkundige MBO opleiding aan de Anthony Fokkerschool in Den Haag heb ik mijn militaire dienstplicht vervuld als vliegtuigmonteur bij de Koninklijke Luchtmacht in Gilze Rijen. Nu ben ik ruim 30 jaar werkzaam bij de faculteit Luchtvaart-en Ruimtevaarttechniek, van de TU Delft. Daar begon ik als tekenaar/constructeur van windtunnels en randapparatuur voor deze tunnels. Ook werkte ik aan inbouwapparatuur voor het laboratoriumvliegtuig van de faculteit. Er kwam later een gelegenheid om de 1 e jaars studenten te gaan begeleiden in het tekenonderwijs. Dit tekenwerk gebeurde toen nog op de tekentafel. De belangrijkste reden om deze opleiding te gaan volgen is om mijn kennis op het 3D ontwerpen/tekenen te vergroten. Dit zou dan van pas kunnen komen in het begeleiden van 1 e en 2 e jaars studenten bij hun ontwerp-opdrachten. Deze opdrachten worden vooral gegeven in het 2 e jaars projectonderwijs. Zij maken daarbij gebruik van een 3D tekenprogramma. Tevens wil ik de volgende personen bedanken voor hun hulp en bijdrage aan het tot stand komen van dit verslag. Ronald Boeklagen van het CadCollege, voor zijn kennis en prettige begeleiding. Mijn collega Adri Tak voor het mij wegwijs maken in de materie van de simulator binnen het Simona project en zijn positieve ondersteuning. Zoetermeer, 23 december 2004 Louis Kram 3

Inhoudsopgave. Voorwoord.... 2 Inhoudsopgave....4 Inleiding.... 5 Samenvatting... 6 1. De Faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttecniek... 7 1.1 De opleiding... 7 1.2 Mijn functie daarbinnen.... 8 2. Vluchtsimulator binnen het SIMONA project... 9 2.1 De simulator.... 9 2.2 Korte beschrijving besturing vliegtuig... 10 2.3 Beschrijving van de huidige situatie.... 11 2.4 2.5 Werking huidige side stick.... 12 Probleemstelling.... 13 3. Ontwerpvoorwaarden... 15 3.1 3.2 Variant ontwerp... 15 Voorwaarden... 15 3.2.1 Vaste eisen.... 15 3.2.2 Variabele eisen.... 15 4. Relevante keuzen... 16 4.1 Iteratief zoeken.... 16 4.2 Conclusie... 16 5. 6. De bestaande vormgeving... 17 De aangepaste vormgeving.... 18 6.1 6.2 Draai-as wordt draai-frame... 18 De aangepaste opstelling.... 19 7. Conclusie en Literatuurlijst... 20 7.1 7.2 Conclusie... 20 Literatuurlijst.... 20 8. Bijlagen.... 21 4

Inleiding. Tot enkele jaren terug was er bijna geen vliegtuig te vinden dat niet over een stuurkolom met stuurwiel beschikte. Nu hebben onder andere de vliegtuigbouwers van de F16 en de Airbus de voorkeur gegeven aan een stick, boven een stuurkolom met stuurwiel. Met de komst van fly-by-wire technologie zijn de traditionele mechanische verbindingen tussen de cockpit en de stuurvlakken van een vliegtuig verdwenen. Ze zijn vervangen door besturingscomputers en actuatoren ( Flight Control System ) waarmee de prestatie en de veiligheid worden verhoogd terwijl zowel op gewicht als op het onderhoud kan worden bespaard. Gegevens worden omgezet in signalen die naar de Flight Control computer worden gestuurd. Deze berekent de te ondernemen aktie en stuurt de uitkomst naar de verschillende aandrijvingen. Deze zetten de signalen om in hydraulische/elektrische bewegingen. Echter, zonder de traditionele mechanische verbindingen heeft de piloot geen gevoel meer voor de aërodynamische krachten en de vliegcondities van het vliegtuig. In plaats daarvan zorgen eenvoudige veren en dempers voor een benadering van de traditionele krachten terwijl computers het vliegtuig beschermen tegen stall, oversnelheid, gevaarlijke vliegstanden en zelfs valwinden. Velen geloven dat de piloot, in moderne fly-by-wire vliegtuigen, vitale fysieke terugkoppeling van zijn stuurorganen mist. Dit is o.a. een potentieel veiligheidsrisico. Om dit nadeel te verminderen wordt gebruik gemaakt van een actief bestuurde side stick. De eigenschappen van deze actieve stick, zoals de stijfheid, demping en maximale uitslag van de stick, kunnen softwarematig, in real time, worden aangepast. (zie ook 2.3) Daarmee kan een grote verscheidenheid aan fysieke terugkoppelingen op de hand van de piloot worden gecreëerd. 5

