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DE102020210349A1 - Verfahren zum Betreiben eines vertikal startenden und landenden Luftfahrzeugs und vertikal startendes und landendes Luftfahrzeug - Google Patents

Verfahren zum Betreiben eines vertikal startenden und landenden Luftfahrzeugs und vertikal startendes und landendes Luftfahrzeug Download PDF

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DE102020210349A1
DE102020210349A1 DE102020210349.6A DE102020210349A DE102020210349A1 DE 102020210349 A1 DE102020210349 A1 DE 102020210349A1 DE 102020210349 A DE102020210349 A DE 102020210349A DE 102020210349 A1 DE102020210349 A1 DE 102020210349A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
aircraft
determined
mass
vertical thrust
vertical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102020210349.6A
Other languages
English (en)
Inventor
Christoph Käppner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
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Priority to PCT/EP2021/072118 priority patent/WO2022034001A1/de
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    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines vertikal startenden und landenden Luftfahrzeugs (1), wobei mittels einer Steuereinrichtung (2) eine Masse (m) des Luftfahrzeugs (1) bestimmt wird, wobei hierzu eine vertikale Schubkraft (F_v) eines Antriebs (5) des Luftfahrzeugs (1) bestimmt wird, und eine Masse (m) des Luftfahrzeugs (1) zumindest ausgehend von der bestimmten vertikalen Schubkraft (F_v) und einer Erdbeschleunigung (g) bestimmt wird, und wobei das Luftfahrzeug (1) in Abhängigkeit der bestimmten Masse (m) betrieben wird. Ferner betrifft die Erfindung ein vertikal startendes und landendes Luftfahrzeug (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines vertikal startenden und landenden Luftfahrzeugs und ein vertikal startendes und landendes Luftfahrzeug.
  • In der zivilen und privaten Luftfahrt gelten strenge Massevorgaben für Luftfahrzeuge. Typischerweise werden diese sowohl als Höchstabfluggewicht bzw. Höchstabflugmasse (engl. Maximum Take Off Weight, MTOW) als auch als Nutzlast (Payload) so definiert, dass ein gleichzeitiges Ausnutzen der maximalen Passagierkapazität, des Gepäckvolumens und der Kraftstoffkapazität mit einer teils deutlichen Verletzung der vorgegebenen Grenzwerte verbunden wäre. Für einen sicheren Betrieb darf die zulässige Höchstabflugmasse (MTOW) nicht überschritten werden, das heißt diese muss insbesondere vor einem Flug verlässlich überprüft werden.
  • Bei einem aus der US 4,490,802 B bekannten Verfahren wird das Startgewicht eines Flugzeugs aus Messungen des Schubes der Triebwerke und der Vorwärtsbeschleunigung des Flugzeugs berechnet, die über einen Zeitraum erfasst werden, in dem diese Beschleunigung nach dem Lösen der Bremse auf der Landebahn maximal ist. Eine wichtige Variable, die berücksichtigt werden muss, ist der Rollreibungskoeffizient des Fahrwerks des jeweiligen Flugzeugs und andere Faktoren, die den Rollwiderstand am Boden induzieren. Das Verfahren berechnet diese Variable als Funktion des Triebwerksschubs und des Manifestgewichts für jeden Start des Flugzeugs und aktualisiert gewichtete Filterwerte davon zur Verwendung während nachfolgender Starts. Daher wird für jeden Start ein Durchschnittswert der Rollreibung verwendet, um das Startgewicht zu berechnen, wobei dieser Durchschnittswert näher an den tatsächlichen Wert für den vorhandenen Zustand des Fahrwerks heranreicht.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Betreiben eines vertikal startenden und landenden Luftfahrzeugs und ein vertikal startendes und landendes Luftfahrzeug zu schaffen, mit denen eine Masse des Luftfahrzeugs bestimmt und beim Betreiben des Luftfahrzeugs berücksichtigt werden kann.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Luftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Insbesondere wird ein Verfahren zum Betreiben eines vertikal startenden und landenden Luftfahrzeugs zur Verfügung gestellt, wobei mittels einer Steuereinrichtung eine Masse des Luftfahrzeugs bestimmt wird, wobei hierzu eine vertikale Schubkraft eines Antriebs des Luftfahrzeugs bestimmt wird und eine Masse des Luftfahrzeugs zumindest ausgehend von der bestimmten vertikalen Schubkraft und einer Erdbeschleunigung bestimmt wird, wobei das Luftfahrzeug in Abhängigkeit der bestimmten Masse betrieben wird.
