DE102022103185A1 - RPM monitoring in aircraft by spectral analysis - Google Patents

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Abstract

Zum Erfassen der Drehzahl eines Rotors (3) eines Drehflüglers (1) werden mit einem Inertialsensor eines mobilen elektronischen Geräts (16) Beschleunigungen und/oder Drehraten des mobilen elektronischen Geräts (16) an Bord des Drehflüglers (1) gemessen und mit dem mobilen elektronischen Gerät (16) spektral analysiert.In order to record the rotational speed of a rotor (3) of a rotorcraft (1), accelerations and/or yaw rates of the mobile electronic device (16) on board the rotorcraft (1) are measured with an inertial sensor of a mobile electronic device (16) and with the mobile electronic Device (16) analyzed spectrally.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erfassen der Drehzahl eines Rotors eines Drehflüglers.The invention relates to a method for detecting the speed of a rotor of a rotorcraft.

Die Drehzahl seines Rotors ist ein wesentlicher Flugparameter eines Drehflüglers, der für einen sicheren Flugzustand des Drehflüglers in vorgegebenen Grenzen bleiben muss. Dies gilt sowohl für Hubschrauber als auch Tragschrauber. Einem Piloten eines Hubschraubers ist die Drehzahl des Rotors durch den in der Regel starr an den Rotor gekoppelten Antriebsmotor des Rotors und damit durch die Frequenz der Betriebsgeräusche des Antriebsmotors akustisch präsent. Dennoch kann der Pilot in kritischen Flugsituationen hiervon abgelenkt sein. Bei einem Tragschrauber ohne motorischen Antrieb des Rotors muss der Pilot eine mit einem Drehzahlsensor erfasste und ihm auf einem Anzeigeinstrument angezeigte Drehzahl des Rotors im Auge behalten. Dies kann in kritischen Flugsituationen schwierig sein.The speed of its rotor is an essential flight parameter of a rotorcraft, which must remain within specified limits for the rotorcraft to fly safely. This applies to both helicopters and autogyros. A pilot of a helicopter is acoustically aware of the rotational speed of the rotor due to the drive motor of the rotor, which is generally rigidly coupled to the rotor, and thus due to the frequency of the operating noise of the drive motor. Nevertheless, the pilot can be distracted by this in critical flight situations. In the case of an autogyro without a motor drive for the rotor, the pilot must keep an eye on the rotor speed recorded by a speed sensor and displayed to him on a display instrument. This can be difficult in critical flight situations.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Unter anderem aus der DE 22 11 186 A ist es bekannt, dass Drehflügelflugzeuge, insbesondere Hubschrauber im Flug starken Schwingungen unterworfen sind. Diese Schwingungen entstehen in der Hauptachse durch im Rotor entstehende Erregerkräfte, -impulse und -drehmomente. Bei einer Rotordrehzahl und einer gegebenen Anzahl von Rotorblättern wird eine Erregerkraft mit einer Frequenz erzeugt, die dem Produkt aus Rotordrehzahl und Anzahl der Rotorblätter entspricht.Among other things from the DE 22 11 186 A it is known that rotary wing aircraft, in particular helicopters, are subject to strong vibrations in flight. These vibrations are generated in the main axis by excitation forces, impulses and torques generated in the rotor. For a rotor speed and a given number of rotor blades, an excitation force is generated with a frequency equal to the product of the rotor speed and the number of rotor blades.

Aus der US 2003 / 0 229 469 A1 ist ein virtueller Drehzahlsensor für eine rotierende Maschine bekannt, bei der es sich um einen Kompressor, eine Turbine, eine Pumpe, einen Motor, ein Gebläse oder dergleichen handeln kann. Mit einem Schwingungssensor an der rotierenden Maschine werden Schwingungen erfasst. Diese Schwingungen werden digitalisiert. Die digitalen Daten werden gefiltert und analysiert.A virtual speed sensor for a rotating machine is known from US 2003/0 229 469 A1, which can be a compressor, a turbine, a pump, a motor, a fan or the like. Vibrations are recorded with a vibration sensor on the rotating machine. These vibrations are digitized. The digital data is filtered and analyzed.

Aus der EP 3 618 266 A1 ist die Ermittlung einer Drehzahl eines Rotors einer rotierenden elektrischen Maschine durch Schwingungsanalyse bekannt. Eine Auswerteeinrichtung nimmt ein Vibrationssignal entgegen, das mittels eines an einem Stator der elektrischen Maschine angeordneten Schwingungssensors generiert wird. Anhand des zeitlichen Verlaufs des Vibrationssignals ermittelt die Auswerteeinrichtung eine Grundfrequenz des Vibrationssignals und anhand der Grundfrequenz des Vibrationssignals die Drehzahl eines Rotors der elektrischen Maschine.From the EP 3 618 266 A1 the determination of a speed of a rotor of a rotating electrical machine by vibration analysis is known. An evaluation device receives a vibration signal which is generated by means of a vibration sensor arranged on a stator of the electrical machine. The evaluation device uses the time profile of the vibration signal to determine a fundamental frequency of the vibration signal and, using the fundamental frequency of the vibration signal, the rotational speed of a rotor of the electrical machine.

AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erfassen der Drehzahl eines Rotors eines Drehflüglers aufzuzeigen, das mit geringem Aufwand durchführbar ist und einen Piloten dennoch effektiv bei der Überwachung der Drehzahl des Rotors unterstützen kann.The invention is based on the object of demonstrating a method for detecting the speed of a rotor of a rotorcraft that can be implemented with little effort and can nevertheless effectively support a pilot in monitoring the speed of the rotor.

LÖSUNGSOLUTION

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens definiert.The object of the invention is achieved by a method having the features of independent patent claim 1 . Preferred embodiments of the method according to the invention are defined in the dependent patent claims.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erfassen der Drehzahl eines Rotors eines Drehflüglers werden mit einem Inertialsensor eines mobilen elektronischen Geräts Beschleunigungen und/oder Drehraten des mobilen elektronischen Geräts an Bord des Drehflüglers gemessen und mit dem mobilen elektronischen Gerät spektral analysiert. Vorzugsweise erfolgt die spektrale Analyse der gemessenen Beschleunigungen und/oder Drehraten mit dem mobilen elektronischen Gerät ebenfalls an Bord des Drehflüglers.In a method according to the invention for detecting the rotational speed of a rotor of a rotorcraft, accelerations and/or yaw rates of the mobile electronic device on board the rotorcraft are measured with an inertial sensor of a mobile electronic device and spectrally analyzed with the mobile electronic device. The spectral analysis of the measured accelerations and/or yaw rates with the mobile electronic device is preferably also carried out on board the rotorcraft.

Überraschenderweise kann mit nahezu jedem beliebigen mobilen elektronischen Gerät, das über einen Inertialsensor und einen Prozessor zur Datenverarbeitung verfügt und das sich an Bord des Drehflüglers befindet, die Drehzahl des Rotors des Drehflüglers sehr genau erfasst werden. Es bedarf hierzu keines besonderen Inertialsensors. Vielmehr reicht ein solcher Inertialsensor aus, wie er aktuell Teil der meisten sogenannten Smartphones ist. Es bedarf auch keiner speziellen Ankopplung des mobilen elektronischen Geräts an eine Struktur des Drehflüglers. Das Mitführen des mobilen elektronischen Geräts durch einen Piloten oder einen Passagier des Drehflüglers an beliebiger Stelle ist ausreichend. Mit dem mobilen elektronischen Gerät wird die Drehzahl des Rotors des Drehflüglers unabhängig von jeglichen Einrichtungen des Drehflüglers erfasst. Sie steht damit alternativ oder zusätzlich zu einer von Einrichtungen des Drehflüglers erfassten Drehzahl des Rotors sowohl für Dokumentationszwecke als auch zum Zwecke der Überwachung eines sicheren Flugzustands des Drehflüglers zur Verfügung.Surprisingly, almost any mobile electronic device that has an inertial sensor and a processor for data processing and is on board the rotorcraft can very accurately detect the speed of the rotor of the rotorcraft. No special inertial sensor is required for this. Rather, such an inertial sensor is sufficient, as it is currently part of most so-called smartphones. There is also no need for any special coupling of the mobile electronic device to a structure of the rotorcraft. It is sufficient for a pilot or a passenger of the rotorcraft to carry the mobile electronic device anywhere. With the mobile electronic device, the speed of the rotor of the rotorcraft is detected independently of any facilities of the rotorcraft. It is thus available as an alternative or in addition to a rotational speed of the rotor recorded by devices of the rotorcraft both for documentation purposes and for the purpose of monitoring a safe flight condition of the rotorcraft.

Sowohl durch Messen und spektral Analysieren insbesondere translatorischer Beschleunigungen als auch durch Messen und spektral Analysieren von Drehraten des mobilen elektronischen Geräts ist die Drehzahl des Rotors des Drehflüglers erfassbar. Zwar variieren die von dem Rotor angeregten Schwingungen des Drehflüglers und die damit einhergehenden Beschleunigungen und Drehraten über die Richtungen und Achsen des Drehflüglers, wobei in der Regel die translatorischen Schwingungen in vertikaler Richtung und die Drehschwingungen um die Rollachse dominieren. Die Beschleunigungen bzw. Drehraten können jedoch in mehreren, insbesondere in drei zueinander orthogonalen translatorischen bzw. rotatorischen Richtungen mit dem mobilen elektronischen Gerät gemessen und vor ihrer spektralen Analyse vektoriell addiert werden, so dass die Ausrichtung des mobilen elektronischen Geräts an Bord des Drehflüglers, d. h. gegenüber dem Koordinatensystem des Drehflüglers nicht entscheidend ist.The rotational speed of the rotor of the rotorcraft can be detected both by measuring and spectrally analyzing, in particular, translatory accelerations and by measuring and spectrally analyzing yaw rates of the mobile electronic device. The vibrations of the rotorcraft excited by the rotor and the associated accelerations and yaw rates vary across the directions and axes of the rotorcraft, with the translational vibrations in the vertical direction and the torsional vibrations around the roll axis generally dominating. However, the accelerations or yaw rates can be measured in several, especially in three mutually orthogonal translational or rotational directions with the mobile electronic device and vectorially added before their spectral analysis, so that the alignment of the mobile electronic device on board the rotorcraft, ie opposite the coordinate system of the rotorcraft is not critical.

Es versteht sich, dass für jede der zueinander orthogonalen translatorischen bzw. rotatorischen Richtungen ein separater Inertialsensor des mobilen elektronischen Geräts genutzt werden kann, der speziell zur Messung einer Beschleunigung in der jeweiligen Richtung oder Drehrate um die jeweilige Achse ausgelegt ist.It goes without saying that a separate inertial sensor of the mobile electronic device can be used for each of the mutually orthogonal translational or rotational directions, which is specifically designed to measure an acceleration in the respective direction or yaw rate about the respective axis.

In jedem Fall können die gemessenen Beschleunigungen und/oder Drehraten bezüglich ihrer spektralen Leistungsdichte analysiert werden. Dann kann aus einem Peak der spektralen Leistungsdichte bei einer Peakfrequenz fP bei einem Rotor mit n Rotorblättern auf eine Drehzahl fP/n des Rotors geschlossen werden.In any case, the measured accelerations and/or yaw rates can be analyzed with regard to their spectral power density. A speed f P /n of the rotor can then be inferred from a peak of the spectral power density at a peak frequency f P in the case of a rotor with n rotor blades.

Der Drehflügler kann ein Hubschrauber sein, d. h. ein Drehflügler mit motorisch angetriebenem Rotor, der auch zur Bereitstellung von Vortrieb für den Drehflügler dienen kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber auch für Tragschrauber geeignet, also für Drehflügler ohne motorisch angetriebenen Rotor bzw. für Drehflügler mit im Vorwärtsflug abgeschaltetem motorischen Antrieb des Rotors. Auch bei einem nur passiv in Rotation versetzten Rotor verursacht der Rotor charakteristische Schwingungen, die mit dem Beschleunigungssensor des mobilen elektronischen Geräts an Bord des Drehflüglers gemessen und spektral analysiert werden können, um auf die Drehzahl des Rotors zu schließen. Dies gilt selbst dann, wenn der Tragschrauber einen Propellerantrieb aufweist, der die Struktur des Tragschraubers ebenfalls zu Schwingungen anregt, welche sich jedoch spektral separieren lassen.The rotorcraft may be a helicopter, i. H. a rotorcraft with a motor-driven rotor that can also be used to provide propulsion for the rotorcraft. However, the method according to the invention is also suitable for gyrocopters, ie for rotorcraft without a motor-driven rotor or for rotorcraft with the rotor motor drive switched off in forward flight. Even if the rotor is only passively rotated, the rotor causes characteristic vibrations that can be measured with the accelerometer of the mobile electronic device on board the rotorcraft and analyzed spectrally to infer the speed of the rotor. This applies even if the gyroplane has a propeller drive, which also stimulates the structure of the gyroplane to vibrate, but these can be spectrally separated.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann mit dem mobilen elektronischen Gerät ein Warnsignal ausgegeben werden, wenn die Drehzahl oder eine Änderung der Drehzahl des Rotors einen definierten Normbereich verlässt. Das Verlassen dieses definierten Normbereichs bedeutet einen potenziell unsicheren Flugzustand des Drehflüglers.In the method according to the invention, a warning signal can be output with the mobile electronic device if the speed or a change in the speed of the rotor leaves a defined normal range. Leaving this defined normal range means that the rotorcraft is in a potentially unsafe flight condition.

