DE102015121517B4

DE102015121517B4 - Method and device for determining a speed vector of a wind prevailing in the surroundings of an aircraft, and aircraft

Info

Publication number: DE102015121517B4
Application number: DE102015121517.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Fengler
Original assignee: Meteomatics GmbH
Current assignee: Meteomatics GmbH
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2017-08-03
Anticipated expiration: 2035-12-11
Also published as: DE102015121517A1

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung eines Geschwindigkeitsvektors eines in der Umgebung eines Fluggeräts herrschenden Windes, umfasst ein Erfassen einer Globalposition des Fluggeräts, ein Ermitteln einer Differenz zwischen der erfassten Globalposition des Fluggeräts und einer vorbestimmten Sollposition, ein Berechnen von zumindest einer Flugsteuergröße basierend auf der ermittelten Differenz derart, dass die Globalposition des Fluggeräts mit der vorbestimmte Sollposition im Wesentlichen in Übereinstimmung gebracht wird, und ein Bestimmen des Geschwindigkeitsvektors eines in der Umgebung des Fluggeräts herrschenden Windes basierend auf der berechneten zumindest einen Flugsteuergröße. Dazu wird eine Steuerung des Fluggeräts derart durchgeführt, dass das Fluggerät mit einer vorbestimmten Winkelgeschwindigkeit um eine Hochachse des Fluggeräts rotiert. Der Geschwindigkeitsvektor des in der Umgebung des Fluggeräts herrschenden Windes wird basierend auf der während eines Rotierens um zumindest 360° um die Hochachse des Fluggeräts berechneten zumindest einen Flugsteuergröße bestimmt.The inventive method for determining a velocity vector of a prevailing in the vicinity of an aircraft wind, comprising detecting a global position of the aircraft, determining a difference between the detected global position of the aircraft and a predetermined target position, calculating at least one flight control variable based on the determined difference such that the aircraft's global position is substantially coincident with the predetermined target position, and determining the velocity vector of a prevailing wind in the vicinity of the aircraft based on the calculated at least one flight control variable. For this purpose, a control of the aircraft is performed such that the aircraft rotates at a predetermined angular velocity about a vertical axis of the aircraft. The velocity vector of the prevailing wind in the vicinity of the aircraft is determined based on the at least one flight control variable calculated during rotation by at least 360 ° about the vertical axis of the aircraft.

Description

Zur Bestimmung gegenwärtiger Wetterbedingungen wie auch zur Vorhersage zukünftigen Wetters werden Angaben zu Windgeschwindigkeiten benötigt. Windgeschwindigkeiten in mehr als einer Höhe sind besonders nützlich.Wind speed data are needed to determine current weather conditions as well as to forecast future weather. Wind speeds in excess of one altitude are especially useful.

Es ist bekannt, Windgeschwindigkeiten mittels Pitotrohren bzw. Prandtlsonden zu bestimmen. Diese Messsonden werden in der Luftfahrt eingesetzt, um Fluggeschwindigkeiten von Flugzeugen zu messen, und werden ebenso in der Meteorologie verwendet, um Windgeschwindigkeiten zu messen.It is known to determine wind speeds by means of pitot tubes or Prandtl probes. These probes are used in aviation to measure airspeed of aircraft, and are also used in meteorology to measure wind speeds.

Das Funktionsprinzip ist dabei das gleiche. An einem Staurohr, dessen Öffnung in Richtung des anstehenden Luftstroms zeigt, wird die Summe aus dynamischem Druck (Staudruck) und statischem Druck (Umgebungsdruck) gemessen. An seitlichen Öffnungen wird nur der statische Druck gemessen. Die Differenz der beiden Messwerte ergibt den reinen dynamischen Druck, der ein Indikator für die Geschwindigkeit des anstehenden Luftstroms, beispielsweise eines Windes, ist.The functional principle is the same. The sum of dynamic pressure (dynamic pressure) and static pressure (ambient pressure) is measured on a pitot tube, the opening of which points in the direction of the pending airflow. At lateral openings only the static pressure is measured. The difference between the two measurements gives the pure dynamic pressure, which is an indicator of the velocity of the upcoming airflow, for example a wind.

Es ist bekannt, Pitotrohre an unbemannten Luftfahrzeugen (Starrflügelluftfahrzeug bzw. Flächenflügelluftfahrzeug) anzubringen, um mittels bestimmter Flugmanöver eine Windgeschwindigkeit relativ zu dem Luftfahrzeug zu messen. Dazu muss das Pitotrohr in die Richtung des erwarteten Windes gedreht werden (Flugmanöver), bzw. das Pitotrohr mehrere Staurohre mit zueinander verschiedenen Winkeln aufweisen. Ferner muss die Geschwindigkeit des Luftfahrzeugs über Grund mittels anderer Sensorik bestimmt werden. Aus der Windgeschwindigkeit relativ zu dem Luftfahrzeug und der Geschwindigkeit des Luftfahrzeugs über Grund kann die Windgeschwindigkeit über Grund bestimmt werden.It is known to mount pitot tubes to unmanned aircraft (fixed wing aircraft) in order to measure a wind speed relative to the aircraft by means of certain maneuvers. For this purpose, the pitot tube must be turned in the direction of the expected wind (flight maneuver), or the pitot tube have several pitot tubes with mutually different angles. Furthermore, the speed of the aircraft over ground must be determined by means of other sensors. From the wind speed relative to the aircraft and the speed of the aircraft over ground, the wind speed over ground can be determined.

