DE4321329A1

DE4321329A1 - Flight instrument for indicating vertical acceleration of unpowered aircraft - contains piezo-resistive pressure sensor, differentiator, A=D converter, microcomputer, EEPROM, loudspeaker and indicator

Info

Publication number: DE4321329A1
Application number: DE19934321329
Authority: DE
Inventors: Arnold Heinrich Quinke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-07-09
Filing date: 1993-06-26
Publication date: 1994-01-13
Also published as: FR2693554A1; FR2693554B1; CH685265A5

Abstract

The instrument consists of a piezo-resistive pressure sensor, a computer and an indicator. A differentiator eg an analog computer and an analogue-to-digital converter are also provided. The analog computer derives the gradient of the function of the change in ascent rate. The instrument contains an acceleration sensor for detecting the load factor, an input device and at least one RAM. USE/ADVANTAGE - For indicating instantaneous acceleration of vertical flight motion of unpowered aircraft. Facilitates detection and utilisation of up draughts and helps to prevent human and airframe overload.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fluginstrument zur Anzeige der Momentanbeschleunigung der vertikalen Flugbewegung, gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.The invention relates to a flight instrument for displaying the Instantaneous acceleration of vertical flight movement, according to the characterizing features of claim 1.

Für die Flugsicherheit ist die Kenntnis der herrschenden Beschleunigung eines Fluggerätes notwendig, damit weder die physische Belastbarkeit der Insassen noch die zulässige mechanische Festigkeit des Fluggerätes überschritten wird. Als Maß der Belastbarkeit dient der Lastfaktor (n = Lastvielfaches). Er gibt an um wieviel mal die auftretende Beschleunigung größer als die Fallbeschleunigung ( g = 9,81 m/s2) sein darf. Die Beschleunigung belastet den Blutkreislauf und verursacht zwischen 3-4 g Sehstörungen, ab 4-5,5 g den Verlust des Sehvermögens ("blackout") und ab 4,5-6 g die Bewußtlosigkeit. Für die Auslegung der Festigkeit beispielsweise für Segelflugzeuge gilt nach den Richtlinien der OSTIV; für den Wolkenflug und den einfachen Kunstflug n = +4,5/-1,5 und für den Wolkenflug und den unbeschränkten Kunstflug n = +5,3/-3. Die Folgen der Lastüberschreitung am Flugzeug sind bleibende Deformation oder Bruch. Die physischen Störungen sind von der persönlichen Konstitution beim Fluge und der Zeitdauer abhängig und verschwinden nach Ende der Belastung. Die Kontrolle der Beschleunigung; beim Abfangen aus dem Sturzflug oder Steilkurven mit hoher Geschwindigkeit dient der Akzelerometer, ein Meßinstrument aus einem schwingungs fähigen, gedämpften Feder-Masse-System. Die Masse des Akzelerometers stützt sich über eine Feder am Instru mentengehäuse und ist entlang einer Führung bewegbar. Die Einfederung wird mit der Einheit der Fallbeschleunigung an der Mess-Skala als Pegel, oder mit Zahnstange-Ritzel/Zeiger- Übertragung am Zifferblatt angezeigt. An einem mit Schleppzeiger ausgerüsteten Akzelerometer sind zusätzlich die Höchstwerte ablesbar. Da die Führung der Masse in der Hochachse des Fluginstrumentes steht, zeigt der Akzelerometer im Kurvenflug nicht die Fallbeschleunigung der Flugbahn, sondern ihre Summe mit der Fliehkraft. Für die Kontrolle der Überbelastung von Mensch und Material ist daher der Akzelerometer ideal. Ein weiterer Vorteil ist sein Preis, denn insbesondere die Ausführung mit der Pegelanzeige ist sehr einfach und daher preisgünstig.For aviation safety, knowledge of the prevailing Acceleration of an aircraft is necessary so that neither physical resilience of the occupants is still the permissible mechanical strength of the aircraft is exceeded. The load factor (n = Load multiple). He indicates how many times the occurring Acceleration greater than the gravitational acceleration (g = 9.81 m / s2) may be. The acceleration burdens the Blood circulation and causes between 3-4 g visual disturbances, from 4-5.5 g the loss of vision ("blackout") and down 4.5-6 g of unconsciousness. For the interpretation of the Strength, for example, for gliders applies according to the OSTIV guidelines; for the cloud flight and the simple one Aerobatics n = + 4.5 / -1.5 and for the cloud flight and the unlimited aerobatics n = + 5.3 / -3. The consequences of Exceeding the load on the aircraft is permanent deformation or break. The physical disorders are from the personal constitution during the flight and the duration dependent and disappear after the end of the stress. The Control of acceleration; intercepting from the dive or steep curves at high speed Accelerometer, a measuring instrument made from a vibration capable, damped spring-mass system. The mass of the Accelerometer is supported by a spring on the instru ment housing and is movable along a guide. The Deflection occurs with the unit of gravitational acceleration the measuring scale as level, or with rack-pinion / pointer Transmission shown on the dial. On one with Accelerometers equipped with drag pointers are also the Readable maximum values. Because the leadership of the crowd in the The accelerometer shows the vertical axis of the flight instrument not the acceleration of the flight trajectory when cornering, but their sum with the centrifugal force. For the control of Overloading of people and material is therefore the Accelerometer ideal. Another advantage is its price, because in particular the version with the level meter is very simple and therefore inexpensive.

