浅谈教练机座舱显示与控制技术

曾庆云袁孟军袁朱俊云袁樊伟

渊航空工业洪都袁江西南昌袁330024冤

摘显示设备对比、控制设备功能、要院分析了座舱显示与控制的需求，阐述了座舱显示与控制架构设计、

画面设计以及控制逻辑设计，提出了座舱显示与控制中存在的问题和关键技术。

关键词院人机交互界面；座舱显示；座舱控制

AnIntroductiontoCockpitDisplayandControlTechnologyofTrainingAircraft

ZengQingyun,MengJun,ZhuJunyun,FanWei(AVICHongdu,Nanchang,Jiangxi,330024)

Abstract:Thispaperanalyzesthedemandsforcockpitdisplayandcontrol,illustratesthedesignofcockpitmatandcontrollogicdesign,andraisestheproblemsandkeytechnologiesincockpitdesignandcontrol.Keywords:MMI;Cockpitdisplay;Cockpitcontrol

displayandcontrolarchitecture,comparisonofdisplayequipment,functionsofcontrolequipment,displayfor原0引言

随着飞行环境复杂性的日益增加尧飞机性能的逐步提升尧航空电子综合化程度的提高袁座舱显示的信息量变大袁在座舱显示与控制的设计方面袁不仅要求信息显示直观尧易读尧实时性好曰而且要求控制操作简单尧精度高遥同时袁座舱显示与控制的设计好坏,直接关系到飞行员能否做出正确的判断尧决策以及合理的控制,从而保障飞行员的安全尧确保任务的顺利完成遥为此袁本文主要从座舱显示与控制两方面介绍了座舱人机交互界面设计遥

仰尧横滚尧过载尧攻角等飞行信息以及飞机系统状态尧告警信息袁为飞行安全提供保障遥

未来作战模式将向远距打击和信息对抗为主转化袁教练机座舱显示与控制以提供周边态势情况为主袁配合以攻击尧防御尧通讯尧导航尧识别尧外挂等信息显示袁为任务完成提供支持遥

随着飞行环境日益复杂袁飞机性能的提升袁以及飞机功能的增加袁飞行员的负担也逐步加重袁越来越多的功能选择和操作模式将导致经验不丰富的飞行员在面临紧急任务时无所适从遥飞行员需要哪些信息钥这些信息如何显示有利于飞行员的理解钥如何减轻飞行员负荷钥这都是座舱显示与控制设计必须关注并迫切解决的问题遥

3冤减轻飞行员负荷2冤为任务完成提供支持

1需求分析

飞机从起飞到着陆的整个过程中袁一般要执行导航尧搜索尧跟踪尧瞄准以及攻击等任务袁在这些任务的执行过程中袁座舱显示与控制的设计为飞行安全提供保障尧为任务完成提供支持袁同时减轻飞行员负荷遥

在整个飞行过程中袁教练机座舱显示与控制为飞行员实时提供准确尧直观尧易读的航向尧高度尧速度尧俯12教练机2020.NO.11冤为飞行安全提供保障

2显示与控制设计

2.1显示与控制架构设计

如图1为教练机显示与控制架构袁该架构主要由显示和控制两部分组成袁显示部分主要包括衍射平

显尧大屏显示器尧头盔瞄准具袁控制部分包括双杆尧上前方控制面板尧航空电子启动板等遥此外还有两台互为备份的显示控制处理机遥该显示与控制系统可显示整个飞机的飞行参数尧系统状态尧任务数据尧态势信息尧视频信息等袁提供综合显示尧集中控制人机交互方式遥

图1教练机显示与控制架构

2.2显示与控制设备

目前三代机座舱主要显示设备为平显尧头盔尧下显袁控制设备主要是上前方控制面板尧多功能显示器周边键等遥2.2.1显示设备

1平冤显平是将显与飞行头盔参显数示尧器

瞄准攻击尧自检测等信息以图形尧字符的形式袁通过光学部件投射到座舱正前方组合玻璃上的光/电装置遥由于光学系统将所显示的信息成像于无穷远处袁因此可以使飞行员几乎不用改变眼睛焦距袁即可方便观察飞行参数等相关信息遥此外袁红外尧电视摄像机拍摄的视频图像可以以光栅模式投影到平显上遥为了增大平显视场尧提高显示亮度和外景透光率袁美国休斯顿飞机公司首先研制出衍射平显渊主要变化是使用全息透镜替代组合玻璃冤遥