  • Ferner wird insbesondere ein vertikal startendes und landendes Luftfahrzeug geschaffen, umfassend eine Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, eine Masse des Luftfahrzeugs zu bestimmen, und hierzu eine vertikale Schubkraft eines Antriebs des Luftfahrzeugs zu bestimmen, und eine Masse des Luftfahrzeugs zumindest ausgehend von der bestimmten vertikalen Schubkraft und einer Erdbeschleunigung zu bestimmen, und das Luftfahrzeug in Abhängigkeit der bestimmten Masse anzusteuern.
  • Das Verfahren und das Luftfahrzeug ermöglichen es, eine Masse des Luftfahrzeugs zu bestimmen. Dies erfolgt, indem eine vertikale Schubkraft eines Antriebs des Luftfahrzeugs bestimmt wird. Da das Luftfahrzeug vertikal landen und starten kann, ist ein ausschließlich vertikaler Antrieb mit einer ausschließlich vertikal wirkenden Auftriebskraft möglich. Der vertikale Schub wirkt hierbei direkt entgegengesetzt zu einer Gewichtskraft, die auf das Luftfahrzeug aufgrund der Erdanziehung wirkt. Da die Gewichtskraft von der Masse abhängt und eine Erdbeschleunigung (auch als Schwerebeschleunigung oder Fallbeschleunigung bezeichnet) bekannt ist, kann eine Masse des Luftfahrzeugs zumindest ausgehend von der bestimmten vertikalen Schubkraft und einer Erdbeschleunigung bestimmt werden. Die bestimmte Masse des Luftfahrzeugs wird bei einem Betrieb des Luftfahrzeugs berücksichtigt, beispielsweise durch Anpassen einer Flugsteuerung.
  • Der Vorteil des Verfahrens und des Luftfahrzeugs ist, dass für die Vorgehensweise im einfachsten Fall nur die vertikal wirkende Schubkraft des Antriebs bestimmt werden muss. Dies vereinfacht das Bestimmen der Masse. Die vertikal wirkende Schubkraft lässt sich hierbei in der Regel aus Daten einer Antriebssteuerung des Luftfahrzeugs ableiten.
  • Ein vertikal startendes und landendes Luftfahrzeug ist insbesondere eine bemannte oder unbemannte Drohne oder ein Lufttaxi.
  • Der Antrieb umfasst insbesondere einen oder mehrere Rotoren. Der Antrieb wird insbesondere elektromotorisch betrieben. Grundsätzlich kann der Antrieb aber auch verbrennungskraftmotorisch betrieben werden.
  • Die Steuereinrichtung kann einzeln oder zusammengefasst als eine Kombination von Hardware und Software ausgebildet sein, beispielsweise als Programmcode, der auf einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgeführt wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass Teile einzeln oder zusammengefasst als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) ausgebildet sind.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Bestimmen der Masse in einem Zustand eines Kräftegleichgewichts zwischen der vertikalen Schubkraft und einer auf das Luftfahrzeug wirkenden Gewichtskraft durchgeführt wird. Hierdurch kann die Masse des Luftfahrzeugs ausschließlich aus der bestimmten vertikalen Schubkraft und einem bekannten Wert für die Erdbeschleunigung bestimmt werden. Das Bestimmen ist hierdurch besonders einfach durchzuführen. Ist F_v die bestimmte Schubkraft, g die bekannte Erdbeschleunigung und m die Masse des Luftfahrzeugs, so gilt aufgrund des Kräftegleichgewichts: m = F _ v / g
    Figure DE102020210349A1_0001
  • Das Kräftegleichgewicht ist in erster Näherung insbesondere erreicht, wenn das Luftfahrzeug schwebt. Daher kann die Masse des Luftfahrzeugs insbesondere im schwebenden Zustand bestimmt werden.