Um die Ortskoordinaten eines Luftfahrzeuges ausschließlich mit Bordinstrumenten zu ermitteln, werden die Daten der Flugbahn gebraucht. Rechnende Beschleunigungsmeßgeräte bestimmen dazu die vertikale Beschleunigung durch Differentiation aus dem gemessenen Geschwindigkeitsverlauf. Kreiselstabilisierte Trägheitsplattformen messen alle Momentanbeschleunigungen der Flugbahn und liefern damit die Basiswerte der aktuellen Position für den Rechner. Der Vorteil dieser Systeme ist die Autonomie und die Präzision. Ihr Nachteil ist, daß sie wegen ihres Preises ausschließlich für die Belange der Militäraviatik und der Raumfahrt vorbehalten sind.To the location coordinates of an aircraft exclusively the data of the Trajectory used. Computing accelerometers determine the vertical acceleration Differentiation from the measured speed curve. Gyro-stabilized inertial platforms all measure Instantaneous accelerations of the trajectory and thus deliver the Basic values of the current position for the calculator. Of the The advantage of these systems is their autonomy and precision. Their disadvantage is that because of their price exclusively for the interests of military aviation and the Space travel are reserved.

Der Urtraum des Menschen, das motorlose Fliegen, ist durch das Fallen und "Anzapfen der Sonnenenergie" mit Gleitschirm, Drachen und Segelflugzeug möglich. Das erstaunliche dabei ist, daß trotz "des ständigen Fallens" bereits homologierte Flüge von über 2000 km gelungen sind. Für die motorlose Fliegerei bleibt die Ermittlung und Ausnützung der Aufwinde erste Priorität. Um in den vermuteten Aufwind zu gelangen ist der Weg aber meistens nur durch fallende Luftmassen möglich. Bis zum plötzlich einsetzende Steigen ist im Abwind mit erhöhter Geschwindigkeit zu fliegen, damit von der Höhe möglichst wenig eingebüßt wird. Die plötzliche vertikale Beschleunigung, spürt der Pilot am Magen und am erhöhten Sitzdruck. Erst danach folgt, stets mit Verzögerung, die Anzeige der Steiggeschwindigkeit des Variometers. Schuld daran ist die Trägheit. Es braucht nämlich Zeit, bis der fallende Pilot mit seinem Gleitschirm, Deltasegler oder Segelflugzeug vom Aufwind erfaßt in die Höhe getragen und von dem Variometer die Richtungsänderung erfaßt wird. Da die Aufwinde vorwiegend aus lokal beschränkten, blasen- oder säulenförmigen Luftmassen (mit einem Durchmesser von ca. 30 bis 200 m) bestehen, ist das Verweilen in der steigenden Luftmasse nur im Kurvenflug möglich. Daher wird der Pilot bestrebt sein, beim Erreichen des Aufwindes die erhöhte Geschwindigkeit mit einer zum vermuteten Aufwindzentrum geneigten Kurve zu reduzieren, indem die überschüssige kinetische Energie in Höhe gewandelt und das Kreisen begonnen wird.The primeval dream of man, motorless flying, is through falling and "tapping solar energy" with a paraglider, Kites and gliders possible. The amazing thing about it is that despite "constant falling" homologated already Flights of over 2000 km were successful. For the motorless Aviation remains the determination and exploitation of the updrafts first priority. To get into the suspected updraft the way is mostly only possible by falling air masses. Until the sudden onset of climbing is in the downwind to fly at increased speed, hence from height is lost as little as possible. The sudden vertical Acceleration, the pilot feels on the stomach and on the raised Seat pressure. Only after that, always with a delay, the Display of the climbing speed of the variometer. fault this is the indolence. It takes time for the falling pilot with his paraglider, or delta glider Glider carried up and carried by the updraft the change of direction is detected by the variometer. Since the Updrafts predominantly from locally restricted, bubble or columnar air masses (with a diameter of approx. 30 up to 200 m), lingering in the rising Air mass only possible when cornering. Hence the pilot strive to achieve the increased when reaching the updraft Speed with a to the suspected upwind center reduce inclined curve by the excess Kinetic energy changed in height and the circles started becomes.

