民用飛機導光板自適應調(diào)光控制技術研究

李 倩， 吳春澤

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

0 引言

導光板照明是飛機駕駛艙照明的一部分，安裝在駕駛艙控制板上。導光板是一種有機玻璃板，表面涂有漫反射涂層，光源嵌在有機玻璃板內(nèi)，通過光線在有機玻璃內(nèi)傳遞照亮導光板上的標記。使用這種照明方式，無論是在白天還是黑夜，導光板上的標記都是清晰可見的，能將駕駛艙控制板上的狀態(tài)信息準確顯示給飛行員，增加飛機夜航的安全性。

在飛機飛行過程中，駕駛艙內(nèi)環(huán)境光不斷發(fā)生變化，駕駛艙光環(huán)境直接影響飛行員的視覺舒適性，飛行員通過操作多個調(diào)光旋鈕來實現(xiàn)對駕駛艙內(nèi)照明設備的亮度調(diào)節(jié)，為了使各類開關、旋鈕、指示字符看起來更加清晰、舒適，飛行員需要經(jīng)常手動調(diào)節(jié)各類發(fā)光器件的亮度，人工調(diào)節(jié)過程分散了飛行員注意力，增加了駕駛員負擔。另外人工調(diào)節(jié)隨機性較大，一般不容易調(diào)節(jié)出最佳的照明效果;如果亮度設置不合適，還可能導致眩光、飛行員誤操作等問題，進而對安全飛行造成不良影響。

民用飛機駕駛艙顯示器已經(jīng)實現(xiàn)了自適應調(diào)光控制技術，該技術對于飛機導光板照明尚未應用。目前，飛機導光板在調(diào)光控制形式上已經(jīng)發(fā)展到基于脈沖寬度調(diào)制(PWM)的數(shù)字調(diào)光方式，由于采用了數(shù)字總線和應用軟件，系統(tǒng)具有較大的擴展余地，可以較方便地發(fā)展到自適應調(diào)光控制階段。自適應調(diào)光技術可以利用自適應調(diào)光系統(tǒng)適應外界光環(huán)境變化，根據(jù)檢測的光環(huán)境，適時、適量地自動調(diào)節(jié)駕駛艙導光板的亮度，滿足飛行員觀察各類儀表信息的視覺需求，減少人工干預和調(diào)節(jié)，減輕了飛行員的工作負擔［1］。

1 導光板照明自適應調(diào)光控制關鍵設計需求

自適應調(diào)光方式以自適應調(diào)光控制器以及用于檢測環(huán)境光的光照傳感器為核心，通過分布在駕駛艙內(nèi)的多個光照傳感器檢測飛機駕駛艙內(nèi)環(huán)境光照度的變化，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，由控制器經(jīng)過邏輯處理后，根據(jù)設定的調(diào)光曲線輸出相應的PWM 波形，驅(qū)動導光板照明回路，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)導光板亮度的目的。

自適應調(diào)光控制系統(tǒng)的關鍵設計需求主要包括3個方面。

1)環(huán)境光照傳感器布局設計。環(huán)境光照傳感器選擇原則、安裝位置和數(shù)量決定了其測量參數(shù)是否能與飛行員視覺舒適度密切關聯(lián)，間接決定了自適應調(diào)光控制的效果，如何結(jié)合駕駛艙布局及環(huán)境光的分布，確定傳感器的安裝位置和數(shù)量是系統(tǒng)設計的關鍵所在。

2)亮度曲線模型的設計。導光板照明亮度自適應調(diào)節(jié)時，如何通過視覺工效試驗，擬定出合理的調(diào)光參數(shù)曲線，建立亮度曲線模型，確定駕駛艙內(nèi)環(huán)境光照度和導光板亮度對應關系，是系統(tǒng)設計的一個關鍵環(huán)節(jié)。

3)PWM 頻率值及占空比范圍的設定。PWM 頻率的選擇及占空比范圍的設定是系統(tǒng)設計時需考慮的重要因素，PWM 調(diào)光控制技術在飛機導光板照明設計中已較為成熟，本文將采用現(xiàn)有的工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)直接確定PWM 頻率值及占空比范圍。

2 導光板照明自適應調(diào)光控制設計思考

2．1 系統(tǒng)架構設計

導光板照明自適應調(diào)光控制系統(tǒng)將采用模塊化設計，系統(tǒng)由環(huán)境光照度檢測模塊、自適應調(diào)光控制器、PWM 驅(qū)動模塊及手動補償模塊組成。導光板照明自適應調(diào)光控制系統(tǒng)架構如圖1 所示［2］。