头盔显示器可以理解为野安装在头盔上的平显冶袁虽然本身视场有限袁但由于安装在头盔上袁其视野随着头部的转动而转动袁视野大遥头盔显示器既具有显示数据信息尧图像信息的功能袁又具有测量头盔瞄准线位置的功能遥此外袁采用图像增强器或夜视摄像机等装置探测到的图像可在头盔显示器上叠加显示袁头盔显示器便可实现夜视功能遥

头盔瞄准具是显示瞄准标记或十字线的一种简单的光学装置遥用于测量指向目标的瞄准线(LOS)方位袁从而确定目标的位置遥

平显与头盔显示器相比较如下院

荫专题研究渊平1冤显平技术显精已经度高非袁常适成用于熟袁非影响制导精武器度的投因放

素已经控制得非常精确袁目前平显输出的精度在视场中心优于度分0.1~lmrad为光学袁边精缘度和精度跟踪为精1.5~2mrad度袁头盔遥显头示盔器显的示光学器精的度精

与平显类似袁头盔显示器的跟踪精度袁随离轴角的增加袁在头部活动框的边缘迅速降低渊主要是由于头盔显示器在整个头部运动框内对风挡玻璃误差补偿困难冤袁在大离轴角精度降至8~10mrad袁精度较平显低遥

平显精度高袁安装时与机轴进行过校靶袁而且制导武器的瞄准与弹道计算都是以机轴为基准的袁因此平显适用于投放非制导武器遥发射

渊2冤头盔显示器捕获目标快袁适用于导弹离轴角虽然头盔显示器的瞄准精度大大低于平显袁但是投放制导武器不需要很高的瞄准精度遥

飞行员通过头盔显示器进行目视搜索和跟踪目标时袁导弹及相关的传感器可以快速地随动到目标的位置袁截获目标后可立即离轴发射导弹袁而且头盔显示器视场大尧能灵活转动袁满足大离轴角搜索尧跟踪尧瞄准和发射袁从而改善人机接口关系袁减轻飞行员的工作负担袁提高作战效率遥

渊平3冤显平一般显占安用装座在舱仪安表装板空间

的中上部袁占用了仪表板上最好的空间袁这一高价值的空间最好用于更有效能的战术态势情况显示遥而头盔显示器则戴在飞行员头上袁不占用仪表板的空间遥

渊头4冤盔头显盔示显器示双器目视视野场大

为40毅渊方位冤伊30毅渊俯仰冤袁瞄准线的测量范围为依135毅渊方位冤和依85毅渊俯仰冤袁而平显的总视场为26毅渊方位冤伊23毅渊俯仰冤遥

下2冤显下的显

显示器件分类方法多种多样袁按显示器的结构形式可分为阴极射线管渊CRT冤显示器和平板显示器遥平板显示器包括液晶显示器(LCD)尧发光二极管渊渊LED冤尧有机发光二极管渊OLED冤尧电子发光显示器

轻ELD尧薄冤尧等省袁电平等板特显点示袁符器合具未有完来图全像显平面示化器发展尧分辨的率必高然尧趋势遥

目前,平板显示器主要是液晶显示器(LCD)和有机发光二极管渊OLED冤袁其中OLED被视为21世纪最

教练机2020.NO.1

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教练机有前途的产品之一袁OLED具有如下优点院

渊渊1冤厚度薄袁重构量袁轻没曰更好袁不2冤怕摔为固曰

态结有液态物质袁因此抗震性能

角下观看渊3冤几袁画乎面没仍有然角不度的失真限曰值问题袁即使在很大的视拖影的渊4现冤响象应曰

时间是LCD的1/1000,显示运动画面无LCD渊则无5冤低法温做特性到曰

好袁在-45毅C时仍能正常显示袁而渊渊67冤冤制造发能光工够效艺简在不率更单同高袁材质袁成能本的耗低廉基比板LCD曰上制造要低袁可以曰

弯曲的渊8柔冤然显示器遥

做成能由于液晶分子各向异性袁对于不同的入射光袁反

射率不相同袁因此视角较小袁只有30~40毅袁对比度受视角影响较大袁随着视角的增大袁对比度下降遥液晶的响应受环境影响袁低温时响应速度较慢袁温度过低则液晶会结晶曰高温会破坏液晶的定向层袁温度过高时袁液晶态会消失遥2.2.2控制设备

