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Konzeption und Untersuchung einer Panoramaanzeige zur Steigerung des Raumbewusstseins von Piloten

Möller, Christoph :
Konzeption und Untersuchung einer Panoramaanzeige zur Steigerung des Raumbewusstseins von Piloten.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Konzeption und Untersuchung einer Panoramaanzeige zur Steigerung des Raumbewusstseins von Piloten
Language: German
Abstract:

Die Mensch-Maschine-Schnittstelle eines modernen Flugzeuges stellt eine hochkomplexe Arbeitsumgebung dar. Das Aufgabenspektrum und die daraus resultierenden Anforderungen an das Cockpitpersonal sind umfassend und vielseitig. Hinsichtlich der Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems „Mensch-Maschine“ stellt der Mensch zunehmend das limitierende Element dar. Eine große Herausforderung aktueller Flugzeugentwicklungen besteht deshalb darin, die Mensch-Maschine-Schnittstelle unter der Prämisse einer maximierten Pilotenleistung zu optimieren. Das Ziel dieser Arbeit ist es, durch die Entwicklung eines neuartigen Formates zur Darstellung räumlicher Informationen das Situationsbewusstsein des Piloten bei der Interaktion mit Cockpitdisplays zu steigern. Basierend auf einer großflächigen Displaytechnologie wird ein Visualisierungskonzept entwickelt, das die Vorteile verschiedener konventioneller Darstellungsformen vereint. Im Konkreten sollen die Vorzüge egozentrischer perspektivischer Ansichten auf globaler Ebene umgesetzt werden, indem das horizontale Blickfeld auf 360° zu einer Panoramaansicht erweitert wird. Eine zusätzliche Darstellung zur Generierung von globalem Situationsbewusstsein wird dadurch obsolet. Auf Grundlage einer domänenspezifischen Aufgabenanalyse werden repräsentative Cockpittätigkeiten identifiziert. Nach einer ausführlichen Analyse der Eigenschaften der Panoramaansicht werden zwei Aufgaben für eine bewertende Untersuchung ausgewählt. Im Rahmen von zwei vergleichenden Untersuchungen wird die Leistungsfähigkeit von Probanden unter Verwendung des neuartigen Formats mit der Leistungsfähigkeit unter Verwendung zweier konventioneller Darstellungen verglichen. Als konventionelle Darstellungen werden ein zweidimensionales und ein exozentrisches Format ausgewählt. Für die Datenerfassung wird auf Probanden mit fliegerischer Erfahrung zurückgegriffen. Neben aktiven Airbus Testpiloten sind dies auch ehemalige Piloten der deutschen Luftwaffe sowie Waffensystemingenieure. Die Ergebnisse beider Versuche verdeutlichen Leistungsunterschiede bei Verwendung der verschiedenen Ansichten. Entgegen der Erwartung ist das entwickelte Panoramaformat für keine der untersuchten Aufgaben zu empfehlen. Während im Vergleich mit der zweidimensionalen Darstellung einige Leistungsvorteile zu Gunsten des Panoramaformats ermittelt werden, schneidet das Panoramaformat im Vergleich mit der exozentrischen Ansicht stets schlechter ab. Die Ursache der Leistungsminderung lässt sich im Wesentlichen durch zwei Effekte begründen: dem Hemisphäreneffekt und der Trajektorientransformation. Der Hemisphäreneffekt umfasst das Phänomen, dass das Verständnis von Objektpositionen der hinteren Hemisphäre in einer perspektivischen Ansicht mehr kognitive Ressourcen erfordert, als das Verständnis von Objektpositionen der vorderen Hemisphäre. Mit der Trajektorientransformation wird die Besonderheit der Panoramaansicht beschrieben, das Krümmungsverhalten von Flugtrajektorien in eine dem Operateur ungewohnte Art zu transformieren. Inwieweit beiden leistungshemmenden Effekten durch zusätzliches Training mit der neuartigen Ansicht begegnet werden kann, wird nicht evaluiert. Obgleich die Nutzerakzeptanz bezüglich des neuartigen Raumformates hoch ist, kann für die untersuchten Aufgaben keine abschließende Empfehlung für den Einsatz im Flugzeugcockpit ausgesprochen werden. Das Potenzial für andere Anwendungsfälle, insbesondere im Bereich der Integration von Sensorbildern oder als Assistenzdisplay, wird dennoch als hoch eingestuft. Eine Evaluierung dieser Vermutung könnte Gegenstand zukünftiger Forschungsaktivitäten sein.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The human machine interface of a modern aircraft is a highly complex working environment. The resulting cockpit personnel requirements are extensive and various. With respect to the performance of the overall human machine system, the human individual increasingly represents the bottleneck. Thus a major challenge of current flight deck development activities comprises the optimization of the human machine interface, aiming to maximize the pilot performance. The objective of this paper is the development and evaluation of a novel display concept to visualize spatial information. This is to be achieved by the increased pilot situational awareness generated during interaction with the cockpit displays. Based on a large area screen, a visualization concept is developed that combines the advantages of conventional spatial displays. For this purpose, the benefits of an egocentric perspective view shall be realized on a global level by expanding the horizontal field of view to 360 degrees to a panoramic view. Thus, additional views to generate global situation awareness are rendered obsolete. Based on a domain specific task analysis, representative cockpit tasks are identified. After conducting some thorough analysis of the properties of the panoramic view, two tasks were prioritized. As part of the comparative evaluations, the performance of test persons using the novel display concept is compared with that of the two conventional displays. The conventional displays cover a twodimensional and an exocentric view. The data collection is carried out with test persons with extensive flight experience, including Airbus test pilots, former pilots of the German Air Force as well as weapon system engineers. Both investigations indicate performance differences by using the different spatial displays. Contrary to the expectations, the developed panoramic display cannot be recommended for one of the two investigated tasks. The side to side comparison between the panoramic display and the two dimensional display shows benefits of the panoramic display. However, in comparison with the exocentric display the panoramic display doesn’t show superiority. The reason for the performance deficit can substantially be explained with two effects; the hemisphere effect and the trajectory transforming. The hemisphere effect is the phenomenon that the understanding of object positions in the rear hemisphere of a perspective display requires more cognitive resources than the understanding of object positions in the front hemisphere. The trajectory transformation characterizes the particularity of the panoramic display, to transform the curvature of trajectories in a matter of which the operator is unfamiliar. The impacts of additional training to reduce these effects were not evaluated. Although accepted by the test personnel, the usage of the novel spatial display in aircraft cannot be recommended. However, the potential for other uses cases, in particular in the range of the integration of sensor images, or as assistance display, can be rated high. These potential applications could be the object of future research efforts.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Großflächendisplay, Panorama, Situationsbewusstsein, Multifunktionsdisplay, Kugelprojektion, Positionswiedergabe, Konflikterkennung, Zusatzaufgabe
Classification DDC: 100 Philosophie und Psychologie > 150 Psychologie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
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) > Pilot Assistance Systems
Date Deposited: 18 Jan 2017 07:41
Last Modified: 18 Jan 2017 07:41
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-58743
Referees: Klingauf, Prof. Uwe and Zimmer, Prof. Alf
Refereed: 29 November 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5874
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