  • In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass zum Erkennen des Zustands des Kräftegleichgewichts während eines Startmanövers des Luftfahrzeugs ein Zeitpunkt des Abhebens mittels mindestens eines Sensors erfasst und erkannt wird, wobei die Masse im Zeitpunkt des Abhebens bestimmt wird. Hierdurch kann die Masse bereits vor dem Beenden des Startmanövers bestimmt und gegebenenfalls auf ein Überschreiten einer Maximalmasse hin überprüft werden. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass im Zeitpunkt des Abhebens eine vertikale Schubkraft des Antriebs in etwa gleich der Gewichtskraft ist, sodass zumindest näherungsweise von einem Kräftegleichgewicht ausgegangen werden kann. Der mindestens eine Sensor kann beispielsweise ein Lagesensor des Luftfahrzeugs sein. Dieser erfasst im Zeitpunkt des Abhebens eine Bewegung und/oder eine Beschleunigung des Luftfahrzeugs, welche dann als Auslöser (Trigger) zum Erkennen des Abhebens dient. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Näherungssensor verwendet werden, beispielsweise ein Ultraschallsensor und/oder ein optischer Entfernungssensor und/oder ein Radarsensor. Ferner kann auch eine in dem Luftfahrzeug verbaute Kamera zum Erkennen des Zeitpunkts des Abhebens verwendet werden, beispielsweise indem erfasste Kamerabilder entsprechend auf eine Änderung oder Bewegung, wie diese beim Abheben erfolgt, hin ausgewertet werden. Wird das Abheben erkannt, wird die Masse des Luftfahrzeugs bestimmt.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zum Bestimmen der vertikalen Schubkraft eine Spannung und ein Strom und/oder mindestens ein sonstiger Leistungsparameter eines elektrischen Antriebs des Luftfahrzeugs bestimmt und/oder abgefragt werden, wobei die vertikale Schubkraft mittels einer Kennlinie aus der bestimmten und/oder abgefragten Spannung und dem bestimmten und/oder abgefragten Strom und/oder dem mindestens einen sonstigen Leistungsparameter bestimmt wird. Hierdurch muss die vertikale Schubkraft nicht direkt gemessen werden, sondern kann indirekt über die Spannung und den Strom bestimmt werden, welche sich an dem elektrischen Antrieb und/oder einer Antriebssteuerung erfassen lassen. Die Kennlinie, in der Paare aus Spannung und Strom mit Werten für eine vertikale Schubkraft verknüpft sind, kann beispielsweise empirisch bestimmt werden. Hierbei können insbesondere auch weitere Einflussgrößen und Randbedingungen berücksichtigt werden. Der Spannung kann insbesondere eine Phasenspannung sein. Der Strom kann insbesondere ein Phasenstrom sein. Sind mehrere elektrische Antriebe vorgesehen, so wird eine vertikale Schubkraft analog für jeden der Antriebe bestimmt und anschließend zusammenaddiert.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zum Bestimmen der vertikalen Schubkraft eine Rotordrehzahl des Antriebs erfasst und/oder bestimmt wird, wobei die vertikale Schubkraft zusätzlich oder alternativ modellbasiert bestimmt wird. Hierdurch kann eine Wirkung der Rotoren des Antriebs direkt bestimmt werden. Die Rotordrehzahl kann beispielsweise mittels eines entsprechend hierfür ausgebildeten Sensors erfasst werden. Das Modell kann insbesondere ein physikalisches und/oder strömungsmechanisches Modell sein. Das Modell kann empirisch und/oder theoretisch ermittelt worden sein.
