Möglichst wenig Lenken!

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1 Modellierung des en wissenschaftlicher Selbstzweck oder realer Bedarf? Holger Duda, DLR Institut für Flugsystemtechnik DGLR Fachausschuss L6.2 Flugeigenschaften und Flugversuch, Manching Gemeinsame Aspekte bei der Modellierung von Autofahrern und en - Ein erster Gedankenaustausch Es gibt eine Strategie für schnelles Autofahren Möglichst wenig Lenken! Modellierung des en wissenschaftlicher Selbstzweck oder realer Bedarf?, Manching, Mai

2 Modellierung von Autofahrern und en Was treibt uns? Die Wissenschaftler: Wir wollen die Welt verstehen - also auch die Menschen in anspruchsvollen Arbeitssituationen. Die Ingenieure: Wir wollen das System optimieren - hier insbesondere im Hinblick auf den Menschen. Die Kaufleute: Wir wollen den Gewinn maximieren - durch Modelle von Autofahrern und en? Modellierung des en wissenschaftlicher Selbstzweck oder realer Bedarf?, Manching, Mai Was ist ein enmodell? Nach Wikipedia: Fahrermodelle oder enmodelle modellieren den Menschen in einer ganz bestimmten Arbeitssituation Ein dynamisches, nichtlineares und adaptives Systemmodell, das das menschliche Verhalten beim Fliegen simuliert. 1 u(t) y (t) 1 u(t) y(t) System Modellierung des en wissenschaftlicher Selbstzweck oder realer Bedarf?, Manching, Mai

3 Der im Regelkreis Umgebung Aufgabe Steuerung Fluggerät Menschliche Wahrnehmungen Modellierung des en wissenschaftlicher Selbstzweck oder realer Bedarf?, Manching, Mai Wie Alles anfing Quelle: Ron Hess, AIAA 2008: Illuminating the -Vehicle System: A Tribute to Duane McRuer Modellierung des en wissenschaftlicher Selbstzweck oder realer Bedarf?, Manching, Mai

4 Quelle: Luckner/Höhne Modellierung des en wissenschaftlicher Selbstzweck oder realer Bedarf?, Manching, Mai enmodell Struktur Modellierung des en wissenschaftlicher Selbstzweck oder realer Bedarf?, Manching, Mai

5 Verhaltensmuster des en Kompensierend (compensatory) Flugaufgabe - K Steuereingaben reaktion Vorausschauend (pursuit) Flugaufgabe - V K + Steuereingaben reaktion W Vorwissend (precognitive) Modellierung des en wissenschaftlicher Selbstzweck oder realer Bedarf?, Manching, Mai in-the-loop Oscillations (PIO) Pitch Stick (Nicksteuer) Definition in MIL-Specs: PIO are sustained or uncontrollable oscillations resulting from the efforts of the pilot to control the aircraft. Nickwinkel Die Steuereingaben des en sind um 180 gegenüber der bewegung verschoben. Höhenruderausschlag Beispiel YF-22, April 1992 Modellierung des en wissenschaftlicher Selbstzweck oder realer Bedarf?, Manching, Mai

6 -in-the-loop Oscillations (PIO) PIO = enfehler? Aufgabe lineares an lineare Dynamik angepasst. Plötzliche Änderung der Systemdynamik. Aufgabe nichtlin. nicht an die veränderte Systemdynamik angepasst. Modellierung des en wissenschaftlicher Selbstzweck oder realer Bedarf?, Manching, Mai Crossover Model Beispiel Nickachse 1 soll e up(t) g (s) y P(t) uf(t) y F(t) p (s) g f 1 Der passt sich an, so dass um die crossover frequency cr (Amplitude des offenen Kreises etwa eins) folgender Frequenzgang des offenen Kreises vorliegt: g p cr ( j ) g f ( j ) e j j oder g ( j ) [ g p f ( j )] 1 cr e j j ist die äquivalente Zeitverzögerung des en. Modellierung des en wissenschaftlicher Selbstzweck oder realer Bedarf?, Manching, Mai

