劉洪德， 鄒浩彥， 趙立怡， 董科銳

(1.航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，西安 710000； 2.空裝駐西安地區(qū)第一軍事代表室，西安 710000；3.航空工業(yè)西安飛機(jī)公司，西安 710000)

0 引言

飛機(jī)座艙照明為機(jī)組人員提供必要的光環(huán)境，使其能判讀信息、操縱機(jī)上設(shè)備。隨著科技發(fā)展,現(xiàn)代飛機(jī)更加注重飛機(jī)座艙照明的作用，為了優(yōu)化座艙照明設(shè)計(jì)，從而提升視覺功效、降低照明能耗、符合視覺及心理舒適度，并減輕飛行員操作負(fù)擔(dān)，飛機(jī)座艙自動(dòng)調(diào)光技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。

針對(duì)飛機(jī)座艙導(dǎo)光板自動(dòng)調(diào)光技術(shù)的研究主要圍繞系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、調(diào)光控制方法、傳感器布局等方面展開。基于CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)是研究較多的一類飛機(jī)座艙導(dǎo)光板自動(dòng)調(diào)光系統(tǒng)架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)分區(qū)調(diào)節(jié)控制、同類照明設(shè)備同步受控的設(shè)計(jì)目的[1-4]；圍繞調(diào)光控制方法，設(shè)計(jì)人員探討了自適應(yīng)控制、模糊控制等控制方法在飛機(jī)座艙自動(dòng)調(diào)光領(lǐng)域的應(yīng)用[5-7]；考慮到優(yōu)化自動(dòng)調(diào)光控制效果、滿足飛機(jī)駕駛艙自動(dòng)調(diào)光系統(tǒng)中環(huán)境光檢測(cè)需要，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)傳感器布局方式進(jìn)行了研究，提出了“照度最大值”原則，并通過SPEOS光學(xué)仿真等手段驗(yàn)證了對(duì)角布局的合理性[8-12]；為改善心理和視覺舒適度，出現(xiàn)了采用自動(dòng)亮度調(diào)光曲線、光色性能、色溫、夜視兼容性等技術(shù)參數(shù)優(yōu)化座艙照明和調(diào)光性能的方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[13-16]。

現(xiàn)行飛機(jī)座艙導(dǎo)光板自動(dòng)調(diào)光控制技術(shù)通過光敏傳感器采集光環(huán)境照度反饋給控制器，控制器根據(jù)調(diào)光曲線將光環(huán)境照度映射為PWM波占空比等控制量并施加給受控對(duì)象，從而跟隨光環(huán)境變化實(shí)現(xiàn)導(dǎo)光板的自動(dòng)調(diào)光。然而，調(diào)光曲線需要在前期實(shí)驗(yàn)中獲取，需要耗費(fèi)人力、物力，且調(diào)節(jié)效果對(duì)人眼舒適度的滿足性有待提升。

滑?？刂剖且环N非線性控制，對(duì)干擾不敏感、響應(yīng)快速、物理實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。本文對(duì)滑模控制在自動(dòng)調(diào)光控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)適應(yīng)現(xiàn)行飛機(jī)座艙導(dǎo)光板自動(dòng)調(diào)光控制系統(tǒng)架構(gòu)，完成采用滑?？刂品椒ǖ目刂破髟O(shè)計(jì)，并完成控制原理的理論推導(dǎo)及控制對(duì)象的建模；

2)依據(jù)GJB 455-1988中的導(dǎo)光板對(duì)比度要求，以控制導(dǎo)光板穩(wěn)定跟隨字符對(duì)比度規(guī)定值為控制目標(biāo)，具有無需依賴調(diào)光曲線的特點(diǎn)；

3)借助Simulink環(huán)境進(jìn)行控制器調(diào)參，在仿真環(huán)境中完成系統(tǒng)搭建、控制效果驗(yàn)證分析，方便依據(jù)人眼舒適度進(jìn)行控制器參數(shù)優(yōu)化。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 自動(dòng)調(diào)光控制系統(tǒng)架構(gòu)

現(xiàn)行飛機(jī)座艙導(dǎo)光板自動(dòng)調(diào)光控制系統(tǒng)主要由光敏傳感器、調(diào)光控制設(shè)備、受控設(shè)備組成。

光敏傳感器依據(jù)“照度最大值”原則分區(qū)布置在操縱臺(tái)和儀表板上，調(diào)光控制設(shè)備接收光敏傳感器采集的光環(huán)境照度信息，并根據(jù)照度值實(shí)時(shí)調(diào)整輸出給相應(yīng)區(qū)域?qū)Ч獍宓牧炼瓤刂菩盘?hào)，從而根據(jù)座艙光環(huán)境的變化，進(jìn)行導(dǎo)光板亮度分區(qū)控制，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)光板亮度的受控調(diào)節(jié)。

導(dǎo)光板自動(dòng)調(diào)光控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)調(diào)光控制系統(tǒng)架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)一種采用滑?？刂品椒ǖ目刂破?，調(diào)節(jié)導(dǎo)光板面板上的字符等標(biāo)識(shí)信息，使之保持在符合人眼視覺功效的對(duì)比度水平，以滿足可讀可視要求。

