Eine Piloten-zentrierte Entwicklungsumgebung für Hubschrauberassistenzsysteme Steffen Greiser, Martin Gestwa

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1 Folie 1 Gresier, Gestwa» DGLR Workshop Pilotenunterstützungssysteme» 27. und Eine Piloten-zentrierte Entwicklungsumgebung für Hubschrauberassistenzsysteme Steffen Greiser, Martin Gestwa

2 Folie 2 Gresier, Gestwa» DGLR Workshop Pilotenunterstützungssysteme» 27. und Vortragsagenda Einleitung Lösungsraum: Pilotenassistenz Motivation für diesen DLR-Lösungsansatz ACT/FHS-Systemarchitektur Entwicklungsplattform für Pilotenassistenz ACT/FHS-Sensorik zur Erfassung der Außenwelt Geregelter Hubschrauber Aktive Steuerorgane für tactile cueing

3 Folie 3 Gresier, Gestwa» DGLR Workshop Pilotenunterstützungssysteme» 27. und Einleitung Eingeschränkte Sicht und unerwartete Hindernisse bedeuten bei Hubschraubereinsätzen für Piloten und Passagieren eine zusätzliche Gefährdung. Außerdem im zivilen Sektor: Kontinuierliche Steigerung der Luftrettung in Deutschland 70% der Einsätze werden unter schlechten Wetterbedingungen durchgeführt [Quelle: ADAC] EHEST (European Helicopter Safety Team) von 2010: Expertenteams analysieren Hubschrauberunfälle der Jahre hinsichtlich ihrer Ursachen. Ein wichtiger Unfallfaktor war eine unzureichende Einschätzung der Wetterbedingungen oder der Platzverhältnisse auf Grund mangelnder Ortskenntnis

4 Folie 4 Gresier, Gestwa» DGLR Workshop Pilotenunterstützungssysteme» 27. und Lösungsraum: Pilotenassistenz Komponenten (Mechanik und Software) zur Stabilisierung und Kontrolle des Hubschraubers, um sicher und einfach zu Fliegen. Flight Control System Flight Management System Einsatzzweck des Fluges, Flugprofile und weitere Randbedingungen, die vorab festgelegt werden, aber sich ändern Mission können. Hubschrauberassistenzsysteme Wahrnehmungselemente und Darstellung von Informationen zur Symbologie Steigerung der Leistung und Reduzierung von Fehlern. Sensoren Technologie zur Erfassung der Außenwelt, um die Sicht der Crew zu erweitern oder zu ersetzen.

5 Folie 5 Gresier, Gestwa» DGLR Workshop Pilotenunterstützungssysteme» 27. und ACT/FHS-Systemarchitektur

6 Folie 6 Gresier, Gestwa» DGLR Workshop Pilotenunterstützungssysteme» 27. und ACT/FHS-Systemarchitektur

7 Folie 7 Gresier, Gestwa» DGLR Workshop Pilotenunterstützungssysteme» 27. und Motivation für diese DLR-Lösungsidee Problem: Hohe Arbeitsbelastung der Crew Schlechte Wetter- und Sichtverhältnisse Werkzeuge: Forschungshubschrauber ACT/FHS mit Sensorsystem zur Erfassung der Außenwelt Lösungsidee: Entwicklung eines modernen Piloten-zentrierten Hubschrauberassistenzsystems, welches dem Piloten trotz reduzierter Sicht ein intuitives Fliegen mit minimaler Arbeitsbelastung und vollem Situationssowie Missionsbewusstsein ermöglicht

8 Folie 8 Gresier, Gestwa» DGLR Workshop Pilotenunterstützungssysteme» 27. und Integration einzelner Teilsysteme zu einer Entwicklungsplattform für Pilotenassistenz Sensorik Digitale Karte 3D Geländemodell Datenbasis (z.b. SRTM) Bahnplanung Hubschrauberlimitierungen Atmosphärische Daten Pilotenwissen Head Down Display & helmbasierte Anzeigesysteme Pilot Autopilot Aktive Steuer Geregelter Hubschrauber

9 Folie 9 Gresier, Gestwa» DGLR Workshop Pilotenunterstützungssysteme» 27. und ACT/FHS-Sensorik zur Erfassung der Außenwelt ICx AI130 MmW Radar 35GHz Blickwinkel 180 x 90 Lidar HELLAS Wellenlänge 1.5 Mikrometer Blickwinkel 31.5 x 32 IR-Kamera Max-Viz 320 x 240 Pixels Blickwinkel 53 x 40 TV Kamera (schwarz/weiß) 694 x 519 Pixels Blickwinkel 62 x 46 In-Flight-Fusion von Sensorund Datenbasis zur einer digitalen Karte (3D-Geländemodell)

10 Folie 10 Gresier, Gestwa» DGLR Workshop Pilotenunterstützungssysteme» 27. und Integration einzelner Teilsysteme zu einer Entwicklungsplattform für Pilotenassistenz Sensorik Digitale Karte 3D Geländemodell Datenbasis (z.b. SRTM) Bahnplanung Hubschrauberlimitierungen Atmosphärische Daten Pilotenwissen Head Down Display & helmbasierte Anzeigesysteme Pilot Autopilot Aktive Steuer Geregelter Hubschrauber

11 Folie 11 Gresier, Gestwa» DGLR Workshop Pilotenunterstützungssysteme» 27. und Geregelter Hubschrauber Ziele - Entkoppeltes, einfaches Flugverhalten - Geringe Arbeitsbelastung - Hohe Sicherheit Problem - Hubschrauber ist stark gekoppeltes System