Wie vorstehend beschrieben setzt diese Form der Windmessung bestimmte Flugmanöver voraus. Ferner ist diese Form der Windmessung nicht für einen Einsatz mit Drehflügelluftfahrzeugen, insbesondere mit Multikoptern nicht geeignet. Die durch die nach unten gerichteten Rotoren verursachen nämlich eine Umwirbelung des Luftfahrzeugs derart, dass die von der erfassten aufgenommenen Drücke nicht mehr der Windgeschwindigkeit entsprechen bzw. die erfassten Windgeschwindigkeitswerte stark von den Umwirbelungen verfälscht sind.As described above, this form of wind measurement requires certain maneuvers. Furthermore, this form of wind measurement is not suitable for use with rotary wing aircraft, especially with multicopters. Namely, the rotors which are directed downwards cause the aircraft to re-spin such that the pressures recorded by the detected pressure no longer correspond to the wind speed or the detected wind speed values are greatly falsified by the turbulences.

Druckschrift US 2014/0046510 A1 zeigt ein Verfahren eines Schätzens eines Windvektors, bei dem ein ausgeführtes Flugmanöver erkannt und eine flugmanöverabhängige Berechnungsprozedur ausgeführt wird.pamphlet US 2014/0046510 A1 shows a method of estimating a wind vector in which an executed maneuver is detected and a maneuver-dependent calculation procedure is performed.

Druckschrift DE 199 06 955 C1 zeigt ein Verfahren zur Bestimmung eines Windvektors, wobei bei zwei aufeinanderfolgenden Messreihen mit jeweils verschiedenen konstanten Kompasskursen Geschwindigkeiten über Grund, tatsächliche Fluggeschwindigkeiten und Kurse über Grund ermittelt und grafisch dargestellt werden, wobei sich der Windvektor aus einer speziellen Anordnung der grafischen Darstellungen ergibt.pamphlet DE 199 06 955 C1 shows a method for determining a wind vector, wherein in two consecutive series of measurements, each with different constant compass courses speeds above ground, actual airspeed and course over ground are determined and graphed, the wind vector results from a special arrangement of the graphs.

Druckschrift US 2013/0158749 A1 zeigt ein Verfahren einer Bestimmung einer Fluidgeschwindigkeit, bei dem ein Fahrzeug in dem Fluid platziert wird, die Ursprungsposition des Fahrzeugs bestimmt wird, das Fahrzeug dazu gebracht wird, sich entlang eines vorbestimmten Kurses mit einer prognostizierten Endposition durch das Fluid fortzubewegen, die tatsächliche Endposition des Fahrzeugs bestimmt wird, und die Fluidgeschwindigkeit durch Vergleich der prognostizierten Endposition mit der tatsächlichen Endposition des Fahrzeugs berechnet wird.pamphlet US 2013/0158749 A1 FIG. 12 shows a method of determining a fluid velocity at which a vehicle is placed in the fluid, the origin position of the vehicle is determined, the vehicle is caused to travel along a predetermined course having a predicted end position through the fluid, the actual end position of the vehicle is determined, and the fluid velocity is calculated by comparing the predicted end position with the actual end position of the vehicle.

Druckschrift US 8 219 267 B2 zeigt ein Verfahren einer Bestimmung einer Windgeschwindigkeit durch Modellieren einer Beschleunigung eines Fluggeräts, Messen der tatsächlichen Beschleunigung des Fluggeräts, und Berechnen eines Integrals der Differenz zwischen der modellierten Beschleunigung und der gemessenen Beschleunigung als die Windgeschwindigkeit.pamphlet US 8 219 267 B2 shows a method of determining a wind speed by modeling an acceleration of an aircraft, measuring the actual acceleration of the aircraft, and calculating an integral of the difference between the modeled acceleration and the measured acceleration as the wind speed.

Druckschrift US 2014/0129057 A1 zeigt ein Verfahren einer Bestimmung eines Windfelds durch Messen einer Geschwindigkeit über Grund, Schätzen einer tatsächlichen Fluggeschwindigkeit basierend auf einer Beschleunigung, einem Luftwiderstandsmodell und einem Aerodynamiksteuermodell des Fluggeräts, und durch Schätzen des Windfelds basierend auf der Geschwindigkeit über Grund und der tatsächlichen Fluggeschwindigkeit. Das geschätzte Windfeld wird zur Navigationssteuerung des Fluggeräts herangezogen.pamphlet US 2014/0129057 A1 FIG. 12 shows a method of determining a wind field by measuring ground speed, estimating an actual airspeed based on an acceleration, an air resistance model, and an aerodynamic control model of the aircraft, and estimating the wind field based on ground speed and actual airspeed. The estimated wind field is used to navigate the aircraft.

Druckschrift US 8 571 729 B2 zeigt eine Flugsteuerung einer Drohne, wobei die Drohne einen vorbestimmten Kurs über Grund mit einem ersten Querneigungswinkel aus einer ersten Richtung kreuzt und die Drohne den vorbestimmten Kurs über Grund mit einem zweiten Querneigungswinkel aus einer der ersten gegenüberliegenden Richtung kreuzt, wobei jeweilige Positionen und tatsächliche Fluggeschwindigkeiten erfasst werden und Windinformationen basierend auf den jeweiligen Positionen, den tatsächlichen Fluggeschwindigkeiten, und den Querneigungswinkeln bestimmt werden. Die Windinformationen werden für eine nachfolgende Steuerung der Drohne entlang des vorbestimmten Kurses verwendet.pamphlet US Pat. No. 8,571,729 B2 10 illustrates a drone flight control wherein the drone crosses a predetermined course over ground at a first bank angle from a first direction and the drone crosses the predetermined course over ground at a second bank angle from one of the first opposing directions, detecting respective locations and actual flight speeds and wind information based on the respective positions, the actual airspeeds, and the bank angles. The wind information is used for subsequent control of the drone along the predetermined course.

In Bezug auf Multikopter ist bekannt, bei stationärer Position, also im Schwebeflug, deren Lagewinkel im Raum zu betrachten. Vereinfacht dargestellt wird sich der Multikopter zum Halten einer Position in den Wind neigen. Aus dem Lagewinkel im Raum, also aus gegen ein von dem Wind verursachtes Wegdriften von der stationären Position wirkende Maßnahmen einer Multikoptersteuerung, wird auf die Windgeschwindigkeit geschlossen. With regard to multicopters, it is known to observe their positional angle in space in a stationary position, ie in hovering flight. Simplified, the multicopter will tend to hold a position in the wind. From the positional angle in space, that is to say from measures of a multicopter control acting against a wind drift from the stationary position caused by the wind, the wind speed is deduced.