  • Es kann grundsätzlich auch vorgesehen sein, dass die vertikale Schubkraft sowohl ausgehend von der Spannung und dem Strom und/oder dem mindestens einen sonstigen Leistungsparameter als auch modellbasiert bestimmt wird, wobei die jeweiligen Ergebnisse beispielsweise gewichtet berücksichtigt werden.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass beim Bestimmen der vertikalen Schubkraft ein Umgebungsdruck und/oder eine Umgebungstemperatur und/oder ein Bodeneffekt und/oder eine Windrichtung und/oder eine Windgeschwindigkeit und/oder eine Seitwärtsbewegung des Luftfahrzeugs berücksichtigt werden. Ein Umgebungsdruck und/oder eine Umgebungstemperatur haben Einfluss auf die Dichte der Umgebungsluft und daher auf ein Strömungsverhalten von Rotoren des Antriebs. Dies kann beispielsweise in der Kennlinie und/oder beim modellbasierten Bestimmen der vertikalen Schubkraft berücksichtigt werden. Insbesondere können einzelne Kennlinien für unterschiedliche Kombinationen aus Umgebungsdruck und Umgebungstemperatur empirisch bestimmt und zum Bestimmen der vertikalen Schubkraft verwendet werden. Ein Bodeneffekt kann ebenfalls in der Kennlinie und/oder beim modellbasierten Bestimmen berücksichtigt werden, beispielsweise durch eine entsprechende Korrektur oder in Form einer Korrekturkennlinie. Im Falle eines Seitenwindes ändert sich im Zeitpunkt des Abhebens aufgrund einer üblicherweise ausgeführten Lagestabilisierung ein Anstellwinkel der Rotoren und/oder des Luftfahrzeugs, sodass eine vertikale Schubkraft ausgehend von einer vertikalen Komponente einer (Gesamt-)Schubkraft des Antriebs bestimmt werden muss. Der Anstellwinkel und/oder die vertikale Komponente können hierbei beispielsweise mittels eines Lagesensors des Luftfahrzeugs bestimmt werden.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zusätzlich eine Vertikalbeschleunigung mittels mindestens eines Sensors erfasst und beim Bestimmen der Masse berücksichtigt wird. Hierdurch kann auch außerhalb eines Kräftegleichgewichts eine Masse bestimmt werden. Je nach Richtung der Vertikalbeschleunigung a_v, wird die erfasste Vertikalbeschleunigung a_v dann zur Erdbeschleunigung g hinzuaddiert oder von dieser subtrahiert: m = F _ v / ( g + / a _ v )
    Figure DE102020210349A1_0002
  • Eine Vertikalbeschleunigung kann beispielsweise mittels eines Lagesensors des Luftfahrzeugs erfasst werden.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Masse mit einer vorgegebenen Maximalmasse verglichen wird, wobei ein Startmanöver abgebrochen wird und/oder das Luftfahrzeug gelandet wird, wenn die bestimmte Masse die Maximalmasse überschreitet. Hierdurch kann ein Startmanöver automatisch abgebrochen werden, wenn die Maximalmasse (insbesondere eine Höchstflugmasse bzw. MTOW) überschritten wird. Dies ermöglicht insbesondere einen vollautomatischen Betrieb und eine vollautomatische Überprüfung des Einhaltens einer Höchstabflugmasse im Flugbetrieb sowie ein automatisches Abbrechen des Fluges, wenn die Höchstabflugmasse überschritten ist.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass während eines Startmanövers des Luftfahrzeugs bereits vor einem Erkennen des Abhebens eine Masse des Luftfahrzeugs ausgehend von der bestimmten vertikalen Schubkraft und einer Erdbeschleunigung bestimmt wird, wobei das Startmanöver abgebrochen wird, wenn die bestimmte Masse die Maximalmasse überschreitet. Hierdurch muss nicht auf den Zeitpunkt des Abhebens gewartet werden. Da eine Schubkraft bei einem Startmanöver von Null oder einer geringen Schubkraft auf eine höhere Schubkraft erhöht wird, kann bei einer Überladung des Fluggeräts bereits vor einem Erreichen eines Kräftegleichgewichts ein Abbruch des Startmanövers erfolgen. Hierdurch ist das Verfahren schneller und energiesparender. Eine Masse des Luftfahrzeugs kann hierbei zumindest im Hinblick auf einen unteren Minimalwert bestimmt werden, das heißt als Ergebnis kann angegeben werden, welche Masse das Luftfahrzeug mindestens aufweist, nämlich mindestens die vorgegebene Maximalmasse bzw. die zulässige Höchstabflugmasse.
