EP2326961A2 - System und verfahren zur überwachung von bauteilen mittels sensoren - Google Patents

System und verfahren zur überwachung von bauteilen mittels sensoren

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Publication number
EP2326961A2
EP2326961A2 EP09745547A EP09745547A EP2326961A2 EP 2326961 A2 EP2326961 A2 EP 2326961A2 EP 09745547 A EP09745547 A EP 09745547A EP 09745547 A EP09745547 A EP 09745547A EP 2326961 A2 EP2326961 A2 EP 2326961A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
receiver
sensor nodes
signals
sensor node
sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09745547A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Wartmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ
Original Assignee
Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ filed Critical Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ
Priority to EP09745547A priority Critical patent/EP2326961A2/de
Publication of EP2326961A2 publication Critical patent/EP2326961A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D21/00—Measuring or testing not otherwise provided for
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04Q—SELECTING
    • H04Q9/00—Arrangements in telecontrol or telemetry systems for selectively calling a substation from a main station, in which substation desired apparatus is selected for applying a control signal thereto or for obtaining measured values therefrom
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H9/00—Marine propulsion provided directly by wind power
    • B63H9/04—Marine propulsion provided directly by wind power using sails or like wind-catching surfaces
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04Q—SELECTING
    • H04Q2209/00—Arrangements in telecontrol or telemetry systems
    • H04Q2209/40—Arrangements in telecontrol or telemetry systems using a wireless architecture
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04Q—SELECTING
    • H04Q2209/00—Arrangements in telecontrol or telemetry systems
    • H04Q2209/80—Arrangements in the sub-station, i.e. sensing device
    • H04Q2209/84—Measuring functions
    • H04Q2209/845—Measuring functions where the measuring is synchronized between sensing devices

Definitions

  • This invention relates to the monitoring, measurement, testing or examination and corresponding display or presentation of the determined values on the one hand of films and fabrics, such as sailing, caps FaII- and paragliders, tarpaulins, etc., which are hereinafter referred to as flexible material, on the other hand rigid or moving components.
  • Flexible material normally moves under load, e.g. by the impacting air forces of a sail or paraglider. If one monitors the change in shape of such a flexible material or moving components or - in the case of rigid components - the local change in physical properties of the surrounding medium, then one can conclude from this on the forces occurring on the flexible material or on the component.
  • movable or flexible components can also be attached to a rigid component, e.g.
  • Such flexible material has in common that it may be exposed to large external forces because of its often large area. These may be air forces when used outdoors, such as e.g. Wind forces on a tent, or liquid forces when the flexible material is used for a liquid container.
  • a particular example are paragliders and paragliders, in which the flexible material (usually a tissue) serves as the actual support element whose monitoring is advantageous or even vital for the skirmisher or glider.
  • sensor nodes In another field, namely that of sensors and semiconductor technology, recent developments have led to small, robust and inexpensive sensors that have only a low power consumption and can therefore be operated by means of solar cells, for example.
  • sensor nodes they combine the actual sensor with an evaluation and coding circuit from which a digital output signal is output wirelessly.
  • a robust and independent sensor Design a unit that, with its small size, is predestined for novel applications with wireless signal transmission.
  • the use of such sensor node as a variometer of a special kind in a paraglider will serve below.
  • the invention is not limited to this application, but can be transferred to other applications with little effort. Sailboats are mentioned as examples. Also fixed wing aircraft, in particular gliders, can be modified so that the invention can be used.
  • variometers For aircraft, also paragliders, there are a whole range of variometer constructions. Usually these work with a singular measuring device of pneumatic or electrical construction and indicate the vertical speed of the entire aircraft or paraglider. Such variometers are available in the market in many designs, often in combination with other devices, e.g. a GPS, available.
  • the present invention represents such a novel application of independent sensor nodes as described above.
  • a plurality of such sensor nodes which are wireless signals, are mounted on the flexible material to be monitored to at least one recipient.
  • the latter is connected to or contains a microprocessor as an integral part. From this microprocessor, the received signals are evaluated.
  • a statement about the distribution of the load, acceleration, temperature, etc. can be made about the surface of the flexible material. This statement can be used as an indication to the operator of the device equipped with the flexible material or even automatically intervene in the control of the device, eg for its stabilization.
  • a variometer is used to locate wind-up, whether thermal or otherwise, to avoid wind-down or simply to measure vertical speed, but only the Indicates the rate of climb or descent of the entire aircraft including pilot.
  • the variometer gives no information. But this distribution can be crucial for the flight: Normally, the pilot will endeavor to make the most of an updraft, and therefore would like to turn in the direction of the stronger updraft if he has "cut it" or continues to circle where he is has determined the maximum.
  • One of the usual variometer gives no indication.
  • the present invention overcomes this deficiency.
  • Already two acceleration-sensitive sensor nodes which are distributed at different points of the total area of the flexible screen, make it possible to secure where, that is, on the softer side, the maximum of the currently traversed upwind lies. It is advantageous to attach at least one sensor node each at the wing tips. When flying through an updraft, the glider on the side of the larger upwind will accelerate locally more than on the other side. The comparison of the acceleration values determined by the two sensor nodes indicates on the soft side the core of the updraft.
  • the acceleration values determined by the sensor nodes are transmitted by radio to a receiver, which forwards them to a microprocessor for further processing.
  • An indication to the pilot can be made advantageously by means of tactile elements in one or two finger gloves or otherwise directly on the body of the pilot, but also a visual display on a display is possible.
  • the sensor nodes can preferably be arranged on the inside of the top sail on the diagonal struts in the vicinity of the wingtips.
  • Another possibility is to arrange more than two sensor nodes distributed over the entire width of the top sail. Thus, a differentiated statement about the updraft distribution can be made.
  • sensor nodes in the area of the leading edge of the paraglider, e.g. to give a warning signal indicating too low airspeed and / or the risk of so-called "folding in”. In the latter, the screen loses its carrying capacity; This process is particularly dreadful as it often leads to a crash.
  • one wing is also accelerated to a greater extent, on which the greater total force of the updraft or downdraft acts.
  • An attachment of sensor nodes to the wing tips can also be used here to a display for the updraft distribution in a similar manner, although the acceleration is less pronounced because of the rigid wing than a flexible screen. In the latter case, the area locally accelerates more and moves, that is, bulges out, to which the greater pressure is exerted, ie the stronger upwind prevails.
  • the sails perform the task of propulsion, which in principle rule similar flow conditions as the paraglider, but the dangers are less and of a different kind.
  • the invention can serve to optimize the sailing and rowing position.
  • the display can be used to optimize feathering, berthing (mast tension) and rudder position.
  • the invention would, so to speak, support or partially replace the feeling and the eye of the helmsman and / or skipper.
  • FIG. 1 shows a schematic overall view of a first embodiment of the invention on a paraglider
  • FIGS. 2a, 2b show two examples of displays
  • Fig. 3 is an overall view of a second embodiment on a
  • Fig. 4 is an overall schematic view of an embodiment of the invention on a sailboat.
  • Fig. 5 is a schematic view of a suitable electronic
  • Fig. 1 shows the schematic view of a system according to the invention using the example of a paraglider; only one side of the upper sail 2 of a paraglider is shown. The direction of flight is indicated by the arrow 7.
  • This sensor node 4 contains an accelerometer which detects the local vertical acceleration of the flexible material of the upper sail 2 surrounding it and converts it into a signal transmitted wirelessly to a receiver by means of a transmitter contained in the sensor node 4, the latter containing a microprocessor or forms an integrated component with such. From the receiver / microprocessor 1, a signal output to a display device 3, the wcitor wiid described in more detail below.
  • the sensor node 4 may have a solar panel or be connected to such.
  • This solar panel shown separately in FIG. 1, may be mounted on or under the upper sail 2.
  • the described sensor nodes are now commercially available. Examples are the sensor nodes available from the company Particle Computer GmbH, Düsseldorf, or the company Scatterweb GmbH, Berlin.
  • Sensors for pressure measurement that is usable for barometric altitude measurement, are offered, for example, by Intersema Sensoric SA, Bevaix, Switzerland, and by Bosch Sensortec GmbH in Reutlingen, Germany. From the latter, accelerometers and gyroscopes are also available.
  • the wireless transmission can preferably take place via a ZigBee radio network in accordance with IEEE Standard 802.15.4, which has the advantage of low power requirement. As a result, a power supply by means of a small battery is possible.
  • Each sensor node transmits not only the measured physical quantity, eg acceleration and / or pressure, but also its identifier, thus indicating where, ie at which point of the top sail, the physical Size was measured.
  • the sensor node 4 determines the magnitude of the sudden vertical acceleration of a portion of the upper jaw 2 and forms therefrom a signal which, as indicated in FIG. 1, is wirelessly transmitted to the receiver / microprocessor 1. In most cases, one of the two sensor nodes 4 will experience a greater acceleration than the one arranged at the other wing tip. The core of the updraft is of course on the side with the greater vertical acceleration. The pilot can then turn to this side to optimize his uphill climb.
  • Modern paragliders have a top and a bottom sail, which have in flight a certain distance from each other, which is formed and held by the incoming air on the move and bounded by appropriate lines or bands between the upper and lower sail.
  • the paraglider is inflated so to speak by the wind and thus receives its aerodynamic shape. Flight behavior, stability and carrying capacity depend crucially on this form and any change in this form can lead to a critical flight condition.
  • a further sensor node 8 is arranged at the leading edge of the paraglider, preferably on the upper sail 2, which also serves to measure the vertical acceleration of the latter. Bend part of the sail is designed. This sensor node 8 operates in the same way as described above for the sensor node 4 at the wing tips.
  • the sensor node 8 As soon as the sensor node 8 detects a negative, that is to say downward, vertical acceleration, it transmits a corresponding signal to the receiver / microprocessor 1, which in turn transmits a warning signal to the pilot.
  • the scrubber sensor 4 or 3 may also contain a pressure sensor. This makes it possible to display additional pressure altitude and vertical speed of the paraglider. Although the vertical velocity can also be determined from the integration of the acceleration values, additional or sole barometric measurement is advantageous.
  • the display can be designed analogously to conventional altimeters or variometers used in aviation.
  • the display device 3 shown as a simple block in Fig. 1 is e.g. a standard display that must be large enough to present the calculated values in a clear and easy to read way for the pilot under all circumstances. Also, as is common in gliders, it may include a variometer with an audible indicator, in which the magnitude of the rise or fall is indicated by the height of a note, the tone being interrupted in ascending order and continuously sounding in the fall.
  • FIG. 2a A display which is particularly suitable for paragliders is shown in FIG. 2a.