Die Genauigkeit dieser indirekten Messung ist jedoch stark von Betrag und Richtung des Windes sowie von der Geometrie des Drehflügelluftfahrzeugs (z. B. Multikopter) abhängig.However, the accuracy of this indirect measurement is highly dependent on the magnitude and direction of the wind as well as on the geometry of the rotary wing aircraft (eg multicopter).

Zur genauen Bestimmung gegenwärtiger Wetterbedingungen und insbesondere für möglichst genaue Wettervorhersagen sind jedoch möglichst genau bestimmte Windgeschwindigkeiten, insbesondere in verschiednen Höhen, erforderlich.For the accurate determination of current weather conditions and in particular for the most accurate weather forecasts, however, wind speeds as precisely as possible, in particular at different altitudes, are required.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mit den aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen verbundenen Nachteile und Probleme zu überwinden und dadurch genauere Messdaten bezüglich Windgeschwindigkeiten zu ermöglichen, als gemäß dem bekannten Stand der Technik erreichbar sind.The specified in claim 1 invention has for its object to overcome the disadvantages associated with the measures known from the prior art and problems, thereby enabling more accurate measurement data with respect to wind speeds, as can be achieved according to the known prior art.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.This problem is solved by the features listed in claim 1.

Insbesondere umfasst ein gemäß der Erfindung bereitgestelltes Verfahren zur Bestimmung eines Geschwindigkeitsvektors eines in der Umgebung eines Fluggeräts herrschenden Windes ein Erfassen einer Globalposition des Fluggeräts, ein Ermitteln einer Differenz zwischen der erfassten Globalposition des Fluggeräts und einer vorbestimmten Sollposition, ein Berechnen von zumindest einer Flugsteuergröße basierend auf der ermittelten Differenz derart, dass die Globalposition des Fluggeräts mit der vorbestimmte Sollposition im Wesentlichen in Übereinstimmung gebracht wird, und ein Bestimmen des Geschwindigkeitsvektors eines in der Umgebung des Fluggeräts herrschenden Windes basierend auf der berechneten zumindest einen Flugsteuergröße. Eine Steuerung des Fluggeräts wird derart durchgeführt wird, dass das Fluggerät mit einer vorbestimmten Winkelgeschwindigkeit um eine Hochachse des Fluggeräts rotiert. Der Geschwindigkeitsvektor des in der Umgebung des Fluggeräts herrschenden Windes wird basierend auf der während eines Rotierens um zumindest 360° um die Hochachse des Fluggeräts berechneten zumindest einen Flugsteuergröße bestimmt.In particular, a method for determining a velocity vector of a wind prevailing in the environment of an aircraft comprises detecting a global position of the aircraft, determining a difference between the detected global position of the aircraft and a predetermined target position, calculating at least one flight control amount based on the determined difference such that the global position of the aircraft is substantially matched with the predetermined target position, and determining the velocity vector of a prevailing wind in the vicinity of the aircraft based on the calculated at least one flight control variable. Control of the aircraft is performed such that the aircraft rotates at a predetermined angular velocity about a vertical axis of the aircraft. The velocity vector of the prevailing wind in the vicinity of the aircraft is determined based on the at least one flight control variable calculated during rotation by at least 360 ° about the vertical axis of the aircraft.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch Bestimmung der Windgeschwindigkeit (des Geschwindigkeitsvektors des in der Umgebung des Fluggeräts herrschenden Windes) während einer vollständigen Rotation des Fluggeräts der Zusammenhang zwischen der Richtung des Windes und der Geometrie des Fluggeräts berücksichtigt wird. Auf diese Weise können sich aus dem Stand der Technik ergebende Ungenauigkeiten vermieden werden. Die Rotation sorgt ferner für eine Stabilität der Fluglage des Fluggeräts derart, dass eventuell störende bzw. verfälschende äußere Einflüsse auf die Fluglage minimiert werden können.The advantages achieved by the invention are in particular that by determining the wind speed (the velocity vector of the prevailing wind in the vicinity of the aircraft) during a complete rotation of the aircraft, the relationship between the direction of the wind and the geometry of the aircraft is taken into account. In this way, inaccuracies resulting from the prior art can be avoided. The rotation also ensures a stability of the attitude of the aircraft such that any disturbing or distorting external influences on the attitude can be minimized.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst der Geschwindigkeitsvektor des in der Umgebung des Fluggeräts herrschenden Windes einen Windgeschwindigkeitsbetrag und eine Windrichtung in einer senkrecht zu der Vertikalrichtung stehenden Ebene.According to an advantageous development of the invention, the velocity vector of the prevailing wind in the vicinity of the aircraft comprises a wind speed amount and a wind direction in a plane perpendicular to the vertical direction.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die vorbestimmte Sollposition eine geografische Länge und eine geografische Breite des Fluggeräts. Zusätzlich kann die vorbestimmte Sollposition einen Höhenwert umfassen. Dieser kann eine Höhe über Grund, eine Höhe über Normalnull, oder ein vergleichbarer Höhenwert beispielsweise basierend auf Globalpositionskoordinaten sein.According to an advantageous embodiment of the invention, the predetermined target position includes a geographical longitude and a latitude of the aircraft. In addition, the predetermined target position may include a height value. This may be a height above ground, a height above sea level, or a comparable altitude value, for example, based on global position coordinates.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die zumindest eine Flugsteuergröße einen Winkel einer Neigung der Hochachse des Fluggeräts gegenüber der Vertikalrichtung und eine Richtung der Neigung in einer senkrecht zu der Vertikalrichtung stehenden Ebene.According to a further advantageous development of the invention, the at least one flight control variable comprises an angle of an inclination of the vertical axis of the aircraft relative to the vertical direction and a direction of the inclination in a plane perpendicular to the vertical direction.

