Pilotenzentrierte Entwicklung einer Vorgaberegelung in Längsrichtung zur manuellen Steuerung von Flugzeugen (nx-Control)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Robert Luckner; Professor Dr. Dietrich Manzey
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Arbeitswissenschaft, Ergonomie, Mensch-Maschine-Systeme
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 225630728

Der wachsende Luftverkehr erhöht die Anforderungen an die Flugführung und an die Piloten. Es wird erwartet, dass komplexe Flugtrajektorien präziser zu fliegen sind. Das ist kein Problem im automatischen Flugmodus. Allerdings müssen die steigenden Anforderungen grundsätzlich auch im manuellen Flug bewältigbar bleiben, was die kognitive und motorische Belastung der Piloten im Vergleich zum heutigen Luftverkehr deutlich erhöht. Vor allem das manuelle Steuern des Triebwerksschubs und der Bremsklappen, die dem Flugzeug Energie zu- oder abführen, basiert derzeit auf sogenannten Pitch-and-Power-Abschätzungen. In heutigen Cockpits existiert dafür keine Unterstützungsfunktion, wie sie vergleichsweise zum Einstellen der Fluglage in Form von Vorgabereglern eingesetzt wird. In der ersten Projektphase wurden die Anforderungen beim Energiemanagement und die damit verbundenen kognitiven Prozesse von Piloten untersucht und darauf aufbauend ein neuartiger Vorgaberegler für das Lastvielfache in Flugbahnrichtung (nxControl) entwickelt. Dieser vereint die Kommandos an die Stellelemente Triebwerke und Bremsklappen in einer Vorgabegröße und entlastet Piloten so beim manuellen Flug kognitiv und motorisch. Im Rahmen eines pilotenzentrierten Entwicklungsansatzes wurden parallel zur Reglerentwicklung darauf abgestimmte Anzeige- und Bedienelemente entwickelt. Sie machen die Funktionsweise und Leistungsgrenzen des nxControl-Systems für die Piloten nachvollziehbar und ermöglichen ihnen die Vorgabegröße in intuitiver Weise zu regeln. In Flugsimulatorstudien konnte bereits gezeigt werden, dass das neue System von Piloten sehr schnell verstanden und akzeptiert wird und sich damit heutige manuelle Standardflugaufgaben mit niedrigerer Arbeitsbelastung bei gleichbleibend guter Präzision bewältigen lassen. Die gesetzten Ziele der ersten Projektphase wurden somit erreicht.Ziel der zweiten Projektphase ist zu zeigen, dass sich das nxControl-Konzept schlüssig in die Cockpitphilosophien von Verkehrsflugzeugen für den gesamten Flug von Gate zu Gate integrieren lässt. Dies geschieht in drei Schritten. Erstens wird das System hinsichtlich der Anforderungen für den Übergang zwischen Flug- und Bodenmodus erweitert und komplettiert. Der Regler im Bodenmodus wird zusätzlich auf Radbremsen und Schubumkehr zum Abführen von Energie zugreifen. Zweitens wird auf Basis einer Simulatorstudie untersucht, ob das System auch noch bei schweren energierelevanten Fehlern (z.B. bei Triebwerksausfall) funktionsfähig bleibt und die Piloten effektiv unterstützt. Auf Basis der Befunde wird das System weiter optimiert. Drittens soll abschließend gezeigt werden, dass mithilfe von nxControl zukünftige, komplexe Flugtrajektorien noch manuell mit hinreichender Präzision und angemessener Arbeitsbelastung fliegbar sind. Dazu wird das erweiterte Konzept bestehend aus Vorgaberegler sowie die Mensch-Maschine-Schnittstelle in einer umfassenden Flugsimulatorstudie mit lizenzierten Verkehrspiloten evaluiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen