Head -up display или head-up display [ 1], также известный как HUD ( / h ʌ d / ) или head-up navigation system ( HGS ), представляет собой любой прозрачный дисплей , который представляет данные, не требуя от пользователей отвлекаться от их обычных точек обзора. Происхождение названия происходит от того, что пилот может просматривать информацию, когда голова находится «вверху» и смотрит вперед, а не наклонена вниз, глядя на нижние приборы. HUD также имеет то преимущество, что глазам пилота не нужно перефокусироваться, чтобы увидеть внешнюю сторону после того, как он посмотрел на оптически более близкие приборы.
Хотя изначально HUD были разработаны для военной авиации, в настоящее время они используются в коммерческих самолетах, автомобилях и других (в основном профессиональных) приложениях.
Проекционные дисплеи были предшественником технологии дополненной реальности (AR), включающей в себя подмножество функций, необходимых для полноценного опыта дополненной реальности, но не имевшей необходимой регистрации и отслеживания между виртуальным контентом и реальной средой пользователя. [2]
.jpg/1280px-PZL_TS-11F_Iskra_(HUD).jpg)
Типичный HUD содержит три основных компонента: проектор , объединитель и компьютер для генерации видео . [3]
Проекционный блок в типичном HUD представляет собой оптическую коллиматорную установку: выпуклую линзу или вогнутое зеркало с электронно-лучевой трубкой , светодиодным дисплеем или жидкокристаллическим дисплеем в фокусе. Эта установка (конструкция, которая существует с момента изобретения рефлекторного прицела в 1900 году) создает изображение, в котором свет коллимирован , т. е. фокусная точка воспринимается находящейся в бесконечности.
Объединитель обычно представляет собой наклонный плоский кусок стекла ( делитель луча ), расположенный прямо перед зрителем, который перенаправляет проецируемое изображение с проектора таким образом, чтобы одновременно видеть поле зрения и проецируемое изображение бесконечности. Объединители могут иметь специальные покрытия, которые отражают монохроматический свет, проецируемый на него с блока проектора, в то же время пропуская все другие длины волн света. В некоторых оптических схемах объединители также могут иметь изогнутую поверхность для перефокусировки изображения с проектора.
Компьютер обеспечивает интерфейс между HUD (т.е. проекционным блоком) и отображаемыми системами/данными, а также генерирует изображения и символы, отображаемые проекционным блоком.
Помимо стационарно закрепленных HUD, существуют также дисплеи, монтируемые на голове (HMD). К ним относятся дисплеи, монтируемые на шлеме (оба сокращенно обозначаются как HMD), — разновидности HUD, в которых элемент отображения перемещается в зависимости от ориентации головы пользователя.
Многие современные истребители (такие как F/A-18 , F-16 и Eurofighter ) используют как HUD, так и HMD одновременно. F-35 Lightning II был разработан без HUD, полагаясь исключительно на HMD, что сделало его первым современным военным истребителем, не имеющим фиксированного HUD.
HUD делятся на четыре поколения, отражающие технологию, используемую для генерации изображений.
Внедряются новые технологии создания микродисплеев, включая жидкокристаллические дисплеи (ЖК-дисплеи), жидкие кристаллы на кремнии (LCoS), цифровые микрозеркала (DMD) и органические светодиоды (OLED).
HUD произошли от рефлекторного прицела , технологии оптического прицела без параллакса , применявшейся до Второй мировой войны для военных истребителей . [4] Гироскопический прицел имел сетку , которая перемещалась в зависимости от скорости и угловой скорости поворота, чтобы определить величину упреждения , необходимую для поражения цели во время маневрирования.