Bei Fluggeräten, insbesondere bei Multikoptern, können Seitenwinde leicht durch eine Neigung des Fluggeräts ausgeglichen werden, die basierend auf der Auswirkung der Seitenwinde (z. B. seitlicher Versatz der Position des Fluggeräts) bestimmt werden. Eine Bestimmung der Windgeschwindigkeit basierend auf der Neigung im Raum minimiert den Einsatz von über für die Steuerung des Fluggeräts notwendiger Sensorik hinausgehenden Mitteln.In the case of aircraft, in particular multicopters, side winds can be easily compensated for by an inclination of the aircraft, which is determined based on the effect of crosswinds (eg lateral offset of the position of the aircraft). Determining the wind speed based on the slope in space minimizes the use of means beyond that required for aircraft control.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Geschwindigkeitsvektor des in der Umgebung des Fluggeräts herrschenden Windes basierend auf einer vorbestimmten Beziehung zwischen dem Winkel und der Richtung der Neigung sowie dem Geschwindigkeitsvektor des in der Umgebung des Fluggeräts herrschenden Windes bestimmt.According to a further advantageous embodiment of the invention, the velocity vector of the prevailing in the vicinity of the aircraft wind is determined based on a predetermined relationship between the angle and the direction of the inclination and the velocity vector of the prevailing in the vicinity of the aircraft wind.

Auf diese Weise kann eine genaue Bestimmung der Windgeschwindigkeit ohne aufwändige Rechenoperationen erreicht werden. Die Beziehung kann in Form einer Wertetabelle (Look-Up-Table) oder einer Berechnungsformel bereitgestellt sein, mittels derer ausgehend von einem bestimmten Wert der Neigung im Raum ein entsprechender Wert der Windgeschwindigkeit ermittelt oder interpoliert werden kann. Die vorab bestimmte Beziehung kann beispielsweise mithilfe von Radiosondendaten, Profilern, Messmasten etc. aber auch beispielsweise mittels Windkanalmessungen festgestellt werden.In this way, an accurate determination of the wind speed can be achieved without complex arithmetic operations. The relationship can be provided in the form of a look-up table or a calculation formula by means of which, based on a specific value of the slope in space, a corresponding value of the Wind speed can be determined or interpolated. The predetermined relationship can be determined, for example, by means of radio probe data, profilers, measuring masts, etc., but also, for example, by means of wind tunnel measurements.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die zumindest eine Flugsteuergröße ein Ansteuerausmaß für zumindest ein Auftriebserzeugungselement des Fluggeräts.According to a further advantageous development of the invention, the at least one flight control variable comprises a drive amount for at least one lift generating element of the aircraft.

Auf diese Weise können noch einfacher durch die Flugsteuerung bereits bekannte Werte verwendet werden und somit ein Erfassungsaufwand vermindert werden.In this way, even more easily known values can be used by the flight control and thus a collection effort can be reduced.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die zumindest eine Flugsteuergröße während des Rotierens um die Hochachse des Fluggeräts fortlaufend berechnet, und der Geschwindigkeitsvektor des in der Umgebung des Fluggeräts herrschenden Windes basierend auf einem Mittelwert der während eines Rotierens um zumindest 360° um die Hochachse des Fluggeräts fortlaufend berechneten zumindest einen Flugsteuergröße bestimmt.According to a further advantageous development of the invention, the at least one flight control variable is continuously calculated while rotating about the vertical axis of the aircraft, and the velocity vector of the prevailing wind in the vicinity of the aircraft based on an average of at least 360 ° about the vertical axis of the Aircraft continuously calculated at least one flight control variable determined.

Durch fortlaufende, kontinuierliche Berechnung der Flugsteuergröße, d. h. der Grundlage der Bestimmung des Geschwindigkeitsvektors sowie die Mittelwertbildung aller so berechneten Werte der Flugsteuergröße über ein Rotierintervall von zumindest 360° können von der Fluggerätgeometrie abhängige und weitere das Bestimmungsergebnis für den Geschwindigkeitsvektor des Windes störende bzw. verfälschende Einflussfaktoren ausgeglichen werden. Ein genauerer Messwert für die Windgeschwindigkeit wird erzielt.By continuous, continuous calculation of the flight control quantity, d. H. the basis of the determination of the velocity vector as well as the averaging of all thus calculated values of the flight control variable over a rotation interval of at least 360 ° can be compensated by influencing factors that depend on the aircraft geometry and other disturbing or falsifying the determination result for the velocity vector of the wind. A more accurate wind speed reading is obtained.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird eine Steuerung des Fluggeräts derart durchgeführt, dass sich das Fluggerät mit einer vorbestimmten Vertikalgeschwindigkeit in der Vertikalrichtung bewegt.According to a further advantageous embodiment of the invention, a control of the aircraft is performed such that the aircraft moves at a predetermined vertical speed in the vertical direction.

Zwar können Windgeschwindigkeiten auf verschiedenen Höhen auch dadurch bestimmt werden, dass sich das Fluggerät auf die jeweiligen Flughöhen begibt und auf diesen Flughöhen jeweils eine Messserie über mindestens 360° durchführt. Da sich der Wind in Bezug auf die Flughöhe jedoch nur langsam ändert (verschiedene Winde in verschiedenen Luftschichten, wobei der Wind in der jeweiligen Luftschicht näherungsweise konstant ist), kann durch eine Messung bereits während des Aufstiegs, wobei das Fluggerät dabei rotiert, effizienter durchgeführt werden.Although wind speeds can be determined at different heights by the fact that the aircraft goes to the respective altitudes and at these altitudes each performs a series of measurements over at least 360 °. However, since the wind changes only slowly in terms of altitude (different winds in different layers of air, with the wind in the respective air layer being approximately constant), measurement can already be made more efficiently during ascent, with the aircraft rotating ,

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die vorbestimmte Vertikalgeschwindigkeit in der Vertikalrichtung eine Steiggeschwindigkeit. Alternativ dazu kann eine Windmessung während eines Sinkens oder während eines Steigens und eines Sinkens des Fluggeräts bestimmt werden.According to a further advantageous development of the invention, the predetermined vertical speed in the vertical direction is a climbing speed. Alternatively, a wind measurement may be determined during a fall or during a climb and fall of the aircraft.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Geschwindigkeitsvektor des in der Umgebung des Fluggeräts herrschenden Windes ferner basierend auf der vorbestimmten Vertikalgeschwindigkeit bestimmt.According to a further advantageous development of the invention, the velocity vector of the prevailing wind in the environment of the aircraft is further determined based on the predetermined vertical velocity.

