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Die
Erfindung betrifft ein Mensch-Maschinen-Interface (MMI) zur Pilotenunterstützung
bei Start und Landung eines Fluggeräts, insbesondere eines
Helikopters bei verminderter Außensicht oder unter eingeschränkten
Sichtbedingungen. In trockenen, wüstenartigen Gebieten
(wie z. B. Afghanistan) kommt es bei fast jeder Außenlandung
von Hubschraubern zu einer starken Aufwirbelung von Sand und Staub.
Dies wird durch den sog. Down-Wash des Hauptrotors verursacht. Die
Sand- bzw. Staubaufwirbelung führt oft dazu, dass der Pilot
die Cockpit-Außensicht ganz oder teilweise verliert – dem
so genannten Brown-Out. Durch den Verlust der Außensicht
besteht für den Piloten die Gefahr des Verlustes der räumlichen
Orientierung und dies insbesondere hinsichtlich Nick- und/oder Rollwinkel
sowie ungewollter seitlicher Drift des Luftfahrzeugs.
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Der
Kern einer für Brown-Out geeigneten Hubschrauberlandehilfe
(Brown-Out-Recovery-System) ist dessen MMI als Schnittstelle zwischen Mensch
und Maschine. Die operationelle Einsatztauglichkeit, hängt
dabei entscheidend von der Brauchbarkeit einer entsprechenden Display-Anzeige
ab. Gründe hierfür sind:
- a)
die grundsätzliche aero-dynamische Instabilität eines
Hubschraubers (speziell beim sog. Schwebe- oder Hover-Flug),
- b) die oft unkalkulierbaren Einflusses von Windböen,
Turbolenzen und Scherwinden im Landeendanflug (oder beim Start),
- c) das bei Außenlandungen oft völlig unbekannte Gelände
sowie die Hindernissituation am Landeplatz insbesondere im Hinblick
auf Abspanndrähte und Stromleitungen,
- d) die bei militärischen und SAR-Einsätzen
sich möglicherweise sehr schnell ändernde Situation am
Landeplatz,
- e) die momentane Messgenauigkeit einsatztauglicher Fluglagereferenz-
und Distanzmeßsysteme,
- f) die Möglichkeit der flexiblen Reaktion und eventuell
notwendiger Korrekturen des Piloten und
- g) die Frage der Luftfahrtzulassung.
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Diese
Gründe lassen es kurz- bis mittelfristig als unwahrscheinlich
erscheinen, dass eine Außenlandung unter Brown-Out Bedingungen
vollständig autonom auf Basis eines vollautomatischen Landesystems
möglich sein wird. Man muss vielmehr davon ausgehen, dass
es nach wie vor der Pilot sein wird, der im Brown-Out Fall den Hubschrauber
landet. Somit erscheint nur eine visuelle Display-Anzeige als geeignet,
dem Piloten bei einer Brown-Out Landung wirkungsvoll sowie unmittelbar
zu unterstützen.
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In
der
DE 10 2004
051 625 A1 ist eine Hubschrauberlandehilfe speziell für
Brown-Out Bedingungen beschrieben, bei dem während des Brown-Outs
auf einem Display eine virtuelle 3D-Ansicht der Umgebung in der
Perspektive des Piloten dargestellt wird, wobei die virtuelle Ansicht
auf der Basis von 3D-Daten, die beim Landeanflug vor Einsetzen des
Brown-Outs erzeugt wurden, generiert wird.
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In
der
WO 2005/015333
A2 ist ebenfalls eine Hubschrauberlandehilfe für
Brown-Out Bedingungen beschrieben, die zur Pilotenunterstützung
mittels unterschiedlicher Sensoren erzeugte Umgebungsinformationen
und Flugzustandsdaten kombiniert und mittels Hubschrauberdatenbus
laufend aktualisiert. Dabei werden die Umgebungsinformationen einerseits und
Flugzustandsdaten wie Geschwindigkeit, Bewegungs- und Driftrichtung
und Höhe über Grund andererseits in einem gemeinsamen
Display dargestellt.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Mensch-Maschinen-Schnittstelle zu
schaffen, um dem Piloten bei einer Brown-Out Landung eine optimierte
intuitive Unterstützung bei der räumlichen Orientierung
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand
von Unteransprüchen.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Brown-Out MMI werden auf
einem einzigen Display die entscheidenden Kenngrößen
zur visuellen Einschätzung der Lage und Bewegung des Fluggeräts
(im folgenden wird beispielhaft von einem Hubschraubers ausgegangen)
im Raum graphisch zu einem Brown-Out MMI kombiniert:
- 1. die natürliche Außenansicht – also
die Gesamtheit aller Hindernisse (Leitungen und Drähte)
und aller natürlichen sowie künstlichen Objekte
(Gebäude, Bäume und Büsche ...) und allertopographischen
Gegebenheiten inklusive des Erdbodens in der näheren Umgebung
des Landeplatzes,
- 2. die Kenntnis der momentanen Fluglage, Bewegungsrichtung und
Geschwindigkeit des Luftfahrzeugs über Grund sowie deren Änderung
und in vorteilhaften Ausführungen deren Änderungsgeschwindigkeit,
- 3. die Kenntnis der momentanen Flughöhe über Grund
(AGL) sowie in vorteilhaften Ausführungen deren Änderungstendenz.