  • Weitere Merkmale zur Ausgestaltung des Luftfahrzeugs ergeben sich aus der Beschreibung von Ausgestaltungen des Verfahrens. Die Vorteile des Luftfahrzeugs sind hierbei jeweils die gleichen wie bei den Ausgestaltungen des Verfahrens.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des vertikal startenden und landenden Luftfahrzeugs;
    • 2 ein schematisches Flussdiagramm zur Verdeutlichung einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben eines vertikal startenden und landenden Luftfahrzeugs.
  • In 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des vertikal startenden und landenden Luftfahrzeugs 1 gezeigt. Das Luftfahrzeug 1 umfasst eine Steuereinrichtung 2, einen Lagesensor 3, der eine Lage des Luftfahrzeugs 1 erfasst, eine Flugsteuerung 4 und eine Antriebssteuerung 8. Ferner umfasst das Luftfahrzeug 1 einen Antrieb 5, der beispielsweise zwei oder mehr Rotoren umfassen kann, und insbesondere als elektrischer Antrieb mittels eines oder mehrerer Elektromotoren angetrieben wird. Die Flugsteuerung 4 steuert ausgehend von Sensordaten, die von dem Lagesensor 3 erfasst wurden, durch Ansteuern der Antriebssteuerung 8 den Antrieb 5 des Luftfahrzeugs 1 in an sich bekannter Weise. Das Luftfahrzeug 1 kann beispielsweise eine bemannte oder unbemannte Drohne oder ein Lufttaxi sein.
  • Die Steuereinrichtung 1 ist dazu eingerichtet, eine Masse m des Luftfahrzeugs 1 zu bestimmen, und hierzu eine vertikale Schubkraft F_v des Antriebs 5 des Luftfahrzeugs 1 zu bestimmen, und die Masse m des Luftfahrzeugs 1 zumindest ausgehend von der bestimmten vertikalen Schubkraft F_v und einer Erdbeschleunigung g zu bestimmen. Die Steuereinrichtung 4 steuert das Luftfahrzeug 1 in Abhängigkeit der bestimmten Masse m an. Beispielsweise kann von der Steuereinrichtung 2 ein entsprechendes Steuersignal 6 an die Flugsteuerung 4 übermittelt werden, welche das Luftfahrzeug dann gemäß der bestimmten Masse m betreibt, insbesondere ansteuert.
  • Insbesondere ist vorgesehen, dass das Bestimmen der Masse m in einem Zustand eines Kräftegleichgewichts zwischen der vertikalen Schubkraft F_v und einer auf das Luftfahrzeug 1 wirkenden Gewichtskraft F_g durchgeführt wird. In diesem Fall gilt: F _ v = F _ g = m g
    Figure DE102020210349A1_0003
  • In der Folge gilt: m = F _ v / g
    Figure DE102020210349A1_0004
    Im Zeitpunkt des Abhebens des Luftfahrzeugs 1, das heißt nachdem schrittweise und langsam eine vertikale Schubkraft F_v erhöht wurde, kann näherungsweise von einem Kräftegleichgewicht ausgegangen werden. Insbesondere ist vorgesehen, dass zum Erkennen des Zustands des Kräftegleichgewichts während eines Startmanövers des Luftfahrzeugs 1 ein Zeitpunkt des Abhebens mittels des Lagesensors 3 erfasst und erkannt wird, wobei die Masse m im Zeitpunkt des Abhebens bestimmt wird. Der Zeitpunkt des Abhebens lässt sich beispielsweise durch eine von Null verschiedene Vertikalbeschleunigung a_v oder eine sonstige Bewegung des Luftfahrzeugs 1 feststellen.