  • This is a tactile display in or on the glove 5 of the paraglider pilot.
  • a vibrator is attached to a "fingertip" of the glove 5, which is controlled by the receiver / microprocessor 1. If only a single vibrator is needed, it can also be arranged to contact the palm or the back of the hand. If several fingertips with vibrators are are equipped, so each of these vibrators can be controlled individually.
  • the vibration signals in the right glove originate from the sensor node (4) on the right sail (see Fig. 1) and the signals in the left glove from the unillustrated sensor node on the left sail.
  • the advantage of this tactile display is that the pilot already feels the right-left position in his hands and can thus react without further consideration. In particular, his gaze remains free to observe the environment and is not bound to the instruments. This is an invaluable advantage and safety gain, especially when flying near the ground in mountainous surroundings.
  • the tactile signal may be carried out such that the vibration frequency indicates the magnitude of the acceleration up or down, with an upward acceleration (positive) indicated by brief interruptions of the vibration. If, for example, the pilot feels a higher interrupted vibration on the right than on the left, or on the left only an uninterrupted vibration, he knows that the core of the updraft is to the right of his trajectory and can react accordingly. Usually, then turn right if he has room there.
  • the tactile display can also analogously to the glider variometer by changing the vibration frequency rise or fall - not the acceleration, but the speed - specify and show with short-term, "hacked" interruption slopes from falling differently. With a tactile indicator could speak of a bird-like sensation.
  • a radio receiver such as a PDA, receives from the receiver / microprocessor 1, which also works here as a transmitter, wirelessly (wirelessly) the signals to be displayed and displays them in a suitable form on the display 9, the latter being of course mounted in sight of the pilot got to.
  • the visual Appearance can be supplemented by an audible indicator as described above for gliders.
  • FIG. 3 shows an arrangement with a total of five sensor nodes 4a to 4e and a tactile glove display. Shown is only the right half of the upper sail 2; on the left half of the top sail, not shown, are also five sensor nodes, arranged symmetrically to the right half. Further shown is the receiver / microprocessor 1 connected to two "tactile" gloves, a right glove 5re and a left glove 5ii. Each of these gloves 5re and 5ii has one vibrator in each of the five fingertips. Each of these vibrators is individually controlled by the receiver / microprocessor 1; this is indicated by the broad arrows.
  • the sensor nodes 4a to 4d are located further inside the top sail 2, starting from the top. Of course, they can also be arranged differently than shown; e.g. For example, one sensor may be located on the trailing edge of the sail, or multiple sensors on the leading edge of the top sail.
  • the sensor node 4e located at the leading edge in FIG. 3, which corresponds to the sensor node 8 in FIG. 1, may also be located at a different location.
  • the signals of the five sensor nodes of the (shown) right half of the upper sail 2 are processed by the receiver / microprocessor 1 and transmitted to the five fingertip vibrators in the right glove 5re in such a way that each fingertip vibrator the signal of one Sensor node indicates. This is possible since, as explained above, each sensor node transmits its identifier to the receiver / microprocessor 1.
  • the sensor node 4e located at the leading edge may "operate" the vibrator on the thumb of the right glove 5re, and the sensor node 4a located at the sail tip may be the vibrator on the little finger, etc.
  • the sensor nodes of the left half of the top sail (not shown) symmetrically operate the corresponding fingertip Vibrators of the left glove 5Ii. For the pilot, this results in a spatial distribution of the acceleration determined on the upper sail, which can be felt on the fingertips.
  • a sensor node may also include a gyroscope and wirelessly transmit the position data determined therefrom as encoded signals together with its identifier to the receiver.
  • system and method according to the invention for monitoring and trimming the sails, in particular for the exact and clear measurement (analysis) of feathering and adjustment (sail trim).
  • trim is determined by visual inspection of trim and mainsail attached trim lines.
  • trim threads are usually arranged both on the windward and on the leeward side, usually on the leech (trailing edge) of the sail and consist of a few centimeters long, with one end attached to the sail thread, the other end is free.
  • the trim thread adjusts according to the current prevailing at this point of the sail.
  • the skipper can see more by observing the differences between the windward and the leeward and the different positions of trim lines in different positions, especially at different heights on the sail.
  • the Skippsr will not be able to see all the trirrirnfädsn gleicl ⁇ zeitiy, which proves to be a disadvantage.
  • he will only see the trim on windward or leeward or from the jib or mainsail.
  • the helmsman has the better view, but this is not responsible for ship's command and sail trim.
  • Even the picker will normally see only a part of the trim lines, but for him it also applies that he is not responsible for the ship's command, but at best for the trim of the foredeck (jib).
  • the present invention provides a solution, so to speak "digital Ie trim threads". Via a wireless network, it not only allows every member of the crew to have all the values determined, but also allows them to display or take account of the aerodynamic conditions on the sails.
  • Fig. 4 shows a schematic representation of an inventive arrangement on a sailboat with the boat hull 15.
  • Mast 10 and tree 11 are outlined and only one sail 12 is shown.
  • On the sail 12 are in place of the usual trim threads four sensor nodes 13, as described above.
  • each sensor node 14 contains a sensor for the flow velocity of the passing air and a sensor for the flow direction.
  • the sensor knots are 14 - as usual for trim threads - attached to both sides of a sail.
  • one or more of the sensor nodes 14 may also have a pressure-sensitive part.
  • the sensor nodes 14 may also have a pressure-sensitive part.
  • pairs on the two sides of the sail 12 opposite sensor node 14 can now serve the pressure difference between the two sensor nodes of a pair to determine the optimal sail or rudder position.
  • the values determined by the sensor nodes 14 are transmitted by radio-in this case the above-mentioned ZigBee standard can again be used-to a receiver / microprocessor (not shown here), as shown in FIGS. 2a and 2b.
  • a receiver / microprocessor not shown here
  • FIGS. 2a and 2b the arrangement tion according to Fig. 2b to be preferred, as will be explained below.
  • each sensor node 14 is powered by a solar panel (not shown). But just as well, a small battery or a battery can be used, since the power requirement of a ZigBee connection is very low.
  • an anemometer 13 is provided at the top of the mast, which also represents a sensor node. It detects the speed and the intensity of the apparent wind and also superimposes these values on the receiver / microprocessor, which is a type of control unit.
  • Another measurement takes place in or under water. There, by means of the log 16, the speed of the boat relative to the water is measured and the determined value is likewise transmitted via the transmitter 17 to the receiver / microprocessor.
  • a GPS can still be installed whose determined values can serve not only - as usual - for navigation, but also together with other values for calculating the true wind and / or the flow conditions of the water.
  • Fig. 4 Another, not shown in Fig. 4 sensor can determine the rudder position and transmit it to the receiver / microprocessor, so that the rudder position is also available for optimizing the ride available.
  • the receiver / microprocessor may be, for example, a suitably equipped laptop located in the boat cabin. This allows a generous representation of the measured and possibly calculated values on the comparatively large display. More interesting and appropriate to the conditions on a sailboat but is a wireless transmission from the receiver / microprocessor as a hub to mobile devices at the individual crew members.
  • the respective crew member membered a receiver with a display which may be, for example, a wrist-worn, preferably splash-proof PDA. On this PDA, the data is displayed in a suitable, easy-to-read form, whereby the crew member can suppress the display of certain data.
  • the software processes the following sensor values, which are updated, for example, every second:
  • Fig 5 sc-hüessüch. shows the schematic outline of an eiekironi system, as it is e.g. for the arrangement shown in Fig. 3 can be used.
  • the receiver / microprocessor 1 receives, as shown by the arrows 20re, from the five sensor nodes 4a to 4e (see FIG. 3) arranged on the right-hand wing 2 shown in FIG. 3 by radio, the respectively determined acceleration measured values.
  • the receiver / microprocessor 1 receives acceleration measurements from five left node sensor nodes (not shown). This is shown in Fig. 5 by the arrow 20Ii.
  • the receiver / microprocessor 1 is supplied with two further signals: once a height measured value from an altimeter (usually a barometric altimeter) A. This can be done by radio or by wire; in Fig. 5 this is indicated by the arrow 21.
  • the second signal is a position signal generated by a gyroscope G; it is used to indicate the bank (transverse position) of the paraglider and is transmitted by radio or wire, indicated by the arrow 22, to the receiver / microprocessor 1.
  • the altimeter A and / or the gyroscope can advantageously be integrated into the receiver / microprocessor 1 or arranged in the immediate vicinity. Then a radio link is unnecessary, which is not always a desirable power consumers.
  • the receiver / microprocessor 1 thus has a total of ten acceleration measurements, five of each half of the wing, a height reading and a reading indicating the slope of the paraglider.
  • the one flight state is a gliding flight to the forward movement in a more or less straight line, which is also looking for updraft.
  • This gliding flight is characterized by curves with small banks and usually greater speed, although this is not a clear criterion. Mainly the pilot wants to move forward.
  • the second flight state is the circular flight in the (thermal) updraft, under gliders also called "cranks". This is characterized by curves with larger banks and lower speed than in gliding flight. (The case of the uphill or the wave updraft, which allow both a straight-ahead flight on the updraft, should be disregarded here.)
  • Thermal lifts are irregular, i. also in the vertical direction gusty and have virtually constantly changing updraft speeds.
  • To optimally use such a thermal updraft i. Achieving the best climbing values with the respective aircraft requires constant variations of the trajectory and airspeed, which are also a constantly new challenge for a trained pilot.
  • the variometer is used to optimize the climb in circular flight, which is commercially available in various designs, today often combined with integrators, McCready computers, GPS, approach computers, etc. to highly complex electronic devices. But even the best variometer only indicates the ascent of the aircraft in its entirety, ie there is no information as to whether the climb to the right or left of the trajectory is greater (or smaller) and it may be useful to to shift the circle, which has flown in the upwind, towards the larger climb. This decision is the sole responsibility of the pilot and his sense, which of course distinguishes the good pilot from the mediocre.
  • a signal By processing a plurality of signals, wherein at least two in the vicinity of the wing tips opposite in principle suffice, a signal can be generated that shows the pilot on the softer side, the larger climbing is present and in which direction he curves or shift his circular flight should.
  • the display can be done in various forms. In a glider, one will rather prefer a visual display, e.g. Distributed over the cockpit edge, bright light emitting diodes whose color and / or flashing frequency can be changed according to the determined acceleration or climb values.
  • a visual display e.g. Distributed over the cockpit edge, bright light emitting diodes whose color and / or flashing frequency can be changed according to the determined acceleration or climb values.