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Damit
werden dem Piloten alle für eine Brown-Out Landung notwendigen
Informationen konzentriert auf nur ein einziges Anzeigegerät
visuell dargestellt, so dass es möglich ist, allein auf
Basis des erfindungsgemäßen Brown-Out MMI den
Hubschrauber in einer intuitiven Weise zu landen.
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Das
erfindungsgemäße Brown-Out MMI besteht aus mehreren, übereinander
dargestellten Graphik-Layern, um den Kriterien zur Lage- und Bewegungskontrolle
in geeigneter Art und Weise Rechnung zu tragen. Jeder dieser Lager
enthält jeweils gewisse Graphikprimitive und Symbolik,
welche in summa das vollständige Brown-Out MMI definieren.
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Folgende
Graphik-Layer sind in dem erfindungsgemäßen Brown-Out
MMI übereinander dargestellt:
- a) Ein
Basis-Layer in Form einer ebenen Basisfläche. Diese Basisfläche
symbolisiert eine idealisierte Bodenfläche, berechnet nur
aufgrund des momentanen Wertes der Flughöhe über
Grund und der momentanen Fluglagedaten (Rollwinkel, Nickwinkel,
Kurswinkel). Die reale dreidimensionale Topologie des Bodens geht
also hier nicht ein. Diese wird vielmehr durch den 3D-Szenen-Layer
erfasst. Die Basisfläche wird durch einen künstlichen
Horizont begrenzt und wird mit den momentanen Flugzustandsdaten
und der momentanen Höhe über Grund fortlaufend
aktualisiert. Insgesamt veranschaulicht der Basis-Layer qualitativ
in einer für den Piloten sehr leicht nachvollziehbaren
Weise Fluglage und Flughöhe des Fluggeräts im
Raum. Sie dient dem Piloten zur verbesserten räumlichen
Orientierung in der kritischen Phase des Brown-Out, während
der häufig Sand- und Staubpartikel in chaotischer Verwirbelung
schräg an den Cockpitfenstern vorbeiströmen und
die räumliche Orientierung erschweren.
- b) Ein 3D-Szenen-Layer, der ein dreidimensionales positionsgenaues
sowie zeitlich korrektes (d. h. in Echtzeit) Abbild der realen Szenerie
in Richtung des Flugpfads des Hubschraubers darstellt, und der mit
den momentanen Flugzustandsdaten und der momentanen Höhe über
Grund fortlaufend aktualisiert wird. Der 3D-Szenen-Layer dient insbesondere
zur räumlichen Orientierung des Piloten bei völligem
oder teilweisem Fehlen der Cockpit-Außensicht. Die Darstellung
des 3D-Szenen-Layers besteht aus 3D-Daten der Umgebung des Landeplatzes,
d. h. anders als bei einem herkömmlichen 2-dimensionalen,
projektiven Abbild der Umgebung sind für jeden Bildpunkt
des 3D-Szenen-Layers die Koordinaten in 3 räumlichen Dimensionen
bekannt. Die Darstellung der 3D-Szene kann z. B. derart erfolgen,
dass die Entfernung von Objekten oder Hindernissen zum Fluggerät
durch unterschiedliche Farben oder Grauwerte codiert wird. Eine
andere Möglichkeit ist die Codierung auf der Basis der
Höhe über Grund des betreffenden Bildpunkts oder
einer Kombination aus Entfernung und Objekthöhe.
- c) Ein Schwebeflug-Layer zur kombinierten Darstellung der Geschwindigkeit über
Grund, der Richtung der momentanen Bewegungs- oder Driftrichtung
in Relation zur Hubschrauber-Längsachse sowie der Flughöhe über
Grund. Der Schwebeflug-Layer kann in weiteren Ausführungen
zusätzliche Informationen als Unterstützung für
den Piloten zur Einschätzung des Flugzustands enthalten,
z. B. die numerische Anzeige des Kurswinkels oder der momentanen
Höhe über Grund sowie eine Nickwinkelanzeige (graphisch
bzw. alphanumerisch).
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Wesentlich
für die Erfindung ist, dass sich alle Layer des erfindungsgemäßen
Brown-Out MMI's mit ihren jeweiligen Informationen gegenseitig stützen
und ergänzen. Ein einziger Layer für sich genommen
ist nicht in der Lage, dem Piloten ein einsatztaugliches Brown-Out
MMI an die Hand zu geben. Erst die Kombination aller oben beschriebenen MMI-Komponenten
ermöglicht den operationellen Einsatz und ist damit in
der Lage, eine substantielle Hilfe und Unterstützung im
Brown-Out Fall zu sein.