12 Folie 12 Gresier, Gestwa» DGLR Workshop Pilotenunterstützungssysteme» 27. und Geregelter Hubschrauber Technologiereife Ziele - Entkoppeltes, einfaches Flugverhalten - Geringe Arbeitsbelastung - Hohe Sicherheit Problem Flugversuch - Hubschrauber ist stark gekoppeltes System AVES Simulatorzentrum Neue Methoden und Technologien Modellierung Regelungstechnischer Entwurf Systemidentifikation Aufwand und Systemkomplexität

13 Folie 13 Gresier, Gestwa» DGLR Workshop Pilotenunterstützungssysteme» 27. und Geregelter Hubschrauber Einfaches Flugverhalten Inverse des ACT/FHS Modells Modell des ACT/FHS

14 Folie 14 Gresier, Gestwa» DGLR Workshop Pilotenunterstützungssysteme» 27. und Geregelter Hubschrauber Kommandomodell definiert das gewünschte, einfache Flugverhalten Pilot steuert das Kommandomodell und nicht den Hubschrauber ADS33 definiert die Flugeigenschaften Optimiert durch CONDUIT x x Anzeige über grüne Bugs im Primary Flight Display (PFD)

15 Folie 15 Gresier, Gestwa» DGLR Workshop Pilotenunterstützungssysteme» 27. und Geregelter Hubschrauber Kommandomodell

16 Folie 16 Gresier, Gestwa» DGLR Workshop Pilotenunterstützungssysteme» 27. und Geregelter Hubschrauber Systemidentifikation des ungeregelten Hubschraubers

17 Folie 17 Gresier, Gestwa» DGLR Workshop Pilotenunterstützungssysteme» 27. und Geregelter Hubschrauber Modell des ACT/FHS als LPV System mit 15 Zuständen Starrkörper (u, v, w, p, q, r, Φ, Θ) Hauptrotorzustände: Schlagen (a, b ) und Schwenken (x ll,y ll ) mean/collective inflow (ν)

18 Folie 18 Gresier, Gestwa» DGLR Workshop Pilotenunterstützungssysteme» 27. und Geregelter Hubschrauber Modellgüte Hauptachsenantwort zufriedenstellend abgebildet Koppelachsen adäquat abgebildet Modellgüte nicht ausreichend für performante Regelung

19 Folie 19 Gresier, Gestwa» DGLR Workshop Pilotenunterstützungssysteme» 27. und Geregelter Hubschrauber Ergebnis der Systemidentifikation Vorsteuerung (keine RHZ) umstellen nach u x 1 Größen, denen gefolgt wird x 2 verbleibende Größen, die simuliert werden

20 Folie 20 Gresier, Gestwa» DGLR Workshop Pilotenunterstützungssysteme» 27. und Geregelter Hubschrauber Flugversuchsergebnis Rolleingabe bei 60 Knoten Koppelantwort unzureichend kompensiert

21 Folie 21 Gresier, Gestwa» DGLR Workshop Pilotenunterstützungssysteme» 27. und Geregelter Hubschrauber Status Quo Neuer Ansatz - + Unsicherheiten (1) Analysieren mit inverser Simulation und partiell geschlossenem Regelkreis (2) Deterministische Fehler ermitteln (3) Nichtphysikalische Modellierung

22 Folie 22 Gresier, Gestwa» DGLR Workshop Pilotenunterstützungssysteme» 27. und Geregelter Hubschrauber Einstellung des Reglers ohne die Unsicherheiten Flugversuch aus Okt In 2012 / 2013 wurden Unsicherheiten analysiert Einstellung des Reglers mit strukturierten Unsicherheiten Flugversuch aus Nov. 2013

23 Folie 23 Gresier, Gestwa» DGLR Workshop Pilotenunterstützungssysteme» 27. und Geregelter Hubschrauber Beliebige Bedeutung: Lagenwinkel, Beschleunigung, berechnet körperfeste Größen berechnet Steuer zur exakten Folge LPV-Modell des ACT/FHS mit Unsicherheiten

24 Folie 24 Gresier, Gestwa» DGLR Workshop Pilotenunterstützungssysteme» 27. und Integration einzelner Teilsysteme zu einer Entwicklungsplattform für Pilotenassistenz Sensorik Digitale Karte 3D Geländemodell Datenbasis (z.b. SRTM) Bahnplanung Hubschrauberlimitierungen Atmosphärische Daten Pilotenwissen Head Down Display & helmbasierte Anzeigesysteme Pilot Autopilot Aktive Steuer Geregelter Hubschrauber

25 Folie 25 Gresier, Gestwa» DGLR Workshop Pilotenunterstützungssysteme» 27. und Aktive Steuerorgane für tactile cueing : Fühlbare Hubschrauberlimitierung EC 135 First Limit Indicator (FLI) Oberer Softstop: Torque-Limitation, korrespondierend mit FLI-Anzeige Unterer Softstop: Wirbelringstadium, Sinkratenbegrenzung Variometer

26 Folie 26 Gresier, Gestwa» DGLR Workshop Pilotenunterstützungssysteme» 27. und Integration einzelner Teilsysteme zu einer Entwicklungsplattform für Pilotenassistenz Sensorik Digitale Karte 3D Geländemodell Datenbasis (z.b. SRTM) Bahnplanung Hubschrauberlimitierungen Atmosphärische Daten Pilotenwissen Head Down Display & helmbasierte Anzeigesysteme Pilot Autopilot Aktive Steuer Geregelter Hubschrauber

27 Folie 27 Gresier, Gestwa» DGLR Workshop Pilotenunterstützungssysteme» 27. und Danke für Ihre Aufmerksamkeit