Understanding the Use of Automation in Helicopters

Helicopters possess the unique capability of hovering stationary in the air and landing with relative ease in a variety of terrain, which sets them apart from fixed-wing aircraft. However, due to operations close to terrain and obstacles, piloting a helicopter can be a challenging task that involves risk of incidents and accidents. One avenue to increase helicopter safety is providing improved cockpit automation functions which optimally support the pilots, such that they can react to every safety-critical situation to the best of their ability. Throughout history, automation has brought tremendous improvements to human productivity. However, the effects of automation are not always beneficial. Automation can have a detrimental influence on manual control capabilities, the reaction time to safety-critical events, and workload, in particular in situations that have not been anticipated by the automation designer. It is therefore paramount that helicopter automation development takes the whole operational envelope into account, including off-nominal and unforeseen events. There already exist many approaches for developing automation in aviation, in particular in the commercial fixed-wing domain. However, due to different operational environments and pilot responsibilities, the results of fixed-wing automation development cannot be used to guide helicopter automation development. Also, some systems that have been evaluated in the helicopter domain seem to focus only on very specific operational envelope and timescales, neglecting the wider operational context. This dissertation aims to close this gap between isolated task-support systems, providing insight into the effects of employing different automation design principles both within and outside of their operational envelope. Two distinct automation design philosophies are investigated in this dissertation: ecology-centred and task-centred automation. Both approaches were investigated and compared in the commercial fixed-wing domain before and showed profound differences based on the operational environment. This dissertation investigates whether these differences are identical in commercial fixed-wing and helicopter operations. The ecology-centred or constraint-based design approach focuses on the ecology or work domain of the helicopter. It is based on ecological interface design, a methodology that, up until now, has not been widely applied in the helicopter domain. It aims to provide information about the underlying work domain structure and constraints, while leaving the final decision in the hands of the pilot. This design approach encourages robust control by providing a wide range of feasible solutions, with the pilots as the final decision-makers. The task-centred or advisory design approach focuses on technology-centred automation capabilities. It aims to provide task-related information and optimal suggestions without disclosing the underlying reasoning. The given advice encourages optimal control by providing one specific suggested solution to the pilots. How can advisory and constraint-based automation design philosophies improve helicopter safety at different timescales of operation? To answer this question, three subquestions are investigated: What are the peculiarities of helicopter automation; how do different automation design philosophies influence safety (and other parameters) in helicopters during short-, medium-, and long-term scenarios; and how can the experimental results be incorporated into guidelines for helicopter automation design? These questions are first answered on separate timescales, utilising the results of four human-in-the-loop experiments performed in the SIMONA Research Simulator at Delft University of Technology. Afterwards, the results are discussed in the context of the whole operational envelope of helicopters. To structure the work of this dissertation, two established automation classification methods are utilised: the level of automation and the stage of automation. These methods are extended with the level of control sophistication, which correlates with the timescale, complexity, and uncertainty of supported task environments. Classifying automation systems in such a way enables the discovery of automation coverage clusters and gaps in the helicopter domain. This analysis motivates the four human-in-the-loop experiments of this dissertation. The first experiment focused on the short timescale task of hovering, a task that is included in practically every helicopter mission. During hovering and low-speed manoeuvring, head-down hover displays and instrument panels theoretically provide all necessary flight data information to control the helicopter. However, past experiments have shown that head-down displays can incur high workload and control instability. This result has been replicated in the first experiment: pilots were unable to perform the hover task with a task-centred head-down hover display, while the ecology-centred outside visuals enabled task completion. This highlights the positive impact of a natural