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Zusätzlich
zu den genannten Graphik-Layern können in dem erfindungsgemäßen
MMI graphische oder alphanumerische Zeichen dargestellt werden,
die das Vorhandensein eines Brown-Out Zustands kennzeichnen. Die
Gesamtheit derartiger Zeichen wird im Folgenden als BOUT-Layer bezeichnet. Dieser
Layer weist den Piloten insbesondere auf die Funktionsfähigkeit
des dem MMI übergeordneten Brown-Out-Recovery-Systems im
Falle eines teilweisen oder vollständigen Verlusts der
Cockpit-Außensicht hin.
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Im
Brown-Out Zustand ist die Cockpit-Außensicht teilweise
oder vollständig durch aufgewirbelten Sand und Staub verdeckt.
Wie ein dem Brown-Out MMI übergeordnetes Brown-Out Recovery
System einen solchen Zustand erkennt (manuell durch eine Pilotenaktion
oder automatisch) und wie die 3D-Szenendaten während des
Brown-Outs verwaltet werden (Darstellung aus einer zuvor akkumulierter
History/Datenbank, automatisches, algorithmisches Filtern der Staubdaten
oder sensortechnisches "Hindurchsehen" durch die Wolke) ist für
das erfindungsgemäße MMI ohne Belang, d. h. das Brown-Out
MMI funktioniert in all diesen Konstellationen in gleicher Art und
Weise.
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Die
erfindungsgemäße MMI kann universell unter operationellen
Bedingungen eingesetzt werden. Es ermöglicht eine intuitive
Unterstützung des Piloten bei der räumlichen Orientierung
während der Landung speziell unter Brown-Out Bedingungen.
Für das erfindungsgemäße Brown-Out MMI
ist lediglich ein einziges Display (z. B. Multifunktionsdisplay
MFD, ein Head-Up-Display HUD, ein Helmet-Mounted-Display HMD) im
Cockpit notwendig. Deshalb kann die vorliegende Erfindung in jedem
Brown-Out Recovery System, welches auf dem Prinzip einer visuellen
Orientierungshilfe beruht, zum Einsatz kommen.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass das erfindungsgemäße
MMI auch zur Pilotenunterstützung unter so genannten White-Out Bedingungen
anwendbar ist, bei denen durch Aufwirbelung von losen Schnee- und
Eiskristallen eine ähnlich kritische Situation wie beim
Brown-Out besteht.
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Nachfolgend
werden konkrete Ausführungen der Graphik-Layer unter Bezugnahme
auf Figuren im Einzelnen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
Ausführung des Basis-Layers (Prinzipdarstellung),
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2 eine
konkrete graphische Realisierung des Basis-Layers; die korrespondierende,
aktuelle Fluglage ist zum Vergleich rechts unten zusätzlich dargestellt,
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3 eine
Ausführung der 3D-Bodenfläche als Bestandteil
des 3D-Szenen-Layers (Prinzipdarstellung),
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4 eine
Ausführung des 3D-Szenen-Layers mit 3D-Bodenfläche
und darauf angeordneten Nicht-Bodenobjekten (Prinzipdarstellung),
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5 eine
konkrete graphische Realisierung des 3D-Szenen-Layers mit unterlegtem
Basislager,
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6 eine
Ausführung des Schwebeflug-Layers (Prinzipdarstellung),
wobei der Höhenindikator aus Gründen der Übersichtlichkeit
weggelassen wurde,
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7 eine
Ausführung des Schwebeflug-Layers (Prinzipdarstellung),
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8 eine
konkrete graphische Realisierung des 3D-Szenen-Layers mit überlagertem
Schwebeflug-Layer,
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9 eine
weitere Ausführung des Schwebeflug-Layers mit der Anzeige
zusätzlicher Informationen wie der numerischen Darstellung
von Kurswinkel sowie der Höhe über Grund (Prinzipdarstellung),
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10 eine
konkrete graphische Realisierung der Überlagerung von Basis-Layer,
3D-Szenen-Layer und Schwebeflug-Layer,
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11 eine
Ausführung des Schwebeflug-Layers mit zusätzlichem
Bout-Layer, der das Vorhandensein eines Brown-Out Zustands anzeigt (Prinzipdarstellung),
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12 eine
konkrete graphische Realisierung der Überlagerung von Basis-Layer,
3D-Szenen-Layer, Schwebeflug-Layer und Bout-Layer.
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Basis-Layer
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1 zeigt
eine schematische Darstellung des Basis-Layers. Er besteht aus einer
Basisfläche, welche den Zweck hat, dem Piloten allgemein,
d. h. qualitativ, die Flughöhe über Grund sowie
die momentane Fluglage zu veranschaulichen. Die Basisfläche
stellt eine idealisierte Bodenfläche dar, berechnet nur
aufgrund des momentanen Wertes der Flughöhe über
Grund und der momentanen Flugzustandsdaten, also ohne Berücksichtigung
der realen Topographie des Bodens. Begrenzt wird die Basisfläche
in der dem Piloten abgewandten Richtung durch den künstlichen
Horizont, welcher prinzipiell die gleiche Funktionalität
wie ein Fluglageanzeiger im Cockpit besitzt. Durch den künstlichen
Horizont des Brown-Out MMI's kann der Pilot Fluglageänderungen bez.
