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抬头显示器(HUD)在航空领域的应用以及其品质可靠性

2021-6-15 09:07| 发布者: vantsing| 查看: 1510| 评论: 2

摘要: 电影中激烈的空战场景对于许多电影观众来说很熟悉——当目标在视线范围内时,虚拟向导会协助飞行员在开火前瞄准并锁定目标。 这种屏幕上的向导会被投射到一个抬头显示器(HUD)上,之所以称为抬头显示器,是因为飞行员 ...

电影中激烈的空战场景对于许多电影观众来说很熟悉——当目标在视线范围内时,虚拟向导会协助飞行员在开火前瞄准并锁定目标。

这种屏幕上的向导会被投射到一个抬头显示器(HUD)上,之所以称为抬头显示器,是因为飞行员目光集中在外部环境上,但头部仍保持直立,而不是向下看另一个屏幕或仪表板。

20136月空中机动战中,美国海军Grumman公司的 F-14A 公猫战斗机使用HUD瞄准另一架飞机。图片来源: 美国海军 Wikimedia Commons


HUD是一种透明的显示器,它可以为飞行员提供关键飞行信息的完整视图,将信息直接投射到飞行员的视线范围内(如挡风玻璃内或屏幕上)——这使得飞行员可以将目光集中在飞机外面。


虽然显示屏距离飞行员的眼睛只有几厘米,但是 HUD 的虚拟图像可以在飞机前方几米的延伸距离上显示出来,这意味着飞行员不必将目光焦点转移到 HUD 自身的屏幕上,也不需要到其他地方寻找关键信息(如驾驶舱内的仪表板)。


航空HUD已得到充分发展,现在飞行信息可以和外部环境中的物体一样投射在同一个视觉平面上,因此飞行员可以在屏幕上和飞机外面之间来自由观看,期间不需要将视线重新聚焦。


HUD最初是在二战的飞机上开发的,在整个20世纪60年代,基础的HUD被广泛应用在军事领域。该技术的首次进行民用是在1993年。


Bombardier CRJ-200HUD1000英尺处显示的地平线和其他关键飞行信息,用以协助顺利着陆。图片来源: Shawn,来自加拿大 Airdrie (CRJ HUD)[ CC BY-SA 2.0( https://creativecommons.org/licenses/BY-SA/2.0)] Wikimedia Commons


现在,这些系统经常安装在军用飞机和大型商用飞机上。波音787采用Rockwell Collins抬头显示导航系统,这是第一架配备标准HUD的大型商用飞机。


传统的HUD投射虚拟形状和符号,以传递与导航、天气和其他关键数据有关的信息。这种信息统称为“符号”。


这些符号还包括与飞机位置相关的其他统计数据,如高度、地平线、转弯/倾斜&滑动/刹车指示器、雷达数据、航向和飞行路径以及空速,以及来自飞机航空电子设备和仪表的其他数据(军用飞机配备了可显示额外信息的硬件设备,如攻击目标、武器状态等)。


在低能见度的情况下,HUD特别有用。事实上,美国联邦航空管理局(FAA)现在允许飞行员在没有“自然视力”(零能见度)的情况下着陆,只要机载设备上安装了“增强型飞行视觉系统”(EFVS),例如飞机平视显示器(HUD)系统,或飞行员的头盔显示器(HMD2

美国空军高级飞行员 Dieri Dieujuste 正在测试Scorpion HMD 系统。该系统实时提供目标定位和跟踪信息。图片来源: David dobryney 上士,Wikimedia Commons


HUD系统组件

为了有效地操作,HUD系统通常包括以下组件:

  • 用于接收数据(包括来自实时度量的飞机系统传感器、航空电子仪表和卫星数据)的计算机
  • 通常由玻璃或塑料制成的组合器或透明显示器。组合器将信息直接反射到驾驶员的眼睛,它不会通过挡风玻璃阻碍外部视野,也不会阻碍周围光线的通过
  • 一块控制面板,飞行员可以选择各种显示选项和要显示的数据
  • 一个投影仪,可以将组合好的图像投射到屏幕上。现代的HUD系统已经不再使用传统的头顶式投影单元,而是能够直接将图像投射到显示屏上

第一代HUD利用阴极射线管(CRT)显示器在荧光屏上显示图像。现在许多HUD仍在使用CRT显示器,但是随着时间的推移,荧光屏的涂层将会变质失效。


为更好的显示图像,第二代的HUD使用了包括发光二极管(LED)在内的固态光源的使用,和液晶显示屏(LCD)。今天,许多商用飞机使用这种HUD

传统驾驶舱HUD的示意图。图片来源: Radiant Vision Systems


第三代航空HUD不需要投影系统,它使用光波导直接在组合器中产生图像。一些最先进的HUD系统利用激光扫描技术,可以在透明的介质(如挡风玻璃)上产生图像和视频。


HUD 制造商也开始与数字微镜设备(DMD)、硅基液晶(LCoS))有机发光二极管(OLED)等成像技术合作,以减小HUD系统的体积、重量和复杂性。


作为包括传统HUD在内的更广泛的 EFVS 类别的一部分,为了进一步改善显示效果,下一代HUD技术增加了地形合成和红外视频信息。


BAE系统公司的LightHUD®数字显示器可以用来升级装有HUD的飞机,其尺寸和重量效率都超过了老式的CRT HUD。图片来源: Radiant Vision Systems


