专利名称：用于飞机驾驶员座舱或其它交通工具有的显示系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及本发明一般涉及用于飞机驾驶员座舱或其它交通工具的显示系统，尤其涉及一背面投影数字显示系统，该系统能选择性显示有关行进路线、行进条件，交通工具状态、地理条件及危险或障碍警报等数据的高级信息。
2．相关已有技术说明飞机驾驶员座舱的设计在美国是由FAA管理的。SAE(汽车工程师协会)是FAA的标准制定／推荐团体，它颁布了在制造飞机时遵守的飞行器仪表标准。例如3ATI插槽标准，该标准是被现在使用的绝大多数飞行器遵守的ARINC(航空电子工学无线股份有限公司)标准，该标准是在以电子-机械显示设备诸如HSI(水平状态指示器)为标准设备时产生的，它只允许尺寸为3″×3″的仪表板面积。
随着数字技术的进步，为了提供更高的可靠性、精确度和更多的功能，需要在该工业中用数字型式替换这些显示器。然而，这些飞机无法容易地被更新成配备要求更大屏幕的数字设备，而现有的3×3仪表板经证实不够容纳数字显示器。这种3×3显示一直是发展这种数字显示的主要障碍。
首先，标准的直观式LCD不是以这种尺寸大批量生产的，因此一种特制的3″×3″LCD的制造成本高达每个10，000美金。另外，直观式LCD的结构决定了该装置的外周部分不能用于显示信息，因为这部分已被驱动电路所使用。因此这种3″×3″LCD一般只能产生一个2．3″×2．3″的显示面积。减少的显示面积阻碍了其显示足够的信息以使其可用于许多功能的能力。
本发明针对的第二个问题是航空电子学工业对更精密复杂的“状态安全意识”(SAS)技术日益增长的需要。这是指一种能为飞行员提供更易懂、更丰富的关于即时环境及可能出现的任何危害的信息的技术。
例如，美国在1996年有246起普通坠机事件。其中42起为控制中飞向地面(CFIT)。即，飞机在在飞行员的控制下撞向诸如山脉、天线或地面的情形。这种情形通常发生在能见度非常低和飞行员偏离了航道的时候。因此飞行员并没有意识到飞行路线上的自然障碍，因为这种显示装置只能提供有关理想飞行航道的信息。
我们相信，如果本发明能被用于这些飞机，将避免许多这类事故的发生并挽救成百上千的生命。因此，在此行业中需要(1)能在即便是飞行员偏离了航道的时候也能有效地收集周围构造物数据的技术，和(2)能将此信息以一种简单、直接的方式显示给飞行员的硬件，最好是采用数字仪表。
发明概述相应地，本发明的目的在于克服已有技术中的上述缺陷。
尤其是在本发明的某些方面，一个航空电子学显示装置也许会包含一个在3ATI显示插槽中获得最大显示面积的背面投影LCD系统。
另外，在本发明中，微处理器可接收G．P．S．(“全球定位系统”)的数据作为输入。同时微处理器还有一以数据库形式存储北美或其它地区的防御测绘机构的地形信息的存储器。该装置将G．P．S．和地形数据相关起来从而确定飞机位置及飞行航道上或附近区域的所有障碍物。另外，感应罗盘和陀螺仪指示飞机当前方位的数据被用于确定飞行器的航道。其他导航装置(例如VOR)也可以用于确定航向。由此信息，用DOD地形数据确定即将来临的障碍物并将其显示给飞行员。
在本发明的几个特定实施例中，几种不同的信息可以有选择地显示于系统。为了便于理解同时减少混乱，提供了几个用户输入口供飞行员有选择性地打开或关闭某种信息的显示。例如，在飞行员准备着陆接近跑道并且在跑道目视范围内时，飞行员可以关闭与着陆无关的后视图或导航辅助信息。
另外，有一点应予以注意本发明适用于航空电子学飞机驾驶员座舱的显示器，也同样适用于其它交通工具。
附图简要说明
图1为本发明一实施例元件的方框图。
图2为本发明一实施例的截面图。
图3A为本发明的视频显示系统一实施例的方框图。
图3B为本发明的反射镜及LCD系统的详细方框图。
