Lidar-based Wake Identification and Impact Alleviation
01 Jan 2017-
TL;DR: The OWIDIA (Online Wake IDentification and Wake Impact Alleviation) genannte Steuerungssystem nutzt die Informationen eines vorausschauenden Doppler Lidar Sensors, um ein Modell der Wirbelschleppe zu identifizieren and auf dessen Basis Steuerflachenausschlage zu generieren, die die wirbelinduzierte Storung kompensieren.
Abstract: Wirbelschleppen konnen bei einfliegenden Flugzeugen zu gefahrlichen Flugzeugreaktionen wie plotzlichen starken Rollbewegungen fuhren. Die vorliegende Arbeit prasentiert einen moglichen Ansatz fur ein Steuerungssystem zur Reduktion der Flugzeugreaktion bei Wirbelschleppendurchflugen. Das OWIDIA (Online Wake IDentification and Wake Impact Alleviation) genannte Steuerungssystem nutzt die Informationen eines vorausschauenden Doppler Lidar Sensors, um ein Modell der Wirbelschleppe zu identifizieren und auf dessen Basis Steuerflachenausschlage zu generieren, die die wirbelinduzierte Storung kompensieren. Dieses Steuerungssystem wird in die gesamte Flugsteuerungsarchitektur eines modernen Fly-by-Wire Flugzeuges integriert und hinsichtlich seines Potentials zur Reduktion der wirbelinduzierten Flugzeugreaktion analysiert. Daraus werden Anforderungen an zukunftige Lidar Sensoren fur die Nutzung mit dem OWIDIA System abgeleitet. Die Analysen zeigen ein vielversprechendes Potential des OWIDIA Systems. Mit geeigneten Sensorkonfigurationen kann es den maximalen Hangewinkel bei typischen Wirbelschleppen-durchflugen im Landeanflug um durchschnittlich ca. 70 % reduzieren.
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01 Jan 2017
TL;DR: In this article, a sinusformige deformation with zunehmender Amplitude is presented, in which Wirbel is used to deform the Wirbellinien wirbel in regelmasigen abstanden.
Abstract: Wahrend ihres Zerfalls deformieren sich Wirbelschleppen abhangig von den atmospharischen Bedingungen. Typischerweise durchlaufen Wirbel wahrend ihres Zerfalls verschiedene Deformierungsstadien. Zunachst sorgt die nach ihrem Entdecker benannte CROW-Instabilitat fur eine sinusformige Deformierung mit zunehmender Amplitude. Nach einiger Zeit begegnen sich durch die wachsende Amplitude die Wirbellinien beider Wirbel in regelmasigen Abstanden und es kommt zum sogenannten Linking der Wirbellinien. Danach formieren sich die Wirbel zu Ringwirbeln, die mit weiter zunehmender lateraler Ausdehnung zerfallen. Trotz des Wissens um diesen physikalischen Effekt, wurden Wirbelschleppen fur Gefahrdungsbewertungen von Wirbeldurchflugen in der Vergangenheit jedoch meist als geradlinig angenommen. Ob die Wirbeldeformierung einen Einfluss auf die Gefahrdungsbewertung von Wirbelschleppendurchflugen hat und ob die Annahme von geradlinigen Wirbelschleppen hierbei gerechtfertigt ist, wurde bisher nur sehr unzureichend und mit zum Teil widerspruchlichen Ergebnissen untersucht. Auserdem liefert keine der bisherigen Studien Grenzwerte fur eine vorhersagbare Gefahrdungsmetrik, die in der Praxis angewendet werden kann, um gefahrliche Wirbeleinfluge vorherzusehen. Die Notwendigkeit, die Gefahrlichkeit von Wirbelschleppen mit allen Effekten zu kennen, ist aufgrund der derzeitigen weltweiten Aktivitaten zur teilweisen Neuordnung der Wirbelschleppenstaffelungen
von zusatzlicher Aktualitat. Aus diesem Grund soll die vorliegende Arbeit eine Antwort auf die Frage liefern, wie sich der Effekt der Wirbeldeformierung auf Wirbelschleppendurchfluge auswirkt. Fur die Untersuchung wurden Ergebnisse von Large-Eddy-Simulationen verwendet, die den Effekt der Wirbeldeformierung realistisch abbilden. Zum Vergleich wurde ein analytisches Modell geradliniger Wirbel verwendet. Es wurde eine umfangreiche Simulationsstudie mit Parametervariation durchgefuhrt, die Unterschiede zwischen Wirbeldurchflugen mit deformierten Wirbelschleppen und geradlinigen Wirbelschleppen gleicher Starke aufzeigt. Um Einflusse der Wirbeldeformierung auf das subjektive Empfinden der Gefahrlichkeit durch Piloten zu untersuchen wurden Simulatorversuche in einem A330-Simulator, einem A320-Simulator und Inflight-Simulationen mit dem DLR Forschungsflugzeug ATTAS mit verschieden deformierten Wirbelschleppen durchgefuhrt. Alle Untersuchungen zeigen eine besondere Kritikalitat kurz vor und im Bereich des Linkings. Wirbeldeformierung verringert typischerweise die Einwirkdauer der wirbelinduzierten Krafte und Momente, was grundsatzlich einen positiven Einfluss auf die Auswirkungen eines Durchfluges hat. Wahrend des Linkings konnen Durchfluge jedoch durchaus heftiger sein, als davor und danach. Gefahrdungsgrenzen fur das Roll Control Ratio fur geradlinige Wirbel konnen jedoch auf deformierte Wirbelschleppen ubertragen werden, wie die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen.