Samenvatting. De opkomst van de fly-by-wire besturingssystemen heeft een nieuwe stimulans gegeven aan het onderzoek naar side stick controllers. Eén van de de grootste problemen die de toepassing van side stick controllers met zich meebrengt, is de complexheid van de mechanische koppeling tussen stuurknuppel en stuurvlak. Dit vanwege de kleine momenten arm (ca. 10 cm). Door gebruik van elektrische verbindingen kan dat nu worden opgelost. Gedurende dit project werden de ontwerpcriteria opgesteld aan de hand van een kritische blik op de bestaande side-stick, welke wordt gebruikt in een simulator van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek. Deze stick is reeds vele jaren in gebruik en zou als model kunnen dienen voor een ontwerp in de nieuwe simulator binnen het SIMONA project. Het probleem is echter dat de huidige stick een verschil geeft in de fysieke terugkoppeling op de hand van de vlieger. Dit wordt veroorzaakt door een massaverplaatsing in de rol-stuurbeweging. In dit project heb ik gezocht naar een loskoppeling van deze massa gedurende de vliegbewegingen. Hierbij diende o.a. rekening te worden gehouden met ergonomische omstandigheden en diende de oplossing op mechanisch gebied, spelingvrij te zijn. Om een duidelijk beeld te geven van het probleem heb ik het verslag dusdanig opgebouwd dat er een overgang zit van de conventionele besturing naar de side-stick. Door hier en daar even stil te staan bij de grondbeginselen van het vliegen hoop ik een beeld te geven van het gebruik van een side-stick die in enkele en in de toekomst waarschijnlijk vele, voertuigen zal worden gebruikt. 6

1. De Faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttecniek. 1.1 De opleiding. De Faculteit bestaat uit leerstoelen die allemaal hun eigen terrein op onderzoek en onderwijs hebben. Zoals op materialen, (het gelamineerde vliegtuigmateriaal GLARE zie fig. 1.1, dat gebruik gaat worden in de nieuwe Airbus A 300), constructies, vliegprestaties, lucht/ruimtevaart en aardobservatie. Figuur 1.1, GLARE De studenten kunnen aan het eind van hun opleiding een keuze uit deze leerstoelen maken voor hun afstuderen. Tijdens hun studie zijn er natuurlijk nog andere zaken waaraan aandacht wordt besteed. Zo zijn er enkele projecten geweest die de media hebben bereikt. Zo was er de ontwikkeling van de door zonne-energie aangedreven auto, NUNA. Deze heeft twee jaar achtereen de World Solar Challange in Australië gewonnen. Dit allemaal onder de enthousiaste leiding van Wubbo Ockels. Zo hebben de studenten ook zelf een historisch vliegtuig nagebouwd en weer laten vliegen, nl. De Lambach HL2, zie fig. 1.2, een replica van een Nederlands acrobatievliegtuig uit de jaren veertig. Figuur 1.2, Lambach HL 2 Figuur 1.3, Impuls Het tweede vliegtuig is een geheel nieuw ontwerp voor een tweepersoons sport- en reisvliegtuig. De Impuls, zie fig. 1.3, zoals het toestel genoemd wordt, wordt helemaal gebouwd van moderne geavanceerde kunststoffen. 7

1.2 Mijn functie daarbinnen. Momenteel ben ik werkzaam als projectleider in het 1 e jaars projectonderwijs. Daardoor werk ik niet dagelijks met AutoCad, maar breng de studenten de grondbeginselen van het schetsen en technisch tekenen bij (waaronder ACAD) d.m.v. colleges en opdrachten. Een hoofddoel van het projectonderwijs is het vergroten van de motivatie. De studenten werken 2 middagen per week binnen dit projectonderwijs. Het project beslaat een groot aantal facetten van de lucht-en ruimtevaarttechniek. De colleges lopen parallel met het project. Door dit learning by doing verwerven de 1 e jaars studenten niet alleen een goede praktische kennis van de fundamentele vakken zoals aërodynamica en mechanica, maar worden zij vanaf het begin gestimuleerd hun sociale vaardigheden te oefenen. Tegelijk maken ze kennis met presentatie en verslaglegging van hun resultaten. Een tweede doel van het projectonderwijs is het bevorderen van het werken in teamverband. Vanuit de industrie wordt steeds meer gevraagd om ingenieurs die niet alleen een gedegen kennis van hun vakgebied hebben, maar die tevens goede sociale en communicatieve vaardigheden bezitten. Door het werken in teamverband krijgen zij enig inzicht in de complexiteit van een besluitvormingsproces en de moeilijkheden die optreden bij het verdelen van werkzaamheden. Iedereen heeft zo zijn eigen inbreng in het groepsproces. In het projectonderwijs aan de faculteit zijn 2 hoofdprojecten waarin ik begeleid. Een aerodynamisch onderwerp (ontwerpen, bouwen en testen van een waterraket) en een constructief onderwerp (ontwerpen, bouwen en testen van een vleugeltorsiedoos of satellietconstructie). Hierin begeleid en stuur ik. Verder geef ik een college over isometrisch schetsen en tekenen/construeren van vleugelonderdelen. De coördinatie van deze projecten is tevens in mijn handen. Aangezien het aantal 1 e jaars studenten varieert tussen de 200 en ruim 300, nemen we ouderejaars studenten als assistenten in dienst. Zij begeleiden groepjes studenten (groepsgrootte van maximaal 10) binnen het projectonderwijs. Aan het einde van beide projecten brengen zij verslag aan mij uit over de vorderingen en kennis van de studenten opgedaan binnen het totale 1 e jaars projectonderwijs. Aangezien beide projecten uit verschillende onderwerpen bestaan en bij meerdere docenten wordt gevolgd, verzamel ik al deze gegevens en bepaal een eindcijfer. Voor het behalen van het project krijgen de studenten 10 studiepunten. Kortom, voor mij is het een leuke baan en niet altijd zo stoffig als soms bij een start...! 8

2. Vluchtsimulator binnen het SIMONA project. 2.1 De simulator. Figuur 2.1, ( SImulation MOtion and NAvigation, oftewel SIMONA ) De SIMONA Research Simulator (SRS) zie fig: 2.1, kan moderne en toekomstige voertuigen simuleren, waaronder transportvliegtuigen, ruimtevaartuigen, helikopters en automobielen. De simulator zal ook gebruikt worden voor fundamenteel onderzoek naar de menselijke waarneming van beweging. De SRS gebruikt een krachtig zes-graden-van-vrijheid bewegingssysteem, dat in staat is tot hoge prestaties en wordt geïntegreerd met een unieke, lichtgewicht cockpit. Deze herprogrammeerbaarheid en de hoge prestaties maken SIMONA een erg aantrekkelijke faciliteit. Het onderzoek dat gedaan zal worden heeft twee specifieke doelen. Ten eerste het verbeteren van simulatietechnieken voor trainings- en onderzoekstoepassingen, en ten tweede om mens-machine interactie te onderzoeken in toekomstige voertuigen. Figuur 2.2, flight deck Figuur 2.3, Visual Display System 9

