Can Urban Air Mobility become reality? Opportunities, challenges and selected research results

Urban Air Mobility (UAM) is a new air transportation system for passengers and cargo in urban environments, enabled by new technologies and integrated into multimodal transportation systems. The vision of UAM comprises the mass use in urban and suburban environments, complementing existing transportation systems and contributing to the decarbonization of the transport sector. Initial attempts to create a market for urban air transportation in the last century failed due to lack of profitability and community acceptance. Technological advances in numerous fields over the past few decades have led to a renewed interest in urban air transportation. UAM is expected to benefit users and to also have a positive impact on the economy by creating new markets and employment opportunities for manufacturing and operation of UAM vehicles and the construction of related ground infrastructure. However, there are also concerns about noise, safety and security, privacy and environmental impacts. Therefore, the UAM system needs to be designed carefully to become safe, affordable, accessible, environmentally friendly, economically viable and thus sustainable. This paper provides an overview of selected key research topics related to UAM and how the German Aerospace Center (DLR) contributed to this research in the project "HorizonUAM - Urban Air Mobility Research at the German Aerospace Center (DLR)". Selected research results that support the realization of the UAM vision are briefly presented.Comment: 20 pages, 7 figures, project HorizonUA

PKW-ähnliche Steuerungskonzepte für den Einsatz im Hubschrauber

Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Untersuchung von PKW-ähnlichen Steuerungskonzepten für hochgeregelte Hubschrauber. Zukünftigen Piloten soll das Beherrschen eines Hubschraubers erleichtert werden, indem das von ihnen gesammelte Vorwissen aus dem Bedienen eines PKWs für die intuitive Bedienung eines Hubschraubers nutzbar gemacht wird. Die entwickelten Steuerungskonzepte ersetzen den üblichen zyklischen Steuerknüppel durch ein Lenkrad als primäres Steuerorgan. Dieses wird genutzt, um die Roll- und Gierbewegung des Hubschraubers zu steuern. Außerdem werden Pedale für Geschwindigkeits- bzw. Beschleunigungskommandos eingesetzt. Die Höhensteuerung erfolgt wahlweise über einen Kollektivhebel oder aber über Schaltwippen am Lenkrad. Ein 8-Wege-Schalter in der Mitte des Lenkrads ermöglicht Präzisionskommandos im Schwebe- und Langsamflug, nämlich horizontale Bewegungen nach vorn, hinten, zu den Seiten oder diagonal. Für den Einsatz der Lenkradsteuerung im Hubschrauber wurden Steuerungsalgorithmen entwickelt und sowohl in der bodengebundenen Simulation als auch mittels modellbasierter Regelung in der In-Flight-Simulation des Forschungshubschraubers ACT/FHS (Active Control Technology / Flying Helicopter Simulator) umgesetzt und untersucht. Außerdem wurde ein Lenkradprototyp im Bodensimulator integriert und für den Einsatz im ACT/FHS zugelassen. Zwei im Bodensimulator durchgeführte Studien zeigen, dass die neue Lenkradsteuerung im Vergleich zu konventionellen Hubschrauberbedienelementen gleich gute oder sogar verbesserte Flugeigenschaften ermöglicht und in vielen Flugabschnitten zu geringerer Arbeitsbelastung für den Piloten führt. Auch Probanden ohne vorherige Flugerfahrung konnten die Lenkradsteuerung innerhalb kürzester Zeit erlernen. Auf dem ACT/FHS durchgeführte Flugversuche bestätigen die Fliegbarkeit der Steuerungsalgorithmen auf einem realen Hubschrauber

Wie steuert man einen Hubschrauber – Heute und in Zukunft?

Kindervortrag im Rahmen des Tages der offenen Tür 2017, DLR Braunschweig. Im Vortrag wird anschaulich und kindgerecht erläutert, wie heutige Hubschrauber gesteuert werden und wie aktuelle Forschungsergebnisse dazu beitragen können, diese Steuerung zukünftig auto-ähnlicher und einfacher zu gestalten

Towards Handling Qualities Evaluations of a Personal Aerial Vehicle in Ground-Based and In-Flight Simulation

This paper reports results from a study, conducted in a fixed-base helicopter simulator, to investigate the handling qualities of possible future Personal Aerial Vehicles (PAV) that are supposed to have VTOL capabilities like helicopters. A PAV simulation developed in the European project myCopter is used as baseline configuration. In preparation for actual flight tests on DLR’s in-flight simulator ACT/FHS an adapted version of the baseline configuration has been integrated into the model-based control environment of the ACT/FHS and evaluated on the ground-based ACT/FHS simulator. The results indicate acceptable to good model following. Finally, a third configuration with a novel steering wheel control concept is evaluated. The steering wheel replaces the conventional center stick. The other control axes are also redefined to resemble a carlike control concept for rotorcraft. The participating pilots gave better usability ratings for the conventional inceptor arrangement. Nevertheless, the detailed pilot ratings show that when the steering wheel is used the overall handling qualities can be improved while the subjective workload is reduced

Workload Reduction through Steering Wheel Control for Rotorcraft

This paper reports on the development and investigation of a novel steering wheel control concept for highly augmented rotorcraft with fly-by-wire control. The main idea is to use a steering wheel as primary inceptor instead of the conventional centre stick. The existing yaw pedals are reprogrammed to function similar to accelerator and brake pedal in a car. The height can be controlled either via a conventional collective lever or via switches behind the wheel. An additional 8-way switch in the centre of the wheel is used for horizontal precision manoeuvres in the low speed regime. A fixed-base simulator study was performed in order to compare conventional and steering wheel control with respect to pilot workload. Three different user groups participated in the study, namely helicopter pilots, car drivers and test candidates with no experience in either driving or flying. The study showed that, especially for the car drivers, the perceived workload could be reduced when flying a helicopter with steering wheel

Hubschrauberfliegen – Zukünftig mit Lenkrad?

