On-Board Assistenzsystem als Beitrag zur Integration von UAV in den zivilen Luftverkehr

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Caroline Lichtenberg
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Bundeswehr München Institut für Flugsysteme Gregor Jarasch Cassidian

1 On-Board Assistenzsystem als Beitrag zur Integration von UAV in den zivilen Luftverkehr Marcus Wohler, Axel Schulte Universität der Bundeswehr München Institut für Flugsysteme Gregor Jarasch Cassidian DGLR Symposium UAV Autonomie Ottobrunn, UniBwM / LRT-13 März

2 Projekt Zertifizierbarer Autopilot Projektpartner: Programm LuFo IV 2

3 Projekt Zertifizierbarer Autopilot Funktionsumfang Funktionsumfang des zertifizierbaren Autopiloten (ZertAP) im Rahmen dieser LuFo Studie nicht Autopilotenbegriff nach ATA Kapitel 22 limitiert. Eine strikte Separation der Funktionen der ATA Kapitel 22, 27 und 34 ist für ein UAV nicht möglich, da diese Funktionen eine gesamte Funktionskette bilden. ATA 34 ATA 22 ATA 27 Flight Plan Updates Flight Management System previous active next Waypoints Flight Guidance Trajectory Offsets Auto Flight Manoeuvre Demands Flight Control Actuator Demands Flight Performance 3

Eine strikte Separation der Funktionen der ATA Kapitel 22, 27 und 34 ist für ein UAV nicht möglich, da diese Funktionen eine gesamte

4 Projekt Zertifizierbarer Autopilot UAV-FMS vs. kommerzielles FMS/AP viele Funktionen sind gleich: AP Modes, Guidance, Flugplan-Management, Flugplan-Überwachung, UAV muss ein FMS aber noch zusätzliche bordautonomen Funktionen übernehmen (Verhalten bei Fehlerfällen, z.b. Datenlinkausfall) FMS muss robust gegenüber äußeren Einflüssen sein, es soll sich z.b. nicht deaktivieren manche Verfahren erfordern zusätzliche AP-Modes (z.b. kontrollierter Absturz) Herausforderungen Verfahren und Flugregeln sind für menschliche Piloten geschrieben und müssen für Ausführung in einem automatisierten System angepasst werden. manche Verfahren sind kaum oder nur unzureichend beschrieben (z.b. kontrollierter Absturz) 4

Funktionen übernehmen (Verhalten bei Fehlerfällen, z.b. Datenlinkausfall) FMS muss robust gegenüber äußeren Einflüssen sein, es soll sich z.b. nicht deaktivieren manche Verfahren erfordern zusätzliche AP-Modes (z.

5 Projekt Zertifizierbarer Autopilot Was wird getan? Sichtung der existierenden Verfahren (ICAO Annex 10) und Standards (STANAG 4671, ) Definition oder Präzisierung fehlender Verfahren und Prozeduren (z.b. Datenlinkausfall: Wann und wie welcher Transponder Code und / oder kontrollierter Absturz?) AP Definition einer Systemarchitektur für ein FMS, welche die geforderten Ausfallwahrscheinlichkeiten realisieren kann. Ein Ausfall des FMS oder AP führt bei gleichzeitigen Ausfall der C2 Verbindung zum Verlust des UAV. Prototypenhafte Implementierung der UAV-FMS spezifischen Funktionen 5

(z.b. Datenlinkausfall: Wann und wie welcher Transponder Code und / oder kontrollierter Absturz?

6 Projekt Zertifizierbarer Autopilot Projekt-Schwerpunkt am Institut für Flugsysteme Untersuchung wissensbasierter Verarbeitungsansätze zur autonomen Verhaltensentscheidung in sicherheitskritischen Systemen AP Ziel Erreichung höherer Automations- bzw. Autonomiegrade bei Führung und Missionsmanagement als bislang möglich 6

Verhaltensentscheidung in sicherheitskritischen Systemen AP Ziel Erreichung

7 Standing Engine Start-up Engine Operating Take Off Initial Climb Beispiel einer Aufklärungsmission En Route Recce En Route Approach Landing Climb to Cruise Cruise Cruise Descent Holding Initial approach Final approach Flare Landing Roll C FL 450 C FL 100 C, TRA, ED-R C, TRA, ED-R D GND D 7

Landing Climb to Cruise Cruise Cruise Descent Holding Initial approach

Notwendigkeit eines Assistenzsystems Arbeitssystem eines UAV-Operateurs Umweltbedingungen & Versorgung Arbeitsziel Arbeitsergebnis Missionscharakteristika und Folgerungen Lange Missionsdauer

