Das Drei-Komponenten-Modell

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1 Control signal ycc Input signal yi H. Gerisch / W. Wolf Institut für Informationstechnik 1 Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik

2 Organisationsstruktur in der Forschung Universität der Bundeswehr München, Germany Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Informationstechnik Professur für Informationstechnische Systeme Prof. Dr. Lankl Professur für Informationsverarbeitung Prof. Dr. Knopp Arbeitsgruppe Arbeitsgruppe Informationsverarbeitung in technischen Systemen (Satellitenkommunikation) Biomedizinische Informationstechnik 2

3 Organisationsstruktur in der Forschung Arbeitsgruppe Biomedizinische Informationstechnik Verarbeitung von gemessenen Biosignalen (z.b. für Diagnose) Verarbeitung von Informationen im biologischen System (z.b. Gehirnfunktionen) Sensomotorik hearing vision sensory memory system Gedächtnis proprioception Propriozeption Strategie strategy motor e ye m anual Beide Bereiche sind wesentlich für das Design einer Mensch-Maschine-Schnittstelle 3

4 Einordnung der Studie in den Workshop Pilotenunterstützungssysteme 4

5 Einordnung der Studie in den Workshop Pilotenunterstützungssysteme 5

6 Einordnung der Studie in den Workshop Pilotenunterstützungssysteme 6

7 Einordnung der Studie in den Workshop Pilotenunterstützungssysteme 7

8 Vorstellung der Studie Fragestellung Untersuchung des Menschlichen Regelverhaltens mit einem Joystick als Steuerorgan bei der Nachführung von kontinuierlichen Eingangssignalen. - Frequenz des Eingangssignals - Anzeigeverstärkung Variable Parameter Ziel Bewertung der Leistungsfähigkeit des Reglers Mensch bei der Verwendung eines Joystick: - Regelgüte/ Regelfehler - Zeitverschiebung - Grenze des Reglers Mensch - Beschreibung des Regelfehlers 8

9 Beschreibung der Regelgüte Frequenzbereich Zeitbereich Beschreibung der Übertragungsfunktion des Menschen (z.b. McRuer, 1960) Beschreibung der Signalabweichungen 9

10 Versuchsaufbau / Regelkreis Versuchsparameter Variable Parameter: Frequenz des Eingangssignals (bandbegrenztes Rauschen) f g Anzeigeverstärkung k display y I Eingangssignal y D Ablenksignal des Displays y C Ausgangssignal des Joysticks 10

11 Versuchsauswertung Korrelation R IC (ϑ ) = 1 T T y I (t) y C (t +ϑ )dt Zeitverschiebung: = max(r IC (ϑ )) ϑ Regelfehler: RMSE = T 2 T 1 [ y I (t) y C (t)] 2 dt T 2 T 1 mit T 1 = 0ms ; T 2 = ms y I Eingangssignal y D Ablenksignal des Displays y C Ausgangssignal des Joysticks 11

12 Versuchsergebnisse / Zeitverschiebung & Regelfehler Zeitverschiebung Regelfehler 1. Fehlermodell: Der Regelfehler setzt sich aus zwei Anteilen zusammen: - zeitabhängige Komponente (bedingt durch Zeitverzögerung) - sensomotorische Regelabweichung (bedingt durch perception-to-action Übertragungsfunktion) MSE = MSE t + MSE op 12

13 Versuchsergebnisse / Regelfehler MSE t Regelfehler MSE t (nur durch intrinsische Laufzeit verursacht) MSE t = 2*MS(y I ) für große Zeitverzögerungen/ Laufzeiten MS(y I ) = 32.49( ) 2 für y C (t) = 0 (offener Regelkreis) 13

14 Versuchsergebnisse / Regelfehler MSE op Regelfehler MSE op (Operateur-spezifisch) *) Offensichtlich existiert ein Performance Limit bei der manuellen Regelaufgabe (0,8Hz < f crit < 1,2Hz). Bei Überschreiten dieses Limits kann das Regelverhalten nicht mehr anhand des 1. Fehlermodells beschrieben werden. *) berechnet anhand des 1. Fehlermodells: MSE op = MSE - MSE t 14

15 Versuchsergebnisse / Drei-Komponenten-Fehlermodell Drei-Komponenten-Modell des Regelfehlers Folgerung für die manuelle Regelung bei Eingangssignalen y I mit f g > f crit : Signalanteile mit der Frequenz f g > f crit werden seitens des Operators nicht in die perception-to-action Übertragungsfunktion miteinbezogen. Folglich wird das 1. Fehlermodell erweitert: MSE op besteht wiederum aus zwei Komponenten: a) MSE op -Komponente des tieferen Frequenzbandes f < f crit b) MSE-Komponente des höheren Frequenzbandes f > f crit Beide Komponenten sind gemäß der Bandbreite im Eingangssignal y I gewichtet (unter der Annahme, dass eine gleichmäßige Energieverteilung über die Frequenz vorliegt). Für f g = 1.2Hz (mit Annahme f crit = 0.8Hz) folgt: MSE op (f g = 1.2Hz) = 2/3 * MSE op (f g = 0.8Hz) + 1/3 * MSE(f g = 1.2Hz) Drei-Komponenten-Modell (2. Fehlermodell) für den Regelfehler MSE mit y I (f g = 1.2Hz): MSE(f g = 1.2Hz) = 2/3 * (MSE t (f g = 0.8Hz) + MSE op (f g = 0.8Hz)) + 1/3 * MSE(f g = 1.2Hz) Zeitverzögerung Sensomotorik Grenze des menschl. Regelns 15

16 Versuchsergebnisse / Regelfehler MSE op Regelfehler MSE op mit Drei-Komponenten-Modell MSE op ist mit Anwendung des Drei-Komponenten- Fehlermodells in einem vernünftigen Wertebereich (auch bei Überschreiten des Performance Limits (0,8Hz < f crit < 1,2Hz). 16

17 Versuchsergebnisse / Performance Limit Korrelationsfunktionen von y I (t) und y C (t) 17

18 Versuchsergebnisse / Performance Limit Korrelationsfunktionen von y I (t)=y Cre-used (t) und y C (t) 18

19 Fazit Die menschliche Regelleistung ist von der Dynamik der Regelstrecke abhängig. Das Human Performance Limit liegt bei ca. 1 Hz, d.h., höherfrequente Anzeigen werden zwar wahrgenommen, aber nicht beantwortet. Der Regelfehler der menschlichen Regelleistung kann mit einem Drei-Komponenten-Modell beschrieben werden, dessen Komponenten abhängig sind von: - Zeitverzögerung - Sensomotorik - Human Tracking Limit 19

20 Fragen 20