2.2 Korte beschrijving besturing vliegtuig. Tijdens het uitoefenen van de stuurtaak vormen arm/hand en voeten een verlengstuk van het besturingssysteem. Figuur 2.4, stuurvlakken/roeren. De gebruikelijke besturingsmiddelen in een luchtvaartuig zijn te verdelen in 2 groepen: Hand/arm uitgevoerde besturingsmiddelen Voet uitgevoerde besturingsmiddelen Zie voor onderstaande vliegbewegingen ook fig: 2.4. Door de side-stick naar links of naar rechts te bewegen (of het stuurwiel te draaien) kan het toestel roteren om zijn langs-as, rollen genoemd. Rolroeren (ailerons) aan beide vleugels zorgen voor een stuurmoment om de langs-as (roll-as). Door de side-stick naar voren of achteren te bewegen (of de stuurkolom naar voeren/achteren te bewegen) is het mogelijk om de neus van het toestel omlaag of omhoog te laten gaan en een stuurmoment om de dwars-as van het toestel uit te oefenen. Dit wordt stampen of pitchen genoemd. Deze beweging wordt veroorzaakt door de hoogteroeren die zich aan het horizontale staartvlak bevinden. Met behulp van de stuurpedalen (het voetenstuur) wordt het richtingsroer bediend, waardoor een stuurmoment om de top-as van het toestel wordt uitgeoefend en het toestel roteert om zijn verticale-as, gieren genoemd. Om een bocht te maken moet de vlieger vooral de rolroeren gebruiken. Om te voorkomen dat het vliegtuig gaat slippen moet de bocht verder bijgestuurd worden met het richtingsroer. Dit is het stuurvlak aan het vertikale staartvlak. 10

2.3 Beschrijving van de huidige situatie. Op dit moment wordt er in de simulator binnen het SIMONA project gebruik gemaakt van een stuurkolom en niet van een side-stick. Het is wel de bedoeling dat er een side-stick besturing in de simulator zal worden opgenomen. Dit hangt af van verschillende factoren, zoals (uiteraard) geld, constructieve mogelijkheden en ergonomische omstandigheden. Er is wel een side-stick besturing in een andere simulator binnen de faculteit. Dit is een zgn. Fixed Based Simulator, zie fig: 2.5. Dat houdt in dat de simulator zelf niet beweegt. In deze simulator bevindt zich een side-stick besturing die model zou kunnen staan voor de toekomstige side-stick van SIMONA. Deze is echter niet direct toepasbaar. Figuur 2.5, opengewerkte situatie van de side-stick in de Fixed Based Simulator 11

2.4 Werking huidige side stick. De in gebruik zijnde side-stick in de Fixed Based Simulator is een zgn. actieve side-stick. Bij een passieve side-stick wordt de kracht op de stick gebruikt als ingangssignaal. Dit model bepaalt de stand van de stick, afhankelijk van de kracht die erop werkt. Deze stand dient als stuursignaal voor het besturingssysteem van het vliegtuig en een conventionele vliegtuigbesturing kan hiermee worden gesimuleerd. De vlieger voelt gesimuleerde stickdynamica. Bij de actieve side-stick wordt de kracht op de stick rechtstreeks gebruikt als stuursignaal voor het vliegtuigbesturingssysteem. In de handgreep van de stick zitten krachtsensoren. De kracht uitgeoefend op de stick, wordt omgezet in een verplaatsing. Deze verplaatsing wordt gerealiseerd door servomotoren. De stand van de stick wordt bepaald door toestands- of uitgangsgrootheden van het *vliegtuig. Zo kan bijvoorbeeld de zijdelingse uitslag van een actieve stick evenredig worden gemaakt aan de rolsnelheid van het vliegtuig. De vlieger voelt nu vliegdynamica. *Note: Omdat het in dit geval om een simulator gaat moet men voor vliegtuig lezen computer. In deze computer kunnen eigenschappen van verschillende vliegtuigen worden ingevoerd. Met het voordeel dat er nu verschillende typen vliegtuigen kunnen worden gesimuleerd. De faculteit is in het bezit van een straalvliegtuig, de Cessna Citation 2, zie fig: 2.6. Deze wordt gebruikt als vliegend klaslokaal aan de faculteit. Studenten doen daar hun vliegproeven in. Tevens kan er onderzoek mee worden verricht aan bijvoorbeeld de ozonlaag. Het is ook mogelijk om de vlieggegevens van dit vliegtuig in de computer van de simulator in te voeren. Dit vliegtuig wordt gebruikt in samenwerking met het NLR. ( NLR staat voor: Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium) Figuur 2.6, Cessna Citation 2. 12