航空HUD中的人为因素

评估人为因素是为了了解人的行为和表现。在整个航空航天行业中,关于人为因素的争论往往集中在事故和系统故障中的人为错误方面。


在这里,“人的因素”指的是人的能力和表现因素的具体元素,如视觉知觉。对人类先天特性和反应的考虑有助于系统设计得到优化(以人为中心的设计原则)。


使用精心设计的设备和高质量的组件有助于减少人为因素导致的不良,因为设备组件是系统性能不佳和产生事故的主要影响因素。


对人类来说,眼睛(以及我们大脑的视觉处理中心和相关的视觉系统)是我们用来评估和理解周围世界的最重要的信息来源。人类视觉推动了驾驶舱技术的大量优化发展。


与过去复杂的、基于轨距的系统相比,现代飞机的电子飞行显示器证明了人为因素工程的进步3。与人为因素相关的一些最关键的考虑因素包括:

  • 视觉焦点及适应 对于眼睛来说,“记录一个聚焦的锐利图像,某些结构上的改变是必要的,这取决于捕捉对象的距离。将看向远处物体的眼球焦距调整到近处的过程称为视觉调节,这涉及三个独立但协调的功能:晶状体调节、瞳孔调节和聚焦。视觉适应过程发生的速度因人而异,也因年龄而异,但通常是瞬间的事情。”

 因此,如果显示装置需要飞行员将焦点从近处(显示屏)切换到远处(外部场景),将会阻碍飞行员驾驶操作


  • Visual Attention. 视觉注意力 当大脑同时处理各种数量的视觉信息时,它的能力是有限的。视觉工作记忆有助于处理和缓冲人类吸收的多种信息,有效地“测量评价”竞争刺激。

然而,对特定目标的关注也会妨碍对其它目标的关注,从而可能导致“感知不足”。这种选择性对于人类在复杂环境中工作的能力至关重要,但在驾驶飞机时也可能是一种潜在的危险

“为有效地处理各种信息来源,并在集中注意力和分散注意力之间适当地平衡它们的时间,训练飞行员“扫描”的能力,或者说系统地按顺序简短处理每个信息来源。”

HUD 显示器通过将视觉信息叠加到外部环境上来限制这种复杂性,使两种类型的视觉输入同时处理起来更加容易


仪表板占据了飞行员非常多的视野,但人工智能仪表可以确保它们始终专注于最关键的元件。图片来源: Radiant Vision Systems


  • 色度和对比度  HUD显示器安全和可用的前提是要保证正确的色度和对比度值。人类的眼睛对色度和亮度极其敏感。

相比亮度,眼睛对对比度更加敏感,这使得人类能够在各种光照条件下拥有良好的视力。高对比度(例如,白页上的黑色文本)比灰色阴影更容易辨别。

连续对比是指眼睛在一个或多个物体或视图之间连续移动时对知觉的影响。

例如,在看汽车灯光然后把目光移向黑暗的天空之间切换时会导致感知减弱,这是因为眼睛需要更长的时间来适应黑暗的视野。HUD系统通常使用绿光作为显示符号,因为人眼对这个波段的光最为敏感


设计因素

能否成功组装出一个有效的HUD系统,在很大程度上取决于显示器本身的设计。关于其外形,照明设计,尺寸和其它影响因素必须仔细评估。这些因素包括:

  • 视场(FOV) – 视场是指显示器投射的角度范围(垂直、水平和对角线)

例如,一个FOV较小的显示器可能只能显示一条跑道;一个FOV大的显示器可以提供跑道周边更多的信息,这样飞行员就可以看到像其他飞机一样等等从侧面接近的周边物体


  • 视差 – 由于人类的眼睛之间有一定的距离,因此每只眼睛接收到的图像与另一只眼睛稍有不同,而大脑将这些图像结合在一起形成双眼视觉。

HUD上生成的图像不在双目对准时,视差错误就会发生。一个HUD的图像必须能够清楚地被一只或两只眼睛看到。这个问题通常通过准直来解决


  •  准直 –人类的眼睛在所有时刻只能聚焦于一个点。因此,HUD的图像需要准直:投射的光线需要无限平行,而不是会聚在显示屏幕上的一个点。

经过准直,飞行员在投影符号和外部环境之间切换时就不需要重新聚焦,因为它们都出现在同一个“无限平面”上。

在像进行着陆操作这类对时间很敏感且必须保证安全的操作时,哪怕能够减少丝毫时间浪费,都是很关键的,例如飞行员在HUD画面和外部环境之间切换就会浪费时间。因此准直器是HUD系统的重要组成部分