  • Es kann vorgesehen sein, dass zum Bestimmen der vertikalen Schubkraft F_v eine Spannung U und ein Strom I eines elektrischen Antriebs 5 des Luftfahrzeugs 1 bestimmt und/oder abgefragt werden, wobei die vertikale Schubkraft F_v mittels einer Kennlinie 7 aus der bestimmten und/oder abgefragten Spannung U und dem bestimmten und/oder abgefragten Strom I bestimmt wird. Werte für die Spannung U und den Strom I werden beispielsweise von der Antriebssteuerung 8 bereitgestellt und von dieser an die Steuereinrichtung 2 übermittelt. Die Kennlinie 7 wurde insbesondere auf Grundlage von empirischen Versuchen bestimmt und ist beispielsweise in einem Speicher (nicht gezeigt) der Steuereinrichtung 2 hinterlegt.
  • Es kann vorgesehen sein, dass zum Bestimmen der vertikalen Schubkraft F_v eine Rotordrehzahl RPM des Antriebs 5 erfasst und/oder bestimmt wird, wobei die vertikale Schubkraft F_v zusätzlich oder alternativ modellbasiert bestimmt wird. Die Rotordrehzahl RPM kann der Steuereinrichtung 2 beispielsweise von der Antriebssteuerung 8 zugeführt werden.
  • Es kann vorgesehen sein, dass beim Bestimmen der vertikalen Schubkraft F_v ein Umgebungsdruck und/oder eine Umgebungstemperatur und/oder ein Bodeneffekt und/oder eine Windrichtung und/oder eine Windgeschwindigkeit und/oder eine Seitwärtsbewegung des Luftfahrzeugs 1 berücksichtigt werden. Werte für den Umgebungsdruck und/oder die Umgebungstemperatur und/oder eine Windrichtung und/oder eine Windgeschwindigkeit werden der Steuereinrichtung 2 beispielsweise von einer externen Quelle zugeführt, beispielsweise über eine Kommunikationsschnittstelle (nicht gezeigt) des Luftfahrzeugs 1, oder mittels einer eigenen Sensorik (nicht gezeigt) erfasst. Das Vorhandensein und eine Stärke einer Seitwärtsbewegung kann beispielsweise mittels des Lagesensors 3 bestimmt werden.
  • Es kann vorgesehen sein, dass zusätzlich eine Vertikalbeschleunigung a_v mittels des Lagesensors 3 erfasst und beim Bestimmen der Masse m berücksichtigt wird.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Masse m mit einer vorgegebenen Maximalmasse m_max verglichen wird, die insbesondere einer Höchstabflugmasse (MTOW) für das Luftfahrzeug 1 entspricht, wobei ein Startmanöver abgebrochen wird und/oder das Luftfahrzeug 1 gelandet wird, wenn die bestimmte Masse m die Maximalmasse m_max überschreitet. Die Maximalmasse m_max kann beispielsweise in einem Speicher der Steuereinrichtung 2 hinterlegt sein.
  • Es kann vorgesehen sein, dass während eines Startmanövers des Luftfahrzeugs 1 bereits vor einem Erkennen des Abhebens eine Masse m des Luftfahrzeugs 1 ausgehend von der (fortlaufend) bestimmten vertikalen Schubkraft F_v und einer Erdbeschleunigung g bestimmt wird, wobei das Startmanöver abgebrochen wird, wenn die bestimmte Masse m die Maximalmasse m_max überschreitet.
