李 倩， 吳春澤

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

0 引言

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

在飛機(jī)飛行過(guò)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(jué)舒適性，飛行員通過(guò)操作多個(gè)調(diào)光旋鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛艙內(nèi)照明設(shè)備的亮度調(diào)節(jié)，為了使各類(lèi)開(kāi)關(guān)、旋鈕、指示字符看起來(lái)更加清晰、舒適，飛行員需要經(jīng)常手動(dòng)調(diào)節(jié)各類(lèi)發(fā)光器件的亮度，人工調(diào)節(jié)過(guò)程分散了飛行員注意力，增加了駕駛員負(fù)擔(dān)。另外人工調(diào)節(jié)隨機(jī)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(shè)置不合適，還可能導(dǎo)致眩光、飛行員誤操作等問(wèn)題，進(jìn)而對(duì)安全飛行造成不良影響。

民用飛機(jī)駕駛艙顯示器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)調(diào)光控制技術(shù)，該技術(shù)對(duì)于飛機(jī)導(dǎo)光板照明尚未應(yīng)用。目前，飛機(jī)導(dǎo)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(yīng)用軟件，系統(tǒng)具有較大的擴(kuò)展余地，可以較方便地發(fā)展到自適應(yīng)調(diào)光控制階段。自適應(yīng)調(diào)光技術(shù)可以利用自適應(yīng)調(diào)光系統(tǒng)適應(yīng)外界光環(huán)境變化，根據(jù)檢測(cè)的光環(huán)境，適時(shí)、適量地自動(dòng)調(diào)節(jié)駕駛艙導(dǎo)光板的亮度，滿足飛行員觀察各類(lèi)儀表信息的視覺(jué)需求，減少人工干預(yù)和調(diào)節(jié)，減輕了飛行員的工作負(fù)擔(dān)［1］。

1 導(dǎo)光板照明自適應(yīng)調(diào)光控制關(guān)鍵設(shè)計(jì)需求

自適應(yīng)調(diào)光方式以自適應(yīng)調(diào)光控制器以及用于檢測(cè)環(huán)境光的光照傳感器為核心，通過(guò)分布在駕駛艙內(nèi)的多個(gè)光照傳感器檢測(cè)飛機(jī)駕駛艙內(nèi)環(huán)境光照度的變化，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由控制器經(jīng)過(guò)邏輯處理后，根據(jù)設(shè)定的調(diào)光曲線輸出相應(yīng)的PWM 波形，驅(qū)動(dòng)導(dǎo)光板照明回路，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)導(dǎo)光板亮度的目的。

自適應(yīng)調(diào)光控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)需求主要包括3個(gè)方面。

1)環(huán)境光照傳感器布局設(shè)計(jì)。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(cè)量參數(shù)是否能與飛行員視覺(jué)舒適度密切關(guān)聯(lián)，間接決定了自適應(yīng)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(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

2)亮度曲線模型的設(shè)計(jì)。導(dǎo)光板照明亮度自適應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)，如何通過(guò)視覺(jué)工效試驗(yàn)，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(dǎo)光板亮度對(duì)應(yīng)關(guān)系，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3)PWM 頻率值及占空比范圍的設(shè)定。PWM 頻率的選擇及占空比范圍的設(shè)定是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的重要因素，PWM 調(diào)光控制技術(shù)在飛機(jī)導(dǎo)光板照明設(shè)計(jì)中已較為成熟，本文將采用現(xiàn)有的工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)直接確定PWM 頻率值及占空比范圍。

2 導(dǎo)光板照明自適應(yīng)調(diào)光控制設(shè)計(jì)思考

2．1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

導(dǎo)光板照明自適應(yīng)調(diào)光控制系統(tǒng)將采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)由環(huán)境光照度檢測(cè)模塊、自適應(yīng)調(diào)光控制器、PWM 驅(qū)動(dòng)模塊及手動(dòng)補(bǔ)償模塊組成。導(dǎo)光板照明自適應(yīng)調(diào)光控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示［2］。

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

本系統(tǒng)將在駕駛艙導(dǎo)光板布置區(qū)域設(shè)置一定數(shù)量的光照傳感器，用于檢測(cè)環(huán)境光照度，并通過(guò)自適應(yīng)調(diào)光控制器采集處理后，計(jì)算出相應(yīng)的環(huán)境光照度，通過(guò)查表的形式，根據(jù)預(yù)設(shè)的亮度曲線模型，得出對(duì)應(yīng)環(huán)境光照度下的導(dǎo)光板亮度值，輸出該亮度值下的PWM波形，驅(qū)動(dòng)各LED 導(dǎo)光板，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)光板亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

2．2 光照傳感器布局設(shè)計(jì)

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(dǎo)光板上的字符和標(biāo)記在不同光環(huán)境下的可讀性。