1.2 控制系統(tǒng)工作原理

現(xiàn)代飛機(jī)座艙中，普遍采用導(dǎo)光板照明方式。導(dǎo)光板通常用白色標(biāo)識(shí)字符信息，用灰色作為背景色，導(dǎo)光板LED點(diǎn)光源轉(zhuǎn)換為面均勻的面光源并從白色字符標(biāo)識(shí)區(qū)域透射而出，點(diǎn)亮字符，而背景區(qū)域光線不能通過，因此，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)光板LED光源亮度即可調(diào)節(jié)面板上的字符標(biāo)識(shí)信息的亮度，從而調(diào)控導(dǎo)光板字符信息的可讀可視性。

導(dǎo)光板上的白色字符和灰色背景材質(zhì)特性使其能對(duì)光線進(jìn)行漫反射。白天，座艙中的光環(huán)境照度較高，白色字符對(duì)外部光線進(jìn)行漫反射，字符信息即可被人眼辨識(shí)，因此可關(guān)閉導(dǎo)光板，降低能耗；夜晚，座艙中的光環(huán)境照度較低，因此，需要點(diǎn)亮導(dǎo)光板從而點(diǎn)亮控制面板上的白色字符信息。

導(dǎo)光板上的白色字符和灰色背景具有不同的漫反射系數(shù)，在環(huán)境光作用下，當(dāng)導(dǎo)光板點(diǎn)亮?xí)r，其字符與背景的對(duì)比度C可表示為

(1)

式中：F為白色字符透光亮度；A為光環(huán)境照度；KF為白色字符漫反射系數(shù)；KB為灰色背景漫反射系數(shù)。

根據(jù)GJB 455-1988第2.5節(jié)對(duì)導(dǎo)光板標(biāo)記與背景之間對(duì)比度的要求，標(biāo)記顏色為白色、背景顏色為灰色時(shí)，對(duì)比度規(guī)定值C0為7。因此，為保證導(dǎo)光板字符標(biāo)記信息維持合適的對(duì)比度等級(jí)，控制系統(tǒng)需調(diào)節(jié)導(dǎo)光板LED光源亮度滿足

(2)

式中：F0為白色字符透光亮度目標(biāo)值；C0為導(dǎo)光板對(duì)比度規(guī)定值。

根據(jù)控制原理設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)由觀測(cè)器、滑?？刂破?、導(dǎo)光板傳遞函數(shù)3個(gè)模塊組成。其中，e為位置誤差，u為滑模控制器輸出的控制量。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

觀測(cè)器對(duì)光環(huán)境照度A進(jìn)行觀測(cè)及閾值判斷，當(dāng)光環(huán)境照度A大于閾值A(chǔ)0時(shí)，判斷照明模式為白天，此時(shí)通過座艙中自然光的漫反射即可保證字符信息被人眼辨認(rèn)，因此，斷開滑?？刂破鬏敵龆耍P(guān)閉導(dǎo)光板；當(dāng)光環(huán)境照度A不大于A0時(shí)，判斷照明模式為夜晚，此時(shí)接通滑?？刂破鬏敵龆?，并根據(jù)環(huán)境光變化調(diào)節(jié)導(dǎo)光板LED光源亮度，確保字符信息保持在預(yù)期的對(duì)比度，以便被人眼清晰辨認(rèn)。

因此，對(duì)式(2)進(jìn)行調(diào)整，其輸入輸出滿足關(guān)系

(3)

滑?？刂破鞲鶕?jù)字符亮度目標(biāo)值與亮度實(shí)際輸出值的偏差調(diào)整控制量，對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行切換控制，使得導(dǎo)光板的亮度實(shí)際輸出值向亮度目標(biāo)值趨近，不斷縮小兩者間的偏差。

2 控制器設(shè)計(jì)

根據(jù)導(dǎo)光板調(diào)光曲線和輸入輸出關(guān)系，受控對(duì)象的傳遞函數(shù)為

(4)

式中，p1,p2,p3和b為與導(dǎo)光板調(diào)光曲線相關(guān)的特征參數(shù)，依據(jù)此次所選導(dǎo)光板調(diào)光曲線輸入輸出關(guān)系特點(diǎn)，p1，p2，p3和b分別取值為0.014 9，0.018 8，5.000 2，1.000 0。

控制系統(tǒng)狀態(tài)方程為

總的來說，該算法占用資源少、處理速度快，尤其適用于在圖像目標(biāo)的檢測(cè)場(chǎng)合中實(shí)現(xiàn)硬件加速，因此該算法不僅適用于在線紙病檢測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)也適用于其他實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的應(yīng)用中，可以針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合靈活控制分塊的數(shù)量，完成對(duì)圖像目標(biāo)的檢測(cè)和提取，以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

(5)

式中:x為控制系統(tǒng)的狀態(tài)量，在本控制系統(tǒng)中，導(dǎo)光板亮度輸出F=x;u為控制器輸出的控制量。

控制系統(tǒng)設(shè)定值與實(shí)際值偏差表示為

e=F-x(1)