representation of the work domain (i.e., good outside visuals) during short-term tasks, and how a focus on only task-related state representation in displays can make the control task impossible. The following experiment focused on head-up, conformal symbology to support helicopter low-speed manoeuvring and hovering. Within the frame of conformal head-up displays, the same design approaches as in the previous experiment were investigated. The first, ecology-centred display contained a grid ground texture and a box indicating the hover target position. The second, task-centred display bore close resemblance to a standardised hover course. Both displays were compared with a baseline condition with good outside visibility. The ecology-centred display produced similar, good performance as the baseline condition, although workload and situation awareness deteriorated. This time, the task-centred display at least afforded task completion, but performance was worse. It appears that distinctive ground textures and far-field references play a much larger roles in hover performance than task-specific cues. The following experiment expanded the timescale to investigate an obstacle avoidance task. This task is located in the medium timescale of operation, separated from the immediate, short-term stabilisation control task. It is similar to a task chosen in past research in the fixed-wing domain to investigate ecological interface design. Pilot preference remained identical between both domains: pilots preferred advisory automation in nominal, and constraint-based automation in off-nominal situations, highlighting the increased resilience of the constraint-based system towards unexpected events. However, this experiment in the helicopter domain also showed a trend of improved pilot workload and situation awareness while using the ecology-centred display, even in nominal situations. Besides pilot opinion, constraint-based automation led to better results. The analysed task was still connected to manual helicopter control, albeit on a higher level than the stabilisation task. The next experiment investigated whether results differ when performing cognitive decision-making tasks, as opposed to skill-based manual control tasks. The focus lied on pilot trajectory decision-making in the long timescale. This setup aimed to emulate the requirements of real-world helicopter operations, where pilots are required to exert control on all timescales at the same time, from short-term stabilisation to long-term navigation. The results show a significant negative impact of the advisory display on pilot trajectory decision-making during unexpected events. As the temporal gap between the short-term manual control task and the performed decision-making task increases, the inadvertent negative effects of automation appear more pronounced. The constraint-based display did not negatively impact the pilots' decision-making, but also failed to improve any of the other dependent metrics. This showcases the potential of constraint-based displays to avoid inadvertent automation effects, but also highlights their training and familiarisation issues. If constraint-based automation should be a contender for real-world helicopter automation, these issues need to be addressed in future research. Combining the results of all experiments, it appears that the peculiarities of helicopter control and the broader operational envelope influence the effect of the employed automation. Ecology-centred and constraint-based automation generally enables the pilots to successfully complete the task with acceptable performance, albeit there is room for improvement with respect to the systems' ease-of-use. Advisory automation is preferred by the pilots, but it produces significant negative effects on navigational decision-making when confronted with off-nominal situations. It is hypothesised that a ``cognitive gap'' in automation coverage across timescales, between the requirements of manually controlling the helicopter on the short timescale and supervising advisory automation on the long timescale, exacerbates negative automation effects. These effects seem to be particularly strong when the ``gap'' occurs in the action selection stage. Helicopter automation should focus on supporting the pilots' information acquisition and analysis tasks across all timescales, while leaving the final action selection and implementation to the pilots. Advisory automation should only be employed when this does not cause an ``action selection gap'', i.e., the same process should be supported at least as strong on lower timescales. Supporting pilots in the suggested way should enable them to employ their control and decision-making skills to the best of their extensive capabilities, and therefore increase helicopter operational safety.