目前高级教练机的座舱控制设备主要包括航空电子启动板尧上前方控制面板尧多功能显示器周边键尧双杆以及座舱内的一些开关尧按钮遥

为1冤简航化空飞行电子员系统操作启程动序板

袁所有航空电子分系统的启动都通过一块智能化的航空电子启动板来完成遥航空电子系统启动板控制各航空电子分系统及设备的上电和下电袁提供系统及设备通断状态信号指示袁控制飞机视频记录器记录方式等遥

上2冤前方上前方控制控板制面位于板飞行员正前方袁是一块可平视操纵的显示板袁用于装订或改变航空电子系统的工作参数与选择工作方式等袁显示系统工作方式尧飞控系统状态等遥上前方控制板还可以控制平显的高压电源和亮度调节袁控制备份环开关和亮度调节遥

多3冤功能多功能显示显器示周边器周边键是键可以通过计算机软件设定其控制功能袁周边键的控制功能可随着显示画面的改变而改变遥多功能显示器周边键用于画面切换尧数据加载尧修改尧系统或设备的自检等遥14教练机2020.NO.1双4杆冤双上方集双中杆

了一些重要的控制器渊例如作战中必须操作的开关尧按钮等冤遥在时间紧迫的作战阶段袁飞行员两眼平视尧两手握杆即可完成战斗任务遥2.3显示信息与控制任务分类2.3.1显示信息分类

为了给飞行员准确提供本机状态和周边态势情况的信息袁需要在座舱内显示的信息极为丰富遥按其功能划分袁现代高级教练机座舱显示信息设计通常包括以下9类遥

态1冤势态信势息信显息

示袁即战术信息平面视图显示袁包括地面阵地尧飞机探测设备搜索范围尧本机防御能力信息提示尧本机位置尧航线尧活动地图尧威胁尧目标尧敌友机等遥

攻2冤击攻信击息信主息要包括显示打算攻击的威胁目标信息袁以及武器的使用信息尧射击清单尧目标航迹尧导弹发射包线尧武器控制提示符号和导弹飞行路线符号等遥通3信冤通尧导航信尧导航尧识别信尧识别信息主息要包括显示通信设置袁修改参数信息尧无线电导航飞行引导信息尧敌我识别信息遥

外4冤挂外信挂息信主息

要包括武器投放程序信息尧武器外挂配置信息尧以及投放物状态信息遥

飞行5冤飞行状态信状态信息主息要包括飞机飞行姿态尧航向尧高度尧空速等信息遥

视频6冤视频图像图信像息主要由摄像头尧红外尧电视成像系统以及地面目标成像的雷达SAR渊合成孔径雷达冤产生遥

非7冤航电非航电信息信主息要包括飞控尧发动机尧燃油尧电源尧起落架尧液压刹车尧机电管理等信息遥

告8冤警告和警提示和提示信息信主息要包括飞机状态尧攻击尧防御告警提示信息等遥

维护9冤维护信息信主息要包括各系统或设备故障代码尧首发时间尧持续时间尧发生次数尧安装误差尧软件版本号等遥2.3.2控制任务分类

座舱控制设计中袁通常要基于座舱控制任务需求进行遥高级教练机座舱控制任务主要包括如下6类院

渊1冤综合任务控制

渊1渊2冤3冤系统冤任目务工标数作优据模先加式级载的的和控人修制工改渊4设定渊渊5冤26冤武器系统冤训练通信模尧导航式的的人尧启工配识动置别参数的设定渊渊冤21冤冤飞行控姿自态动/驾驶制管航向接理保通系统持尧子断模模开式控制渊3冤高度保持子模态(ALT)态渊ATT冤渊渊45冤冤人自工超动改控平子子模模态态渊渊CSSAL冤

