Lehrstuhl für Hubschraubertechnologie Technische Universität München Visuelle Unterstützung für Hubschrauberpiloten unter schlechten Sichtbedingungen DGLR Workshop Pilotenunterstützungssysteme Manching, 27. / 28. Mai 2015 Franz Viertler Lehrstuhl für Hubschraubertechnologie Technische Universität München 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 Lehrstuhl für Hubschraubertechnologie Technische Universität München 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 Lehrstuhl für Hubschraubertechnologie Technische Universität München 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 TerrainDatenbankauflösung) Motivation: Welches Potential hat die HMD Technologie für die Unterstützung von Hubschrauberpiloten? Franz Viertler 4 Lehrstuhl für Hubschraubertechnologie Technische Universität München Rotorcraft Simulation Environment (ROSIE) als Werkzeug Rotorcraft Simulation Environment als Werkzeug Franz Viertler 5 Lehrstuhl für Hubschraubertechnologie Technische Universität München 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 als Werkzeug Rotorcraft Simulation Environment - ROSIE Franz Viertler 6 Lehrstuhl für Hubschraubertechnologie Technische Universität München 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 Lehrstuhl für Hubschraubertechnologie Technische Universität München Binocular see-through Head-Mounted Display with head-tracking • HMD main features: – Field-of-view: – Resolution: – LCD with full color – See-through transmission: – Low-cost: • Head-tracking main features: – Hybrid inertial-ultrasonic 6 DoF – Update frequency: – Translational accuracy: – Rotational accuracy: pitch & roll 70% < 5.000 USD 180 Hz 2.0-3.0 mm 0.25° 0.5° yaw IG-channel (mean value) HMD (each eye) 23°x 17° 800 x 600 pixel LCD29 HMD with IS900 Horizontal resolution (pixel) Vertical resolution (pixel) Horizontal FOV (degree) Vertical FOV (degree) Horiz. resolution (arcmin/pixel) Vertical resolution (arcmin/pixel) 1920 1200 84 61.3 2.625 3.067 800 600 23 17 1.725 1.700 Rotorcraft Simulation Environment als Werkzeug Franz Viertler 8 Lehrstuhl für Hubschraubertechnologie Technische Universität München 3D-konformale Anzeigekonzepte für die Flugführung und Kollisionsvermeidung 3D-konformale Anzeigekonzepte für die Flugführung und Kollisionsvermeidung Franz Viertler 9 Lehrstuhl für Hubschraubertechnologie Technische Universität München 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 Lehrstuhl für Hubschraubertechnologie 3D-konformale Anzeigekonzepte für die Flugführung und Kollisionsvermeidung Technische Universität München Subtask definition nach G.D. Padfield Franz Viertler 11 Lehrstuhl für Hubschraubertechnologie 3D-konformale Anzeigekonzepte für die Flugführung und Kollisionsvermeidung Technische Universität München Franz Viertler 12 Lehrstuhl für Hubschraubertechnologie 3D-konformale Anzeigekonzepte für die Flugführung und Kollisionsvermeidung Technische Universität München Franz Viertler 13 Lehrstuhl für Hubschraubertechnologie 3D-konformale Anzeigekonzepte für die Flugführung und Kollisionsvermeidung Technische Universität München Franz Viertler 14 Lehrstuhl für Hubschraubertechnologie Technische Universität München Abb.: air-traffic visualization (J. Ernst, F. Eisenkeil – Airbus D&S) 3D-konformale Anzeigekonzepte für die Flugführung und Kollisionsvermeidung Franz Viertler 15 Lehrstuhl für Hubschraubertechnologie Technische Universität München 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 Lehrstuhl für Hubschraubertechnologie Technische Universität München 3D-konformale Anzeigekonzepte zur Hinderniserkennung (Video) 3D-konformale Anzeigekonzepte für die Flugführung und Kollisionsvermeidung Franz Viertler 17 Lehrstuhl für Hubschraubertechnologie Technische Universität München Analysemethoden zur Bewertung von erweiterten Anzeigekonzepten Analysemethoden zur Bewertung von erweiterten Anzeigekonzepten Franz Viertler 18 Lehrstuhl für Hubschraubertechnologie Technische Universität München 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 Lehrstuhl für Hubschraubertechnologie Technische Universität München Active Pixel Messungen – Display Clutter / Occlusion Analysemethoden zur Bewertung von erweiterten Anzeigekonzepten Franz Viertler 20 Lehrstuhl für Hubschraubertechnologie Technische Universität München 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 Lehrstuhl für Hubschraubertechnologie Technische Universität München 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 HindernisVisualisierung im HMD Analysemethoden zur Bewertung von erweiterten Anzeigekonzepten Franz Viertler 22 Lehrstuhl für Hubschraubertechnologie Technische Universität München 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) Analysemethoden zur Bewertung von erweiterten Anzeigekonzepten HindernisVisualisierung im HMD Franz Viertler 23 Lehrstuhl für Hubschraubertechnologie Technische Universität München Precision Hover Symbology (Video) Analysemethoden zur Bewertung von erweiterten Anzeigekonzepten Franz Viertler 24 Lehrstuhl für Hubschraubertechnologie Technische Universität München 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 Lehrstuhl für Hubschraubertechnologie Technische Universität München Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Franz Viertler 26
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