Gli elicotteri possiedono le capacità uniche di librarsi fermi in aria e atterrare con relativa facilità su una varietà di terreni, cosa che li distingue dagli aerei ad ala fissa. Queste capacità consentono loro di svolgere molti ruoli critici nella società moderna. Ad esempio servizi di ordine pubblico, medici, la ricerca e il salvataggio e operazioni di lavoro aereo. Per effetto di questa elevata varietà di missioni e della conseguente necessità di volare vicino al suolo e a ostacoli, pilotare un elicottero può essere un compito impegnativo, che comporta il rischio di incidenti. Un modo per aumentare la sicurezza degli elicotteri è fornire migliori funzionalità di automazione del pilotaggio. Per aumentare la sicurezza operativa, il miglioramento dell'automazione del pilotaggio mira a fornire un supporto ottimale al pilota, affinché possa reagire al meglio delle proprie capacità a ogni situazione critica per la sicurezza. Nel corso della storia, l'automazione ha apportato enormi miglioramenti alla produttività umana. Tuttavia, gli effetti dell'automazione non sono sempre vantaggiosi. L'introduzione dell'automazione può avere un'influenza negativa sulle capacità di controllo manuale del pilota, sul tempo di reazione agli eventi critici per la sicurezza e sul carico di lavoro, in particolare in situazioni che non sono state previste in fase di progetto dell'automazione. È quindi fondamentale sviluppare ulteriormente l'automazione degli elicotteri tenendo conto dell'intera dotazione operativa, compresi eventi fuori dalle condizioni nominali e l’eventualità di imprevisti. Esistono già molti approcci per lo sviluppo di display e funzioni di automazione nell'aviazione, in particolare nel settore commerciale dell'ala fissa. Tuttavia, a causa di ambienti operativi molto diversi e di diversi compiti e responsabilità tipici dei piloti, i risultati dello sviluppo dell'automazione ad ala fissa non possono essere utilizzati così come sono come riferimento per lo sviluppo dell'automazione nel settore degli elicotteri. Inoltre, alcuni sistemi che sono stati valutati in ambito elicotteristico sembrano concentrarsi solo sul loro specifico inviluppo operativo o sulla sua specifica scala temporale, trascurando il più ampio contesto operativo. Questa tesi mira a colmare questo divario tra supporto per attività a breve e lungo termine, fornendo informazioni sugli effetti dell'utilizzo di diversi principi di progettazione dell'automazione sia all'interno che all'esterno della loro struttura operativa. Al fine di ottenere una panoramica dei fattori che influenzano i diversi aspetti di progettazione dell'automazione, in questa tesi vengono studiate empiricamente due distinte filosofie di progettazione dell'automazione: l'automazione centrata sull'ecologia e l'automazione centrata sul compito. Entrambi gli approcci sono stati studiati e confrontati nel dominio commerciale dell'ala fissa e hanno mostrato profonde differenze in base all'ambiente operativo. Questa tesi indaga se l'effetto di entrambe le filosofie di progettazione dà nell’ambito delle operazioni elicotteristiche commerciali risultati differenti da quelli ottenuti nell’ambito delle operazioni commerciali ad ala fissa. L'approccio alla progettazione centrato sull'ecologia, o sui vincoli, si concentra sull'ecologia o sul contesto di lavoro dell'elicottero. Si basa sulla progettazione di interfacce ecologiche, una metodologia che, fino ad ora, non è stata ampiamente applicata e valutata nel settore elicotteristico. Essa mira a fornire informazioni sulla struttura e sui vincoli del contesto di lavoro corrente, lasciando nelle mani del pilota la decisione finale su quali azioni intraprendere. Questo approccio progettuale mira ad aumentare la comprensione delle situazioni da parte dei piloti e a incoraggiare un controllo robusto, ovvero fornendo un'ampia gamma di soluzioni fattibili, con i piloti come decisori finali. L'approccio progettuale centrato sulle attività, o consultivo, è orientato verso capacità di automazione incentrate sulla tecnologia. Mira a fornire informazioni strettamente correlate alle attività e suggerimenti/consigli ottimali, senza esporre il processo logico sottostante. Questo approccio progettuale mira a fornire scorciatoie che riducono al minimo lo sforzo cognitivo richiesto. Il compito dei piloti si riduce all'esecuzione delle azioni suggerite o alla reazione agli allarmi. I consigli forniti incoraggiano il controllo ottimale fornendo ai piloti una specifica soluzione suggerita. In che modo le filosofie di progettazione dell'automazione basate sulla consulenza e sui vincoli possono migliorare la sicurezza degli elicotteri in diverse scale temporali di funzionamento? Per rispondere a questa domanda, questa tesi indaga consecutivamente tre sottodomande: Quali sono le peculiarità dell'automazione degli elicotteri; in che modo le diverse filosofie di progettazione dell'automazione influenzano la sicurezza (e altri parametri) negli elicotteri durante scenari con condizioni di attività a breve, medio e lungo termine; e come si possono incorporati i risultati sperimentali raccolti in linee guida per la progettazione dell'automazione degli elicotteri? A queste domande viene prima data risposta su scale temporali separate, utilizzando i risultati di quattro esperimenti “human-in-the-loop” eseguiti nel SIMONA Research Simulator presso la Delft University of Technology. Successivamente, i risultati vengono