DE102013106947A1

DE102013106947A1 - Eiserfassungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102013106947A1
Application number: DE201310106947
Authority: DE
Inventors: Michael Ditze; Markus Pfeil; Florian RIES
Original assignee: TWT GmbH
Current assignee: TWT GmbH
Priority date: 2013-07-02
Filing date: 2013-07-02
Publication date: 2015-01-22
Anticipated expiration: 2033-07-03
Also published as: DE102013106947B4

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Eiserfassungsvorrichtung mit zumindest einem Sender (12a; 12b), der dazu vorgesehen ist, eine Energie in eine Eisschicht (14a; 14b) zu senden, mit Empfängern (16a; 16b), die dazu vorgesehen sind, einen in der Eisschicht (14a; 14b) reflektierten und/oder gestreuten Anteil der Energie zu erfassen, und mit einer Datenverarbeitungseinrichtung (18a; 18b), die dazu vorgesehen ist, aus einem erfassten Anteil der Energie zumindest eine Kenngröße (20a, 22a; 20b) der Eisschicht (14a; 14b) zu bestimmen. Es wird vorgeschlagen, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (18a; 18b) eine Berechnungsroutine (24a; 24b) aufweist, die dazu vorgesehen ist, die Kenngröße (20a, 22a; 20b) durch diskrete Signalverarbeitung aus dem erfassten Anteil der Energie zu ermitteln.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Eiserfassungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In der Druckschrift DE 603 17 573 T2 ist eine Eiserfassungsvorrichtung mit zumindest einem Sender, der dazu vorgesehen ist, eine Energie in eine Eisschicht zu senden, mit Empfängern, die dazu vorgesehen sind, einen in der Eisschicht reflektierten und/oder gestreuten Anteil der Energie zu erfassen, und mit einer Datenverarbeitungseinrichtung, die dazu vorgesehen ist, aus einem erfassten Anteil der Energie zumindest eine Kenngröße der Eisschicht zu bestimmen, vorgeschlagen worden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, eine gattungsgemäße Vorrichtung mit einer verbesserten Qualität hinsichtlich einer Bestimmung der Kenngröße einer Eisschicht bereitzustellen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Eiserfassungsvorrichtung mit zumindest einem Sender, der dazu vorgesehen ist, eine Energie in eine Eisschicht zu senden, mit Empfängern, die dazu vorgesehen sind, einen in der Eisschicht reflektierten und/oder gestreuten Anteil der Energie zu erfassen, und mit einer Datenverarbeitungseinrichtung, die dazu vorgesehen ist, aus einem erfassten Anteil der Energie zumindest eine Kenngröße der Eisschicht zu bestimmen.
Es wird vorgeschlagen, dass die Datenverarbeitungseinrichtung eine Berechnungsroutine aufweist, die dazu vorgesehen ist, die zumindest eine Kenngröße durch diskrete Signalverarbeitung aus dem erfassten Anteil der Energie zu ermitteln. Unter einem „Sender“ soll insbesondere ein Mittel verstanden werden, das dazu vorgesehen ist, eine Energie in einen Außenraum abzugeben, in dem mit einem Auftreten einer Eisschicht zu rechnen ist. Insbesondere ist der Außenraum von einer Luftfahrzeugaußenfläche eines Luftfahrzeugs begrenzt, an der die Eisschicht in zumindest einem Betriebszustand festgefroren ist. Die Eisschicht ist insbesondere an der Luftfahrzeugaußenfläche gewachsen. Vorteilhaft weist die Luftfahrzeugaußenfläche zumindest eine Energiedurchlassöffnung auf, durch die der Sender die Energie in den Außenraum sendet, den die Eiserfassungsvorrichtung überwacht. Vorzugsweise ist der Sender dazu vorgesehen, eine elektromagnetische Strahlung in die Eisschicht zu senden, und zwar insbesondere bei einer Eiserfassungsvorrichtung eines Luftfahrzeugs. Insbesondere weist die elektromagnetische Strahlung eine Wellenlänge kleiner als 1 mm, bevorzugt kleiner als 10 µm, besonders bevorzugt kleiner als 1 µm, auf. Alternativ könnte der Sender für einen anderen Anwendungsbereich eine andere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Energie, beispielsweise Schallwellen aussenden. Vorzugsweise umfasst der Sender eine Energiequelle, beispielsweise eine Leuchtdiode und/oder einen Laser. Vorteilhaft umfasst der Sender einen Energieleiter, insbesondere einen Lichtwellenleiter, der die Energie zu dem Außenraum transportiert, in dem ein Auftreten der Eisschicht erfasst werden soll. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Insbesondere soll unter einer „Eisschicht“ eine Schicht zumindest im Wesentlichen aus gefrorenem Wasser und ggf. Lufteinschlüssen verstanden werden. Unter einem „Empfänger“ soll insbesondere ein Mittel verstanden werden, das dazu vorgesehen ist, ein insbesondere elektrisches Empfängersignal auszugeben, das von einer Leistungsdichte des reflektierten und/oder gestreuten Anteils der Energie an einer Stelle und/oder einer Fläche abhängig ist. Insbesondere ist das Empfängersignal dazu vorgesehen, einen Messwert des Empfängers von dem Empfänger zu der Datenverarbeitungseinrichtung zu transportieren. Der Empfänger ist insbesondere dazu vorgesehen, eine Leistungsdichteinformation der Energie zu bestimmten. Der Empfänger umfasst jeweils einen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Energiedetektor, vorteilhaft jedoch eine Fotodiode. Vorzugsweise ist der Empfänger so angeordnet, dass die von dem Sender ausgesandte Energie nur durch Reflexion und/oder Streuung zum Empfänger gelangen kann. Insbesondere weist die Eiserfassungsvorrichtung zumindest zwei, vorteilhaft zumindest vier, besonders vorteilhaft zumindest sechs Empfänger auf. Insbesondere sind die Empfänger voneinander beabstandet angeordnet. Vorteilhaft weisen immer zwei der Empfänger einen gleichen Abstand zu dem Sender auf. Vorteilhaft sind der Empfänger und der Sender wie in der Druckschrift DE 603 17 573 T2 beschrieben ausgebildet und/oder angeordnet. Insbesondere soll unter einem „einen reflektierten und/oder gestreuten Anteil der Energie“ ein Anteil der Energie verstanden werden, dessen Ausbreitungsrichtung durch die Eisschicht so verändert ist, dass er durch einen der Empfänger erfassbar ist. Unter einer „Datenverarbeitungseinrichtung“ soll insbesondere eine Vorrichtung verstanden werden, die dazu vorgesehen ist, aus Messwerten der Empfänger zumindest die Kenngröße zu bestimmen. Vorzugsweise umfasst die Datenverarbeitungseinrichtung eine Recheneinheit. Unter einer „Recheneinheit“ soll insbesondere eine Einheit mit einem Informationseingang, einer Informationsverarbeitung und einer Informationsausgabe verstanden werden. Vorteilhaft weist die Recheneinheit zumindest einen Prozessor, einen Speicher, Ein- und Ausgabemittel, weitere elektrische Bauteile, ein Betriebsprogramm, Regelroutinen, Steuerroutinen und/oder Berechnungsroutinen auf. Vorzugsweise sind die Bauteile der Recheneinheit auf einer gemeinsamen Platine angeordnet und/oder vorteilhaft in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Insbesondere ist die Recheneinheit als ein Microcontroller und/oder vorteilhaft als ein Embedded-Computer ausgebildet. Unter einer „Kenngröße“ soll insbesondere eine Information verstanden werden, die die Eisschicht im Bereich des Senders und/oder der Empfänger beschreibt. Vorzugsweise ist die zumindest eine Kenngröße dazu geeignet zu entscheiden, ob die Eisschicht abgetaut werden soll. Insbesondere soll unter „bestimmen“ in diesem Zusammenhang verstanden werden, dass die Datenverarbeitungseinrichtung die Kenngröße zumindest aus Messwerten der Empfänger ermittelt. Unter einer „Berechnungsroutine“ soll insbesondere eine Rechenvorschrift verstanden werden, die dazu vorgesehen ist, von dem Prozessor der Recheneinheit ausgeführt die Kenngröße von Messwerten der Empfänger abhängig zu berechnen. Insbesondere soll unter einer „diskreten Signalverarbeitung“ eine Verarbeitung der Empfängersignale verstanden werden, bei der die Datenverarbeitungseinrichtung zumindest einen Messwert der Empfängersignale in insbesondere regelmäßigen Zeitabständen erfasst und den Messwert der Empfängersignale zur Berechnung der Kenngröße heranzieht. Vorzugsweise weist die Datenverarbeitungseinrichtung zumindest einen Analog-Digital-Wandler zur Erfassung der Informationen der Empfängersignale auf. Alternativ könnten die Empfänger die Empfängersignale mit digital codierten Messwerten ausgeben. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Eiserfassungsvorrichtung kann die Kenngröße konstruktiv einfach besonders genau bestimmt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Berechnungsroutine dazu vorgesehen ist, als die erste Kenngröße eine Eisdickeninformation und als eine zweite Kenngröße eine Eistypinformation und/oder eine Außenlufttemperaturinformation zu bestimmen, wodurch eine aerodynamische Beeinträchtigung eines Luftfahrzeugs und/oder eine Geschwindigkeit eines Eiswachstums vorteilhaft bestimmt werden kann. Insbesondere soll unter einer „Eisdickeninformation“ eine Information verstanden werden, die eine Ausdehnung der Eisschicht senkrecht zur Fläche, an der die Eisschicht haftet, in einem Bereich der Eiserfassungsvorrichtung beschreibt. Unter einer „Eistypinformation“ soll insbesondere eine Information verstanden werden, die einen Aufbau und/oder einen Luftgehalt der Eisschicht beschreibt. Insbesondere beschreibt die Eistypinformation ob die Eisschicht aus