SMARTE SENSOR PLATTFORM ZUR AUTONOMEN SEILKRAFTMESSUNG IN SICHERHEITSKRITISCHEN UND RAUEN UMGEBUNGEN - DAEC-TAGUNG BA TECHNIK AM 26.09.2020 M ...
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Smarte Sensor Plattform zur autonomen Seilkraftmessung in
sicherheitskritischen und rauen Umgebungen
DAeC-Tagung BA Technik am 26.09.2020
• M. Neuhaus (FFT Aviation, Systems and Test Operations)
• Dr. C. Hans (OHS Engineering GmbH)
Agenda
Kurzvorstellung
Projekt und Konsortium
Vortragende
Motivation für das Projekt
Anforderungen
Systemarchitektur
Erprobung
Ergebnisse
Ausblick
26.09.2020
Projekt und Konsortium
SmartSens ist eine durch das Bundesland Bremen geförderte F&E-Initiative
Laufzeit: 05.03.2018 – 31.10.2020
Programm: Luft- und Raumfahrtforschung (LuRaFo)
Fördergeber: Bremer Aufbau-Bank GmbH
Fördermittel: Europäischer Fonds für regionale Entwicklung
Projektkonsortium:
FFT Aviation
Aus dem Produktionsumfeld stammend bietet FFT Lösungen für intelligente Fertigungstechnologien. Der Standort Bremen bietet
Prüftechnik für den Luftfahrtsektor. Schwerpunkte in SmartSens ist die Entwicklung der eingebetteten Komponenten und der Test.
OHS Engineering GmbH
Die OHS beschäftigt sich mit der Softwareentwicklung für die Optimierung von Logistik- und Produktionsprozessen.
Schwerpunkte im Projekt sind die Anforderungserhebung, App-Entwicklung und Vermarktungskonzept der Ergebnisse.
BIBA - Bremer Institut für Produktion und Logistik GmbH
Das BIBA betreibt anwendungsorientierte Forschung in den Branchen Automobil, Luftfahrt und Windenergie (Digitalisierung, IoT,
Industrie 4.0). Der Schwerpunkt in SmartSens umfasst das Antennendesign für die drahtlose Kommunikation.
26.09.2020
Motivation für das Projekt
Unfallschwerpunkt Windenstart
Empfehlung der Betriebstüchtigkeitsanforderungen
Unterstützung von Windenfahrer und evtl. Pilot
Schonender Umgang mit Material und Flugzeug
Verbesserte Performance beim Windenstart
Optimierung des Flugbetriebs
26.09.2020
Unfallschwerpunkt Windenstart
Unfälle im Segelflug 2008 - 2018,
Windenstart ist nach wie vor Unfallschwerpunkt Gesamtzahl: 110
Häufig: Abkippen am Seil in niedriger Höhe Windenstart
21%
Unfälle nach Seilriss oder ausgelösten Sollbruchstellen 28% Windenstart
8% Andere Startart
Seilkraft ist ein grundlegender Prozessparameter 12%
Flug
Landung
Seilrisse und ausgelöste Sollbruchstellen führen zu Flugsituationen 31% Sonstige
mit geringem Handlungsspielraum
Die Überziehgeschwindigkeit steigt mit Erhöhung der Seilkraft Quelle: AEROCLUB NRW e.V.
