基于LED技術的自適應調光導光板照明及其關鍵技術

曾藝

【摘 要】當前民用飛機駕駛艙普遍采用手動調節導光板照明的亮度，該操作方法既增加飛行員的工作負擔，又不易精準調節導光板亮度，本文提出基于LED技術的自適應導光板照明設計架構，并提出該架構實施需要考慮的關鍵技術，為民用飛機駕駛艙導光板照明設計提供指導。

【關鍵詞】LED；導光板照明；自適應調光

Self-Adaptive Dimming Control Technology and the Key Knots Based on LED Technology for Light Guide Plate in Civil Aircraft

ZENG Yi

（Shanghai Aircraft Design & Research Institute， Shanghai 201210，China）

【Abstract】In current civil aircrafts， the light dimming function of the light guide plate is usually used by manual. The operation method not only increases the pilot's workload， but also has difficulties in precisely controlling the brightness of light guide plate. In this paper， we proposed the architecture of self-adaptive dimming control technology based on LED technology for the light guide plate illumination， and also studied the key nots of the architecture. It can be guidance for the light guide plate design of civil aircraft.

【Key words】LED； Light guide plate； Self-adaptive dimming

0 引言

導光板照明是飛機駕駛艙照明的重要部分，安裝在駕駛艙控制板上，為駕駛艙儀表提供背景照明，用以保證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信息準確顯示給飛行員，能增加飛機夜航的安全性。而飛行員對導光板上的字符標記的辨識能力也取決于駕駛艙內光環境。在相同的光環境下，導光板亮度過低會使飛行員辨識困難，極易引起疲勞，導光板亮度過亮會造成眩光，均會影響飛行舒適性和安全性。因此飛行員在駕駛艙內光環境變化時，會頻繁的操作駕駛艙內的多個調光旋鈕來實現駕駛艙內照明設備的亮度調節，而較多的人工操作會增加調光的復雜性，且人工操作的準確性也較低，這一定程度加重了飛行員的負擔。本文為解決駕駛艙用人工調節亮度帶來的問題，提出基于LED控制技術的自適應調光導光板照明設計架構并討論其技術實現的關鍵。

1 民用飛機導光板調光技術現狀

民用飛機導光板隨著新光源的快速發展，由原來的熒光燈，白熾燈迅速換成具有耗電低、抗震性強和工作穩定性高等優點的LED光源[1]，而由于LED光源的應用，促進了新的調光技術的發展，目前運用較多的調光技術為傳統飛機的電壓調光，PWM調光以及基于總線的新型的數字調光方式。但是對于在民用飛機領域中導光板運用的各種調光方式，飛行員目前均采用手動調光形式。但是在飛機飛行過程中，駕駛艙內環境光不斷發生變化，飛行員為使各類開關、旋鈕、指示字符看起來更加清晰、舒適，需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，人工調節過程分散了飛行員注意力，增加了飛行員負擔。另外人工調節隨機性較大，一般不容易調節出最佳的照明效果；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。目前飛機導光板調光控制在形式上已經發展到基于PWM的數字調光方式[2-3]，由于采用了數字總線和應用軟件，系統具有較大的擴展余地，因此我們提出基于LED光源的PWM數字調光控制技術的自適應調光方法，減輕飛行員的負擔，提高飛行安全和飛行舒適性。

目前民用飛機駕駛艙照明設計中自適應調光控制主要應用在顯示器的亮度控制領域，例如波音787飛機，而在民用飛機導光板還未應用自適應調光控制技術，然而民用飛機系統設計已不斷向數字化和智能化方向邁進，自適應調光技術在民用飛機駕駛艙照明控制系統中應用，無疑會大大減輕飛行員操縱負擔，改善駕駛艙照明人機工效，更好地保證飛行安全。

2 LED導光板自適應調光技術架構

自適應控制是指在沒有人直接參與的情況下利用外加的設備或裝置使參數自動的按照預定的規律運行。LED型導光板的LED是由驅動電流控制的，因此可以釆用在工作電流恒定條件下調節PWM占空比的方式來調節LED的點亮時間控制LED燈亮度，從而來調節導光板的亮度。

光照傳感器是用于檢測駕駛艙內時刻變化的環境光照度。由于飛機飛行過程中，不可避免會經歷一天中光照不停變化的過程，特別是在黃昏和黎明時分，此時駕駛艙外環境光的亮暗變化最易影響導光板的字符的辨識度。因此導光板自適應調光技術需要適應不同環境光，必須在駕駛艙內安裝檢測環境光的光照傳感器。由于駕駛艙大部分導光板均安裝在駕駛艙頂部區域，遮光罩區域，儀表板區域和中控臺區域，并且各區域導光板附近的面板照度均不一樣，因此需要在各導光板區域附近布局多個光照傳感器用于檢測駕駛艙環境光的照度變化。