Klareis, Raueis und/oder Mischeis besteht. Unter „Klareis“ soll insbesondere Eis verstanden werden, das eine zumindest im Wesentlichen homogene Struktur aufweist. Insbesondere weist Klareis relativ zum Raueis wenige Lufteinschlüsse auf. Klareis bildet sich insbesondere aus großen, unterkühlten Wassertropfen, die im Allgemeinen in kumulusförmigen Wolken auftreten. Klareis entsteht auch, wenn ein Tropfen über die Luftfahrzeugaußenfläche fließt, um dann einen glatten Film massiven Eises zu bilden. Insbesondere weist Klareis einen Luftvolumengehalt kleiner als 20 % auf. Klareis entsteht insbesondere bei höheren Außenlufttemperaturen als Raueis und Mischeis, und zwar in der Luftfahrt insbesondere zwischen 0°C und –10°C. Unter „Raueis“ soll insbesondere ein Eis mit einer zumindest größtenteils inhomogenen Struktur verstanden werden. Raueis weist insbesondere eine unebene Oberfläche auf. Insbesondere bildet sich Raueis durch schnelles Gefrieren von unterkühlten insbesondere kleinen Wassertropfen auf Flächen, in stratusförmigen Wolken oder leichtem Nieselregen. Der nach dem ersten Aufprall flüssige Teil der Wassertropfen gefriert, bevor der Tropfen sich über die Luftfahrzeugaußenfläche ausbreitet. Die gefrorenen Wassertropfen schließen Luft zwischen sich ein. Insbesondere weist Raueis einen Luftvolumengehalt größer als 20 % auf. Klareis entsteht insbesondere bei niedrigeren Außenlufttemperaturen als Raueis und Mischeis, und zwar in der Luftfahrt insbesondere unter –20°C. Unter einem „Mischeis“ soll insbesondere ein Eis verstanden werden, das eine Struktur aufweist, deren Homogenität zwischen der Homogenität des Klareises und der Homogenität des Raueises liegt. Mischeis entsteht in der Luftfahrt insbesondere bei Außenlufttemperaturen zwischen –10°C und –20°C. Insbesondere soll unter einer „Außenlufttemperaturinformation“ eine Information verstanden werden, die von einer Temperatur einer die Eisschicht anströmenden Luft abhängig ist. Insbesondere ist die Berechnungsroutine dazu vorgesehen, von einer Eistypinformation auf eine Außenlufttemperaturinformation oder von einer Außenlufttemperaturinformation auf eine Eistypinformation zu schließen. Alternativ oder zusätzlich könnte die Eiserfassungsvorrichtung die Außenlufttemperaturinformation durch eine zusätzliche Messvorrichtung bestimmen.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Berechnungsroutine dazu vorgesehen ist, zumindest eine Genauigkeitsinformation der zumindest einen Kenngröße zu bestimmen, wodurch eine Zuverlässigkeit der Kenngröße vorteilhaft angegeben werden kann. Insbesondere soll unter einer „Genauigkeitsinformation“ eine Information verstanden werden, die eine Wahrscheinlichkeit einer Abweichung eines Werts der Kenngröße von einem tatsächlichen Wert, insbesondere einer tatsächlichen Eisdicke, einem tatsächlichen Eistyp und/oder einer tatsächlichen Außenlufttemperaturinformation verstanden werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Berechnungsroutine dazu vorgesehen ist, eine Direktreflexionsinformation zumindest zu erfassen, wodurch ein Messfehler durch ein Direktreflexion vorteilhaft erkannt und insbesondere zumindest teilweise korrigiert werden kann. Unter einer „Direktreflexionsinformation“ soll insbesondere eine Information verstanden werden, die beschreibt, ob die von dem Sender ausgesendete Energie durch Reflexion an weniger Reflexionsflächen der Eisschicht als erwartet zu dem Empfänger gelangt, insbesondere an weniger als drei Reflexionsflächen, zumeist an einer Reflexionsfläche. Insbesondere tritt eine Direktreflexion vermehrt bei Klareis auf. Vorzugsweise ist die Berechnungsroutine dazu vorgesehen, die Direktreflexionsinformation dadurch zu erfassen, dass ein Messwert eines der Empfänger höher als ein erwarteter Messwert ist. Besonders bevorzugt ist die Berechnungsroutine dazu vorgesehen, die Direktreflexionsinformation dadurch zu erfassen, dass sich die Messwerte von zwei Empfängern, die in einem gleichen Abstand zu dem Sender angeordnet sind, wesentlich unterscheiden. Vorteilhaft ist die Berechnungsroutine dazu vorgesehen, zumindest eine Direktreflexion zu kompensieren. Insbesondere verwendet die Berechnungsroutine bei zwei Empfängern mit dem gleichen Abstand zu dem Sender einen Messwert des Empfängers, der zumindest im Wesentlichen frei von einer Direktreflexion ist. Alternativ oder zusätzlich könnte die Berechnungsroutine dazu vorgesehen sein, die Direktreflexion einem übergeordneten System, beispielsweise einer Flugzeugenteisungsvorrichtung, zu melden und/oder die Genauigkeitsinformation anzupassen.