  • these gloves are shown as 5re and 5ii as a pair. They are carried by the pilot, so that his view is free for the observation of the airspace, which is especially in competitions a not to be underestimated safety factor.
  • Each glove is connected to the receiver / microprocessor 1 with one cable each; A wireless connection is possible, but less useful, since it represents a power consumer.
  • a vibrator a type of construction, as used in mobile phones
  • the vibration amplitude is adjustable.
  • it can be switched on or off, so that a vibration with interruptions of variable length can be displayed.
  • the variometer reading of the paraglider will report to the receiver / microprocessor 1, the paraglider is indeed in descent.
  • the gyroscope reports a bank angle of less than 5 ° to a maximum of 10 ° or 15 °.
  • the vibrators are switched off, i. no vibration is noticeable. If the value exceeds e.g. -3.5 m / s, i. So "strong sinking", as an alarm signal in the gloves excited on all fingers even vibration that signals the pilot this abnormal sinking.
  • the vibration amplitude may increase with greater drops. The latter function is not absolutely necessary.
  • the altimeter or the variometer will register ascent and transmit a correspondingly positive variometer measured value to the receiver / microprocessor 1.
  • the vibrators of the individual fingers of each hand are individually controlled. In this case, for example, receives the vibrator of the little finger an interrupted signal corresponding to the input of the sensor node at the wing tip (4a in Fig. 3), the vibrator of the ring finger one, the input of the next sensor node to the wing center (4b in Fig. 3), etc.
  • the innermost sensor node (4e in Fig. 3) provides acceleration measurement values applied to the vibrator on the thumb.
  • the vibration amplitude that is to say the perceived strength of the vibration
  • the shorter the pauses the stronger the acceleration, which transmits the respective sensor node.
  • amplitude and duration (pause ratio) of the vibration of each individual finger are controlled such that both the amplitudes increase with increasing acceleration the breaks become shorter.
  • this scheme can be modified in any meaningful form; the person skilled in the art will become variator or.er. no Prcblcrr; prepare.
  • the gyroscope registers a bank over e.g. 10 ° or 15 °.
  • the "display" ie the vibration scheme, is changed in the form that the receiver / microcontroller 1 is made of the altimeter measurements obtained from the altimeter indicating the ascent of the (entire) paraglider and that transmitted by each individual sensor node Acceleration readings created an individual vibration scheme for each finger.
  • the pilot feels on all fingers an interrupted vibration given by the ascent of the paraglider, whose strength / amplitude increases and whose pauses decrease as the sensor node assigned to a particular finger experiences a positive, thus upward, acceleration.
  • This allows the pilot to easily see where the bigger climb is and change his flight path accordingly.
  • the pilot In a steady updraft, or if the pilot has centered the updraft well, he will feel the same vibration on all his fingers, indicating that he is climbing.
  • the accelerometer readings provided by each sensor node may also be integrated to obtain variometer readings for the glider, rather than from the altimeter values as described above. For very large banks, eg above about 35 °, it is assumed that this is a spiral, as it is not flown under normal conditions on the upwind. Then the described vibration signals are not output, since no centering is necessary.
  • the described tactile display scheme is only an example. It can be varied in many ways, e.g. an uninterrupted vibration scheme can be selected or one with a variation of the vibration frequency. It should also be understood that using a smaller number (e.g., two) of distributed sensor nodes also requires fewer vibration units (even two), which may also be located at other locations rather than a glove. For a fixed-wing glider, as already mentioned above, preference will be given to optical and / or acoustic displays which are already customary for variometers today.

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Abstract

Zur Überwachung, Messung, Prüfung und/oder Untersuchung von einem flexiblen bzw. beweglichen Material oder Bauteil wie Folien oder Gewebe, z.B. Segel, Kappen von Fall- und Gleitschirmen, Zeltbahnen, Klappen, die sich unter Belastung bewegen, z.B. durch die auftreffenden Luftkräfte bei einem Segelflugzeug, Gleitschirm oder dem Segel eines Segelboots, dient eine Mehrzahl von auf oder an dem Material angebrachten, vorzugsweise mit eigener Stromversorgung versehenen Sensor-Knoten, die ihre, die gemessene physikalische Grösse darstellenden Signale drahtlos an einen Empfänger übermitteln. Ebenso lassen sich durch Anbringung von entsprechenden Sensor-Knoten an starren Bauteilen, insbesondere von Flugzeugen, entsprechende Signale gewinnen, die drahtlos an einen Empfänger übermittelt werden. Ein diesem Empfänger nachgeschalteter Mikroprozessor erzeugt daraus Signale, die optisch, akustisch und/oder taktil dargestellt weden und quasi ein räumliches Abbild der gemessenen physikalischen Grossen bieten können, womit man z.B. auf auftretende Kräfte, Zustände oder Belastungen schliessen kann. Dies kann auch automatisch erfolgten und das Ergebnis zur Steuerung des betreffenden Geräts, z.B. des Gleitschirms, Flugzeugs oder Segelboots, dienen oder es kann die Annäherung an die Belastungsgrenze des Geräts angezeigt werden.

Description

System und Verfahren zur Überwachung von Bauteilen mittels Sensoren
BESCHREIBUNG
Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft die Überwachung, Messung, Prüfung oder Untersuchung und entsprechende Anzeige oder Darstellung der ermittelten Werte einerseits von Folien und Geweben, z.B Segeln, Kappen von FaII- und Gleitschirmen, Zeltbahnen, etc., die nachfolgend als flexibles Material bezeichnet sind, andererseits auch von starren oder beweglichen Bauteilen. Flexibles Material bewegt sich normalerweise unter Belastung, z.B. durch die auftreffenden Luftkräfte bei einem Segel oder Gleitschirm. Überwacht man die Formänderung eines solchen flexiblen Materials oder von beweglichen Bauteilen oder - bei starren Bauteilen - die lokale Änderung physikalischer Eigenschaften des Umgebungsmediums, so kann man daraus auf die am flexiblen Material oder am Bauteil auftretende Kräfte schliessen. In ähnlicher Weise können auch bewegliche oder flexible Bauteile an einem an sich starren Bauelement, z.B. an einem Tragflügel eines Starrflügelflugzeugs, zur Ermittlung der Belastung oder Bewegung dienen. Starre Bauteile ohne bewegliche Teile werden entsprechend überwacht, indem man Änderungen physikalischer Eigenschaften, z.B. Druckänderungen, an verschiedenen Lokationen der Oberfläche ermittelt und nutzt. Diese Überwachung oder Messung von beweglichen oder starren Bautei- len und Materialien ist besonders dann von Interesse, wenn sie zumindest teilweise automatisch erfolgt und daraus ein Ergebnis abgeleitet wird, das beispielsweise zur Steuerung des betreffenden Geräts dient kann oder die
BESTATIGUNGSKOPIE Annäherung an die Belastungsgrenze des Materials oder Bauteils oder des damit ausgerüsteten Geräts angezeigt wird.
Hintergrund und Stand der Technik Fall- und Gleitschirme verwenden grosse, flexible, leichte Gewebe als wesentliches Konstruktionselement. Schwerere Gewebe, oft mit Kunststoff beschichtet, werden für Schiffssegel, Zelte und Planen für LKWs benutzt. Daneben finden KunslslGfffuiien ähπiiche Verwendung und dienen oft als Schutz gegen Wettereinflüsse oder sogar als Behälter für Flüssigkeiten. All diese normalerweise grossflächigen, flexiblen Gewebe oder Folien werden nachfolgend als "flexibles Material" bezeichnet, ganz gleich, aus welchem Material sie bestehen und wofür sie verwendet werden.
Solchem flexiblen Material ist gemeinsam, dass es wegen seiner oftmals grossen Fläche grossen äusseren Kräften ausgesetzt sein kann. Dies können Luftkräfte bei Verwendung im Aussenbereich sein, wie z.B. Windkräfte an einem Zelt, oder Flüssigkeitskräfte, wenn das flexible Material für einen Flüssigkeitsbehälter verwendet wird. Ein besonderes Beispiel sind Fall- und Gleitschirme, bei denen das flexible Material (meist ein Gewebe) als eigentliches Tragelement dient, dessen Überwachung für den FaII- schirmspringer oder Gleitflieger vorteilhaft oder sogar lebensnotwendig ist.
Auf einem anderen Gebiet, nämlich dem von Sensoren und der Halbleitertechnologie haben neuere Entwicklungen zu kleinen, robusten und preiswerten Sensoren geführt, die nur einen geringen Stromverbrauch haben und daher z.B. mittels Solarzellen betrieben werden können. Als sog. Sensor-Knoten vereinigen sie den eigentlichen Sensor mit einer Auswerte- und Kodierschaltung, von der ein digitales Ausgangssignal drahtlos abgegeben wird. Zusammen mit einem passenden Solarmodul, das ggf. integriert werden kann, lässt sich so eine robuste und unabhängige Sensor- Einheit gestalten, die mit ihrer geringen Baugrösse prädestiniert für neuartige Anwendungen mit drahtloser Signalübertragung ist.
Als Ausführungsbeispiel soll nachfolgend die Anwendung solcher Sensor- Knoten als Variometer besonderer Art bei einem Gleitschirm dienen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt, sondern kann mit geringem Aufwand auf andere Anwendungen übertragen werden. Als Beispiele seien Segelboote genannt. Auch Starrflügelflugzeuge, insbesondere Segelflugzeuge, können so modifiziert werden, dass die Erfindung verwendet werden kann.
Für Flugzeuge, auch Gleitschirme, gibt es eine ganze Reihe von Variometer-Konstruktionen. Üblicherweise arbeiten diese mit einer singulären Messeinrichtung pneumatischer oder elektrischer Konstruktion und geben die Vertikalgeschwindigkeit des gesamten Flugzeugs oder Gleitschirms an. Solche Variometer sind auf dem Markt in vielen Ausführungen, oft in Kom- bination mit anderen Geräten, z.B. einem GPS, erhältlich.
In der deutschen Patentschrift DE 42 24 578 C1 von Fahr ist bei einem Gleitschirm oder Hängegleiter ein druckempfindlicher Sensor derart an den Gurten, die den Piloten halten, befestigt, dass die Straffung der Gurte zum Einschalten eines Flugzeitmessers benutzt werden kann. Dass Sensoren, insbesondere eine Mehrzahl von drahtlos gekoppelten Sensoren, zur Messung bzw. Überwachung aerodynamischer Eigenschaften bzw. Vorgänge dienen können, ist nicht erwähnt.