Durch Einfließenlassen der Vertikalgeschwindigkeit, zusätzlich zu beispielsweise den Neigungswinkeln im Raum, wird die resultierende bestimmte Windgeschwindigkeit (der Geschwindigkeitsvektor des in der Umgebung des Fluggeräts herrschenden Windes) noch genauer.By incorporating the vertical velocity, in addition to, for example, the pitch angles in space, the resulting determined wind speed (the velocity vector of the wind prevailing in the environment of the aircraft) becomes even more accurate.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die vorbestimmte Winkelgeschwindigkeit und die vorbestimmte Vertikalgeschwindigkeit derart gewählt, dass das Fluggerät während einer Bewegung in der Vertikalrichtung um im bis 200 m um 360° um die Hochachse des Fluggeräts rotiert. Die Beträge von sowohl der Rotationsgeschwindigkeit als der Vertikalgeschwindigkeit sind größer Null (0).According to a further advantageous embodiment of the invention, the predetermined angular velocity and the predetermined vertical velocity are selected such that the aircraft rotates during a movement in the vertical direction by up to 200 m by 360 ° about the vertical axis of the aircraft. The amounts of both the rotational speed and the vertical speed are greater than zero (0).

Bevorzugt sind die vorbestimmte Winkelgeschwindigkeit und die vorbestimmte Vertikalgeschwindigkeit derart gewählt, dass das Fluggerät während einer Bewegung in der Vertikalrichtung um 1 m, 5 m, 10, 20 m, 30 oder 100 m um 360° um die Hochachse des Fluggeräts rotiert.Preferably, the predetermined angular velocity and the predetermined vertical velocity are selected such that the aircraft rotates by 360 ° about the vertical axis of the aircraft during a movement in the vertical direction by 1 m, 5 m, 10, 20 m, 30 or 100 m.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Globalposition des Fluggeräts unter Verwendung von zumindest einem aus einem Globalpositionssystem, einer Trägheitsnavigationsvorrichtung, und einer Funknavigationsvorrichtung erfasst.According to a further advantageous embodiment of the invention, the global position of the aircraft is detected using at least one of a global positioning system, an inertial navigation device, and a radio navigation device.

Das Problem wird ebenso durch die im Patentanspruch 13 aufgeführten Merkmale gelöst.The problem is also solved by the features listed in claim 13.

Insbesondere umfasst eine gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellte Vorrichtung zur Bestimmung eines Geschwindigkeitsvektors eines in der Umgebung eines Fluggeräts herrschenden Windes, eine Erfassungseinrichtung, die zu einer Erfassung einer Globalposition des Fluggeräts eingerichtet ist, eine Ermittlungseinrichtung, die zu einer Ermittlung einer Differenz zwischen der erfassten Globalposition des Fluggeräts und einer vorbestimmten Sollposition eingerichtet ist, eine Berechnungseinrichtung, die zu einer Berechnung von zumindest einer Flugsteuergröße basierend auf der ermittelten Differenz derart, dass die Globalposition des Fluggeräts mit der vorbestimmte Sollposition im Wesentlichen in Übereinstimmung gebracht wird, eingerichtet ist, eine Bestimmungseinrichtung, die zu einer Bestimmung des Geschwindigkeitsvektors eines in der Umgebung des Fluggeräts herrschenden Windes basierend auf der berechneten zumindest einen Flugsteuergröße eingerichtet ist, und eine Steuereinrichtung, die zu einer Steuerung des Fluggeräts derart, dass das Fluggerät mit einer vorbestimmten Winkelgeschwindigkeit um eine Hochachse des Fluggeräts rotiert, eingerichtet ist. Die Bestimmungseinrichtung ist ferner dazu eingerichtet, den Geschwindigkeitsvektor des in der Umgebung des Fluggeräts herrschenden Windes basierend auf der während eines Rotierens um zumindest 360° um die Hochachse des Fluggeräts berechneten zumindest einen Flugsteuergröße zu bestimmen.In particular, a device provided according to the present invention for determining a velocity vector of a prevailing wind in the vicinity of an aircraft, a detection device, which is set up for detecting a global position of the aircraft, a detection device, which is used to determine a difference between the detected global position of A computing device, which is for a calculation of at least one flight control variable based on the determined difference such that the global position of the aircraft with the predetermined desired position in A determination device, which is set up for a determination of the velocity vector of a prevailing in the vicinity of the aircraft wind based on the calculated at least one flight control variable, and a control device, which is to a control of the aircraft such that the Aircraft is rotated at a predetermined angular velocity about a vertical axis of the aircraft, is set up. The determination device is further configured to determine the velocity vector of the prevailing wind in the vicinity of the aircraft based on the calculated during a rotation by at least 360 ° about the vertical axis of the aircraft at least one flight control variable.

Das Problem wird ebenso durch die im Patentanspruch 14 aufgeführten Merkmale gelöst.The problem is also solved by the features listed in claim 14.