2.5 Probleemstelling. Bij de huidige side-stick staan de rolbeweging en de pitchbeweging mechanisch met elkaar in verbinding. Doordat de massa van de pitch-servomotor wordt meegenomen tijdens rolbewegingen is het duidelijk dat dit ten koste gaat van de prestaties in de rolbeweging. De rol- en pitchbewegingen zouden in principe gelijk moeten zijn. Nu is echter, door deze massaverplaatsing van de pitchmotor, de rolbeweging trager. Figuur 2.7, stickverplaatsing in de rolrichting. In fig: 2.7 is te zien dat door de beweging van de stick naar links, de onderhangende servomotor een slingerbeweging maakt. Dit veroorzaakt een vertragende massaverplaatsing. 13

Figuren 2.8 en 2.9 geven een schematische weergave in Inventor van de Side Stick Controller. Duidelijk is te zien dat de servomotor voor de pitchbeweging onder de draaias ligt en zodoende zorgt voor de vertragende massaverplaatsing bij een rolbeweging. Figuur 2.8, neutrale stand. Figuur 2.9, rolbeweging. 14

3. Ontwerpvoorwaarden 3.1 Variant ontwerp. Aangezien het een bestaand ontwerp betreft, heb ik de voorkeur gegeven aan variant ontwerpen. Het is een snelle manier om een bestaand ontwerp te ontdoen van enkele nadelige aspecten. Het zal niet altijd de beste oplossing geven maar het wel kan leiden tot een goede verbetering van het bestaande ontwerp. Omdat het om een enkelstuks gaat en het geen serie- of massaproductie betreft, kan er goed klantgericht worden ontworpen. 3.2 Voorwaarden. Zoals eerder genoemd is het grootste bezwaar aan het huidige ontwerp de massaverplaatsing van de pitch-servomotor. De oplossing zal zo goed als spelingvrij moeten zijn. Elke vorm van speling geeft een vertekend beeld en gevoel, van de vliegbeweging. De bestaande servomotoren zullen in het nieuwe ontwerp weer moeten worden opgenomen om de kosten te beperken. Deze motoren functioneren goed. Ergonomisch en economisch zou het goed zijn als de nieuwe (totale) behuizing niet teveel afwijkt van de huidige vormgeving. Het nieuwe ontwerp moet passen binnen de huidige behuizing. Voorwaarden Vaste eis Variabele eis 1 Massaverplaatsing tot een minimum beperken. X 2 Spelingvrije bediening. X 3 Hergebruik van de bestaande servomotoren. X 4 Ergonomisch en economisch aspect. X 5 Passen binnen de huidige behuizing. X 3.2.1 Vaste eisen. Tabel 3.1, weergave van voorwaarden/eisen. Het belang van de vaste eisen is dermate groot dat een ontwerp hieraan volledig zal moeten voldoen om in aanmerking te kunnen komen. 3.2.2 Variabele eisen. Voor de variabele eisen geldt, dat het in de huidige Fixed Based Simulator niet van een zodanig belang is dat hieraan volledig wordt voldaan. Deze eisen zullen echter bij een toekomstige plaatsing van een side stick in de SIMONA simulator wel een belangrijke rol gaan spelen. Enkele zullen dan waarschijnlijk deel gaan uitmaken van de vaste eisen. 15