Zudem wird vorgeschlagen, dass die Berechnungsroutine zumindest einen Kalman-Filter umfasst, wodurch besonders genaue und zuverlässige Messwerte erreicht werden können. Unter einem „Kalman-Filter“ soll insbesondere eine Methode verstanden werden, die dazu vorgesehen ist, Messfehler und Messrauschen der Empfänger zumindest teilweise zu kompensieren. Vorzugsweise ist der Kalman-Filter dazu vorgesehen, eine Messwertinformation und eine von einer erwarteten Kenngröße abhängige erwartete Messwertinformation zu vergleichen. Besonders bevorzugt weist die Berechnungsroutine einen erweiterten Kalman-Filter auf. Insbesondere soll unter einer „Messwertinformation“ eine Information verstanden werden, die eine insbesondere tatsächliche oder erwartete Messung der Empfänger beschreibt. Vorzugsweise umfasst die Messwertinformation Messwerte der Empfänger, die bei einer erfassten Direktreflexion vorteilhaft korrigiert sind, und/oder eine Breite und eine Amplitude eines gaußglockenförmigen Intensitätsprofils der Messwerte der Empfänger. Unter einer „erwarteten Kenngröße“ soll insbesondere zumindest eine Kenngröße verstanden werden, die auf Informationen, insbesondere der Kenngröße, zu einem Zeitpunkt basiert, und die Kenngröße zu einem späteren Zeitpunkt beschreibt.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Berechnungsroutine zumindest eine Eiswachstumsvorhersageroutine zur Bestimmung einer Entwicklung der Eisschicht umfasst, wodurch eine Entwicklung der Eisschicht vorteilhaft vorhergesagt werden kann. Insbesondere soll unter einer „Eiswachstumsvorhersageroutine zur Bestimmung einer Entwicklung der Eisschicht“ eine Berechnungsvorschrift verstanden werden, mit der zumindest ein Eiswachstum in einem Betriebszustand bestimmbar ist. Insbesondere ist ein Simulationsmodel dazu vorgesehen, die erwartete Kenngröße zu berechnen. Vorzugsweise bestimmt das Simulationsmodell die Entwicklung der Eisschicht von einer gemessenen und/oder vorteilhaft berechneten Außenlufttemperaturinformation und/oder Eistypinformation abhängig.
In einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Berechnungsroutine eine Umsetzungstabellenfunktion umfasst, die zur Bestimmung einer insbesondere erwarteten Messwertinformation vorgesehen ist, wodurch die erwartete Messwertinformation zu einer Kenngröße mit vorteilhaft wenig Rechenleistung bestimmt werden kann. Alternativ oder zusätzlich könnte die Berechnungsroutine eine Berechnungs- und/oder Simulationsroutine umfassen, die dazu vorgesehen ist, die Messwertinformation zu bestimmen. Insbesondere soll unter einer „Umsetzungstabellenfunktion“ eine Funktion verstanden werden, die anhand einer Umsetzungstabelle einen Wert einem anderen Wert zuordnet, insbesondere wenn eine Berechnung des Werts zu rechenaufwendig ist. Unter einer „Umsetzungstabelle“ soll insbesondere eine Informationsmenge verstanden werden, die einer großen Anzahl Werten der Kenngröße jeweils eine Messwertinformation zuordnet.
In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Berechnungsroutine zumindest ein neuronales Netz umfasst, wodurch die Kenngröße mit besonders wenig Rechenleistung bestimmt werden kann. Insbesondere soll unter einem „neuronalen Netz“ eine Berechnungsmethode verstanden werden, die mehrere miteinander vernetzte künstliche Neuronen aufweist. Vorzugsweise umfasst das neuronale Netz eine Eingabeschicht, zumindest eine verdeckte Schicht und eine Ausgabeschicht. Vorteilhaft ist das neuronale Netz als ein mehrlagiges Perzeptron (engl. multi-layer perceptron, MLP) ausgebildet.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das neuronale Netz mit Simulationsdaten und/oder mit Messdaten trainiert ist, wodurch ein besonders genaues Ergebnis bei der Bestimmung der Kenngröße möglich ist. Unter “Simulationsdaten” sollen insbesondere Daten verstanden werden, die durch eine Computersimulation erzeugt sind und einen Zusammenhang zwischen Messwerten der Empfänger und Werten der zumindest einen Kenngröße beschreiben. Unter „Messdaten“ sollen insbesondere Daten verstanden werden, die einen Zusammenhang zwischen Messwerten der Empfänger einerseits und auf einem von der Eiserfassungsvorrichtung unabhängigen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Wege bestimmten Werten von Kenngrößen andererseits beschreiben. Insbesondere sind die Messdaten durch Versuche in einem Klimawindkanal entstanden. Besonders vorteilhaft ist das Netz mit Simulationsdaten und mit Messdaten trainiert. Dabei sind in den Messdaten vorhandene Lücken durch Simulationsdaten geschlossen. Vorzugsweise ist das neuronale Netz mittels des Levenberg-Marquardt-Algorithmus trainiert. Vorzugsweise wird das neuronale Netz von der Datenverarbeitungseinrichtung und anschließend zumindest auf die Datenverarbeitungseinrichtung übertragen, wodurch beim Training eine wesentlich leistungsfähigere Rechenvorrichtung verwendet werden kann und das neuronale Netz auf mehrere Datenverarbeitungseinrichtungen übertragen werden kann.
