技术领域
本发明涉及飞机或飞行器领域，具体来说涉及一种用于飞机上平视显示设备的校靶系统，尤其是一种机械和电子相结合的校靶系统。此外，本发明还涉及一种用于飞机上平视显示设备的校靶方法。
背景技术
在飞机上运用平视显示技术可追溯到上世纪。用于飞机领域的平视显示设备是指能够将各种飞行信息投影至一块透明的屏幕(即平显组合仪，其位于飞行员前方视场范围之内，在飞行员头部和飞机风挡之间)上显示的系统。飞行信息显示符号为聚焦在无穷远处的虚像，姿态和飞行航迹符号应该与外界场景一致(即，为对准和等比调节的)。
目前，平视显示器(HUD)逐渐运用于民用飞机。根据中国民用航空局(CAAC)发布的《平视显示器应用发展路线图》，提出2021年至2025年国内的飞机应全面推广平视显示器技术的应用。现阶段某国产大型民机目前已安装平视显示器，并在某架次机进行了首次校准。而国外的空客和波音飞机均有平视显示器的使用。由此可见，平视显示器在现阶段及未来的民机应用将十分广泛。
平面显示设备上显示的与外界视景相关的符号，如姿态、航向、飞行航迹矢量、飞行航迹导引等是相对于外界视景对准的。更具体而言，平面显示设备通过(准直)光学系统，将需要的相关信息经过光学系统准直后1：1地成像在驾驶员前方无限远处，与座舱外景/目标重叠在一起。驾驶员能够同时观看机内各个状态的显示信息和真实外景/目标信息。由于驾驶员在使用平面显示设备时无须在“看外景/目标”和“看座舱内仪表显示”之间反复切换和调焦，从而大幅降低驾驶员的疲劳感，节省判读反应时间，提高飞行驾驶的安全性。
平面显示设备安装的理论位置可保证显示的这一特性，但是实际的安装过程会引入误差。为此，需要在平面显示设备安装时进行校靶，以确保平面显示设备投射到飞行员视野内的画面显示位置的准确性。
目前，现有技术中对平面显示设备进行校靶的方法包括传统立靶法校靶，但该校靶方法操作起来很复杂、不能够实现快速校靶，效率较低。
此外，现有技术还已知一种自动电校准方法，但该方法需要在飞机上安装三轴陀螺仪，利用三轴陀螺仪获取校靶时平显相对于飞机的三轴旋转角度信息，计算平显的待校姿态与飞机姿态的关系以及由此计算姿态偏移，并根据与数字像元显示像素的转化关系生成画面，对方位、俯仰、横滚作出修正，使平面显示设备显示经过校准的画面。但这显然增加了飞机适航取证的复杂性。
另外，现有技术中还有一种电子校靶方法，在校靶时，激光跟踪仪采集飞机上机体两侧的标识点信息，确定校靶装置的靶面图案中心的空间位置，采用校靶镜进行靶面图案的采集，通过视频采集设备由校靶和靶面得到需要调整飞机平面显示设备的调整误差，进而进行调整。
无论是何种校靶方式，在目前的校靶过程中均需要使飞机调平，通过经纬仪等设备将靶板调节到预期的位置。而传统的靶板不仅增加了平面显示设备校准的操作难度，也影响了校准精度。
因此，在飞机领域中始终存在对降低校靶误差、简化操作难度和复杂性的需求。
发明内容
本发明提供一种用于飞机上平视显示设备的校靶系统，校靶系统包括布置在飞机前方的电子靶板设备和安装在飞机驾驶舱内的校准设备，其中，电子靶板设备包括：作为靶板的电子显示屏，在电子屏上能显示用于校靶的目标圆形图案，目标圆形图案包括圆心；靶板调节机构，靶板调节机构用于调节电子显示屏的姿态和位置；靶板控制装置，靶板控制装置能获取关于飞机的第一俯仰角和第一滚转角的信号，根据第一预定校准条件计算出电子显示屏相对于飞机的角度偏差值，并基于角度偏差值来控制靶板调节机构，从而调节电子显示屏的第二俯仰角和第二滚转角，并且靶板控制装置还能基于第二预定校准条件计算出电子显示屏与校准设备之间的位置偏差值，并基于位置偏差值来控制靶板调节机构，以使其将电子显示屏的位置调节到飞机前方的预定区域内。
