Induktiver Böensensor

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Windfahnenelement für ein Luftfahrzeug oder einen Flugkörper mit einer Windfahne, die sich nach der Windrichtung ausrichtet, und mit einem Drehwinkelsensor, der eine Winkelstellung der Windfahne als Messsignal bereitstellt.

Derartige Windfahnen werden regelmäßig in Flugzeugen als Anstellwinkelsensoren eingesetzt. Um aus einem solchen Windfahnenelement einen einfach zu verarbeitenden Messwert des Anstellwinkels zu erhalten, ist in dem Stand der Technik entweder vor oder nach der Messung ein Tiefpass vorgesehen, der die Anteile höherer Frequenzen an dem Messergebnis filtert.

Anstellwinkelsensoren sind im Stand der Technik seit Jahren bekannt. Die bekannten Anstellwinkelsensoren sind allerdings schlecht als Böensensor brauchbar.

So ist in der US 3 077 773 ein Windfahnenelement der eingangs genannten Art offenbart, dessen Drehwinkelsensor zur Erzeugung einer Spannung ausgelegt ist, die proportional zu dem Mittelwert der Winkelposition der Windfahne verläuft.

Die EP 1 319 863 A1 zeigt einen Dämpfer mit veränderlicher Viskosität für einen Anstellwinkelsensor mit einer Windfahne. Abhängig von der Fluggeschwindigkeit und der Fluglage wird dabei die Bewegung der Windfahne gedämpft. Dazu weist die Achse, auf der die Windfahne montiert ist, Dämpfungselemente auf, die sich in einer elektrorheologischen oder magnetorheo- logischen Flüssigkeit bewegen. Je nach Flugzustand wird die Viskosität der

elektrorheologischen oder magnetorheologischen Flüssigkeit verändert und so die Dämpfung der Bewegungen der Windfahne eingestellt.

Bei den bekannten Windfahnen ergibt sich somit insbesondere aus den Reibungsverlusten der mechanischen Komponente eine Tiefpasswirkung, so dass diese Windfahnenelemente den Mittelwert ihrer Winkelstellung zurückliefern.

Bei der Benutzung als Anstellwinkelsensoren ist es gerade regelmäßig unerwünscht, wenn sich die Windfahnen durch kleinere Böen- oder sonstige Tur- bulenzen auslenken. Daher sind diese Anstellwinkelsensoren durch viskose oder sonstige Reibmittel reibbehaftet, um durch eine mechanische Dämpfung eine Störung der Anstellwinkelmessung durch Turbulenzen oder Böen zu vermeiden.

Stand der Technik ist es auch, Differenzdrucksensoren als Referenz für Böen zu verwenden.

Die Erfindung beruht auf der Aufgabe, ein Windfahnenelement der eingangs genannten Art bereitzustellen, das sich flexibel einsetzen lässt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird übereinstimmend mit Patentanspruch 1 vorgeschlagen, dass bei einem Windfahnenelement der eingangs genannten Art der Drehwinkelsensor berührungslos arbeitet.

Ein Verfahren zur Verwendung des Windfahnenelements zur gleichzeitigen Messung von Anstellwinkel und Böenstärke ist Gegenstand des Anspruchs 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Windfahnenelement hat den Vorteil, dass die Bewegung der Windfahne leichter erfolgen kann.

Es wird bei dem erfindungsgemäßen Winkelelement also entgegen der bisherigen Vorstellung am Stand der Technik gearbeitet, welche gerade auch eine mechanische Dämpfung vorsahen. Im Gegenteil ist das Windfahnenelement gemäß der Erfindung gerade so ausgebildet, dass es besonders leicht drehbar ist, und so auch durch Turbulenzen und Böen beeinflussbar ist. Dadurch lässt sich das erfindungsgemäße Windfahnenelement besonders gut als Böensensor nutzen.

Ein besonders leichtgängiger Drehwinkelsensor wird insbesondere durch eine induktive oder kapazitive Messwertaufnahme erreicht. So kann man eine Drehwinkelmessung ohne mechanische Zwischenelemente durchführen und damit den Drehwinkelsensor besonders leichtgängig machen.

Vorteilhaft weist das Windfahnenelement ein Ausgleichsgewicht auf. Dieses Ausgleichsgewicht stellt sicher, dass die von der Masse der Windfahne ausgeübte Gravitationskraft das Messergebnis nicht verfälscht.

Der Drehwinkelsensor arbeitet bevorzugt nach einem induktiven Messprinzip. Damit ist gewährleistet, dass bei der Messung keine zusätzliche Dämpfung auftritt.