Ferner wird vorgeschlagen, dass eine Umsetzungstabelle der Umsetzungstabellenfunktion und/oder die Simulationsdaten zumindest teilweise durch eine Monte-Carlo-Simulation berechnet sind, wodurch der nichtlineare Zusammenhang zwischen den Messwerten der Empfänger und der Kenngröße besonders vorteilhaft bestimmt werden kann. Unter einer „Monte-Carlo-Simulation“ soll insbesondere eine Simulation verstanden werden, bei der zufällige Zustände erzeugt und bewertet werden.
Des Weiteren geht die Erfindung aus von einem Luftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Eiserfassungsvorrichtung. Die Eiserfassungsvorrichtung ist bei allen dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Luftfahrzeugen einsetzbar, vorteilhaft jedoch bei Hubschraubern und Flugzeugen. Alternativ ist die erfindungsgemäße Eiserfassungsvorrichtung bei anderen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Vorrichtungen, vorteilhaft jedoch bei Hochspannungsmasten und/oder besonders vorteilhaft bei Windkraftanlagen, einsetzbar.
Zeichnungen
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
1 eine Eiserfassungsvorrichtung mit einer Datenverarbeitungseinrichtung und Empfängern sowie einen Teil eines Flügels eines Luftfahrzeugs,
2 eine Struktur einer Berechnungsroutine der Datenverarbeitungseinrichtung aus 1,
3 einen erweiterten Kalman-Filter der Berechnungsroutine aus 2,
4 ein gaußglockenförmiges Intensitätsprofil der Empfänger aus 1,
5 einen Graph einer Amplitude des gaußglockenförmigen Intensitätsprofils aus 4,
6 einen Graph einer Breite des gaußglockenförmigen Intensitätsprofils aus 4 und
7 ein neuronales Netz eines alternativen Ausführungsbeispiels der Datenverarbeitungseinrichtung aus 1.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt einen Teil eines Flügels 46a eines Luftfahrzeugs und eine Eiserfassungsvorrichtung 10a eines Enteisungssystems des Luftfahrzeugs. Die Eiserfassungsvorrichtung 10a weist einen Sender 12a, sechs Empfänger 16a und eine Datenverarbeitungseinrichtung 18a auf. Der Sender 12a umfasst eine in die Datenverarbeitungseinrichtung 18a integrierte Energiequelle und einen Lichtwellenleiter 48a. Die Energiequelle gibt eine Energie in Form von Licht ab. Eine Luftfahrzeugaußenfläche 52a des Luftfahrzeugs weist sieben Energiedurchlassöffnungen 50a auf. Der Lichtwellenleiter 48a leitet die Energie der Energiequelle von der Energiequelle bis zu einer mittleren der Energiedurchlassöffnungen 50a und durch diese Energiedurchlassöffnung 50a in einen Außenraum, den die Eiserfassungsvorrichtung 10a auf ein Auftreten einer Eisschicht 14a überwacht. Somit ist der Sender 12a dazu vorgesehen eine Energie in die Eisschicht 14a zu senden.
Die Empfänger 16a weisen jeweils einen in die Datenverarbeitungseinrichtung 18a integrierten Energiedetektor und einen Lichtwellenleiter 54a auf. Die Energiedetektoren sind als Fotodioden ausgebildet. Die Lichtwellenleiter 54a sind dazu vorgesehen, einen in der Eisschicht 14a reflektierten und/oder gestreuten und in die Energiedurchlassöffnungen 50a einfallenden Anteil der Energie der Energiequelle zu den Energiedetektoren zu leiten. Jeweils zwei der Energiedurchlassöffnungen 50a sind in einem gleichen Abstand zu der mittleren Energiedurchlassöffnung 50a angeordnet. Die Energiedetektoren erfassen einen Wert einer Leistungsdichte an den Energiedurchlassöffnungen 50a. Die Empfänger 16a geben ein Empfängersignal 58a aus, das einen Messwert, der die Leistungsdichte beschreibt, zu der Datenverarbeitungseinrichtung 18a transportiert. Die Datenverarbeitungseinrichtung 18a erfasst das Empfängersignal 58a und bestimmt einen erfassten Anteil der Energie. Dazu umfasst die Datenverarbeitungseinrichtung 18a Analog-Digital-Wander, die die Empfängersignale 58a zeitdiskret abtasten.
2 zeigt eine Berechnungsroutine 24a der Datenverarbeitungseinrichtung 18a. Die Berechnungsroutine 24a wird bei einem Betrieb von einer Recheneinheit der Datenverarbeitungseinrichtung 18a ausgeführt. Die Berechnungsroutine 24a ist dazu vorgesehen, die Kenngröße 20a, 22a der Eisschicht 14a in zeitdiskreten Schritten aus den Empfängersignalen 58a der Empfänger 16a zu berechnen. Somit ist die Berechnungsroutine 24a dazu vorgesehen, die Kenngrößen 20a, 22a durch diskrete Signalverarbeitung aus dem erfassten Anteil der Energie zu ermitteln. Die Berechnungsroutine 24a ist dazu vorgesehen, als die erste Kenngröße 20a eine Eisdickeninformation und als die zweite Kenngröße 22a eine Außenlufttemperaturinformation zu bestimmen.
