2. Februar 2021
Maritime Hubschraubereinsätze

Aug­men­ted Rea­li­ty un­ter­stützt Hub­schrau­ber­pi­lo­ten bei an­spruchs­vol­len Flug­ma­nö­vern auf ho­her See

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DLR-Forschungshubschrauber EC135 FHS im Landeanflug
DLR-For­schungs­hub­schrau­ber EC135 FHS im Lan­de­an­flug
Bild 1/5, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

DLR-Forschungshubschrauber EC135 FHS im Landeanflug

Das DLR hat erst­mals ei­ne kom­mer­zi­el­le Aug­men­ted-Rea­li­ty-Bril­le im Flug er­probt. Ei­ne der Her­aus­for­de­run­gen da­bei ist, dass das Head-Tracking-Sys­tem der Bril­le die Kopf­be­we­gun­gen des Pi­lo­ten von den Be­we­gun­gen des flie­gen­den Hub­schrau­bers kor­rekt un­ter­schei­den kann. Die DLR-Wis­sen­schaft­ler ha­ben ei­ne spe­zi­el­le Soft­ware ent­wi­ckelt, die die Kopf­be­we­gung in Re­la­ti­on zu den Flug­be­we­gun­gen des Hub­schrau­bers er­kennt und bei der Dar­stel­lung der Hin­der­nis­sym­bo­lik be­rück­sich­tigt.
HEDELA-Augmented-Reality-Brille im Einsatz
HE­DE­LA-Aug­men­ted-Rea­li­ty-Bril­le im Ein­satz
Bild 2/5, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

HEDELA-Augmented-Reality-Brille im Einsatz

Ers­ter Test­flug mit ei­ner kom­mer­zi­el­len Aug­men­ted-Rea­li­ty-Bril­le: Ne­ben ei­nem künst­li­chen Ho­ri­zont (ro­te Li­nie) wer­den dem Hub­schrau­ber­pi­lo­ten wich­ti­ge In­for­ma­tio­nen der In­stru­men­ten­an­zei­gen im Cock­pit di­rekt in sein Sicht­feld ein­ge­blen­det. Da­zu ge­hört un­ter an­de­rem der First Li­mit In­di­ca­tor (FLI), der Dreh­mo­ment, Tur­bi­nen­dreh­zahl und Tur­bi­nen­tem­pe­ra­tur kom­bi­niert dar­stellt.
Testpilot mit Augmented-Reality-Brille
Test­pi­lot mit Aug­men­ted-Rea­li­ty-Bril­le
Bild 3/5, Credit: © DLR. Alle Rechte vorbehalten

Testpilot mit Augmented-Reality-Brille

DLR-Test­pi­lot Se­bas­ti­an Soff­ner mit Aug­men­ted-Rea­li­ty-Bril­le Mi­cro­soft Ho­lo­Lens 2 im DLR-For­schungs­hub­schrau­ber ACT/FHS (Ac­ti­ve Con­trol Tech­no­lo­gy / Fly­ing He­li­co­pter Si­mu­la­tor). Das vi­su­el­le As­sis­tenz­sys­tem soll den Pi­lo­ten bei an­spruchs­vol­len Flug­ma­nö­vern un­ter­stüt­zen: Dem Pi­lo­ten wer­den wich­ti­ge In­for­ma­tio­nen über den ak­tu­el­len Flug­zu­stand so­wie die Dar­stel­lung von Hin­der­nis­sen di­rekt in sei­nem Sicht­feld ein­ge­blen­det.
HEDELA Flugsystemtechnik bei Schiffsdecklandung auf hoher See
HE­DE­LA Flug­sys­tem­tech­nik bei Schiffs­deck­lan­dung auf ho­her See
Bild 4/5, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

HEDELA Flugsystemtechnik bei Schiffsdecklandung auf hoher See

Die Schiffs­deck­lan­dung auf ho­her See stellt auch für er­fah­re­ne Pi­lo­ten ei­ne große Her­aus­for­de­rung dar. Di­rekt hin­ter dem Schiffs­deck bil­den sich Nach­lauf­tur­bu­len­zen, wel­che die Lan­dung des Hub­schrau­bers auf dem Schiffs­deck ne­ga­tiv be­ein­flus­sen kön­nen.
Prof. Stefan Levedag
Prof. Ste­fan Le­ve­dag
Bild 5/5, Credit: © DLR. Alle Rechte vorbehalten