Erhöhung der Seilkraft führt zu höheren Ausklinkhöhen
Segelflug Unfälle 1998 – 2019,
Gesamtzahl 167
Die Seilkraft als Prozessparameter ist dem Windenfahrer
und Piloten normalerweise nicht bekannt 13% Windenstart: 40; 24%
Unsicherheit beim Windenfahrer über die richtige Gasstellung (vor
allem bei leichten Flugzeugen) 24% Windenstart
Häufige Lastwechsel (durchhängendes Schleppseil) Flug
„Schneller/Langsamer“ Durchsagen von Piloten 39% Landung
Niedrige Ausklinkhöhen Sonst Startart
Entsprechend BFU Unfallberichten der Kategorie Segelflug
26.09.2020
Der Optimale Windenstart
Beschreibung des optimalen Windenstart
Windenschlepp – Sicherheit und optimale Ausklinkhöhe
von Prof. Richard Eppler
Faltblatt: Sicherer Windenstart vom DAeC
3. Der Steigflug
Die Ausklinkhöhe steigt mit Erhöhung der Seilkraft, welche der
Windenfahrer zur Verfügung stellt. Dieser soll mit möglichst
konstanter Seilkraft schleppen. Der Pilot kann seine Fahrt wie im
freien Flug regeln. Es gilt also, dass die Fahrt durch Ziehen
verlangsamt und durch Drücken erhöht wird. Jedoch dürfen auch im
Windenstart die Minimal- sowie die Maximalgeschwindigkeit nicht
unter- bzw. über-schritten werden. Die Maximalgeschwindigkeit für
den Windenstart lässt sich dem Flughandbuch entnehmen. Ein
Überschreiten kann strukturelle Schäden hervorrufen. Die
Minimalgeschwindigkeit im Windenstart ist aufgrund der
Seilkraft in etwa 1.3 bis 1.6-fach höher als im freien Flug und
steigt mit Zunahme der Seilkraft. Ein Unterschreiten der
Minimalgeschwindigkeit führt in einen überzogenen Flugzustand und
ist unter allen Umständen zu vermeiden.
Eine Erhöhung der Ausklinkhöhe ist folglich nur durch Erhöhung der
Seilkraft und somit durch eine Erhöhung der Geschwindigkeit möglich.
Bei Seitenwind wird zusätzlich in dieser Flugphase gegen den Wind
mit Seiten- und Querruder vorgehalten. Flyer: Sicherer Windenstart - DAeC 2012
26.09.2020
Anforderungen an Startwinden
Betriebstüchtigkeitsanforderungen für Startwinden zum
Starten von Segelflugzeugen, Motorseglern und anderen
geeigneten Luftfahrzeugen (BFST), DAeC 2012
2200 Bedienung und Überwachung
2205 Der Startwindenfahrer muss während des
Betriebes die Seilkraft und Seilgeschwindigkeit regeln
und überwachen können.
Insbesondere müssen weiche und ruckfreie Starts
ohne besondere Kraftanstrengung oder
außergewöhnliche Geschicklichkeit möglich sein.
Der Einsatz eines Seilkraftmessers wird dringend
empfohlen.
…
5100 Überwachungs- und Anzeigegeräte
5105 … Eine Anzeige der aktuellen Seilkraft oder
Telemetrie der Fluggeschwindigkeit wird dringend
empfohlen.
Betriebstüchtigkeitsanforderungen für Startwinden… - DAeC 2012
26.09.2020
Anforderungen
Sicherheit
angezeigte Werte für die Seilkraft müssen unter allen
Umständen korrekt sein
keine zusätzliche Schwachstelle ins Seil
Systemfehler müssen zuverlässig erkannt und angezeigt
werden
Robustheit
raues Bodenhandling, hohe mechanische Belastungen,
Feuchte, Temperaturen, UV-Licht, etc…
Wartungsfreiheit
Sensor verbleibt dauerhaft im Schleppseil
Kalibrierung / Wartung max. 1 mal pro Jahr
Batterielaufzeit über 1 Saison ohne Nachladen
Handhabung
Leichte Integrierbarkeit in vorhandene Infrastruktur
Benutzungsfreundliche Schnittstellen zu Windenfahrern und
Piloten
Geringe Anschaffungs- und Betriebskosten
26.09.2020
Architektur
System Komponenten
Flying Link (Fliegende Sensoreinheit am Seilfallschirm)
Ground Link (Empfangs und Anzeigegerät am Boden
Flying App (Winde))
Ground App (App für den Windenfahrer)
Flying App (App für den Piloten (noch zu entscheiden))
Sichere Funkstrecke
Ground Link
Flying Link
Ground App
26.09.2020
Erprobung im Vereinsbetrieb 19.07.-13.09.
Zielstellung: Teilnehmer:
Nachweis Funktion
Nachweis Robustheit
Startbahn (28 / 10) ca. 960m Schleppstecke
Detaillierte Einblicke in Prozessparameter
Winde: Tost 250 PS, Stahlseile
Nachweis, Erkennung von
sicherheitskritischen Zuständen möglich
Nachweis, Optimierung des
Startvorganges möglich
Startbahn (24 / 06) ca. 1000m Schleppstecke
Winde 1: Tost ca. 300 PS, Stahlseile
Winde 2: Diesel, ca. 300 PS, Kunststoffseile
26.09.2020Überblick Erprobung im Vereinsbetrieb
Bericht:
Datum: 19.07. – 13.09.
