DE102006003199B3 - Sensoreinrichtung zur Windturbulenzmessung sowie Verfahren zur Windturbulenzmessung - Google Patents

Abstract

Eine Sensoreinrichtung zur Windturbulenzmessung, insbesondere zur Böenlastabminderung, die vorzugsweise für Flugzeuge verwendet wird, weist einen LIDAR-Sensor (10) sowie einen Windsensor (12) auf. Mit Hilfe des LIDAR-Sensors (10) wird zur vorausschauenden Windturbulenzmessung ein erstes Windsignal (w<SUB>LIDAR</SUB>) erzeugt. Mittels des Windsensors (12) wird ein durch momentane Windturbulenzen hervorgerufenes zweites Windsignal (w<SUB>VANE</SUB>) erzeugt. Mit Hilfe einer Signalverarbeitungseinrichtung (14) werden die beiden Sensorsignale (w<SUB>VANE</SUB>, w<SUB>LIDAR</SUB>) kombiniert, um ein kombiniertes Windsignal (w<SUB>k</SUB>) zu erzeugen. Mit Hilfe des kombinierten Windsignals (w<SUB>k</SUB>) erfolgt mittels einer Steuereinrichtung (28) die Steuerung von Stelleinrichtungen, wie Querruder, Spoiler, Höhenruder und dergleichen eines Flugzeuges.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zur Windturbulenzmessung, insbesondere zur Böenlastabminderung, die vorzugsweise bei Flugzeugen, aber auch bei Kraftfahrzeugen und dergleichen einsetzbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Windturbulenzmessung, wobei hierzu insbesondere die Sensoreinrichtung zur Windturbulenzmessung verwendet wird.
• Die Hersteller moderner Großraumflugzeuge unterliegen einem starken Konkurrenzdruck. Die Anforderungen bezüglich Wirtschaftlichkeit/Treibstoffverbrauch der Flugzeuge gewinnen im Hinblick auf steigende Kerosinpreise eine immer größere Bedeutung. Die Reduktion des Fluggewichts durch leichtere Bauweise der Flugzeugkomponenten (z. B. Flügel, Rumpf) trägt entscheidend zur Verringerung des Treibstoffverbrauchs bei. Das Potenzial zur Verringerung des Flugzeuggewichts ist begrenzt durch so genannte dimensionierende Lasten, denen die Flugzeugstruktur standhalten muss. Dazu gehören unter anderem auch Lasten, die durch den Einfluss von Windböen hervorgerufen werden.
• Der Einsatz eines Böenlastabminderungssystem erlaubt die Verringerung dieser Lasten im Bereich von 30–50% und eine damit verbundene Einsparung des Strukturgewichts von mehreren hundert Kilo. Im Rahmen der Böenlastabminderung ist es von besonderer Wichtigkeit die Lastspitzen zu reduzieren, die durch so genannte diskrete Böen hervorgerufen werden. Eine diskrete Böe wird durch einen zeitlich begrenzten, meist sehr kurzen, Windstoß von starker Intensität (Windgeschwindigkeitsänderung bis zu 20 m/s) beschrieben. Die Abminderung der dadurch hervorgerufenen Lasten erfolgt durch einen zeitlich koordinierten Ausschlag der Stellflächen (z. B. symmetrisch ausschlagende Querruder, Spoiler, Höhenruder usw.). Aufgrund der begrenzten Dynamik (begrenzte Stellrate) dieser Stellflächen ist es notwendig, die Stellflächen schon vor dem Auftreffen der Böe am Flugzeugflügel zu aktivieren. Dadurch wird sichergestellt, dass die Stellfläche bei Ankunft der Böe am Flugzeugflügel ausreichend ausgefahren sind, um den Einfluss der Böe auf die Flugzeugstruktur zu kompensieren. Bei niedrigen Flugzeuggeschwindigkeiten (kleiner als Mach 0,5, z. B. bei Start und Landung) bietet eine Messung der Böe mit einem Windsensor bzw. einer Windfahne an der Flugzeugnase ausreichend Zeit, um die Stellflächen bis zum Auftreten der Böe am Flügel zu aktivieren. Bei höheren Flugzeuggeschwindigkeiten, wie sie im normalen Reiseflug auftreten, setzt die ausreichend frühzeitige Aktivierung der Stellfläche den Einsatz eines vorausschauenden Sensors voraus, der den Wind in einem definierten Abstand (Größenordnung 50–150 m) vor dem Flugzeug misst.
