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Flugmechanik, Flugregelung und Aeroelastizität DFG - nx-Control

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Pilotenzentrierte Entwicklung eines neuen Regelungssystems zur Unterstützung der manuellen Steuerung von Flugzeugen (nxControl)

Im Projekt „nxControl“ wird eine neuartige Vorgaberegelung für die Längsrichtung des Flugzeuges (nx-Vorgabe) unter Verwendung von Schub und Bremsklappen im Flug sowie Schubumkehr und Bremsen am Boden entwickelt, die eine präzisere Bahnführung ermöglicht. Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Es ist interdisziplinär angelegt. Die technische Entwicklung des Reglers wird am Fachgebiet Flugmechanik, Flugregelung und Aeroelastizität (FMRA) durchgeführt. Das Fachgebiet Arbeits-, Ingenieur- und Organisationspsychologie (AIO) entwickelt die Mensch-Maschine-Schnittstelle und untersucht die Auswirkungen des neuen Regelungssystems aus ingenieurpsychologischer Perspektive. Das Gesamtsystem wird gemeinsam im Flugsimulator SEPHIR des Fachgebiets FMRA erprobt.

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Einleitung

Der wachsende und dichter werdende Luftverkehr erhöht die Komplexität zukünftiger Flugrouten einhergehend mit der Forderung nach präziserem Einhalten der Flugbahnen. Diese Forderungen müssen nicht nur im automatischen sondern auch im manuellen Flug erfüllt werden. Sie bedeuten eine steigende Arbeitsbelastung der Piloten vor allem beim Kommandieren der Steuerelemente, die den Gesamtenergiezustand (potentielle, kinetische Energie) verändern, so wie Schub und Bremsklappen.

Im Rahmen des Projekts soll daher zur Unterstützung der Piloten eine neuartige Vorgaberegelung für die Längsrichtung des Flugzeugs (nxControl) entwickelt werden. Um zu gewährleisten, dass die neue Regelungsfunktion die Präzision der Bahnführung verbessert, keine negativen Auswirkungen auf die Arbeitsbelastung und das Situationsbewusstsein der Piloten hat und von ihnen akzeptiert wird, soll die Entwicklung pilotenzentriert erfolgen und sowohl die technische Realisierung der Vorgaberegelung als auch die Entwicklung einer optimal daran angepassten Mensch-Maschine-Schnittstelle (Informationsdarstellung und Bedienelement) umfassen.

Ziele und Vorgehen

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung einer Vorgaberegelung für die Längsrichtung des Flugzeugs (nx-Vorgabe) unter Verwendung von Schub und Bremsklappen im Flug sowie Schubumkehr und Bremsen am Boden, die eine präzisere Bahnführung ermöglicht.

Im Sinne eines pilotenzentrierten Entwicklungsansatzes wird zunächst das vorherrschende mentale Modell der Piloten zur Bahnsteuerung in der Längsbewegung ermittelt und beschrieben. Diese Informationen werden genutzt, um die Charakteristik und Funktion des nx-Reglers näher zu definieren. Außerdem werden die Auswirkungen dieser zusätzlichen und neuartigen Automatisierungsfunktion auf die Piloten und die sich daraus ergebenden Konsequenzen für die Gestaltung der Mensch-Maschine-Schnittstelle untersucht.

Anschließend erfolgt die technische Entwicklung der neuen nx-Vorgaberegelung, wofür die energiegebenden und –nehmenden Stellgrößen miteinander verkoppelt werden. Damit stehen mehrere Stellgrößen für eine Regelgröße zur Verfügung, wodurch das System überbestimmt ist. Dies ist auch als „Control Allocation“-Problem bekannt und ist für diesen Fall zu lösen. Das Fachgebiet verwendet als Modell eine nichtlineare Simulation der VFW614-ATD, welches zur Reglerauslegung zunächst linearisiert wird. Anschließend wird die Auslegung der Reglerlogik und -parameter am liniearisierten Simulationsmodell durchgeführt, was als Basis für die Reglerentwicklung für das nichtlineare Modell dient.

Eng damit verzahnt wird simultan ein besonders an die nx-Vorgabe angepasstes Konzept der Mensch-Maschine-Schnittstelle im Cockpit erarbeitet. Zur Validierung des Gesamtkonzepts wird das gesamte System einschließlich angepasster Anzeige und adaptiertem Bedienelement in den Flugsimulator SEPHIR integriert. Simulatorversuche mit erfahrenen Linienpiloten dienen zur Überprüfung der drei Hypothesen:

  1. Mit nx-Vorgabe können die Piloten vorgegebene und komplexe Flugbahnen im manuellen Flug tatsächlich präziser abfliegen,
  2. ohne dass die Arbeitsbelastung der Piloten durch die höhere Komplexität steigt und
  3. ohne dass sich die zusätzliche Automationsstufe negativ auf das Situationsbewusstsein der Piloten auswirkt.

Arbeitsprogramm

AP1
Konzeptentwicklung für Flugführungssystem mit nx-Vorgaberegelung (FMRA, AIO)
AP2
Entwurf der nx-Vorgaberegelung (FMRA)
AP3
Auslegung der Mensch-Maschine-Schnittstelle (AIO)
AP4
Integration in Flugsimulator (FMRA, AIO)
AP5
Flugsimulatorversuche mit Piloten (FMRA, AIO)
AP6
Auswertung aller Ergebnisse und Berichterstellung (FMRA, AIO)
Zielstellung (Z) und Arbeitspakete (AP)
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Förderung

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