飛機(jī)導(dǎo)光板自適應(yīng)調(diào)光控制系統(tǒng)工作時(shí)，利用分布于駕駛艙內(nèi)各相關(guān)位置處的光照傳感器來(lái)檢測(cè)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(wàn)lx數(shù)量級(jí)，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(dāng)駕駛艙環(huán)境光照度大于200 lx 時(shí)，導(dǎo)光板上的字符和標(biāo)記在不被激勵(lì)時(shí)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(shí)導(dǎo)光板不需要照明)，也不需要亮度調(diào)節(jié)，由此，在導(dǎo)光板周?chē)鷥H需布置低照度光照傳感器即可。本文選用型號(hào)JCJ100P 光照傳感器，檢測(cè)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(jī)飛行過(guò)程中，為了達(dá)到自適應(yīng)調(diào)光的目的，飛機(jī)需要將不同情況、不同天氣、不同地區(qū)的環(huán)境光進(jìn)行有效檢測(cè)。光照傳感器需布置在導(dǎo)光板周?chē)?，其安裝位置及數(shù)量主要根據(jù)導(dǎo)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(dǎo)光板周?chē)h(huán)境光的可能分布，以確定導(dǎo)光板周?chē)推渖檄h(huán)境光變化的情況。

本文提出一種光照傳感器布局設(shè)計(jì)方法，即利用SPEOS 光學(xué)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獍宓姆植迹罱K確定光照傳感器的安裝位置［3］。

利用SPEOS 進(jìn)行光學(xué)仿真，其光學(xué)仿真過(guò)程如下所述。

1)在畫(huà)圖軟件CATIA 中提取駕駛艙內(nèi)輪廓及導(dǎo)光板所在3 個(gè)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(shè)定駕駛艙內(nèi)部材料的吸收、反射、漫射等參數(shù)。其中導(dǎo)光板表面涂有減少反射的涂層，涂層表面的鏡面反射率設(shè)置為0．5%，涂層表面的光泄漏(吸收加上漫反射)設(shè)置為1．0%，導(dǎo)光板背景光澤設(shè)置為5 個(gè)單位。

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

4)設(shè)定仿真參數(shù)，主要包括飛機(jī)飛行時(shí)所處的地理位置、季節(jié)、時(shí)間、飛機(jī)航向。

根據(jù)SPEOS 光學(xué)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(xué)仿真結(jié)果可看出，當(dāng)環(huán)境光照度小于200 lx 時(shí)，駕駛艙照明環(huán)境較為均勻，同時(shí)在環(huán)境光照度比較低時(shí)，在飛機(jī)飛行過(guò)程中，飛行員將開(kāi)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(shí)，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(shí)，結(jié)合駕駛艙一般泛光照明，導(dǎo)光板周?chē)捌渖系沫h(huán)境光分布是比較均勻的。為了使檢測(cè)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(dǎo)光板所在區(qū)域的對(duì)角線位置和中央位置分別布置一個(gè)光照傳感器，取3 個(gè)光照傳感器的最大值作為所測(cè)導(dǎo)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(dǎo)光板區(qū)域及其周?chē)淖畲笾?，按照采集的環(huán)境光照度的最大值進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)，可保證飛行員能看清所有導(dǎo)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(dǎo)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(tái)區(qū)域3 個(gè)區(qū)域，其在駕駛艙的分布如圖3 所示。

圖3 駕駛艙導(dǎo)光板分布Fig．3 Cockpit light guide plate distribution

導(dǎo)光板各區(qū)域的對(duì)角線位置和中央位置點(diǎn)作為光照傳感器的布置位置。按照此導(dǎo)光板光照傳感器位置確定方法，可確定駕駛艙3 個(gè)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(dǎo)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(shí)現(xiàn)LED 導(dǎo)光板自動(dòng)調(diào)光系統(tǒng)，其調(diào)光參數(shù)的設(shè)定至關(guān)重要。為了達(dá)到更好的人機(jī)工效，應(yīng)在考慮人眼亮度感應(yīng)規(guī)律的基礎(chǔ)上，以人眼對(duì)亮度具有的本能非線性感受［8］，結(jié)合視覺(jué)工效試驗(yàn)，擬合出合理的導(dǎo)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(dǎo)光板照明亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，通過(guò)光照傳感器檢測(cè)到環(huán)境光照度后，根據(jù)導(dǎo)光板亮度曲線模型確定當(dāng)前環(huán)境光照度下導(dǎo)光板亮度值。導(dǎo)光板亮度曲線模型定義了駕駛艙內(nèi)環(huán)境光照度和導(dǎo)光板亮度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，該亮度曲線模型通過(guò)視覺(jué)工效試驗(yàn)建立。視覺(jué)工效試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)模擬太陽(yáng)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(yù)設(shè)不同的導(dǎo)光板亮度值，受試者分別對(duì)其進(jìn)行主觀評(píng)估，給出認(rèn)讀導(dǎo)光板字符所需的舒適亮度，并在此基礎(chǔ)上建立亮度曲線模型。

2．3．1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃驮囼?yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)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(dǎo)光板中心的照度為0 ～200 lx。實(shí)驗(yàn)中參照建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，最低照度值設(shè)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(jué)變化，所以將照度調(diào)節(jié)的差值設(shè)定為2．0 倍。因此，在0 ～200 lx 照度范圍內(nèi)共設(shè)10 個(gè)調(diào)節(jié)檔位，并在不同檔位由受試者對(duì)導(dǎo)光板亮度進(jìn)行主觀評(píng)估。

本實(shí)驗(yàn)導(dǎo)光板采用某客機(jī)樣機(jī)導(dǎo)光板。通過(guò)可調(diào)直流電源控制導(dǎo)光板輸入電壓以調(diào)節(jié)導(dǎo)光板亮度。本實(shí)驗(yàn)中采用CL-200A 型照度計(jì)，將照度計(jì)探頭仰置于導(dǎo)光板中心，實(shí)測(cè)得到環(huán)境光照度。采用CA-2000A型亮度計(jì)，通過(guò)軟件選取需要測(cè)量的區(qū)域，并由軟件直接得出該區(qū)域的亮度值，實(shí)測(cè)得到導(dǎo)光板光源亮度，如圖5 所示。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)在暗室中進(jìn)行，因在飛機(jī)儀表板設(shè)計(jì)推薦標(biāo)準(zhǔn)中，要求飛行員眼睛點(diǎn)到儀表板的距離為0．7 m［9］，故本實(shí)驗(yàn)中受試者與導(dǎo)光板面板的垂直距離定為0．7 m，實(shí)驗(yàn)中分別設(shè)置不同的環(huán)境光照度值，在每一照度值下，設(shè)置7 個(gè)不同的亮度值，由受試者判讀導(dǎo)光板上字符，分別對(duì)每一亮度值給出暗、偏暗、舒適、較亮、亮等評(píng)價(jià)。

圖5 CA-2000A 導(dǎo)光板亮度測(cè)量Fig．5 CA-2000A light guide plate luminance measurement

2．3．2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

為了建立駕駛艙內(nèi)環(huán)境光照度和導(dǎo)光板亮度的對(duì)應(yīng)關(guān)系模型，本試驗(yàn)將開(kāi)展以下試驗(yàn)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(duì)導(dǎo)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(gè)照度調(diào)節(jié)檔位下進(jìn)行主觀評(píng)估［10］。

本試驗(yàn)采用主觀評(píng)估方法進(jìn)行評(píng)估試驗(yàn)。選擇10 名視力正常(矯正視力＞5．0)、無(wú)色弱色盲的人員進(jìn)行評(píng)估試驗(yàn)。

2．3．3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

10 位受試者在不同環(huán)境照度下對(duì)導(dǎo)光板亮度的評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 導(dǎo)光板亮度主觀評(píng)估實(shí)驗(yàn)記錄表Table 1 Light guide plate luminance subjective evaluation test record

由表1 中的試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)，10 位受試者對(duì)導(dǎo)光板亮度評(píng)估值的分布情況如圖6 所示。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取置信度為0．95，計(jì)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(dǎo)光板亮度評(píng)估值Fig．6 Light guide plate luminance evaluation value

表2 導(dǎo)光板亮度主觀評(píng)估實(shí)驗(yàn)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(dǎo)光板亮度隨環(huán)境光照度變化時(shí)適宜的自動(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)論

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

同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)樣本計(jì)算了95%置信度的置信區(qū)間，見(jiàn)圖7 中置信上限、置信下限，該區(qū)間可作為自適應(yīng)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(shí)現(xiàn)過(guò)程中無(wú)法滿足如此高的精度要求，同時(shí)，對(duì)于駕駛艙光環(huán)境人機(jī)工效需求來(lái)說(shuō)也無(wú)需特別高的調(diào)光精度，因此，后續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以選取一個(gè)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(shè)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(yàn)數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)PWM 頻率值設(shè)定為300 Hz，根據(jù)實(shí)測(cè)的導(dǎo)光板亮度調(diào)光曲線，占空比范圍設(shè)定為9% ～95%。在脈寬調(diào)制下，流過(guò)LED 的平均電流與占空比D 是線性比例關(guān)系。根據(jù)所選擇的硬件得到導(dǎo)光板亮度隨PWM 占空比變化的理論關(guān)系，如圖8 所示。本文未考慮硬件電路實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的非線性，在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，可通過(guò)電路仿真獲得電路實(shí)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(dǎo)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(kāi)展了民用飛機(jī)導(dǎo)光板自適應(yīng)調(diào)光技術(shù)的研究工作，提出并研究了導(dǎo)光板照明自適應(yīng)調(diào)光控制系統(tǒng)的3 個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)需求，通過(guò)駕駛艙三維建模及SPEOS 光學(xué)仿真確立了駕駛艙光分布概況，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境光照傳感器布局的設(shè)計(jì);并通過(guò)對(duì)駕駛艙光環(huán)境的人機(jī)工效試驗(yàn)及置信區(qū)間統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，建立了亮度調(diào)光曲線模型;最后結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，給出了PWM 頻率值和占空比的范圍，同時(shí)建立了自適應(yīng)調(diào)光控制系統(tǒng)架構(gòu)，為該技術(shù)在飛機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

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