In der US-Patentschrift 7 231 180 B1 von Benson et al. ist ein drahtloses Netzwerk von verschiedenen Sensoren beschrieben, wobei diese in und an einem Flugzeugtriebwerk angeordnet sind und dieses überwachen. Der Schwerpunkt der dort beschriebenen Lösung ist allerdings die Netzwerkstruktur. Hinweise auf die Messung bzw. Überwachung aerodynamischer Eigenschaften bzw. Vorgänge fehlen. In der PCT-Publikation WO 2004/099790 A1 ist ein System zur Bestimmung der Strömungsverhältnisse an Bootssegeln offenbart, bei dem mehrere Ultraschall-Sensoren am Segel angeordnet sind. Jeder dieser Ultraschall-Sensoren ermittelt Richtung und Geschwindigkeit der am Sensor herrschenden Luftströmung. Zwar kann dieses System eine gewisse Auskunft über die Strömungsverhältnisse geben, es sagt aber nichts über die Druckverhältnisse, vor allem über die Druckunterschiede zwischen den beiden Seiten des Segels aus, die einen wichtigen Faktor für die Optimierung der Sege! und Rudcrstsüung darstellen. Für eine Anwendung in Flugzeugen oder Gleitschirmen zur Aufwind-Lokalisierung erscheint das in dieser Veröffentlichung beschriebene System ungeeignet.
In der US-Patentschrift 6 527 711 B1 von Stivoric et al. ist ein tragbares Sensor- und Computer-System beschrieben, das am oder nahe am Körper einer Person angeordnet ist und die dynamische Überwachung des "phy- siologischen Status", sprich der Körperbewegungen, ohne wesentlich Behinderung der Person erlaubt. Eine Reihe von am Körper verteilten Sensoren erzeugen Daten und übermitteln diese an eine zentralen Computer, ind dem sie ausgewertet werden. Dabei ist auch eine taktile oder andere Anzeige an die das System tragende Person vorgesehen. Die Ermittlung und Anzeige externer, d.h. ausserhalb des Körpers der Person vorhandener physikalischer Werte ist nicht vorgesehen, ebenso wenig eine irgendwie geartete Steuerung eines Fahrzeugs oder Flugzeugs oder Optimierung dieser Steuerung.
Zusammfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt eine solche neuartige Anwendung von unabhängigen Sensor-Knoten, wie oben beschrieben, dar. In einer Ausführungsform werden auf dem zu überwachenden flexiblen Material eine Mehrzahl von solchen Sensor-Knoten angebracht, die drahtlose Signale an mindestens einen Empfänger abgeben. Letzterer ist mit einem Mikroprozessor verbunden oder enthält einen solchen als integralen Bestandteil. Von diesem Mikroprozessor werden die empfangenen Signale ausgewertet. Damit kann je nach dem im Sensor-Knoten verwendeten Sensor eine Aussage über die Verteilung der Belastung, Beschleunigung, Temperatur, etc. über die Fläche des flexiblen Materials erstellt werden kann. Diese Aussage kann als Anzeige für den Bediener des mit dem flexiblen Material ausgerüsteten Geräts erfolgen oder sogar automatisch in die Steuerung des Geräts eingreifen, z.B. zu seiner Stabilisierung.
Sind beispielsweise in der Kappe (Obersegel) eines Gleitschirms mehrere Sensor-Knoten mit Beschleunigungsmessern angeordnet, kann ein Abbild der momentanen lokalen Belastung des Schirms erstellt werden und damit auch der räumlichen Verteilung der Auf- bzw. Abwinde über die Fläche des Schirms.
Heute wird bei Segelfluggeräten (womit hier Starrflügel-Segelflugzeuge, Drachenflieger, Gleitschirme, etc. gemeint sind) zum Auffinden von Aufwinden, seien sie thermischer oder ander Art, zum Vermeiden von Abwinden oder einfach zur Messung der Vertikalgeschwindigkeit ein Variometer benutzt, das allerdings nur die Steig- bzw. Sinkgeschwindigkeit des ge- samten Fluggeräts inklusive Pilot angibt. Über die Verteilung eines Aufwinds über die Tragfläche, d.h. des Schirms bei einem Gleitschirm, gibt das Variometer keine Auskunft. Gerade diese Verteilung kann aber für den Flug von entscheidender Bedeutung sein: Normalerweise wird der Pilot bestrebt sein, einen Aufwind optimal zu nutzen und möchte daher in die Richtung des stärkeren Aufwinds einkurven, wenn er ihn "angeschnitten" hat oder weiter dort kreisen, wo er das Maximum festgestellt hat. Eines der üblichen Variometer gibt darauf keinen Hinweis.
Die vorliegende Erfindung beseitigt diesen Mangel. Schon zwei, an verschiedenen Stellen der Gesamtfläche des flexiblen Schirms verteilt ange- brachte, beschleunigungsempfindliche Sensor-Knoten erlauben es, festzu- stellen, wo, d.h. auf weicher Seite das Maximum des momentan durchflo- genen Aufwinds liegt. Es ist vorteilhaft, mindestens je einem Sensor- Knoten an den Flügelenden anzubringen. Beim Durchfliegen eines Aufwinds wird der Schirm auf der Seite des grosseren Aufwinds lokal stärker beschleunigt als auf der anderen Seite. Der Vergleich der von den beiden Sensor-Knoten ermittelten Beschleunigungswerte zeigt an, auf weicher Seite der Kern des Aufwinds liegt.
Die von den Sensor-Knoten ermittelten Beschleunigungswerte werden per Funk an einen Empfänger übermittelt, der sie an einen Mikroprozessor zur weiteren Verarbeitung weiterleitet.
Eine Anzeige für den Piloten kann vorteilhaft mittels taktiler Elemente in einem oder zwei Fingerhandschuhen oder in anderer Weise unmittelbar am Körper des Piloten erfolgen, aber auch eine optische Anzeige auf einem Display ist möglich.
Die Sensor-Knoten können vorzugsweise auf der Innenseite des Obersegels an den Diagonalverstrebungen in der Nähe der Wingtips angeordnet werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, mehr als zwei Sensor-Knoten verteilt über die gesamte Breite des Obersegels anzuordnen. Damit kann eine differenzierte Aussage über die Aufwindverteilung gemacht werden.
Es ist auch möglich, Sensor-Knoten im Bereich der vorderen Eintrittskante des Gleitschirms anzubringen um z.B. ein Warnsignal abzugeben, das auf zu geringe Fluggeschwindigkeit und/oder die Gefahr des sog. "Einklappens" hinweist. Bei letzterem verliert der Schirm seine Tragfähigkeit; die- ser Vorgang ist besonders gefürchtet, da er häufig zum Absturz führt.
Beim üblichen Starrflügel-Segelflugzeug wird ebenfalls derjenige Flügel stärker beschleunigt, an dem die grösser Gesamtkraft des Aufwinds oder Abwinds wirkt. Eine Anbringung von Sensor-Knoten an den Flügelspitzen kann auch hier zu einer Anzeige für die Aufwindverteilung in ähnlicher Weise genutzt werden, wobei allerdings die Beschleunigung wegen des starren Flügels weniger stark ausgeprägt ist als bei einem flexiblen Schirm. Bei letzterem wird derjenige Bereich lokal stärker beschleunigt und bewegt sich, d.h. beult aus, auf den der grossere Druck ausgeübt wird, d.h. der stärkere Aufwind herrscht.
Bringt man aber jeweils an der Oberseite und an der Unterseite des Flügels, vorzugsweise im Bereich der Flügelspitzen, druckempfindliche Sensor-Knoten an, so ist auch daraus - ohne bewegliche Teile - eine Ermitt- lung der Aufwindverteilung möglich.
Eine Möglichkeit, beim Starrflügel-Segelflugzeug eventuell besser nutzbare Messwerte zu erhalten, bestünde darin, kleine bewegliche bzw. elastische Klappen oder andere nachgiebige Teile an den Flügelspitzen vorzusehen, an denen die Sensor-Knoten angebracht sind. Diese Klappen oder nachgiebigen Teile würden durch auftreffende Auf- oder Abwinde eine wesentlich grossere Beschleunigung erfahren als der gesamte Flügel.
Bei einem Segelboot erfüllen die Segel die Aufgabe des Vortriebs, wobei prinzipiell ähnliche Strömungsverhältnisse wie beim Gleitschirm herrschen, allerdings sind die Gefahren geringer und von anderer Art. Hier kann die Erfindung dazu dienen, die Segel- und Rudereinstellung zu optimieren.
Werden z.B. auf dem Grosssegel eines Segelboots verteilt mehrere Sensor-Knoten gemäss der Erfindung angeordnet, wobei diese beispielsweise die Geschwindigkeit und/oder die Strömungsrichtung der Luft erfassen, deren Anzeige zur Optimierung von Segelstellung, Bauchigkeit (Mast- Spannung) und Ruderstellung dienen kann. Hier würde die Erfindung sozusagen Gefühl und Auge des Steuermanns und/oder Skippers unterstützen oder teilweise ersetzen.
Bringt man jeweils an der Leeseite und an der Luvseite des Segels, vorzugsweise sich gegenüber liegend im Bereich der Segelhinterkante oder im Bereich der grössten Druckunterschiede, druckempfindliche Sensor- Knoten an, so ist daraus eine Ermittlung der optimalen Segelstellung möglich.
Bei einer Anbringung von Sensor-Knoten am Vorsegel Hessen sich Signale erzeugen, die den Skipper auf die Optimierung der Vorsegelstellung oder auf die Notwendigkeit des Reffens hinweisen. Bei einem Rollreff ist sogar ein automatisches Reffen möglich, was sicher für Einhandsegler nützlich wäre.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand zweier Ausführungsbeispiele, die auch in den dazugehörigen Zeichnungen dargestellt sind, im Detail erläutert. Auf den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Gesamtansicht einer ersten Ausführungs- form der Erfindung an einem Gleitschirm;
Fign. 2a, 2b zwei Beispiele für Anzeigen;
Fig. 3 eine Gesamtansicht einer zweiten Ausführungform an einem
Gleitschirm;
Fig. 4 eine schematische Gesamtansicht einer Ausführungsform der Erfindung auf einem Segelboot; und
Fig. 5 eine schematische Ansicht eines geeigneten elektronischen
Systems.