Der Normbereich, in dem sichere Flugzustände des Drehflüglers liegen, kann für einen bestimmten Typ von Drehflügler fest vorgegeben werden. Der Normbereich kann aber auch abhängig von in einem Anlernmodus gemessenen Beschleunigungen definiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Normbereich abhängig von bei der laufenden Durchführung des Verfahrens fortlaufend gemessenen Beschleunigungen definiert werden.The normal range, in which safe flight conditions of the rotorcraft lie, can be specified for a specific type of rotorcraft. However, the normal range can also be defined as a function of accelerations measured in a teach-in mode. As an alternative or in addition, the normal range can be defined as a function of accelerations continuously measured during the ongoing implementation of the method.

Das von dem mobilen elektronischen Gerät ausgegebene Warnsignal kann akustisch, haptisch, optisch oder über eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle ausgesandt werden. Eine akustische Aussendung bedeutet einen Warnton. Zur haptischen Aussendung kann das mobile elektronische Gerät vibrieren. Optisch kann eine Aussendung durch Lichtblitze erfolgen. Über die drahtlose Kommunikationsschnittstelle können die Warnsignale von dem mobilen elektronischen Gerät an eine Einrichtung des Drehflüglers übermittelt werden, beispielsweise auch an eine autonome Steuereinrichtung, die dann einen Eingriff zur Beseitigung des potenziell gefährlichen Flugzustands vornimmt.The warning signal output by the mobile electronic device can be emitted acoustically, haptically, optically or via a wireless communication interface. An acoustic emission means a warning tone. The mobile electronic device can vibrate for haptic transmission. Optically, a transmission can take place through flashes of light. The warning signals can be transmitted from the mobile electronic device to a device on the rotorcraft via the wireless communication interface, for example also to an autonomous control device, which then intervenes to eliminate the potentially dangerous flight condition.

Mit einem Positionssensor des mobilen elektronischen Geräts kann erfasst werden, ob sich der Drehflügler am Boden oder in der Luft befindet. Beispielsweise kann mit einem GPS-Positionssensor die Position in allen drei Dimensionen erfasst werden und dann mit der Höhe des Bodens an der lateralen Position des mobilen elektronischen Geräts verglichen werden. Wenn die Höhe des mobilen elektronischen Geräts mehr als die Höhe des Piloten bei am Boden stehenden Drehflügler über den Boden liegt, ist dies ein Hinweis darauf, dass sich der Drehflügler nicht am Boden, sondern in der Luft befindet. Ein Warnsignal, das von dem mobilen elektronischen Gerät ausgegeben wird, kann beispielsweise selektiv dann ausgegeben werden, wenn sich der Drehflügler im Flug befindet. Zudem kann das Warnsignal bzw. der zugrundeliegende Normbereich auch abhängig davon sein, mit welcher Geschwindigkeit sich der Drehflügler horizontal und/oder vertikal bewegt. Auch diese Bewegung und deren Geschwindigkeit kann mit Hilfe eines Positionssensors des mobilen elektronischen Geräts erfasst werden.A position sensor of the mobile electronic device can be used to detect whether the rotorcraft is on the ground or in the air. For example, with a GPS position sensor, the position in all three dimensions can be captured and then compared to the elevation of the ground at the lateral position of the mobile electronic device. If the height of the mobile electronic device is more than the height of the pilot above the ground with the rotorcraft on the ground, this is an indication that the rotorcraft is not on the ground but is in the air. For example, a warning signal that is output by the mobile electronic device can be output selectively when the rotorcraft is in flight. In addition, the warning signal or the underlying normal range can also depend on the speed at which the rotorcraft is moving horizontally and/or vertically. This movement and its speed can also be detected using a position sensor of the mobile electronic device.

Das mobile elektronische Gerät kann ein Smartphone sein. Übliche aktuelle Smartphones verfügen über geeignete Inertialsensoren und Prozessoren zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren durch eine Applikationssoftware, eine sogenannte App, auf einem solchen Smartphone implementiert werden.The mobile electronic device can be a smartphone. Customary current smartphones have suitable inertial sensors and processors for carrying out the method according to the invention. In particular, the method according to the invention can be implemented by application software, a so-called app, on such a smartphone.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.Advantageous developments of the invention result from the patent claims, the description and the drawings.

Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen.The advantages of features and combinations of several features mentioned in the description are merely exemplary and can have an effect alternatively or cumulatively without the advantages necessarily having to be achieved by embodiments according to the invention.

Hinsichtlich des Offenbarungsgehalts - nicht des Schutzbereichs - der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents gilt Folgendes: Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen, was aber nicht für die unabhängigen Patentansprüche des erteilten Patents gilt.The following applies to the disclosure content - not the scope of protection - of the original application documents and the patent: Further features can be found in the drawings - in particular the illustrated geometries and the relative dimensions of several components to one another as well as their relative arrangement and operative connection. The combination of features of different embodiments of the invention or of features of different patent claims is also possible, deviating from the selected dependencies of the patent claims and is hereby suggested. This also applies to those features that are shown in separate drawings or are mentioned in their description. These features can also be combined with features of different patent claims. Likewise, features listed in the patent claims can be omitted for further embodiments of the invention, but this does not apply to the independent patent claims of the granted patent.

Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Inertialsensor die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Inertialsensor, zwei Inertialsensoren oder mehr Inertialsensoren vorhanden sind. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch weitere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die der Gegenstand des jeweiligen Patentanspruchs aufweist.The features mentioned in the patent claims and the description are to be understood with regard to their number in such a way that exactly this number or a larger number than the number mentioned is present without the need for an explicit use of the adverb “at least”. If, for example, an inertial sensor is mentioned, this is to be understood in such a way that exactly one inertial sensor, two inertial sensors or more inertial sensors are present. The features listed in the patent claims can be supplemented by further features or can be the only features that the subject matter of the respective patent claim has.

Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.The reference signs contained in the claims do not limit the scope of the subject-matter protected by the claims. They only serve the purpose of making the claims easier to understand.

Figurenlistecharacter list

Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

  • 1 zeigt einen Tragschrauber im Flug in einer Seitenansicht, wobei sich ein mobiles elektronisches Gerät an Bord des Tragschraubers befindet.
  • 2 zeigt schematisch die für die vorliegende Erfindung wesentlichen Bestandteile des mobilen elektronischen Geräts gemäß 1.
  • 3a-c zeigt mit dem mobilen elektronischen Gerät gemäß 2 an Bord des Tragschraubers gemäß 1 gemessene translatorische Beschleunigungen in x-, y- und z-Richtung des Koordinatensystems des Tragschraubers.
  • 4a-c zeigt Leistungsdichtespektren der gemessenen translatorischen Beschleunigungen gemäß 3a-c.
  • 5a-c zeigt mit dem mobilen elektronischen Gerät gemäß 2 an Bord des Tragschraubers gemäß 1 gemessene Drehraten um die Achsen des Tragschraubers; und
  • 6a-c zeigt Leistungsdichtespektren der gemessenen Drehraten gemäß 5a-c.
The invention is further explained and described below with reference to preferred exemplary embodiments illustrated in the figures.
  • 1 Figure 12 shows a side view of a gyroplane in flight with a mobile electronic device on board the gyroplane.
  • 2 shows schematically the components of the mobile electronic device that are essential for the present invention according to FIG 1 .
  • 3a-c shows in accordance with the mobile electronic device 2 on board the autogyro according to 1 Measured translational accelerations in the x, y and z directions of the autogyro's coordinate system.
  • 4a-c shows power density spectra of the measured translational accelerations according to 3a-c .
  • 5a-c shows in accordance with the mobile electronic device 2 on board the autogyro according to 1 measured rates of rotation around the axes of the autogyro; and
  • 6a-c shows power density spectra of the measured rotation rates according to 5a-c .