• Im Rahmen des EU-Projekts AWIATOR wurde ein vorausschauender LIDAR (Light Detection and Ranging) Sensor entwickelt, mit dem es möglich ist, Windturbulenzen/Böen in einem definierten Abstand vor dem Flugzeug zu messen. Dieses Windsignal soll dann zur Steuerung eines Böenlastabminderungssystem verwendet werden. Untersuchungen des Sensors haben gezeigt, dass die Genauigkeit des Sensors für den kontinuierlichen Einsatz in einem Böenlastabminderungssystem nicht ausreicht.
• Aus K. -U. Hahn und R. .König ATTAS Flight Test and Simulation Results of the Advanced Gust Management System LARS, In AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference, Hilton Head, South Carolina USA 1992, sowie aus R. König und K. -U. Hahn Load Alleviation and Ride Smoothing Investigations Using ATTS, in Proceedings of the 17^th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences, Stockholm, Schweden, 1990, ist der Einsatz eines Böenlastabminderungssystems bekannt. Als Windsensor wurde dabei ein "Nose-Boom" verwendet, der fest an der Flugzeugnase befestigt ist und bei niedrigen Geschwindigkeiten eine ausreichende Zeitreserve zum Ausschlagen der Stellflächen bietet. Die Genauigkeit des Sensors war für die Böenlastabminderung ebenfalls ausreichend und es konnten gute Ergebnisse erzielt werden. Die Untersuchungen beschränkten sich jedoch auf niedrige Fluggeschwindigkeiten und geringe Flughöhen, die von modernen Großraumflugzeugen deutlich überschritten werden.
• Im Rahmen eines Forschungsprojekts der NASA wurde 1996 die Möglichkeit zum Einsatz eines LIDAR-Sensors zur Böenlastabminderung untersucht (D. Soreide, R. Bogue, L. J. Ehemberger und H. Bagley, Coherent Lidar Turbulence Measurement for Gust Load Alleviation, in NASA Technical Memorandum 104318, NASA Dryden Flight Research Center, Edwards, California 93523-0273,1996). In diesem Projekt wurde die Windturbulenz mit Hilfe von zwei LIDAR-Sensoren bestimmt und es gab Untersuchungen zur Verbesserung der Signalgenauigkeit durch Einsatz eines stärkeren Lasers für den LIDAR-Sensor. Die in dem NASA-Projekt verwendete Sensoreinrichtung zur Windturbulenzmessung ist jedoch nur für geringe Höhen geeignet. Ferner führt die Verwendung eines stärkeren Lasers auf Grund seines großen Eigengewichts zur Erhöhung des Flugzeugsgewichts.
• Im Rahmen des EU-Projekts AWIATOR wurde ein neuartiger LIDAR-Sensor entwickelt, der auch in größeren Flughöhen funktioniert. Dadurch ist sichergestellt, dass man Böen auch in Reiseflughöhen und bei Reisegeschwindigkeiten messen kann. Allerdings ist die Genauigkeit des Sensors nicht ausreichend für den kontinuierlichen Betrieb eines Böenlastabminderungssystems.
• FR 2870942 beschreibt ein Flugzeug mit einem LIDAR-Sensor zur Messung von Windturbulenzen. Ferner sind weitere Sensoren vorgesehen, die die Auswirkungen eines Befehls, der an die Steuerflächen des Flugzeuges übermittelt wird, erfassen. Es findet eine Regelung der Stellflächensignale statt, indem durch die Sensoren verschiedene Flugzeugzustände ermittelt werden.
• US 6,666,410 beschreibt eine Sensoreinrichtung zur Windturbulenzmessung für eine Rakete, wobei ein Winderfassungssystem mit einem LIDAR-Sensor verwendet wird. Optional kann die Sensoreinrichtung ein Radar umfassen. Ziel der beschriebenen Vorrichtung ist eine Bestimmung der Geschwindigkeit und der Richtung des Windes.