Die Berechnungsroutine 24a umfasst eine Datenvorverarbeitungsroutine 56a, einen ersten erweiterten Kalman-Filter 32a und einen zweiten erweiterten Kalman-Filter 34a. Die Datenvorverarbeitungsroutine 56a ist dazu vorgesehen, aus den Messwerten der Empfängersignale 58a der Empfänger 16a eine Direktreflexionsinformation 30a, eine binäre Eisdetektionsinformation 60a und eine gemessene Messwertinformation 62a zu bestimmen. Die Datenvorverarbeitungsroutine 56a erkennt eine Direktreflexion in der Eisschicht 14a und gibt in diesem Fall eine diese Information umfassende Direktreflexionsinformation 30a aus. Die Datenvorverarbeitungsroutine 56a gibt eine gemessene Messwertinformation 62a aus. Die gemessene Messwertinformation 62a weist eine Breite und eine Amplitude eines gaußglockenförmigen Intensitätsprofils der Messwerte der Empfänger 16a auf. Die Datenvorverarbeitungsroutine 56a korrigiert dabei die erfassten Direktreflexionen. Die binäre Eisdetektionsinformation 60a gibt an, ob auf der Luftfahrzeugaußenfläche 52 eine Eisschicht 14a vorhanden ist oder keine Eisschicht 14a vorhanden ist.
Die Datenvorverarbeitungsroutine 56a übergibt die Eisdetektionsinformation 60a und die Messwertinformation 62a an den ersten Kalman-Filter 32a. Die Datenvorverarbeitungsroutine 56a übergibt die Direktreflexionsinformation 30a und die Messwertinformation 62a an den zweiten Kalman-Filter 34a.
3 zeigt den ersten erweiterten Kalman-Filter 32a. Der Kalman-Filter 32a weist zumindest eine Speicherfunktion 64a, eine Eiswachstumsvorhersageroutine 66a und eine Kenngrößenkorrekturroutine 68a auf. Die Speicherfunktion 64a ist dazu vorgesehen, eine zuletzt bestimmte bisherige Kenngröße 20a zu speichern und auszugeben. Die Eiswachstumsvorhersageroutine 66a ist dazu vorgesehen, eine erwartete Kenngröße 70a zumindest aus der bisherigen Kenngröße 20a zu bestimmen. Die Eiswachstumsvorhersageroutine 66a berechnet die erwartete Kenngröße 70a aus der bisherigen Kenngröße 20a, aus der Eisdetektionsinformation 60a und aus der zweiten Kenngröße 22a. Dabei wird von einem linearen Eiswachstum von 0,015 mm/s bei –5°C Außenlufttemperatur oder Klareis, von 0,035 mm/s bei –15°C Außenlufttemperatur oder Mischeis und von 0,037 mm/s pro Minute bei –25°C Außenlufttemperatur oder Raueis ausgegangen. Bei anderen Außenlufttemperaturen passt die Eiswachstumsvorhersageroutine 66a einen Wert des Eiswachstums linear an.
Die Kenngrößenkorrekturroutine 68a ist dazu vorgesehen, einen neuen Wert der Kenngröße 20a‘ zu bestimmen. Die Eiswachstumsvorhersageroutine 68a bestimmt den neuen Wert der Kenngröße 20a‘ zumindest aus dem Wert der erwarteten Kenngröße 70a und aus der mittels der Empfänger 16a bestimmten Messwertinformation 62a. Bei diesem erweiterten Kalman-Filter 32a bestimmt die Eiswachstumsvorhersageroutine 68a den neuen Wert der Kenngröße 20a‘ zudem aus einer Kalmanverstärkung 72a, die eine Kalmanverstärkung-Bestimmungsroutine 74a des Kalman-Filters 32a ermittelt. Zudem bestimmt die Kenngrößenkorrekturroutine 68a den neuen Wert der Kenngröße 20a‘ aus einer Messwertinformation 38a, die eine Umsetzungstabellenfunktion 36a des Kalman-Filter 32a aus dem bisherigen Wert der Kenngröße 20a und der bisherigen zweiten Kenngröße 22a ermittelt. Eine Umsetzungstabelle der Umsetzungstabellenfunktion 36a ist aus Messdaten bestimmt, wobei zwischen den Messdaten liegende Werte durch eine Monte-Carlo-Simulation berechnet sind.
Die Eiswachstumsvorhersageroutine 68a ermittelt eine Differenz aus der Messwertinformation 62a der Empfänger 16a und der Messwertinformation 38a des neuen Werts der Kenngröße 20a‘. Diese Differenz beschreibt somit einen Unterschied der Messwertinformationen 38a, 62a zwischen einer gemessenen Eisschicht 14a und einer durch die Kenngrößen 20a, 22a beschriebenen Eisschicht. Die Eiswachstumsvorhersageroutine 68a rechnet mittels der Kalmanverstärkung 72a aus der bestimmten Differenz der Messwertinformation 38a, 62a einen Wert, um den die neue Kenngröße 20a‘ im Gegensatz zur bisherigen Kenngröße 20a korrigiert wird.