Nick- und/oder Rollwinkel leicht ablesen. Zur Verbesserung des räumlichen
Eindrucks, der besseren Einschätzung der momentanen Fluglage
sowie der Flughöhe über Grund werden auf der Basisfläche des
Basis-Layers zusätzlich Flucht- und Distanzlinien eingezeichnet.
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Alle
graphischen Elemente des Basis-Layers werden mit Hilfe der momentanen
Flugzustandsdaten (Fluglage) sowie der aktuellen Höhe über
Grund (AGL) aktualisiert. Damit wird sichergestellt, dass alle Änderungen
von Fluglage und Höhe über Grund unmittelbar eine
entsprechende Änderung in der Graphik-Anzeige des Basis-Layers
nach sich ziehen.
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Der
räumliche Eindruck – insbesondere bezüglich
der Abschätzung der Flughöhe über Grund – kann
nochmals erhöht werden, wenn die Basisfläche ganz
bzw. teilweise mit einem Schachbrettmuster oder einer graphischen
Bodentextur oder beidem belegt wird. Ein Beispiel für eine
konkrete Realisierung eines solchen Basis-Layers ist in 2 dargestellt. Die
zugehörige Fluglage ist rechts unten in der separaten Darstellung
zusätzlich symbolisiert.
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3D-Szenen-Layer
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Der
3D-Szenen-Layer liegt über dem Basis-Layer. Er stellt ein
positionsgenaues Abbild der realen 3-dimensionalen Welt in Richtung
des Flugpfades des Hubschraubers dar. Positionsgenau bedeutet dabei,
dass die dargestellten relativen Ortsunter schiede zwischen dem Flugobjekt
und den Objekten der Umgebung der Wirklichkeit entsprechen.
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Der
3D-Szenen-Layer kann grob in zwei Bestandteile zerlegt werden:
- a) eine 3D-Bodenfläche als Approximation
der lokalen Topographie des Erdbodens, wie z. B. in 3 dargestellt.
- b) die Abbildung der Nicht-Bodenobjekte oberhalb der 3D-Bodenfläche
(4).
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Auf
der approximierten 3D-Bodenfläche können Flucht
und Distanzlinien vorhanden sein, wie in 3 eingezeichnet.
Auch kann die approximierte 3D-Bodenfläche mit einem Schachbrettmuster
oder einer Bodentextur vollständig oder teilweise belegt sein.
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Die
Nicht-Bodenobjekte können numerisch analysiert werden,
um alle oder nur bestimmte Typen dieser Nicht-Bodenobjekte (z. B.
Leitungen, Abspanndrähte und Masten) im 3D-Szenen-Layer
graphisch hervorzuheben. Die numerische Analyse geschieht durch
Segmentierung, d. h. die Objekte als solche werden vom Boden getrennt,
und/oder Klassifizierung nach vorgegebenen Objekt- bzw. Hindernistypen.
Eine solche Erweiterung des Brown-Out MMI's verbessert die räumliche
Orientierung zusätzlich und warnt den Piloten vor gefährlichen
Hindernissen im Flugpfad.
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In
einer vorteilhaften Ausführung werden alle oder einzelne
der segmentierten bzw. klassifizierten Nicht-Bodenobjekte mit einem
graphischem Muster oder einer Objekttextur vollständig
oder teilweise belegt.
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Zusätzlich
können die approximierte 3D-Bodenfläche und/oder
die segmentierten bzw. klassifizierten Nicht-Bodenobjekte vollständig
oder teilweise durch graphische Bildverbesserung in Form von künstlichem
Schattenwurf oder Selbst-Illumination gesondert hervorgehoben werden.
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5 zeigt
eine konkrete Ausführung des 3D-Szenen-Layers mit unterlegtem
Basis-Layer. Man erkennt in der Bildmitte eine Hochspannungsleitung sowie
Bäume/ Gebüsch am Feldrand links sowie oben. Die
zugehörige Fluglage ist in dem separaten Bild rechts unten
dargestellt.
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Alle
graphischen Elemente des 3D-Szenen-Layers werden mit Hilfe der momentanen
Flugzustandsdaten (Fluglage und -geschwindigkeit) sowie der aktuellen
Höhe über Grund (AGL) aktualisiert. Damit wird
sichergestellt, dass alle Änderungen von Fluglage, Fluggeschwindigkeit
und Höhe über Grund unmittelbar und ohne merkbare
zeitliche Verzögerung eine entsprechende Änderung
in der Graphik-Anzeige des 3D-Szenen-Layers nach sich ziehen. Es
entsteht eine Art "Virtual-Reality" Eindruck.