Fig. 1 zeigt die schematische Ansicht eines erfindungsgemässen Systems am Beispiel eines Gleitschirms; es ist nur eine Seite des Obersegels 2 ei- nes Gleitschirms gezeigt. Die Flugrichtung ist durch den Pfeil 7 angedeutet. Am Obersegel 2 ist an jeder Flügelspitze je ein Sensor-Knoten 4 an- gebracht, vorzugsweise an der Innenseite des Obersegels 2 um die Strömung möglichst wenig zu beeinflussen. Dieser Sensor-Knoten 4 enthält einen Beschleunigungsmesser, der die lokale Vertikalbeschleunigung des ihn umgegebenden flexiblen Materials des Obersegels 2 ermittelt und in ein Signal umwandelt, das mittels eines im Sensor-Knoten 4 enthaltenen Senders drahtlos an einen Empfänger übermittelt wird, wobei letzterer einen Mikroprozessor enthält oder mit einem solchen ein integriertes Bauteil bildet. Vom Empfänger/Mikroprozessor 1 erfolgt eine Signalausgabe an ein Anzeigegerät 3, das wcitor unten näher beschrieben wiid.
Zur Stromversorgung kann der Sensor-Knoten 4 ein Solarpanel aufweisen oder mit einem solchen verbunden sein. Dieses Solarpanel, in Fig. 1 ist ein separat angeordnetes gezeigt, kann auf oder unter dem Obersegel 2 angebracht sein.
Die beschriebenen Sensor-Knoten sind inzwischen handelsüblich. Bei- spiele sind die von der Firma Particle Computer GmbH, Karlsruhe, oder der Firma Scatterweb GmbH, Berlin, auf dem Markt erhältlichen Sensor- Knoten.
Sensoren für die Druckmessung, also verwendbar zur barometrischen Höhenmessung, werden beispielsweise von der Firma Intersema Sensoric SA, Bevaix, Schweiz, und von der Firma Bosch Sensortec GmbH in Reutlingen, Deutschland angeboten. Von letzterer sind auch Beschleunigungsmesser und Gyroskope erhältlich.
Die drahtlose Übertragung kann vorzugsweise über ein ZigBee-Funknetz gemäss lEEE-Standard 802.15.4 erfolgen, was den Vorteil geringen Leis- tungsbedarfs hat. Dadurch ist auch eine Stromversorgung mittels einer kleinen Batterie möglich.
Jeder Sensor-Knoten überträgt neben der gemessenen physikalischen Grosse, z.B. Beschleunigung und/oder Druck, auch seine Kennung, womit er angibt, wo, d.h. an welcher Stelle des Obersegels die physikalische Grösse gemessen wurde.
Beim Einfliegen in einen Aufwind beult das Obersegel 2 wegen seiner geringen Masse unmittelbar nach oben aus. Der Sensor-Knoten 4 ermittelt die Grosse der plötzlichen Vertikalbeschleunigung eines Teils des Ober- segeis 2 und bildet daraus ein Signal, das, wie in Fig. 1 angedeutet, drahtlos an den Empfänger/Mikroprozessor 1 übertragen wird. In den meisten Fällen wird der eine der beiden Sensor-Knoten 4 eine grossere Beschleunigung erfahren als der an der anderen Flügelspitze angeordnete. Der Kern des Aufwinds befindet sich natürlich auf der Seite mit der grosseren Vertikalbeschleunigung. Der Pilot kann dann nach dieser Seite einkurven um sein Steigen im Aufwind zu optimieren.
Analog gilt beim Einflug in ein Gebiet absinkender Luft, dass der derjenige Sensor-Knoten 4 die grossere Vertikalbeschleunigung, die jetzt natürlich nach unten gerichtet ist, erfährt, in dessen Umgebung die Umgebungsluft die grossere Abwärtsbewegung ausführt. Der Pilot kann dann zur anderen Seite kurven, um das Gebiet grosseren Fallens zu umfliegen.
Moderne Gleitschirme haben eine Ober- und ein Untersegel, die im Flug einen bestimmten Abstand voneinander aufweisen, der durch die bei Fahrt einströmende Luft gebildet und gehalten wird und durch entsprechende Leinen oder Bänder zwischen Ober- und Untersegel begrenzt wird. Der Gleitschirm wird sozusagen vom Fahrtwind aufgeblasen und erhält damit seine aerodynamische Form. Flugverhalten, Stabilität und Tragfähigkeit hängen entscheidend von dieser Form ab und jede Veränderung dieser Form kann zu einem kritische Flugzustand führen.
Besonders gefürchtet ist das sog. "Einklappen" des Gleitschirms, das durch zu geringe Geschwindigkeit oder Böen hervorgerufen werden kann. Um dieser Gefahr zu begegnen, ist an der Eintrittskante des Gleitschirms, vorzugsweise am Obersegel 2, ein weiterer Sensor-Knoten 8 angeordnet, der ebenfalls zur Messung der Vertikalbeschleunigung des ihn umgege- benden Teils des Segels ausgelegt ist. Dieser Sensor-Knoten 8 arbeitet in gleicher weise wie oben für die Sensor-Knoten 4 an den Flügelspitzen beschrieben.
Sobald der Sensor-Knoten 8 eine negative, also nach unten gerichtete Vertikalbeschleunigung ermittelt, überträgt er ein entsprechendes Signal an den Empfänger/Mikroprozessor 1 , der wiederum ein als Warnung dienendes Signal an den Piloten übermittelt.
Jsdsr der Scriscr-KπctΘn 4 odsr 3 kann neben dem bcscluiebtüitjn Beuh- leunigungs-Sensor für die Vertikalbeschleunigung noch einen Drucksensor enthalten. Damit ist es möglich zusätzlich Druckhöhe und Vertikalgeschwindigkeit des Gleitschirms anzuzeigen. Zwar Hesse sich die Vertikalgeschwindigkeit auch aus der Integration der Beschleunigungswerte ermitteln, eine zusätzliche oder alleinige barometrische Messung ist jedoch vorteilhaft. Die Anzeige kann analog zu in der Fliegerei üblichen Höhen- messern bzw. Variometern ausgelegt werden.
Das in Fig. 1 als einfacher Block dargestellte Anzeigegerät 3 ist z.B. ein übliches Display, das gross genug sein muss, um die ermittelten Werte übersichtlich und für den Piloten unter allen Umständen gut ablesbar darzustellen. Es kann auch, wie es bei Segelflugzeugen üblich ist, ein Vario- meter mit akustischer Anzeige enthalten, bei dem die Grosse des Steigens oder Fallens mit der Höhe eines Tons angezeigt wird, wobei der Ton im Steigen unterbrochen und im Fallen kontinuierlich erklingt.
Eine insbesondere für Gleitschirme gut geeignete Anzeige ist in Fig. 2a dargestellt. Es handelt sich hier um eine taktile Anzeige im oder am Handschuh 5 des Gleitschirm-Piloten. Z.B. ist an einer "Fingerkuppe" des Handschuhs 5 ein Vibrator angebracht, der von dem Empfänger/Mikroprozessor 1 angesteuert wird. Falls nur ein einzelner Vibrator benötigt wird, kann er auch so angeordnet sein, dass er die Handfläche oder den Handrücken berührt. Wenn mehrere Fingerkuppen mit Vibratoren ausge- rüstet sind, so ist jeder dieser Vibratoren einzeln ansteuerbar.
Die Vibrations-Signale im rechten Handschuh stammen vom Sensor- Knoten (4) am rechten Segel (siehe Fig. 1) und die Signale im linken Handschuh vom nicht dargestellten Sensor-Knoten am linken Segel. Der Vorteil dieser taktilen Anzeige ist, dass der Pilot in seinen Händen bereits die Rechts-Links-Lage spürt und damit ohne weitere Überlegung reagieren kann. Insbesondere bleibt sein Blick frei für die Beobachtung der Umgebung und ist nicht an die Instrumente gebunden. Dies ist besonders beim bodennahen Fliegen in bergiger Umgebung ein unschätzbarer Vorteil und Sicherheitsgewinn.
Das taktile Signal kann so ausgeführt werden, dass die Vibrationsfrequenz die Grosse der Beschleunigung nach oben oder unten angibt, wobei eine Bechleunigung nach oben (positiv) durch kurzzeitige Unterbrechungen der Vibration angezeigt wird. Fühlt also der Pilot beispielsweise rechts eine höhere unterbrochene Vibration als links, oder links nur eine ununterbrochene Vibration, weiss er, dass der Kern des Aufwinds rechts von seiner Flugbahn liegt und kann entsprechend reagieren. Üblicherweise wird dann rechts einkurven, falls er dort Raum hat.
Die taktile Anzeige kann aber auch analog zum Segelflugzeug-Variometer durch Änderung der Vibrationsfrequenz Steigen oder Fallen - also nicht die Beschleunigung, sondern die Geschwindigkeit - angeben und mit kurzzeitiger, "gehackter" Unterbrechung Steigen vom Fallen unterschiedlich anzeigen. Mit einer taktilen Anzeige könnte von einem vogelähnlichen Empfinden sprechen.
In Fig. 2b ist eine andere Möglichkeit der Anzeige skizziert. Ein Funkempfänger, z.B. ein PDA, empfängt vom Empfänger/Mikroprozessor 1 , der hier auch als Sender arbeitet, per Funk (drahtlos) die anzuzeigenden Signale und stellt sie in geeigneter Form auf dem Display 9 dar, wobei letzteres natürlich in Sichtweite des Piloten angebracht sein muss. Die visuelle Darstellung kann durch eine akustische Anzeige wie sie oben für Segelflugzeuge beschrieben wurde, ergänzt werden.
In Fig. 3 ist eine Anordnung mit insgesamt fünf Sensor-Knoten 4a bis 4e und einer taktilen Handschuh-Anzeige dargestellt. Gezeigt ist nur die rechte Hälfte des Obersegels 2; auf der nicht gezeigten linken Hälfte des Obersegels befinden sich ebenfalls fünf Sensor-Knoten, symmetrisch zur rechten Hälfte angeordnet. Weiterhin ist der Empfänger/Mikroprozessor 1 gezeigt, der mit zwei "taktilen" Handschuhen verbunden ist, einem rechten Handschuh 5re und einem linken Handschuh 5Ii. Jeder dieser Handschu- he 5re und 5Ii weist in den jeweils fünf Fingerkuppen je einen Vibrator auf. Jeder dieser Vibratoren wird vom Empfänger/Mikroprozessor 1 einzeln angesteuert; dies ist durch die breiten Pfeile angedeutet.
