Trainingseffektivität und Simulationsgüte · Folie 3 Dr. Duda > 2010-02-23 DGLR T6.2.ppt Simulatorzentrum Braunschweig Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Braunschweig

Trainingseffektivität und Simulationsgüte -können wir sie objektiv messen?

Holger Duda, Dominik Niedermeier - Institut für Flugsystemtechnik

Workshop der DGLR Fachausschüsse T6.2 Avionik und Sensorik & T6.3

Informationsverarbeitung und Automation: Virtuelle Ausbildungssysteme in der

Luftfahrt

am 23. & 24. Februar 2010 in Bremen

Folie 2Dr. Duda > 2010-02-23 DGLR T6.2.ppt

Simulatorzentrum Braunschweig

Simulationsgüte

Trainingseffektivität

Übersicht



Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Braunschweig kann mit dem Bau eines neuen Simulatorzentrums für die Luftfahrtforschung beginnen: Die Helmholtz-Gemeinschaft hat eine Finanzierung in Höhe von 8,9 Millionen Euro bewilligt. Eine weitere Million kommt im Rahmen des Projekts Campus Forschungsflughafen über die Technische Universität Braunschweig vom Land Niedersachsen …

Pressemitteilung vom Juni 2009





Übergeordnete Ziele

Das neue Simulatorzentrum des DLR Braunschweig soll

die Anforderungen der Flugversuchsvorbereitung für die fliegenden Versuchsträger des DLR erfüllen,

Flugsimulationstechnik für Flugzeuge und Hubschrauber auf höchstem Niveau mit moderner Technologie bereitstellen,

einen hohen Bekanntheitsgrad in Europa und darüber hinaus haben,

eine hohe Akzeptanz und Auslastung durch interne und externe Nutzer haben.



Auslöser

1. Beschaffung des A320-ATRA in 2006 erforderte einen neuen Flugsimulator zur Vorbereitung der Flugversuche.

2. Bestehender Flugsimulator für den FHS brauchte eine „Runderneuerung“.

Neues Simulatorzentrum

FHS – Flying Helicopter SimulatorATRA –Advanced Technologies Reserach Aircraft


Systemsimulatoren beim DLRHeute: Nachbildung der Flugsystemeigenschaften am Boden primär für Hard- und Softwaretest sowie Missionstraining


Übergeordnete Anforderungen

Die neuen Simulatoren für Hubschrauber und Flugzeuge müssen gleichzeitig betrieben werden können.Die Simulationsgüte muß für die geplanten Forschungsaufgaben vergleichbar zu heutigen Full Flight Simulatoren sein. Dies erfordert:

Sicht-, Steuerkraft und Bewegungssimulation entsprechend dem Stand der Technik, sehr umfassend ausgestattete Cockpits, hochwertige Simulationsmodelle sowie ein effektives Qualitätssicherungssystem.

Die Simulationsanlage muß maximale Flexibilität hinsichtlich Integration von Hard- und Software sowie von Simulationsmodellen aufweisen.Das DLR-Personal muß dauerhaft über Systemkenntnisse in allen Aspekten der Anlage verfügen.


Konzeption

Festsitz- und Bewegungssimulator mit elektromechanischem Hexapod-Bewegungssystem.Betrieb der Cockpits EC135 und A320 wahlweise im Bewegungs- oder Festsitzsimulator; einfacher Cockpitwechsel.Sichtsysteme mit Direktprojektion für Bewegungs- und Festsitzsimulator; sphärische Domes mit großem Sichtbereich.Einsatz weitgehend erprobter Komponenten zur Maximierung der Robustheit, Minimierung von Risiko und Kosten; weitgehend wartungsfreie Auslegung.Simulationsrechner und Software weitgehend basierend auf Standard-Komponenten.Eigenentwicklung der Simulationsmodelle; keine Original-Flugsteuerungs-komponenten der A320.