冤3渊冤渊12冤机冤燃电液压状理刹态参车参数状数的态显显参示示数控控显制制渊3冤电源状态参数显示控制示控制渊4冤冤发起动机落架状状态态参参数数显显示示控控制

制

渊冤维护功能模式控制渊1冤维护自检控制渊263冤冤维护安装故障误差查设询定渊冤渊1显示画面的控制

2冤全屏显示尧分屏显示及开窗控制2.4渊符3冤冤缺省号画画面显面显示设计

示画优面的先级控的制控制高级教练机通常为多任务设计袁每个任务均有特定的画面和逻辑需求遥在显示装置上出现相应的不同符号和飞行指令袁如图2所示袁显示画面由多个不同的符号构成袁有静止的尧运动的符号遥

在显示符号及画面的设计中袁需注意以下几点院小尧座1舱冤显布局示来对符号显和示画画面面设进计行可以设计根曰

据显示器的大

2冤设计画面符号时袁应考虑到符号的通用性尧继

荫专题研究承性以及画面中的显示比例曰认知特3冤点设相计匹显配示的符显号示时格袁式应曰

采用形象直观且与人的

和逻辑4冤性从袁以优及化各设画计面的字角符度位袁要置考的合理虑显示安字排符和的可清读晰性度

遥战模式之5冤设间计的画关面系逻辑袁以时及袁飞行应考员的虑习画惯面大等遥

小与飞行作

图2座舱平显显示画面

此外还应遵循如下显示设计特点院

显1冤示缺省界面是有显示的限逻辑

的袁无法满足任务模式里所有的信息都同时显示的需求遥需将每个任务模式中最典型的信息提取出来袁作为缺省的显示信息与任务模式关联遥飞行员在不同的主模式之间切换时袁不再需要手动选择即可以得到缺省的显示遥

对于2冤显显示示的分画面的层结设构

计袁按照从重要到次要画面的分层结构来显示遥

在3冤设快计捷快的捷显的示显切示换

切换时袁在画面的逻辑设计中考虑使用快捷键的方式遥不论系统当时处于何种主模式画面袁都可以通过快捷键迅速返回主菜单遥

在4冤飞行显示中的袁防飞行拥

员有时可能只关注某一方面的信息遥考虑到这种需求袁可以利用设置不同级别的防拥显示来解决这种问题遥通过选择不同的防拥方式袁可以得到不同的显示信息组合方式遥

5冤显示信息的优先级

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教练机在平显显示画面中袁平显上会显示各种作战符号和告警信息袁应根据这些信息的优先级排列袁决定信息重叠覆盖显示的级别遥2.5控制逻辑设计

控制逻辑设计与系统顶层设计文件密切相关系统渊如:的全飞行信息流剖等面的冤袁涉任及务系统使命广泛尧系统的技术构型范尧配畴套遥需武器根据尧

不同任务及飞行员所要侧重了解的信息及操作袁将航空电子系统显示控制涉及的大量操作有逻辑的设计在一起遥主要设计步骤如下院

第一步院设计飞行员操作流程图

飞行员操作流程图是对其整个飞行剖面而言的袁包括:飞行前的任务准备尧起飞导航尧警戒待机尧对空和对地攻击以及返航等多个任务阶段遥通过对飞行员操作流程图设计袁将飞机座舱内的信息控制和显示部件与飞行员的操作动作联系起来遥在飞行员操作流程图中应说明每个任务阶段执行的一系列操作及其所需的时间遥

第二步院分解和转换飞行员操作流程图

该步骤是将飞行员操作流程图分解和转换成飞行员执行某项工作渊如导航方式选择尧空空导弹发射冤的所有操作的有序集合袁并确定每个操作所需的时间遥包括飞行员对双杆上的开关操作的时间袁对各种显示器的字符观察和判断时间袁对各种显示器上开关尧按钮操作的时间等遥

以近距发射空空红外导弹为例渊从雷达发现目标到导弹发射冤袁将该项工作分解为若干个操作袁给出初步分解的飞行员操作流程图渊没有给出操作时间和观察判断时间冤袁见图3袁通过对飞行员操作流程图的分解袁可明确在任务执行过程中飞行员应该完成的操作和需要得到的显示袁以及这些行为与显示之间的相互联系遥