4. Relevante keuzen. 4.1 Iteratief zoeken. Bij het iteratief zoeken ben ik uitgegaan van een voorlopige oplossing. Het is de bedoeling de oplossing te zoeken in de verbinding van de stick met de servomotoren. De bediening/plaatsing van deze motoren is voor verbetering vatbaar. In tabel 4.1 staan vier mogelijke opties. Keuze Tandwielen/snaar Contragewicht/veer Andere behuizing Electronisch Werkwijze Overbrenging via tandwielen of snaar laten geschieden. De pitchbeweging verzwaren. Pitch-servomotor in een andere behuizing plaatsen. Het via electronica bijsturen van het krachtsverschil. Tabel 4.1, relevante keuzen. Keuze: tandwielen/snaar. Het is mogelijk de overbrenging dusdanig uit te voeren dat de ligging van de pitchmotor meer in de draaias komt te liggen. Dit heeft als voordeel dat er dan tegemoet gekomen gaat worden aan een van de eisen, nl: massaverplaatsing tot een minimum beperken. Echter zal, door het gebruik van meerdere tandwielen, de speling toenemen. Dit geldt ook voor een snaarverbinding. Deze zal altijd onder spanning moeten worden gebracht. Ergonomisch is dit ook niet gunstig. De behuizing zal behoorlijk moeten worden vergroot. Keuze: contragewicht/veer. De meest voor de hand liggende keuze zou zijn, het plaatsen van een veer of het aanbrengen van een contragewicht. Echter zal snel blijken dat dit ergonomisch niet in te passen is. Daarbij komt dat alles nu zwaar zal aanvoelen. Het systeem verzwaren is eigenlijk een stap terug. Keuze: andere behuizing. Door te kijken naar een mogelijkheid om de afstand draaias-servomotor te verkleinen, of liever geheel weg te werken, zou er het meest worden voldaan aan de voorwaarden. Constructief zal er dan gezocht moeten worden naar een opstelling die vooral nog spelingvrij zal moeten zijn. Keuze: electronisch. Net zoals bij het gebruik van een veer of contragewicht, is het mogelijk het vertragende effect van de massaverplaatsing weg te werken. Echter nu door gebruik van electronica. Mijn voorkeur gaat echter uit naar een constructieve oplossing om te kunnen voldoen aan de constructieve opzet van mijn ontwerp. 4.2 Conclusie. Bij het bepalen van de uiteindelijke keuze ben ik uitgegaan van die keuze die aan de meeste voorwaarden voldoet. Dit betekent dat de verandering in de behuizing van de pitch-servomotor de voorkeur heeft. 16

5. De bestaande vormgeving. Het uitgangspunt is dus de bestaande opstelling. Het streven is om de pitch-servomotor te plaatsen in de draaias. In fig: 5.1, de bestaande draaias. Figuur 5.1, draaias. In fig: 5.2, een afbeelding van de servomotor met de ophangpunten en zuigerstang. Figuur 5.2, servomotor. 17

6. De aangepaste vormgeving. 6.1 Draai-as wordt draai-frame. Om de pitch-servomotor te kunnen plaatsen in de draaias, is de as vervangen door een frame. De lagerpunten, aan de uiteinden, zijn onveranderd gebleven. Zie fig: 6.1 Figuur 6.1 frame. Figuur 6.2, frame in combinatie met de pitch-servomotor. 18

6.2 De aangepaste opstelling. Figuur 6.3, nieuwe opstelling Side Stick Controller. Figuur 6.4, nieuwe uitvoering. Figuur 6.5, oude uitvoering. In de figuren 6.4 en 6.5 is duidelijk te zien dat het zwaartepunt van de ophanging van de pitch-servomotor in de nieuwe uitvoering gunstiger ligt dan in de bestaande oude uitvoering. Het zwaartepunt heeft zich duidelijk verplaatst naar de draaias. 19

7. Conclusie en Literatuurlijst. 7.1 Conclusie De uiteindelijk verkregen opstelling voldoet volgens mij goed aan de gestelde eisen. Het zwaartpunt van het geheel ligt beduidend beter t.o.v. de draaias (zie fig.7.2) dan in de bestaande opstelling (zie fig. 7.1). De servomotoren zijn goed te herplaatsen en de ergonomische vormgeving van de behuizing, behoeft een kleine aanpassing om het frame te kunnen plaatsen. De lagerpunten in de behuizing kunnen onveranderd blijven. Figuur 7.1, oude uitvoering. Figuur 7.2, nieuwe uitvoering. 7.2 Literatuurlijst. o Ir. R. Boeklagen, TEC CadCollege Nijmegen, Inventor 6/7. o Daniel T.Banach-Travis Jones-Alan J.Kalameja, Autodesk Inventor 6 Essentials. o Prof.dr.ir.H.H. van den Kroonenburg, F.J. Siers, Methodisch ontwerpen. o Internetside van de Faculty of Aerospace Engeneering, www.lr.tudelft.nl Leerstoel: Besturing en Simulatie van Prof.dr.ir. J.A. Mulder. 20

8. Bijlagen. Tekenblad 1: Draai-frame. Tekenblad 2: Bus. Tekenblad 3: Pen. Tekenblad 4: Samenstelling. 21