Die Sensor-Knoten 4a bis 4d befinden sich von der Spitze ausgehend weiter innerhalb des Obersegels 2. Sie können natürlich auch anders ange- ordnet sein als dargestellt; z.B. kann sich ein Sensor an der Segelhinterkante befinden oder mehrere Sensoren an der Vorderkante des Obersegels. Auch der in Fig. 3 an der Vorderkante befindliche Sensor-Knoten 4e, der dem Sensor-Knoten 8 in Fig. 1 entspricht, kann sich an einer anderen Stelle befinden. Die Signale der fünf Sensor-Knoten der (gezeigten) rech- ten Hälfte des Obersegels 2 werden vom Empfänger/Mikroprozessor 1 verarbeitet und an die fünf Fingerkuppen-Vibratoren im rechten Handschuh 5re übermittelt und zwar so, dass jeder Fingerkupppen-Vibrator das Signal jeweils eines Sensor-Knotens anzeigt. Dies ist möglich, da, wie oben dargelegt, jeder Sensor-Knoten seine Kennung an den Empfän- ger/Mikroprozessor 1 übermittelt.
Zum Beispiel kann der an der Vorderkante befindliche Sensor-Knoten 4e den Vibrator am Daumen des rechten Handschuhs 5re "bedienen" und der an der Segelspitze befindliche Sensor-Knoten 4a den Vibrator am kleinen Finger, etc. Die Sensor-Knoten der linken Hälfte des Obersegels (nicht gezeigt) bedienen symmetrisch die entsprechenden Fingerkuppen- Vibratoren des linken Handschuhs 5Ii. Für den Piloten ergibt das eine an den Fingerkuppen spürbare, räumliche Verteilung der am Obersegel ermittelten Beschleunigung.
Zusätzlich kann ein Sensor-Knoten auch ein Gyroskop enthalten und die davon ermittelten Lage-Daten als codierte Signale zusammen mit seiner Kennung drahtlos an den Empfänger übermitteln.
Es kann auch vorgesehen werden, bestimmte Messwerte, insbesondere (barometrische) Dr'jck-Meεε'.vsrtc irr; Sinne einer Tütäieneryie-Kuiiiμeπ- sation durch gemessene Geschwindigkeitswerte zu korrigieren, um so Steigwerte zu erhalten, die unabhängig von der geflogenen Geschwindigkeit sind. Dies ist bei Segelflugzeug-Variometern üblich und bedarf daher keiner näheren Erläuterung.
Als zweites Beispiel wird nachfolgend eine Anwendung der Erfindung auf Segelbooten gezeigt und beschrieben.
Hier dient das erfindungsgemässe System und Verfahren zur Überwachung und Trimmung der Segel, insbesondere zur exakten und übersichtlichen Messung (Analyse) der Segelstellung und -einstellung (Segeltrim- mung).
Derzeit wird die Segeltrimmung durch Sichtprüfung von am Vor- und Grosssegel angebrachten Trimmfäden ermittelt. Diese Trimmfäden sind üblicherweise sowohl an der Luv-, wie an der Leeseite, meist am Achter- liek (Hinterkante) des Segels angeordnet und bestehen aus einem wenige Zentimeter langen, mit einem Ende am Segel befestigten Faden, dess anderes Ende frei ist. In Fahrt stellt sich der Trimmfaden entsprechend der an dieser Stelle des Segels herrschenden Strömung ein.
Ein geübter Skipper (Schiffsführer) kann nun an der Stellung und Bewegung der Trimmfäden erkennen, wie die Strömungsverhältnisse an den verschiedenen Stellen des Segels sind und das bzw. die Segel entspre- chend trimmen.
Generell kann man sagen, dass, wenn die Trimmfäden parallel "fliegen", die Luftströmung am Segel zumindest näherungsweise laminar ist, womit das betreffende Segel optimal getrimmt ist. Der Skipper kann allerdings mehr erkennen, indem er auch die Unterschiede von Luv und Lee und die unterschiedliche Stellung von Trimmfäden in unterschiedlichen Positionen, insbesondere in verschiedenen Höhen am Segel, beobachtet.
Natürlich wird der Skippsr kaum süc Trirrirnfädsn gleiclϊzeitiy sehen können, was sich als Nachteil erweist. Je nachdem, wo er sich befindet, wird er nur die Trimmfäden auf Luv oder Lee oder von der Fock oder vom Grosssegel sehen. Oft hat der Rudergänger die bessere Sicht, aber dieser ist nicht für Schiffsführung und Segeltrimmung verantwortlich. Auch der Vorschoter wird im Normalfall nur einen Teil der Trimmfäden sehen, doch gilt für ihn auch, dass er nicht Schiffsführung verantwortlich ist, son- dem allenfalls für die Trimmung des Vorsegels (Fock).
Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich bei grossen Yachten. Dort ist es schwierig, die Stellung der am oberen Ende des Grosssegels angebrachten Trimmfäden zu erkennen, da sich diese oft mehr als 20 m oberhalb des Schiffsdecks befinden.
Die meisten Segelyachten besitzen zudem einen Windmesser (Verklicker) auf der Spitze des Mastes, der oft eine elektronische Anzeige im Cockpit oder am Mast bedient. Während ein einfacher mechanischer Verklicker nur den scheinbaren Wind anzeigen kann, ist mit elektronischen Windmessern über die z.B. per GPS ermittelte Richtung und Eigengeschwin- digkeit des Schiffes das Errechnen des wahren Windes möglich.
Der Nachteil dieser Einrichtungen ist, dass weder die Trimmfäden an den Segeln noch die Anzeige der vom Windmesser ermittelten Werte jedem Crewmitglied auf dem Boot zur Verfügung stehen, meist noch nicht einmal dem Skipper als dem Schiffsführer. Ein weiterer Nachteil ist, dass die An- zeige der Trimmfäden überhaupt nicht in irgendeiner Rechnung berücksichtigt werden kann, da sie ja nur als visuell wahrnehmbare Anzeige existiert.
Auch hier bietet die vorliegende Erfindung eine Lösung, sozusagen "digita- Ie Trimmfäden". Über ein kabelloses Netzwerk ermöglicht sie nicht nur, dass jedem Crewmitglied alle ermittelten Werte zur Verfügung stehen, sondern sie erlaubt auch die Anzeige bzw. Berücksichtigung der aerodynamischen Verhältnisse an den Segeln.
Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemässe Anord- nung auf einem Segelboot mit dem Bootsrumpf 15. Mast 10 und Baum 11 sind skizziert und es ist nur ein Segel 12 gezeigt. Am Segel 12 befinden sich an Stelle der üblichen Trimmfäden vier Sensor-Knoten 13, wie sie oben bereits beschrieben sind. Natürlich kann eine andere Anzahl und oder eine Anbringung an anderen Stellen vom Grosssegel und/oder von anderen Segeln verwendet werden. Im vorliegenden Fall enthält jeder Sensor-Knoten 14 einen Sensor für die Strömungsgeschwindigkeit der vorbeifliessenden Luft und einen Sensor für deren Strömungsrichtung. Die Sensor-Knoten sind 14 - wie auch für Trimmfäden üblich - an beiden Seiten eines Segels angebracht.
Alternativ oder zusätzlich kann einer oder können mehrere der Sensor- Knoten 14 auch einen druckempfindlichen Teil aufweisen. Insbesondere bei sich an den beiden Seiten des Segels 12 paarweise gegenüberliegenden Sensor-Knoten 14 kann nun der Druckunterschied zwischen den beiden Sensor-Knoten eines Paars zur Ermittlung der optimalen Segel- oder Ruderstellung dienen.
Die von den Sensor-Knoten 14 ermittelten Werte werden per Funk - hier kann wieder der o.g. ZigBee-Standard verwendet werden - an einen (hier nicht gezeigten) Empfänger/Mikroprozessor übermittelt, wie er in den Figuren 2a und 2b gezeigt ist. In der vorliegenden Anwendung ist die Anord- nung gemäss Fig. 2b vorzuziehen, wie weiter unten erläutert wird.
Wie beim ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, wird jeder Sensor- Knoten 14 von einem (nicht gezeigten) Solarpanel versorgt. Ebenso gut kann aber auch ein kleiner Akku oder eine Batterie verwendet werden, da der Leistungsbedarf einer ZigBee-Verbindung sehr gering ist.
Weiterhin ist an der Mastspitze ein Windmesser 13 vorgesehen, der ebenfalls einen Sensor-Knoten darstellt. Er ermittelt Geschwindigkeit und Rich- Luny des scheinbaren Windes und übermiπeit diese Werte ebenfaiis an den Empfänger/Mikroprozessor, der eine Art Zentrale darstellt.
Eine weitere Messung erfolgt im bzw. unter Wasser. Dort wird mittels des Logs 16 die Geschwindiglkeit des Bootes gegenüber dem Wasser gemessen und der ermittelte Wert über den Sender 17 ebenfalls an den Empfänger/Mikroprozessor übertragen.
An geeigneter Stelle kann weiterhin ein GPS installiert sein, dessen ermit- telte Werte nicht nur - wie üblich - zur Navigation dienen können, sondern auch zusammen mit anderen Werten zur rechnerischen Ermittlung des wahren Windes und/oder der Strömungsverhältnisse des Wassers.
Ein weiterer, in Fig. 4 nicht dargestellter Sensor kann die Ruderstellung ermitteln und diese an den Empfänger/Mikroprozessor übertragen, so dass die Ruderstelleung ebenfalls für eine Optimierung der Fahrt zur Verfügung steht.
Der Empfänger/Mikroprozessor kann z.B. ein entsprechend ausgerüsteter Laptop sein, der sich in der Bootskajüte befindet. Dieser erlaubt auf dem vergleichsweise grossen Display eine grosszügige Darstellung der gemes- senen und ggf. errechneten Werte. Interessanter und den Verhältnissen auf einem Segelboot angemessen ist aber eine drahtlose Übertragung vom Empfänger/Mikroprozessor als Zentrale an Mobilgeräte bei den einzelnen Crewmitgliedern. Zu diesem Zweck besitzt das jeweilige Crewmit- glied einen Empfänger mit einem Display, das z.B. ein am Handgelenk tragbarer, vorzugsweise spritzwassergeschützter PDA sein kann. Auf diesem PDA werden die Daten in geeigneter, gut ablesbarer Form dargestellt, wobei das Crewmitglied ggf. die Darstellung bestimmter Daten unterdrü- cken kann.
Auf diese Weise kann z.B. der Skipper unabhängig von seiner Position auf dem Boot nicht nur die Segeltrimmung "im Auge behalten", also auch dann, wenn er das oder die Segel gar nicht sieht, sondern er kann auch die Fahrt und/oder den Kurs jederzeit optimieren. Ausserdem kann jedes Crewmitglied unmittelbar die Wirkung einer Aktion verfolgen und damit zu einem optimalen Fahrtverlauf beitragen. Es liegt auf der Hand, dass dies insbesondere beim Regattasegeln Vorteile bietet.
