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Die Erfindung betrifft einen Autopiloten für atmosphärische Fluggeräte, wobei der Autopilot einen Geschwindigkeitsregler hat, der im aktivierten Zustand eingerichtet ist, kontinuierlich einen vorgegebenen Geschwindigkeitswert als Soll-Größe mit einem aktuellen Geschwindigkeitswert als Ist-Größe zu vergleichen und in Abhängigkeit von dem Soll-Ist-Vergleich eine Geschwindigkeitsregelung des Fluggerätes durchzuführen, um den vorgegebenen Geschwindigkeitswert im Flug einzustellen und beizubehalten. Die Erfindung betrifft ebenso ein Fluggerät mit einem solchen Autopiloten hierzu.
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Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zur Geschwindigkeitsregelung eines atmosphärischen Fluggerätes mittels eines solchen Autopiloten.
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Für einen Hubschrauberpiloten ist es in der Praxis schwierig, einen Bewegungszustand des Hubschraubers, der sich in einem nahezu unbeschleunigten Zustand befindet, ohne zusätzliche Steuereingaben zu erhalten. Deshalb sind Hubschrauberpiloten in der Praxis immer damit beschäftigt, den Hubschrauber während einer gleichförmigen Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit zu trimmen. Die Ursache hierfür ist das instabile Verhalten des Hubschraubers selber. Kleine Böen vermögen die Fluggeschwindigkeit zu verändern, so dass zusätzliche Steuergrößen nötig wären, um den Hubschrauber in den vormaligen unbeschleunigten Zustand zu überführen.
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Für die Aufgabe einer automatischen Geschwindigkeitsregelung sind unter anderem Autopiloten in Fluggeräten wie Flugzeugen oder Hubschraubern bekannt, die neben anderen automatisierbaren Flugführungsaufgaben eben auch eine vorgegebene Fluggeschwindigkeit einregeln können. Wird der Autopilot aktiviert, so wird unter anderem die eingestellte und somit gewünschte Fluggeschwindigkeit konstant eingeregelt, indem der Autopilot entsprechende automatische Steuersignale zur Flugsteuerung generiert, die dann zu einem Flugverhalten des Fluggerätes führen, das die vorgegebene und eingestellte Fluggeschwindigkeit beibehält.
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In der Praxis muss ein Hubschrauberpilot zur Aktivierung des Autopiloten eine entsprechende Schaltfläche bzw. einen entsprechenden Knopf drücken, um so die Aktivierung des Autopiloten einzuleiten. Gegebenenfalls muss dann über eine weitere Einstellvorrichtung, beispielsweise einen Drehregler, die gewünschte und von dem Autopiloten einzuhaltende Fluggeschwindigkeit eingestellt werden. Zum Deaktivieren des Autopiloten muss ebenfalls wieder eine entsprechende Bedientaste betätigt werden, wodurch der Pilot wieder die manuelle Kontrolle über das Fluggerät erhält.
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In beiden Fällen führt dies dazu, dass der Pilot kurzzeitig die zur Flugsteuerung benötigten Steuerorgane loslassen muss, um den Autopiloten entsprechend zu aktivieren oder zu deaktivieren. So kann der Pilot beispielsweise bei plötzlich auftretenden Ereignissen bei aktiviertem Autopiloten meist nicht schnell genug reagieren, da zunächst der Autopilot deaktiviert und dann die manuelle Kontrolle wieder übernommen werden muss. Außerdem erfordert die Betätigung des Autopiloten und die Einstellung der gewünschten Fluggeschwindigkeit immer ein konzentriertes Vorgehen, wodurch der Fokus des Piloten von der eigentlichen Flugführungsaufgabe abgelenkt wird.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Autopiloten zu schaffen, insbesondere für Hubschrauber als Fluggeräte, bei denen die Aktivierung und/oder Deaktivierung nicht zu einer weiteren Belastung des Piloten führt, sondern der Pilot entsprechend entlastet wird. Es ist insbesondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Autopiloten zu schaffen, bei dem permanent ein agiles Fluggerät vorliegt.
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Die Aufgabe wird mit dem Autopiloten gemäß Anspruch 1, dem Fluggerät gemäß Anspruch 5 sowie dem Verfahren gemäß Anspruch 6 erfindungsgemäß gelöst.