• Aufgabe der Erfindung ist es eine Sensoreinrichtung zur Windturbulenzmessung sowie ein Verfahren zur Windturbulenzmessung zu schaffen, mit der bzw. mit dem eine verbesserte Vorhersagegenauigkeit auftretender Böen möglich ist.
• Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Sensoreinrichtung gemäß Anspruch 1, bzw. ein Verfahren zur Windturbulenzmessung gemäß Anspruch 8.
• Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung zur Windturbulenzmessung ist insbesondere zur Böenlastabminderung geeignet. Verfahren zur Böenlastabminderung werden bei Flugzeugen eingesetzt, sind jedoch auch bei Kraftfahrzeugen, sowie bei Schienenfahrzeugen einsetzbar. Hierdurch kann beispielsweise die Seitenwindstabilität verbessert und/oder ein Warnsignal ausgegeben werden. Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung weist einen LIDAR-Sensor zur vorausschauenden Windturbulenzmessung auf. Der LIDAR-Sensor erzeugt somit ein erstes Windsignal. Ein geeigneter LIDAR-Sensor ist der im Rahmen des EU-Projekts AWIATOR entwickelte LIDAR-Sensor. Ferner weist die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung einen Windsensor zur Messung der momentanen Windturbulenzen auf. Als Windsensor sind herkömmliche Windfahnensensoren geeignet, die bei Verkehrsflugzeugen eingesetzt werden. Der Windsensor erzeugt ein zweites Windsignal. Erfindungsgemäß werden die beiden Windsignale in einer Signalverarbeitungseinrichtung miteinander verknüpft bzw. kombiniert. Nach der Verarbeitung der beiden Windsignale in der Signalverarbeitungseinrichtung ist es somit möglich, den Zeitvorteil, des durch den vorausschauenden LIDAR-Sensors ermittelten Windsignals, mit der Genauigkeit des durch den Windsensor erhaltenen zweiten Windsignals zu kombinieren. Untersuchungen haben ergeben, dass hierdurch eine Verbesserung der Genauigkeit im Vergleich zu dem unmittelbaren Verwenden eines LIDAR-Sensors von ca. 50% erzielt werden kann. Das von der Signalverarbeitungseinrichtung ausgegebene kombinierte Windsignal wird sodann an eine Steuereinrichtung weitergeleitet.
• Die Steuereinrichtung steuert in Abhängigkeit des kombinierten Windsignals Stelleinrichtungen. Bei den Stelleinrichtungen handelt es sich beim Einsatz der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung bei Flugzeugen beispielsweise um die Ansteuerung von Querrundern, Spoilern, Höhenrudern etc. Bei Kraftfahrzeugen kann durch die Stelleinrichtung ein Signal an die Lenkung und/oder die Bremsen ausgegeben werden. Auch die Ausgabe eines Warnsignals ist möglich.
• In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt in der Signalverarbeitungseinrichtung unter Berücksichtigung eines Laufzeitunterschiede die Berechnung des kombinierten Windsignals. Hierzu sind die beiden Sensoren zur Berücksichtigung eines Laufzeitunterschiedes zwischen dem ersten, von dem LIDAR-Sensor erzeugten, und dem zweiten, von dem Windsensor erzeugten Windsignals, insbesondere in Bewegungsrichtung des Flugzeuges, des Kraftfahrzeugs oder des Schienenfahrzeugs, in einem räumlichen Abstand zueinander angeordnet.
• Ferner kann in einer bevorzugten Ausführungsform durch die Signalverarbeitung die Geschwindigkeit des Flugzeugs bzw. Fahrzeugs berücksichtigt werden.
• Der Laufzeitunterschied T des LIDAR-Signals w_LIDAR und des Windfahnensignals w_vane kann berechnet werden durch:

  

  wobei d_LIDAR-VANE den Abstand zwischen LIDAR-Sensor und Windfahnensensor und V die Flug- bzw. Fahrzeuggeschwindigkeit beschreibt.
• Vorzugsweise wird in einem in die Signalverarbeitungseinrichtung integrierten Ableitelement eine zeitliche Ableitung des Windsignals berechnet. Diese berechnet sich durch:

  
• Vorzugsweise weist die Signalverarbeitungseinrichtung ferner einen vorzugsweise dem Ableitelement nachgeschalteten Integrator zur Integration der zeitlichen Ableitung des Windsignals auf. Die zeitliche Integration erfolgt hierbei vorzugsweise kontinuierlich vom Start bis zur Landung.
• Zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit des kombinierten Windsignals kann die Signalverarbeitungseinrichtung eine Rückführschleifeaufweisen. In der Rückführschleife wird das ermittelte kombinierte Windsignal von dem vom Windsensor gemessenen Windsignal abgezogen und anschließend mit Hilfe des Integrators erneut ein kombiniertes Windsignal ermittelt. Die Rückführschleife wird vorzugsweise in jedem Rechenschritt zur Korrektur ausgeführt.
• Ferner weist die Signalverarbeitungseinrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform Filtereinrichtungen auf. Insbesondere ist eine Filtereinrichtung zwischen dem Ableitelement und dem Integrator vorgesehen. Eine weitere Filtereinrichtung kann in der Rückführschleifevorgesehen sein. Vorzugsweise sind die Filter durch propere, rationale Übertragungsfunktionen beschrieben, die zusammen mit dem Laufzeitunterschied, bzw. der Wahl der Vorausschauweite des LIDAR-Sensors ausgelegt werden. Hierdurch kann die Genauigkeit des kombinierten Windsignals verbessert werden.
• Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Windturbulenzmessung, wobei zur Durchführung des Verfahrens insbesondere die vorstehend beschriebene Sensoreinrichtung verwendet wird. Gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mittels eines LIDAR-Sensors zur vorausschauenden Windturbulenzmessung ein erstes Windsignal erzeugt. Mittels eines Windsensors zur Messung momentaner Windturbulenzen wird ein zweites Windsignal erzeugt. Erfindungsgemäß werden die beiden Windsignale zur Erzeugung eines kombinierten Windsignals miteinander kombiniert. Durch die Kombination eines vorausschauenden Windsignals mit einem sehr genauen aktuellen Windsignal können gute Ergebnisse bei der Windturbulenzmessung erzielt werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist, wie vorstehend anhand der Sensoreinrichtung beschrieben, vorteilhaft weitergebildet. Insbesondere wird zur Bestimmung des kombinierten Windsignals ein Laufzeitunterschied der Signale und/oder die Flugzeug- bzw. Fahrzeuggeschwindigkeit berücksichtigt. Besonders bevorzugt ist es zur Ermittlung des kombinierten Windsignals die vorstehend beschriebenen Gleichungen zu verwenden und insbesondere eine Integration des abgeleiteten Windsignals durchzuführen.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand anliegender Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigt:
• 1 ein schematisches Prinzipblockschaltbild zur Ermittlung des kombinierten Windsignals,
• 2 ein Blockschaltbild einer Simulation zur Validierung der erfindungsgemäßen Signalkombination,
• 3 auf Grund der gemäß 2 durchgeführten Simulation erhaltenen Zeitverläufe des Windsignals W_VANE des kombinierten Windsignals w_k und des LIDAR-Signals w_LIDAR und
• 4 bei der gemäß 2 durchgeführten Simulation erhaltene Zeitverläufe der Rauschanteile bzw. der Fehler in den Signalen w_LIDAR und w_k.
• Mit Hilfe eines beispielsweise an einem Flugzeug befestigten LIDAR-Sensors 10 wird ein erstes Windsignal w_LIDAR erzeugt. Mit einem ebenfalls an dem Flugzeug befestigten Windsensors 12 wird ein zweites Windsignal w_VANE erzeugt. Die beiden Windsignale werden an eine Signalverarbeitungseinrichtung 14 übermittelt. In der Signalverarbeitungseinrichtung 14 wird in einem Ableitelement 16 entsprechend Gleichung 2 die Ableitung des Windsignals ẇ berechnet und einem Filter 18 zugeführt. Nach dem Filtern des Signals ẇ wird dieses in einem Integrator 20 integriert, so dass nach dem Integrator ein kombiniertes Windsignal w_k vorliegt. In einer Rückführschleife 22 wird von dem Windsignal w_VANE das aktuelle kombinierte Windsignal w_k in einem Element 24 subtrahiert, einem Filter 26 zugeführt und sodann wiederum an den Integrator 20 übermittelt. Nach dem Durchlaufen der Rückführschleife 22 wird das Signal w_k an eine Steuereinrichtung 28 übermittelt.
• Zur Validierung des erfindungsgemäßen Konzepts wurde, wie aus 2 ersichtlich, eine Simulation unter Annahme entsprechender Randbedingungen durchgeführt.
• Zur simulativen Validierung des Konzepts wurde die Anordnung in 2 gewählt. Das ungenaue LIDAR-Signal w_LIDAR Wird erzeugt durch Addition von mittelwertfreiem, Gaußschem Rauschen mit Varianz 1 auf ein Windsignal (kontinuierliche Turbulenz, Dryden Spektrum, L = 762 m). Das Windfahnensignal wird erzeugt durch eine zeitliche Verzögerung (Verzögerungszeit T) des Windsignals. Die Flugzeuggeschwindigkeit beträgt 248 m/s. Der Filter 18 (1) ist beschrieben durch die konstante Verstärkung k₁ und der Filter 26 (1) ist beschrieben durch die Übertragungsfunktion k₂ + k₃/s. Die Konstanten k₁, k₂, k₃ und die Zeit T wurden so optimiert, dass der Rauschanteil im Signal w_k minimiert wird. Als Nebenbedingung in der Optimierung wurde festgelegt, dass die Zeitspanne beginnend mit der Bestimmung der Böe, bis zu deren Auftreffen am Flugzeugflügel größer als 190 ms sein muss, um eine ausreichende Vorausschauweite zu garantieren. Ein Optimierungslauf lieferte
  K₁ = 37.8, K₂ = 7.98, K₃ = 0.498, T = 0.216s
• Mit dieser Parametierung konnte die Varianz des Rauschanteils in w_k auf 0.51 reduziert werden. Zur Visualisierung der Ergebnisse zeigen 3 und 4 die Zeitverläufe einer Simulation über 10 Sekunden.
• Die obere Grafik in 3 zeigt den globalen Zeitverlauf der Windsignale, wobei die untere Grafik zur besseren Veranschaulichung die Verläufe im Bereich von 8–8.5 s vergrößert. In der vergrößerten Darstellung ist eine klare Verbesserung der Windschätzung gegenüber dem LIDAR-Signal zu erkennen. Ebenso ist die Verbesserung der Signalqualität über den gesamten Simulationszeitraum, anhand der Darstellung der Rauschanteile bzw. Fehler in den Signalen in 4 deutlich zu sehen.