本发明的校靶系统的电子靶板设备可以根据其与飞机的俯仰角、滚转角以及位置偏差的输入，自动调节电子显示屏的位置和姿态，使电子显示屏和飞机符合预定校准条件，并在电子显示屏上自动显示最适合的校靶画面(包含圆心的目标圆形图案)，减少平面显示设备校准过程中的人工操作，提高了校靶效率。
例如，第一预定校准条件可以包括：电子显示屏的第二俯仰角与飞机的第一俯仰角相等，且电子显示屏的第二滚转角与飞机的第一滚转角也相等。借助该第一预定校准条件，可以取消现有技术中在校靶前需要对飞机进行复杂调平的步骤，从而大幅提高校靶效率和相对精度。
此外，第二预定校准条件可以包括：电子显示屏与校准设备之间的预定距离以及校准设备的预定下沉角。通过第二预定校准条件可以快速将电子显示屏设置到飞机前方的合适初始位置，从而加快校靶过程。
在一些实施例中，校准设备可以包括：安装支架；校靶摄像机，校靶摄像机可拆卸地安装到安装支架；其中，安装支架能调节成使得校靶摄像机的瞄准画面的原点位于电子显示屏上的目标圆形图案内。通过调节安装支架和利用校靶摄像机(而非调整平面显示设备)，可以快速执行机械校准模式，在短时间内将安装支架调整到位，从而提高校靶效率。
此外，校准设备还可以包括平视显示设备和与其通信连接的校靶终端，校靶终端能计算校靶摄像机的瞄准画面的原点与目标圆形图案的圆心之间的机械校准位置偏差，并且基于机械校准位置偏差来调整平视显示设备的显示画面(光学投影画面)的水平位置和垂直位置，以使平视显示设备的显示画面的原点与圆心之间的电校准位置偏差值低于预定阈值。通过调整平视显示设备的显示画面的俯仰和方位偏差，可以更精准地进行校准。在优选的实施例中，预定阈值可以为零，即平视显示设备的显示画面的原点(或者显示为圆的圆心)可以与电子显示屏上显示的圆心重合了。在有利的实施例中，对平视显示设备的显示画面的这种调节是由与其通信连接的校靶终端上的预定程序来完成的，但也可以设想由其它硬件或者软件来完成这种调节。
有利地，预定距离为10米，预定下沉角为3度。该预定距离可以保证既不干扰飞机，也不会需要设置很大的目标圆形图案，从而简化了结构。
本发明还提供一种用于飞机上平视显示设备的校靶方法，校靶方法包括设置电子靶板设备的第一步骤，第一步骤包括：将作为靶板的电子显示屏放置于飞机前方，在电子屏上显示用于校靶的目标圆形图案，目标圆形图案包括圆心；获取飞机的第一俯仰角和第一滚转角的信号，根据第一预定校准条件计算出电子显示屏相对于飞机的角度偏差值，并且基于角度偏差值来调节电子显示屏的第二俯仰角和第二滚转角；基于第二预定校准条件计算出电子显示屏与校准设备之间的位置偏差值，并基于位置偏差值来将电子显示屏的位置调节到飞机前方的预定区域内。
优选的是，校靶方法包括在第一步骤之后执行的用于机械校准的第二步骤，第二步骤包括：在飞机驾驶舱内将校靶摄像机可拆卸地安装到安装支架；将安装支架能调节成使得校靶摄像机的瞄准画面的原点位于电子显示屏上的目标圆形图案内。
更优选的是，校靶方法包括在第二步骤执行的用于电校准的第三步骤，第三步骤包括：计算校靶摄像机的瞄准画面的原点与目标圆形图案的圆心之间的机械校准位置偏差值，并且基于机械校准位置偏差来调整平视显示设备的显示画面(光学投影画面)的水平位置和垂直位置，以使平视显示设备的显示画面的原点与圆心之间的电校准位置偏差值低于预定阈值。在优选的实施例中，预定阈值可以为零，即在第三步骤完成后，平视显示设备的显示画面的原点(或者显示为圆的圆心)与电子显示屏上显示的圆心重合了。