圖1 自適應調(diào)光控制系統(tǒng)架構Fig．1 Self-adjusting brightness control system architecture

本系統(tǒng)將在駕駛艙導光板布置區(qū)域設置一定數(shù)量的光照傳感器，用于檢測環(huán)境光照度，并通過自適應調(diào)光控制器采集處理后，計算出相應的環(huán)境光照度，通過查表的形式，根據(jù)預設的亮度曲線模型，得出對應環(huán)境光照度下的導光板亮度值，輸出該亮度值下的PWM波形，驅(qū)動各LED 導光板，實現(xiàn)對導光板亮度的自動調(diào)節(jié)。

2．2 光照傳感器布局設計

2．2．1 傳感器的選擇

所選用傳感器的量程取決于駕駛艙的光環(huán)境變化范圍及導光板上的字符和標記在不同光環(huán)境下的可讀性。

飛機導光板自適應調(diào)光控制系統(tǒng)工作時，利用分布于駕駛艙內(nèi)各相關位置處的光照傳感器來檢測駕駛艙內(nèi)環(huán)境光變化。在自然光下，環(huán)境光亮度變化范圍很大，因此照度變化范圍也很廣，從近乎0 到幾十萬lx數(shù)量級，由此可知，駕駛艙內(nèi)環(huán)境光照度變化范圍為0 ～100 000 lx。當駕駛艙環(huán)境光照度大于200 lx 時，導光板上的字符和標記在不被激勵時也清晰可讀，其上字符的反射亮度既能滿足人眼的觀看要求(此時導光板不需要照明)，也不需要亮度調(diào)節(jié)，由此，在導光板周圍僅需布置低照度光照傳感器即可。本文選用型號JCJ100P 光照傳感器，檢測0 ～200 lx 范圍內(nèi)的環(huán)境光照度，其輸出電壓范圍為0 ～5 V。

2．2．2 光照傳感器位置確定

在飛機飛行過程中，為了達到自適應調(diào)光的目的，飛機需要將不同情況、不同天氣、不同地區(qū)的環(huán)境光進行有效檢測。光照傳感器需布置在導光板周圍，其安裝位置及數(shù)量主要根據(jù)導光板分布及駕駛艙內(nèi)環(huán)境光分布情況而定。為合理布置光照傳感器，需要知道導光板周圍環(huán)境光的可能分布，以確定導光板周圍和其上環(huán)境光變化的情況。

本文提出一種光照傳感器布局設計方法，即利用SPEOS 光學仿真軟件分析駕駛艙各區(qū)域環(huán)境光的可能分布情況，并結(jié)合各區(qū)域?qū)Ч獍宓姆植?，最終確定光照傳感器的安裝位置［3］。

利用SPEOS 進行光學仿真，其光學仿真過程如下所述。

1)在畫圖軟件CATIA 中提取駕駛艙內(nèi)輪廓及導光板所在3 個安裝區(qū)域的上表面，建立駕駛艙的幾何模型。

2)定義駕駛艙內(nèi)部材料及表面性質(zhì)，在SPEOS 軟件中設定駕駛艙內(nèi)部材料的吸收、反射、漫射等參數(shù)。其中導光板表面涂有減少反射的涂層，涂層表面的鏡面反射率設置為0．5%，涂層表面的光泄漏(吸收加上漫反射)設置為1．0%，導光板背景光澤設置為5 個單位。