Claims (14)

1. Sensoreinrichtung zur Windturbulenzmessung, insbesondere zur Böenlastabminderung, vorzugsweise für Flugzeuge, mit einem LIDAR-Sensor (10) zur vorausschauenden Windturbulenzmessung, einem Windsensor (12) zur Messung momentaner Windturbulenzen, einer mit dem LIDAR-Sensor (10) und dem Windsensor (12) verbundenen Signalverarbeitungseinrichtung (14) zur kombinierten Verarbeitung der Sensorsignale (w_VANE und w_LIDAR), um ein kombiniertes Windsignal (w_k) zu erzeugen, und einer mit der Signalverarbeitungseinrichtung (14) verbundenen Steuereinrichtung (28), die in Abhängigkeit des kombinierten Windsignals (w_k) Stelleinrichtungen steuert.
2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der LIDAR-Sensor (10) und der Windsensor (12) zur Bestimmung eines Laufzeitunterschiedes (T) in einem räumlichen Abstand zueinander angeordnet sind, wobei der Laufzeitunterschied (T) bei der Bestimmung des kombinierten Windsignals (w_k) berücksichtigt wird.
3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (14) ein Ableitelement (16) zur Erzeugung der zeitlichen Ableitung (ẇ) der miteinander verknüpften Sensorsignale aufweist.
4. Sensoreinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ableitelement (16) ein Integrator (20) zur Integration der zeitlichen Ableitung (ẇ) des Windsignals nachgeschaltet ist.
5. Sensoreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (14) eine Rückführschleife (22) aufweist, in der zur Verbesserung des kombinierten Windsignals (w_k) dem Integrator (20) ein Differenzsignal aus dem aktuellen kombinierten Windsignal (w_k) und dem vom Windsensor (12) gemessenen Windsignal (w_VANE) zugeführt wird.
6. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ableitelement (16) und dem Integrator (20) eine Filtereinrichtung (18) vorgesehen ist.
7. Sensoreinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückführschleife (22) eine Filtereinrichtung (26) vorgesehen ist.
8. Verfahren zur Windturbulenzmessung, insbesondere unter Verwendung der Sensoreinrichtung, nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem mittels eines LIDAR-Sensors (10) zur vorausschauenden Windturbulenzmessung ein erstes Windsignal (w_LIDAR) erzeugt wird, mittels eines Windsensors (12) zur Messung momentaner Windturbulenzen ein zweites Windsignal (w_VANE) erzeugt wird, und die beiden Windsignale (w_LIDAR und w_VANE) zur Erzeugung eines kombinierten Windsignals (w_k) miteinander kombiniert werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem zur Bestimmung des kombinierten Windsignals (w_k) ein Laufzeitunterschied (T) und/oder eine Flugzeug-/Fahrzeuggeschwindigkeit (V) berücksichtigt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei welchem zur Bestimmung des kombinierten Windsignals (w_k) eine zeitliche Ableitung (ẇ) der miteinander verknüpften Windsignale (w_VANE, w_LIDAR), insbesondere gemäß

    

    erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei welchem zur Bestimmung des kombinierten Windsignals die zeitliche Ableitung (ẇ) integriert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem eine Interration zur Verbesserung des kombinierten Windsignals (w_k) erfolgt, bei der einem Integrator (22) ein Differenzsignal aus dem aktuellen kombinierten Windsignal (w_k) und dem vom Windsensor (12) gemessenen Signal (w_VANE) zugeführt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei welchem das abgeleitete Windsignal (ẇ) gefiltert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei welchem während der Interration eine Filterung erfolgt.