3关键技术

作战1冤数时据袁融飞行合技术

员的主要任务是作出好的战术决策并执行这些决策袁然而作出战术决策的正确程度直接与飞行员对态势的了解(SA)成正比遥随着探测传感器作用距离增加尧电子战系统精度极大提高以及数据链路将装备至教练机遥在作战训练时袁要增强飞行员对态势的全局了解袁需将雷达尧电子战尧数据链尧导航与16教练机2020.NO.1退出攻击

图3近距空空导弹发射飞行员操作流程图初步分解

地图以同一比例尧同一坐标在大的显示器上进行融合袁提高飞行员作战效能遥

在2冤导航显示与符着号陆实阶时段性袁修正飞行技术

员需要根据速度矢量符的位置反推攻角袁以保证飞机以安全的姿态完成相关功能操作袁如采用真攻角和真侧滑角驱动的速度矢量符号袁速度矢量符号会抖动曰改用惯性攻角和惯性侧滑角驱动后袁存在滞后现象遥

经对试飞数据的分析后袁决定采用惯性攻角和惯性侧滑角驱动平显上的速度矢量符号袁但需对速度矢量符采用实时性修正技术袁即根据飞机前一周期与当

荫专题研究前周期的俯仰角尧横滚角尧俯仰角速率尧真攻角尧惯性攻角尧惯性侧滑角等数据进行修正袁并通过采集试飞数据在地面仿真验证其可行性遥图4为修正后惯性攻角与修正前惯性攻角的对比图袁修正后的惯性攻角变化趋势与修正前惯性攻角的变化趋势一致袁修正后的信息提前100耀200ms袁满足速度矢量符实时性显示的需求遥

1110

修正后的惯性攻角修正前惯性攻角

系统的控制键设置在双杆上袁确保飞行员双手不离杆袁可随时对语音控制进行操控和切换曰语音控制不能承担关键任务袁语音识别错误不应造成严重后果曰语音识别应有及时的反馈信息袁确保飞行员了解语音是否被输入尧是否被正确识别遥

4结语

座舱显示与控制是飞行员和飞机之间相互作用的接口袁是人机交互界面关键所在遥如何准确地获取飞机的状态信息尧战场态势,如何有效地控制飞机完成飞行尧作战训练等任务袁一直是备受关注的热门话题袁随着科学技术尤其是计算机技术的不断发展,座舱显示与控制将朝着数字化尧综合化尧人性化方向发展袁使飞行员能够更便捷地操纵飞机,达到人与飞机

10.59.59.08.5

120

140

160180200220240采集的点数渊50ms采集一个点)

260280

的和谐统一遥

参考文献

技与创新袁2016渊5冤.业出版社.

[1]杨明怡.飞机座舱显示/控制系统设计浅析.科

图4惯性攻角与预测的惯性攻角局部放大对比图

虽然语音控制技术经过了几十年的发展袁语音识别能力和灵活性以及对语音控制的应用有所提高袁但当前语音识别系统和语音控制系统还不能达到预期的性能水平袁主要表现在院首先袁语音识别技术的识别率有限袁不能实现百分百的准确率识别语音命令曰其次袁语音识别技术受环境噪声尧高过载下飞行员的发音变化等原因的影响袁在这些环境下袁识别率会有所下降遥

基于识别率考虑袁对语音控制技术在座舱中的应用应做一些院语音控制设备在飞机上只充当辅助控制设备袁必要时可用其他控制设备取代曰语音识别

3冤语音控制技术

[2]范天慈.机载综合显示系统咱M暂北京院航空工[3]孙滨生.未来需求对座舱电子显示的影响.飞[4]叶飞机设计手册曳总编委会.叶飞机设计手册曳

机设计袁1999袁4.

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概况.现代显示袁2005渊1冤.

[5]闫智武.李成贵.飞机座舱仪表显示器的发展

渊收稿日期院2020-03-09冤

>>>作者简介

曾庆云袁女袁1975年11月出生袁1999年毕业于北京理工大学袁高级工程师袁现从事飞机航电系统设计工作遥

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