  • 眼盒 –为了促进准直和提高清晰度,用户的眼睛不能离主要观察位置太远,这个位置被称为HUD的头部移动盒或“眼盒”区域。

向左/向右、向上/向下移动太远,可能只能看到一部分的图像,甚至使图像失真。现代的 HUD允许用户在一定范围内运动,眼盒区域大约为横向5英寸、垂直3英寸、纵向6英寸(从前到后)。

 一个优质的HUD,必须能够让飞行员至少一只眼睛看到整个显示器。


  • 亮度/对比度HUD必须根据周围光线条件平衡亮度和对比度与—阳光,夜间条件,天气等。—确保可读性

 

  • 瞄准对齐 –飞机HUD组件必须与飞机的三个轴线精确对齐,以便使显示器上的数据与飞机在空间中的实际位置——即相对于人造地平线的位置——保持一致。

这个对齐过程称为轴线校准。这通常精确到 ± 7.0毫弧度(± 24分弧度) ,也可以在HUD的视场范围内波动。


  • Scaling 缩放“例如,从驾驶舱观察到低于地平线3度的物体(如跑道门槛)必须出现在HUD上的-3°指数上。”

品质规定

HUD系统的视觉性能是至关重要的,因为用户是在实时飞行情况下操作使用。联邦航空局已经就HUD和其它电子飞行显示器的相关发布了一些咨询通告。


在众多影响操作的因素中,该机构规定了一些参数——显示器大小、分辨率、反射率/眩光、符号线宽度、响应、刷新率和更新率、对比度、色度、灰度、缺陷(如元件缺陷)、亮度(在所有光线条件下)以及飞行甲板观察罩大小等。


有关规格的详细清单,请参阅联邦航空局通告:

  • AC-20-167A – 增强视觉系统、综合视觉系统、组合视觉系统和增强飞行视觉系统设备的适航审定
  • AC-25-11B – 电子飞行显示器
  • AC-25_1329-1C – 批准飞行指导系统批准
  • AC 90-106A – 增强型飞行视觉系统

HUD质量测试

航空航天制造商必须规定一个可靠细致的显示器测试方案,来确保HUD系统和设备设计和功能无误,并且它不受人为因素影响,且遵守美国联邦航空局的指导方针。


系统的设计和质量控制检查能够保证HUD投影是清晰的、双目对齐的,并且亮度和色度没问题,在任何照明条件下显示信息都能与周围环境区分开来。


低质量的HUD会使飞机处于危险之中,因为操作人员可能难以分辨显示器观测区域中预测不准的物体,导致导航、物体接近和其他警报等关键环境数据丢失、误解和干扰。


利用光学测量装置、辅助测试和测量软件对HUD投影在眼盒区域内(以表示可能的视角范围))的若干点进行检查,以便准确地评估这些元件。


Radiant Vision测试设备在航空航天、汽车和消费电子行业为传统显示器、近视显示器(NED)和 HUD 提供了领先的测试解决方案,其具有快速测试和易操作的优点。


与使用光点测量仪(例如分光辐射度计)或常规人工检查的测试方法相比,Radiant设备的一体化 HUD 测试平台是一个自动化系统,其利用成像来评估所有光度(颜色、对比度、亮度)和成像尺寸要求(缺陷、畸变、拖影)的整个显示。


Radiant设备的的 ProMetric 成像光度计和色度计利用一种大范围的投影方法,来评估从 OLED 到波导片的透明显示技术。


Radiant 公司的 ProMetric 相机是一种科学成像系统,其光学组件可以模拟人体对光和颜色的视觉感知(基于标准CIE配色功能)。系统涵盖自动HUD测量的优点,如电子镜头,虚拟图像距离的动态计算,HUD测试库软件,APISDK,和自动通过/失败测试排序。图片来源: Radiant Vision Systems


Radiant设备的软件设计了一个包括对比度、色度、畸变、拖影、眼盒、亮度、调制传递函数(MTF)、均匀性等等视觉性能参数的HUD测试库。


该软件使用 ProMetric 成像系统,有一系列高分辨率选项,用于模拟人眼对色度和亮度的反应。


Radiant设备的相机配备了电子镜头和软件,提供远程聚焦和光圈调整功能。这些技术使得它可以对投影在无限平面上虚拟图像进行最快速和最精确的评估。


Radiant设备的成像色度计将目标点映射到投影符号上,它可以把在任何工作距离的物体的距离、大小和比例时进行最小的调整,以保证视觉性能。

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最新评论

引用 uuuhjh2005 2021-7-8 16:25
里边所说到的“准直”是不是从显示屏到眼睛这一段光线准直?  类似于目前吗
引用 梦使幻方 2021-6-16 10:21
一篇HUD科普的不错文章,如果能加入一些实战模拟解析就更完美了

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