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Automation Concept for Cockpit Crew Integration into Trajectory-Based Dispatch Towing

Bernatzky, Torben (2019):
Automation Concept for Cockpit Crew Integration into Trajectory-Based Dispatch Towing.
Darmstadt, Technische Universität, [Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8751],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

International hub airports are commonly the bottleneck of commercial airline flight operations. Social and political constraints often inhibit construction expansions of the surface infrastructure. Consequent airport congestion leads to increased taxi times, causing delays as well as additional fuel consumption and emissions. Surface trajectory-based operations (STBO), which are addressed by current research activities, reduce taxi times by introducing time or speed constraints along the taxi route. However, present-day aircraft are not equipped with technologies enabling the precise execution of predefined continuous speed profiles. This thesis proposes a retro-fit concept named trajectory-based dispatch towing (TBDT), which allows present-day aircraft to execute STBO without extensive modifications. The concept suggests a further automated version of the novel towing vehicle TaxiBot as the enabling technology. Combined with an innovative cockpit application running on an electronic flight bag (EFB), the envisaged tractor shall support pilots of conventional aircraft to maneuver according to dynamic trajectories. Following an analysis of conventional taxi operations, scenarios for the successive introduction of TBDT are developed. The consecutive steps focus on the integration of pilots into the designed taxi procedures. The aim of this research is to demonstrate the general feasibility of TBDT and to evaluate different automation modes from the perspective of the cockpit crew. The iterative approach includes expert interviews and preliminary simulator trials. Qualitative feedback and quantitative measurements support the development of a prototypical human-machine interface (HMI) intended to run on an EFB. This graphical interface is supplemented by soft- and hardware implementations as well as an automatic control concept realized in the flight research simulator, D-AERO, at the Institute of Flight Systems and Automatic Control (FSR) of Technische Universität Darmstadt. Based on this setup, 24 commercial airline pilots participated in the main simulator campaign. By means of a repeated measures design, every pilot completed one conventional taxi run and four TBDT operations. The TBDT runs differ with regard to automated or manual steering, braking, and their corresponding combinations. The trials investigate the interference of the automation modes and the aspects of performance, traffic awareness, user satisfaction, and acceptance of the pilots. The results of objective and subjective measurements indicate that all considered automation modes are generally suitable for executing TBDT. Furthermore, possible automation of the steering control has no significant effect on the measurements. On the contrary, the automation of brake input during TBDT results in enhanced performance and traffic awareness. The analysis of questionnaires shows a correlation between the expected safety benefit and the willingness of the pilots to hand over the speed control to an automated instance. The evaluation results allow for both the detection of the feasibility of the concept as well as for the formulation of advice regarding the aspired amount of automation. The thesis is complemented by recommendations regarding future development and research activities.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2019
Creators: Bernatzky, Torben
Title: Automation Concept for Cockpit Crew Integration into Trajectory-Based Dispatch Towing
Language: English
Abstract:

International hub airports are commonly the bottleneck of commercial airline flight operations. Social and political constraints often inhibit construction expansions of the surface infrastructure. Consequent airport congestion leads to increased taxi times, causing delays as well as additional fuel consumption and emissions. Surface trajectory-based operations (STBO), which are addressed by current research activities, reduce taxi times by introducing time or speed constraints along the taxi route. However, present-day aircraft are not equipped with technologies enabling the precise execution of predefined continuous speed profiles. This thesis proposes a retro-fit concept named trajectory-based dispatch towing (TBDT), which allows present-day aircraft to execute STBO without extensive modifications. The concept suggests a further automated version of the novel towing vehicle TaxiBot as the enabling technology. Combined with an innovative cockpit application running on an electronic flight bag (EFB), the envisaged tractor shall support pilots of conventional aircraft to maneuver according to dynamic trajectories. Following an analysis of conventional taxi operations, scenarios for the successive introduction of TBDT are developed. The consecutive steps focus on the integration of pilots into the designed taxi procedures. The aim of this research is to demonstrate the general feasibility of TBDT and to evaluate different automation modes from the perspective of the cockpit crew. The iterative approach includes expert interviews and preliminary simulator trials. Qualitative feedback and quantitative measurements support the development of a prototypical human-machine interface (HMI) intended to run on an EFB. This graphical interface is supplemented by soft- and hardware implementations as well as an automatic control concept realized in the flight research simulator, D-AERO, at the Institute of Flight Systems and Automatic Control (FSR) of Technische Universität Darmstadt. Based on this setup, 24 commercial airline pilots participated in the main simulator campaign. By means of a repeated measures design, every pilot completed one conventional taxi run and four TBDT operations. The TBDT runs differ with regard to automated or manual steering, braking, and their corresponding combinations. The trials investigate the interference of the automation modes and the aspects of performance, traffic awareness, user satisfaction, and acceptance of the pilots. The results of objective and subjective measurements indicate that all considered automation modes are generally suitable for executing TBDT. Furthermore, possible automation of the steering control has no significant effect on the measurements. On the contrary, the automation of brake input during TBDT results in enhanced performance and traffic awareness. The analysis of questionnaires shows a correlation between the expected safety benefit and the willingness of the pilots to hand over the speed control to an automated instance. The evaluation results allow for both the detection of the feasibility of the concept as well as for the formulation of advice regarding the aspired amount of automation. The thesis is complemented by recommendations regarding future development and research activities.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Flight Systems and Automatic Control (FSR)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Flight Systems and Automatic Control (FSR) > Air Traffic Management
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Flight Systems and Automatic Control (FSR) > Pilot Assistance Systems
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Flight Systems and Automatic Control (FSR) > Safe Systems
Date Deposited: 14 Jul 2019 19:55
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8751
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-87515
Referees: Klingauf, Prof. Dr. Uwe and Hecker, Prof. Dr. Peter
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 7 May 2019
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
Die Kapazitätsengstelle Flughafen lässt sich durch bauliche Erweiterungsmaßnahmen häufig nicht dynamisch an das steigende Flugverkehrsaufkommen anpassen. Bezüglich des Rollprozesses zwischen Flugsteig und Start- beziehungsweise Landebahn führt dies zu längeren Rollzeiten, Verspätungen und damit verbunden zu einem erhöhten Treibstoffverbrauch sowie zu zusätzlichen Emissionen. Ein Forschungsansatz, der eine Erhöhung der Vorhersehbarkeit sowie eine Verringerung der Rollzeiten adressiert, betrachtet die Einführung trajektorienbasierter Rollverfahren. Die Routenvorgaben der Vor- und Rollfeldkontrolle sollen dabei um eine zeitliche Komponente ergänzt werden. Die technische Ausrüstung heutiger Verkehrsflugzeugmuster bietet der Cockpitbesatzung jedoch keine Möglichkeit, kontinuierliche vordefinierte Geschwindigkeitsprofile präzise umzusetzen. Die vorliegende Dissertation betrachtet in diesem Kontext einen innovativen Ansatz, der es konventionellen Flugzeugen ermöglicht, vordefinierten Geschwindigkeitsprofilen zu folgen und somit entsprechend definierte Rolltrajektorien umzusetzen. Als Schlüsseltechnologie wird dabei ein automatisierter Schlepper, der eine Weiterentwicklung der aktuell erprobten TaxiBot-Technologie darstellt, vorgeschlagen. Dieser ermöglicht in Kombination mit einem unterstützenden Anzeigesystem, das auf einem Electronic Flight Bag (EFB) realisiert wird, die Integration aktueller Flugzeugmuster in ein trajektorienbasiertes Rollsystem ohne zusätzliche Modifikationen. Aufbauend auf einer Prozessanalyse, die die Anforderungen der vielseitigen Teilhaber des Rollprozesses berücksichtigt, wird eine Szenariobeschreibung zur Einführung trajektorienbasierter operationeller Schleppverfahren entwickelt. Hinsichtlich der weiteren Untersuchung, die den Fokus auf die Integration der Pilotinnen und Piloten legt, werden unterschiedliche Automatisierungsgrade bezüglich der Cockpitprozesse definiert. Ziel der Studie ist der Nachweis der generellen Machbarkeit sowie die Bewertung der Automatisierungsgrade aus Cockpitsicht. Mittels strukturierter Experteninterviews und einer Vorversuchskampagne wird ein prototypisches Anzeigeformat zur Verwendung auf einem EFB entwickelt. In Kombination mit der soft- und hardwareseitigen sowie der regelungstechnischen Implementierung in den Forschungsflugsimulator D-AERO des Instituts für Flugsysteme und Regelungstechnik der Technischen Universität Darmstadt bildet das entwickelte Anzeigesystem die Grundlage für die abschließende Versuchskampagne. Die Hauptuntersuchung umfasst eine Simulatorkampagne mit 24 Verkehrspiloten der kommerziellen Luftfahrt. Neben der Simulation des konventionellen Rollvorgangs werden jeweils vier Umsetzungen des trajektorienbasierten Konzepts, die sich in der Automatisierung der Lenk- und Bremseingaben unterscheiden, betrachtet. Objektive und subjektive Messverfahren dienen der Beantwortung der Fragestellung, wie sich die Variation der Automatisierungsgrade auf die Performanz, das Verkehrsbewusstsein, die Gebrauchstauglichkeit sowie die Akzeptanz der Pilotinnen und Piloten auswirkt. Die Ergebnisse der Simulatorstudie zeigen, dass sich unter den gegebenen Randbedingungen alle betrachteten Umsetzungen zur Realisierung trajektorienbasierter Rollprozesse eignen. Zudem zeichnet sich kein Indiz ab, dass die Automatisierung der Lenkung Vorteile bezüglich der zuvor genannten Messgrößen bietet. Bezogen auf die Bremseingaben lässt sich feststellen, dass automatisierte im Vergleich zu manuellen Bremsungen Vorteile hinsichtlich Performanz und Verkehrsbewusstsein bieten. Des Weiteren zeigt sich, dass die Bereitschaft der Piloten, die Geschwindigkeitsregelung vollständig an die Automatisierung zu übergeben, mit dem erwarteten Sicherheitsgewinn korreliert. Neben der Feststellung der cockpitseitigen Machbarkeit trajektorienbasierter operationeller Schleppverfahren ermöglichen die Untersuchungsergebnisse die Formulierung von Handlungsempfehlungen hinsichtlich des Umfangs der Automatisierung. Abschließend werden weiterführende Modifikationen des Anzeige- und Schleppkonzepts sowie zukünftige Forschungsansätze vorgeschlagen.German
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