最优选的是，校靶方法包括在第三步骤之后执行的用于校准验证的第四步骤，第四步骤包括：将校准确认装置安装在平视显示设备上；在平视显示设备上显示校准确认画面；判断校准确认画面上显示的电校准位置偏差值与第三步骤中的电校准位置偏差值是否相等，如果不相等，则执行第三步骤；通过观察校准确认装置判断校准确认基准符号与目标圆形图案的圆心的相对位置关系是否符合预设验证条件，如果不满足，则执行第三步骤；以及(如果满足的话)完成校准验证。
但可以理解到，在第四步骤中，在判断校准确认画面上显示的电校准位置偏差值与第三步骤中的电校准位置偏差值是否相等时，如果不相等，则还需要先后执行第二步骤以及第三步骤；通过观察校准确认装置判断校准确认基准符号与目标圆形图案的圆心的相对位置关系是否符合预设验证条件，如果不满足，则还需要先后执行第二步骤以及第三步骤；以及如果满足，则完成校准验证。
此外，在另一些实施例中，校靶方法包括在第二步骤之后执行的用于校准验证的第四步骤，第四步骤包括：将校准确认装置安装在平视显示设备上；在平视显示设备上显示校准确认画面；判断校准确认画面上显示的电校准位置偏差值与第三步骤中的机械校准位置偏差值是否相等，如果不相等，则执行第二步骤；通过观察校准确认装置判断校准确认基准符号与目标圆形图案的圆心的相对位置关系是否符合预设验证条件，如果不满足，则执行第二步骤；以及(如果满足的话)完成校准验证。
在一些实施例中可以规定，预设验证条件包括：圆形图案的圆心位于校准确认基准符号的圆内或圆上；以及圆形图案的纵轴位于校准确认基准符号的两条横滚误差参考线内，且不与任一条横滚误差参考线交叉。
当本发明采用全部四个步骤时，可以方便地将校靶的总精度要求按照一定比例分配至校准的多个环节中，在分解结构的最底层形成对校准设备的精度要求，或人员操作该设备时每个步骤的精度要求，这对于校靶过程来说是十分有利的。
本发明针对应用传统靶板进行校准的缺陷并且进一步针对机械校准方法和自动电校准方法各自存在的不足，提出了一种采用电子靶板的校准方法，尤其是基于电子靶板的机械和电子相结合的平视显示系统校准方法。该校靶系统和校靶方法不仅降低了采用传统靶板进行校准的人工操作，还通过机械和电子相结合的提高了校靶精度以及校靶效率。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，其中：
图1示意地示出根据本发明的用于飞机上平视显示设备的校靶系统的一个实施例的电子靶板的电子显示屏上的显示画面；
图2示意地示出根据本发明的用于飞机上平视显示设备的校靶系统的一个实施例的校准原理图；
图3示意地示出根据本发明的用于飞机上平视显示设备的校靶系统的一个实施例的校靶摄像机的显示画面；以及
图4示意地示出根据本发明的用于飞机上平视显示设备的校靶系统的一个实施例的校准确认画面。
具体实施方式
本发明涉及飞机设计领域、尤其是民用飞机平显的技术领域。图2示意地示出飞机领域的平显校准的原理。首先，将靶板放置于飞机前方一预定距离处。该预定距离定义为靶板与校准设备之间的距离，即校准设备投影到靶板所在平面上的距离。该预定距离(图2中所示的x)例如可以为10米，但也可以根据校靶方法和校靶设备的设计，将该预定距离设计为其它合适的距离。通常，该预定距离一方面不能太小，以避免与飞机干涉，另一方面也不能太大，因为远距离校靶时会导致靶板上的目标圆形图案的尺寸也变大，从而加大靶板本身的重量，为其姿态和位置的调整带来困难。