  • In 2 ist ein schematisches Flussdiagramm zur Verdeutlichung einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben eines vertikal startenden und landenden Luftfahrzeugs gezeigt. Insbesondere soll mit dem Verfahren vor bzw. während eines Startmanövers des Luftfahrzeugs überprüft werden, ob eine Höchstabflugmasse (MTOW) überschritten ist.
  • Ausgehend von erfassten Sensordaten des Lagesensors 3 des Luftfahrzeugs wird überprüft, ob das Luftfahrzeug gerade abhebt. Hierzu kann beispielsweise eine Vertikalbeschleunigung a_v des Luftfahrzeugs ausgewertet werden, indem diese in einem Verfahrensschritt 100 mit einem Schwellenwert verglichen wird. Hierbei ist der Schwellenwert nahe bei Null gewählt, das heißt eine leichte Bewegung des Luftfahrzeugs löst bereits die nachfolgenden Verfahrensschritte 101-105 aus, in denen eine Masse m des Luftfahrzeugs bestimmt und überprüft wird.
  • Im Verfahrensschritt 101 wird ausgehend von einer bestimmten und/oder abgefragten Spannung U und einem bestimmten und/oder abgefragten Strom I auf Grundlage einer, beispielsweise empirisch bestimmten, Kennlinie 7 eine Schubkraft F_v bestimmt. Hierbei können ein Umgebungsdruck p_Amb und eine Umgebungstemperatur T_Amb berücksichtigt werden, beispielsweise indem jeweils eine zugehörige Kennlinie 7 zu Paaren aus einem aktuellen Umgebungsdruck p_Amb und einer aktuellen Umgebungstemperatur T_Amb ausgewählt und verwendet wird.
  • In einem Verfahrensschritt 102 wird die bestimmte vertikale Schubkraft F_v durch die Erdbeschleunigung g (ca. 9,81 m/s^2) geteilt. Als Ergebnis liefert Verfahrensschritt 102 eine geschätzte Masse m für das Luftfahrzeug.
  • Im Rahmen eines Verfahrensschritts 103 wird in einem Verfahrensschritt 104 überprüft, ob die bestimmte Masse m eine vorgegebene Maximalmasse m_max, welche einer Höchstabflugmasse (MTOW) für das Luftfahrzeug entspricht, überschreitet. Ist dies der Fall, so wird in einem Verfahrensschritt 105 das Startmanöver abgebrochen, indem insbesondere eine Antriebsleistung des Antriebs reduziert wird.
  • Ergibt die Überprüfung in Verfahrensschritt 104 hingegen, dass die Maximalmasse m_max nicht überschritten wurde, so wird das Startmanöver nicht abgebrochen.