图4为本发明的传感器输入系统的一实施例的方框图。
图5为本发明一实施例的操作程序流程。
图6为图5的程序流程的子程序。
图7A和7B为本发明一实施例的典型显示屏。
图8A和8B示出用于本发明的一个3ATI插槽。
详细说明概述图1为系统的总方框图。整个系统由可以由Mortorola制造的MPC821微处理器100驱动。如以下将会详细阐述的一样，微处理器100接收多个传感器输入200，可以包括诸如G．P．S．信息、感应罗盘数据、陀螺仪数据等。传感器输入200经采样后输入处理器100并与时钟同步信号300同步。该微处理器100接收时钟同步信号300，将该信号再生后将其输入连接的装置。微处理器100还与非易失存储器410相连，该存储器可以是诸如Intel制造的208F800型闪速存储器。该存储器被用来存储操作软件、数据库信息和重复性屏幕数据，下文会对此数据进行详细说明。微处理器100还与易失存储器420相连，例如DRAM，该存储器用于存储操作过程中使用的信息和用于驱动显示系统的图示信息。通常存储器410和420有至少4M字节的存储空间。
微处理器100还控制背面投影系统500，该系统包含光源510、LCD驱动器系统520和一在显示屏540上显示数据的背面投影LCD530。该LCD驱动器520从存储器420接收由微处理器100编程的图示信息。微处理器100根据从传感器输入200接收的数据和从用户输入装置600接收的用户输入条件，将该图示数据编程后输入存储器400。
如图2所示，整个装置可以被装入一个3ATI盒。如图所示，用户输入装置600包含多个旋钮和开关，为了避免挡住屏幕540，它们被有选择地定位。另外，为了避免穿过位于灯510与LCD530之间的光路及LCD530与屏幕540之间的像路，这些装置被安装在仪器内部。本发明为了结构紧凑和不挡住屏幕而设计的结构将在下文中更详细地描述。
背面投影LCD显示系统图3A为背面投影系统500的详细方框图，它包含光源510、镜系统532、LCD530、LCD驱动器522、定序器524和屏幕540。一种市场可以买到的TFT(薄膜晶体管)型LCD可用于图像投影，也可以采用任何适用的投影LCD系统。LCD530和镜系统532组成一个无滤色器的微透镜型背面投影LCD，例如SonyLCS019型就是这种装置。该装置可按如下步骤操作光源510发出白光，接着镜系统532将该光分解成三个分量R，G，B，分别延着第一轴R、第二轴G和第三轴B传递，这三个轴互成一个角度。光线R，G，B以离散的角度与单个象素撞击。根据从驱动器520接收到的电信号(该电信号是根据从微处理器100得到的数据和从存储器420得到的图示数据形成的)，554的各个象素被调节合成一个彩色图象，该图象延光轴X投射到屏幕540。该LCD534可通过驱动器520以任何理想的速度更新，但最好以30帧／秒的速度更新。以下描述该LCD驱动器的操作。
下面参照图3B对本发明一实施例的光系统作更详尽的说明。灯或其它光源510发出的白光被第一镜5322反射后通过聚光镜5324以形成一准直的光束，该光束此时瞄准二向色镜系统5324。该系统包括一楔5324A，该楔包含涂以二向色材料的上表面5324A，该表面反射红光而让其它颜色的光通过。经反射后红光以与LCD法线成7°的角度指向LCD。该楔5324的第二表面5324B以与法线成0°的角度反射蓝光并让其它颜色的光通过。在楔5324的下方是一镜5325，该镜以与法线成-7°的角度反射剩余的绿光。为了简单起见，图3B中仅用一束光来作示意性图解。当然，所有瞄准楔5324和镜5325的光都会经历相似的分离过程。随后，R，G，B光束撞击LCD530。通过LCD530后，已成形的图象穿过一个投影透镜系统(该系统包括透镜5326A和5326B)后投射到屏幕上。