(6)

(7)

定義滑模切換面為

(8)

式中，c為滑模切換面參數(shù)。

定義Lyapunov函數(shù)

V=s2

(9)

(10)

因此，設(shè)計(jì)滑?？刂坡蕿?/p>

(11)

3 仿真分析

在Simulink模塊中搭建基于S函數(shù)的滑?？刂破骱蛯?dǎo)光板傳遞函數(shù)。系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 導(dǎo)光板自動(dòng)調(diào)光控制系統(tǒng)模型

取參數(shù)η=5000，分別取不同的滑模切換面參數(shù)c，計(jì)算控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)階躍響應(yīng)

從控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)特點(diǎn)可知，當(dāng)參數(shù)c取值為15時(shí)，輸出值無超調(diào)且趨近目標(biāo)值的速度最快，響應(yīng)時(shí)間最短。當(dāng)參數(shù)c取值進(jìn)一步增大，響應(yīng)出現(xiàn)超調(diào)。因此參數(shù)c取值15。輸入圖5所示光環(huán)境照度變化曲線，函數(shù)表達(dá)式為A=40sin 0.3t，系統(tǒng)輸出如圖6所示的導(dǎo)光板對(duì)比度跟蹤曲線。

圖5 光環(huán)境照度變化曲線

圖6 c取值為15時(shí)系統(tǒng)輸出值跟蹤誤差

圖6中，初始時(shí)刻導(dǎo)光板亮度為 3 cd/m2，目標(biāo)亮度為0 cd/m2，導(dǎo)光板字符亮度輸出值向目標(biāo)亮度曲線趨近；t=0.3 s時(shí)，導(dǎo)光板字符亮度輸出值到達(dá)目標(biāo)亮度曲線，但隨后由于慣性作用，穿過目標(biāo)值，產(chǎn)生超調(diào)；直到t=0.6 s時(shí)，到達(dá)并穩(wěn)定跟隨目標(biāo)值；t=1.74 s時(shí)，光環(huán)境照度超過閾值，導(dǎo)光板切換到低功耗狀態(tài)，亮度目標(biāo)值跳變?yōu)? cd/m2；t=2.18 s時(shí)，亮度輸出值再次穩(wěn)定在目標(biāo)值。

考慮到參數(shù)c取值為15時(shí)跟蹤誤差出現(xiàn)超調(diào)，將參數(shù)c調(diào)整為10，再次進(jìn)行仿真得到系統(tǒng)響應(yīng)，如圖7所示。

圖7 c取值為10時(shí)系統(tǒng)輸出值跟蹤誤差

保持相同的初始條件，從初始時(shí)刻開始，導(dǎo)光板字符亮度輸出值開始向目標(biāo)亮度曲線趨近；t=0.36 s時(shí)，導(dǎo)光板字符亮度輸出值到達(dá)目標(biāo)亮度曲線并穩(wěn)定跟隨目標(biāo)值；t=1.74 s時(shí)，光環(huán)境照度A超過閾值，系統(tǒng)判斷導(dǎo)光板應(yīng)切換到低功耗狀態(tài)，亮度目標(biāo)值跳變?yōu)? cd/m2；t=2.21 s時(shí)，亮度輸出值再次到達(dá)并穩(wěn)定跟隨目標(biāo)值。

相應(yīng)地，導(dǎo)光板的對(duì)比度變化如圖8所示。

圖8 導(dǎo)光板字符對(duì)比度變化

通過上述仿真分析可知，當(dāng)參數(shù)c取值為10時(shí)，控制系統(tǒng)具有較好的跟蹤特性，且能在光環(huán)境照度A達(dá)到閾值時(shí)完成導(dǎo)光板狀態(tài)的切換。

4 結(jié)論

提出一種飛機(jī)導(dǎo)光板自動(dòng)調(diào)光系統(tǒng)的滑?？刂品椒?，并進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，結(jié)論如下：

1)依據(jù)Lyapunov函數(shù)和誤差函數(shù)的收斂性，推導(dǎo)控制器的滑?？刂坡时磉_(dá)式，驗(yàn)證結(jié)果表明，控制效果可實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)；

2)仿真結(jié)果表明，滑?？刂破鲄?shù)c的取值影響階躍響應(yīng)的響應(yīng)速度和跟蹤精度，當(dāng)參數(shù)c和η取值分別為10和5000時(shí)響應(yīng)時(shí)間約為0.16 s，隨著光環(huán)境照度改變，系統(tǒng)輸出值具有較好的響應(yīng)速度和跟蹤精度，并能在光環(huán)境照度達(dá)到閾值時(shí)關(guān)閉導(dǎo)光板，達(dá)到預(yù)期控制目標(biāo)；

3)驗(yàn)證了導(dǎo)光板字符對(duì)比度變化的穩(wěn)定性，依據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，當(dāng)導(dǎo)光板字符亮度輸出值準(zhǔn)確跟蹤亮度目標(biāo)值時(shí)，導(dǎo)光板字符對(duì)比度可穩(wěn)定在7左右，符合GJB 455-1988給出的對(duì)比度規(guī)定值。