CockpitsA320 (mit EIS2) und EC135: sehr gute Übereinstimmung hinsichtlich der Abmaße, Außensicht, Bedienelemente, Schalter, Ergonomie.Soundsystem.Seat Shaker für EC135.Kommunikationssysteme.Aktive Steuerkraftsysteme (auch für A320).

Weitere CockpitsBusinessjet der Zukunft (TU)Generischer Hubschrauber (?)


SichtsimulationDome mit sechs bis sieben Metern Durchmesser. Direktprojektion.Sichtbereich etwa 240° horizontal und 90° vertikal.Auflösung

vertikal > 2.500 Pixel,horizontal > 10.000 Pixel.

Projektionstechnologie: DLP oder LCoS; Auflösung mindestens 1920x1200 Pixel.Autokalibrierung aller Kanäle (Blending/Verzerrung/Augenpunkt).

Beispiel 9 Kanal:Je 1920x1200 Pixel

DLP = Digital Light Processing, LCoS = Liquid Cristal on Silicon


SichtsimulationHauseigene Software, RealTime Image Generator

Visuelle Effekte: BrownOut, Wirbelschleppen, Rotorabwind, Vegetationsmodul.

Datenbasis: Ganz Deutschland in 1 m Auflösung. Hochaufgelöste Bereiche in Frankfurt/Main, Hannover, Braunschweig.

Displaygenerierung mit 2Indicate.

www.sea-gmbh.com/produkte/labview-add-on-toolkits/2indicate/


BewegungssimulationWer braucht Bewegungssimulation?

Ja, siehe Antworten zu 1. und 2.

Jeder, der es richtig gut machen will.

Brauchen wir sie für das Training?

Das kommt auf den Piloten an und auf das, was man trainieren möchte.

Brauchen wir sie für eine gute Forschungssimulation?


BewegungssimulationElektromechanisches Hexapodsystem, Nutzlast > 10 t.Hohe Bandbreite Steifigkeit des Domes.Zugang zur Ansteuerungssoftware.

Quelle: Bosch Rexroth ca. 100°/s²ca. 20°/sca. 60°Drehbewegungen

ca. 6 m/s²ca. 0,7 m/sca. 2,5 mTranslatorischeBewegungen

Beschleun.Geschwind.Auslenk.

ca. 8

-9 m


SimulationsmodelleGroße Erfahrung des Instituts im Bereich der Systemidentifizierung wird eingesetzt zur Bereitstellung hochwertiger Modelle für die Forschung.

Sehr gute Modelle für äußere Störungen, Wind, Wirbelschleppen.Identische Modelle für die Echtzeit- und Offline-Simulation.Repräsentative Flugsteuerungsfunktionen der A320.Versionskontrolle,Dokumentationssystem.


Umsetzung

Beauftragung externer Partner im Bereich der Simulationstechnik fürCockpits,Steuerkraftsysteme,Projektionssysteme,Bewegungssystem sowie Simulationsrechner, Hard- und Softwarekomponenten.

Eigenentwicklung der gesamten Simulatorsoftware.

Zusammenarbeit zwischen DLR und TU Braunschweig im Rahmen der Initiative Campus Forschungsflughafen.


Meilensteine

Eröffnungsveranstaltung.Okt. 2012

Simulatorsoftware, Simulationsmodelle sowie Testverfahren fertig.

Juni 2012Sichtsysteme in Festsitz- und Bewegungsdomes integriert.April 2012

Bewegungssystem mit Wechselsystem und Festsitzdome geliefert und getestet.

Dez. 2011EC135 Cockpit geliefert.Juli 2011A320 Cockpit geliefert.Mai 2011Simulatorgebäude fertig, Mitarbeiter umgezogen.April 2011

Beauftragung des Gesamtpakets „Bewegungssystem, Cockpits und Sichtsysteme“.

Juli 2010Baubeginn Simulatorgebäude, Grundsteinlegung.Mai 2010

Ausschreibung des Gesamtpakets „Bewegungssystem, Cockpits und Sichtsysteme“ gestartet.