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Für
die räumliche Orientierung des Piloten und die Kontrolle
des Hubschraubers im Brown-Out Fall spielt der 3D-Szenen-Layer eine
sehr wichtige Rolle. Faktisch ersetzt dieser Lager für
den Piloten die fehlende Cockpit-Außensicht. Hierbei sind
drei Dinge von Bedeutung:
- (1) eine genaue Approximation
der Erdoberfläche durch die 3D-Bodenfläche,
- (2) die größtmögliche Vollständigkeit
bez. der Darstellung aller für eine problemlose räumliche
Orientierung notwendigen Nicht-Bodenobjekte,
- (3) die 3-Dimensionalität sowohl der Bodenfläche als
auch aller dargestellten Nicht-Bodenobjekte.
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Die
Bedeutung der 3-Dimensionalität der Bodenfläche
und der Nicht-Bodenobjekte liegt in der Tatsache begründet,
dass der Pilot im Brown-Out Fall bis zu 30 s und mehr durch die
virtuelle Szenerie des 3D-Szenen-Layers fliegen muss, bevor der
Hubschrauber am Boden aufsetzt. Darüber hinaus können
gefährliche Fluglage- sowie Positionsänderungen
während der Brown-Out Landung nur dann schnell und korrekt
erkannt werden, wenn Höhe, Ausdehnung, Position und Orientierung
aller Objekte oder Hindernisse in Relation zum Hubschrauber zu jedem
Zeitpunkt korrekt angezeigt werden – einschließlich
der momentanen Höhe über Grund. Das geometrisch
sowie zeitlich korrekte Nachführen (Translation und Rotation)
der 3D-Objekte auf der Projektionsebene des 3D-Szenen-Layers während einer
Brown-Out Landung erfolgt unter Zuhilfenahme der momentanen Flugzustandsdaten
(Fluglage und Geschwindigkeit) aus denen alle relativen Orts- sowie
Orientierungsänderungen abgeleitet werden können.
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Die
3D-Informationen für die Bodenfläche und für
die Nicht-Bodenobjekte können entweder von einem RADAR,
einem Ultraschall-System, einem laserbasierten LADAR oder anderen
geeigneten, aktiv messenden Systemen stammen oder mittels Stereoskopie
(numerische Tiefenberechnung aus zwei oder mehreren Bildern) errechnet
werden.
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Als
3D-Sensor wird bevorzugt ein entfernungsbildgebender Sensor, insbesondere
ein abbildendes Laserradar eingesetzt, wie es z. B. in der
DE 39 42 770 02 oder
DE 43 20 485 A1 beschrieben
ist. Besonders geeignet ist z. B. das Helikopter-Laser-Radar HELLAS
® von EADS Deutschland GmbH, Ottobrunn,
welches 40.000 Pixel/s bei einer Reichweite von bis zu 1,2 km bereitstellt.
Die in den Fig. dargestellten konkreten graphischen Realisierungsbeispiele
zum Brown-Out MMI basieren auf den 3D-Daten dieses Sensors.
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Für
die Ermittlung der Flugzustandsdaten (Fluglage und -geschwindigkeit)
vor und während einer Brown-Out Situation existieren eine
große Menge an geeigneten Lagereferenz- und Navigationsanlagen
(z. B. von den Firmen Aerodata Flugmesstechnik GmbH oder Honeywell
International Inc.). In Abhängigkeit von der Messgenauigkeit
solcher Lagereferenz- und Navigationssysteme kann die Höhe über Grund
entweder aus den gemessenen Geschwindigkeitsvektor-Komponenten numerisch
berechnet werden oder die AGL-Höhe wird ebenfalls über
RADAR, LADAR, Ultraschall etc. gemessen. Zur Ermittlung des momentanen
Flugzustandes und/oder der Höhe über Grund können
auch geeignete Verfahren aus der digitalen Bildverarbeitung angewandt
werden, mit deren Hilfe die Lage und Bewegung des Hubschraubers
an Hand des sog. optischen Flusses basierend auf einer Bildfolgenanalyse
berechnet wird.
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Die
3D-Informationen des 3D-Szenen-Layers für die Bodenfläche
und für die Nicht-Bodenobjekte können (a) bis
unmittelbar vor dem Brown-Out Zustand akkumuliert und in einem übergeordneten Brown-Out
Recovery System zwischengespeichert werden, bevor sie im 3D-Szenen-Layers
während des Brown-Outs zur Anzeige gebracht werden oder (b)
von einem Sensorsystem erfasst werden, welches vollständig
oder teilweise durch die sog. Brown-Out-Walze aus Sand oder Staub
hindurch dringt.
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Da
die 3D-Informationen über die Nicht-Bodenobjekte in erster
Linie zur räumlichen Orientierung sowie zur Abschätzung
von Fluglage und Höhe über Grund dienen, ist es
nicht zwingend erforderlich, dass die nichteinsehbaren Rückseiten
dieser Objekte vollständig und korrekt rekonstruiert werden.
Das heißt, bei den Rückseiten sind vereinfachende
Annahmen über die tatsächliche Geometrie dieser
Objekte zulässig. Diese Vereinfachungen auf den Objektrückseiten
führen nicht zu einem Orientierungsverlust, da in erster
Linie die Erhabenheit der Objekte über der Bodenfläche,
ihre prinzipielle geometrische Form sowie insbesondere ihre korrekte
Position in Relation zum Hubschrauber die entschiedenen Kenngrößen
darstellen.
