Haptic Torque-Protection für Hubschrauber

Kurzfassung

Die typischen Funktionen des Hubschraubers als senkrecht start- und landefähiger Rettungs-, Arbeits-, Transport-, oder Kampfhubschrauber beinhalten häufig das Operieren in niedriger Höhe, dazu hindernisnah und in unbekannten Umgebungen. Dessen hohe Systemkomplexität mit zahlreichen Grenzen des Betriebs- und Flugbereichs bedingen gerade in diesen Situationen eine hohe Arbeitsbelastung der Piloten und erhöhen die Gefahr, relevante Informationen zu übersehen. Dies kann in der Folge zu Kollisionen oder Beschädigungen durch unbeabsichtigte Limitüberschreitungen führen. Zur Ergänzung der üblichen visuellen Cockpitanzeigen werden die ersten Hubschrauber- und Flächenflugzeugmuster mit aktiven Steuerorganen ausgerüstet, um damit so genannte Tactile Cues erzeugen. Das sind Kraftrückmeldungen, eng. force feedback, die, als zusätzliche Modalität der MenschMaschine-Schnittstelle, Informationen fühlbar machen sollen. Da die Tactile Cues direkt auf das Pilotensteuer wirken, ermöglichen diese zudem eine Form von haptischer Interaktion: Der Pilot wird nicht nur informiert, sondern durch wohldosierte Gegenkräfte, die an der mit der Betriebs- oder Flugbereichsgrenze korrespondierenden Steuerposition wirksam werden, gleichzeitig an der unbeabsichtigten Überschreitung der Limits gehindert. Eine weitere Kernidee ist es dabei, die maximale Kraft des Tactile Cues dabei so zu bemessen, dass eine bewusste Überschreitung trotzdem möglich ist, um die Pilotenautorität zu wahren. In dieser Arbeit wird die iterative Entwicklung und Untersuchung einer Haptic TorqueProtection für den Forschungshubschrauber ACT/FHS und dessen Bodensimulator beschrieben. Diese stellt das jeweils gültige, maximal erlaubte Leistungslimit bzw. das Drehmoment des Antriebsstrangs, eng. Torque sowie zeitlich beschränkte Betriebsbereiche durch Tactile Cues am aktiven Sidestick zur Kollektivsteuerung dar. Die Untersuchung der Haptic Torque-Protection erfolgte in drei aufeinander aufbauenden, experimentellen Studien, sowohl im Simulator als auch in einem Flugversuch mit dem ACT/FHS mit insgesamt 22 Piloten. Dazu wurden verschiedene Ausprägungen von Tactile Cues entworfen und während unterschiedlicher High-Performance Takeoff Manöver mit einem Referenzfall ohne Tactile Cueing verglichen. Es zeigte sich, dass die Funktion die Arbeitsbelastung der Piloten beim Operieren am Limit stark reduzieren und die Präzision in Bezug auf die Limiteinhaltung und den Nutzungsgrad der zur Verfügung stehenden Leistung erhöhen kann. Eine Untersuchung der Blickbewegung zeigte mit der Funktion eine deutliche Verschiebung der visuellen Aufmerksamkeit weg von den Cockpitanzeigen hin auf die Außenwelt. Die gemessenen aufgewandten Kräfte lagen unterhalb von 30 N, d.h. weit unterhalb der Maximalkräfte gängiger aktiver Steuerorgane. Alle Piloten attestierten der gezeigten Haptic Torque-Protection eine hohe Systemakzeptanz, d.h. eine hohe Nützlichkeit und Zufriedenheit. Darüber hinaus wurden die untersuchten Tactile Cueing Ausprägungen bewertet und Anforderungen an die Weiterentwicklung abgeleitet.