Die Ausnützung des Aufwindes gelingt aber nur dann, wenn die Flugbahn möglichst nahe um das Zentrum des Aufwindes, wo das Steigen am stärksten ist, "zentriert" wird.The upwind can only be exploited if the Trajectory as close as possible to the center of the updraft, where that Rise is strongest, is "centered".

Das faszinierende Spiel mit dem Wind fordert vom Piloten viel Aufmerksamkeit. Denn es gilt;The fascinating game with the wind demands a lot from the pilot Attention. Because it applies;

- aerodynamically clean (without pushing and unnecessary Tax fluctuations)
- the updraft center and
- Your own location to the upwind center (despite the movement) to locate
- the one adapted to flight or cornering Keep airspeed and
- constantly for your own safety and
- to ensure the safety of the co-users of the updraft try.

Um diese Aufgaben zu erfüllen wird der erfahrene Pilot den Hauptteil seiner Aufmerksamkeit für die Beobachtung seiner äußeren Umgebung widmen und für die Ermittlung und Zentrierung des AufwindesIn order to fulfill these tasks, the experienced pilot will Main part of his attention for observing his dedicate to the outside environment and for the identification and Centering the updraft

- follow the display of the variometer,
- compensate for the delay in the notification,
- imagine the distribution of the updraft and
- try to forecast the development of the rise to decide when and where Direction to leave.

Die Aufmerksamkeit eines unerfahrenen Piloten wird we sentlich von der Anzeige gebunden. So wird erThe attention of an inexperienced pilot becomes we considerably bound by the advertisement. So he will

- a dragonfly or wool thread for clean flying "need",
- the minimum speed with the Check the instrument "all the time" and
- a lot of time staring at the variometer spend.

Gemessen an Dauer, Höhe, oder Distanz kann der Pilot mit der Technik des "Instrumentenfluges" erfolgreich sein. Dennoch ist davon auszugehen, daß diese Art des Fliegens die Mißachtung der Kardinalregel des Sichtfluges und somit ein Verstoß gegen die Flugsicherheit ist.Measured by duration, height, or distance, the pilot can use the Technique of "instrument flight" to be successful. Yet it can be assumed that this type of flying the Disregarding the cardinal rule of visual flight and thus a Aviation security violation.