10 citations
10 Jun 2004
TL;DR: In this article, an overview of the history of the Quad-M approach to flight vehicle system identification is presented, covering the development to the 18th century and early flight experiments to 1920s.
Abstract: System identification is fundamental to any observed dynamic process. This overview presentation brings out why and what system identification is as applied to flight vehicles. A historical background is briefly provided, tracing the developments to the 18th Century and early flight experiments to 1920s. This is followed by highlighting the unified Quad-M approach to flight vehicle system identification that has evolved over the last three decades. Several examples are presented, covering: 1) generation of complete aerodynamic databases, 2) estimation of nonlinear models for control surface effectiveness and stall hysteresis, 3) aerodynamic effects due to landing gear, and 4) Air drop. Some aspects of model validation are brought out. Finally, diversified applications to other flight vehicles are briefly elaborated to demonstrate the wide domain of applicability. The talk is concluded by indicating the possible future directions of work.
8 citations
TL;DR: In this article, a combined feedback/feedforward GLA system is proposed, which relies on the availability of a wind profile ahead of the aircraft measured by a Doppler LIDAR sensor, and is based on -optimal control techniques.
Abstract: Turbulence and gusts cause variations in the aerodynamic forces and moments applied to the structure of aircraft, resulting in passenger discomfort and dynamic loads on the structure that it must be designed to support. By designing Gust Load Alleviation (GLA) systems, two objectives can be achieved: first, realizing higher passenger comfort; and second, reducing the dynamic structural loads, which allows the design of lighter structures. In this paper, a methodology for designing combined feedback/feedforward GLA systems is proposed. The methodology relies on the availability of a wind profile ahead of the aircraft measured by a Doppler LIDAR sensor, and is based on -optimal control techniques is introduced. The methodology developed in this paper is intended to be applied to large aircraft, e.g. transport aircraft or business jets. The simulation results show the effectiveness of the proposed design methodology in accounting for the measured wind profile to achieve the two mentioned objectives, while ensuring both design flexibility and controller robustness and optimality.
8 citations
31 Mar 2011
TL;DR: In this paper, a vorhandene Simulationsmodell is presented, in which the identifizierten Geometrien and the Verlaufe von Zirkulation and Kernradius wahrend des Zerfalls bestimmt, aus denen in der Simulation die Wirbelgeschwindigkeiten berechnet werden.
Abstract: Diese Studienarbeit befasst sich mit der Modellierung, Identifizierung und Bewertung eines analytischen Modells zur Beschreibung der Geometrie und der Geschwindigkeitsverteilungen von gekrummten Wirbelschleppen und Wirbelringen. Dabei baut die Arbeit auf einem bereits vorhandenen Simulationsmodell auf, welches bisher lediglich den generisch abgeschatzten Wirbelzerfall bis zur Ringbildung (Linking) berucksichtigte. Es werden zunachst mathematische Ansatze aufgestellt, welche die Wirbelgeometrie wahrend des Zerfalls geeignet darstellen konnen. In einem weiteren Schritt werden Geometrieparameter fur das gesamte Wirbelalter in Abhangigkeit von atmospharischen Parametern anhand von Daten aus Grobstruktursimulationen (LES) identifiziert. Diese numerischen Simulationen erzeugen realistische Geometrien, allerdings sind sie sehr rechenintensiv und damit fur Flugsimulationen nur mit grosem Aufwand nutzbar. Neben der Gestalt wird der Verlauf von Zirkulation und Wirbelkernradius wahrend des Zerfalls bestimmt, aus denen in der Simulation die Wirbelgeschwindigkeiten berechnet werden. Das vorhandene Simulationsmodell wird um die identifizierten Geometrien und die Verlaufe von Zirkulation und Kernradius erweitert und im Anschluss anhand der Geschwindigkeitsfelder validiert. Das neue Modell ist somit in der Lage, realistischere Geometrien und Geschwindigkeitsverteilungen fur das gesamte Wirbelalter in Abhangigkeit von atmospharischen Parametern zu simulieren als bisher gangige analytische Wirbelmodelle.
6 citations
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TL;DR: In this paper, a class of approximating matrices as a function of a scalar parameter is presented, where the problem of optimal conditioning of these matrices under an appropriate norm is investigated and a set of computational results verifies the superiority of the new methods arising from conditioning considerations to known methods.
Abstract: Quasi-Newton methods accelerate the steepest-descent technique for function minimization by using computational history to generate a sequence of approximations to the inverse of the Hessian matrix. This paper presents a class of approximating matrices as a function of a scalar parameter. The problem of optimal conditioning of these matrices under an appropriate norm as a function of the scalar parameter is investigated. A set of computational results verifies the superiority of the new methods arising from conditioning considerations to known methods.
