基于LED技术的自适应调光导光板照明及其关键技术

曾艺

【摘 要】当前民用飞机驾驶舱普遍采用手动调节导光板照明的亮度，该操作方法既增加飞行员的工作负担，又不易精准调节导光板亮度，本文提出基于LED技术的自适应导光板照明设计架构，并提出该架构实施需要考虑的关键技术，为民用飞机驾驶舱导光板照明设计提供指导。

【关键词】LED；导光板照明；自适应调光

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

导光板照明是飞机驾驶舱照明的重要部分，安装在驾驶舱控制板上，为驾驶舱仪表提供背景照明，用以保证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，能增加飞机夜航的安全性。而飞行员对导光板上的字符标记的辨识能力也取决于驾驶舱内光环境。在相同的光环境下，导光板亮度过低会使飞行员辨识困难，极易引起疲劳，导光板亮度过亮会造成眩光，均会影响飞行舒适性和安全性。因此飞行员在驾驶舱内光环境变化时，会频繁的操作驾驶舱内的多个调光旋钮来实现驾驶舱内照明设备的亮度调节，而较多的人工操作会增加调光的复杂性，且人工操作的准确性也较低，这一定程度加重了飞行员的负担。本文为解决驾驶舱用人工调节亮度带来的问题，提出基于LED控制技术的自适应调光导光板照明设计架构并讨论其技术实现的关键。

1 民用飞机导光板调光技术现状

民用飞机导光板随着新光源的快速发展，由原来的荧光灯，白炽灯迅速换成具有耗电低、抗震性强和工作稳定性高等优点的LED光源[1]，而由于LED光源的应用，促进了新的调光技术的发展，目前运用较多的调光技术为传统飞机的电压调光，PWM调光以及基于总线的新型的数字调光方式。但是对于在民用飞机领域中导光板运用的各种调光方式，飞行员目前均采用手动调光形式。但是在飞机飞行过程中，驾驶舱内环境光不断发生变化，飞行员为使各类开关、旋钮、指示字符看起来更加清晰、舒适，需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，人工调节过程分散了飞行员注意力，增加了飞行员负担。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。目前飞机导光板调光控制在形式上已经发展到基于PWM的数字调光方式[2-3]，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，因此我们提出基于LED光源的PWM数字调光控制技术的自适应调光方法，减轻飞行员的负担，提高飞行安全和飞行舒适性。

目前民用飞机驾驶舱照明设计中自适应调光控制主要应用在显示器的亮度控制领域，例如波音787飞机，而在民用飞机导光板还未应用自适应调光控制技术，然而民用飞机系统设计已不断向数字化和智能化方向迈进，自适应调光技术在民用飞机驾驶舱照明控制系统中应用，无疑会大大减轻飞行员操纵负担，改善驾驶舱照明人机工效，更好地保证飞行安全。

2 LED导光板自适应调光技术架构

自适应控制是指在没有人直接参与的情况下利用外加的设备或装置使参数自动的按照预定的规律运行。LED型导光板的LED是由驱动电流控制的，因此可以釆用在工作电流恒定条件下调节PWM占空比的方式来调节LED的点亮时间控制LED灯亮度，从而来调节导光板的亮度。

光照传感器是用于检测驾驶舱内时刻变化的环境光照度。由于飞机飞行过程中，不可避免会经历一天中光照不停变化的过程，特別是在黄昏和黎明时分，此时驾驶舱外环境光的亮暗变化最易影响导光板的字符的辨识度。因此导光板自适应调光技术需要适应不同环境光，必须在驾驶舱内安装检测环境光的光照传感器。由于驾驶舱大部分导光板均安装在驾驶舱顶部区域，遮光罩区域，仪表板区域和中控台区域，并且各区域导光板附近的面板照度均不一样，因此需要在各导光板区域附近布局多个光照传感器用于检测驾驶舱环境光的照度变化。