Beteiligte Anwender:
Piloten: 77
Windenfahrer: 11
Rheine
Tarmstedt
Windenstarts
Gesamt: 260
26.09.2020Typisches Seilkraft- und Höhenprofil
Voller Steigflug
Beschleunigung
ASK21, 29.07.2020,
Ausklinken
Tarmstedt
Ausklinkhöhe (Sensor): 410m
Seil am Boden
Auffälligkeiten:
Kraft-Peak beim
Anschleppen
Schwingungen im
Kraftverlauf
26.09.2020Ausklinkhöhe vs Wind und Kraftintegral
Total Impulse
Berechnung: „Total Impulse“:
Integral Kraft über Zeit
Doppelsitzer
Einsitzer
.. Größe = Windkomponente
26.09.2020Varianz höchste und niedrigste Starts
Ausklinkhöhe abhängig von
Kraft (-Profil)
Schleppzeit (Windeffekt +
Flugprofil)
~200m ~180m
~18s
~15s
26.09.2020Starts mit (zu?) hohen Seilkräften
1.000 daN -
600 daN -
ASK21, Rheine, 26.07.2020
10 Starts in Rheine von
LS4 und DG300 > 600daN hohe Windkomponente
Lastpeaks in Höhen von Höhe 462 m (höchster Start insgesamt)
ca. 100m – max. Insgesamt 3 Starts mit Kräften um die
Schlepphöhe 1.000 daN
26.09.2020Starts mit (zu?) niedrigen Seilkräften
ASK23, Tarmstedt, DG300, Rheine, ARCUS T, Tarmstedt,
25.07.2020 02.08.2020 29.07.2020
Höhe: 259 m Höhe: 323 m Höhe: 376 m
26.09.2020Videos zur Dynamik Windenstart
1. ASK21, Erhöhung der Seilkraft durch die Winde, Pilot hält Fahrt konstant
2. ASK21, Schlepp mit „Vollgas“, Pilot holt Fahrt auf durch nachlassen des Höhenruders
3. ASK21, Übung „Schleichender Seilriss“ in 200m Höhe
Fahrtmesser Sensor Anzeige
Messdaten Kraftverlauf
Messdaten Höhenverlauf
Leistungshebel
26.09.2020Feedback / Kommentare der Anwender
Positiv: Negativ:
Sensor im Schleppseil hat keine erkennbaren Display während des Schleppvorganges teilweise
negativen Einflüsse auf den Schleppvorgang schwer abzulesen (je nach Sonnenstand)
Gutes System um „grobe Fehler“ im Es erfordert einige Übung/Routine die Anzeige
Schleppprozess schnell zu erkennen während des Schleppvorgangs zu interpretieren
Aufgezeichnete Daten sehr sinnvoll für das und Handlungen daraus abzuleiten.