В начале 1940-х годов Исследовательский институт телекоммуникаций (TRE), отвечающий за разработку радаров в Великобритании , обнаружил, что пилоты ночных истребителей Королевских ВВС (RAF) с трудом реагировали на устные инструкции оператора радара при приближении к своим целям. Они экспериментировали с добавлением второго дисплея радара для пилота, но обнаружили, что им было трудно поднять взгляд от освещенного экрана в темное небо, чтобы найти цель. В октябре 1942 года они успешно объединили изображение с трубки радара с проекцией от их стандартного гироскопического прицела GGS Mk. II на плоскую область лобового стекла, а позже и в сам прицел. [5] Ключевым усовершенствованием стал переход от оригинального радара AI Mk. IV к микроволновому радару AI Mk. VIII, установленному на ночном истребителе de Havilland Mosquito . Этот набор создавал искусственный горизонт , который еще больше облегчал полет с поднятой головой. [ необходима цитата ]
В 1955 году Управление военно-морских исследований и разработок ВМС США провело некоторые исследования с макетом концептуального блока HUD вместе с контроллером боковой ручки управления в попытке облегчить бремя пилота, управляющего современными реактивными самолетами, и сделать приборы менее сложными во время полета. Хотя их исследования никогда не были внедрены ни в один самолет того времени, грубый макет HUD, который они построили, обладал всеми характеристиками современных блоков HUD. [6]
Технология HUD была затем усовершенствована Королевским флотом в Buccaneer , прототип которого впервые поднялся в воздух 30 апреля 1958 года. Самолет был разработан для полетов на очень малых высотах с очень высокой скоростью и сброса бомб в боях, длившихся секунды. Таким образом, у пилота не было времени оторвать взгляд от приборов к бомбовому прицелу. Это привело к концепции «Strike Sight», которая объединяла бы высоту, воздушную скорость и пушку/бомбоприцел в единый дисплей, похожий на прицел. Между сторонниками новой конструкции HUD и сторонниками старого электромеханического прицела шла жесткая конкуренция, при этом HUD описывался как радикальный, даже безрассудный вариант.
Отделение Воздушных сил Министерства обороны Великобритании спонсировало разработку прицела Strike Sight. Королевское авиационное учреждение (RAE) разработало оборудование, и самое раннее использование термина «дисплей на лобовом стекле» можно проследить до этого времени. [7] Производственные единицы были построены Rank Cintel , и система была впервые интегрирована в 1958 году. Бизнес Cintel HUD был передан Elliott Flight Automation , а Buccaneer HUD был изготовлен и доработан, продолжаясь до версии Mark III с общим количеством изготовленных 375 систем; она получила название «установил и забыл» от Королевского флота, и она все еще находилась в эксплуатации почти 25 лет спустя. Таким образом, BAE Systems , как преемник Elliotts через GEC-Marconi Avionics, может претендовать на первый в мире дисплей на лобовом стекле, находящийся в эксплуатации. [8] Похожая версия, в которой режимы бомбардировки были заменены режимами ракетной атаки, была частью AIRPASS HUD, установленного на English Electric Lightning с 1959 года.
В Соединенном Королевстве вскоре было отмечено, что пилоты, летающие с новыми прицелами, стали лучше пилотировать свои самолеты. [ необходима цитата ] На этом этапе HUD расширил свое назначение за пределы прицеливания оружия до общего пилотирования. В 1960-х годах французский летчик-испытатель Жильбер Клопфштейн создал первый современный HUD и стандартизированную систему символов HUD, чтобы пилотам нужно было изучить только одну систему и было легче переходить между самолетами. Современный HUD, используемый в правилах полета по приборам при заходе на посадку, был разработан в 1975 году. [9] Клопфштейн был пионером технологии HUD в военных истребителях и вертолетах , стремясь централизовать критические данные полета в поле зрения пилота. Этот подход был направлен на повышение эффективности сканирования пилота и снижение «насыщенности задач» и информационной перегрузки .
Использование HUD затем распространилось за пределы военных самолетов. В 1970-х годах HUD был представлен в коммерческой авиации, а в 1988 году Oldsmobile Cutlass Supreme стал первым серийным автомобилем с проекционным дисплеем.
Еще несколько лет назад единственными коммерческими пассажирскими самолетами, оснащенными HUD, были самолеты Embraer 190, Saab 2000, Boeing 727 и Boeing 737 Classic (737-300/400/500) и Next Generation (серии 737-600/700/800/900). Однако эта технология становится все более распространенной с такими самолетами, как Canadair RJ , Airbus A318 и несколькими бизнес-джетами, оснащенными дисплеями. HUD стали стандартным оборудованием на Boeing 787. [10] Кроме того, семейства Airbus A320, A330, A340 и A380 в настоящее время проходят процесс сертификации для HUD. [11] HUD также были добавлены на орбитальный аппарат Space Shuttle .