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Gemäß Anspruch 1 wird demnach ein Autopilot für atmosphärische Fluggeräte vorgeschlagen, wobei die Fluggeräte in der Regel eine Bewegungserfassungseinrichtung zum Erfassen von Geschwindigkeitswerten des sich bewegenden Fluggerätes im Flug und eine Steuereinrichtung mit mindestens einem Steuerorgan zur manuellen Steuereingabe zur Flugsteuerung des Fluggerätes aufweisen. Bei der Bewegungserfassungseinrichtung kann es sich beispielsweise um das Inertialsystem eines Fluggerätes handeln, das kontinuierlich Bewegungsinformationen des Fluggerätes erfasst. Denkbar ist aber auch, dass beispielsweise über ein GPS (allgemeiner GNSS) Geschwindigkeit und Bewegungsdaten erfasst werden, die dann als Geschwindigkeitswerte bereitgestellt werden.
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Der Autopilot weist gattungsgemäß einen Geschwindigkeitsregler auf, der zumindest mit der Bewegungserfassungseinrichtung zum Empfangen von Geschwindigkeitswerten des sich bewegenden Fluggerätes im Flug verbindbar oder verbunden ist, wobei der Geschwindigkeitsregler in einem aktivierten Zustand derart eingerichtet ist, dass ein vorgegebener Geschwindigkeitswert als Soll-Größe mit dem aktuellen Geschwindigkeitswert als Ist-Größe kontinuierlich verglichen wird und in Abhängigkeit von dem Soll-Ist-Vergleich eine Geschwindigkeitsregelung des Fluggerätes durchgeführt wird, um den vorgegebenen Geschwindigkeitswert im Flug einzustellen. Hierfür generiert der Autopilot basierend auf dem Soll-Ist-Vergleich entsprechende Flugsteuersignale, die dann an die Elektronik des Fluggerätes ausgegeben werden, um so kontinuierlich die vorgegebene Geschwindigkeit bzw. den vorgegebenen Geschwindigkeitswert kontinuierlich beizubehalten.
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Erfindungsgemäß weist der Geschwindigkeitsregler, und somit auch der Autopilot, ein Aktivierungsmodul auf, das mit der Bewegungserfassungseinrichtung einerseits und der Steuereinrichtung des Fluggerätes andererseits verbindbar oder verbunden ist, so dass dem Aktivierungsmodul zum einen die aktuellen Geschwindigkeitswerte und zum anderen die manuellen Steuereingaben bereitgestellt werden. Das Aktivierungsmodul ist dabei so ausgebildet, dass es den Geschwindigkeitsregler, sofern sich dieser in einem deaktivierten Zustand befindet, in einen aktivierten Zustand überführt, d.h. den Geschwindigkeitsregler aktiviert, wenn die Änderungen der bereitgestellten Geschwindigkeitswerte über einen gewissen Zeitraum kleiner sind als ein maximaler Geschwindigkeitsänderungsgrenzwert und wenn die Änderungen der bereitgestellten manuellen Steuereingaben über einen gewissen Zeitraum kleiner sind als ein maximaler Steuereingabegrenzwert.
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Hierdurch wird es möglich, einen Autopiloten bereitzustellen, bei dem der Geschwindigkeitsregler automatisch aktiviert wird, ohne dass der Pilot hierfür entsprechende Schalter oder Knöpfe betätigen muss. Vielmehr erkennt das System automatisch, ob der Pilot über einen gewissen Zeitraum hinweg einen unbeschleunigten Bewegungszustand beibehalten möchte und aktiviert dann den Geschwindigkeitsregler des Autopiloten.
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Hierfür kontrolliert das Aktivierungsmodul kontinuierlich zwei Bedingungen, nämlich zum einen, ob eine Geschwindigkeitsänderung des Fluggerätes unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes liegt und ob die Steuereingaben des Piloten ebenfalls unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes liegen, so dass das System davon ausgeht, dass der Pilot eine gleichbleibende Geschwindigkeit beibehalten möchte. Erkennt das Aktivierungsmodul diesen Zustand, so versetzt es den Geschwindigkeitsregler in einen aktivierten Zustand, so dass nunmehr die Geschwindigkeit automatisch von dem Autopiloten geregelt wird.
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Der Vergleich mit den Grenzwerten ist dabei besonders vorteilhaft, da kleine Änderungen der Fluggeschwindigkeit, beispielsweise durch äußere Einflüsse wie Wind aber auch minimale Steuereingaben, die beispielsweise allein durch das Berühren des Steuerorgans durch den Piloten entstehen können, dennoch als Aktivierung der Geschwindigkeitsreglung interpretiert werden.