In bevorzugter konkreter Ausgestaltung folgt eine Windfahne mit Aus- gleichsmasse den Richtungsänderungen einer Anströmung (Böen) und dreht dabei die Achse. Diese Achse ist weiter bevorzugt mit einem induktiven Drehwinkelaufnehmer verbunden, der praktisch widerstandslos, ohne Zeitverzug, und mit sehr hoher Auflösung den Drehwinkel bis zu höheren Frequenzen misst. Das Signal wird anschließen in einen Gleichanteil (DC) und

einen Frequenzanteil (AC) zerlegt. Der AC-Anteil lässt sich beispielsweise als Referenzsignal für die Böen verwenden. Dies ist besonders vorteilhaft, um eine Vorrichtung zum Vermindern oder Vermeiden von böeninduzierten Schwingungen von Luftfahrzeugen oder Flugkörpern, beispielsweise eine Vorrichtung zum Vermeiden oder Verringern von böeninduzierten Starrkör- per- oder Strukturschwingungen in einem Luftfahrzeug oder einem Flugkörper bereitzustellen. Die Vorrichtung kann z.B. zur Verringerung von Strukturschwingungen in Flugzeugen und/oder zur Verringerung von Starrkörperschwingungen z.B. bei Drohnen, Marschflugkörpern oder Nurflügelflugzeugen ausgebildet sein. Beispielsweise kann ein Feed-Forward-Strukturregler mit einem solchen Referenzsignal betrieben werden. Der DC-Anteil kann dazu benutzt werden, den Anstellwinkel zu messen, so dass das Windfahnenelement parallel als Anstellwinkelsensor nutzbar ist.

Weiter bevorzugt ist das Windfahnenelement zur Erfassung hoher Frequen- zen, insbesondere solche, die in Windböen messbar sind, geeignet. Mehr bevorzugt ist das Windfahnenelement zur Erfassung von Frequenzen im Bereich von 0 Hz bis 50 Hz geeignet. Damit können schnelle Veränderungen in der Anströmung zuverlässig erkannt und gemessen werden.

Der Drehwinkelsensor kann das Messsignal in einen hochfrequenten und einen niederfequenten Anteil trennen. Somit ist es möglich, den Einfluss der generellen Strömungsrichtung von kurzfristigen Störungen zu unterscheiden.

Weiter bevorzugt weist der Drehwinkelsensor je einen separaten Ausgang für den hochfrequenten und den niederfrequenten Anteil des Messsignals auf. Diese Signale können ohne zusätzliche Beschaltung für Regelaufgaben verwendet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren reduziert die Komplexität der Sensoranlage eines Luftfahrzeugs.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Windfahnenelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Regelkreises zur Dämpfung schwin- gungserzeugender Einwirkungen auf ein Flugzeug und zur

Dämpfung von Starrkörper- und/oder Strukturschwingungen in einem Flugzeugkörper;

Fig.3 eine schematische Ansicht eines berührungslosen Drehwinkel- gebers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden

Erfindung und

Fig. 4 eine Ausgangsstufe des erfindungsgemäßen Windfahnenelements.

Ein Windfahnenelement 10, wie es in Figur 1 gezeigt ist, weist eine Windfahne 12 auf, die an einer Achse 14 befestigt ist. Auf der der Windfahne 12 gegenüberliegenden Seite der Achse 14 ist eine Ausgleichsmasse 16 vorgesehen, deren Gewichtskraft ein Moment auf die Achse 14 ausübt, das in etwa dem Moment entspricht, das von der Gewichtskraft der Windfahne 12 auf die Achse 14 ausgeübt wird. Die Achse 14 führt zu einem Drehwinkelaufnehmer 18.

Der Drehwinkelaufnehmer 18 misst die Winkelstellung der Achse 14 und damit indirekt die der Windfahne 12 und stellt das Ergebnis dieser Messung an seinen Ausgängen 20, 22 zur Verfügung.

Ein Drehwinkelaufnehmer 18 gemäß einer Ausführungsform der vorliegen- den Erfindung ist in Figur 3 gezeigt. Von der Achse 14 springt radial nach außen ein Bügel 24 weg. Der Bügel 24 besteht aus Metall und taucht je nach seiner Position mehr oder weniger in den Kern einer Spule 26 ein. Die Spule 26 ist dazu entlang einer Kreislinie angeordnet.

Da der Bügel 24 aus Metall besteht, ändert sich durch das Eintauchen des Bügels 24 in die Spule 26 eine Impedanz Z der Spule.