3,359 citations
"Lidar-based Wake Identification and..." refers background in this paper
...26 Spuler et al. (2011), Paper about NCAR’s development of an air motion sensor for their Gulfstream GV research aircraft....
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...26 Spuler et al. (2011), Paper about NCAR’s development of an air motion sensor for their Gulfstream GV research aircraft. 27 Matayoshi, Asaka, and Okuno (2007), JAXA’s flight test for a lidar based true airspeed measurements of a helicopter....
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12 Nov 2017
3,310 citations
TL;DR: In this paper, a rank-two variable-metric method was derived using Greenstadt's variational approach, which preserves the positive-definiteness of the approximating matrix.
Abstract: A new rank-two variable-metric method is derived using Greenstadt's variational approach [Math. Comp., this issue]. Like the Davidon-Fletcher-Powell (DFP) variable-metric method, the new method preserves the positive-definiteness of the approximating matrix. Together with Greenstadt's method, the new method gives rise to a one-parameter family of variable-metric methods that includes the DFP and rank-one methods as special cases. It is equivalent to Broyden's one-parameter family [Math. Comp., v. 21, 1967, pp. 368-381]. Choices for the inverse of the weighting matrix in the variational approach are given that lead to the derivation of the DFP and rank-one methods directly. In the preceding paper [6], Greenstadt derives two variable-metric methods, using a classical variational approach. Specifically, two iterative formulas are developed for updating the matrix Hk, (i.e., the inverse of the variable metric), where Hk is an approximation to the inverse Hessian G-'(Xk) of the function being minimized.* Using the iteration formula Hk+1 = Hk + Ek to provide revised estimates to the inverse Hessian at each step, Greenstadt solves for the correction term Ek that minimizes the norm N(Ek) = Tr (WEkWEkJ) subject to the conditions
2,788 citations
TL;DR: It is shown theoretically that the new algorithm is stable and it is proved is the only member of the class considered for which a certain matrix error is reduced strictly monotonically when minimizing quadratic functions.
Abstract: The Convergence of a Class of Double-rank Minimization Algorithms 2. The New Algorithm d where q and ql are uniquely determined orthonormal vectors. The parameter 1/ is . ntially arbitrary in that it depends upon p. It was suggested in Part 1 that a suitable ice for I] would be zero since if it were negative, or large and positive, the matrix KI hence HI might become needlessly badly conditioned. It was noted moreover that osing I] in this way gives rise to a new algorithm. the two algorithms in this class already published, that due to Davidon (1959) modified by Fletcher & Powell (1963) is obtained by putting P equal to zero and s shown in Part I that this led, in general, to negative values of 1]. We thus expect quence of matrices {HI} obtained by that algorithm to exhibit a tendency to arity and this tendency has been noted by, among others, Broyden (1967) and on (1969). In a more recent algorithm, due to Greenstadt (1967), if H is positive ite the values of 1] are even more negative than those occurring in the DFP ithm. One result of this is that for this algorithm the matrices H cannot, unlike for the DFP algorithm, be proved to be positive definite and this has serious tions when considering numerical stability. this paper we show theoretically that the new algorithm is stable and we prove is the only member of the class considered for which a certain matrix error is reduced strictly monotonically when minimizing quadratic functions. We the effect of rounding and of poor conditioning of H on the attainable accuracy solution and conclude by presenting the results of a numerical survey in he performance of the new algorithm for a variety of test problem is compared t of the DFP algorithm. C. G. BROYDEN Computing Centre, University of Essex, Wivenhoe Park, Colchester, Essex
1,414 citations
"Lidar-based Wake Identification and..." refers background in this paper
...11 Broyden (1970), Paper about the analysis of a class of double-rank minimization algorithms. 12 Fletcher (1970), Paper presenting a new approach to variable metric algorithms. 13 Goldfarb (1970), Paper presenting new variable-metric methods. 14 Shanno (1970), Paper presenting approximating matrices of quasi-Newton methods and their conditioning for function minimization....
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...11 Broyden (1970), Paper about the analysis of a class of double-rank minimization algorithms. 12 Fletcher (1970), Paper presenting a new approach to variable metric algorithms. 13 Goldfarb (1970), Paper presenting new variable-metric methods....
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...11 Broyden (1970), Paper about the analysis of a class of double-rank minimization algorithms. 12 Fletcher (1970), Paper presenting a new approach to variable metric algorithms. 13 Goldfarb (1970), Paper presenting new variable-metric methods. 14 Shanno (1970), Paper presenting approximating matrices of quasi-Newton methods and their conditioning for function minimization. 15 Shanno and Kettler (1970), Paper about optimal conditioning of quasi-Newton methods....
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...11 Broyden (1970), Paper about the analysis of a class of double-rank minimization algorithms. 12 Fletcher (1970), Paper presenting a new approach to variable metric algorithms....
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...11 Broyden (1970), Paper about the analysis of a class of double-rank minimization algorithms....
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