光学设计 | Airbus Helicopters借助仿真技术实现节能安全的驾驶舱设计

本文原刊登于Ansys Blog：《Airbus Helicopters Achieves Energy-Efficient, Safety-Critical Cockpit Designs with Ansys Simulation》

编辑整理：刘洋 | Ansys光学高级应用工程师

大家都知道，太阳眩光、驶近的车辆照射的灯光或雨水的反射会分散注意力。对于驾驶员来说光学失真更具挑战性，因为这关乎驾驶安全。除了外部照明条件外，驾驶员通常还会面临‌内部照明‌挑战，比如车辆指示灯面板上的重要信息无法清晰可见。现在可试想一下，在夜间或恶劣天气条件下驾驶直升机，眯着眼睛看天空和控制面板以导航最佳飞行路线，这是多么严峻的挑战。显然，这对于飞行员或机上的任何机组人员和乘客来说都不安全。

Airbus Helicopters的H175驾驶舱和仪表板特写

毋庸置疑，安全性是航空业中的首要任务，而光学系统设计在其中发挥着关键作用。此外，随着全球对气候问题日益关注，可持续性的重要性也不断提升。美国联邦航空管理局（FAA）和欧洲航空安全局（EASA）等监管机构要求制造商设计安全节能的产品。这种对安全性和效率的高度要求促使众多制造商探索新的解决方案，以改进设计并加速认证。

领先的飞机制造商Airbus Helicopters集成了Ansys仿真解决方案，以提升飞行员的可视性和驾驶舱显示器性能，同时通过实施虚拟测试和虚拟原型制作来降低功耗、减少材料浪费以及相关成本。通过应用Ansys Speos光学系统设计软件提供的关键信息，Airbus公司可改进并简化驾驶舱设计，同时以高效率和预测准确性满足航空监管标准。

Airbus Helicopters集成Ansys Speos以设计和验证驾驶舱光学系统

Airbus Helicopters在150多个国家和地区投入使用，包括为政府、军事、执法、民用和准公共用途（包括公共和私营部门）提供旋翼飞机解决方案。为了确保其所有飞机的安全运行，Airbus在开发过程中遵守最高标准，并使用仿真为设计提供宝贵的指导。

Speos使Airbus能够在驾驶舱设计过程中评估人眼可视性，并预测在眩光、反射和失真的条件下的行为。利用该数据，Airbus工程师可提高飞行员的可视性，以及机组人员屏幕显示器的可读性。

Ansys仿真在大量Airbus直升机的驾驶舱人眼可视性设计中发挥了关键作用，包括中型双引擎H160、超中型双引擎H175和重型双引擎H225。这里有一些背景信息供读者参考：每架飞机可容纳一名或两名飞行员，分别可容纳多达12名、18名和19名乘客。Airbus几乎为其所有飞机设计了军用型号，而H160M、H175M和H225M都是基于民用模型设计，尽管其飞行员和机组人员的数量可能有所不同。 

Airbus Helicopters的超中型双引擎H175可容纳两名飞行员和多达18名乘客

Speos可在3D平台中提供一系列直观、用户友好型功能。通过直接将布局和形状无缝集成到任何计算机辅助设计（CAD）环境中，以实现逼真的可视化，这有助于工程师从零开始创建设计或优化当前设计。

Airbus Helicopters人因学和人机界面部门工程师Stephane Poveda说道：“分析计算有时很难用于向机组人员和认证机构解释驾驶舱内光线的影响，但这是必要的。借助Ansys Speos，我们可以验证潜在的影响，然后使用逼真的视觉渲染和仿真向团队成员和有关部门进行展示。这对于每架直升机的设计和认证过程都有很大助益，特别是在说明驾驶舱内部昼夜变化以及不同天气条件下的不同照明条件。”

Speos最有益的一大功能是人眼视觉功能。通过此功能，设计人员可以根据人眼视觉传感器确定不同的视觉性能，比如反射、可视性和可读性。凭借这种见解，设计人员可以为飞行员和机组人员创造更安全的照明条件。通过完善的人眼传感器模型，Speos提供了针对亮度和沉浸式360度观察器结果的人眼视觉算法。使用生理学人眼视觉建模，设计人员可以优化颜色、对比度、和谐度、光均匀性和强度，同时还考虑包括昼夜视觉在内的环境照明条件，从而提高显示器的视觉感知质量。

Ansys Speos使用完善的人眼传感器模型来进行亮度仿真，并提供沉浸式360度观察器结果

Speos的另一个有益特性是其广泛的光学库，其中包括超过4200种光源和材料样本。在这个在线数据库的支持下，Airbus可为每种设计选择更高效、更合适的材料。此外，借助Speos的照明系统分析器工具，工程师可以确保其选择符合设计要求，并验证其是否符合行业或法律标准。

Ansys应用工程经理Fabien Bastide表示：“像Speos这样的先进光学设计软件工具，对Airbus设计和优化直升机光学系统非常有帮助。优化的设备、改进的材料选择和先进的技术，可为飞机制造流程带来重要价值。”

此外，优化的设备和材料选择使制造商能够更轻松地遵守重量和性能合规性要求，从而加速认证流程。同样，Ansys光学系统设计分析使工程师能够对新的可回收材料的行为进行建模，并更新旧技术，例如使用先进的LED取代以前的照明，以降低功耗。

Bastide补充道：“这些工具使工程师能够考虑视野、分辨率和图像质量等各种因素，并在不同的照明条件和环境因素下进行系统性能仿真。因此，制造商可以获得对于潜在问题的宝贵见解，并做出明智的设计决策。”

通过改进材料选择并采用更多的虚拟测试和原型制作，Airbus能够减少材料浪费，同时减少与物理测试和原型制作相关的时间、能源和成本。此外，通过Speos图形处理单元（GPU）计算，可显著提高仿真性能，包括将平均速度提高140-260倍，同时不会降低准确度。

Ansys Speos还带有可读性和可视性分析工具，使设计人员能够基于人眼视觉感知改进光学系统

随着航空业努力满足消费者需求、安全性法规和实施全球可持续发展举措，制造商越来越频繁地纳入数字化转型，并在开发流程中尽早地集成仿真，从而为设计提供宝贵信息。在Speos的助力下，Airbus等制造商继续改进安全关键型驾驶舱设计，同时满足行业期望。