Dynamische Interaktion von Mensch und Flugzeug - S. Levedag, Institut für Flugsystemtechnik, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. 10 ...
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Dynamische Interaktion von Mensch und Flugzeug
S. Levedag,
Institut für Flugsystemtechnik,
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
10. Mai 2011, DGLR-Workshop Manching
Folie 1
Dyn. Inrteraktion Folie 2
Dyn. Inrteraktion Folie 3
Dynamische Interaktion Pilot-Flugzeug
! Das moderne, elastische und elektronisch geregelte Flugzeug hat eine
äußerst komplexe Dynamik
§ 6-Freiheitsgrade des starren Flugzeugs plus elastische Grade
§ Komplexe Systemtechnik inklusive Bedienelemente
! Atmosphäre
§ Erhebliche Einflüsse auf das Verhalten des Flugzeugs
! Luftraumstruktur und –management
§ Dynamische Randbedingungen der Führung von Flugzeugen
! Der Mensch ist ein flexibler, lernfähiger Regler mit einer großen
Bandbreite an individuellem Verhalten
! Die Kombination ergibt interessante Phänome
§ Flugeigenschaften
§ Pilot induced oszillations (PIO)
§ Oder, genereller: Aircraft-Pilot-Coupling
Dyn. Inrteraktion Folie 4
6-Freiheitsgradebewegung (Starrkörperbetrachtung)
Translatorische DGLn
Rotatorische DGLn:
! $ - ! A F $ ! q ( r ( (I ' I ) ' p ( q ( I $
p! + # L (q, Ma, p, ! ) + L & # z y xz
& )
# & '1 + +
# q! & =T f . # M A (q, Ma, q, ", # ) + M F & ' # r ( p ( (I x ' I z ) + ( p 2 ' r 2 )( I xz & *
# & + # & # & +
" r! %f +/
A
#" N (q, Ma, r, ! ) + N
F
&% # p ( q ( (I y ' I x ) + q ( r ( I xz & ,
" %
Euler-Winkel-DGLn: Plus:
- Elastisches Flugzeug
- Ggf. aktive Steuerelemente
- Wahrnehmung, Displays
- Systeme (Sensoren, Rechner, Akt.)
Dyn. Inrteraktion Folie 5
6-Fhg.-Starrkörperbewegung als Blockschaltbild
Brockhaus, 2001
Eigenschwingungsformen:
-Anstellwinkelschwingung
-Phygoide
-Roll-Gier-Schwingung
-Aperiodische Rollbewegung
- Seitenrutsch / Spiralsturz
Dyn. Inrteraktion Folie 6
Anforderungen an Flugeigenschaften
Flugzeug-Klassen Flugphasen Levels of FQ
Cat A: Level 1:
Class 1: FQ clearly adequate
Non terminal flight phases
Small, light A/C for mission flight
that require rapid man.,
precision tracking or phase. „Satisfactory“
precise flight path control, w/o improvements
i.e. A/A combat, LLF
Class 2: Level 2:
Medium weight A/C FQ adequate to
Cat B: accomplish mission,
Non-terminal flight phases but some increased
with gradual manoeuvers workload or degraded
Class 3: and no precision tracking mission effectiveness
Large, heavy A/C etc „Acceptable“
Level 3:
Class 4: Safe control, but
Cat C:
Hight exessive w/l or/and
Terminal flight phases,
manoeuverability A/C mission effectiveness
gradual manoeuvers and
accurate flight path control inadequate ...
„Controllable“
Dyn. Inrteraktion Folie 7
Beurteilung der Flugeigenschaften –
das Cooper-Harper-Rating
! Universelles
Werkzeug
! Weit verbreitet,
standardisiert
! Unschärfe durch
subjektiven Anteil
! Setzt Flugversuch
voraus, mit Ein-
schränkungen in
der Simulation
verwendbar
! Auch in Zukunft
unverzichtbar
Dyn. Inrteraktion Folie 8
Flugeigenschaften I – Anforderungen an dynamische
Eigenschaften des Flugzeugs - CAP
Im MIL-HDBK-1797 sind ca. 150 Anforderungen an FQ aufgeführt.
Beispiel Längsbewegung: Control Anticipation Parameter - CAP
Der CAP ist definiert als das Verhältnis von anfänglicher Nick-
Drehbeschleunigung (erfasst über das Innenohr) zu quasistationärem
Lastvielfachen nach Einleiten eines Manövers durch den Piloten.
Aus den entsprechenden Übertragungsfunktionen der Näherung der
Anstellwinkelschwingung lässt sich folgende Beziehung herleiten
Dyn. Inrteraktion Folie 9
Flugeigenschaften I – Anforderungen an dynamische
Eigenschaften des Flugzeugs - CAP
CAP (control anticipation parameter) - physikalische Bedeutung:
Zu klein
- anfängliche Flugzeugreaktion zu träge
- Pilot neigt zum Übersteuern (= zu große Steuereingaben)
Zu groß
- anfängliche Flugzeugreaktion zu stark
- Pilot neigt zum Untersteuern (= zu kleine Steuereingaben)
In beiden Fällen sind Korrekturen erforderlich, die zu einer größeren
Arbeitsbelastung für den Piloten führen
Dyn. Inrteraktion Folie 10Flugeigenschaften I – Anforderungen an dynamische
Eigenschaften des Flugzeugs - CAP
2 Frequenz Anstellwinkelschwingung
10
Beispiel für
KLASSE II Flzg,
Level 3
CAT B Flugphase 1
10
(Streckenflug)
[rad/s]
evel 2
L
0as
ω
0
10 Level 1
evel 2
L
-1
Level>3
10 0 1 2
10 10 10
n /α [g/rad]
z
Dyn. Inrteraktion Folie 11Flugeigenschaften I – Anforderungen an dynamische
Eigenschaften des Flugzeugs – Roll-Gier-Schwingung
Eigenfrequenz und
Dämpfungsgrad der Roll-
Gier-Schwingung
(dutch roll).
Dämpfungsgrad größer
0,2 reicht für Level 1,
wenn die Eigenfrequenz
einen Grenzwert nicht
unterschreitet.
Dyn. Inrteraktion Folie 12Flugeigenschaften I – Anforderungen an dynamische
Eigenschaften des Flugzeugs – Effektive
Rollzeitkonstanten
roll rate step response
1.2
Die effektive Rollzeitkonstante wird
aus der Sprungantwort der 1
Rollgeschwindigkeit nach einem 0.8
63 % pss
Quersteuereingang berechnet. 0.6
Dabei wird eine äquivalente Totzeit
p/pss
0.4
ermittelt, die die
Zeitverzögerungen des 0.2
Gesamtsystems repräsentiert. 0
-0.2
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
time [s]
Dyn. Inrteraktion Folie 13Flugeigenschaften I – Effektive Rollzeitkonstanten
Dyn. Inrteraktion Folie 14Dyn. Inrteraktion Folie 15
Flugeigenschaften II – der Mensch als Regler
Display/ Flugzeug mit
Pilot
Umwelt Systemen
„Cross-Over-Modell“ von McRuer und Krendel
• je nach Art der Aufgabe unterschiedliche ÜF:
-PTt / PDTt / PDT1-Tt
• Haben Schwächen, wenn Nichtlinearitäten auftreten
Dyn. Inrteraktion Folie 16Duane McRuer‘s Cross Over-Modell des Piloten
Approximation um den
Cross-Over-Punkt:
-Einfache Folgeaufgabe,
Open-Loop-
Übertragungsfunktion
von Pilot und Strecke!
Dyn. Inrteraktion Folie 17Erweitertes Neuromuskuläres Modell (Johnston / Aponso 1988*)
Rollbewegung
* Johnston, Donald / Aponso, Bimal 1988: Design Considerations of Manipulator and Feel System Characteristics in
Roll Tracking, NASA Contractor Report 4111, Hawthorne, California, USA, 1988
Dyn. Inrteraktion Folie 18Kriterien für Flugsysteme höherer Ordnung -
hochgradig reglergestützte Flugzeuge
! Hohen Anforderungen an Leistung, Manövrierbarkeit oder
verminderter Signatur militärischer Hochleistungsflugzeuge
der „vierten Generation“, führen zu instabil ausgelegten
Basisflugzeugen mit künstlicher Stabilität (F-22, JAS-39, Rafale
und EF2000 Typhoon)
Dyn. Inrteraktion Folie 19Flugeigenschaften III – das geregelte Flugzeug
Display/ Flugzeug mit
Pilot
Umwelt Systemen
Der Pilot ändert seine Rolle:
- Vom Regelungselement zum
- Führer und System-Manager, d.h. Verschiebung
seiner Aufgaben hin zu höherwertigen Aufgaben
- Aber: klassische Aufgaben in Teilen noch vorhanden
bzw. unbewusst präsent
Dyn. Inrteraktion Folie 20F22-Flugerprobung: klassische Nick-PIO eines FbW-
Flugzeugs
Dyn. Inrteraktion Folie 21Kriterien für Flugsysteme höherer Ordnung –
Äquivalente Systeme
Äquivalente Systeme
Bei Einführung der superaugmented aircraft lag eine sehr große
Datenbasis für konventionell gesteuerte oder leicht reglerunterstützte
Flugzeuge vor.
Daraus resultierte der Versuch, das Flugsystem in der Längsbewegung auf
ein System 2. Ordnung mit einer äquivalenten Totzeit zu reduzieren, um
dann alle bekannten Kriterien der Anstellwinkelschwingung anzuwenden.
à LOES (low order equivalent system).
! Dann Vorgaben von Phasen- und Amplituden-Enveloppen sowie
maximalen äquivalenten Totzeiten (z.B. Level 1: τ < 100 ms)
Dyn. Inrteraktion Folie 22Kriterien für Flugsysteme höherer Ordnung –
Frequenzgangkriterien
! Auswertung des Frequenzgangs des Gesamtsystems (z.B. aus
Messdaten), keine Beschränkung der Systemordnung
! Auch für konventionelle Flugzeuge anwendbar
! Für Nick- und Rollachse anwendbar, sowie für 6-Freiheitsgrade, wenn
geeignete Schnittstellen gefunden werden können
! Zu diesen Verfahren gehören u.a.:
§ Phasengradientenkriterium
§ Neal-Smith Kriterium
§ Phasen- und Amplitudenreserve des Regelkreises
Dyn. Inrteraktion Folie 23Frequenzgangbetrachtung im Nichols-Diagramm
Nicholsdiagramm 0 dB
20
Die Durchtrittsfrequenz ergibt 1 dB
sich aus Flugzeug- 15
|F| [dB]
und Pilotenverhalten. 3 dB
10
6 dB
Die Vergrößerung der 5
Pilotenverstärkung vergrößert i. 0
Allg. die Durchtrittsfrequenz bei
gegebener Flugzeugdynamik. -5
-10
à high gain pilot
-15
à low gain pilot
-20
-180 -135 -90
Φ [grd]
Dyn. Inrteraktion Folie 24Kriterien für Flugsysteme höherer Ordnung –
Frequenzgangkriterien - Phasengradient
Phasengradienten-
kriterium:
Gute Korrelation zwischen
Phasengradient und
APC-Anfälligkeit
Dyn. Inrteraktion Folie 25Das Bandbreiten-Phasenabfall-Kriterium, Beispiel BO
105
Die Grenzen basieren auf Versuchen in Simulatoren und im Flug.
Simulatoren: VMS, DERA
Flugversuch: AH-64, CH-47D, UH-60, Bell 205, BO105, CH-53G
All Other MTEs - VMC and All Other MTEs - IMC and/or
Air Combat Mission Fully Attended Operations Divided Attention Operations
400
LEVEL 3 LEVEL 2 LEVEL 1 LEVEL 3
Phase Delay (ms)
300
LEVEL 3
200
LEVEL 2 LEVEL 2 LEVEL 1
100
BO105 BO105 BO105
LEVEL 1
0
0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6
Bandwidth (rad/s) Bandwidth (rad/s) Bandwidth (rad/s)
Dyn. Inrteraktion Folie 26Kriterien für Flugsysteme höherer Ordnung –
Frequenzgangkriterien –
Nichtlinearität durch
Stellratenbegrenzung
System A: stabiles Flz., große Nicholsdiagramm offener Kreis yR/uF
Amplitudenreserve
System B: instabiles Flz., kleine
Amplitudenreserve
System C: instabiles Flz., große
Amplitudenreserve
Wenn der OLOP (Aktivierungspunkt
der Stellratenbegrenzung) deutlich
oberhalb von 0 dB liegt
à Phasensprung
Dyn. Inrteraktion Folie 27Dyn. Inrteraktion Folie 28
Flugeigenschaften IV – das vollständig geregelte
(hypermanövrierfähige) Flugzeug
Display/ Flugzeug mit
Pilot
Umwelt Systemen
! Die mentalen Abbilder des realen, sehr komplexen Systems, im Kopf
des Piloten, steuern die Reaktionen und Handlungsweisen
! Schon kleine Änderungen des Systems (Begrenzungen, Ausfälle
usw.) können das Systemverhalten des geschlossenen Systems stark
verändern
! Pilotentraining wird zu einem kritischen Erfolgsfaktor für die Systeme
der Zukunft werden
Dyn. Inrteraktion Folie 29Dyn. Inrteraktion Folie 30
Was nicht mehr erwähnt werden kann:
Die Methode des Boundary Avoidance
"Usable Cue Environment Tracking
(UCE)"
Quelle: Gray, 1988
Und: Ratcheting:
Einkopplung von induzierten
Quelle: Padfield, G.D, 1998
Körperbewegungen des Piloten
Dyn. Inrteraktion Folie 31Forschungseinrichtungen
für Flugeigenschaften
Dyn. Inrteraktion Folie 32ATTAS (Advanced Technologies Testing Aircraft System)
Fly by Wire Steuergrößen
Dyn. Inrteraktion Folie 33ATTAS-Nachfolger ?
Wir arbeiten dran ...
Dyn. Inrteraktion Folie 34Simulatorzentrum
! Finanzierung
durch Mittel der
HGF, des
Bundes, des
Landes
Niedersachsen
sowie der TU BS
! Einsatzreife
Ende 2012
! Bewegungs- und
Festsitzsimulator
für die
Flugforschung
Dyn. Inrteraktion Folie 35Vielen Dank!
Dyn. Inrteraktion Folie 36Sie können auch lesen