discussi nel contesto dell'intero spettro di operazioni degli elicotteri. Al fine di costruire una solida base per gli esperimenti di questa dissertazione, precedenti ricerche nell’ambito dell'automazione degli elicotteri vengono esaminate e organizzate. Vengono utilizzati due metodi consolidati di classificazione dell'automazione: il livello di automazione (Level of Automation, LoA) e lo stadio di automazione (Stage of Automation). Questi metodi sono estesi con l’aggiunta del livello di sofisticazione del controllo (Level of Control Sophistication, LoCS), che è correlato alla scala temporale, alla complessità e all'incertezza degli ambiti di attività supportati. Classificare i sistemi di automazione in questo modo consente di individuare agglomerati di copertura dell'automazione e lacune in ambito elicotteristico. Sia i sistemi di automazione a breve termine, come i regolatori di velocità del rotore o i sistemi antighiaccio, sia i sistemi di automazione della gestione della missione a lungo termine, forniscono funzioni uniche per la loro scala temporale di funzionamento. Su scale temporali intermedie, a prima vista, le funzioni fornite dall'automazione sembrano abbastanza simili, ad esempio, determinazione, visualizzazione e implementazione della traiettoria futura. Tuttavia, i sistemi su scale temporali diverse prendono in considerazione diversi tipi di informazioni e basano la loro funzione su una diversa scala temporale di informazioni e previsioni. Soprattutto per questi sistemi è importante definire chiaramente i confini e le capacità operative, o definire un sistema che incorpori queste funzioni simili in un quadro di supporto unificato per il pilota, che tenga traccia delle capacità e dei limiti dei suoi moduli di automazione. I risultati di questa analisi guidano la progettazione dell'automazione dei quattro esperimenti con soggetti umani eseguiti in questa tesi. Il primo esperimento si è concentrato sul compito a breve termine di volo a punto fisso (hover), un compito che fa parte praticamente di ogni missione di un elicottero. Durante il volo a punto fisso e le manovre a bassa velocità, i display e i quadri strumenti “a testa bassa” (Head-Down) forniscono teoricamente tutte le informazioni sui dati di volo che occorrono per pilotare l'elicottero. Tuttavia, esperimenti precedenti hanno dimostrato che i display “head-down” possono comportare un elevato carico di lavoro, instabilità del controllo e persino perdita di controllo se utilizzati dal pilota come unica fonte di dati di volo. Per capire meglio perché possono verificarsi tali problemi, una buona visuale esterna (approccio centrato sull'ecologia) è stata confrontata con un display per hover “head-down” e un pannello strumenti (approccio centrato sul compito). Sebbene entrambi gli approcci forniscano teoricamente tutte le informazioni di stato necessarie per eseguire l'attività di volo a punto fisso, i piloti non sono stati in grado di eseguire l'attività con il display per l’hover relativo all’approccio centrato sul compito. Questi risultati evidenziano l'impatto positivo di una rappresentazione naturale del dominio di lavoro (cioè una buona visuale esterna) durante le attività a breve termine e come concentrarsi solo sulla rappresentazione dello stato correlato alle attività nei display potrebbe rendere impossibile il completamento dell'attività di controllo. Nel tentativo di utilizzare questi risultati, l’esperimento seguente si è concentrato sull’uso di simbologia conforme “a testa alta” (head-up) per supportare le manovre a bassa velocità e il volo stazionario dell'elicottero. All'interno di questo schema di display head-up conformi, sono stati considerati gli stessi approcci di progettazione dell'esperimento precedente. Il primo display incentrato sull'ecologia contiene una trama del terreno a griglia e un riquadro che indica la posizione del riferimento per il volo a punto fisso. Il secondo display incentrato sull'attività ha una stretta somiglianza con un percorso di transizione verso il volo a punto fisso standardizzato, definito dalla Aeronautical Design Standard (ADS) 33E-PRF. Riproduce la rappresentazione visiva di tutti gli elementi del percorso come il display head-up. Entrambi i display sono stati confrontati con una condizione di riferimento con buona visibilità esterna. Il display incentrato sull'ecologia ha prodotto prestazioni simili e buone rispetto alla condizione di riferimento, sebbene il carico di lavoro e la consapevolezza situazionale fossero peggiorati. Questa volta, per lo meno, la visualizzazione incentrata sull'attività ha consentito il completamento dell'attività, ma le prestazioni sono state peggiori rispetto alle altre due condizioni. Sulla base di questi risultati, sembra che le strutture caratteristiche del terreno e i riferimenti in lontananza, ovvero elementi del dominio del lavoro dell'elicottero o dell'ecologia in buona visibilità, svolgano un ruolo molto più importante nelle prestazioni di volo rispetto ai segnali specifici del compito associato al percorso di volo standardizzato. Mentre i due esperimenti precedenti hanno studiato l'attività a breve termine di