其次，在飞机驾驶舱内设有校准设备，使该校准设备瞄准靶板上的目标圆形图案。根据飞机平显校准的要求，校准设备瞄准的下沉角与平显光学投影的下沉角应是一致的。例如，下沉角(图2中示出的γ)可以为3度。
可以理解到，将靶板放置于飞机前方的以上位置仅仅是校靶的初始位置，该初始位置并无法满足校靶的精度要求。目前，在使用传统靶板进行平显系统校准之前，还需要加入飞机调平的步骤，这需要确认飞机正前方有10米以上的空旷、平整的安全空间。在调平时，使用千斤顶将飞机顶起，然后利用激光跟踪仪将飞机调(水)平。此外，还需要人工调节靶板的姿态，并用激光跟踪仪调节靶板的前后平移手柄、水平平移手柄和升降手柄，使得靶板的中心位置满足校准条件。这种方法容易增加由人为因素导致的误差，并且会使校准时间消耗增加，降低校靶效率。
为了提高校靶精度、提高校靶效率，本发明提供了一种电子靶板设备。该电子靶板设备包括电子显示屏作为靶板。本发明的校靶方法包括将该电子显示屏放置于飞机前方。与传统靶板不同，该电子显示屏可以直接在其上显示用于校靶的目标圆形图案。目标圆形图案例如为一个圆。为了更好地标识调整目标，电子显示屏还可以显示两个或更多个同心圆。该目标圆形图案包括一个圆心。如图1中示例性所示，该目标圆形图案还可以包括十字标记，方便实时显示和观察目标圆形图案的圆心所在位置。
可以理解到，该目标圆形图案无需处于电子显示屏的中间位置，而是可以处于其上的任何适当位置。有利地，该目标圆形图案还可以在电子显示屏上的预定范围内变化其位置，以便于在不调节电子显示屏本身的物理位置的情况下快速将目标圆形图案置于初始校准位置中。
为了调整电子显示屏的姿态和位置，本发明的校靶方法包括如下步骤：获得飞机的第一俯仰角和第一滚转角，例如获取第一俯仰角和第一滚转角的信号。这些信号可以例如来自于飞机本身控制器，但也可以是现场测量所获得的数据或信号。在获取飞机的第一俯仰角和第一滚转角的信号之后，根据电子显示屏目前的第二俯仰角和第二滚转角，基于第一预定校准条件来计算出俯仰角和滚转角的角度偏差值。随后，可基于计算出的这两个角度偏差值来调节电子显示屏的第二俯仰角和第二滚转角，以使得第一预定校准条件被满足。在此，电子显示屏的第二俯仰角和第二滚转角都是基于电子显示屏所在平面而言的。例如，在初始位置，电子显示屏一般垂直于地面，并且也垂直于飞机的纵剖面。
在本发明中，第一预定校准条件可以例如包括：电子显示屏的第二俯仰角与飞机的第一俯仰角相等，且电子显示屏的第二滚转角与飞机的第一滚转角也相等。例如，假设飞机完全调平(应注意在本发明中飞机无需进行调平)，则认为其第一俯仰角和第一滚转角均为零。此时，如果电子显示屏完全垂直于地面并且垂直于飞机的纵剖面，则认为电子显示屏的第二俯仰角和第二滚转角也为零。
例如，如果飞机存在非零的第一俯仰角，例如飞机的前部呈小角度向上姿态，则电子显示屏的第二俯仰角需要调节，以使得电子显示屏垂直正对飞机的前部，即第二俯仰角也要调节到该小角度。再例如，如果飞机存在非零的第一滚转角，例如飞机呈小角度向左横滚，则电子显示屏的第二滚转角也需要调节，以与飞机的第一滚转角完全对应(即，向同一侧横滚一小角度)。
本发明的校靶方法还包括如下步骤：基于第二预定校准条件计算出电子显示屏与飞机驾驶舱内的校准设备之间的位置偏差值，并基于该位置偏差值来将电子显示屏的位置调节到飞机前方的预定区域内。在本发明中，当电子显示屏已处于该预定区域内时，可以说符合了第二预定校准条件。在此，该第二预定校准条件可以包括满足电子显示屏与校准设备之间的预定(规定)距离以及校准设备的预定(规定)下沉角。如前，预定距离可以为10米，而预定下沉角可以为3度。在此，位置偏差值可以是指电子显示屏的沿x、y、z三个坐标轴方向上的位置偏差值。