Die Kalmanverstärkung-Bestimmungsroutine 74a bestimmt die Kalmanverstärkung 72a aus einer vorhergesagten Genauigkeitsinformation 28a‘ und einer Messgenauigkeitsinformation 76a. Die Messgenauigkeitsinformation 76a bestimmt die Umsetzungstabellenfunktion 36a, indem eine Messwertinformation mittels einer um einen konstanten Wert, hier 0,125, verfälschten bisherigen Kenngröße 20a einer Umsetzungstabelle der Umsetzungstabellenfunktion 36a bestimmt wird und eine daraus resultierende Abweichung bestimmt wird. Die Messgenauigkeitsinformation 76a ist die mit dem konstanten Wert normierte Abweichung. Die Messgenauigkeitsinformation 76a beschreibt also, um wie viel ein Messfehler der Empfänger 16a eine Bestimmung der Messwertinformation 38a in einem aktuellen Arbeitspunkt verfälscht.
Der Kalman-Filter 32a weist eine Genauigkeitsinformation-Vorhersageroutine 78a, eine Genauigkeitsinformation-Korrekturroutine 80a und einen Genauigkeitsinformationsspeicher 82a auf. Die Genauigkeitsinformation-Vorhersageroutine 78a bestimmt die vorhergesagte Genauigkeitsinformation 28a‘ aus einer bisherigen Genauigkeitsinformation 28a und einer Prozess-Kovarianzmatrix. Die Genauigkeitsinformation-Korrekturroutine 80a korrigiert die Genauigkeitsinformation 28a anhand der Kalmanverstärkung 72a und der Messgenauigkeitsinformation 76a. Die Genauigkeitsinformation 28a wird somit mittels eines in dem erweiterten Kalman-Filter 32a integrierten Kalman-Filters bestimmt. Der Genauigkeitsinformationsspeicher 82a speichert die Genauigkeitsinformation 28a für einen nächsten diskreten Rechenschritt der Berechnungsroutine 24a.
Der erweiterte Kalman-Filter 32a weist eine Plausibilitätsprüfungsroutine 84a auf. Die Plausibilitätsprüfungsroutine 84a überprüft, ob die in einem letzten Rechenschritt berechnete Kenngröße 20a plausible Werte aufweist. Dazu überprüft die Plausibilitätsprüfungsroutine 84a, ob die Kenngröße 20a in einem vorgegebenen Wertebereich ist und ob die Kenngröße 20a zu der Eisdetektionsinformation 60a passt.
4 zeigt ein beispielhaftes gaußglockenförmiges Intensitätsprofil 86a der Messwertinformation 38a sowie Messwerte 88a der Empfänger 16a über einem Abstand 90a relativ zu einer Anordnung des Senders 12a. 5 zeigt einen Graph einer Amplitude 92a des gaußglockenförmigen Intensitätsprofils 86a der Messwertinformation 38a über der ersten Kenngröße 20a und der zweiten Kenngröße 22a. 6 zeigt einen Graph einer Breite 94a des gaußglockenförmigen Intensitätsprofils 86a der Messwertinformation 38a über der ersten Kenngröße 20a und der zweiten Kenngröße 22a.
In der 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die nachfolgende Beschreibung und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung des anderen Ausführungsbeispiels der 1 bis 6 verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 1 bis 6 nachgestellt. In dem Ausführungsbeispiel der 7 ist der Buchstabe a durch den Buchstaben b ersetzt.
Die Eiserfassungsvorrichtung 10b weist einen Sender 12b, sechs Empfänger 16b und eine Datenverarbeitungseinrichtung 18b auf. Der Sender 12b und die Empfänger 16b sind wie in dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 beschrieben ausgestaltet. Der Sender 12b sendet eine Energie in eine Eisschicht. Die Empfänger 16b erfassen einen in einer Eisschicht reflektierten und/oder gestreuten Anteil der Energie. Die Datenverarbeitungseinrichtung 18b weist drei neuronale Netze 40b, 42b, 44b auf, die einen identischen Aufbau aufweisen und unterschiedlich trainiert sind. Ein Aufbau der neuronalen Netze 40b, 42b, 44b ist nachfolgend anhand eines ersten der neuronalen Netze 40b beschrieben.
Das erste neuronale Netz 40b weist eine Eingabeschicht 96a auf, deren Neuronen 98b jeweils von einem Empfängersignal 58b von einem der Empfänger 16b angesteuert werden. Demnach weist die Eingabeschicht 96b genau so viele Neuronen 98b auf, wie die Eiserfassungsvorrichtung 10b Empfänger 16b aufweist. Das neuronale Netz 40b weist eine erste verdeckte Schichten 100b und eine zweite verdeckte Schicht 102b auf. Neuronen 104b der ersten verdeckten Schicht 100b sind mit allen Neuronen 98b der Eingabeschicht 96b verbunden. Neuronen 106b der zweiten verdeckten Schicht 102b sind mit allen Neuronen 104b der ersten verdeckten Schicht 100b verbunden. Die verdeckte Schicht 100b weist eine, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Anzahl von Neuronen 104b, 106b auf, hier eine gleiche Anzahl wie die Eingabeschicht 96b. Eine Ausgabeschicht 108b des ersten neuronalen Netzes 40b weist ein Neuron 110b auf, das mit allen Neuronen 106b der zweiten verdeckten Schicht 102b verbunden ist. Das Neuron 110b der Ausgabeschicht 108 gibt ein Kenngröße 20b aus.