驾驶舱内通过光照传感器[4]将采集的光信号转化为电信号后，可通过控制器经过逻辑处理，计算出环境照度，查表对应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，并通过总线传输到PWM驱动单元，在驱动单元内部将数字PWM信号通过成模拟信号驱动各LED导光板，实现对导光板亮度的自动调节。同时，为了保证飞行安全性和舒适性，增加调节旋钮，对自适应光照进行手动补偿调节，以适应不同飞行员对亮度感受的差异。

3 LED导光板自适应调光技术关键

由于自適应调光需要光照传感器采集驾驶舱不断变化的光环境，并将采集的信息收集处理后对应亮度曲线进行控制PWM输出，从而驱动导光板亮度自动变化。因此导光板自适应调光技术的关键设计在于以下三个方面：光照传感器布局设计、亮度曲线模型的设计和PWM占空比范围设定等。

3.1 光照传感器布局设计考虑

环境的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。由于当驾驶舱环境光照度大于200 lx时，导光板上的字符和标记未被点亮时即可清晰可读，此时导光板不需要照明，也不需要亮度调节。因此，在导光板周围仅需布置低照度光照传感器用于感知0～200 lx照度范围内的环境光变化，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，具体可采用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[5]，同时在研制阶段可采用日照模拟器在试验室对试验结果进行验证。如图2是驾驶舱内光照传感器排列示意图，“ ”表示光照传感器位置。驾驶舱顶部板区域和中央操纵员区域光照传感器可供选择的布置方案有两个，分别位于对角线A和对角线B上以及对角线C和对角线D。

3.2 亮度曲线模型设计

由于驾驶舱导光板的安装位置并不相同，因此其同一驾驶舱光环境下投射到导光板面板的照度也是有所不同，因此导光板照明亮度自适应调节时各区域甚至各块导光板所需要设置的亮度曲线是不同的[6]。LED导光板照明自适应调光技术，需结合视觉工效试验，拟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。

视觉工效试验可采用模拟日光系统产生200lx以下不同照度的环境光，对受试者进行主观评估，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。

3.3 PWM占空比范围的设定

PWM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，可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，例如某型飞机的PWM的频率选用300HZ，占空比范围为9.5%～95%，可作为参考依据。

同时为了适应飞行员的个性化需求，在自动调光的基础上增加手动补偿功能。该功能通过设置一个调光旋钮实现。当飞行员操作调光旋钮时，将在自动调光输出的PWM占空比的基础上叠加一个人工输入增量。根据工程经验，设置导光板手动补偿的亮度公差带在±20%范围内，可实现飞行员在自适应调光所设置的亮度的基础上进行±20%范围内的微调。

4 结论

民用飞机导光板自适应照明技术研究，结合手动补偿功能，可以减轻飞行员负担，能根据环境光变化自动调节导光板的亮度，使飞行员在任何可预期的驾驶舱光照条件下均能清晰判读导光板上的字符和标记，保证导光板照明整体均匀、舒适，改善驾驶舱的视觉工效。

【参考文献】

[1]李倩.LED调光控制技术在飞机导光板照明中的应用[J].测控技术，2010，11：106-108+111.

[2]居大鹏.LED驱动器的调光技术[J].电子产品世界，2010，11：34-36.

[3]魏雅.基于PWM的LED调光系统设计[J].无线互联科技，2012，08：113+115.

[4]曾庆兵，冉剑，徐捷.飞机导光板照明亮度自动调节系统设计[J].照明工程学报， 2013，01：106-110.

[5]徐刚，曹永刚，王伟龙.飞机驾驶舱自动调光系统中光照传感器布局设计[J].飞机设计，2013，02：59-63.

[6]熊端琴，郭小朝，叶佳波，杜健，白玉，刘庆峰，师国伟，王嫣嫣.夜视兼容绿光LED导光板自动亮度曲线的研究[J].航天医学与医学工程，2013，02：92-95.

[责任编辑：朱丽娜]