März 2010


Forschungsaufgaben in der Flugsimulation„Human Factors“ - bis heute die Unfallursache Nummer 1!

Quelle: Boeing


FlugzeugeFliegbarkeit neuer Flugzeugkonfigurationen, z.B. Nurflügelverkehrsflugzeuge.

Rolle der Cockpitbesatzung bei weitergehender bzw. neuer Automatisierung im Cockpit.Trainingseffektivität und –transfer.

Upset Recovery: Flugzeugreaktion bei Einflug in Wirbelschleppen, insbesondere Flugsteuerungs-und Anzeigesysteme.

Untersuchung spezieller Missionen militärischer Transportflugzeuge, z.B. Lastabsetzen.

Forschungsaufgaben in der Flugsimulation

Quelle: Airbus


Forschungsaufgaben in der FlugsimulationHubschrauberDynamische Pilot-Hubschrauber-Interaktion: Aktive Steuergriffe für haptische Rückmeldungen und Schutzfunktionen.

Flugsteuerungssysteme zur Verbesserung der Flugstabilität beim Transport von hängenden Außenlasten.

Allwetterfähigkeit für Hubschrauber: Operation in Bodennähe bei reduzierter Außensicht, z.B. Staublandungen (Brown-Out).

Langfristig: Fliegbarkeit neuer Konfigurationen.


SimulatorforschungDas neue Trainingskonzept der Multi-Crew Pilot License (MPL) setzt verstärkt auf eine Ausbildung im Flugsimulator.

Trainingseffektivität und –transfer: u. A. die Frage „Wie wichtig ist das Bewegungssystem?“

Wie gut muss ein Simulator sein, um bestimmte Trainingsinhalte abdecken zu können?

Objektivierbarkeit der Simulationsgüte.

Forschungsaufgaben in der Flugsimulation


Simulationsgüte

Die Simulationsgüte beschreibt ein Maß für die Nachbildung des Realitätseindrucks für die Piloten im Flugsimulator. Hierbei sind insbesondere die Qualität

des dynamischen Verhaltens des Luftfahrzeugs, der Außensichten, der Bewegungen, der Geräusche, der Ergonomie, der Steuerkräfte und der Umgebung

von Bedeutung.


Objektivierung der Simulationsgüte

Ein Blick über den Tellerrand zur FlugeigenschaftsbewertungCooper-Harper Rating



Flugeigenschaftsbewertung – Numerische Bewertungskriterien, entsprechend MIL-HDBK-1797


Transport Delay / Latency Tests (ICAO 9625)


ICAO 9625t < 200 ms (Type I bis VI)t < 100 ms (Type VII)


Objektivierung der SimulationsgüteMessung Transport Delay t :

GesamtsystemFlugdynamik

Konstante10% 10%

tu ty

Eingangssignalz.B. Steuergriff

Ausgangssignalz.B. Aktuatorweguy ttt


Objektivierung der SimulationsgüteTransport Delay: Beispielsystem mit 1 Hz Eckfrequenz und Dämpfungsgrad > 1:

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 40

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Zeit [s]

Ampl

itude

[-]

SprungeingangSystemantwort

0.95 1 1.05 1.1 1.150

0.05

0.1

0.15

0.2

tu ty

Δt = 110 ms


Objektivierung der SimulationsgüteTransport Delay: Beispielsystem mit 1 Hz Eckfrequenz und Dämpfungsgrad > 1:

Der Zeitverzögerungstest liefert eine Zeitverzögerung von 110 msec, so dass die FAA-Forderungen erfüllt werden.

Aber: Dieses Systemverhalten liefert einen Phasenwinkel von -90 grdbei 1 Hz Anregungsfrequenz!

Dies wäre nicht akzeptabel!

Es müssen zusätzlich Frequenzgangkriterien berücksichtigt werden, z.B. der Phasenwinkel für Frequenzen zwischen 0,1 und 1 Hz muss oberhalb -20 grad liegen (JAR-FSTD H NPA 2008-22e).


