Pilot-Centered Design of a Longitudinal Acceleration Command System for Augmented Manual Flight Control (nx-Control)
Human Factors, Ergonomics, Human-Machine Systems
Final Report Abstract
Der wachsende Luftverkehr erhöht die Anforderungen an die Flugführung und an die Piloten. Es wird erwartet, dass komplexe Flugtrajektorien präziser zu fliegen sind. Im automatischen Flugmodus stellt das kein Problem dar. 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. Ziel des interdisziplinären Projekts war die pilotenzentrierte Entwicklung einer Vorgaberegelung für das Lastvielfache in Flugbahnrichtung (nxControl) zur Unterstützung des manuellen Flugs. Damit sollten auch komplexe Flugtrajektorien des zukünftigen Luftverkehrs mit hoher Präzision fliegbar sein ohne negative Einflüsse auf Arbeitsbelastung und Situationsbewusstsein. In der ersten Projektphase wurden die Anforderungen beim Energiemanagement und die damit verbundenen kognitiven Prozesse von Piloten untersucht und darauf aufbauend der neuartige Vorgaberegler entwickelt. Dieser vereint die Kommandos an die Stellelemente Triebwerke und Bremsklappen in einer Vorgabegröße und entlastet Piloten kognitiv und motorisch beim manuellen Flug. 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 wurde gezeigt, 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. In der zweiten Projektphase wurde gezeigt, dass sich das nxControl-Konzept schlüssig in die Cockpitphilosophien von Verkehrsflugzeugen für den gesamten Flug von Gate zu Gate integrieren lässt. Dazu wurde das System hinsichtlich der Anforderungen für den Übergang zwischen Flug- und Bodenmodus erweitert und komplettiert. Der Regler im Bodenmodus kann zusätzlich auf Radbremsen und Schubumkehr zum Abführen von Energie zugreifen. Zudem wurde die Mensch-Maschine-Schnittstelle auf die neuen Gegebenheiten angepasst. Auf Basis mehrerer umfassender Flugsimulatorstudien mit lizenzierten Verkehrspiloten wurde das erweiterte Konzept evaluiert. Die Ergebnisse bestätigten auch für die Konzepterweiterung des Bodenmodus die Machbarkeit und Tauglichkeit. Zudem zeigten sich Vorteile bei energierelevanten Störungen (insbesondere bei Triebwerksausfall), da das Energiemanagement effektiv unterstützt wurde. Abschließend wurde gezeigt, dass mithilfe von nxControl die Piloten in der Lage waren zukünftige, komplexe Flugtrajektorien manuell mit höherer Präzision und niedrigerer Arbeitsbelastung zu fliegen. Die gesetzten Ziele wurden erreicht und das Projekt somit erfolgreich abgeschlossen.
Publications
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nxControl: Konzept zur Vorgaberegelung für die Längsbeschleunigung des Flugzeugs. In Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress, Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn
Schreiter, K., Müller, S., Luckner, R
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Simulatorstudie zur Ermittlung mentaler Handlungsmodelle von Piloten beim Energiemanagement. In Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress, Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn
Müller, S., Schreiter, K., Manzey, D.
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Untersuchung der mentalen Repräsentation von Energiemanagement bei der Flugzeugführung zur Entwicklung eines Pilotenassistenzsystems. In 10. Berliner Werkstatt – Mensch-Maschine-Systeme, S. 230–237, Berlin 2013
Müller, S., Manzey, D., Bleyer, A., Schreiter, K., Voigt, A., Luckner, R
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nxControl Instead of Pitch-and-Power: Concept and First Results of a Control System for Manual Flight. In Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress, Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn
Schreiter, K., Müller, S., Luckner, R., D. Manzey
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Implementing energy status in head-down cockpit displays: Impact of augmented energy information on pilot’s performance. In: Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting, Vol. 59, No. 1, S. 926–930
Müller, S., Manzey, D., Schreiter, K., Luckner, R.
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nxControl instead of Pitch-and-Power: A concept for enhanced manual flight control. CEAS Aeronautical Journal, Vol. 7, No. 1, S. 107–119
Müller, S., Schreiter, K., Manzey, D., Luckner, R.
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Verbesserung von Flugpräzision und Arbeitsbeanspruchung bei manuellen RNP-Anflügen durch Vorgaberegler und Anzeigen für den Energiewinkel (nxControl). 65. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress, Braunschweig
Schreiter, K., Müller, S., Luckner, R., Manzey, D.
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Enhancing Manual Flight Precision and Reducing Pilot Workload Using a New Manual Control Augmentation System for Energy Angle. AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, SciTech Forum 2017, Grapevine (Texas)
Schreiter, K., Müller, S., Luckner, R., Manzey, D.
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Manual Flying and Energy Awareness: Beneficial Effects of Energy Displays Combined with a New Approach of Augmented Thrust Control. Aviation Psychology and Applied Human Factors, Vol. 7, No. 1, S. 18–27, Hogrefe Publishing
Müller, S., Schreiter, K., Luckner, R., Manzey, D.
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Demand Control Law for Total Energy Angle Tested at Manual Steep Approaches. AIAA Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 41, No. 6, S. 1438–1446
Schreiter, K., Müller, S., Luckner, R. and Manzey, D.
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nxControl: Ground Mode for Manual Flight Control Laws with Longitudinal Load Factor Command. In: Advances in Aerospace Guidance, Navigation and Control. Springer International Publishing, Cham. ISBN 978-3-319-65282-5
Schreiter, K., Müller, S., Luckner, R. and Manzey, D.