При проектировании HUD взаимодействуют несколько факторов:
В системах авионики самолета HUD обычно работают от двух независимых избыточных компьютерных систем. Они получают входные данные непосредственно от датчиков ( пито-статических , гироскопических , навигационных и т. д.) на борту самолета и выполняют собственные вычисления, а не получают ранее вычисленные данные от бортовых компьютеров. На других самолетах (например, Boeing 787) вычисление наведения HUD для взлета в условиях низкой видимости (LVTO) и захода на посадку в условиях низкой видимости происходит от того же компьютера наведения полета, который управляет автопилотом. Компьютеры интегрированы с системами самолета и позволяют подключаться к нескольким различным шинам данных, таким как ARINC 429 , ARINC 629 и MIL-STD-1553 . [9]
Типичные HUD самолетов отображают скорость полета , высоту , линию горизонта , направление , поворот/крен и индикаторы скольжения/заноса . Эти приборы являются минимальными требованиями 14 CFR Часть 91. [13]
В некоторых HUD также доступны другие символы и данные:
С момента своего появления на HUD, символы FPV и ускорения становятся стандартными на дисплеях с вертикальным обзором (HDD). Фактическая форма символа FPV на HDD не стандартизирована, но обычно представляет собой простой рисунок самолета, например, круг с двумя короткими угловыми линиями (180 ± 30 градусов) и «крыльями» на концах нисходящей линии. Удержание FPV на горизонте позволяет пилоту выполнять горизонтальные повороты под различными углами крена.
Помимо общей информации, описанной выше, военные приложения включают данные систем вооружения и датчиков, такие как:
В 1980-х годах военные США тестировали использование HUD в самолетах с вертикальным взлетом и посадкой (VTOL) и с коротким взлетом и посадкой (STOL). Формат HUD был разработан в исследовательском центре NASA Ames, чтобы предоставить пилотам самолетов VTOL и STOL полную информацию о руководстве и управлении полетом для полетов категории III C в районе терминала. Это включает в себя большое разнообразие полетных операций, от полетов STOL на наземных взлетно-посадочных полосах до операций VTOL на авианосцах . Основными особенностями этого формата отображения являются интеграция информации о траектории полета и руководстве по преследованию в узкое поле зрения, легко усваиваемое пилотом одним взглядом, и наложение вертикальной и горизонтальной информации о ситуации. Дисплей является производной от успешной конструкции, разработанной для обычных транспортных самолетов. [14]
Использование индикаторов на лобовом стекле обеспечивает коммерческим самолетам значительную гибкость в их работе. Были одобрены системы, которые позволяют взлетать и приземляться в условиях ограниченной видимости, а также полностью ручные посадки и выкатывания по категории III A. [15] [16] [17] Первоначально дорогие и физически большие, эти системы устанавливались только на более крупных самолетах, способных их поддерживать. Это были, как правило, те же самолеты, которые в стандартной комплектации поддерживали автоматическую посадку (за исключением определенных типов турбовинтовых самолетов [ необходимо разъяснение ] , которые имели HUD в качестве опции), что делало индикатор на лобовом стекле ненужным для посадок по категории III. Это задержало принятие HUD в коммерческих самолетах. В то же время исследования показали, что использование HUD во время посадки уменьшает боковое отклонение от осевой линии во всех условиях посадки, хотя точка приземления вдоль осевой линии не изменяется. [18]
Для авиации общего назначения MyGoFlight рассчитывает получить STC и продавать SkyDisplay HUD за 25 000 долларов США без установки для одномоторных поршневых двигателей, таких как Cirrus SR22 , и больше для одномоторных турбовинтовых самолетов Cessna Caravans или Pilatus PC-12 : от 5 до 10% от стоимости традиционного HUD, хотя он неконформен и не соответствует в точности внешнему рельефу. [19] Полетные данные с планшетного компьютера можно проецировать на Epic Optix Eagle 1 HUD стоимостью 1800 долларов США. [20]
В более продвинутых системах, таких как система Федерального управления гражданской авиации США (FAA), обозначенная как «Enhanced Flight Vision System» [21] , реальное визуальное изображение может быть наложено на объединитель. Обычно инфракрасная камера (одно- или многополосная) устанавливается в носовой части самолета для отображения согласованного изображения пилоту. «EVS Enhanced Vision System» — это принятый в отрасли термин, который FAA решила не использовать, поскольку «FAA считает, что [его] можно спутать с определением системы и эксплуатационной концепцией, изложенными в 91.175(l) и (m)» [21] В одной из установок EVS камера фактически установлена в верхней части вертикального стабилизатора, а не «настолько близко, насколько это практически возможно, к положению глаз пилота». Однако при использовании с HUD камера должна быть установлена как можно ближе к точке зрения пилота, поскольку ожидается, что изображение будет «накладываться» на реальный мир, когда пилот смотрит через объединитель.