通常，在提供电子靶板设备时，先调节电子显示屏的第二俯仰角和第二滚转角，然后再将其位置调节到飞机前方的预定区域内。但本发明不限于此，也可以是反过来的次序，甚至是同时进行。
为了对电子显示屏相对于飞机的姿态(即第二俯仰角、第二滚转角)以及相对于校准设备的位置进行调节，本发明的电子靶板设备可以有利地包括靶板调节机构。该靶板调节机构可以电动控制所有姿态和位置的调节，尤其是借助步进电机以小步长或者无级地进行调节。优选地，靶板调节机构可以实施成安置于电子显示屏底部和/或后部的支架或托架，但也可以是其它合适的机构。在本发明中，术语“姿态”主要是指角度，例如俯仰角、滚转角、方位角等，而术语“位置”主要是指xyz坐标系中的x方向、y方向和z方向的位置。应注意到，本发明的校靶方法可以借助其它方式来实现对电子显示屏的姿态和位置的调节。
为了使靶板调节机构基于前述第一和第二预定校准条件来调节电子显示屏，本发明的电子靶板设备还包括靶板控制装置，以控制靶板调节机构。该靶板控制装置可以与现场其它设备进行通信连接，例如可以与传感器或者其它测试设备通信连接，以获取电子显示屏的当前姿态(第二俯仰角、第二滚转角)和位置(x、y、z方向的位置)的信号。
在本发明中，应充分理解到电子靶板设备并不仅仅是指靶板为电子显示屏(而非传统靶板)，还指用于调节电子显示屏的机构是可以进行电动控制的，无需耗费人工调节，另外还优选是指利用控制装置对其进行直接控制。此外，在本发明中，设置或提供电子靶板设备的步骤是指使电子显示屏上显示的目标圆形图案是针对飞机的姿态和校准设备的位置处于较为理想的校准初始状态的步骤。通常，在完成该步骤之后再进入后续的校靶步骤。
本发明的校靶方法包括在上述第一步骤之后执行的用于机械校准的第二步骤。该第二步骤首先包括将飞机驾驶舱内的校靶摄像机安装到、例如可拆卸地安装到同样位于飞机驾驶舱内的安装支架。但安装支架可以放置于飞机驾驶舱内的适当位置，但并未完全紧固到飞机结构上。应理解到，在校准工作全部完成后，只要不拆卸/更换安装支架，就无需重新校准，否则就需重新校准。在本发明中，所谓的机械校准主要是指调节安装支架，以将使得校靶摄像机的瞄准画面的原点位于电子显示屏上的目标圆形图案内，即原点位于圆内。在此，可以人工或者自动地调节安装支架的姿态，例如俯仰角等，以使得校靶摄像机的瞄准画面的原点能够满足上述校准条件。
在一些实施例中，可以通过电缆连接校靶摄像机与便携式校靶终端，但这不是必须的。优选地，将校靶摄像机画面放大至全屏显示，以便于更好地观察校靶摄像机的十字标记与电子显示屏的坐标系(主要是目标圆形图案及其圆心)之间的相对位置关系。更优选的是，在便携式校准终端内安装有校准软件，可以在该校准软件中观察校准摄像机的瞄准画面。
当校靶摄像机的瞄准画面的原点位于电子显示屏上的目标圆形图案内时，即完成了机械校准的步骤。此时，可以将安装支架与飞机上的固定结构紧固起来，例如拧紧固定安装支架与飞机固定结构的螺栓，但也可以设想其它紧固或锁紧结构。
根据本发明的校靶方法还可选地包括在上述第二步骤执行的用于电校准的第三步骤。该第三步骤可以包括：首先，可以计算出校靶摄像机的原点与目标圆形图案的圆心之间的机械校准位置偏差值(例如，可参见图3中所示的两个十字标记之间的坐标差)。机械校准位置偏差值可以例如是x方向(方位)和y方向(俯仰)上的偏差值。在一些实施例中，可以将机械校准位置偏差值写入存储平显校准参数的设备。当平面显示设备上电后，可以从该设备中读取该存储的机械校准位置偏差值。此外，优选的是，通过便携式校靶终端中的驻留应用软件来计算上述机械校准位置偏差值(例如，方位偏差和俯仰偏差)。