Insbesondere umfasst ein gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestelltes Fluggerät zur Bestimmung eines Geschwindigkeitsvektors eines in der Umgebung des Fluggeräts herrschenden Windes, eine vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung und zumindest ein Auftriebserzeugungselement, das zu einer Erzeugung von Auftrieb gemäß einer Ansteuerung durch die Steuereinrichtung eingerichtet ist.In particular, an aircraft provided according to the present invention for determining a velocity vector of a prevailing wind in the environment of the aircraft, a device according to the invention described above and at least one lift generating element, which is adapted to generate lift according to a control by the control device.

Das Fluggerät kann ein Multikopter mit vier, sechs, acht oder zwölf angetriebenen Rotoren als Auftriebserzeugungselemente sein, ist jedoch nicht darauf beschränkt.The aircraft may be a multicopter with four, six, eight, or twelve powered rotors as lift generators, but is not limited thereto.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird mit Hilfe der angehängten Zeichnung näher beschrieben, bei derAn embodiment of the invention will be described with reference to the attached drawings, in which

1 schematisch eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, und 1 schematically shows a device according to an embodiment of the present invention, and

2 (2a bis 2c) schematisch ein Fluggerät gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 ( 2a to 2c ) schematically shows an aircraft according to an embodiment of the present invention.

Wie in 1 gezeigt umfasst eine Vorrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Erfassungseinrichtung 11, eine Ermittlungseinrichtung 12, eine Berechnungseinrichtung 13, eine Bestimmungseinrichtung 14, und eine Steuereinrichtung 15.As in 1 shown comprises a device 10 according to an embodiment of the present invention, a detection device 11 , a determination device 12 , a calculation device 13 , a determination device 14 , and a control device 15 ,

Die Erfassungseinrichtung 11 erfasst eine Globalposition des Fluggeräts 20.The detection device 11 captures a global position of the aircraft 20 ,

Die Ermittlungseinrichtung 12 ermittelt eine Differenz zwischen der erfassten Globalposition des Fluggeräts 20 und einer vorbestimmten Sollposition.The determination device 12 determines a difference between the detected global position of the aircraft 20 and a predetermined target position.

Die Berechnungseinrichtung 13 berechnet zumindest eine Flugsteuergröße basierend auf der ermittelten Differenz derart, dass die Globalposition des Fluggeräts 20 mit der vorbestimmte Sollposition im Wesentlichen in Übereinstimmung gebracht wird.The calculation device 13 calculates at least one flight control quantity based on the determined difference such that the global position of the aircraft 20 is brought into agreement with the predetermined target position substantially.

Die Bestimmungseinrichtung 14 bestimmt den Geschwindigkeitsvektors eines in der Umgebung des Fluggeräts 20 herrschenden Windes basierend auf der berechneten zumindest einen Flugsteuergröße.The determining device 14 determines the velocity vector of one in the vicinity of the aircraft 20 prevailing wind based on the calculated at least one flight control variable.

Die Steuereinrichtung 15 steuert das Fluggerät 20 derart, dass das Fluggerät 20 mit einer vorbestimmten Winkelgeschwindigkeit um eine Hochachse HA (siehe auch 2) des Fluggeräts 20 rotiert (R).The control device 15 controls the aircraft 20 such that the aircraft 20 with a predetermined angular velocity about a vertical axis HA (see also 2 ) of the aircraft 20 rotates (R).

Die Bestimmungseinrichtung 14 bestimmt den Geschwindigkeitsvektor VW des in der Umgebung des Fluggeräts 20 herrschenden Windes basierend auf der während eines Rotierens (R) um zumindest 360° um die Hochachse HA des Fluggeräts 20 berechneten zumindest einen Flugsteuergröße.The determining device 14 determines the velocity vector VW of the environment of the aircraft 20 prevailing wind based on during rotation (R) at least 360 ° about the vertical axis HA of the aircraft 20 calculated at least one flight control quantity.

2a zeigt ein Fluggerät 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer aufrechten Lage, d. h., die Hochachse HA des Fluggeräts 20 (auch mit Gierachse bezeichnet) ist nicht geneigt. Die Hochachse HA des Fluggeräts 20 stimmt mit einer Achse in Vertikalrichtung (VR) überein. 2a zeigt andeutungsweise, dass das Fluggerät 20 die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 umfasst. Ferner weist das Fluggerät 20 zumindest ein Auftriebserzeugungselement 21 auf, das beispielsweise ein Motor mit daran befestigtem Rotor ist. 2a shows an aircraft 20 according to an embodiment of the present invention in an upright position, ie, the vertical axis HA of the aircraft 20 (also called yaw axis) is not inclined. The vertical axis HA of the aircraft 20 coincides with an axis in vertical direction (VR). 2a suggestively indicates that the aircraft 20 the device according to the invention 10 includes. Further, the aircraft has 20 at least one lift generating element 21 on, which is, for example, a motor with attached rotor.

2b zeigt das Fluggerät 20 in einer gegenüber der Achse in Vertikalrichtung (VR) geneigten Lage, d. h., die Hochachse HA des Fluggeräts 20 stimmt nicht mit der Achse in Vertikalrichtung (VR) überein sondern ist um einen Winkel z von dieser Achse in Vertikalrichtung (VR) weggeneigt. Dabei neigt sich das Fluggerät 20 in der 2b nach rechts, die Richtung der Neigung in einer senkrecht zu der Vertikalrichtung (VR) stehenden Ebene zeigt genau nach rechts. In 2b ist ferner lediglich schematisch der Geschwindigkeitsvektor VW des in der Umgebung des Fluggeräts 20 herrschenden Windes dargestellt. 2 B shows the aircraft 20 in a relative to the axis in the vertical direction (VR) inclined position, ie, the vertical axis HA of the aircraft 20 does not coincide with the axis in the vertical direction (VR) but is inclined by an angle z from this axis in the vertical direction (VR). In doing so, the aircraft tilts 20 in the 2 B to the right, the direction of the inclination in a plane perpendicular to the vertical direction (VR) shows exactly to the right. In 2 B is also only schematically the velocity vector VW of the environment of the aircraft 20 represented by the prevailing wind.