3)加入光源，光照傳感器布局時主要考慮自然光的影響，在SPEOS 軟件中設定光源為自然光。

4)設定仿真參數(shù)，主要包括飛機飛行時所處的地理位置、季節(jié)、時間、飛機航向。

根據(jù)SPEOS 光學仿真結(jié)果得到駕駛艙內(nèi)各區(qū)域的環(huán)境光分布，如圖2 所示。

圖2 駕駛艙環(huán)境光照度分布Fig．2 Cockpit ambient light distribution

由圖2 中的SPEOS 光學仿真結(jié)果可看出，當環(huán)境光照度小于200 lx 時，駕駛艙照明環(huán)境較為均勻，同時在環(huán)境光照度比較低時，在飛機飛行過程中，飛行員將開啟駕駛艙一般泛光照明，駕駛艙內(nèi)主要光線是駕駛艙頂燈和各區(qū)域泛光燈提供的一般和泛光照明，此時，駕駛艙整體光環(huán)境較為均勻。由此，在駕駛艙光環(huán)境照度比較低時，結(jié)合駕駛艙一般泛光照明，導光板周圍及其上的環(huán)境光分布是比較均勻的。為了使檢測的環(huán)境光照度更為合理，本文采用“照度最大值”的原則，在導光板所在區(qū)域的對角線位置和中央位置分別布置一個光照傳感器，取3 個光照傳感器的最大值作為所測導光板區(qū)域的照度值，以保證光照傳感器采集的環(huán)境光照度為導光板區(qū)域及其周圍的最大值，按照采集的環(huán)境光照度的最大值進行亮度調(diào)節(jié)，可保證飛行員能看清所有導光板上的信息［4-7］。

為確定光照傳感器位置，還需考慮各區(qū)域?qū)Ч獍宓姆植记闆r。駕駛艙導光板一般分為儀表板和遮光罩區(qū)域、頂部板區(qū)域和中央操縱臺區(qū)域3 個區(qū)域，其在駕駛艙的分布如圖3 所示。

圖3 駕駛艙導光板分布Fig．3 Cockpit light guide plate distribution

導光板各區(qū)域的對角線位置和中央位置點作為光照傳感器的布置位置。按照此導光板光照傳感器位置確定方法，可確定駕駛艙3 個區(qū)域?qū)Ч獍骞庹諅鞲衅鞯奈恢萌鐖D4 所示，其中，“●”表示光照傳感器位置。

圖4 導光板光照傳感器位置Fig．4 Light guide plate ambient light sensor arrangement

2．3 亮度曲線模型的建立

為實現(xiàn)LED 導光板自動調(diào)光系統(tǒng)，其調(diào)光參數(shù)的設定至關重要。為了達到更好的人機工效，應在考慮人眼亮度感應規(guī)律的基礎上，以人眼對亮度具有的本能非線性感受［8］，結(jié)合視覺工效試驗，擬合出合理的導光板亮度隨環(huán)境光照度變化的調(diào)光曲線，即亮度曲線模型。

導光板照明亮度自動調(diào)節(jié)時，通過光照傳感器檢測到環(huán)境光照度后，根據(jù)導光板亮度曲線模型確定當前環(huán)境光照度下導光板亮度值。導光板亮度曲線模型定義了駕駛艙內(nèi)環(huán)境光照度和導光板亮度的對應關系，該亮度曲線模型通過視覺工效試驗建立。視覺工效試驗時，通過模擬太陽光源產(chǎn)生200 lx 以下不同照度的環(huán)境光，在每一檔環(huán)境照度條件下，預設不同的導光板亮度值，受試者分別對其進行主觀評估，給出認讀導光板字符所需的舒適亮度，并在此基礎上建立亮度曲線模型。

2．3．1 實驗模型和試驗設備

本實驗用普通照明燈模擬日光色，照明燈亮度可調(diào)節(jié)，并確保光源照射到導光板中心的照度為0 ～200 lx。實驗中參照建筑照明設計標準，最低照度值設定為0．5 lx，因需要1．5 倍的照度差才能引起人的主觀感覺變化，所以將照度調(diào)節(jié)的差值設定為2．0 倍。因此，在0 ～200 lx 照度范圍內(nèi)共設10 個調(diào)節(jié)檔位，并在不同檔位由受試者對導光板亮度進行主觀評估。

本實驗導光板采用某客機樣機導光板。通過可調(diào)直流電源控制導光板輸入電壓以調(diào)節(jié)導光板亮度。本實驗中采用CL-200A 型照度計，將照度計探頭仰置于導光板中心，實測得到環(huán)境光照度。采用CA-2000A型亮度計，通過軟件選取需要測量的區(qū)域，并由軟件直接得出該區(qū)域的亮度值，實測得到導光板光源亮度，如圖5 所示。

整個實驗在暗室中進行，因在飛機儀表板設計推薦標準中，要求飛行員眼睛點到儀表板的距離為0．7 m［9］，故本實驗中受試者與導光板面板的垂直距離定為0．7 m，實驗中分別設置不同的環(huán)境光照度值，在每一照度值下，設置7 個不同的亮度值，由受試者判讀導光板上字符，分別對每一亮度值給出暗、偏暗、舒適、較亮、亮等評價。