FIGURENBESCHREIBUNGFIGURE DESCRIPTION

Der in 1 dargestellte Drehflügler 1 ist ein Tragschrauber 2 mit einem antriebslosen Rotor 3, der hier zwei Rotorblätter 4 und 5 aufweist, welche um eine etwa vertikale Rotorachse 6 umlaufen. Dabei ist der Rotor 3 um die Rotorachse 6 frei drehbar, und er wird durch seine Anströmung 27 im Vorwärtsflug des Tragschraubers 2 in Rotation versetzt. Zur Vorwärtsbewegung des Tragschraubers 2 ist ein motorisch angetriebener Propeller 7 vorsehen. Ansonsten weist der Tragschrauber 2 ein Leitwerk 8, eine damit verbundene Steuereinrichtung 9 zur Betätigung durch einen Piloten 10 auf einem Pilotensitz 11 in einer Flugzelle 12 und ein Fahrwerk 13 mit einem Bugrad 14 und zwei Heckrädern 15 auf. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erfassung der Drehzahl des Rotors 3 um die Rotordrehachse 6 führt der Pilot 10 ein mobiles elektronisches Gerät 16 mit sich, bei dem es sich um ein Smartphone 17 handeln kann.the inside 1 The rotorcraft 1 shown is an autogyro 2 with a non-driven rotor 3, which has two rotor blades 4 and 5 here, which revolve around an approximately vertical rotor axis 6. The rotor 3 is freely rotatable about the rotor axis 6 and is set in rotation by its oncoming flow 27 in the forward flight of the autogyro 2 . A motor-driven propeller 7 is provided for the forward movement of the autogyro 2 . Otherwise, the autogyro 2 has a tail unit 8, a control device 9 connected thereto for operation by a pilot 10 on a pilot's seat 11 in an airframe 12 and a landing gear 13 with a nose wheel 14 and two rear wheels 15. To carry out the method according to the invention for detecting the rotational speed of the rotor 3 about the rotor axis of rotation 6 , the pilot 10 carries a mobile electronic device 16 with him, which can be a smartphone 17 .

In 2 ist das mobile elektronische Gerät 16 separat dargestellt, wobei schematisch seine für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens relevanten Komponenten dargestellt sind. Ein Inertialsensor 18 misst translatorische Beschleunigungen und/oder Drehraten des mobilen elektronischen Geräts 16. Dazu können statt des nur einen dargestellten Inertialsensors 18 drei Beschleunigungssensoren für drei gegenüber einem Gehäuse 19 des mobilen elektronischen Geräts 16 definierte translatorische Richtungen und drei Drehratensensoren für Drehraten um diese drei Richtungen vorhanden sein. Derartige Inertialsensoren sind Teile vieler handelsüblicher Smartphones. Die gemessenen Beschleunigungen und/oder Drehraten 20 werden in einem Prozessor 21 spektral analysiert, wobei Leistungsdichten ermittelt und aus einer Peakfrequenz der Leistungsdichten auf die interessierende Drehzahl des Rotors 3 geschlossen wird. Wenn diese Drehzahl einen vorgegebenen Normbereich verlässt, gibt der Prozessor 21 ein Warnsignal an den Piloten 10 aus. Hier ist zeichnerisch angedeutet, dass ein akustisches Warnsignal über einen Lautsprecher 22 und ein haptisches Warnsignal über einen Vibrator 23 ausgegeben wird. Darüber hinaus kann auch ein optisches Warnsignal, beispielsweise über eine hier nicht dargestellte Lichtquelle ausgegeben werden oder drahtlos ein Warnsignal an eine Steuereinrichtung des Tragschraubers 2 übermittelt werden. Dies kann beispielsweise über eine Bluetooth-Verbindung geschehen. Mit Hilfe eines Positionssensors 26, beispielsweise eines GPS-Positionssensors, des mobilen elektronischen Geräts 16 kann überdies die Position des mobilen elektronischen Geräts 16 und damit auch diejenige des Tragschraubers 2 erfasst werden. Durch Abgleich mit der Höhe des Bodens an der jeweiligen Position kann darauf abgeleitet werden, ob sich der Tragschrauber 2 am Boden oder in der Luft befindet. Zudem kann durch die Rate der Änderung der mit dem Positionssensor 26 bestimmten Position auch die Geschwindigkeit des Tragschraubers 2 in allen Richtungen ermittelt werden. Der Normbereich, mit dem die Drehzahl des Rotors 3 verglichen und bei dessen Verlassen das Warnsignal ausgegeben wird, kann abhängig von diesen bestimmten Geschwindigkeiten des Tragschraubers 2 sein.In 2 the mobile electronic device 16 is shown separately, its components relevant for carrying out the method according to the invention being shown schematically. An inertial sensor 18 measures translatory accelerations and/or yaw rates of the mobile electronic device 16. For this purpose, instead of the only one inertial sensor 18 shown, three acceleration sensors for three translatory directions defined relative to a housing 19 of the mobile electronic device 16 and three yaw rate sensors for yaw rates about these three directions can be used to be available. Such inertial sensors are part of many commercially available smartphones. The measured accelerations and/or yaw rates 20 are spectrally analyzed in a processor 21, with power densities being determined and from a peak frequency of the power densities to the one of interest Speed of the rotor 3 is closed. If this speed leaves a predetermined normal range, the processor 21 issues a warning signal to the pilot 10 . It is graphically indicated here that an acoustic warning signal is output via a loudspeaker 22 and a haptic warning signal is output via a vibrator 23 . In addition, an optical warning signal can also be output, for example via a light source (not shown here), or a warning signal can be transmitted wirelessly to a control device of the autogyro 2 . This can be done, for example, via a Bluetooth connection. With the help of a position sensor 26, for example a GPS position sensor, of the mobile electronic device 16, the position of the mobile electronic device 16 and thus also that of the autogyro 2 can also be detected. By comparing it with the height of the ground at the respective position, it can be deduced whether the autogyro 2 is on the ground or in the air. In addition, the rate of change of the position determined with the position sensor 26 can also be used to determine the speed of the autogyro 2 in all directions. The normal range with which the speed of the rotor 3 is compared and the warning signal is output when it leaves the range can be dependent on these specific speeds of the autogyro 2 .