Um aus dieser Impedanzänderung ein Winkelsignal zu gewinnen, wird die Spule 26 mit der Anschlussklemme 28 an eine Auswerteeinheit 30 ange- schlössen, wie sie in Figur 4 gezeigt ist. Die Auswerteeinheit 30 weist einen Schwingkreis auf, dessen Frequenz durch die Impedanz Z der Spule 26 be- einflusst wird. Mittels eines f/U-Konverters wird aus der erzeugten Wechselspannung ein frequenzunabhängiger Pegel als Ausgangssignal 32 erzeugt.

Die Auswerteeinheit 30 kann dabei sehr schnell auf Veränderungen der Impedanz Z reagieren, so dass das Ausgangssignal 32 der Auswerteeinheit 30 der Bewegung der Achse 14 im Wesentlichen unmittelbar folgt. Das Ausgangssignal 32 wird mit Hilfe eines Tiefpasses 34 und eines Hochpasses 36 in einen Gleichanteil 38 (DC) und einen Wechselspannungsanteil 40 (AC) zerlegt und diese an den Ausgängen 20, 22 bereitgestellt.

Der Wechselspannungsanteil 40 kann als Referenzsignal für Böen verwendet werden, beispielsweise, um einen Feed-forward-Strukturregler zu betrei-

ben. Der Gleichanteil 38 kann dazu benutzt werden, den Anstellwinkel zu messen.

Das Windfahnenelement 10 hat somit den Vorteil, dass es gleichzeitig sowohl als Böensensor bis zu hohen Frequenzen (50Hz) als auch als Anstell- winkelsensor verwendet werden kann.

Mit dem aus der Böensensorfunktion erhaltenen Referenzsignal können turbulenzinduzierte Strukturvibrationen und/oder Starrkörperschwingungen sehr effektiv reduziert werden. Es empfiehlt sich allerdings, eine solche Vorsteue- rung mit einer aktiven Dämpfung (Rückführregelung) zu kombinieren, um eine optimale Reduktion von sowohl böeninduzierten als auch von manöverinduzierten Strukturschwingungen zu erreichen.

Um dies zu erreichen, wird zur Steuerung der Aktoren des Luftfahrzeugs un- ter anderem ein Regelkreis verwendet, wie er in Figur 2 gezeigt ist. Der Regelkreis weist dabei eine Rückführregelungsvorrichtung 44 und eine Vor- steuerregelungseinrichtung 46 auf.

Im Bereich der Rückführregelungsvorrichtung 44 werden von einem Sensor des Luftfahrzeugs 48 Strukturschwingungen gemessen und in Form des Messwerts 50 an den robusten Rückführregler 52 weitergegeben. Der Rückführregler 52 errechnet aus den Messwerten 50 Steuerungssignale 54 für Aktoren des Luftfahrzeugs 48, die dazu geeignet sind, Strukturschwingungen des Luftfahrzeugs 48 zu verringern.

Der Vorsteuerregelungseinrichtung 46 wird der Wechselspannungsanteil 40 des Windfahnenelements 10 übergeben und in ein Filter 56 mit unbeschränkter Impulsantwort (MR) eingegeben. Das Filter 56 errechnet aus seinen Eingangssignalen Steuerungssignale 58, die Aktoren des Luftfahrzeugs 48 so

steuern, dass der Einfluss der gemessenen Böen auf das Luftfahrzeug 48 minimiert wird. Das Filter 56 kann auch ein Filter 56 mit beschränkter Impulsantwort (FIR) sein.

In einem Mischer 60 werden die Steuerungssignale 54, 58 von Rückführreg- ler 52 und Filter 56 addiert und als Regelsignal 64 an das Luftfahrzeug 48 weitergegeben.

Somit ergibt sich das Regelsignal „Control Input" 64 (zum Beispiel Ansteuerung von Rudern und Klappen des Flugzeugs) aus einer Addition eines Vor- Steuer- und eines Rückführsignals. Der Vorsteuerregler (IIR-Controller oder FIR-Controller, sinnvollerweise adaptiv ausgeführt) erhält das Referenzsignal zum Beispiel aus dem AC-Anteil des Alpha-probe Signal (Anstellwinkelsignal). Das Rückführsignal stammt aus dem „inner control loop" (Rückführrege- lungseinrichtung 44) mit dem robusten Rückführregler 52 („robust feedback Controller"), der wiederum sein Eingangssignal aus den Sensorsignalen (Messwert 50, zum Beispiel Beschleunigungssensoren an der Flugzeugstruktur) bezieht. Ziel der kombinierten Rückführ-A/orsteuerregelung ist es, Störungen 66 jeglicher Art, die Strukturschwingungen und/oder Starrkörperschwingungen verursachen, zu kompensieren. Das heißt, der Messwert 50 (Messung von Strukturschwingungen und/oder Starrkörperschwingungen) wird minimiert.