2c zeigt das Fluggerät 20 von oben in Richtung der Hochachse HA des Fluggeräts 20 und zeigt ferner schematisch die Rotation (R) des Fluggeräts 20 um die Hochachse an. Es wird bemerkt, dass die Rotation ebenso in eine Richtung durchgeführt werden kann, die der in 2c dargestellten Rotationsrichtung (R) entgegen gesetzt ist. Die um die in 2c gezeigten Auftriebserzeugungselemente 21 dargestellten gestrichelten Kreise deuten die Rotation möglicher Rotoren des Auftriebserzeugungselemente an. 2c shows the aircraft 20 from above in the direction of the vertical axis HA of the aircraft 20 and also schematically shows the rotation (R) of the aircraft 20 around the vertical axis. It is noted that the rotation can also be performed in a direction similar to that in 2c represented opposite direction of rotation (R). The around the in 2c shown lift generation elements 21 shown dashed circles indicate the rotation of possible rotors of the lift generating elements.

Gemäß der vorliegenden Erfindung können bei der Messung von Wind mittels eines Fluggeräts wie eines Multikopters auftretende Fehler erheblich kompensiert werden.According to the present invention, errors occurring in the measurement of wind by means of an aircraft such as a multicopper can be significantly compensated for.

Solche auftretende Fehler sind solche, die unter Anderem daraus resultieren, dass das Fluggerät 20 unterschiedliche Geometrien an verschiedenen Seiten des Fluggeräts 20 aufweist, unterschiedliche Masseverteilungen an verschiedenen Seiten des Fluggeräts 20 zeigt (Asymmetrie des Fluggeräts 20), und unterschiedliche Laufrichtungen von Auftriebserzeugungseinrichtungen 21 (beispielsweise von Rotoren) an verschiedenen Seiten des Fluggeräts 20 haben kann.Such occurring errors are those that result, among other things, that the aircraft 20 different geometries on different sides of the aircraft 20 has different mass distributions on different sides of the aircraft 20 shows (asymmetry of the aircraft 20 ), and different directions of running of lift generators 21 (For example, rotors) on different sides of the aircraft 20 may have.

Durch diese Einflussfaktoren wird dem Wind nämlich je nach Richtung ein anderer Querschnitt des Fluggeräts entgegengestellt und der Wind trifft je nach Richtung auf verschiedene Luftverwirbelungen, die mehr oder weniger auf das Fluggerät wirken können. Beispielsweise können auch unter den Auftriebserzeugungseinrichtungen 21 (beispielsweise Rotoren) des Fluggeräts entstehende Luftsäulen dem Wind zusätzlichen Widerstand bieten, der wiederum auf das Fluggerät selbst rückwirken kann. Ebenso kann von einem Gehäuse oder Anbauteilen des Fluggeräts abprallende durch die Auftriebserzeugungseinrichtungen 21 beschleunigte Luft einen chaotischen Luftströmungs- bzw. -verwirbelungsverlauf verursachen. Je nach Angriffsrichtung des Windes kann es somit zu erheblichen Fehlmessungen kommen. Insbesondere kann die Nickrichtung des Fluggeräts (also die Richtung der Neigung in einer senkrecht zu der Vertikalrichtung VR stehenden Ebene) von einer Richtung entgegengesetzt der Windrichtung abweichen.Due to these influencing factors, depending on the direction of the wind, another cross-section of the aircraft is counteracted and the wind, depending on the direction, strikes different air turbulences, which can act more or less on the aircraft. For example, under the lift generation devices 21 (For example, rotors) of the aircraft resulting air columns provide the wind additional resistance, which in turn can react on the aircraft itself. Likewise, from a housing or attachments of the aircraft ricocheting by the lift generating means 21 accelerated air cause a chaotic Luftströmungs- or Verwirbelungsverlauf. Depending on the direction of attack of the wind, it can thus lead to significant incorrect measurements. In particular, the pitch direction of the aircraft (ie the direction of the inclination in a plane perpendicular to the vertical direction VR) may deviate from a direction opposite to the wind direction.

Die Kompensation dieser Fehlmessungen wird erreicht, indem eine Mittelung von den jeweils berechneten Windrichtungen bei verschiedenen Gierwinkeln (wobei Gieren ein Rotieren um die Hochachse HA des Fluggeräts 20 ist) einer oder mehrerer Volldrehungen bestimmt wird (Mittelung bzw. ein anderer geeigneter Ausgleich). Das resultierende Flugmanöver ist eine Eigenrotation des Fluggeräts 20 (beispielsweise eines Multikopters) um seine Hochachse HA. Bei dem resultierenden Flugmanöver wird ein (durch den Einfluss des Windes verursachtes) seitliches Wegdriften mittels Flugsteuermaßnahmen verhindert. Bevorzugt ist das resultierende Flugmanöver ein senkrechter Flug nach oben (Aufsteigen entlang der Asche der Vertikalrichtung VR) ohne seitliches Wegdriften, wobei die Eigenrotation des Fluggeräts 20 (beispielsweise eines Multikopters) um seine Hochachse HA durchgeführt wird.The compensation of these erroneous measurements is achieved by an averaging of the respective calculated wind directions at different yaw angles (yawing being a rotation about the vertical axis HA of the aircraft 20 one or more full rotations is determined (averaging or another suitable compensation). The resulting maneuver is a self-rotation of the aircraft 20 (for example, a multi-opter) around its vertical axis HA. In the resulting maneuver, a lateral drift (caused by the influence of the wind) is prevented by means of flight control measures. Preferably, the resulting flight maneuver is a vertical flight upwards (rising along the ash of the vertical direction VR) without lateral drift, wherein the self-rotation of the aircraft 20 (For example, a multi-opter) is performed around its vertical axis HA.