Im beschriebenen Fall verarbeitet die Software folgende Sensorwerte, die beispielsweise jede Sekunde aktualisiert werden:
- Strömungsgeschwindigkeit und -richtung an einem oder mehreren Segeln an der Luv- und Leeseite (Sensor-Knoten auf den Segeln);
- Geschwindigkeit und Richtung des scheinbaren Winds (Windmesser);
- Geschwindigkeit gegenüber Wasser (Log);
- Geschwindigkeit gegenüber Grund (GPS);
- Druckunterschied zwischen ausgewählten Sensoren;
- Ruderstellung;
Es sollte klar sein, dass nicht alle o.g. Werte erfasst werden müssen. Z.B. kann es ausreichen, nur die Windverhältnisse zu ermitteln und anzuzei- gen, um die Segeltrimmung zu optimieren.
Sollten die Entfernungen auf einem grosseren Schiff über das mit einem ZigBee-Funknetzwerk überbrückbaren Distanzen hinausgehen, so kann ein Multihop-Verfahren verwendet werden.
Es ist auch klar, dass mit der Erfassung und rechnerischen Verarbeitung der o.g. Werte neue Möglichkeiten für automatische Steuerungen entste- hen. So könnte z.B. ein automatisches Reffen veranlasst werden, wenn die ermittelten Strömungsgeschwindigkeiten bestimmte Werte überschreiten.
Fig 5 sc-hüessüch. zeigt die schcrnatisch.e GesarntansiuiL eines eiekironi- sches Systems, wie es z.B. für die in Fig. 3 dargestellte Anordnung ver- wendet werden kann. Der Empfänger/Mikroprozessor 1 empfängt, wie durch die Pfeile 20re dargestellt, von den in Fig. 3 gezeigten fünf am rechten Flügel 2 angeordneten Sensor-Knoten 4a bis 4e (siehe Fig. 3) per Funk die jeweils ermittelten Beschleunigungsmesswerte. Ebenso empfängt der Empfänger/Mikroprozessor 1 Beschleunigungsmesswerte von (nicht dargestellten) fünf Sensor-Knoten am linken Flügel. Dies ist in Fig. 5 durch den Pfeil 20Ii dargestellt.
Ausserdem werden dem Empfänger/Mikroprozessor 1 zwei weitere Signale zugeführt: Einmal einen Höhenmesswert von einem Altimeter (meist ein barometrischer Höhenmesser) A. Dies kann per Funk oder per Draht er- folgen; in Fig. 5 ist dies durch den Pfeil 21 angedeutet. Das zweite Signal ist ein Lagesignal, das durch ein Gyroskop G erzeugt wird; es dient zur Angabe der Querneigung (Querlage) des Gleitschirms und wird per Funk oder per Draht, angedeutet durch den Pfeil 22, an den Empfänger/Mikroprozessor 1 übermittelt. Der Höhenmesser A und/oder das Gyroskop kann vorteilhaft in den Empfänger/Mikroprozessor 1 integriert oder in nächster Nähe angeordnet werden. Dann erübrigt sich eine Funkverbindung, die ja einen nicht immer erwünschten Stromverbraucher darstellt.
Zusammengefasst verfügt der Empfänger/Mikroprozessor 1 also über insgesamt zehn Beschleunigungsmesswerte, je fünf von jeder Flügelhälfte, einen Höhenmesswert und einen die Querneigung des Gleitschirms angebenden Messwert.
Prinzipiell kann man bei Gleitschirmen und Segelflugzeugen, d.h. generell bei motorlosen Fluggeräten, zwei Flugzustände unterscheiden: Der eine Flugzustand ist ein Gleitflug zur Vorwärtsbewegung in mehr oder weniger gerader Linie, bei dem auch nach Aufwind gesucht wird. Dieser Gleitflug ist gekennzeichnet durch Kurven mit geringen Querneigungen und meist grossere Geschwindigkeit, wobei diese kein eindeutiges Kriterium ist. Hauptsächlich will der Pilot ja vorwärts kommen. Der zweite Flugzustand ist der Kreisflug im (thermischen) Aufwind, unterr Segelfliegern auch "Kurbeln" genannt. Dieser ist ist gekennzeichnet durch Kurven mit grosseren Querneigungen und geringere Geschwindigkeit als im Gleitflug. (Der Fall des Hangaufwinds oder des Wellenaufwinds, die beide einen Geradeausflug im Aufwind zulassen, sei hier einmal ausser Acht gelassen.)
Thermische Aufwinde sind unregelmässig, d.h. auch in vertikaler Richtung böig und haben sich praktisch dauernd ändernde Aufwindgeschwindigkeiten. Um einen solchen thermischen Aufwind optimal zu nutzen, d.h. mit dem jeweiligen Fluggerät die besten Steigwerte zu erreichen, sind dauernde Variationen der Flugbahn und Fluggeschwindigkeit erforderlich, die auch für einen geübten Piloten eine ständig neue Herausforderung darstellen. Man spricht von einer "Zentrierung der Thermik" und meint damit, durch Verlegen der Flugbahn möglichst nahe an den Aufwindkern möglichst hohe Steigwerte zu erreichen.
Bisher wird zur Optimierung des Steigens im Kreisflug das Variometer be- nutzt, das in verschiedenen Ausführungen kommerziell erhältlich ist, heute oft mit Integratoren, McCready-Rechnern, GPS, Anflugrechnern, etc. zu höchst komplexen elektronischen Geräten kombiniert. Auch das beste Variometer zeigt aber nur das Steigen des Fluggeräts in seiner Gesamtheit an, d.h. es gibt keinerlei Auskunft darüber, ob der das Steigen rechts oder links der Flugbahn grösser (oder kleiner) ist und es eventuell sinnvoll wäre, den im Aufwind geflogenen Kreis hin zum grosseren Steigen zu verlagern. Diese Entscheidung obliegt allein dem Piloten und seinem Gespür ab, was natürlich auch den guten Piloten vom mittelmässigen unterscheidet.
Hier setzt nun die Erfindung völlig neue Massstäbe. Durch die Verarbei- tung mehrerer Signale, wobei mindestens zwei in der Nähe der Flügelspitzen gegenüber liegende prinzipiell genügen, kann ein Signal erzeugt werden, dass dem Piloten zeigt, auf weicher Seite das grossere Steigen vorhanden ist und in welcher Richtung er einkurven oder seinen Kreisflug verlagern sollte.
Die Anzeige kann in verschiedener Form erfolgen. Bei einem Segelflugzeug wird man eher eine optische Anzeige vorziehen, z.B. über den Cockpitrand verteilte, helle Leuchtdioden, deren Farbe und/oder Blinkfrequenz entsprechend den ermittelten Beschleunigungs- bzw. Steigwerten verändert werden können.
Für einen Gleitschirm wird nachfolgend ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel detailliert beschrieben, das mit Vibratoren in Handschuhen ausgerüstet ist, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Fign. 2a und 3 erwähnt wurden.
In Fig. 5 sind diese Handschuhe als 5re und 5Ii als Paar dargestellt. Sie werden vom Piloten getragen, so dass sein Blick frei ist für die Beobachtung des Luftraums, was speziell bei Wettbewerben ein nicht zu unterschätzender Sicherheitsfaktor ist. Jeder Handschuh ist mit je einem Kabel an den Empfänger/Mikroprozessor 1 angeschlossen; eine Funkverbindung ist möglich, aber weniger sinnvoll, da sie ja einen Stromverbraucher dar- stellt. In jedem Finger jedes Handschuhs ist ein Vibrator (ein Bautyp, wie er in Handys benutzt wird) angebracht, dessen Vibrationsamplitude regelbar ist. Zusätzlich kann er ein- oder ausgeschaltet werden, so dass eine Vibration mit Unterbrechungen variabler Länge darstellbar ist.
Im Flug arbeiten sämtliche Sensor-Knoten auf/an den Flügeln, die die Be- schleunigungsmesswerte liefern, ebenso der Höhenmesser, wobei hier die erste Ableitung (mathematisch) von Interesse ist, die Steigen oder Sinken des Gleitschirms anzeigt, also eine Variometermesswert. Ausserdem arbeitet das Gyroskop und meldet die Querneigung des Gleitschirms an den Empfänger/Mikroprozessor 1.
Im nahezu geraden Gleitflug mit geringer Querneigung in ruhiger oder sinkender Luft wird der Variometermesswert Sinken des Gleitschirms an den Empfänger/Mikroprozessor 1 melden, der Gleitschirm befindet sich ja im Sinkflug. Gleichzeitig meldet das Gyroskop eine Querneigung von we- niger als 5° bis maximal 10° oder 15°. Im Bereich eines Variometermesswerts von z.B. 0 bis -3,5 m/s, also "kein oder geringes Sinken", sind die Vibratoren abgeschaltet, d.h. es ist keine Vibration spürbar. Übersteigt der Wert z.B. -3,5 m/s, d.h. also "starkes Sinken", wird als Alarmsignal in den Handschuhen eine an allen Fingern gleichmässige Vibration angeregt, die dem Piloten dieses anomale Sinken signalisiert. Dabei kann die Vibrationsamplitude mit stärkeren Sinken zunehmen. Letztere Funktion ist aber nicht unbedingt erforderlich.
Fliegt der Pilot im nahezu geraden Gleitflug mit geringer Querneigung in eine Aufwindgebiet ein, so wird der Höhenmesser bzw. das Variometer Steigen registrieren und einen entsprechend positive Variometermesswert an den Empfänger/Mikroprozessor 1 übermitteln. Jetzt werden die Vibratoren der einzelnen Finger jeder Hand einzeln angesteuert. Dabei erhält z.B. der Vibrator des kleinen Fingers ein unterbrochenes Signal, das dem Input des Sensor-Knotens an der Flügelspitze (4a in Fig. 3) entspricht, der Vibrator des Ringfingers eines, das dem Input des nächsten Sensor- Knotens zur Flügelmitte hin (4b in Fig. 3), usw. Der am weitesten innen liegende Sensor-Knoten (4e in Fig. 3) liefert Beschleunigungsmesswerte, die den Vibrator am Daumen beaufschlagen. Dabei entspricht die Vibrationsamplitude, also die empfundene Stärke der Vibration, dem vom jeweili- gen Sensor übermittelten Beschleunigungsmesswert, vorzugsweise mit Unterbrechungen, wobei die Pausen desto kürzer werden, je stärker die Beschleunigung ist, die der jeweilige Sensor-Knoten übermittelt. Es werden also gemäss dem von jedem Sensor-Knoten (4a bis 4e in Fig. 3) auf den Flügeln übermittelten Beschleunigungswert Amplitude und Einschalt- dauer (Pausenverhältnis) der Vibration jedes einzelnen Fingers so gesteuert, dass sowohl die Amplidude mit wachsender Beschleunigung grösser als auch die Pausen kürzer werden. Natürlich kann dieses Schema in jeder sinnvollen Form abgewandelt werden; dem Fachmann werden Variati- or.er. kein Prcblcrr; bereiten.