駕駛艙內通過光照傳感器[4]將采集的光信號轉化為電信號后，可通過控制器經過邏輯處理，計算出環境照度，查表對應預設的亮度曲線模型，得出對應環境光照度下的導光板亮度值，并通過總線傳輸到PWM驅動單元，在驅動單元內部將數字PWM信號通過成模擬信號驅動各LED導光板，實現對導光板亮度的自動調節。同時，為了保證飛行安全性和舒適性，增加調節旋鈕，對自適應光照進行手動補償調節，以適應不同飛行員對亮度感受的差異。

3 LED導光板自適應調光技術關鍵

由于自適應調光需要光照傳感器采集駕駛艙不斷變化的光環境，并將采集的信息收集處理后對應亮度曲線進行控制PWM輸出，從而驅動導光板亮度自動變化。因此導光板自適應調光技術的關鍵設計在于以下三個方面：光照傳感器布局設計、亮度曲線模型的設計和PWM占空比范圍設定等。

3.1 光照傳感器布局設計考慮

環境的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，間接決定了自適應調光控制的效果。由于當駕駛艙環境光照度大于200 lx時，導光板上的字符和標記未被點亮時即可清晰可讀，此時導光板不需要照明，也不需要亮度調節。因此，在導光板周圍僅需布置低照度光照傳感器用于感知0～200 lx照度范圍內的環境光變化，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境光分布情況而定，具體可采用SPEOS光學仿真軟件分析駕駛艙各區域環境光的可能分布情況，并結合各區域導光板的分布，最終確定光照傳感器的安裝位置[5]，同時在研制階段可采用日照模擬器在試驗室對試驗結果進行驗證。如圖2是駕駛艙內光照傳感器排列示意圖，“ ”表示光照傳感器位置。駕駛艙頂部板區域和中央操縱員區域光照傳感器可供選擇的布置方案有兩個，分別位于對角線A和對角線B上以及對角線C和對角線D。

3.2 亮度曲線模型設計

由于駕駛艙導光板的安裝位置并不相同，因此其同一駕駛艙光環境下投射到導光板面板的照度也是有所不同，因此導光板照明亮度自適應調節時各區域甚至各塊導光板所需要設置的亮度曲線是不同的[6]。LED導光板照明自適應調光技術，需結合視覺工效試驗，擬出合理的調光參數曲線，建立亮度曲線模型，確定駕駛艙內環境光照度和導光板亮度對應關系。

視覺工效試驗可采用模擬日光系統產生200lx以下不同照度的環境光，對受試者進行主觀評估，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。

3.3 PWM占空比范圍的設定

PWM占空比范圍的設定是系統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，可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，例如某型飛機的PWM的頻率選用300HZ，占空比范圍為9.5%～95%，可作為參考依據。

同時為了適應飛行員的個性化需求，在自動調光的基礎上增加手動補償功能。該功能通過設置一個調光旋鈕實現。當飛行員操作調光旋鈕時，將在自動調光輸出的PWM占空比的基礎上疊加一個人工輸入增量。根據工程經驗，設置導光板手動補償的亮度公差帶在±20%范圍內，可實現飛行員在自適應調光所設置的亮度的基礎上進行±20%范圍內的微調。

4 結論

民用飛機導光板自適應照明技術研究，結合手動補償功能，可以減輕飛行員負擔，能根據環境光變化自動調節導光板的亮度，使飛行員在任何可預期的駕駛艙光照條件下均能清晰判讀導光板上的字符和標記，保證導光板照明整體均勻、舒適，改善駕駛艙的視覺工效。

【參考文獻】

[1]李倩.LED調光控制技術在飛機導光板照明中的應用[J].測控技術，2010，11：106-108+111.

[2]居大鵬.LED驅動器的調光技術[J].電子產品世界，2010，11：34-36.

[3]魏雅.基于PWM的LED調光系統設計[J].無線互聯科技，2012，08：113+115.

[4]曾慶兵，冉劍，徐捷.飛機導光板照明亮度自動調節系統設計[J].照明工程學報， 2013，01：106-110.

[5]徐剛，曹永剛，王偉龍.飛機駕駛艙自動調光系統中光照傳感器布局設計[J].飛機設計，2013，02：59-63.

[6]熊端琴，郭小朝，葉佳波，杜健，白玉，劉慶峰，師國偉，王嫣嫣.夜視兼容綠光LED導光板自動亮度曲線的研究[J].航天醫學與醫學工程，2013，02：92-95.

[責任編輯：朱麗娜]