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Display Formats for Smart Glasses to Support Pilots in General Aviation

Haiduk, Paul Manuel :
Display Formats for Smart Glasses to Support Pilots in General Aviation.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Display Formats for Smart Glasses to Support Pilots in General Aviation
Language: English
Abstract:

This dissertation develops and evaluates various display formats for smart glasses which could provide information to support pilots in general aviation on flights under visual flight rules. The aim of a new display format is the reduction of pilot task load and the increase of pilot situation awareness. Under visual flight rules, pilots apply rules known as see-and-avoid. However, the monitoring of airspace conflicts with information acquisition from head-down instrumentation. Conventional displays may drive the pilot’s attention head-down at the expense of monitoring the scene outside, which has the potential to lead to breakdowns in task management. One of the main reasons for accidents is human error (84% in GA), which is associated with an increased workload resulting in a loss of situation awareness. One way to prevent accidents is to reduce workload to an adequate level and to increase situation awareness; the projection of supporting information in the head-up area could be one to do so. A proposed solution is the use of smart glasses, which project the most important information directly into the field of view. This dissertation is the only research work in the field that scientifically investigates the feasibility and utility of display formats for smart glasses for use in the cockpit of general aviation. The EPSON Moverio BT-200 smart glasses are selected based on set requirements for integration within the research flight simulator Diamond DA 40-180 at the Institute of Flight Systems and Automatic Control. Four different display formats are implemented and tested with regard to subjective- workload and usability in a preliminary simulator study with N = 7 participants. The results of the preliminary investigation show that the developed Primary Flight Display format has the highest usability and is therefore selected for further development. The Primary Flight Display format is further developed with consideration of the user feedback from the preliminary study. A new flight guidance symbology for lateral guidance, called Lateral Guidance Line (LGL), is designed and added to the format. A magenta colored line in the center of the format supports the pilot in maintaining track. The lateral guidance symbology is designed to show when to initiate a turn and when the turn should be completed in order to minimize deviations from a desired track (e.g. traffic pattern). In the final evaluation, the LGL format is evaluated with N = 20 pilots. In addition to assessing the subjective- usability and workload, the lateral deviations from a given flight path are recorded.