volo a punto fisso, l'esperimento seguente ha ampliato la scala temporale operativa per indagare su un'attività di evitamento di ostacoli. Questo compito si trova nella scala temporale intermedia di operazione, separata dall'attività di controllo di stabilizzazione a breve termine su una scala temporale breve. È simile a un compito scelto in ricerche precedenti nell’ambito dell'ala fissa per studiare la progettazione di interfacce ecologiche. Tuttavia, le differenze tra le operazioni di aeromobili commerciali ad ala fissa e quelle con elicotteri portano a un risultato diverso. La preferenza del pilota è rimasta identica tra i due domini: i piloti preferivano l'automazione consultiva in situazioni nominali e quella basata su vincoli in situazioni non nominali. Il carico di lavoro e la consapevolezza situazionale sono stati maggiormente migliorati dall'approccio basato sui vincoli, così come la resilienza agli eventi imprevisti. Questi risultati suggeriscono che nel compito su scala temporale media considerato, l'automazione basata su vincoli abbia portato a risultati migliori. L'attività analizzata era ancora direttamente collegata al controllo manuale dell'elicottero, sebbene a un livello superiore rispetto all'attività di stabilizzazione di basso livello. L'esperimento successivo ha studiato se i risultati durante l'esecuzione di compiti decisionali cognitivi differissero rispetto ai compiti di controllo manuale basati sulle abilità. Ci si è focalizzati sul processo decisionale del pilota sulla traiettoria nella scala temporale lunga, l'attività di controllo manuale dell'elicottero sulle scale temporali inferiori ha agito solo come attività secondaria ad alta intensità di carico di lavoro. Questa configurazione mirava a emulare i requisiti delle operazioni con elicotteri del mondo reale, in cui ai piloti è richiesto di esercitare il controllo su tutte le scale temporali contemporaneamente, dalla stabilizzazione a breve termine alle decisioni di navigazione a lungo termine. I risultati mostrano un significativo impatto negativo della visualizzazione di avviso sul processo decisionale della traiettoria del pilota durante eventi imprevisti. Con l'aumentare del divario temporale tra l'attività di controllo manuale a breve termine e l'attività decisionale svolta, gli effetti negativi involontari dell'automazione sembrano essere più pronunciati. La visualizzazione basata sui vincoli non ha un impatto negativo sul processo decisionale dei piloti, ma non migliora nemmeno le altre metriche collegate. Quest'ultimo esperimento mostra il potenziale dei display basati su vincoli per evitare effetti involontari dell’automazione, ma evidenzia anche i problemi di formazione, familiarizzazione e facilità d'uso. Perché l'automazione basata sui vincoli possa essere un valido candidato per l'automazione di elicotteri operativi, questi problemi devono essere risolti dalla ricerca futura. Combinando i risultati di tutti gli esperimenti, sembra che le peculiarità del controllo dell'elicottero (la necessità di azioni di controllo continuative “con le mani sempre sui comandi” in parallelo all'uso di qualsiasi sistema di automazione a bordo) e il più ampio inviluppo operativo influenzino l'effetto dell'impiego dell’automazione. L'automazione incentrata sull'ecologia e basata sui vincoli generalmente consente ai piloti di completare con successo l'attività con prestazioni accettabili, sebbene vi siano margini di miglioramento per quanto concerne la facilità d'uso dei sistemi. L'automazione consultiva è generalmente preferita dai piloti, ma produce significativi effetti negativi sul processo decisionale di navigazione quando si trovano alle prese con situazioni impreviste e fuori dalle condizioni nominali. Si ipotizza che un “divario cognitivo” nella copertura dell'automazione su scale temporali, tra la necessità di controllare manualmente l'elicottero sui tempi brevi e quella di supervisionare l'automazione consultiva su scale temporali lunghe, tenda a esacerbare gli effetti negativi dell'automazione. Questo effetto sembra essere particolarmente forte quando il “divario” si verifica nella fase di automazione della selezione dell'azione. Per aumentare la sicurezza delle operazioni, l’automazione futura degli elicotteri dovrebbe concentrarsi sul supporto alle attività di acquisizione e analisi delle informazioni da parte dei piloti su tutte le scale temporali, lasciando ai piloti la selezione e l'attuazione dell'azione finale. L'automazione consultiva dovrebbe essere impiegata solo quando ciò non causi un “divario nella selezione delle azioni”, ovvero lo stesso processo è supportato in modo almeno altrettanto forte anche su scale temporali più brevi. Ciò evita la necessità di eseguire un'attività di controllo manuale su una scala temporale di funzionamento breve e, in parallelo, un'attività di controllo di supervisione su una scala temporale di funzionamento più lunga. Supportare i piloti nel modo suggerito dovrebbe consentire loro di utilizzare le proprie capacità di controllo e decisionali al meglio delle loro (ampie) capacità, e quindi aumentare la sicurezza operativa dell'elicottero.