nxcontrol statt Pitch-and-Power: Vergleich von manuellen Landeanflügen mit und ohne Vorgaberegler für das x-lastvielfache

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1 statt Pitch-and-Power: Vergleich von manuellen Landeanflügen mit und ohne Vorgaberegler für das x-lastvielfache Karolin Schreiter, Robert Luckner FG Flugmechanik, Flugregelung und Aeroelastizität Simon Müller, Dietrich Manzey FG Arbeits-, Ingenieur- und Organisationspsychologie DGLR Workshop Pilotenunterstützungssysteme 2015

2 Motivation Stetig wachsendes Verkehrsaufkommen, wachsende Anforderungen 1 Annahme: komplexere Flugtrajektorien geringere Staffelungsabstände präziseres Fliegen mit automatischen Regelungssystemen weitgehend durchführbar Manuelles Fliegen auch auf komplexen Trajektorien notwendig Präzision erhöhen Situationsbewusstsein verbessern Arbeitsbelastung niedrig halten 1 European Commission: Flightpath 2050, Europe s vision for aviation statt Pitch-and-Power K. Schreiter DGLR Workshop 2015 Seite 2

3 Grundlagen Cockpitaufbau Vorgaberegler zur Unterstützung im manuellen Flug z.b. an Sidestick und Pedalen Vorteile: Vorgabe und Einstellen einer physikalischen Größe Störunterdrückung Übertragbarkeit [A330 Simulator, TU Berlin] Triebwerke und Bremsklappen bisher gesteuert statt Pitch-and-Power K. Schreiter DGLR Workshop 2015 Seite 3

4 Lastvielfaches n x Schub und Widerstand beeinflussen direkt das Lastvielfache n x n txk F W VK sin sin G g E Äquivalent zu Gesamtenergiewinkel γ E Auswirkungen auf Bahnwinkel und Beschleunigung (pot. und kin. Energie) besser zu verbildlichen und nachzuvollziehen Auch bekannt als Specific Excess Thrust (SET), Potential Flight Path Angle statt Pitch-and-Power K. Schreiter DGLR Workshop 2015 Seite 4

5 Überblick System Triebwerks- und Bremsklappeneinstellung werden unterstützt Entlastung und Präzisierung durch Vorgaberegler Bedienung über einen Hebel Rückmeldung über Anzeigeelemente in PFD und SD statt Pitch-and-Power K. Schreiter DGLR Workshop 2015 Seite 5

6 Vorgaberegler Zwei Stellgrößen, eine Regelgröße Control Allocation notwendig Hierarchischer Aufbau gewählt ähnlich der Pilotenverhaltensweise aktive Zuschaltung der Bremsklappen mittels Druckknopf Bewusstsein über Stellelemente statt Pitch-and-Power K. Schreiter DGLR Workshop 2015 Seite 6

7 Vorgaberegler Beispiel TW-Regler stationäre Genauigkeit Störungsausgleich statt Pitch-and-Power K. Schreiter DGLR Workshop 2015 Seite 7

8 Displays Zusatzelemente im PFD Energiestatusanzeige im System Display statt Pitch-and-Power K. Schreiter DGLR Workshop 2015 Seite 8

9 nxpfd Zusatzelemente im PFD Energiewinkel / Lastvielfaches n x Flugbahnwinkel Ähnlich zu bestehenden Konzepten (z.b. Klopfstein 1, Lambregts 2, Amelink 3 ) und HUD Ausführungen 1 Klopfstein, G.: Rational study of aircraft piloting. In: Advanced Aircrew Display Symposium, pp (1976) 2 Lambregts, T., Rademaker, R., Theunissen, E.: A new ecological primary flight display concept IEEE/AIAA 27th Digital Avionics Systems Conference (2008) 3 Amelink, M.H., Mulder, M., Paassen, V., Flach, J.: Theoretical foundations for a total energy-based perspective flight-path display. International Journal of Aviation Psychology 15(3), (2005) statt Pitch-and-Power K. Schreiter DGLR Workshop 2015 Seite 9