在本发明的第三步骤中，可以基于机械校准位置偏差(例如，x方向和y方向上的偏差)来调整平视显示设备的显示画面(光学投影画面)的水平位置和垂直位置，以使平视显示设备(例如，平显组合仪)的显示画面的原点与圆心之间的电校准位置偏差值低于预定阈值。例如，可以将该机械校准位置偏差作为校准参数校验码生成的输入，通过校靶终端中的预定程序(例如，来自于驻留应用软件)完成校准参数校验码的生成，至此完成电校准。
也就是说，在本发明中，机械校准步骤是借助对安装支架的调节来完成粗校准，然后进一步通过预定程序(例如，借助校靶终端上的软件)来调节平视显示设备的投影的光学特性来完成电校准步骤，即精校准。
在完成上述三个步骤之后，本发明的校靶方法还可以包括在第三步骤后执行的用于校准验证的第四步骤。该第四步骤包括：首先，需要将校准确认装置安装在平视显示设备上，并且在平视显示设备上显示校准确认画面。然后，判断校准确认画面上显示的电校准位置偏差值与前述第三(电校准)步骤中的电校准位置偏差值是否相等。例如，可以观察到平面显示设备(平显组合仪)上、例如在右下角处显示的“方位偏差”和“俯仰偏差”与第三步骤中获得的数值是否相等。如果二者并不相等，则需要再次执行前述第三步骤，以重新进行电校准并且获得新的电校准位置偏差值(也需使该新的电校准位置偏差值低于预定阈值)。
如果校准确认画面上显示的电校准位置偏差值与前述第三(电校准)步骤中的电校准位置偏差值相等，则再通过观察校准确认装置判断校准确认基准符号与电子显示屏上的目标圆形图案的圆心的相对位置关系是否符合预设验证条件。如果不满足，则也需要再次执行前述第三步骤，以重新进行电校准并且获得新的电校准位置偏差值。如果满足预设验证条件，则完成校准验证步骤。
在本发明中，预设验证条件例如可以包括：目标圆形图案的圆心位于校准确认基准符号的圆内或圆上；以及目标圆形图案的纵轴位于校准确认基准符号的两条横滚误差参考线内，且不与任一条横滚误差参考线交叉。如图4中所示，高亮显示的为校准确认基准符号，其包括两条横滚误差参考线和位于两条参考线之间的圆环。可以看到，目标圆形图案的圆心处于该高亮的圆环之内，且目标圆形图案的纵轴(即，y轴)也处于高亮的左右两条横滚误差参考线之间。目标圆形图案的纵轴不与任一条横滚误差参考线交叉的物理含义是校准确认画面与电子显示屏之间没有(超过一定程度的)滚转。
但应理解到，如果在第四步骤中观察到的偏差过大，则可能需要重新引入第二步骤，即重新进行机械校准，然后在该第二步骤之后再执行第三步骤，最后再进入第四步骤重新验证。此外，还可以理解到，如果仅提供第二步骤也是可行的，只是校靶精度有可能会低于还包含第三步骤的校靶精度。
在各实施例中给出的数值仅作为示例，而不作为对本发明范围的限制。此外，作为一个整体技术方案，还存在其他没有被本发明权利要求或说明书所列举的元器件或者步骤。而且，一个元器件的单个名称不排除该元器件的其他名称。文中所公开的方法、装置和系统不应以任何方式被限制。相反，本公开涵盖各种所公开的实施例(单独和彼此的各种组合和子组合)的所有新颖和非显而易见的特征和方面。所公开的方法、装置和系统不限于任何具体方面或特征或它们的组合，所公开的任何实施例也不要求存在任一个或多个具体优点或者解决特定或所有技术问题。
本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。