Um den Blick des Piloten auf das Instrument entbehrlich zu machen, sind die akustischen Anzeigen entstanden. Die "singenden", oder "piepsenden" Ausgänge der Instrumente sind auf die alte Erfahrung gebaut, daß (sauberes Fliegen vorausgesetzt) die Steuerung der Fluggeschwindigkeit des motorlosen Fluges sich zuverlässig nach den Fahrtgeräuschen richten läßt. Da den Fahrtgeräuschen oft der Sprechfunk überlagert ist, wird mehr als ein "begleitendes" Tonsignal nicht als Erleichterung sondern als Belastung empfunden. Die "Bühne" der akustischen Anzeige ist demnach klein und nur für einen Solisten geeignet.To dispense with the pilot's gaze on the instrument make, the acoustic indicators have arisen. The "Singing" or "beeping" outputs of the instruments are built on the old experience that (clean flying provided) control of the airspeed of the motorless flight dependably after the driving noise can judge. Since the driving noises often the radio is superimposed, more than an "accompanying" sound signal not as a relief but as a burden. The The "stage" of the acoustic display is therefore small and only for suitable for a soloist.

Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen neuen Akzelerometer für die Belange des motorlosen Fluges zu schaffen, der die Ermittlung und Ausnützung der Aufwinde erleichtert, und die Gefahren der psychischen und physischen Überforderung des Menschen, und die Gefahr der Überlastung des Fluggeräts zu Gunsten der Flugsicherheit vermeiden hilft.The present invention has as its object one new accelerometer for the needs of motorless flight create the determination and exploitation of the updrafts relieved, and the dangers of mental and physical Overwhelming people and the risk of overload of the aircraft in favor of aviation safety helps.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. According to the invention, this object is achieved by the characterizing Features of claim 1 solved.

An Hand der beiliegenden schematischen Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise erläutert. Es zeigen:Using the attached schematic drawings, the Invention explained for example. Show it:

Fig. 1 ein Barogramm, Fig. 1 is a barogram

Fig. 2 ein Diagramm der Steiggeschwindigkeit-Zeit-Funktion, Fig. 2 is a diagram of the ascending velocity versus time function,

Fig. 3 ein Funktionsschema des Akzelerometers, Fig. 3 is a functional diagram of the accelerometer,

Fig. 4 ein Blockschema der Hardware des Akzelerometers. Fig. 4 is a block diagram of the hardware of the accelerometer.

In Fig. 1 wird die Aufzeichnung des Höhenschreibers eines Fluges gezeigt. Das Diagramm der Höhe-Zeit-Funktion s(t), entspricht der fortlaufenden Aufzeichnung des Luftdruckes und wird deshalb in der Fliegerei Barogramm genannt. Die Steiggeschwindigkeit w zu einem beliebigen Zeitpunkt t1 kann aus der Tangentensteigung an dieser Stelle ermittelt werden und entspricht dem Quotienten ds/dt. Die Fig. 2 zeigt das Diagramm der Steiggeschwindigkeit-Zeit-Funktion, nämlich die erste Ableitungsfunktion der Höhe-Zeit-Funktion;In Fig. 1 the record of the altitude record of a flight is shown. The diagram of the altitude-time function s (t) corresponds to the continuous recording of the air pressure and is therefore called a barogram in aviation. The rate of climb w at any time t1 can be determined from the tangent slope at this point and corresponds to the quotient ds / dt. Figs. 2 shows the diagram of the ascending velocity versus time function, namely the first derivative function of the height-time function;

Die Steigung dieser Funktion ist das Verhältnis dw/dt=a_v The slope of this function is the ratio dw / dt = a _v