10 nxstatus Energiestatusanzeige anliegender Energiewinkel kommandierter Energiewinkel Triebwerks- und Bremsklappenlimits verwendetes Stellelement max. Schub Energiewinkel Regler nutzt Triebwerk Idle Schub max. Widerstand (mit Bremsklappen) Regler nutzt Bremsklappen (nach Aktivierung) Kommandoanzeige statt Pitch-and-Power K. Schreiter DGLR Workshop 2015 Seite 10

11 Versuch Teilnehmer und Simulationsumgebung 11 lizenzierte Verkehrspiloten fixed-base Flugsimulator SEPHIR simuliert VFW-Fokker 614 FBW Sidestick kein FMS, kein Autopilot Konfigurationen Getestet auf Arbeitsbelastung Performance Situationsbewusstsein [SEPHIR Simulator, TU Berlin] statt Pitch-and-Power K. Schreiter DGLR Workshop 2015 Seite 11

12 Versuch Landeprozedur ILS Landeanflug auf FRA 25R (heute: FRA 25C) vorgeschriebene Punkte zur Konfiguration vorgeschriebene Punkte zur Geschwindigkeitsreduktion Geschwindigkeitsreduktion stets mit Idle Power statt Pitch-and-Power K. Schreiter DGLR Workshop 2015 Seite 12

13 Hebelaktivität [%] Ergebnisse Arbeitsbelastung Hebelaktivität N = statt Pitch-and-Power K. Schreiter DGLR Workshop 2015 Seite 13

14 NASA-TLX Score Ergebnisse Arbeitsbelastung NASA TLX N = Punkte erreichbar statt Pitch-and-Power K. Schreiter DGLR Workshop 2015 Seite 14

15 RMSE Kurs [ ] RMSE Hängewinkel [ ] RMSE V /g [ ] RMSE Höhe [ft] RMSE Geschwindigkeit [kt] RMSE γ [ ] Ergebnisse Performance RMSE N = ,5 0, ,0 1,5 0,6 0,5 0, ,0 0,5 0,3 0,2 0,1 0 1,6 0,0 1,6 0,0 0,8 1,4 1,4 0,7 1,2 1,2 0,6 1,0 1,0 0,5 0,8 0,8 0,4 0,6 0,6 0,3 0,4 0,4 0,2 0,2 0,2 0,1 0,0 0,0 0,0 statt Pitch-and-Power K. Schreiter DGLR Workshop 2015 Seite 15

16 Endfehler Kurs [ ] Endfehler Hängewinkel [ ] Endfehler Höhe [ft] Endfehler Geschwindigkeit [kt] Ergebnisse Performance 1000ft GND N = ,4 40 1,2 1,0 30 0,8 20 0,6 10 0,4 0,2 0 1,4 0,0 1,6 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,0 statt Pitch-and-Power K. Schreiter DGLR Workshop 2015 Seite 16

17 Summe der SA-Punkte Ergebnisse Situationsbewusstsein SAGAT N = 3 bzw. 4 6 Punkte erreichbar statt Pitch-and-Power K. Schreiter DGLR Workshop 2015 Seite 17

18 Ergebnisse Zusammenfassung 1. Evaluation positiv ausgefallen alle Piloten haben verstanden und angewendet Stellaufwand verringert Situationsbewusstsein unverändert subjektiver Workload unverändert Performance unverändert Gewähltes Szenario variieren für detailliertere Ergebnisse statt Pitch-and-Power? statt Pitch-and-Power K. Schreiter DGLR Workshop 2015 Seite 18

19 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Kontakt: Gefördert durch: GZ: LU 1397/3-1 MA 3759/3-1 statt Pitch-and-Power K. Schreiter DGLR Workshop 2015 Seite 19