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Lassen die äußeren Umstände indes jedoch erkennen, dass die Einstellung eines Autopiloten nicht sinnvoll oder gar sicherheitskritisch ist, beispielsweise bei sehr starkem Wind, so schaltet der Autopilot nicht automatisch ein, da das Fluggerät permanent im Kleinen seine Fluggeschwindigkeit ändert und somit kein beschleunigungsfreier Zustand vorliegt. Außerdem muss der Pilot auch ständig korrigierend eingreifen, so dass auch die zweite Bedingung bezüglich der Steuereingabe nicht erfüllt sein würde. Gleiches gilt für besondere Transporte, wie beispielsweise Außenlasttransporte, bei denen der Pilot ebenfalls permanent steuernd eingreift und somit der Autopilot nicht automatisch aktiviert wird.
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Unter einem atmosphärischen Fluggerät im Sinne der vorliegenden Erfindung wird ein Fluggerät verstanden, das zur Auftriebserzeugung in der Regel einer Auftriebsfläche bedarf, die von der Außenluft und umgebenen Atmosphäre entsprechend angeströmt wird. Ein solches Fluggerät ist beispielsweise ein Hubschrauber oder ein Flugzeug.
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Die Begriffe „kleiner“ und „größer“ im Sinne der vorliegenden Erfindung schließen insbesondere auch ein „kleiner gleich“ oder „größer gleich“ mit ein, wobei sich hier insbesondere disjunkte Mengen ergeben sollten.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Aktivierungsmodul oder der Geschwindigkeitsregler so eingerichtet, dass beim Aktivieren des Geschwindigkeitsreglers durch das Aktivierungsmodul der aktuelle Geschwindigkeitswert bereitgestellt von der Bewegungserfassungseinrichtung als vorgegebener Geschwindigkeitswert, der als Soll-Größe dem Soll-Ist-Vergleich des Geschwindigkeitsreglers zugrunde gelegt wird, gesetzt wird. Dies hat den Vorteil, dass die momentan von dem Piloten eingestellte Fluggeschwindigkeit als die Referenzgeschwindigkeit für den Geschwindigkeitsregler herangezogen wird, wenn der Geschwindigkeitsregler durch das Aktivierungsmodul automatisch aktiviert wird. Der Pilot muss dabei nicht manuell die einzuregelnde Geschwindigkeit des Autopiloten einstellen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Aktivierungsmodul ebenfalls eingerichtet, den Geschwindigkeitsregler von einem aktivierten Zustand in einen deaktivierten Zustand zu versetzen, d.h. den Geschwindigkeitsregler des Autopiloten zu deaktivieren, wenn die Änderungen der von der Bewegungserfassungseinrichtung bereitgestellten Geschwindigkeitswerte des Fluggerätes größer (größer oder gleich) sind als der maximale Geschwindigkeitsänderungsgrenzwert und/oder wenn die Änderungen der von der Steuereinrichtung bereitgestellten maximalen Steuereingaben größer (größer, größer gleich) sind als der maximale Steuereingabegrenzwert.
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Dies hat den Vorteil, dass der Pilot durch einfache Steuereingaben automatisch den Geschwindigkeitsregler des Autopiloten deaktiviert, so dass ein hoch agiles Fluggerät vorliegt. Denkbar ist auch, dass durch äußere Einflüsse, wie beispielsweise plötzlich auftretender Starkwind (Böen) der Autopilot ebenfalls automatisch deaktiviert wird, so dass der Pilot wieder vollständig die manuelle Kontrolle übernehmen muss. Dies dient letztendlich der Sicherheit des Fluggerätes.
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Vorteilhafterweise ist der maximale Geschwindigkeitsänderungsgrenzwert kleiner oder gleich 1 m/s, so dass der Geschwindigkeitsregler des Autopiloten dann aktiviert wird, wenn sich die Geschwindigkeit innerhalb des vorgegebenen Zeitraumes um nicht mehr als 1 m/s verändert. Demgegenüber ist es ebenso vorteilhaft, wenn der maximale Steuereingabegrenzwert kleiner oder gleich 1/100 der maximal möglichen Steuereingabe des Steuerorgans ist.