7 Das einfachste aller enmodelle Rein kompensierendes Verhalten 1 e ( s ) K1 uf(t) y F(t) e ( s) 1 als Verstärkungsfaktor K. K verschiebt den Frequenzgang des offenen Kreises vertikal im Nicholsdiagramm F [db] db 3 db 6 db Nicholsdiagramm K e K e K e cr 3.1rad / s db cr 1.9rad / s [grd] Modellierung des en wissenschaftlicher Selbstzweck oder realer Bedarf?, Manching, Mai Der als reine Verstärkung Was bringt das? Bewertung der Robustheit gegenüber große enverstärkungen Beispiel Konfigration (Neal-Smith) F [db] e 3 db 6 db ( s ) K1 uf(t) y F(t) e ( s) Nicholsdiagramm 1 db 1D : cr 1.9rad / s K e 2I : cr 1.6rad / s db 1D: CHR 4 2I: CHR [grd] cr Modellierung des en wissenschaftlicher Selbstzweck oder realer Bedarf?, Manching, Mai

8 Saab s - Versuche auf dem Calspan-LearJet (Ende 90er) Realer --Regelkreis Simulierter --Regelkreis; als reine Verstärkung Modellierung des en wissenschaftlicher Selbstzweck oder realer Bedarf?, Manching, Mai Der als lineare Übertragungsfunktion Neal-Smith Kriterium soll e e ( s ) ( s ) ( s ) ( s ) ( ) ( s) e K (1/ T s e lead 0.3 s (1/ T lag ) ) e Anpassung der Zeitkonstanten Tlead und Tlag, sowie der enverstärkung K e, so dass 1. Phasenwinkel des geschlossenen Kreises gleich -90 bei 2. Amplitudeabfall kleiner -3 db für bw bw bw Modellierung des en wissenschaftlicher Selbstzweck oder realer Bedarf?, Manching, Mai

9 Der als lineare Übertragungsfunktion Neal-Smith Kriterium PIO 12 Phasenwinkel des en: tan P ( Tlead 1 T T lead lag T ) lag bw 2 bw A res [db] zu abrupt Level 3 Schwingungen Level 2 zu träge perfekt Level P [grd ] Modellierung des en wissenschaftlicher Selbstzweck oder realer Bedarf?, Manching, Mai Die Sinnfrage Die Modellierung des menschlichen en ist eine wissenschaftlich sehr anspruchsvolle Aufgabe. Vorteile: Sie liefert ein tieferes Verständnis für den - Regelkreis und war damit die Basis für die Erforschung der Flugeigenschaften. Sie kann helfen, das menschliche Verhalten genauer zu verstehen. Beispiel AA Flug 587 Warum hat der so starke Seitenrudereingaben gegeben? Sie kann die Systementwicklung und Optimierung unterstützen, z.b. bei HIL Simulationen, in denen realistische Eingaben des Menschen benötigt werden. Modellierung des en wissenschaftlicher Selbstzweck oder realer Bedarf?, Manching, Mai

10 Einige Beispiele zur Auslegung von Bewegungssystemen für Flugsimulatoren. Quelle: Hosmann, Advani, Haeck: Integrated design of flight simulator motion cueing systems. THE AERONAUTICAL JOURNAL JANUARY 2005 Modellierung des en wissenschaftlicher Selbstzweck oder realer Bedarf?, Manching, Mai Einige Beispiele Zur Untersuchung biomechanischer Kopplungen (roll ratcheting) Quelle: Höhne: Roll Ratcheting: Cause and Analysis Modellierung des en wissenschaftlicher Selbstzweck oder realer Bedarf?, Manching, Mai

11 Einige Beispiele Verhalten beim Einflug in Wirbelschleppen Quelle: Bieniek, Luckner Modellierung des en wissenschaftlicher Selbstzweck oder realer Bedarf?, Manching, Mai Zusammenfassung Maximierte Einfachheit Ansatz: Nachbildung relevanter Eigenschaften des Menschen für die Beantwortung einer spezifischen Fragestellung, z.b. Ist das PIO-anfällig? Ist das robust gegenüber hoher enverstärkung? Einfache, nachvollziehbare Modellansätze. Maximierte Realitätsnähe Ansatz: Nachbildung der unendlich komplexen Eigenschaften des Menschen in einem nichtlinearen Modell mit zahlreichen Ebenen: Berücksichtigung der vielen Wahrnehmungskanäle des Menschen. Komplexe Modellstruktur, die für Außenstehende teilweise schwierig zu durchblicken ist. Modellierung des en wissenschaftlicher Selbstzweck oder realer Bedarf?, Manching, Mai