  • Das Verfahren ermöglicht insbesondere eine automatisierte Überprüfung und Überwachung der Einhaltung einer Höchstabflugmasse (MTOW) für das Luftfahrzeug sowie einen automatisierten Abbruch eines Startmanövers bzw. eines Fluges des Luftfahrzeugs, wenn ein Überschreiten der Höchstabflugmasse (MTOW) festgestellt wird.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Luftfahrzeug
    2
    Steuereinrichtung
    3
    Lagesensor
    4
    Flugsteuerung
    5
    Antrieb
    6
    Steuersignal
    7
    Kennlinie
    8
    Antriebssteuerung
    100-105
    Verfahrensschritte
    F_v
    vertikale Schubkraft
    F_g
    Gewichtskraft
    m
    Masse des Luftfahrzeugs
    m_max
    Maximalmasse (Höchstflugmasse/MTOW)
    g
    Erdbeschleunigung
    a_v
    Vertikalbeschleunigung
    U
    Spannung
    I
    Strom
    RPM
    Rotordrehzahl
    p_Amb
    Umgebungsdruck
    T_Amb
    Umgebungstemperatur
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 4490802 [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines vertikal startenden und landenden Luftfahrzeugs (1), wobei mittels einer Steuereinrichtung (2) eine Masse (m) des Luftfahrzeugs (1) bestimmt wird, wobei hierzu eine vertikale Schubkraft (F_v) eines Antriebs (5) des Luftfahrzeugs (1) bestimmt wird, und eine Masse (m) des Luftfahrzeugs (1) zumindest ausgehend von der bestimmten vertikalen Schubkraft (F_v) und einer Erdbeschleunigung (g) bestimmt wird, und wobei das Luftfahrzeug (1) in Abhängigkeit der bestimmten Masse (m) betrieben wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen der Masse (m) in einem Zustand eines Kräftegleichgewichts zwischen der vertikalen Schubkraft (F_v) und einer auf das Luftfahrzeug (1) wirkenden Gewichtskraft (F_g) durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erkennen des Zustands des Kräftegleichgewichts während eines Startmanövers des Luftfahrzeugs (1) ein Zeitpunkt des Abhebens mittels mindestens eines Sensors (3) erfasst und erkannt wird, wobei die Masse (m) im Zeitpunkt des Abhebens bestimmt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der vertikalen Schubkraft (F_v) eine Spannung (U) und ein Strom (I) und/oder mindestens ein sonstiger Leistungsparameter eines elektrischen Antriebs (5) des Luftfahrzeugs (1) bestimmt und/oder abgefragt werden, wobei die vertikale Schubkraft (F_v) mittels einer Kennlinie (7) aus der bestimmten und/oder abgefragten Spannung (U) und dem bestimmten und/oder abgefragten Strom (I) und/oder aus dem mindestens einen sonstigen Leistungsparameter bestimmt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der vertikalen Schubkraft (F_v) eine Rotordrehzahl (RPM) des Antriebs (5) erfasst und/oder bestimmt wird, wobei die vertikale Schubkraft (F_v) zusätzlich oder alternativ modellbasiert bestimmt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bestimmen der vertikalen Schubkraft (F_v) ein Umgebungsdruck (p_Amb) und/oder eine Umgebungstemperatur (T_Amb) und/oder ein Bodeneffekt und/oder eine Windrichtung und/oder eine Windgeschwindigkeit und/oder eine Seitwärtsbewegung des Luftfahrzeugs (1) berücksichtigt werden.
  7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Vertikalbeschleunigung (a_v) mittels mindestens eines Sensors (3) erfasst und beim Bestimmen der Masse (m) berücksichtigt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse (m) mit einer vorgegebenen Maximalmasse (m_max) verglichen wird, wobei ein Startmanöver abgebrochen wird und/oder das Luftfahrzeug (1) gelandet wird, wenn die bestimmte Masse (m) die Maximalmasse (m_max) überschreitet.
  9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Startmanövers des Luftfahrzeugs (1) bereits vor einem Erkennen des Abhebens eine Masse (m) des Luftfahrzeugs (1) ausgehend von der bestimmten vertikalen Schubkraft (F_v) und einer Erdbeschleunigung (g) bestimmt wird, wobei das Startmanöver abgebrochen wird, wenn die bestimmte Masse (m) die Maximalmasse (m_max) überschreitet.
  10. Vertikal startendes und landendes Luftfahrzeug (1), umfassend: eine Steuereinrichtung (2), wobei die Steuereinrichtung (2) dazu eingerichtet ist, eine Masse (m) des Luftfahrzeugs (1) zu bestimmen, und hierzu eine vertikale Schubkraft (F_v) eines Antriebs (5) des Luftfahrzeugs (1) zu bestimmen, und eine Masse (m) des Luftfahrzeugs (1) zumindest ausgehend von der bestimmten vertikalen Schubkraft (F_v) und einer Erdbeschleunigung (g) zu bestimmen, und das Luftfahrzeug (1) in Abhängigkeit der bestimmten Masse (m) anzusteuern.
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