Verständnis über den Startprozess Eine Anzeige von „Handlungsempfehlungen“
Anzeige der Höhe hilfreich bei „schleichenden ähnlich der Sollfahrt Anzeige im Flugzeug wäre
Seilrissübungen“ wünschenswert
Aufgezeichnete Daten hilfreich bei der Analoge Zeigeranzeige wäre einfacher abzulesen
Untersuchung / De-briefing von „misslungenen Einige Male Anzeige von Sensorfehlern
Starts“ (Seilrisse, zu schnelle/langsame
Schlepps)
26.09.2020Erkenntnisse in Bezug auf Zielstellung (1)
Nachweis Funktion
Reichweite, Messtechnik, Fehler-Management, Power-Management, RF-Technik, Anzeige
Prinzipielle Funktion im Betrieb nachgewiesen
Kleinere Optimierungen notwendig, Lösungsansätze liegen vor
Nachweis Robustheit
Kritisch: Sensoreinheit „Flying Link“
Notwendigen Robustheit prinzipiell nachgewiesen (7/8 Sensoreinheiten technisch ok)
Optimierungspotential bei Elektronikeinheit und innerem Kunststoffkern vorhanden
Detaillierte Einblicke in Prozessparameter
Tieferes Verständnis bezüglich des Windenstartprozesses ist erarbeitet worden
Typische Seilkraftverläufe sind erkannt worden
Hohe Lastspitzen beim Anschleppen
Tendenz zur Schwingung ist sichtbar
Bei hohen Windkomponenten entstehen schnell höhe Kräfte (Trommeldrehzahl reduziert)
Gegen Ende des Schleppvorgangs entstehen schnell hohe Kräfte die keinen positiven Einfluss auf die
Ausklinkhöhe mehr haben
26.09.2020Erkenntnisse in Bezug auf Zielstellung (2)
Nachweis, Erkennung von sicherheitskritischen Zuständen möglich
Auslösen der Sollbruchstelle kann effektiv verhindert werden durch korrigieren der Leistungshebel-
Stellung entsprechend der Kraftanzeige (Herausfiltern der Schwingungen in der Anzeige ist notwendig)
Grob falsche / zu geringe Leistungsniveaus können sicher erkannt werden
Nachweis, Optimierung des Startvorganges möglich
Startvorgang kann optimiert werden hinsichtlich
Ausklinkhöhe
Maximalkraftniveau
Pilotenerfahrung
Voraussetzungen:
Pilot verhält sich entsprechend der DAeC Empfehlung (Faltblatt sicherer Windenstart) und regelt seine Fahrt durch
die Variation des Anstellwinkels
Anzeige für Windenfahrer ist intuitiv und schnell ablesbar (derzeit noch nicht der Fall)
26.09.2020Ausblick / weiteres Vorgehen
Testphase erfolgreich – 260 dokumentierte Flüge
Architektur funktioniert
System stabil
Positives Feedback der externen Anwender
Industrielle Härtung
Forschungsvorhaben nur vorwettbewerblich
Sicherheitskritischer Anwendungsbereich
CE-Zertifizierung Grundlage für Kommerzialisierung
Weiterentwicklung
App
Serverbasierte Dienstleistungen (z.B. Datenbank zu De-briefing Zwecken)
Geschäftsmodelle
Pay per Use
Einsatz der Technologieplattform für weitere Anwendungsbereiche der Allgemeinen Luftfahrt
Publikation
Artikel innerhalb des Verbandsorgans
26.09.2020Q&A
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
26.09.2020Backup
26.09.2020Design Flying-Link
Gehäuse für Prototyp Federkörper Spannungsberechnung 3D Design Gehäuse
Prototyp Elektronikeinheit Elektronikeinheit und Integration Prototyp FlyingLink
instrumentierter Federkörper
26.09.2020Anzeigegerät
Anzeigegerät „Ground Link“
Ground Link für Basisdaten
Ground App für
weitergehende Anzeigen
Kraftverlauf
Höhenverlauf
Soll/Ist Vergleich
Akustische Indikation
Abweichung vom Sollwert
App für Pilot möglich
Vergleich:
Leistungsregler von
ESW Elektrowinde
App für mobiles Gerät, derzeitig, Update in Entwicklung
26.09.2020Testapp zur Optimierung Windenstart
26.09.2020Fehler Management
Alle angezeigten Parameter auf den Anzeigegeräten müssen unter allen Umständen
korrekt sein. Für den Fall dass Daten möglicherweise fehlerhaft sein könnten wird dem
Anwender dieses unverzüglich und deutlich angezeigt.