Objektivierung der SimulationsgüteOMCT = Objective Motion Cueing Test (ICAO 9625, Attachment F)

0,01 Hz

2,5 Hz

2,5 Hz

0,01 Hz

Vergleich zweier Bewegungssysteme im OMCT-Diagramm



Transfer Efficiency Ratio (TER)

e

ecX

TTTER

e

e

c

XTT Trainingszeit zum Erreichen „einer Fähigkeit“ ohne Simulatortraining

Trainingszeit zum Erreichen „einer Fähigkeit“ mit Simulatortraining

Verbrachte Trainingszeit im Flugsimulator

Roscoe, S.N.: Aviation Psychology, Iowa State University Press, Ames (IA), 1980

Die Trainingseffektivität beschreibt ein Maß für den Lerneffekt, den ein Pilot im Simulator erfährt, und dessen Übertragbarkeit auf das reale Luftfahrzeug.



Projektidee: SOFT - Simulator Oriented Flight Training

Durchführung von drei Einzelstudien zur Trainingseffektivität und Simulationsgüte auf Basis einer Musterflugaufgabe.

Ziele: Entwicklung von Methoden zur1. objektiven Messung des Trainingsstands,2. objektiven Messungen der Simulationsgüte,3. Korrelation zwischen Trainingseffektivität und Simulationsgüte.

PartnerDLR Institute für Flugsystemtechnik und Luft- und Raumfahrtmedizin



1. Objektive Messung des Trainingsstands

Ziel: Entwicklung objektiver Messmethoden zur Bestimmung der Trainingsstandes der Cockpitbesatzung.

Forschungsfragen:Woran erkennt ein erfahrener Ausbildungskapitän den Trainingsstand des Flugschülers?Welche Flugaufgaben sind besonders gut zur Messung des Trainingsstands geeignet? Kann man den Trainingsstand anhand flugmechanischer Daten messen? Was sagen physiologische Messungen über die mentale Auslastung und damit über den Trainingsstand aus?



2. Objektive Messungen der Simulationsgüte

Ziel: Anwendung vorhandener Messmethoden zur Bewertung der Simulationsgüte; Entwicklung neuer Kriterien.

Forschungsfragen:Kann man ein standardisiertes Bewertungswerkzeug (siehe Cooper-Harper Rating) für die Simulationsgüte entwickeln?Was ist die Basis der heutigen Bewertungskriterien?Wie wichtig ist die Bewegungssimulation für einzelne Aufgaben?Muss die Sichtsimulation hinsichtlich Realitätsgrad weiter verbessert werden?



3. Korrelation zwischen Trainingseffektivität und Simulationsgüte

Ziel: Verbesserung des Wissens hinsichtlich Simulationsgüte und deren Einfluß auf die Trainingseffektivität für einzelne Flugaufgaben durch Variation der Qualität der neuen DLR-Simulatoren.

Forschungsfragen:Welche Zusammenhänge zwischen der Trainingseffektivität und Simulationsgüte einzelner Disziplinen (Sicht, Bewegung, …) für definierte Flugaufgaben sind erkennbar?Wie ist die Aussagekraft der heutigen Bewertungskriterien für die Simulationsgüte hinsichtlich Erlernung bestimmter Aufgaben?Lässt sich die Klassifizierung der Simulationsgüte und die Zuordnung von Ausbildungsabschnitten durch ICAO 9625 verifizieren?


Zusammenfassung

Am Forschungsflughafen Braunschweig wird das neue Simulatorzentrum des DLR aufgebaut und soll Ende 2012 in Betrieb gehen.

Es wird Flugsimulationstechnik für Verkehrsflugzeuge und Hubschrauber auf höchstem Niveau bereitstellen.

Alleinstellungsmerkmale sind die Modularität und Flexibilität der Anlage.

Die Erforschung des Zusammenhangs zwischen Trainingseffektivität und Simulationsgüte wird ein wesentliches Forschungsfeld der Zukunft sein.

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