Prof. Stefan Levedag

Prof. Ste­fan Le­ve­dag ist Di­rek­tor des DLR-In­sti­tuts für Flug­sys­tem­tech­nik
  • DLR und Flugdienst der Bundespolizei erforschen im Projekt HEDELA Assistenzsysteme zur Unterstützung bei Schiffsdecklandungen mit Hubschraubern.
  • Eine Augmented-Reality-Brille entlastet den Piloten bei schwierigen Sichtbedingungen und blendet ihm optische Orientierungspunkte und wichtige Informationen direkt ins Sichtfeld ein.
  • Erfolgreiche Tests im realen Flugversuch mit dem DLR-Forschungshubschrauber FHS.
  • Schwerpunkte: Luftfahrt, Maritime Sicherheit, Hubschrauberforschung.

Nebel, Regen, Dunkelheit – Schiffsdecklandung auf hoher See unter schlechten Sichtbedingungen sind auch für erfahrene Hubschrauberpiloten eine große Herausforderung. Im Projekt HEDELA (Helicopter Deck Landing Assistance) erforscht das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gemeinsam mit dem Flugdienst der Bundespolizei Assistenzsysteme, die die Piloten bei einer sicheren und präzisen Landung auf Schiffen unterstützen. Bei Flugversuchen mit dem DLR-Forschungshubschrauber FHS wurde dafür nun erstmals der Einsatz einer Augmented-Reality-Brille erprobt.

Hubschraubern kommt im stark wachsenden Offshore-Bereich eine besondere Rolle zu. Durch die Fähigkeiten senkrecht starten und landen, auf der Stelle schweben und eine hohe Fluggeschwindigkeit erreichen zu können, sind sie für alle Einsatzszenarien auf See besonders gut geeignet. Probleme ergeben sich durch die häufig vorherrschenden schlechten Sichtbedingungen wie Seenebel, Niederschlag oder Dunkelheit. „Auf hoher See fehlen dem Piloten fixe Referenzpunkte zur Orientierung. Um sie herum ist nur das offene Meer und das sich bewegende Schiff mit einer verhältnismäßig kleinen Fläche, auf der sie landen müssen“, erklärt Prof. Dr.-Ing. Stefan Levedag vom Institut für Flugsystemtechnik. Zudem bilden sich am Schiffsdeck Nachlaufturbulenzen, die das Aufsetzen des Hubschraubers auf dem Schiffsdeck zusätzlich erschweren können.

Visuelles Assistenzsystem unterstützt Piloten beim Landeanflug

Im Projekt HEDELA hat das DLR spezielle Anzeigen für Schiffsdecklandungen entwickelt und validiert. Das Ziel ist es, den Piloten während des gesamten Fluges zu unterstützen, einschließlich der Bereitstellung hindernisfreier Flugpfadplanung (Trajektorien) für Anflug, Transfer und Abflug. Eine Augmented-Reality-Brille (AR-Brille) entlastet den Piloten bei diesen Aufgaben unter schwierigen Sichtbedingungen und blendet ihm optische Orientierungspunkte und wichtige Informationen direkt ins Sichtfeld ein. Das schwimmende Schiff im dichten Nebel wird beispielsweise durch einen gut sichtbaren grünen Rahmen markiert. Wichtige Informationen zu Fluggeschwindigkeit, Höhe und Position sowie ein künstlicher Horizont sind ebenfalls direkt im Sichtfeld des Piloten sichtbar. „Die eingeblendete Symbolik hilft den Piloten enorm bei der Orientierung“, sagt Projektleiter Malte-Jörn Maibach. „Der große Vorteil ist, dass der Pilot mit seinem Blick nicht ständig zwischen den Instrumenten im Hubschraubercockpit und der Außensicht wechseln muss. So kann er seinen Landepunkt konstant im Blick behalten.“ Die Arbeitsbelastung des Piloten wird so verringert, sein Situationsbewusstsein gesteigert und die Einsatzfähigkeit und Sicherheit von maritimen Hubschraubereinsätzen erhöht.