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Ebenso
muss die Geometrie der Nicht-Bodenobjekte auch auf deren sichtbaren
Vorderseiten nur bis zu einem gewissen Detailgrad rekonstruiert werden.
Es ist durchaus hinreichend, nur die generelle geometrische Struktur
und die wichtigsten räumlichen Abmessungen der Nicht-Bodenobjekte
bei der Darstellung im 3D-Szenen-Layer zu berücksichtigen. Dies
beeinträchtigt Lage und Orientierungsvermögen des
Betrachters nicht. Unter Abwägung des notwendigen Hardware-Aufwands
und der benötigten Verarbeitungszeit sollte jedoch eine
möglichst feine und genaue Rekonstruktion der Objektgeometrie
bei der Darstellung des 3D-Szenen-Layers angestrebt werden, um durch
den Betrachter eine intuitive und gleichzeitig relativ genaue Abschätzung
von Fluglage und Höhe zu ermöglichen.
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Schwebeflug-Layer
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Der
Basis-Layer und der 3D-Szenen-Layer ermöglichen eine räumliche
Orientierung und Kontrolle der Fluglage sowie Abschätzung
der Höhe über Grund im Brown-Out Fall. Der überlagerte
Schwebeflug-Layer zeigt mittels einer speziellen Symbolik die Geschwindigkeit über
Grund sowie die Richtung der momentane Bewegungs- oder Driftrichtung
in Relation zur Hubschrauber-Längsachse an.
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Der
Schwebeflug-Layer (6) besteht im Wesentlichen aus
zwei konzentrischen Kreisen und dem so genannten Drift-Indikator,
welcher mit einem virtuellen Gummiband mit dem Mittelpunkt der Schwebeflug-Layer-Symbolik
verbunden ist. Im Mittelpunkt der Schwebeflug-Layer-Symbolik befindet sich
die Null-Markierung. Die Null-Markierung bezeichnet den Ort auf
dem Display, an dem sich der Drift-Indikator befindet, wenn der
Hubschrauber keine Fahrt über Grund macht (vG =
0) – z. B. am Boden oder im konstanten Schwebeflug. Der
innere konzentrische Kreis markiert in alle Richtungen eine Bewegungs-
oder Driftgeschwindigkeit über Grund größer Null
(z. B. vG = 5 kn). Das gleiche gilt für
den äußeren konzentrischen Kreis des Schwebeflug-Layers
mit dem Unterschied, dass hier die Driftgeschwindigkeit über
Grund doppelt so groß ist (z. B. vG =
10 kn).
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An
der sog. 12 Uhr Position des äußeren Kreises befindet
sich eine zusätzliche Strichmarke. Diese Marke bezeichnet
die Vorausrichtung der Hubschrauber-Längsachse. Diametral
dazu auf der 6 Uhr Position befindet sich eine entsprechende Marke, welche
bezogen auf die Hubschrauber-Längsachse die Achterausrichtung
bezeichnet. Analog gilt dies für die entsprechenden Marken
an der 3 Uhr bzw. 9 Uhr Position zur Bezeichnung der Steuerbordquerab- bzw.
Backbordquerab-Richtung des Hubschraubers.
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Der
Drift-Indikator ist beweglich und "wandert" über das Display
des Schwebeflug-Layers. Die momentane Position des Drift-Indikators
gibt zu jeder Zeit die momentane Geschwindigkeit des Hubschraubers über
Grund als auch die momentane Drift-Richtung in Relation zur Hubschrauber-Längsachse
an. Die momentane Geschwindigkeit über Grund ist ein Maß für
die euklidische Distanz des Drift-Indikators von der oben beschriebenen Null-Markierung
im Zentrum des Schwebeflug-Layers. Die momentane Drift-Richtung
in Relation zur Hubschauber-Längsachse wird durch das virtuelle Gummiband
zwischen der Null-Markierung und dem Drift-Indikator angezeigt.
Driftet der Hubschrauber z. B. genau nach Steuerbord querab mit
einer Geschwindigkeit über Grund von 10 kn, so würde
der Drift-Indikator exakt auf dem äußeren Geschwindigkeitskreis
an der 3 Uhr Strichmarke zu liegen kommen.
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Mit
Hilfe des Schwebeflug-Layers hat der Pilot ein visuelles Instrument
an der Hand, das es ihm erlaubt, die momentane Eigenbewegung des
Hubschraubers im Brown-Out Fall hinsichtlich Geschwindigkeit und
Drift-Richtung sehr genau zu kontrollieren. In Kombination mit dem
oben beschriebenen Basis-Layer und dem 3D-Szenen-Layers ergibt sich
ein komplexes, jedoch sehr intuitiv ablesbares MMI, welches es ermöglicht,
sowohl die Orientierung und Lage des Luftfahrzeugs im Raum als auch
dessen Drift zu erkennen. Die Besonderheit hierbei ist, dass innerhalb
eines einzigen Anzeigegerätes (Display) die räumliche
Ansicht (3D-Szenen-Layer, Basis-Layer) mit einer 2-dimensionalen
Symbolik des Schwebeflug-Layers kombiniert wird.
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Für
ein operationell einsatztaugliches Brown-Out MMI ist zusätzlich
zu den beschriebenen Anzeigekomponenten des Schwebeflug-Layers die Anzeige
der Höhe über Grund (AGL) von großer
Bedeutung. Hierbei ist ein ungefährer, qualitativer Schätzwert
(wie er sich für den Piloten aus der Darstellung des 3D-Szenen-Layer
ergibt) nicht ausreichend, sondern es ist ein möglichst
exakter Wert mit einer hohen Genauigkeit von 1–2 ft. AGL-Höhe
notwendig. Die möglichst genaue AGL-Höheninformation
ist besonders für größere, schwere Hubschrauber mit
Radfahrwerk von Wichtigkeit – zumal gerade diese Hubschraubertypen
die größten Probleme in Brown-Out Situationen
haben.
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Um
auch die Information der Höhe über Grund (AGL)
auf eine leicht ablesbare, intuitive Art und Weise durch die vorliegende
Erfindung zu lösen, wird die Symbolik des Schwebeflug-Layers
um genau ein Graphikelement zur Darstellung der momentanen AGL-Höhe
erweitert. 7 veranschaulicht das Prinzip
eines Höhenindikators, im folgenden auch AGL-Indikator
genannt, zur Anzeige der momentanen Höhe über
Grund in Kombination mit den oben beschriebenen Elementen des Schwebeflug-Layers
als zentral angeordnete Anzeige-Symbolik.
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Um
den äußeren konzentrischen Geschwindigkeitskreis
des Schwebeflug-Layers herum wird ein weiterer, in dieser Ausführung
breiter ausgeführter Ring gezogen. Dieser Ring fungiert
als AGL-Indikator. Der AGL-Indikator beginnt und endet an der so genannten
12 Uhr Strichmarke des Schwebeflug-Layers, d. h. die 12 Uhr Strichmarke
entspricht sowohl der Maximalwert-Markierung als auch der Minimalwert-Markierung
des AGL-Indikators.
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Der
AGL-Indikator erscheint zusätzlich zur oben beschriebenen
Schwebeflug-Layer-Symbolik, bevorzugt ab einer geeigneten Mindesthöhe
des Hubschraubers über Grund (z. B. 100 ft. AGL). Diese Mindesthöhe
entspricht dem Maximalwert, der mit dem Höhenindikator
angezeigt werden kann. Bei der Mindesthöhe hat der AGL-Indikator
die Form eines geschlossenen Kreises.
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Wenn
der Hubschrauber sinkt und sich dadurch seine Höhe über
Grund verringert, reduziert sich synchron die Bogenlänge
des ringförmigen AGL-Indikators und zwar rückdrehend
im Gegenuhrzeigersinn. Steigt der Hubschrauber wieder, dann nimmt
analog die Bogenlänge des AGL-Indikators rechtdrehend im
Uhrzeigersinn ebenfalls wieder zu. Die Bogenlänge des ringförmigen
AGL-Indikators reduziert sich zu Null genau in dem Moment, in dem
der Hubschrauber auf den Erdboden aufsetzt. Damit bekommt die 12
Uhr Strichmarke auf dem äußeren Kreis des Driftindikators
zusätzlich die Bedeutung der 0 ft. Höhenmarke.
Die zusätzliche Bedeutung der drei anderen Strichmarken
(3 Uhr, 6 Uhr, 9 Uhr) ergibt sich leicht und unmittelbar aus der
maximalen Anzeigehöhe für den AGL-Indikator, z.
B. 3 Uhr = 25 ft., 6 Uhr = 50 ft., 9 Uhr = 75 ft., wenn die max.
Anzeigehöhe bei 12 Uhr = 100 ft liegt.
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In
einer weiteren, hier nicht dargestellten Variante des AGL-Indikators
kann sein Darstellungsbereich auf weniger als 360 Grad festgelegt
werden, z. B. auf einen Halbkreis, so dass die Höhen zwischen Mindesthöhe
und Höhe 0 ft im Winkelbereich zwischen 0 und 180 Grad
dargestellt werden. In einer solchen Ausführung würde
bei Erreichen der Mindesthöhe ein Halbkreis dargestellt.
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Der
große Vorteil des sich mit der Höhe über Grund ändernden
AGL-Indikators liegt ganz wesentlich darin, dass er sich an den äußeren
Geschwindigkeitskreis des Driftindikators anschmiegt. Dadurch ist es
dem Piloten möglich, beide Anzeigen – Driftindikator
und Höhenanzeige – gleichzeitig im Auge zu behalten.