Das erste der neuronalen Netze 40b ist dazu trainiert, die erste Kenngröße 20b zu bestimmen. Dazu ist das erste neuronale Netz 40b mit Messwerten der Empfänger 16b und Messdaten der ersten Kenngröße 20b trainiert, wobei Lücken der Messdaten mit Simulationsdaten geschlossen sind. Die Simulationsdaten sind mittels einer Monte Carlo-Simulation gewonnen. Nach dem Training des ersten neuronalen Netzes 40b wird eine Genauigkeitsinformation 26b der ersten Kenngröße 20b bestimmt. Die Genauigkeitsinformation 26b ist als ein Restfehler des ersten neuronalen Netzes 40b ausgebildet.
Das zweite der neuronalen Netze 42b wird mit den Messwerten der Empfänger 16b und der Genauigkeitsinformation 26b trainiert. Das zweite neuronale Netz 42b gibt somit bei einem Betrieb die Genauigkeit der ersten Kenngröße 20b an. Das dritte der neuronalen Netze 44b wird darauf trainiert, innerhalb und außerhalb eines Trainingsbereichs des ersten neuronalen Netzes 40b unterschiedliche Werte auszugeben, beispielsweise 1 und 0. Ferner könnte die Datenverarbeitungseinrichtung 18b ein weiteres neuronales Netz aufweisen, das dazu vorgesehen ist, eine zweite Kenngröße, und zwar eine Eistypinformation und/oder eine Außenlufttemperaturinformation, zu bestimmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 60317573 T2 [0002, 0005]

Claims

Eiserfassungsvorrichtung mit zumindest einem Sender (12a; 12b), der dazu vorgesehen ist, eine Energie in eine Eisschicht (14a; 14b) zu senden, mit Empfängern (16a; 16b), die dazu vorgesehen sind, einen in der Eisschicht (14a; 14b) reflektierten und/oder gestreuten Anteil der Energie zu erfassen, und mit einer Datenverarbeitungseinrichtung (18a; 18b), die dazu vorgesehen ist, aus einem erfassten Anteil der Energie zumindest eine Kenngröße (20a, 22a; 20b) der Eisschicht (14a; 14b) zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (18a; 18b) eine Berechnungsroutine (24a; 24b) aufweist, die dazu vorgesehen ist, die zumindest eine Kenngröße (20a, 22a; 20b) durch diskrete Signalverarbeitung aus dem erfassten Anteil der Energie zu ermitteln.
Eiserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungsroutine (24a; 24b) dazu vorgesehen ist, als die erste Kenngröße (20a; 20b) eine Eisdickeninformation und als eine zweite Kenngröße (22a) eine Eistypinformation und/oder eine Außenlufttemperaturinformation zu bestimmen.
Eiserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungsroutine (24a; 24b) dazu vorgesehen ist, zumindest eine Genauigkeitsinformation (26a, 28a; 26b, 28b) der zumindest einen Kenngröße (20a, 22a; 20b) zu bestimmen.
Eiserfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungsroutine (24a; 24b) dazu vorgesehen ist, eine Direktreflexionsinformation (30a; 30b) zumindest zu erfassen.
Eiserfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungsroutine (24a) zumindest einen Kalman-Filter (32a, 34a) umfasst.
Eiserfassungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungsroutine (24a) zumindest eine Eiswachstumsvorhersageroutine (66a) zur Bestimmung einer Entwicklung der Eisschicht (14a) umfasst.
Eiserfassungsvorrichtung zumindest nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungsroutine (24a) eine Umsetzungstabellenfunktion (36a) umfasst, die zur Bestimmung einer Messwertinformation (38a) vorgesehen ist.
Eiserfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungsroutine (24b) zumindest ein neuronales Netz (40b, 42b, 44b) umfasst.
Eiserfassungsvorrichtung zumindest nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das neuronale Netz (40b, 42b, 44b) mit Simulationsdaten und/oder mit Messdaten trainiert ist.
Eiserfassungsvorrichtung zumindest nach Anspruch 7 und/oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Umsetzungstabelle der Umsetzungstabellenfunktion (36a) und/oder die Simulationsdaten zumindest teilweise durch eine Monte-Carlo-Simulation berechnet sind.
Luftfahrzeug mit einer Eiserfassungsvorrichtung (10a; 10b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Windkraftanlage mit einer Eiserfassungsvorrichtung (10a; 10b) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Verfahren zur Bestimmung zumindest einer Kenngröße (20a, 22a; 20b) einer Eisschicht (14a; 14b) mit einem Sender (12a; 12b), der eine Energie in die Eisschicht (14a; 14b) sendet, mit Empfängern (16a; 16b), die einen in der Eisschicht (14a; 14b) reflektierten und/oder gestreuten Anteil der Energie erfassen, mit einer Datenverarbeitungseinrichtung (18a; 18b), die aus einem erfassten Anteil der Energie zumindest die Kenngröße (20a, 22a; 20b) der Eisschicht (14a; 14b) bestimmen, wobei eine Berechnungsroutine (24a; 24b) der Datenverarbeitungseinrichtung (18a; 18b) die zumindest eine Kenngröße (20a, 22a; 20b) durch diskrete Signalverarbeitung aus dem erfassten Anteil der Energie ermittelt.