Die 3a-c zeigen bei einer festen Drehzahl des Rotors 3 in x- oder Längsrichtung, y- oder Querrichtung und z- oder Höhenrichtung gemessene translatorische Beschleunigungen des mobilen elektronischen Geräts 16 an Bord des Tragschraubers 2.The 3a-c show translational accelerations of the mobile electronic device 16 on board the autogyro 2 measured at a fixed speed of the rotor 3 in the x or longitudinal direction, y or transverse direction and z or vertical direction.

4a-c zeigen Leistungsspektren der Beschleunigungen gemäß 3a-c. Die Leistungsspektren weisen jeweils ein Peak 24 bei einer Peakfrequenz fP aus, die gleich dem 2-fachen der Drehzahl des Rotors 3 ist, weil dieser in dem vorliegenden Fall zwei Rotorblätter 4, 5 aufweist. Der Peak 24 ist bei den Beschleunigungen in den verschiedenen Richtungen unterschiedlich stark ausgeprägt, aber in allen Richtungen vorhanden. 4a-c show power spectra of the accelerations according to 3a-c . The power spectra each have a peak 24 at a peak frequency f P which is twice the speed of the rotor 3 because it has two rotor blades 4, 5 in the present case. The peak 24 is differently pronounced in the different directions for the accelerations, but is present in all directions.

5a-c zeigen die zu den gleichen Zeitpunkten wie die translatorischen Beschleunigungen gemäß 3a-c gemessenen Drehraten des mobilen elektronischen Geräts 16 um die Längs- oder Rollachse, die Quer-oder Nickachse und die Hoch- oder Gierachse des Tragschraubers 2. 5a-c show those at the same time points as the translational accelerations according to 3a-c measured rates of rotation of the mobile electronic device 16 about the longitudinal or roll axis, the lateral or pitch axis and the vertical or yaw axis of the autogyro 2.

6a-c zeigen Leistungsspektren der Drehraten gemäß 5a-c. Ein Peak 25 bei derselben Peakfrequenz fP wie in den 4a-c ist hier nur bei der Drehrate um die Längs- oder Rollachse des Tragschraubers 2 gegenüber jeglichen Nebenpeaks dominant, aber auch bei den Drehraten um die Quer- bzw. Nickachse und die Hoch- bzw. Gierachse ausgeprägt. 6a-c show power spectra of the rotation rates according to 5a-c . A peak 25 at the same peak frequency f P as in FIGS 4a-c is dominant here only in the rate of rotation around the longitudinal or roll axis of the autogyro 2 compared to any secondary peaks, but is also pronounced in the rate of rotation around the pitch or pitch axis and the vertical or yaw axis.

Statt die translatorischen Beschleunigungen gemäß den 3a-c und die Drehraten gemäß den 5a-c jeweils separat spektral zu analysieren, können diese zunächst vektoriell addiert und anschließend in Form ihrer Resultierenden spektral analysiert werden. Damit wird das Verfahren von der Ausrichtung des mobilen elektronischen Geräts 16 gegenüber dem Koordinatensystem des Tragschraubers 2 unabhängig.Instead of the translatory accelerations according to the 3a-c and the rotation rates according to the 5a-c to analyze each separately spectrally, these can first be added vectorially and then spectrally analyzed in the form of their resultant. The method thus becomes independent of the alignment of the mobile electronic device 16 with respect to the coordinate system of the autogyro 2 .