«Регистрация», или точное наложение изображения EVS на изображение реального мира, является одной из особенностей, тщательно изучаемых властями перед одобрением EVS на основе HUD. Это связано с важностью соответствия HUD реальному миру и, следовательно, возможности предоставлять точные данные, а не вводящую в заблуждение информацию.
Хотя дисплей EVS может оказать существенную помощь, FAA только смягчило правила эксплуатации [22] , поэтому самолет с EVS может выполнять заход на посадку по КАТЕГОРИИ I до минимумов КАТЕГОРИИ II . Во всех остальных случаях летный экипаж должен соблюдать все «невооруженные» визуальные ограничения. (Например, если видимость на взлетно-посадочной полосе ограничена из-за тумана, даже если EVS может обеспечить четкое визуальное изображение, нецелесообразно (или незаконно) маневрировать самолетом, используя только EVS, ниже 100 футов над уровнем земли.)
Системы HUD также разрабатываются для отображения графического изображения синтетической системы зрения (SVS), которая использует высокоточную навигационную информацию, данные о положении, высоте и рельефе местности для создания реалистичных и интуитивно понятных представлений об окружающем мире. [23] [24] [25]
На первом изображении SVS head down, показанном справа, сразу же видимые индикаторы включают ленту воздушной скорости слева, ленту высоты справа и дисплеи поворота/крена/скольжения/заноса вверху по центру. Символ оси визирования (-v-) находится в центре, а прямо под ним находится символ вектора траектории полета (FPV) (круг с короткими крыльями и вертикальным стабилизатором). Видна линия горизонта, проходящая через дисплей с разрывом в центре, а прямо слева находятся числа на ±10 градусах с короткой линией на ±5 градусах (линия +5 градусов видна легче), которые вместе с линией горизонта показывают тангаж самолета. В отличие от этого цветного изображения SVS на основном дисплее полета head down, SVS, отображаемая на HUD, является монохромной, то есть, как правило, в оттенках зеленого.
На изображении показан самолет с горизонтальными крыльями (т. е. векторный символ траектории полета плоский относительно линии горизонта, а на индикаторе поворота/крена нулевой крен). Скорость полета составляет 140 узлов, высота — 9450 футов, курс — 343 градуса (число под индикатором поворота/крена). При внимательном рассмотрении изображения виден небольшой фиолетовый круг, который смещен от вектора траектории полета немного вправо вниз. Это подсказка наведения, поступающая от системы наведения полета. При стабилизации на подходе этот фиолетовый символ должен быть в центре FPV .
Рельеф местности полностью создан на компьютере на основе базы данных рельефа высокого разрешения.
В некоторых системах SVS вычисляет текущую траекторию полета самолета или возможную траекторию полета (на основе модели летно-технических характеристик самолета, текущей энергии самолета и окружающей местности), а затем окрашивает любые препятствия в красный цвет, чтобы предупредить экипаж. Такая система могла бы помочь предотвратить крушение рейса 965 American Airlines в гору в декабре 1995 года. [ необходима цитата ]
На левой стороне дисплея находится уникальный символ SVS, имеющий вид фиолетовой уменьшающейся вбок лестницы, которая продолжается на правой стороне дисплея. Две линии определяют «туннель в небе». Этот символ определяет желаемую траекторию самолета в трех измерениях. Например, если пилот выбрал аэропорт слева, то этот символ будет изгибаться влево и вниз. Если пилот будет удерживать вектор траектории полета вдоль символа траектории, самолет будет лететь по оптимальному пути. Этот путь будет основан на информации, хранящейся в базе данных системы управления полетом, и будет показывать одобренный FAA подход для этого аэропорта.