应注意，两个分离的镜面板可以用来代替楔3324。然而，该楔构造可以实现与一个镜系统同样效果，同时避免光必须通过四个额外的表面(例如，绿光必须在其向下和向上时分别多经过两个表面)。这样可以有更大的显强度。
LCD驱动器520包含一个D／A转换器。于是把模拟数据输入定序器524，再输入LCD530。LCD驱动器520由位于存储器420内的一个图形缓冲器更新。此过程在硬件内完成。如果处理器100停止对屏幕存储器内的数据更新，该LCD驱动器520仍将继续以猝发方式从存储器2的图形缓冲器拉出屏幕数据以保持LCD图象的更新。这意味着，处理器100不必为了消除闪屏而以恒定的速度更新屏幕图形数据。
屏幕数据在“推挽式”图形缓冲器中更新。这意味着当第一缓冲器用于更新LCD时，处理器软件更新第二缓冲器。当处理器更新结束时，它会设置一个“就绪”标记并改变LCD驱动器520的开始地址。这被称为新缓冲器的“拉出”。当LCD驱动器520处在当前屏幕更新周期结束时会自动启用新的缓冲器地址，将刚更新过的图形数据显示在屏幕上。LCD驱动器还在处理器100中发一个中断信号，通过使“就绪”标记复位并设置下一更新缓冲器的地址指示“拉出完毕”。这一标记／地址指出空缓冲器并将被主程序循环用于下一次更新。
一个三缓冲器系统可能会被用来达到以下结果1．当前显示的缓冲器(只读，直到拉出到下一缓冲器)。
2．正在描绘的缓冲器(将会成为下一个被显示的)。
3．正在清除的缓冲器(将会成为下一个描绘的)。
该三缓冲器方案的应用允许用直接存储器存取(DMA)来完成缓冲器的清除操作，DMA通过允许处理器软件执行与屏幕缓冲器清除同时进行而提高了处理器的效率。
为了提高系统的速度，重复显示的图形，例如诸如罗盘图案的背景图形，被一次性写入并存储为背景。这样，适当的重复图形是通过DMA复制到该缓冲器的而不是将缓冲器清除成黑色。这样可以使描绘步骤只将合适的图形加到该重复图形的顶部。
因此，以下为读写三个缓冲器(缓冲器0，缓冲器1，缓冲器2)的过程1．用缓冲器0的数据更新LCD屏幕。
2．处理器100和存储器2共同将一个新的图形存储到缓冲器1中。
3．处理器100和存储器2共同将重复图形数据存储到缓冲器2中。
4．用缓冲器1的数据更新LCD屏幕。
5．写入一个新的图形数据到缓冲器2，掩盖已存于缓冲器2中的重复图形数据。
6．将重复图形数据存入缓冲器0。
7．用缓冲器2中的数据更新LCD屏幕。
虽然以上只描述了该LCD如何读、写和如何实现驱动功能的一个例子，但本技术领域的普通技术人员都清楚地知道，许多其它类型的存储器和程序体系也能达到相似的效果。
传感器输入本发明接收许多传感信号，这些信号被处理器100用于计算各种参数，例如当前的航向、离地高度、经度和纬度、飞行器的姿态等。如图4所示，从飞行器的各种传感器接收许多信号210。该信号210可以被送入信号调节电路220，接着被送入一个48路的复用器230。该复用器230还接收一个时钟控制信号240。在一个实施例中，该时钟控制信号240为该飞行器的400HZ的A／C电源。使用时钟信号的飞行器电源有利于同步对A／C传感器的复用器采样，因为遍布飞行器的传感器不需要一个分离的时钟信号传遍飞行器就可以与处理器100和复用器230同步。单个复用器230的运用还允许使用给微处理器100输入数据的单个A／D变换器250。信号输入210包含从以下各处传来的信号感应罗盘、定向陀螺仪、G．P．S．接收器、ILS接收器(指令着陆系统)，该接收器提供精确的接近导向和着陆。如图1所示，一些输入可以通过串行输入250被直接耦合到微处理器100。例如，GPS数据可以是来自GPS接收器的串行输入。又，来自雷达高度计显示飞行器离地高度的数据可以通过串行输入被输入。依据数据优先极的不同，一些输入每周期采样一次而其他输入则可通过复用器230采样数次。