Prinzipien
Designprinzipien aus Luftfahrt Avionik
Redundanz bei Sensorik
Aufwändiges Selbstüberwachungssystem
Selbstüberwachungssystem
zwei redundante Messaufnehmer für die Seilkraft
Verhalten des Systems abhängig von der Kritikalität des Fehlers
Selbstheilende Fehler (wie z.B. temporäre RF Übertragungsprobleme)
Warnungen / Fehler die vom Operator quittiert werden müssen
Fehler die zu einer Sperrung des Systems führen (-> Zustand Locked)
26.09.2020Funktionen Selbstüberwachungssystem
Consequt
Monitor Cycle ive cyle
Monitor Name Type Active In State Algorithm Remark Time [s] counter Response Operator reaction
FlyingLink
1% of measurement
Force Sensor Discrepancy Warning W Standby/Active |F1Cal - F2Cal| > 15daN range 1 3 Warning Operator Confirmation
Force Sensor Offset Warning W Calibration |F1/2Cal - Factory_Offset| > 10daN value TBD 1 3 Warning Operator Confirmation
Force Sensor Discrepancy Failure F Standby/Active |F1Cal - F2Cal| > 50daN 1 3 Locked Manufacturer Reset
Force Sensor Offset Failure F Calibration |F1/2Cal - Factory_Offset| > 20daN 1 3 Locked Manufacturer Reset
Force Sensor Overload Failure F Standby/Active FCons > 1.500daN 1 3 Locked Manufacturer Reset
High Temperature Warning W Sleep Temp > 70 degC 180 3 Warning Operator Confirmation
Low Temperature Warning W Sleep Temp < -10 degC 60 3 Warning Operator Confirmation
Low Voltage Warning W Sleep Voltage < 3.2 Volt 60 3 Warning Operator Confirmation
High Voltage Warning W Sleep Voltage > 3,4 Volt 60 3 Warning Operator Confirmation
Low Voltage Failure F Standby/Active Voltage < 3,1 Volt 60 3 Locked Manufacturer Reset
High Voltage Failure F Standby/Active Voltage > 3,5 Volt 60 3 Locked Manufacturer Reset
Pressure Sensor Warning W Standby/Active P < 500hPa or P > 1.200 hPa 10 3 Warning Operator Confirmation
Calibration Required Warning W Standby Cycles > 500 OR 1 years since last maintenance 60 3 Warning Operator Confirmation
Calibration Required Failure F Standby Cycles > 1000 OR 2 years since last maintenance 60 3 Locked Manufacturer Reset
Shock Monitoring Warning W Standby/Active |Acc (X/Y/Z)| > 16G value TBC. TBD 3 Warning Operator Confirmation
Internal System Failure F Standby any internal failure (SPI communication, etc) TBD 3 Locked Manufacturer Reset
GroundLink
Internal System Failure F Standby any internal failure (SPI communication, etc) TBD 3 Locked Manufacturer Reset
Shock Monitoring Warning W Standby/Active |Acc (X/Y/Z)| > 16G value TBC. TBD 3 Warning Operator Confirmation
Low Voltage Warning W Sleep Voltage < 3.2 Volt 60 3 Warning Operator Confirmation
High Voltage Warning W Sleep Voltage > 3,4 Volt 60 3 Warning Operator Confirmation
Low Voltage Failure F Standby/Active Voltage < 3,1 Volt 60 3 Locked Manufacturer Reset
High Voltage Failure F Standby/Active Voltage > 3,5 Volt 60 3 Locked Manufacturer Reset
26.09.2020Bruchversuch
ab ca. 2.000 daN plastische Verformung des Federstücks
bei ca. 3.200 daN Bruch des Bolzens
FFT Linear Prüfstand für hohe Lasten
26.09.2020Kalibrierung
Kalibrierung bislang anhand gekoppelter
Messwaage (behelfsmäßig)
Neue Kalibriervorrichtung zur
hochpräzisen Kalibrierung nach DIN ISO
376 wird derzeit beschafft
Kalibrierung des Sensors 1 mal / Jahr
vorgesehen.
Behelfskalibrierung Neue Kalibriervorrichtung
nach DIN ISO 376
Kalibrierung bis 1.000 daN
26.09.2020Flugtest 07.02.2020
26.09.2020Auswertung Testflug vom 07.02.2020
26.09.2020Technische Daten industrialisiertes System
Reichweite: > 1,5 km
Messgenauigkeit der Seilkraft: < 1% (bis 1.000 daN)
Messbereich Seilkraft: 0-1.500 daN
Messgenauigkeit der Flughöhe: < 10m (tbc)
Update Intervall der Daten an
Bodeneinheit (GroundLink): 5 Hz
Batterielaufzeit FlyingLink: > 1 Jahr
Batterielaufzeit GroundLink: > 1 Jahr
Kalibrier- und Wartungsintervall: 1 Jahr
Bruchlast > 3.000 daN
26.09.2020Sie können auch lesen