BezugszeichenlisteReference List

11
Drehflüglerrotorcraft
22
Tragschrauberautogyro
33
Rotorrotor
44
Rotorblattrotor blade
55
Rotorblattrotor blade
66
Rotorachserotor axis
77
Propellerpropeller
88th
Leitwerkempennage
99
Steuereinrichtungcontrol device
1010
Pilotpilot
1111
Pilotensitzpilot seat
1212
Flugzelleairframe
1313
Fahrwerklanding gear
1414
Bugradnose wheel
1515
HeckrRadHeckrRad
1616
mobiles elektronisches Gerätmobile electronic device
1717
Smartphonesmartphone
1818
Inertialsensorinertial sensor
1919
GehäuseHousing
2020
Beschleunigungen und/oder DrehratenAccelerations and/or rotation rates
2121
Prozessorprocessor
2222
Lautsprecherspeaker
2323
Vibratorvibrator
2424
PeakPeaks
2525
PeakPeaks
2626
Positionssensorposition sensor
2727
Anströmungflow

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 2211186 A [0003]DE 2211186 A [0003]
  • EP 3618266 A1 [0005]EP 3618266 A1 [0005]

Claims (10)

Verfahren zum Erfassen der Drehzahl eines Rotors (3) eines Drehflüglers (1), wobei mit einem Inertialsensor (18) eines mobilen elektronischen Geräts (16) Beschleunigungen und/oder Drehraten (20) des mobilen elektronischen Geräts (16) an Bord des Drehflüglers (1) gemessen und mit dem mobilen elektronischen Gerät (16) spektral analysiert werden.Method for detecting the rotational speed of a rotor (3) of a rotorcraft (1), with an inertial sensor (18) of a mobile electronic device (16) being used to measure accelerations and/or yaw rates (20) of the mobile electronic device (16) on board the rotorcraft ( 1) measured and spectrally analyzed with the mobile electronic device (16). Verfahren nach Anspruch 1, wobei die gemessenen Beschleunigungen und/oder Drehraten (20) mit dem mobilen elektronischen Gerät (16) an Bord des Drehflüglers (1) spektral analysiert werden.procedure after claim 1 , The measured accelerations and/or yaw rates (20) being spectrally analyzed with the mobile electronic device (16) on board the rotorcraft (1). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, - wobei die gemessenen Beschleunigungen und/oder Drehraten (20) bezüglich ihrer spektralen Leistungsdichte analysiert werden und - wobei aus einem Peak (24, 25) der spektralen Leistungsdichte bei einer Peakfrequenz fP bei einem Rotor (3) des Drehflüglers mit n Rotorblattern (4, 5) auf eine Drehzahl fP/n des Rotors (3) geschlossen wird.procedure after claim 1 or 2 , - wherein the measured accelerations and/or yaw rates (20) are analyzed with regard to their spectral power density and - wherein from a peak (24, 25) of the spectral power density at a peak frequency f P in a rotor (3) of the rotorcraft with n rotor blades ( 4, 5) a speed f P /n of the rotor (3) is closed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Drehflügler (1) ein Tragschrauber (2) ist.Method according to one of the preceding claims, in which the rotorcraft (1) is an autogyro (2). Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Tragschrauber (2) einen Propellerantrieb aufweist.procedure after claim 4 , wherein the autogyro (2) has a propeller drive. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mit dem mobilen elektronischen Gerät (16) ein Warnsignal ausgegeben wird, wenn die Drehzahl oder eine Änderung der Drehzahl einen definierten Normbereich verlässt.Method according to one of the preceding claims, wherein a warning signal is output with the mobile electronic device (16) when the speed or a change in the speed leaves a defined normal range. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Normbereich abhängig von in einem Anlernbetrieb gemessenen Beschleunigungen und/oder abhängig von im laufenden Betrieb des Verfahrens fortlaufend gemessenen Beschleunigungen und/ oder Drehraten (20) definiert wird.procedure after claim 6 , wherein the normal range is defined as a function of accelerations measured in a training mode and/or as a function of accelerations and/or yaw rates (20) measured continuously during operation of the method. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Warnsignal mit dem mobilen elektronischen Gerät (16) akustisch, haptisch, optisch und/oder über eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle ausgegeben wird.procedure after claim 6 or 7 , wherein the warning signal with the mobile electronic device (16) is output acoustically, haptically, optically and/or via a wireless communication interface. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mit einem Positionssensor des mobilen elektronischen Geräts (16) erfasst wird, ob sich der Drehflügler (1) am Boden oder in der Luft befindet.Method according to one of the preceding claims, wherein a position sensor of the mobile electronic device (16) detects whether the rotorcraft (1) is on the ground or in the air. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mobile elektronische Gerät (16) ein Smartphone (17) ist und das Verfahren durch eine Applikationssoftware auf dem Smartphone (17) implementiert wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the mobile electronic device (16) is a smartphone (17) and the method is implemented by application software on the smartphone (17).
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