在一些实施例，1600Hz的同步信号由“同步”切断峰值电压和400Hz电源信号的零交叉而产生。这样允许更快速的采样。
除了上述的传感器，还可以使用诸如闪电传感器的附加传感器。实际上，任何导航或其它飞行数据传感器都可以应用。
在本发明的一些实施例中，非易失性存储器410根据一个地形图存储数据库，该地形图以经度和纬度位置为基础示出了世界一给定区域的不同障碍。提供飞机位置诸如G．P．S．接收机或类似系统的传感数据将由微处理器100检查并通过一张查找表与地形数据相关。因此，微处理器100将能确定在飞行器的航道上或是飞行器附近是否有任何障碍。如下所述的这一数据能以一种简洁的方式显示给飞行员来警告撞击障碍物的可能性。
存储器410还存储其他数据库信息，如飞机场方位、跑道数据、磁北极数据，等等。
本发明还提供一特定的更新存储在存储器410中数据库信息的方法。
如本领域技术人员熟知的，诸如飞机场方位、磁数据的数据库信息是定期更新的。然而，当这些数据库被更新时，它们有一个能应用的有效期。
数据库由飞机上常规的维护程序更新。特别是一个维护计算机通过诸如串行口与机载微处理器相连。维护计算机通过更新数据库来包含有效数据。然而，问题是在何处先于新数据生效执行机上维护。一般在这种情况下，飞机将被迫同时储存“老”数据库信息和即将有效的数据库信息，从而加倍需要的存储器。然而，在本发明中，数据库更新时只将其更新的信息写入存储器。这些改变后的信息点被写入被称为连续数据的那部分存储器。使用数据库时，微处理器100将首先从数据库的常规部分读取期望的数据，然后检查条件存储器部分以确定在当前查询到的数据中是否有任何改变。如有改变，微处理器100检查是否有新的有效期产生，如有，它将在条件存储器中使用新的数据；否则，它使用老的数据。即，维护计算机确定机载计算机的数据库内容并决定哪些数据改变了。它只上载改变后的数据。例如，在一个实施例中，机载存储器包含指出最后一次更新日期的数据。维护计算机检查这一日期并能以此日期确定应该加什么数据。值得注意的是，对一特定数据点上会有数次改变，每一次改变都被存储在连续存储器中。当然，如有需要，该特别主存储器可以被重新更新，连续存储器可以被清零。
这个系统有两个主要的优点。第一，它能减少所需的机载存储器容量，进而降低该装置的价格，第二，因其只需上载改变的数据，所以能加速上载新数据的维护处理。
机械改进如上所述，本发明的目的之一是将LCD屏幕的可显示面积扩到最大。在本发明针对3ATI航空电子工学插槽的一个实施例中，由于受到3″×3″屏幕的限制，导致有用显示面积太小以至于不能达到实用的目的。因此，本发明的目的之一是优化用户输入装置的安放，即，设置能允许飞行员控制装置上显示标记的按钮和旋钮。如图2所示，一些按钮900被设置在显示装置的外周边上。另外，至少有一个旋钮910设置在显示装置的底角内以免与显示区发生冲突。于是旋钮910通过一个通用接头920与一个旋转编码器930相连。或者，可以用一柔性轴代替接头结构。通用接头的运用解决了以下两个问题一，它允许将旋钮设置得与该装置的外壳基本上平行且接近。二，它允许将旋钮的轴设置在该LCD的光路以外。
本发明的这一系统允许8．4平方英寸的3ATI面板可用于视频显示，该面板占有9．56平方英寸的空间。这样，有大约88％的屏幕得到了利用。按照本发明，有至少70％的屏幕得以利用为佳。理想的是有75-88％或至少75％的利用率。更为理想的是能使用至少80％或至少85％的屏幕。因此，本发明的一个实施例利用了大约80％的屏幕。
操作现参照图5说明本发明的程序流程图。在步骤700中，处理器100从传感器输入端200接收发送信号。这一步骤是多路复用器通过每个输入端来实现的。在步骤710中，处理器100通过查询输入钮确定将要显示在屏幕上的标记和多种数据。在步骤720中，处理器100计算所需的显示参数，例如飞机的姿态、罗盘方向以及基于传感信号和由用户控制选择的特定图形模式的其它此类数据。在步骤730-750中，处理器100计算任何“应急”参数，即使这些参数没有在步骤720中被用户选中。
图6示出这种子程序的一个例子。例如，假设用户将该装置的地形数据、G．P．S．和地形学数据功能关闭，该处理器将会在步骤810检查检测到的G．P．S．数据。在步骤820中，处理器会接收感应罗盘和陀螺仪数据。在步骤830中，处理器会用从步骤810和820得到的数据计算当前的方位、飞机的姿态和当前的航道。在步骤840，处理器会查询存储器400中与由步骤830计算得出的方位及航道有关的地形学数据并确定任何障碍物的方位。在步骤850，处理器确定在当前航道中有无障碍物。如有障碍物，它会将应急图形数据写入即将被LCD显示的下一缓冲区。如没有障碍物，处理器将继续执行步骤860并决定在距本飞机当前位置或航道一预定距离内是否有障碍物。如有障碍物，则将警示数据写入图形缓冲区下一步在LCD上显示。例如，如在步骤850中发现航道上有一障碍物，该信息将被写入缓冲区，然后以明亮红色闪现在下一屏幕上。如在步骤860中发现一障碍物在预定区域内但不是直接处在本飞机的航道上，将在屏幕上显示一个黄色或琥珀色的标记以建议飞行员密切监视该障碍物的方位。
在确定一个障碍物是否位于该飞机的航道内时，该系统会考虑障碍物和飞机的高度以及当前的航道。例如，如果有一个障碍物在海拔1200英尺而飞机此时在海拔6000英尺的高度飞行，将不会有警报发出，除非该飞机正在下降，并且该障碍物正好位于该下降航道上。
再参见主程序流程图，在步骤760中，该处理器将在存储器420的下一缓冲区中写入图形数据。在步骤770中，重复性数据被写入下一+1缓冲区。在步骤780中，下一+2缓冲区被清零。在步骤790中，重新回到开始并重复运行该过程。
显示屏幕图7A和图7B示出可以使用本系统显示的典型屏幕。图7A示出一个表现人造障碍的图形和自然地形障碍的360度视图。飞机的当前位置由一个飞机图标1000示出。当前行驶方向由图标1100示出为240度，当前航道由线1200示出。一个自然地形障碍用图标1300示出。自然障碍1300海拔高度1670英尺，该高度被认为危险地接近飞机的当前海拔高度1220英尺。另外，当前航道将被认为是危险地靠近该自然障碍物1300，因此发出一个警报。例如，警报图标1400可以以琥珀色或红色闪现，同时，图标1300本身以红色或琥珀色闪现。另外，将发出一个有声警报。仍旧参见这幅图，人造障碍由屏幕上反向的″V’s″表现。
图7B与上述图7A相似，只是它是一个弧形的90度视图，因此只能提供给飞行员一个向前看的前景图。另外，也可在屏上显示其它图象。例如，在图7B中显示了一个无方向的灯塔1600。
正如本领域普通技术人员能理解的，任何类型的导航显示都可以由本发明的屏幕显示，以上描述的例子仅作示例用而不代表本发明的整个范围。
结构图8A示出用于本发明的3ATI插槽的一个例子。图8B是一个部分分离的放置有本发明的背面投影系统的3ATI插槽。为了简单起见，在此图中不示出其它元件。
虽然特别参照一个航空电子工学显示系统描述了本发明，本发明可以被理解成可以用于任何交通工具的显示系统。特别是，它非常适用于货运或商用列车及高速子弹头列车系统。另外，虽然参照该3ATI系统揭示了该航空电子工学显示屏幕，但是很清楚它能用于其它插槽尺寸，并且它的适用性是与其尺寸息息相关的。
权利要求
1．一种航空电子工学显示装置，其中包含多个用于接收有关飞机的状态、位置和姿态的传感器数据和产生相应传感器信号的传感器输入端；一用于接收传感器信号的微处理器；一存储器装置；一包含屏幕和图象发生单元的背面投影图象系统；一用于有选择地控制将要被显示于屏幕的项目的用户输入端；其中，所述背面投影系统和用户输入系统与微处理器有选择地相连；和有至少80％的屏幕被用于投影图象。