Im Fig. 3 wird die Funktion des Akzelerometers am Beispiel eines für den motorlosen Flug idealen Informationszentrums dargestellt. Denn mit dem Druckmeß-Sensor 2 (= ein piezo resistiver Absolutdruckmesser), der ein dem Luftdruck pro portionales Signal liefert, steht ein Parameter zur Ver fügung, der unmittelbar als Meßwert der Höhe, einmal differenziert im Differenzierer 5 als Meßwert der Steig geschwindigkeit, zweimal differenziert im Differenzierer 5′ als Meßwert für die vertikale Beschleunigung und nochmals differenziert, z. B. im Rechner 8, als Signal für die zeit liche Änderung der Vertikalbeschleunigung verwendet werden kann. Wenn der Rechner 8 ein Digitalrechner ist, so werden die analogen Signale in einem in Fig. 3 nicht gezeigten Analog-Digital-Wandler digitalisiert und der Mittelwert als Ergebnis aus drei bis vier Messungen pro Sekunde durch die optische 11 und akustische Anzeige 12 ausgegeben. Der Pilot kann mit Hilfe der Eingabe 3 selbst wählen, ob die akustische Anzeige die vertikale Geschwindigkeit, die vertikale Beschleunigung oder deren zeitliche Änderung anzeigen soll. Ein im Rechner 8 integrierter Oszillator erzeugt, je nach der an der Eingabeeinheit 3 getroffenen Wahl, bestimmte Frequenzen zur akustischen Kennzeichnung der Steig- bzw. Sinkgeschwindigkeit oder der vertikalen Beschleunigung oder der zeitlichen Änderung der vertikalen Beschleunigung.In Fig. 3 the function of the accelerometer is shown using the example of an information center ideal for motorless flight. Because with the pressure measuring sensor 2 (= a piezo resistive absolute pressure meter), which delivers a signal proportional to the air pressure, a parameter is available that is used directly as a measured value of the altitude, once differentiated in the differentiator 5 as a measured value of the rate of climb, twice differentiates in the differentiator 5 'as a measured value for the vertical acceleration and differentiated again, z. B. in the computer 8 , can be used as a signal for the temporal change in the vertical acceleration. If the computer 8 is a digital computer, the analog signals are digitized in an analog-digital converter (not shown in FIG. 3) and the mean value as a result of three to four measurements per second is output by the optical 11 and acoustic display 12 . The pilot can use input 3 to choose whether the acoustic display should show the vertical speed, the vertical acceleration or their change over time. An oscillator integrated in the computer 8 generates, depending on the choice made on the input unit 3 , certain frequencies for acoustically identifying the rate of climb or descent or the vertical acceleration or the temporal change in the vertical acceleration.

Schon mit der Anzeige der Beschleunigung erhält der Pilot eine Tendenz, nämlich die Prognose des Steigens oder Fallens, der momentanen Vertikalbewegung als Vektor. Die Anzeige der Ableitung der vertikalen Beschleunigung stellt auch noch eine Prognose über diesen Wert zur Verfügung. Daß eine solche Prognose nicht von der Beobachtung des Variometers vom Piloten je nach Bedarf geschätzt werden muß, sondern dauernd als Momentanwert zur Verfügung steht, reduziert den Umfang der introvertierten Aufgaben des Flugzeugführers und erhöht sein Vermögen zur Wahrnehmung der Umwelt. Da die rechnerische Optimierung gegenüber Schätzungen besser ist, erfährt die Optimierbarkeit der Flugbahn in Ab- und Aufwind einen Qualitätssprung. Dank der Erfindung ermüden die Piloten aller Erfahrungsstufen weniger und können sich vermehrt zu Gunsten der Luftraumbeobachtung widmen.The pilot receives as soon as the acceleration is displayed a tendency, namely the prognosis of rising or Fallens, the current vertical movement as a vector. The Displays the derivative of vertical acceleration a forecast of this value is also available. That such a forecast is not based on the observation of the Variometers can be estimated by the pilot as needed must, but is continuously available as an instantaneous value, reduces the scope the introverted tasks of the pilot and increased his ability to perceive the environment. Because the arithmetic Optimization is better than estimates, the company learns Optimization of the trajectory in down and upwind one Leap in quality. Thanks to the invention, the pilots tire everyone Levels of experience less and can increasingly in favor dedicated to airspace observation.

