Visuelle Unterstützung für Hubschrauberpiloten unter schlechten Sichtbedingungen

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1 Visuelle Unterstützung für Hubschrauberpiloten unter schlechten Sichtbedingungen DGLR Workshop Pilotenunterstützungssysteme Manching, 27. / 28. Mai 2015 Franz Viertler

2 Überblick Motivation: Welches Potential hat die HMD Technologie für die Unterstützung von Hubschrauberpiloten? Rotorcraft Simulation Environment (ROSIE) als Werkzeug 3D-konformale Anzeigekonzepte für die Flugführung und Kollisionsvermeidung Analysemethoden zur Bewertung von erweiterten Anzeigekonzepten Zusammenfassung und Ausblick Überblick Franz Viertler 2

3 Welches Potential hat die HMD Technologie für die Unterstützung von Hubschrauberpiloten? 1) Erweiterung der Flight Envelope: Flug in Bodennähe unter schlechtesten Sichtbedingungen (Wolken, Nebel, ), unter 800 m Sichtweite Notwendig für eine 24/7 h Luftrettung, wie z.b. im Projekt PrimAIR angedacht Selbst bei IFR Anflügen braucht der Pilot die Außensicht zur Landung 2) Erhöhung der Sicherheit und Reduzierung der Unfälle durch: Controlled Flight into Terrain (CFIT) Loss of Situation Awareness Whiteout / Brownout Landings Whiteout Landing Motivation: Welches Potential hat die HMD Technologie für die Unterstützung von Hubschrauberpiloten? Franz Viertler 3

4 Untersuchungen zur Mensch-Maschine-Schnittstelle für 3Dkonformale Anzeigen Einsatz von Flugsimulation aufgrund des hohen Risikos bei realen Flügen unter extrem schlechten Sichtbedingungen (< 800m) Potential für Human Factors Untersuchungen: Herausforderungen in der HMD Technologie: Begrenzter FoV, Display Clutter & Latenzen Simulation verschiedener Sensor-Konfigurationen und Eigenschaften, sowie deren Performance Hohe Anforderungen an die Flugsimulation: Registrierung der HMD-Visualisierung mit der Außensicht im Simulator (Augmented Reality über einem virtuellen Hintergrund) Hohe Auflösung in der Darstellung für den bodennahen Flug mit Hindernissen (Projektionsauflösung, Objekte und Terrain- Datenbankauflösung) Motivation: Welches Potential hat die HMD Technologie für die Unterstützung von Hubschrauberpiloten? Franz Viertler 4

5 Rotorcraft Simulation Environment (ROSIE) als Werkzeug Rotorcraft Simulation Environment als Werkzeug Franz Viertler 5

6 Rotorcraft Simulation Environment (ROSIE) als Werkzeug Flugdynamik Simulation und Instructor / Operator Station 6-Kanal Projektionssystem für die Außensicht Horizontaler FoV 200 Vertikaler FoV -50 /+30 Auflösung Projektoren:1920 x 1200 pixels (WUXGA) Autokalibrierungssystem für Verzerrung und Blending Generische Cockpitumgebung mit Mensch-Maschine Interaktion Vier 15 austauschbare Touchscreen Monitore Rotorcraft Simulation Environment - ROSIE Rotorcraft Simulation Environment als Werkzeug Franz Viertler 6

7 Cockpit Umgebung Flexibilität: Generische Instrumentierung Cockpit austauschbar Bo105 controls + trim actuators Analoges Overhead-Panel Seat shaker für Rotorvibrationen Implementierung der Anzeigen mit 2Indicate (DLR) OpenSceneGraph ROSIE - 4 Display Configuration ROSIE - 2 Display Configuration Rotorcraft Simulation Environment als Werkzeug Franz Viertler 7

8 Binocular see-through Head-Mounted Display with head-tracking HMD main features: Field-of-view: 23 x 17 Resolution: 800 x 600 pixel LCD with full color See-through transmission: 70% Low-cost: < USD Head-tracking main features: Hybrid inertial-ultrasonic 6 DoF Update frequency: 180 Hz Translational accuracy: mm Rotational accuracy: pitch & roll 0.25 yaw 0.5 LCD29 HMD with IS900 Horizontal resolution (pixel) Vertical resolution (pixel) Horizontal FOV (degree) Vertical FOV (degree) Horiz. resolution (arcmin/pixel) Vertical resolution (arcmin/pixel) IG-channel (mean value) HMD (each eye) Rotorcraft Simulation Environment als Werkzeug Franz Viertler 8

9 3D-konformale Anzeigekonzepte für die Flugführung und Kollisionsvermeidung 3D-konformale Anzeigekonzepte für die Flugführung und Kollisionsvermeidung Franz Viertler 9

10 3D-konformale Anzeigekonzepte für die Flugführung und Kollisionsvermeidung Pilot Task Analysis: Flight Guidance & Collision Avoidance Zuordnung von Darstellungselementen (Information Entities) zu den Tasks Flight Guidance (PFD, HSI, DMAP, ) Collision Avoidance (HTAWS, HSI, ) Ableitung von 3D-konformalen synthetischen Elementen Visuelle Erweiterung der Flugumgebung als Unterstützung für den Piloten 3D-konformale Anzeigekonzepte für die Flugführung und Kollisionsvermeidung Franz Viertler 10