Strukturmoden und/oder Starrkörperschwingungen von Flugzeugen werden durch Böen und turbulente Atmosphäre während des Fluges angeregt. Das belastet die Struktur und verschlechtert das Flugverhalten. Stand der Technik ist es, diese Strukturmoden und/oder Starrkörperschwingungen aktiv durch Rückführregelung zu bedampfen. Nachdem ein geeignetes Referenzsignal zur Verfügung steht, das die Böen misst, können die Strukturvibrationen

und/oder Starrkörperschwingungen allerdings wesentlich effizienter reduziert werden.

Die Windfahne 12 mit Ausgleichsmasse 16 folgt den Richtungsänderungen der Anströmung (Böen) und dreht dabei die Achse 14. Diese Achse 14 ist mit dem induktiven Drehwinkelaufnehmer 18 verbunden, der praktisch widerstandslos, ohne Zeitverzug und mit sehr hoher Auflösung den Drehwinkel bis zu höheren Frequenzen misst. Das Signal wird in einen Gleichanteil (DC) und einen AC-Anteil zerlegt. Der AC-Anteil wird als Referenzsignal für die Böen verwendet (um einen Feed-Forward-Strukturregler zu betreiben). Der DC-Anteil kann dazu benutzt werden, den Anstellwinkel zu messen (parallele Nutzung als Anstellwinkelsensor).

Rückführregelungen zur aktiven Starrkörper- und/oder Strukturdämpfung reduzieren zwar Schwingungen jeglicher Anregung, sind aber in ihrer Leistung begrenzt. Vorsteuerregelungen sind bei der Reduktion böeninduzierter Starrkörper- und/oder Strukturschwingungen sehr effektiv, können aber zum Beispiel piloteninduzierte Starrkörper- und/oder Strukturschwingungen nicht reduzieren. Die Kombination einer (sinnvollerweise adaptiven) Vorsteuerregelung mit einer robusten Rückführdämpfung führt zu einer sehr hohen Regel- gute und erlaubt die optimale Reduktion von Böen-, Manöver- und sonst wie (zum Beispiel Nutzlastabwurf-) induzierten Starrkörper- und/oder Strukturschwingungen bei Flugzeugen.

Die Erfindung erlaubt die optimale Reduktion von Böen-, Manöver- und Nutz- lastabwurf-induzierten Strukturschwingungen bei Luftfahrzeugen und Flugkörpern, insbesondere Flugzeugen, Drohnen, Marschflugkörpern und Nurflügelflugzeugen in allen Bereichen der Flugenveloppe.

Das vorliegende Windfahnenelement 10 wirkt als Böensensor, der dazu geeignet ist, ein entsprechendes Referenzsignal bereit zu stellen, und erlaubt in Verbindung mit der Regelungsvorrichtung 42 eine wesentliche Reduzierung der Starrkörper- und/oder Strukturschwingungen.

Weitere Einzelheiten hinsichtlich einer genaueren Ausbildung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Verminderung von dynamischen Strukturlasten auf ein Luftfahrzeug wird auf die nicht vorveröffentliche PCT-Anmeldung entsprechend der EP-Anmeldenummer EP 06 001 510.4 verwiesen. Es ist besonders bevorzugt, die hier beschriebenen Elemente bei einem solchen Verfahren und einer solchen Vorrichtung einzusetzen und entsprechend einer solchen Verwendung auszubilden.

Bezugszeichenliste

10 Windfahnenelement

12 Windfahne

14 Achse

16 Ausgleichsmasse

18 Drehwinkelaufnehmer

20 Ausgang

22 Ausgang

24 Bügel

26 Spule

28 Anschlussklemme

30 Auswerteeinheit

32 Ausgangssignal

34 Tiefpass

36 Hochpass

38 Gleichanteil

40 Wechselspannungsanteil

42 Regelungsvorhchtung

44 Rückführregelungseinrichtung

46 Vorsteuerregelungseinrichtung

48 Luftfahrzeug

50 Messwert

52 Rückführregler

54 Steuerungssignale

56 Filter

58 Steuerungssignale

60 Mischer

64 Regelsignal

66 Störungen

Impedanz