2．一种航空电子工学飞机驾驶员座舱显示单元，其中包含一个含有预定面积的显示屏幕；和一个用于在所述显示屏幕至少80％面积上显示信息的图象显示电路。
3．一种航空电子工学飞机驾驶员座舱显示单元，其中包含一个用于显示航空电子工学信息的显示屏幕；和一个用于将航空电子工学信息投射到所述屏幕的背面投影成象器。
4．一种带投影屏幕的航空电子工学显示装置，其中包含一个用于接收传感到的信号的接口；一个用于将传感数据转换成图形数据的处理器；和一个接收图形数据的背面投影仪，用于将图形数据转换成图象并将该图象投射到屏幕上。
5．一种在3″×3″飞机面板中增大数字航空电子工学显示器的显示面积的方法，包括以下步骤(a)提供一背面投影屏幕；(b)提供一背面投影仪；(c)提供一个用于根据预先存储的程序和用户输入控制所述投影仪的控制器；(d)将所需的图象从所述投影仪投射到所述屏幕；(e)在屏幕的外围提供用户控制机械装置，操作时将该用户控制机械装置与所述控制器连接以提供用户输入，这样有至少80％的屏幕被用于显示所需的图象。
6．一种向飞行员发出危险地接近地面的警报的方法，包含以下步骤(a)接收提供飞机当前地理位置的G．P．S．数据；(b)将接收到的G．P．S．数据与存储在一个计算机存储器中的地形数据相比较并确定飞机是否位于预定的地面极限范围内；和(c)如果飞机位于预定的地面极限范围内，发出一个目视警报给飞行员。
7．一种使用背面投影显示装置向飞行员发出危险地接近地面的警报的方法，包含以下步骤(a)接收提供飞机当前地理位置的G．P．S．数据；(b)将接收到的G．P．S．数据与存储在一个计算机存储器中的地形数据相比较并确定飞机是否位于预定的地面极限范围内；和(c)如果上飞机位于预定的地面极限范围内，用背面投影系统将一个目视警报投射到屏幕上。
8．一种给交通工具驾驶员显示交通工具信息的显示装置，其中包含一个显示屏幕；一个用于在屏幕上显示图象的背面投影显示单元，其中有一光路被限制在显示单元和所述屏幕之间；用户输入机械装置，其近端沿所述屏幕的外周设置，其远端接至背面投影单元，还有一设置在所述近端和远端之间的通用接头，用于防止用户输入机械装置对光路的影响。
9．一种用含有预定有效期的数据更新航空电子工学显示系统数据库的方法，包含以下步骤(a)提供一含有用于存储数据库的存储媒体的机载计算机；(b)将所述存储媒体分成至少两部分，包含主数据部分和继续部分；(c)将初始数据库数据存入主数据部分；(d)在更新时，将一个维护计算机与所述存储媒体对接；(e)利用所述维持计算机把将要更新的新数据与先前存入存储媒体的数据相比较并确定差异。(f)仅将该不相同的数据连同其有关的有效期写入所述存储媒体的继续部分，其中所述运行中的机载计算机搜索主数据和继续数据，并在过了有效期后用所存的继续数据代替主数据。
10．一种航空电子工学显示装置，其中包含许多用于接收关于飞机的条件、位置和姿态的传感器数据和产生相应传感器信号的传感器输入；一用于接收传感器信号的微处理器；一存储器装置；一包含屏幕和图象发生单元的背面投影成象系统；一用于有选择地控制将被显示于屏幕的项目的用户输入端；其中，所述背面投影系统和用户输入系统与微处理器有选择地相连；和所述屏幕至少80％的面积用于投射图象。
全文摘要
本发明涉及一种用于飞机或其它交通工具的显示系统。利用背面投影LCD使最大的屏幕面积用于显示与操作者相关的数据。
文档编号G01C21/00GK1278941SQ9881089
公开日2001年1月3日 申请日期1998年9月21日 优先权日1997年9月22日
发明者杰拉德·J·布劳克 申请人:杰拉德·J·布劳克