Kann das Fliegen eines Hubschraubers so einfach werden wie Autofahren? Dies ist eine der Fragen, die im Rahmen des europäischen Forschungsprojektes myCopter untersucht wurden. Zusammen mit fünf anderen Universitäten und Forschungseinrichtungen hat das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt Technologien untersucht, die das Fliegen von morgen erleichtern können. Im Vortrag wird Bianca Schuchardt eine Lenkradsteuerung für Hubschrauber vorstellen, die, zusammen mit einem für das Projekt entwickelten Autopiloten, einen intuitiven Einstieg in die Hubschrauber-Fliegerei erlaubt. Probanden ohne vorherige Flugerfahrung konnten im Hubschraubersimulator des AVES-Simulatorzentrums innerhalb kürzester Zeit die Steuerung erlernen und das simulierte Fluggerät sicher durch eine Hinderniskulisse bewegen

myCopter Project Report

Against the background of constantly growing ground-based traffic and consequently increasing congestion problems, solutions have to be found for meeting the future demand of personal transportation. The European project myCopter, running from 01/2011 to 12/2014, has faced this challenge by investigating the implementation of a personal aerial transportation system. The project goal was to investigate technologies that are required to provide Personal Aerial Vehicles (PAVs) to the general public. These PAVs must have vertical take-off and landing capabilities like helicopters to be used even in densely populated city centers but at the same time must be as easily maneuverable as cars in order to be flyable by the general public. The idea of PAVs is not new, though. Several other projects have been aiming at developing rotorcraft prototypes for future personal air transport. The myCopter project is different from most other PAV projects as the actual design of a specific PAV was not in the focus of myCopter. Instead, selected technological approaches have been investigated that are critical for the implementation of a personal aerial transportation system. Apart from socio-economic aspects and autonomous flight capabilities, human-machine interfaces and vehicle handling characteristics have been investigated. In order to verify selected technologies developed during the project, DLR used ground-based and in-flight simulation. The project has received funding from the European Commission’s Seventh Framework Programme (grant agreement no. 266470) under the full project title “myCopter - Enabling Technologies for Personal Aerial Transportation Systems”. The project’s homepage is to be found at www.mycopter.eu. This document compiles the internal and external myCopter reports that were completed by DLR during the years 2011 to 2014. Additional reports that were completed by project partners are added if they are relevant for the DLR contribution

Simulation eines hochgeregelten Hubschraubers mit Lenkradsteuerung

Einen Hubschrauber zu fliegen braucht viel Geschicklichkeit und Training. Autofahren hingegen kann fast jeder erlernen. Diesem Vorurteil widmete sich Drees bereits 1987 und entwarf einen "easy-to-fly"-Hubschrauber, der sich ähnlich einfach steuern lassen sollte wie ein PKW. Gazda hatte schon lange zuvor, in den 1940ern, versucht, einen Hubschrauber mit Lenkrad zu steuern, konnte sein Projekt aber nicht erfolgreich zu Ende bringen. Heutige Fly-by-Wire-Architekturen ermöglichen die Integration von Bedienelementen, ohne dass diese mechanisch mit den Steuerflächen des jeweiligen Fluggeräts verbunden sein müssen. Dies eröffnet vollkommen neue Designmöglichkeiten zur Steigerung von Komfort und Effizienz. Während Sidesticks bereits intensiv erforscht wurden und werden, gibt es wenige andere Alternativen zu konventionellen Hubschraubersteuerknüppeln. Warum also nicht etwas Neues wagen und die Ideen von Drees und Gazda in die Realität umsetzen? Ein hochgeregelter Hubschrauber mit Lenkradsteuerung verspricht einfaches Fliegen für professionelle Piloten wie auch für zukünftige Piloten, die von ihrem – oft immensen – Vorwissen aus dem Straßenverkehr profitieren können. Der vorgeschlagene Vortrag wird, basierend auf den Ergebnissen des europäischen Forschungsprojektes myCopter, einen Einblick in die Entwicklung einer Lenkradsteuerung für Hubschrauber geben. Der Ansatz ist, ein Lenkrad als primäres Steuerorgan zu nutzen, das anstatt des zyklischen Steuerknüppels integriert wird. Eine Drehung des Lenkrads sorgt je nach Fluggeschwindigkeit für eine Gier- oder Rollbewegung des Hubschraubers. Über Fußpedale können Beschleunigungs- und Verzögerungskommandos gegeben werden. Die Höhensteuerung erfolgt wahlweise über einen konventionellen Kollektivhebel oder aber über Schaltwippen am Lenkrad. Ein zusätzlicher 8-Wege-Schalter ermöglicht Präzisionskommandos im Langsamflugbereich. Das Konzept wurde bereits erfolgreich im AVES Simulationszentrum des DLR Braunschweig erprobt. Im Vortrag wird insbesondere auf die Modellierung der Steuerungsalgorithmen eingegangen. Statt eines physikalisch basierten Hubschraubermodells mit Regelung wurde ein Ansatz gewählt, der die direkte Vorgabe von Flugeigenschaften erlaubt. Abgeleitet aus den Vorgaben des ADS-33E-PRF wurden für jede Steuerachse Transferfunktionen definiert, die sich mit wenigen Parametern variieren lassen. Die Steuerungsalgorithmen wurden außer zur bodengebundenen Simulation im AVES auch erfolgreich als Kommandomodell auf dem Forschungshubschrauber ACT/FHS im realen Flugversuch erprobt