Spatial awareness is operationalized through eye-tracking and a secondary reaction task using visual signals. Pilots fly twice, once with the LGL format on the smart glasses and once with conventional instruments without smart glasses at two different airfields in a balanced order. The effectiveness of the Lateral Guidance Line display format can be confirmed. The lateral deviations from the target trajectory are significantly lower in the group using the format compared to the group using conventional instruments (without smart glasses), while task load remained the same. An increase in eyes-out time as well as fewer missed signals on the secondary task proves the potential of the display format to increase spatial awareness compared to conventional instruments. The subjective suitability of the Lateral Guidance Line format was rated 73 (on a scale of 0 to 100) which corresponds to a good subjective usability and is not significantly different from the evaluations of the previously implemented prototypes. Overall, the results of the investigation show that smart glasses have the potential to support pilots in general aviation and to potentially reduce accident rates. Only few hardware challenges remain in the development of this format. The work draws on recommendations from the feedback of various general aviation interest groups and points out future research questions.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die vorliegende Dissertation entwickelt und evaluiert verschiedene Anzeigeformate auf Datenbrillen, dessen Informationen den Piloten in der allgemeinen Luftfahrt bei Flügen nach Sichtflugregeln unterstützen. Ziel eines neuen Anzeigeformates ist die Reduktion der Arbeitsbelastung und die Erhöhung des Situationsbewusstseins des Piloten. Bei Flügen nach Sichtflugregeln gilt das Prinzip Sehen und gesehen werden. Die Luftraumbeobachtung während des Flugs steht dabei im Konflikt mit der Beobachtung der Instrumente, welche im Cockpitinnenbereich angeordnet sind. Dies führt vor allem in der allgemeinen Luftfahrt nach Sichtflugregeln wiederholt zu Unfällen. Eine der häufigsten Unfallursachen sind menschliche Fehler (56%), die mit erhöhter Arbeitsbelastung und folglich einem Verlust des Situationsbewusstseins verbunden sind. Eine Möglichkeit, die Arbeitsbelastung zu reduzieren und das Situationsbewusstsein zu erhöhen, ist die Darstellung von unterstützenden Informationen im head-up Bereich. Eine Realisierungsmöglichkeit ist die Nutzung von Datenbrillen, welche die wichtigsten Informationen direkt in das Blickfeld projizieren. Die vorliegende Dissertation ist bisher die einzige Forschungsarbeit auf dem Gebiet zur Untersuchung der Umsetzbarkeit und des Nutzens von Anzeigeformaten auf Datenbrillen zur Anwendung im Cockpit der allgemeinen Luftfahrt. Anhand von Anforderungen für die Integration einer Datenbrille innerhalb eines Forschungssimulators Diamond DA 40-180 am FSR wird die Datenbrille EPSON Moverio BT-200 ausgewählt. Vier verschiedene Anzeigeformate werden implementiert und in einer Voruntersuchung durch Probanden mit N = 7 hinsichtlich subjektiver Gebrauchstauglichkeit und Arbeitsbelastung getestet. Die Ergebnisse der Voruntersuchung zeigen, dass das Format Primary Flight Display in der Gebrauchstauglichkeit die besten Ergebnisse erzielt. Daher wird dieses für die Weiterentwicklung ausgewählt. Das Format Primary Flight Display wird mit Berücksichtigung des Nutzerfeedbacks aus der Vorstudie weiterentwickelt. Eine neuartige Flugführungsanzeige, Lateral Guidance Line, zur lateralen Führung wird gestaltet und in das Format eingebunden. Die magentafarbene, pfeilartige Darstellung zeigt dem Piloten an, wann eine Kurve ein- und auszuleiten ist, um die laterale Abweichung zu einer Solltrajektorie (z.B Platzrunde) zu minimieren. In der Hauptuntersuchung wird das Lateral Guidance Line Format mit N = 20 Piloten im Vergleich zu konventionellen Instrumenten evaluiert. Neben der subjektiven Gebrauchstauglichkeit und Arbeitsbelastung wird die unterstützende Funktion der Flugführungsanzeige anhand der lateralen Abweichungen zu einem vorgegebenen Flugpfad erfasst. Räumliches Situationsbewusstsein wird operationalisiert über die Aufzeichnung des Blickverhaltens mittels Blickerfassung und der Aufmerksamkeit auf einer visuellen Zweitaufgabe. Piloten fliegen zweimal; einmal mit dem Lateral Guidance Line Format auf der Datenbrille und einmal mit konventionellen Instrumenten ohne Datenbrille an zwei unterschiedlichen Flugplätzen in balancierter Reihenfolge. Die Effektivität des Anzeigeformats Lateral Guidance Line kann in der Hauptuntersuchung belegt werden. Die lateralen Abweichungen von der Solltrajektorie fallen in der Gruppe mit dem Lateral Guidance Line Format signifikant geringer aus als in der Gruppe mit konventionellen Instrumenten (ohne Datenbrille), bei ähnlich hoher Arbeitsbelastung. Eine signifikante Erhöhung der Blickzeit nach draußen sowie eine geringere Anzahl verpasster Signale in der visuellen Zweitaufgabe belegen das Potential, das räumliche Situationsbewusstsein des Anzeigeformats zu erhöhen. Insgesamt zeigen die Untersuchungsergebnisse auf, dass Datenbrillen zukünftig das Potential haben, Piloten in der allgemeinen Luftfahrt zu unterstützten und Unfälle zu vermeiden. Einschränkungen seitens der Hardware müssen durch die Hersteller behoben werden. Die Arbeit leitet aus den Ergebnissen mehrere Empfehlungen für unterschiedliche Interessengruppen in der allgemeinen Luftfahrt ab und zeigt weitere Forschungsfragen auf.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 100 Philosophie und Psychologie > 150 Psychologie
300 Sozialwissenschaften > 310 Statistik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Flight Systems and Automatic Control (FSR)
DFG-Graduiertenkollegs > Research Training Group 1343 Topology of Technology
Date Deposited: 17 Aug 2017 12:47
Last Modified: 17 Aug 2017 13:57
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-66502
Referees: Klingauf, Prof. Dr. Uwe and Josef, Prof. Dr. Wiemeyer
Refereed: 28 June 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6650
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