民用飞机导光板自适应调光控制技术研究

李 倩， 吴春泽

(上海飞机设计研究院，上海 201210)

0 引言

导光板照明是飞机驾驶舱照明的一部分，安装在驾驶舱控制板上。导光板是一种有机玻璃板，表面涂有漫反射涂层，光源嵌在有机玻璃板内，通过光线在有机玻璃内传递照亮导光板上的标记。使用这种照明方式，无论是在白天还是黑夜，导光板上的标记都是清晰可见的，能将驾驶舱控制板上的状态信息准确显示给飞行员，增加飞机夜航的安全性。

在飞机飞行过程中，驾驶舱内环境光不断发生变化，驾驶舱光环境直接影响飞行员的视觉舒适性，飞行员通过操作多个调光旋钮来实现对驾驶舱内照明设备的亮度调节，为了使各类开关、旋钮、指示字符看起来更加清晰、舒适，飞行员需要经常手动调节各类发光器件的亮度，人工调节过程分散了飞行员注意力，增加了驾驶员负担。另外人工调节随机性较大，一般不容易调节出最佳的照明效果;如果亮度设置不合适，还可能导致眩光、飞行员误操作等问题，进而对安全飞行造成不良影响。

民用飞机驾驶舱显示器已经实现了自适应调光控制技术，该技术对于飞机导光板照明尚未应用。目前，飞机导光板在调光控制形式上已经发展到基于脉冲宽度调制(PWM)的数字调光方式，由于采用了数字总线和应用软件，系统具有较大的扩展余地，可以较方便地发展到自适应调光控制阶段。自适应调光技术可以利用自适应调光系统适应外界光环境变化，根据检测的光环境，适时、适量地自动调节驾驶舱导光板的亮度，满足飞行员观察各类仪表信息的视觉需求，减少人工干预和调节，减轻了飞行员的工作负担［1］。

1 导光板照明自适应调光控制关键设计需求

自适应调光方式以自适应调光控制器以及用于检测环境光的光照传感器为核心，通过分布在驾驶舱内的多个光照传感器检测飞机驾驶舱内环境光照度的变化，将光信号转化为电信号，由控制器经过逻辑处理后，根据设定的调光曲线输出相应的PWM 波形，驱动导光板照明回路，实现自动调节导光板亮度的目的。

自适应调光控制系统的关键设计需求主要包括3个方面。

1)环境光照传感器布局设计。环境光照传感器选择原则、安装位置和数量决定了其测量参数是否能与飞行员视觉舒适度密切关联，间接决定了自适应调光控制的效果，如何结合驾驶舱布局及环境光的分布，确定传感器的安装位置和数量是系统设计的关键所在。

2)亮度曲线模型的设计。导光板照明亮度自适应调节时，如何通过视觉工效试验，拟定出合理的调光参数曲线，建立亮度曲线模型，确定驾驶舱内环境光照度和导光板亮度对应关系，是系统设计的一个关键环节。

3)PWM 频率值及占空比范围的设定。PWM 频率的选择及占空比范围的设定是系统设计时需考虑的重要因素，PWM 调光控制技术在飞机导光板照明设计中已较为成熟，本文将采用现有的工程经验数据直接确定PWM 频率值及占空比范围。

2 导光板照明自适应调光控制设计思考

2．1 系统架构设计

导光板照明自适应调光控制系统将采用模块化设计，系统由环境光照度检测模块、自适应调光控制器、PWM 驱动模块及手动补偿模块组成。导光板照明自适应调光控制系统架构如图1 所示［2］。

图1 自适应调光控制系统架构Fig．1 Self-adjusting brightness control system architecture

本系统将在驾驶舱导光板布置区域设置一定数量的光照传感器，用于检测环境光照度，并通过自适应调光控制器采集处理后，计算出相应的环境光照度，通过查表的形式，根据预设的亮度曲线模型，得出对应环境光照度下的导光板亮度值，输出该亮度值下的PWM波形，驱动各LED 导光板，实现对导光板亮度的自动调节。

2．2 光照传感器布局设计

2．2．1 传感器的选择

所选用传感器的量程取决于驾驶舱的光环境变化范围及导光板上的字符和标记在不同光环境下的可读性。

飞机导光板自适应调光控制系统工作时，利用分布于驾驶舱内各相关位置处的光照传感器来检测驾驶舱内环境光变化。在自然光下，环境光亮度变化范围很大，因此照度变化范围也很广，从近乎0 到几十万lx数量级，由此可知，驾驶舱内环境光照度变化范围为0 ～100 000 lx。当驾驶舱环境光照度大于200 lx 时，导光板上的字符和标记在不被激励时也清晰可读，其上字符的反射亮度既能满足人眼的观看要求(此时导光板不需要照明)，也不需要亮度调节，由此，在导光板周围仅需布置低照度光照传感器即可。本文选用型号JCJ100P 光照传感器，检测0 ～200 lx 范围内的环境光照度，其输出电压范围为0 ～5 V。

2．2．2 光照传感器位置确定

在飞机飞行过程中，为了达到自适应调光的目的，飞机需要将不同情况、不同天气、不同地区的环境光进行有效检测。光照传感器需布置在导光板周围，其安装位置及数量主要根据导光板分布及驾驶舱内环境光分布情况而定。为合理布置光照传感器，需要知道导光板周围环境光的可能分布，以确定导光板周围和其上环境光变化的情况。

本文提出一种光照传感器布局设计方法，即利用SPEOS 光学仿真软件分析驾驶舱各区域环境光的可能分布情况，并结合各区域导光板的分布，最终确定光照传感器的安装位置［3］。

利用SPEOS 进行光学仿真，其光学仿真过程如下所述。

1)在画图软件CATIA 中提取驾驶舱内轮廓及导光板所在3 个安装区域的上表面，建立驾驶舱的几何模型。

2)定义驾驶舱内部材料及表面性质，在SPEOS 软件中设定驾驶舱内部材料的吸收、反射、漫射等参数。其中导光板表面涂有减少反射的涂层，涂层表面的镜面反射率设置为0．5%，涂层表面的光泄漏(吸收加上漫反射)设置为1．0%，导光板背景光泽设置为5 个单位。

3)加入光源，光照传感器布局时主要考虑自然光的影响，在SPEOS 软件中设定光源为自然光。

4)设定仿真参数，主要包括飞机飞行时所处的地理位置、季节、时间、飞机航向。

根据SPEOS 光学仿真结果得到驾驶舱内各区域的环境光分布，如图2 所示。

图2 驾驶舱环境光照度分布Fig．2 Cockpit ambient light distribution

由图2 中的SPEOS 光学仿真结果可看出，当环境光照度小于200 lx 时，驾驶舱照明环境较为均匀，同时在环境光照度比较低时，在飞机飞行过程中，飞行员将开启驾驶舱一般泛光照明，驾驶舱内主要光线是驾驶舱顶灯和各区域泛光灯提供的一般和泛光照明，此时，驾驶舱整体光环境较为均匀。由此，在驾驶舱光环境照度比较低时，结合驾驶舱一般泛光照明，导光板周围及其上的环境光分布是比较均匀的。为了使检测的环境光照度更为合理，本文采用“照度最大值”的原则，在导光板所在区域的对角线位置和中央位置分别布置一个光照传感器，取3 个光照传感器的最大值作为所测导光板区域的照度值，以保证光照传感器采集的环境光照度为导光板区域及其周围的最大值，按照采集的环境光照度的最大值进行亮度调节，可保证飞行员能看清所有导光板上的信息［4-7］。

为确定光照传感器位置，还需考虑各区域导光板的分布情况。驾驶舱导光板一般分为仪表板和遮光罩区域、顶部板区域和中央操纵台区域3 个区域，其在驾驶舱的分布如图3 所示。

图3 驾驶舱导光板分布Fig．3 Cockpit light guide plate distribution

导光板各区域的对角线位置和中央位置点作为光照传感器的布置位置。按照此导光板光照传感器位置确定方法，可确定驾驶舱3 个区域导光板光照传感器的位置如图4 所示，其中，“●”表示光照传感器位置。

图4 导光板光照传感器位置Fig．4 Light guide plate ambient light sensor arrangement

2．3 亮度曲线模型的建立

为实现LED 导光板自动调光系统，其调光参数的设定至关重要。为了达到更好的人机工效，应在考虑人眼亮度感应规律的基础上，以人眼对亮度具有的本能非线性感受［8］，结合视觉工效试验，拟合出合理的导光板亮度随环境光照度变化的调光曲线，即亮度曲线模型。

导光板照明亮度自动调节时，通过光照传感器检测到环境光照度后，根据导光板亮度曲线模型确定当前环境光照度下导光板亮度值。导光板亮度曲线模型定义了驾驶舱内环境光照度和导光板亮度的对应关系，该亮度曲线模型通过视觉工效试验建立。视觉工效试验时，通过模拟太阳光源产生200 lx 以下不同照度的环境光，在每一档环境照度条件下，预设不同的导光板亮度值，受试者分别对其进行主观评估，给出认读导光板字符所需的舒适亮度，并在此基础上建立亮度曲线模型。

2．3．1 实验模型和试验设备

本实验用普通照明灯模拟日光色，照明灯亮度可调节，并确保光源照射到导光板中心的照度为0 ～200 lx。实验中参照建筑照明设计标准，最低照度值设定为0．5 lx，因需要1．5 倍的照度差才能引起人的主观感觉变化，所以将照度调节的差值设定为2．0 倍。因此，在0 ～200 lx 照度范围内共设10 个调节档位，并在不同档位由受试者对导光板亮度进行主观评估。

本实验导光板采用某客机样机导光板。通过可调直流电源控制导光板输入电压以调节导光板亮度。本实验中采用CL-200A 型照度计，将照度计探头仰置于导光板中心，实测得到环境光照度。采用CA-2000A型亮度计，通过软件选取需要测量的区域，并由软件直接得出该区域的亮度值，实测得到导光板光源亮度，如图5 所示。

整个实验在暗室中进行，因在飞机仪表板设计推荐标准中，要求飞行员眼睛点到仪表板的距离为0．7 m［9］，故本实验中受试者与导光板面板的垂直距离定为0．7 m，实验中分别设置不同的环境光照度值，在每一照度值下，设置7 个不同的亮度值，由受试者判读导光板上字符，分别对每一亮度值给出暗、偏暗、舒适、较亮、亮等评价。

图5 CA-2000A 导光板亮度测量Fig．5 CA-2000A light guide plate luminance measurement

2．3．2 实验内容

为了建立驾驶舱内环境光照度和导光板亮度的对应关系模型，本试验将开展以下试验内容。

暗室环境下(背景亮度小于0．01 fl(1 fl =3．426 cd/m2))，选择10 名受试者对导光板亮度在0．5 lx，1 lx，2 lx，4 lx，8 lx，16 lx，32 lx，64 lx，128 lx，200 lx 共10个照度调节档位下进行主观评估［10］。

本试验采用主观评估方法进行评估试验。选择10 名视力正常(矫正视力＞5．0)、无色弱色盲的人员进行评估试验。

2．3．3 实验数据分析

10 位受试者在不同环境照度下对导光板亮度的评估结果见表1。

表1 导光板亮度主观评估实验记录表Table 1 Light guide plate luminance subjective evaluation test record

由表1 中的试验记录数据，10 位受试者对导光板亮度评估值的分布情况如图6 所示。

根据以上实验数据，取置信度为0．95，计算样本均值、样本允许误差、置信下限和置信上限，如表2 所示。

图6 导光板亮度评估值Fig．6 Light guide plate luminance evaluation value

表2 导光板亮度主观评估实验数据分析Table 2 Light guide plate luminance subjective evaluation test data analysis

取样本均值、置信下限和置信上限绘图，拟合出的导光板亮度随环境光照度变化时适宜的自动调光曲线，如图7 所示。

图7 亮度曲线模型Fig．7 Luminance curve model

2．3．4 实验结论

通过视觉工效试验，建立了驾驶舱环境光照度与导光板亮度的亮度调光曲线模型，图7 中，曲线为所有试验样本的均值曲线，可作为自适应调光控制曲线。

同时根据试验样本计算了95%置信度的置信区间，见图7 中置信上限、置信下限，该区间可作为自适应调控控制系统的误差区间，但考虑到该误差区间随着LED亮度的减少而收窄，系统实现过程中无法满足如此高的精度要求，同时，对于驾驶舱光环境人机工效需求来说也无需特别高的调光精度，因此，后续系统设计可以选取一个固定的允许误差，这里取允许误差值为0．2 fl。

2．4 PWM 频率值及占空比范围的设定

PWM 频率选择在考虑了调光性能及EMI 的因素后，结合工程经验数据，本系统PWM 频率值设定为300 Hz，根据实测的导光板亮度调光曲线，占空比范围设定为9% ～95%。在脉宽调制下，流过LED 的平均电流与占空比D 是线性比例关系。根据所选择的硬件得到导光板亮度随PWM 占空比变化的理论关系，如图8 所示。本文未考虑硬件电路实现过程中的非线性，在电路设计过程中，可通过电路仿真获得电路实现的非线性曲线，并将该曲线修正到系统控制模型中。

图8 导光板亮度随PWM 占空比变化的曲线Fig．8 Light guide plate luminance vs PWM duty cycle

3 结论

本文开展了民用飞机导光板自适应调光技术的研究工作，提出并研究了导光板照明自适应调光控制系统的3 个关键设计需求，通过驾驶舱三维建模及SPEOS 光学仿真确立了驾驶舱光分布概况，实现了对环境光照传感器布局的设计;并通过对驾驶舱光环境的人机工效试验及置信区间统计学分析，建立了亮度调光曲线模型;最后结合工程经验，给出了PWM 频率值和占空比的范围，同时建立了自适应调光控制系统架构，为该技术在飞机设计领域应用提供了理论依据。

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