11 3D-konformale Anzeigekonzepte für die Flugführung und Kollisionsvermeidung Subtask definition nach G.D. Padfield Franz Viertler 11

12 3D-konformale Anzeigekonzepte für die Flugführung und Kollisionsvermeidung Franz Viertler 12

13 3D-konformale Anzeigekonzepte für die Flugführung und Kollisionsvermeidung Franz Viertler 13

14 3D-konformale Anzeigekonzepte für die Flugführung und Kollisionsvermeidung Franz Viertler 14

15 Abb.: air-traffic visualization (J. Ernst, F. Eisenkeil Airbus D&S) 3D-konformale Anzeigekonzepte für die Flugführung und Kollisionsvermeidung Franz Viertler 15

16 3D-konformale Anzeigekonzepte für die Flugführung und Kollisionsvermeidung Inverse T Pattern (Speed, Altitude, Vertical Speed, Heading) Attitude Indicator (Aircraft fixed) Unclassified Obstacles through Sensor Information Data Base Obstacles (Terrain, Buildings) Navigation Aid Route Arrows 3D-konformale Anzeigekonzepte für die Flugführung und Kollisionsvermeidung Franz Viertler 16

17 3D-konformale Anzeigekonzepte zur Hinderniserkennung (Video) 3D-konformale Anzeigekonzepte für die Flugführung und Kollisionsvermeidung Franz Viertler 17

18 Analysemethoden zur Bewertung von erweiterten Anzeigekonzepten Analysemethoden zur Bewertung von erweiterten Anzeigekonzepten Franz Viertler 18

19 Analysemethoden zur Bewertung von erweiterten Anzeigekonzepten Messung der aktiven Pixel zur Display Clutter- / Occlusion-Analyse -> Ableiten von Gestaltungskonzepten für die 3D-konformale Visualisierung Beurteilungen durch Piloten Untersuchung von Hindernis-Visualisierungen: Sense and Avoid Szenarien -> Time to Contact und Performance Messungen Untersuchung einer Precision Hover Symbology zur Unterstützung im Schwebeflug mit eingeschränkter Außensicht -> Performance Messungen / Vergleich mit Referenz-Schwebeflügen Workload Messungen und Situation Awareness Bewertungen -> NASA TLX und SART geplant Analysemethoden zur Bewertung von erweiterten Anzeigekonzepten Franz Viertler 19

20 Active Pixel Messungen Display Clutter / Occlusion Analysemethoden zur Bewertung von erweiterten Anzeigekonzepten Franz Viertler 20

21 Active Pixel Ratio Auswertungen Separiert in Farben -> Zuordnung der Informations-Elemente Vergleich der prozentualen Verdeckung Ermöglicht die Ableitung von Anpassungen in der Visualisierung Bsp: Terrain Darstellung 1) Outlines (links) 2) Grid (rechts) -> Verdeckungsgrad bei Grid höher -> Grundsätzlich nimmt Verdeckung mit größerer VR ab (Fading) Analysemethoden zur Bewertung von erweiterten Anzeigekonzepten Franz Viertler 21

22 Sense and Avoid Scenarios Obstacle Detection Vorgegebener Flugpfad soll geflogen werden Hindernissen (z.b. Baukran, Windkraftanlage, Hubschrauber) ausweichen Variation der Sichtweiten (100m, 200m, 400m, 800m) Unterschiedliche Hindernis Visualisierungen Hindernisse Hindernis- Visualisierung im HMD Analysemethoden zur Bewertung von erweiterten Anzeigekonzepten Franz Viertler 22

23 Precision Hover Symbology Unterstützung im Schwebeflug bei schlechten Sichtbedingungen -> Referenzen in der Außensicht stark eingeschränkt 3D-konformale Markierungen zur Einhaltung von Höhe (vertical drift) Horizontale Position (lateral & longitudinal drift) Heading Zwei Szenarien: in Bodennähe bei Landung Windenoperation bei Windkraftanlage Unterschiedliche Sichtweiten (Außensicht-Referenzen) Hindernis- Visualisierung im HMD Analysemethoden zur Bewertung von erweiterten Anzeigekonzepten Franz Viertler 23

24 Precision Hover Symbology (Video) Analysemethoden zur Bewertung von erweiterten Anzeigekonzepten Franz Viertler 24

25 Zusammenfassung 3D-konformale Anzeigen im HMD als Resultat einer Task-Analyse Anpassung der Simulationsumgebung und HMD Integration Analyse und Bewertungs-Methoden Auswertung des Verdeckungsanteils anhand der aktiven Pixel Bewertung der Konzepte durch Piloten in einer Studie Slim Cockpit + HMD Ausblick Reduzierte Head-Down Instrumentierung (Slim Cockpit) Virtual Aircraft-Fixed Instruments im HMD Virtual Aircraft-Fixed Cockpit Instruments (DLR, H.-U. Doehler, J. Ernst) Zusammenfassung und Ausblick Franz Viertler 25

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Franz Viertler 26

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