Kreist nun der Pilot in den Aufwind ein - natürlich in diejenige Richtung, in die die stärkere Vibration auftrat, denn dort war das grossere Steigen - dann registriert das Gyroskop eine Querneigung über z.B. 10° oder 15°. Nun wird die "Anzeige", also das Vibrationsschema, geändert in der Form, dass der Empfänger/Microcontroller 1 aus den vom Höhenmesser erhalte- nen Variometermesswerten, die das Steigen des (gesamten) Gleitschirms anzeigen, und den von jedem einzelnen Sensor-Knoten übermittelten Beschleunigungsmesswerten ein individuelles Vibrationsschema für jeden Finger erstellt. Mit anderen Worten, der Pilot fühlt an allen Fingern eine durch das Steigen des Gleitschirms gegebene unterbrochene Vibration, deren Stärke/Amplitude zunimmt und deren Pausen abnehmen, wenn der einem bestimmten Finger zugeordnete Sensor-Knoten eine positive, also nach oben gerichtete Beschleunigung erfährt. Damit kann der Pilot leicht erkennen, wo das grossere Steigen liegt und seinen Flugweg entsprechend ändern. In einem gleichmässigen Aufwind oder wenn der Pilot den Aufwind gut zentriert hat, wir er an allen Fingern nur die gleiche Vibration spüren, die ihm das Steigen anzeigt.
Alternativ können auch die von jedem Sensor-Knoten übermittelten Beschleunigungsmesswerte integriert werden und daraus Variometermesswerte für den Gleitschirm gewonnen werden, statt aus den Werten des Höhenmessers, wie oben beschrieben. Bei sehr grossen Querneigungen, z.B. über ca. 35°, wird davon ausgegangen, dass es sich um eine Steilspirale handelt, wie sie unter Normalbedingungen nicht im Aufwind geflogen wird. Dann werden die beschriebenen Vibrationssignale nicht abgegeben, da ja keine Zentrierung notwen- dig ist.
Es liegt auf der Hand, dass das beschriebene taktile Anzeigeschema nur ein Beispiel ist. Es kann in vieler Hinsicht variiert werden, es kann z.B. ein unterbrechungsloses Vibrationsschema gewählt werden oder eines mit einer Variation der Vibrationsfrequenz. Es sollte auch klar sein, dass bei Verwendung einer kleineren Anzahl (z.B. zwei) verteilter Sensor-Knoten auch weniger Vibrationseinheiten (auch nur zwei) nötig sind, die auch an anderen Stellen statt an einem Handschuh angeordnet sein können. Für ein Starrflügel-Segelflugzeug wird man, wie oben bereits erwähnt, eher optische und/oder akustische Anzeigen vorziehen, die dort für Variometer heute schon üblich sind.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. System zur dynamischen Ermittlung und Anzeige von Zustandsände- rungen an einem flexiblen bzw. beweglichen Material oder einem starren oder beweglichen Bauteil mittels drahtlos kommunizierender Sensor- Knoten, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine Mehrzahl von Sensor-Knoten (4a-4e, 14) auf oder an dem Material (2, 12) oder Bauteil verteilt angeordnet sind, wobei jeder Sensor-Knoten lokal mindestens eine physikalische Grosse ermittelt und ein entsprechend dieser Grosse codiertes Signal zusammen mit seiner Kennung drahtlos übermittelt,
- ein Empfänger (1) vorgesehen ist, der die codierten Signale empfängt,
- ein mit dem Empfänger verbundener Mikroprozessor vorgesehen ist, der die Signale und Kennungen verarbeitet und Ausgangssignale erzeugt, welche die gemessene physikalische Grosse mit ihrer Kennung optisch, akustisch und/oder taktil so wiedergibt, dass zumindest ein Teil der wiedergegebenen physikalischen Grosse dem jeweiligen Sensor-Knoten (4a- 4e) zugeordnet werden kann.
2. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
- die Messung der physikalischen Grosse fortlaufend erfolgt und in Echtzeit an den Empfänger (1) übermittelt wird.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
- jeder Sensor-Knoten (4, 14) eine eigene Stromversorgung aufweist, die insbesondere als Solarzelle ausgebildet ist.
4. System nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die gemessene physikalische Grosse die Beschleunigung ist.
5. System nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge-
- die gemessene physikalische Grosse der Druck des umgebenden Mediums ist.
6. System nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
- die gemessene physikalische Grosse die Strömungsgeschwindigkeit und/oder Strömungsrichtung eines umgebenden Mediums ist.
7. System nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
- jeder Sensor-Knoten lokal mindestens eine physikalische Grosse zusätzlich zur Richtung und Geschwindigkeit des umgebenden Mediums ermittelt und ein entsprechend dieser Grosse codiertes Signal zusammen mit seiner Kennung drahtlos übermittelt.
8. System nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - zumindest ein Sensor-Knoten (4a-4e, 14) mehr als eine physikalische Grösse misst und entsprechend codierte Signale für die gemessenen Grossen zusammen mit seiner Kennung drahtlos an den Empfänger übermittelt.
9. System nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- zumindest ein Sensor-Knoten (4a-4e, 14) ein Gyroskop enthält und die davon ermittelten Lage-Daten als codierte Signale zusammen mit seiner Kennung drahtlos an den Empfänger (1) übermittelt.
10. System nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- das flexible Material das Obersegel (2) eines Gleitschirms ist und die Sensor-Knoten (4a-4e) die Beschleunigung erfassen.
11. System nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- das bewegliche Bauteil sich am Flügel eines Starrflügel-Flugzeugs be- findet, insbesondere an den Flügelspitzen eines Segelflugzeugs, und dass die Sensor-Knoten die Beschleunigung erfassen.
12. System nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
- sich die Sensor-Knoten (4, 4a-4e, 14) sich am Flügel eines Starrflügel- Flugzeugs befindet, insbesondere an den Flügelspitzen des Flugzeugs, und dass die Sensor-Knoten vorzugsweise den Druck des umgebenden Mediums erfassen.
13. System nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- Sensor-Knoten (4, 4a-4e, 14) paarweise gegenüberliegend auf unterschiedlichen Seiten des Materials oder Bauteils angeordnet sind.
14. System nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass
- das vom Mikroprozessor ausgegebene Ausgangssignal optisch auf einem für den Piloten sichtbaren Display (9) dargestellt oder taktil an den Piloten übermittelt wird, insbesondere auf Aktuatoren in einem vom Piloten getragenen Handschuh (5re, 5Ii).
15. System nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
- das flexible Material das Segel (12) eines Bootes (15) ist und die Sen- sor-Knoten die (14) Strömungsrichtung und -geschwindigkeit der Luft ermitteln.
16. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass
- die vom Mikroprozessor ausgegebenen Ausgangssignale optisch auf einem für ein Crewmitglied auf dem Boot (15) sichtbaren Display (9) dar- gestellt wird, wobei dieses Display vorzugsweise vom Crewmitglied getragen wird.
17. System nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass
- mit weiteren Sensor-Knoten (13, 16/17) weitere Daten, insbesondere scheinbarer Wind, Fahrt durchs Wasser, Fahrt über Grund, ermittelt und an den Empfänger (1) übermittelt werden.
18. Verfahren zur Ermittlung dynamischer Zustände an einem flexiblen bzw. beweglichen Material oder Bauteil mittels vorzugsweise drahtlos kommunizierender Sensor-Knoten (4, 14), dadurch gekennzeichnet, dass
- jeder von einer Mehrzahl von auf oder an dem flexiblen bzw. beweglichen Material oder beweglichen oder starren Bauteil (2, 12) verteilt angeordneter Sensor-Knoten (4a-4e, 14) jeweils lokal mindestens eine physika- lische Grosse misst und ein entsprechend dieser Grosse codiertes Signal zusammen mit seiner Kennung drahtlos übermittelt,
- ein Empfänger (1) die codierten Signale empfängt,
- ein mit dem Empfänger verbundener Mikroprozessor die Signale und Kennungen verarbeitet und ein Ausgangssignal erzeugt, welches die räumliche Verteilung oder Zuordnung der gemessenen Grosse über dem flexiblen bzw. beweglichen Material oder Bauteil (2, 12) wiedergibt.
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2369351A1 (de) * 2010-03-10 2011-09-28 Almos Technologies Pty Ltd System zur Detektion turbulenter Luftströme über dem Segel eines Segelbootes
CN107209034B (zh) 2015-01-28 2020-03-24 大陆-特韦斯股份有限公司 具有用于传感器的嵌入式过滤器部件的适配器
DE102016004854A1 (de) * 2016-04-22 2017-10-26 Dominic Czempas Strömungssensor zur Erkennung und Signalisierung von Strömungszuständen, insbesondere eines Strömungsabrisses
IT201800000776A1 (it) * 2018-01-14 2019-07-14 Alberto Montaguti Sistema misurazione vento
US11408394B2 (en) * 2018-09-17 2022-08-09 Siemens Gamesa Renewable Energy A/S Sensor device for an aerodynamic element
IT202000018331A1 (it) 2020-07-28 2022-01-28 Koyre S R L Sistema di rilevamento delle sollecitazioni in una struttura flessibile bidimensionale

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4224578C1 (en) 1992-07-22 1993-09-09 Hans-Heinrich O-3034 Magdeburg De Fahr Sensor for switching on and off of chronometer used in air sports e.g. hang gliding - using altering size of aerodynamic lift of carrying surface which works against weight of pilot for operating chronometer automatically at take off and landing.
US6527711B1 (en) * 1999-10-18 2003-03-04 Bodymedia, Inc. Wearable human physiological data sensors and reporting system therefor
SE525139C2 (sv) * 2003-05-12 2004-12-07 Enklaven Ab System för att bestämma luftflödesförhållandena kring ett eller flera segel
US7231180B2 (en) 2004-03-24 2007-06-12 Honeywell International, Inc. Aircraft engine sensor network using wireless sensor communication modules
US7739973B2 (en) * 2005-04-20 2010-06-22 Airmar Technology Corporation Masthead control system

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2009138213A2 *

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