圖5 CA-2000A 導光板亮度測量Fig．5 CA-2000A light guide plate luminance measurement

2．3．2 實驗內(nèi)容

為了建立駕駛艙內(nèi)環(huán)境光照度和導光板亮度的對應關系模型，本試驗將開展以下試驗內(nèi)容。

暗室環(huán)境下(背景亮度小于0．01 fl(1 fl =3．426 cd/m2))，選擇10 名受試者對導光板亮度在0．5 lx，1 lx，2 lx，4 lx，8 lx，16 lx，32 lx，64 lx，128 lx，200 lx 共10個照度調(diào)節(jié)檔位下進行主觀評估［10］。

本試驗采用主觀評估方法進行評估試驗。選擇10 名視力正常(矯正視力＞5．0)、無色弱色盲的人員進行評估試驗。

2．3．3 實驗數(shù)據(jù)分析

10 位受試者在不同環(huán)境照度下對導光板亮度的評估結(jié)果見表1。

表1 導光板亮度主觀評估實驗記錄表Table 1 Light guide plate luminance subjective evaluation test record

由表1 中的試驗記錄數(shù)據(jù)，10 位受試者對導光板亮度評估值的分布情況如圖6 所示。

根據(jù)以上實驗數(shù)據(jù)，取置信度為0．95，計算樣本均值、樣本允許誤差、置信下限和置信上限，如表2 所示。

圖6 導光板亮度評估值Fig．6 Light guide plate luminance evaluation value

表2 導光板亮度主觀評估實驗數(shù)據(jù)分析Table 2 Light guide plate luminance subjective evaluation test data analysis

取樣本均值、置信下限和置信上限繪圖，擬合出的導光板亮度隨環(huán)境光照度變化時適宜的自動調(diào)光曲線，如圖7 所示。

圖7 亮度曲線模型Fig．7 Luminance curve model

2．3．4 實驗結(jié)論

通過視覺工效試驗，建立了駕駛艙環(huán)境光照度與導光板亮度的亮度調(diào)光曲線模型，圖7 中，曲線為所有試驗樣本的均值曲線，可作為自適應調(diào)光控制曲線。

同時根據(jù)試驗樣本計算了95%置信度的置信區(qū)間，見圖7 中置信上限、置信下限，該區(qū)間可作為自適應調(diào)控控制系統(tǒng)的誤差區(qū)間，但考慮到該誤差區(qū)間隨著LED亮度的減少而收窄，系統(tǒng)實現(xiàn)過程中無法滿足如此高的精度要求，同時，對于駕駛艙光環(huán)境人機工效需求來說也無需特別高的調(diào)光精度，因此，后續(xù)系統(tǒng)設計可以選取一個固定的允許誤差，這里取允許誤差值為0．2 fl。

2．4 PWM 頻率值及占空比范圍的設定

PWM 頻率選擇在考慮了調(diào)光性能及EMI 的因素后，結(jié)合工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)PWM 頻率值設定為300 Hz，根據(jù)實測的導光板亮度調(diào)光曲線，占空比范圍設定為9% ～95%。在脈寬調(diào)制下，流過LED 的平均電流與占空比D 是線性比例關系。根據(jù)所選擇的硬件得到導光板亮度隨PWM 占空比變化的理論關系，如圖8 所示。本文未考慮硬件電路實現(xiàn)過程中的非線性，在電路設計過程中，可通過電路仿真獲得電路實現(xiàn)的非線性曲線，并將該曲線修正到系統(tǒng)控制模型中。

圖8 導光板亮度隨PWM 占空比變化的曲線Fig．8 Light guide plate luminance vs PWM duty cycle

3 結(jié)論

本文開展了民用飛機導光板自適應調(diào)光技術的研究工作，提出并研究了導光板照明自適應調(diào)光控制系統(tǒng)的3 個關鍵設計需求，通過駕駛艙三維建模及SPEOS 光學仿真確立了駕駛艙光分布概況，實現(xiàn)了對環(huán)境光照傳感器布局的設計;并通過對駕駛艙光環(huán)境的人機工效試驗及置信區(qū)間統(tǒng)計學分析，建立了亮度調(diào)光曲線模型;最后結(jié)合工程經(jīng)驗，給出了PWM 頻率值和占空比的范圍，同時建立了自適應調(diào)光控制系統(tǒng)架構，為該技術在飛機設計領域應用提供了理論依據(jù)。

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