Die derzeitige Entwicklung von Hubschraubercockpits fokussiert eine Reduzierung und auch eine Kombination von Anzeigegeräten. Ein solches Beispiel ist der First Limit Indicator (FLI), welcher die wichtigsten Daten zum Triebwerkszustand (Drehmoment, Turbinendrehzahl sowie Turbinenauslasstemperatur) in einem einzigen Überwachungsinstrument darstellt. Mit dieser Art von Flugassistenzsystem, welches auch im getesteten Head Mounted Display (HMD) implementiert ist, können die generellen Flugeigenschaften und die Handhabungsqualitäten eines Hubschraubers deutlich verbessert werden.

Blick durch die Aug­men­ted-Rea­li­ty-Bril­le bei Sys­tem­tests im Flug
Die ho­lo­gra­fi­schen An­zei­gen stim­men auch bei dy­na­mi­schen Ma­nö­vern mit der Welt über­ein.

Die Anzeigensymbolik haben die Wissenschaftler im Vorgängerprojekt HELMA (Helicopter Flight Safety in Maritime Operations) entwickelt und erfolgreich im Simulator erprobt. Bei Flugversuchen mit dem DLR-Forschungshubschrauber ACT/FHS (Active Control Technology/Flying Helicopter Simulator), einer modifizierten EC135, hat das DLR nun zum ersten Mal den Einsatz einer kommerziellen Augmented-Reality-Brille im Flug getestet. Head Mounted Displays, also Helme mit integrierten Anzeigen, die auf dem Kopf getragen werden, finden im militärischen Bereich bereits Anwendung mit vielfältigen Vorteilen und großem Nutzen für die Piloten. In der Anschaffung sind diese Systeme aber sehr kostenintensiv. Für ihre Forschungsarbeit greifen die Wissenschaftler deshalb auf kommerzielle Systeme zurück, die sie den speziellen Anforderungen der maritimen Hubschraubereinsätze entsprechend erweitern.

„Der Vorteil ist, dass sie in der Anschaffung günstiger und dazu technisch bereits sehr weit entwickelt sind“, betont Maibach. Eine bekannte Herausforderung ist allerdings das Head-Tracking der AR-Brillen, das nicht für die Nutzung in bewegten Systemen (als Fahrzeugführer) ausgelegt ist. „Das System muss die Bewegungen des Kopfes mit der Brille von den Bewegungen des Hubschraubercockpits, das sich wiederum in der Außenwelt bewegt, unterscheiden können“, erklärt Luft- und Raumfahrtingenieur Christian Walko vom Institut für Flugsystemtechnik. Die DLR-Wissenschaftler haben dafür zusätzlich eine Software entwickelt, die die Kopfposition des Piloten in Relation zum sich bewegenden Hubschrauber erkennt und bei der Darstellung der holographischen Symbolik berücksichtigt. Aktuell werten die Wissenschaftler die Daten der Flugversuche aus. Dabei untersuchen sie auch die Funktionsweise der AR-Brille in der Luft im Zusammenspiel mit dem entwickelten Head-Tracking-Algorithmus und welchen Einfluss die Vibrationen des Hubschraubers auf den gesamten Systemaufbau haben.

Die neuen Anzeigesysteme sind von großem Interesse für den Hubschrauber-Piloten in seinen sehr komplexen Flugaufgaben, bei denen es gilt, neben der Steuerung des Hubschraubers auch die Einhaltung aller flugmechanischen Grenzen ständig im Auge zu behalten. Die innovativen Anzeigen erlauben es, entsprechende Informationen mit den üblichen Anzeigen zu kombinieren und so die Grenzen intuitiv erfassbar zu machen.

Das Projekt HEDELA ist ein Bestandteil des Verbundprojektes "F&E und Echtzeitdienste für die maritime Sicherheit". Es ist eingebettet in die institutsübergreifende Bündelung und den fach- und programmübergreifenden Ausbau von Forschungsaktivitäten des DLR im Bereich maritimer Sicherheitsforschung.