Die Eigendrehung bzw. Rotation (R) erfolgt dabei bevorzugt in einer Richtung (R) bei konstanter Rotationsgeschwindigkeit.The internal rotation or rotation (R) is preferably carried out in one direction (R) at a constant rotational speed.

Bevorzugt legt das Fluggerät 20 pro 360° Rotation (Volldrehung) 1 m, 5 m, 10, 20 m, 30 oder 100 m in Vertikalrichtung (VR) zurück.Prefers the aircraft 20 per 360 ° rotation (full rotation) 1 m, 5 m, 10, 20 m, 30 or 100 m in vertical direction (VR).

Die Windgeschwindigkeit wird aus einer Beziehung zwischen Aufstiegsgeschwindigkeit und dem Winkel z (z-Winkel, Winkel zwischen Hochachse HA und Achse der Vertikalrichtung VR bzw. senkrechter Achse) abgeleitet bzw. bestimmt. Andere Größen und/oder Erkenntnisse können ebenfalls in die Bestimmung mit einfließen. Die Beziehung kann dabei vorbestimmt bzw. kalibriert sein z. B. aus Radiosondendaten, Profilern, Messmasten, etc., und kann ebenso bei Windkanalmessungen ermittelt sein. Mit anderen Worten könnte mittels vorab experimentell bestimmter Werte eine Wertetabelle (Look-Up-Table, LUT) oder Ähnliches erstellt werden (ggf. unter Verwendung einer Interpolation), auf die dann zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit zurückgegriffen werden kann. Vergleichbar könnte mittels der experimentell bestimmten Werte vorab eine Berechnungsformel erzeugt werden.The wind speed is derived from a relationship between the ascent speed and the angle z (z-angle, angle between the vertical axis HA and the axis of the vertical direction VR and the vertical axis, respectively). Other sizes and / or findings may also be included in the determination. The relationship may be predetermined or calibrated z. B. from radiosonde data, profilers, masts, etc., and may also be determined in wind tunnel measurements. In other words, a value table (look-up table, LUT) or the like could be created by means of previously experimentally determined values (possibly using an interpolation), which can then be used to determine the wind speed. Comparably, a calculation formula could be generated beforehand by means of the experimentally determined values.

Claims

Method for determining a velocity vector of a wind prevailing in the vicinity of an aircraft, with detecting a global position of the aircraft, determining a difference between the detected global position of the aircraft and a predetermined target position, calculating at least one flight control quantity based on the determined difference such that the global position of the aircraft is substantially matched with the predetermined target position, and determining the velocity vector of a prevailing wind in the vicinity of the aircraft based on the calculated at least one flight control variable, wherein a controller of the aircraft is performed such that the aircraft rotates at a predetermined angular velocity about a vertical axis of the aircraft, and the velocity vector of the prevailing wind in the vicinity of the aircraft is determined based on the at least one flight control variable calculated during rotation by at least 360 ° about the vertical axis of the aircraft.

The method of claim 1, wherein the velocity vector of the prevailing wind in the vicinity of the aircraft includes a wind speed amount and a wind direction in a plane perpendicular to the vertical direction plane.

The method of claim 1 or 2, wherein the predetermined target position includes a geographic latitude and a latitude of the aircraft.

Method according to one of claims 1 to 3, wherein the at least one flight control amount comprises an angle of inclination of the vertical axis of the aircraft relative to the vertical direction and a direction of the inclination in a plane perpendicular to the vertical direction.

The method of claim 4, wherein the velocity vector of the prevailing wind in the vicinity of the aircraft is determined based on a predetermined relationship between the angle and the direction of the slope and the velocity vector of the prevailing in the vicinity of the aircraft wind.

Method according to one of claims 1 to 5, wherein the at least one flight control variable comprises a drive amount for at least one lift generating element of the aircraft.

Method according to one of claims 1 to 6, wherein the at least one flight control quantity is continuously calculated while rotating about the vertical axis of the aircraft, and the velocity vector of the prevailing wind in the vicinity of the aircraft is determined based on an average of the at least one flight control variable continuously calculated during rotation by at least 360 ° about the vertical axis of the aircraft.

Method according to one of claims 1 to 7, wherein a control of the aircraft is performed such that the aircraft moves at a predetermined vertical speed in the vertical direction.

A method according to claim 8, wherein said predetermined vertical velocity in the vertical direction is a rising velocity.

The method of claim 8 or 9, wherein the velocity vector of the prevailing wind in the environment of the aircraft is further determined based on the predetermined vertical velocity.

Method according to one of claims 8 to 10, wherein the predetermined angular velocity and the predetermined vertical velocity are selected such that the aircraft rotates during a movement in the vertical direction by 1 m to 200 m by 360 ° about the vertical axis of the aircraft.

The method of claim 1, wherein the global position of the aircraft is detected using at least one of a global positioning system, an inertial navigation device, and a radio navigation device.

Device for determining a velocity vector of a prevailing wind in the vicinity of an aircraft, with a detection device which is set up to detect a global position of the aircraft, a determination device, which is set up for determining a difference between the detected global position of the aircraft and a predetermined target position, a calculation device, which is set up for a calculation of at least one flight control variable based on the determined difference such that the global position of the aircraft is substantially matched with the predetermined target position, a determination device, which is set up for a determination of the velocity vector of a prevailing wind in the vicinity of the aircraft based on the calculated at least one flight control variable, and a control device adapted to control the aircraft such that the aircraft rotates at a predetermined angular velocity about a vertical axis of the aircraft, wherein the determining means is arranged to determine the velocity vector of the prevailing wind in the vicinity of the aircraft based on the at least one flight control quantity calculated during rotation by at least 360 ° about the vertical axis of the aircraft.

Aircraft for determining a velocity vector of a prevailing wind in the vicinity of the aircraft, with a device according to claim 13, at least one lift generating element, which is set up to generate lift in accordance with a control by the control device.

The aircraft of claim 14, wherein the aircraft is a multicopter having four, six, eight, or twelve powered rotors as lift generators.