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Unter den manuellen Steuereingaben im Sinne der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise eine quantitative Betrachtung der Bewegung des Steuerorgans verstanden werden, d.h. es wird als manuelle Steuereingabe die Auslenkung des Steuerorgans ausgehend von einer Betrachtungsstellung des Steuerorgans gemessen. Der Steuereingabegrenzwert wird dann im Verhältnis zu dem maximal möglichen Bewegungsraum des Steuerorgans gesetzt, so dass Bewegungen von weniger als 1/100 der maximal möglichen Steuerorganbewegungen dazu führen, dass der Autopilot aktiviert bzw. wenn er aktiviert ist, nicht deaktiviert wird.
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Unter den manuellen Steuereingaben können aber auch tatsächliche Steuerbefehle verstanden werden, wobei der Grenzwert dann Bezug auf eine maximal mögliche Änderung des Flugzustandes gesetzt wird.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figur beispielhaft erläutert. Es zeigt:
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1 - Schematische Darstellung der Komponenten zur Aktivierung /Deaktivierung des Autopiloten.
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In 1 ist schematisch ein Autopilot 10 gezeigt, der unter anderem dazu vorgesehen sein kann, zumindest teilweise oder auch vollständig die Flugführungsaufgabe des Piloten zur Flugführung des Flugfahrzeuges zu übernehmen. Hierfür weisen Autopiloten in der Regel neben anderen Modulen und Komponenten eine Geschwindigkeitsregelung 11 auf, mit der eine vorgegebene Soll-Geschwindigkeit konstant eingeregelt wird.
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Der Autopilot 10 ist über eine erste Schnittstelle 12 mit einer Bewegungserfassungseinrichtung 13 verbunden, die zum Ermitteln von Geschwindigkeitswerten des sich bewegenden Fluggerätes im Flug ausgebildet ist und diese so ermittelten Geschwindigkeitswerte über die erste Schnittstelle 12 dem Autopiloten 10 bereitstellt. Eine solche Bewegungserfassungseinrichtung 13 kann beispielsweise die Inertialsensorik des atmosphärischen Fluggerätes sein, die nahezu in jedem Fluggerät vorhanden ist. In seltenen Fällen ist die Bewegungserfassungseinrichtung 13 auch integraler Bestandteil des Autopiloten 10, so dass die erste Schnittstelle 12 lediglich eine interne Schnittstelle zu den einzelnen Modulen des Autopiloten 10 ist. Dies ist eine äquivalente Ausführungsform.
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Basierend auf den von der Bewegungserfassungseinrichtung 13 über die Schnittstelle 12 bereitgestellten Geschwindigkeiten bzw. Geschwindigkeitswerten des Fluggerätes wird nun ein Vergleich dieser aktuellen Geschwindigkeitswerte mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit bzw. eines vorgegebenen Geschwindigkeitswertes verglichen, um so die Abweichung von der Soll-Geschwindigkeit zur Ist-Geschwindigkeit zu ermitteln. In Abhängigkeit dieses Vergleiches generiert der Geschwindigkeitsregler 11 des Autopiloten 10, der den Vergleich durchführt, entsprechende automatische Steuersignale, die an die Bordelektronik 14 des Fluggerätes ausgegeben werden. Das Generieren der Steuersignale erfolgt dabei in bekannter Art und Weise und ist hinreichender Stand der Technik.
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Verringert sich beispielsweise die Ist-Geschwindigkeit des Fluggerätes gegenüber der vorgegebenen Soll-Geschwindigkeit, so stellt dies der Geschwindigkeitsregler 11 bei seinem Soll-Ist-Vergleich fest und generiert daraufhin Steuersignale, die das Fluggerät zu einer Erhöhung der aktuellen Geschwindigkeit veranlasst. Im umgekehrten Fall werden Steuersignale generiert, die eine Verringerung des Fluggerätes bewirken.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Autopilot 10 über eine zweite Schnittstelle 15 mit einer Steuereinrichtung 16 verbunden, die zur Eingabe von Steuereingaben zur Flugsteuerung des Fluggerätes mittels eines nicht dargestellten Steuerorgans eingerichtet ist. Die manuellen Steuereingaben, die durch die Steuereinrichtung 16 aufgrund einer Betätigung des Steuerorgans durch den Piloten erzeugt werden, werden über die zweite Schnittstelle 15 dem Autopiloten bereitgestellt.