Туннель в небе также может оказать значительную помощь пилоту, когда требуется более точное четырехмерное пилотирование, например, при сниженных требованиях к вертикальному или горизонтальному просвету в соответствии с требуемыми навигационными характеристиками (RNP). В таких условиях пилоту предоставляется графическое изображение того, где должен находиться самолет и куда он должен лететь, вместо того, чтобы пилоту приходилось мысленно интегрировать высоту, скорость полета, направление, энергию, долготу и широту для правильного управления самолетом. [26]
В середине 2017 года Армия обороны Израиля начнет испытания Iron Vision от Elbit , первого в мире нашлемного дисплея для танков. Израильская компания Elbit, разработавшая нашлемную систему отображения для F-35 , планирует использовать Iron Vision для использования ряда внешних камер для проецирования 360°-го обзора окрестностей танка на нашлемные забрала членов экипажа. Это позволяет членам экипажа оставаться внутри танка, не открывая люки, чтобы смотреть наружу. [27]
Эти дисплеи становятся все более доступными в серийных автомобилях и обычно предлагают дисплеи спидометра , тахометра и навигационной системы . Информация ночного видения также отображается через HUD на некоторых автомобилях. В отличие от большинства HUD, используемых в самолетах, автомобильные проекционные дисплеи не являются параллакс-свободными. Дисплей может быть не виден водителю, носящему солнцезащитные очки с поляризованными линзами.
Существуют также дополнительные системы HUD, проецирующие изображение на стеклянный объединитель, установленный над или под лобовым стеклом, или использующие само лобовое стекло в качестве объединителя.
Первый автомобильный HUD был разработан корпорацией General Motors в 1999 году с функцией отображения навигационной службы перед линией взгляда водителя. В 2010 году была представлена технология дополненной реальности и объединена с существующим автомобильным HUD. На основе этой технологии навигационная служба начала отображаться на лобовом стекле транспортного средства. [28]
В 2012 году корпорация Pioneer представила навигационную систему HUD, которая заменяет солнцезащитный козырек со стороны водителя и визуально накладывает анимацию условий впереди, форму дополненной реальности (AR.) [29] [30] Разработанная корпорацией Pioneer, AR-HUD стала первым автомобильным проекционным дисплеем на лобовое стекло, использующим метод сканирования лазерным лучом непосредственно в глаз, также известный как виртуальный ретинальный дисплей (VRD). Основная технология AR-HUD включает в себя миниатюрный дисплей со сканированием лазерным лучом, разработанный MicroVision, Inc. [31]
HUD для мотоциклетных шлемов также имеются в продаже. [32]
В последние годы утверждается, что обычные HUD будут заменены голографическими технологиями дополненной реальности , такими как разработанные WayRay , которые используют голографические оптические элементы (HOE). HOE обеспечивает более широкое поле зрения, одновременно уменьшая размер устройства и делая решение настраиваемым для любой модели автомобиля. [33] [34] Mercedes Benz представил проекционный дисплей на основе дополненной реальности [35], в то время как Faurecia инвестировала в проекционный дисплей, управляемый взглядом и пальцами. [36]
HUD были предложены или экспериментально разрабатываются для ряда других приложений. В военных условиях HUD может использоваться для наложения тактической информации, такой как вывод лазерного дальномера или местоположения членов отряда для пехотинцев . Также был разработан прототип HUD, который отображает информацию на внутренней стороне очков пловца или маски аквалангиста . [37] Также тестируются системы HUD, которые проецируют информацию непосредственно на сетчатку глаза пользователя с помощью маломощного лазера ( виртуальный ретинальный дисплей ). [38] [39]
Продукт HUD, разработанный в 2012 году, мог выполнять перевод языка в реальном времени. [40] В реализации оптического дисплея, монтируемого на голове , продукт EyeTap позволяет отображать на линзе наложенные компьютерные графические файлы. Google Glass был еще одним ранним продуктом.