Diese Lösung hat gegenüber anderen Anzeigekonzepten – insbesondere
an- und abschwellende Balkenanzeigen, wie sie z. B. in der oben
angeführten
WO
2005/015333 A2 vorgestellt werden – den Vorteil,
dass sich der Blick und die Aufmerksamkeit des Piloten nicht vom
Zentrum des MMI an den Bildschirmrand verlagern bzw. hin- und herschalten muss,
um die wesentlichen Kenngrößen für die
Kontrolle des Hubschraubers im Brown-Out Fall ablesen zu können.
Hinzu kommt, dass ein Flug unter Brown-Out Bedingungen bei ganz
oder teilweise eingeschränkter Cockpit-Außensicht
eine sehr hohe Konzentration durch den Piloten erfordert. Eine sehr hohe
Konzentration kann aber beim Menschen zu einem so genannten "Tunnelblick"
führen. Bei dem erfindungsgemäßen Brown-Out
MMI sind deshalb die wesentlichen Kenngrößen zentral
angeordnet und mit einem Blick erfassbar.
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8 zeigt
eine konkrete graphische Realisierung des Schwebeflug-Layers mit
der beschriebenen Symbolik, welche dem 3D-Szenen-Layer überlagert
ist.
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Der
Schwebeflug-Layer kann eine große Vielzahl von zusätzlichen
alphanumerischen und/oder graphischen Anzeigen enthalten. Welche zusätzlichen
Anzeigen in diesen Lager aufgenommen werden, kann an den jeweiligen
Einsatzzweck eines bestimmten Hubschraubermusters angepasst werden.
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Es
gibt zwei grundlegende Kenngrößen, die bevorzugt
Bestandteil dieses Lagers sein können. Dies sind zum einen
die numerische Anzeige des momentanen Kurswinkels sowie die numerische
Anzeige der momentanen Höhe über Grund (AGL-Flughöhe).
Da die Höhe über Grund in der Luftfahrt oft auch
als Radar-Höhe bezeichnet wird, kann der entsprechenden
numerischen Anzeige z. B. ein "R" vorangestellt werden, um keine
Verwechselungen mit anderen Anzeigen aufkommen zu lassen. Wichtig
ist, dass die numerische Anzeige der AGL-Flughöhe eine
exakte Entsprechung der Bogenlänge des oben beschriebenen
graphischen AGL-Indikators in Form eines Kreisbogens variabler Länge
besitzt. Eine solche Ausführung zeigt in schematischer
Darstellung die 9.
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Eine
weitere vorteilhafte Ergänzung des Brown-Out MMI's ist
z. B. auch die Anzeige des momentanen Nickwinkels des Hubschraubers.
Dies kann (a) numerisch erfolgen – wie in 10 gezeigt – und/oder
(b) graphisch durch Anzeige einer so genannten Pitch-Ladder. Man
muss jedoch beachten, dass der Nick- als auch der Rollwinkel des
Hubschraubers bereits sehr gut durch die Kombination des Basis-
und 3D-Szenen-Layers abgeschätzt werden können,
so dass auf diese zusätzliche Anzeige in vielen Fällen
verzichtet werden kann, um die Anzeige auf die absolut notwendigen
Elemente zu beschränken.
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10 zeigt
eine konkrete graphische Realisierung des erfindungsgemäßen
MMIs aus der Überlagerung von Basis-Layer, 3D-Szenen-Layer und
erweitertem Schwebeflug-Layer. Die Anzeige umfasst unterhalb des
Driftindikators die numerische Darstellung des momentanen Kurswinkels
mit vorangestelltem Nordrichtungsindikator. Am rechten Rand erkennt
man übereinander die numerische Darstellung der AGL-Flughöhe
sowie des momentanen Nickwinkels (Pitch). Die Graphik rechts zeigt
zusätzlich wieder die zugehörige Fluglage.
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Zur
weiteren Optimierung kann vorteilhaft ein zusätzlicher
Graphik-Layer in dem erfindungsgemäßen Brown-Out
MMI's vorhanden sein. Er dient zur Kennzeichnung eines Brown-Out
Zustandes. Wenn der Hubschrauber sich im Brown-Out befindet kann dies
(a) durch einen geeigneten Schriftzug und/oder (b) durch ein unverwechselbares
Symbol angezeigt werden. In der Ausführung nach 11 zum
Beispiel wird der umrandete Schriftzug BOUT rechts unten innerhalb
des Displays angezeigt. Alternativ oder zusätzlich können
zur besseren Kennzeichnung eines Brown-Out Zustandes weitere graphische
Elemente zur Anwendung kommen, z. B. ein zusätzlicher Rahmen
am Rand des Displays, wie ebenfalls in 11 exemplarisch
gezeigt. Der Schriftzug und der Rahmen können während
ihrer Aktivierung auch blinkend ausgebildet sein.
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In
der konkreten Ausführung nach 12 ist dieser
Rahmen noch weiter betont, in dem seine Ecken ausgefüllt
sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004051625
A1 [0004]
- - WO 2005/015333 A2 [0005, 0060]
- - DE 394277002 [0044]
- - DE 4320485 A1 [0044]