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，通過光線在有機玻璃內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光旋鈕來實現對駕駛艙內照明設備的亮度調節(jié)，為了使各類開關、旋鈕、指示字符看起來更加清晰、舒適，飛行員需要經常手動調節(jié)各類發(fā)光器件的亮度，人工調節(jié)過程分散了飛行員注意力，增加了駕駛員負擔。另外人工調節(jié)隨機性較大，一般不容易調節(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實現了自適應調光控制技術，該技術對于飛機導光板照明尚未應用。目前，飛機導光板在調光控制形式上已經發(fā)展到基于脈沖寬度調制(PWM)的數字調光方式，由于采用了數字總線和應用軟件，系統(tǒng)具有較大的擴展余地，可以較方便地發(fā)展到自適應調光控制階段。自適應調光技術可以利用自適應調光系統(tǒng)適應外界光環(huán)境變化，根據檢測的光環(huán)境，適時、適量地自動調節(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，減少人工干預和調節(jié)，減輕了飛行員的工作負擔［1］。

1 導光板照明自適應調光控制關鍵設計需求

自適應調光方式以自適應調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的多個光照傳感器檢測飛機駕駛艙內環(huán)境光照度的變化，將光信號轉化為電信號，由控制器經過邏輯處理后，根據設定的調光曲線輸出相應的PWM 波形，驅動導光板照明回路，實現自動調節(jié)導光板亮度的目的。

自適應調光控制系統(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、安裝位置和數量決定了其測量參數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光控制的效果，如何結合駕駛艙布局及環(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節(jié)時，如何通過視覺工效試驗，擬定出合理的調光參數曲線，建立亮度曲線模型，確定駕駛艙內環(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，本文將采用現有的工程經驗數據直接確定PWM 頻率值及占空比范圍。

2 導光板照明自適應調光控制設計思考

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、自適應調光控制器、PWM 驅動模塊及手動補償模塊組成。導光板照明自適應調光控制系統(tǒng)架構如圖1 所示［2］。

圖1 自適應調光控制系統(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)域設置一定數量的光照傳感器，用于檢測環(huán)境光照度，并通過自適應調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，驅動各LED 導光板，實現對導光板亮度的自動調節(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光控制系統(tǒng)工作時，利用分布于駕駛艙內各相關位置處的光照傳感器來檢測駕駛艙內環(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數量級，由此可知，駕駛艙內環(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，其安裝位置及數量主要根據導光板分布及駕駛艙內環(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，并結合各區(qū)域導光板的分布，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)定義駕駛艙內部材料及表面性質，在SPEOS 軟件中設定駕駛艙內部材料的吸收、反射、漫射等參數。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，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SPEOS 光學仿真結果得到駕駛艙內各區(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)域導光板的分布情況。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)域導光板光照傳感器的位置如圖4 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LED 導光板自動調光系統(tǒng)，其調光參數的設定至關重要。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)境光照度變化的調光曲線，即亮度曲線模型。

導光板照明亮度自動調節(jié)時，通過光照傳感器檢測到環(huán)境光照度后，根據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，所以將照度調節(jié)的差值設定為2．0 倍。因此，在0 ～200 lx 照度范圍內共設10 個調節(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。通過可調直流電源控制導光板輸入電壓以調節(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 實驗內容

為了建立駕駛艙內環(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 實驗數據分析

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 中的試驗記錄數據，10 位受試者對導光板亮度評估值的分布情況如圖6 所示。

根據以上實驗數據，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據分析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，可作為自適應調光控制曲線。

同時根據試驗樣本計算了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光性能及EMI 的因素后，結合工程經驗數據，本系統(tǒng)PWM 頻率值設定為300 Hz，根據實測的導光板亮度調光曲線，占空比范圍設定為9% ～95%。在脈寬調制下，流過LED 的平均電流與占空比D 是線性比例關系。根據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 結論

本文開展了民用飛機導光板自適應調光技術的研究工作，提出并研究了導光板照明自適應調光控制系統(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，建立了亮度調光曲線模型;最后結合工程經驗，給出了PWM 頻率值和占空比的范圍，同時建立了自適應調光控制系統(tǒng)架構，為該技術在飛機設計領域應用提供了理論依據。

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