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Erfindungsgemäß weist der Autopilot 10 des Weiteren ein Aktivierungsmodul 17 auf, das sowohl mit der ersten Schnittstelle 12 als auch mit der zweiten Schnittstelle 15 in Verbindung steht und dem somit sowohl die von der Bewegungserfassungseinrichtung 13 bereitgestellten Geschwindigkeitswerte als auch die von der Steuereinrichtung 16 bereitgestellten manuellen Steuereingaben zur Verfügung gestellt werden. Das Aktivierungsmodul 17 ist darüber hinaus über eine Steuerleitung mit dem Geschwindigkeitsregler 11 verbunden und kann über diese Steuerleitung den Geschwindigkeitsregler 11 automatisch aktivieren und/oder deaktivieren.
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Hierfür ist das Aktivierungsmodul ausgebildet, Änderungen bezüglich der Geschwindigkeitswerte und der manuellen Steuereingaben zu analysieren und in Abhängigkeit dieser Analyse dann den Geschwindigkeitsregler 11 zu aktivieren und/oder zu deaktivieren.
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Damit das Aktivierungsmodul 17 den Geschwindigkeitsregler 11 aktiviert, müssen erfindungsgemäß kumulativ zwei Bedingungen erfüllt sein. Zum einen dürfen die Änderungen der Geschwindigkeit des Fluggerätes über einen gewissen Zeitraum hinweg nicht größer sein als ein maximaler Geschwindigkeitsänderungsgrenzwert und es dürfen die Änderungen der manuellen Steuereingaben über einen gewissen Zeitraum hinweg nicht größer sein als ein maximaler Steuereingabegrenzwert. Hierfür vergleicht das Aktivierungsmodul die von der Bewegungserfassungseinrichtung 13 über die erste Schnittstelle 12 bereitgestellten aktuellen Geschwindigkeitswerte des Fluggerätes gegen den maximalen Geschwindigkeitsänderungsgrenzwert, um so festzustellen, ob die erste Bedingung erfüllt ist oder nicht. Parallel dazu werden die manuellen Steuereingaben, die von der Steuereinrichtung 16 über die zweite Schnittstelle 15 des Autopiloten 10 dem Aktivierungsmodul 17 bereitgestellt werden, gegen einen maximalen Steuereingabeänderungsgrenzwert verglichen, um so festzustellen, ob auch die zweite Bedingung erfüllt ist. Sind beide Bedingungen erfüllt, so wird über die Steuerleitung ein Aktivierungssignal an den Geschwindigkeitsregler 11 gesendet, so dass der Geschwindigkeitsregler 11 aktiviert wird.
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Darüber hinaus ist das Aktivierungsmodul 17 auch ausgebildet, festzustellen, ob der Geschwindigkeitsänderungsgrenzwert durch die aktuelle Geschwindigkeit des Fluggerätes oder der Steuereingabegrenzwert durch aktuelle manuelle Steuereingaben überschritten wird, wodurch das Aktivierungsmodul 17 ein Deaktivierungssignal an den Geschwindigkeitsregler 11 sendet, so dass die Geschwindigkeitsregelung deaktiviert wird.
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Bei der Aktivierung des Geschwindigkeitsreglers 11 durch das Aktivierungsmodul 17 wird als Soll-Geschwindigkeit die gerade aktuelle Geschwindigkeit bzw. der gerade aktuelle Geschwindigkeitswert des Fluggerätes verwendet, der den Geschwindigkeitsregler 11 durch die Bewegungserfassungseinrichtung 13 bereitgestellt wird.
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Hierdurch wird es möglich, dass der Pilot den Autopiloten aktivieren kann, indem er das Fluggerät in einem unbeschleunigten Zustand versetzt und diesen unbeschleunigten Zustand über einen gewissen Zeitraum hält, so dass der Pilot hinsichtlich seiner Steuerungs- und Überwachungsfunktion entlastet wird. Dennoch bleibt das Fluggerät weiterhin hoch agil, da durch einfache Änderungen des Steuerorgans und Eingabe von entsprechenden manuellen Steuereingaben jederzeit der Autopilot sofort deaktiviert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Autopilot
- 11
- Geschwindigkeitsregler
- 12
- erste Schnittstelle
- 13
- Bewegungserfassungseinrichtung
- 14
- Bordelektronik des Fluggerätes
- 15
- zweite Schnittstelle
- 16
- Steuereinrichtung
- 17
- Aktivierungsmodul