8 Notwendigkeit eines Assistenzsystems Arbeitssystem eines UAV-Operateurs Umweltbedingungen & Versorgung Arbeitsziel Arbeitsergebnis Missionscharakteristika und Folgerungen Lange Missionsdauer Dislozierung von Boden- und Luftsegment Keine Gewährleistung permanenter, fehlerfreier Informationsübertragung zwischen Flugzeugsystemen und Bodenstation ( link-loss ) Einschränkung des Bedieners durch kognitionspsychologische Ressourcenlimitationen oder systemergonomische Probleme Operateur kann seiner Aufgabe nicht immer vollumfänglich nachkommen 8

fehlerfreier Informationsübertragung zwischen Flugzeugsystemen und Bodenstation ( link-loss ) Einschränkung des Bedieners durch

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9 Eigenschaften eines Assistenzsystems kooperiert mit dem Menschen kann nicht ohne Menschen existieren ist zusätzliche Entscheidungsinstanz! hat vollen Zugriff auf kontrollierte Systeme kennt und versteht das Arbeitsziel darf Arbeitsziel nicht verändern (Onken & Schulte, 2010) 9

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10 Ausprägungen eines Assistenzsystems Assoziativ Alarmierend (Temporär) Ersetzend PULL UP! Car Navigation GPWS Notbremsassistent Mischformen im konkreten Design sind möglich! 10

11 ground segment air segment Umsetzung in UAS Autonomie-Architektur Umweltbedingungen & Versorgung Arbeitsziel FCS / FMS Arbeitsergebnis HMI Funktionale Anforderungen für das Assistenzsystem 1. Kennen und Verstehen des Arbeitszieles 2. Verstehen der Gesamtsituation 3. Verstehen des Zustands und der Absicht des menschlichen Operateurs 4. Erarbeiten von Handlungsalternativen 5. Auswählen und implementieren einer Alternative 6. Überwachen der konventionellen Automation Forderung zum Verhalten des Assistenzsystems 1. Lenkung der Aufmerksamkeit des Menschen auf die dringlichste Aufgabe 2. Reduzierung der Aufgabenkomplexität für den Menschen bei Überforderung 3. Aufgabenübernahme, wenn nötig 4. Eingriff in konventionell automatisierte Systeme nur in nicht spezifizierten Systemzuständen 11

Auswählen und implementieren einer Alternative 6. Überwachen der konventionellen Automation Forderung zum Verhalten des Assistenzsystems 1.

12 System-Merkmale Konventionelle Führung des UAV Kooperative Überwachungskomponente Associative / Alerting Assistance FCS / FMS HMI 12

13 (Temporary) Substituting Assistance System-Merkmale Führung des UAV durch kognitiven Agenten an Bord Sinnvolle und sichere Weiterführung der Mission trotz Verlust des Datenlinks durch funktionale Redundanz FCS / FMS HMI 13

Sinnvolle und sichere Weiterführung der Mission trotz

Assistenzsystem-Architektur Mission Kommandos Absicht Informationsaufnahme Situationsinterpretation Telemetrie Systemzustand Domänen- Wissen

14 Assistenzsystem-Architektur Mission Kommandos Absicht Informationsaufnahme Situationsinterpretation Telemetrie Systemzustand Domänen- Wissen Prüfung auf Konflikte Ziele Planung Aufgaben & Prozeduren Implementierung Hinweise, Warnungen & Vorschläge an den Operateur Kommandos an das UAV 14

Domänen- Wissen Prüfung auf Konflikte Ziele Planung Aufgaben &

15 Integration mit sicherheitskritischen Systemen Planung regelbasierte Verarbeitung wissensbasierte Verarbeitung Zustandsraum bekannter Größe Zustandsraum unbekannter Größe Forschungsrelevante Fragestellungen Bewertung von u.u. nicht polynomial skalierenden Suchräumen Durchgriff des Assistenzsystems auf sicherheitskritische Systeme (z.b. Autopilot) mit Lösungen für nicht spezifizierte Systemzustände 15

Integration mit sicherheitskritischen Systemen Systemtechnische Trennung von Assistenzsystem und Kernsystem FCS / FMS Vergleich von konventioneller und wissensbasierter Implementierung / Verarbeitung

16 Integration mit sicherheitskritischen Systemen Systemtechnische Trennung von Assistenzsystem und Kernsystem FCS / FMS Vergleich von konventioneller und wissensbasierter Implementierung / Verarbeitung relevant beim Teilprozess Prüfung auf Konflikte Definition von Use Cases zum Systemverhalten in abnormalen Situationen (z.b. link-loss) wissensbasiertes System soll notwendigen Systemzustand korrekt vorher sagen können Soll-Ist Abgleich Demonstration mit Hilfe von Laborprototypen Ziel wissensbasierte Verarbeitung ist mindestens gleich gut 16

17 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen? 17

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