Herausforderung Schiffsdecklandungen: Drei Fragen an den Leiter des DLR-Instituts für Flugsystemtechnik Prof. Stefan Levedag

Warum forscht das DLR-Institut für Flugsystemtechnik am Thema Schiffsdecklandungen?

Schiffsdecklandungen gehören zu den anspruchsvollsten Flugaufgaben mit denen ein Hubschrauberpilot konfrontiert werden kann. Neben einer sich bewegenden Landeplattform kommen oft starker Wind, Turbulenzen durch Ablösungen an den Schiffsaufbauten sowie fehlende Referenzpunkte für die Schätzung von Lage und Geschwindigkeit zusammen, auch schlechte Sicht mit Horizontverlust ist möglich. Unter diesen extremen Bedingungen den Piloten optimal in das System zu integrieren ist eine herausfordernde Aufgabe, für die das DLR aktuelle Technologien in der Forschung einsetzt, um leistungsfähige Lösungen zu entwickeln.

Warum existieren solche Assistenzsysteme zwar im militärischen Bereich, aber für die zivile Luftfahrt gibt es bisher keine bezahlbaren Alternativen? Wann wird ein solches System für zivile Betreiber verfügbar sein?

Militärische Systeme sind sehr harten zusätzlichen Anforderungen wie z.B. der Kompatibilität mit Nachtsichtsystemen unterworfen und daher per se aufwendig. Die Integration neuer Funktionen ist in einem solchen Umfeld eher möglich, als in einem zivilen Produkt mit primär hohem Kostendruck.

Auch neue Systeme ähnlich der HoloLens müssen für den zukünftigen Einsatz in Luftfahrzeugen qualifiziert werden, also z.B. sehr starke Vibrationen, Temperaturunterschiede und elektromagnetische Felder fehlerfrei tolerieren. Für innovative Lösungen aus dem Bereich der Unterhaltungselektronik bauen sich dabei oft hohe Hürden auf, deren Überwindung Zeit und erhebliche Mittel verlangt. Es ist daher schwer vorherzusagen, wann eine solche Technologie den Sprung in ein Luftfahrtprodukt schafft. Gerade in der aktuell sehr schwierigen Zeit für die Luftfahrt sind diese Hürden besonders hoch.

Was ist die Besonderheit des Forschungshubschraubers ACT/FHS?

Der Forschungshubschrauber EC135-ACT-FHS ist ein einzigartiges Forschungsinstrument. Er besitzt offene Schnittstellen, über die es gelingt, alle wesentlichen Flugzustandsdaten in experimentelle Systeme einzuspeisen, z.B. für neue Displays oder eben Anzeigen wie die HoloLens. Durch die ungewöhnliche Architektur des Systems müssen diese neuen Elemente nicht zugelassen werden, wie das für eine Serienanwendung erforderlich wäre. Dies gilt sogar für neue Systeme und Funktionen, die Steuerkommandos in den Hubschrauber einspeisen können.

Sicherheitsforschung im DLR

In der Sicherheitsforschung im DLR werden die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten mit verteidigungs- und sicherheitsrelevantem Bezug in Abstimmung mit den Partnern in Staat, Wissenschaft, Industrie und internationalen Organisationen geplant und gesteuert. Der Querschnittsbereich Sicherheitsforschung verknüpft dabei die Kernkompetenzen aus den etablierten DLR-Programmen der Luftfahrt, Raumfahrt, Energie und des Verkehrs. Insgesamt mehr als zwanzig DLR-Institute und -Einrichtungen liefern im Rahmen ihrer sicherheitsrelevanten Arbeiten Beiträge zur Entwicklung, Erprobung und Bewertung von Technologien, Systemen und Konzepten sowie zur Analyse- und Bewertungsfähigkeit hinsichtlich sicherheitsrelevanter Anwendungen.

Kontakt
  • Jasmin Begli
    Kom­mu­ni­ka­ti­on Braun­schweig, Cochs­tedt, Sta­de, Trau­en
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)

    Po­li­tik­be­zie­hun­gen und Kom­mu­ni­ka­ti­on
    Telefon: +49 531 295-2108
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    In­sti­tut für Flug­sys­tem­tech­nik
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  • Prof. Dr.-Ing. Stefan Levedag
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