Mit dem Beschleunigungssensor 7 (= ein piezoresistiver Freiträger mit Einzellast) wird das Signal des Lastvielfachen ermittelt, das im Kurvenflug aus der Beschleunigung und der Zentrifugalkraft besteht. Ein Vergleich der Art (positiv/negativ), der Größe und der Wirkdauer mit den zulässigen Grenzwerten der Eingabe 3 oder des RAM-Speichers 4 ist in dem Rechner 8 möglich. Bei der Gefahr der Überschreitung wird der Pilot durch die Ausgaben 11, 12 optisch und akustisch gewarnt. Für die Selektion der Höchstwerte, im Sinne eines Schleppzeigers, wird der Momentanwert des Beschleunigungssensors 7, mit den in einer anderen Speicherzelle des RAM-Speichers 4 bereits aufbewahrten provisorischen Höchstwerten nach Vorzeichen und absoluter Größe verglichen. Für die Aufbewahrung wird mit den Höchstwerten der beiden Größen gleichen Vorzeichens die zuständige Zelle des RAN-Speichers 4 überschrieben.The acceleration sensor 7 (= a piezoresistive cantilever with individual load) determines the signal of the load multiple, which consists of acceleration and centrifugal force when cornering. A comparison of the type (positive / negative), the size and the duration of action with the permissible limit values for the input 3 or the RAM memory 4 is possible in the computer 8 . If there is a risk of being exceeded, issues 11 , 12 warn the pilot visually and acoustically. For the selection of the maximum values, in the sense of a trailing pointer, the instantaneous value of the acceleration sensor 7 is compared with the provisional maximum values according to the sign and absolute size that have already been stored in another memory cell of the RAM memory 4 . The responsible cell of the RAN memory 4 is overwritten for storage with the maximum values of the two sizes of the same sign.

Mit der Anzeige des Lastvielfachen wird der Pilot über die momentane Belastung informiert. Die gespeicherten Höchstwerte sind besonders nach dem Fluge gefragt und dienen als Entscheidungshilfe ob das Fluggerät wegen mechanischer Überbeanspruchung vor Wiederbenützung kontrolliert werden muß.With the display of the load multiple, the pilot is informed about the current load informed. The stored maximum values are particularly in demand after the flight and serve as Decision support whether the aircraft due to mechanical Control overuse before reuse got to.

Gemäß Fig. 4 können sowohl Höhenmesser, Vario-, und Akzelerometer für die Anzeige der vertikalen Beschleunigung und des Lastvielfachen nach Fig. 3 mit einem Drucksensor 2, einem Beschleunigungssensor 7, in einer gemeinsamen Schaltung mit einem Kleinrechner 8, einem RAM-Speicher 4, Eingabegerät 3, z. B. Tastatur und einer optischen und akustischen Anzeige 11, 12 sowie passender Software realisiert werden.According to Fig. 4, both altimeter, Vario, and accelerometers for indicating the vertical acceleration and the load factor of Fig. 3 may be with a pressure sensor 2, an acceleration sensor 7, in a common circuit having a microcomputer 8, a RAM 4, Input device 3 , e.g. B. keyboard and an optical and acoustic display 11 , 12 and suitable software.

Claims

1. Flight instrument ( 1 ) for displaying the vertical acceleration, characterized in that it consists of a pressure sensor ( 2 ), a computer ( 8 ) and at least one display ( 11 , 12 ).

2. Flight instrument ( 1 ) according to claim 1, characterized in that it consists of a pressure sensor ( 2 ), at least one differentiator ( 5 , 5 '), a computer ( 8 ) and at least one display ( 11 , 12 ).

3. Flight instrument ( 1 ) according to claims 1 and 2, characterized in that it consists of a pressure sensor ( 2 ), at least one differentiator ( 5 , 5 '), an analog-digital converter, a computer ( 8 ) and at least one display ( 11 , 12 ).

4. Flight instrument ( 1 ) according to claims 1 and 2, characterized in that the pressure sensor ( 2 ) is a piezoresistive component.

5. Flight instrument ( 1 ) according to claims 1 to 3, characterized in that the differentiator ( 5 , 5 ') is an analog computer.

6. flight instrument ( 1 ) according to claims 1 to 5, characterized in that in the computer ( 8 ) the slope of the function of changing the rate of climb ( Fig. 2) is calculated.

7. flight instrument ( 1 ) according to claims 1 to 6 for displaying the vertical acceleration, characterized in that it has an acceleration sensor ( 7 ) for determining the load multiple.

8. flight instrument ( 1 ) according to claims 1 to 7 for displaying the vertical acceleration, characterized in that it has an input device ( 3 ) and at least one RAM memory ( 4 ).