Un head-up display , o head-up display , [1] también conocido como HUD ( / h ʌ d / ) o sistema de guía head-up ( HGS ), es cualquier pantalla transparente que presenta datos sin necesidad de que los usuarios aparten la mirada. desde sus puntos de vista habituales. El origen del nombre proviene de que un piloto puede ver información con la cabeza colocada "arriba" y mirando hacia adelante, en lugar de mirar hacia abajo mirando los instrumentos inferiores. Un HUD también tiene la ventaja de que los ojos del piloto no necesitan reenfocarse para ver el exterior después de mirar los instrumentos ópticamente más cercanos.
Aunque inicialmente se desarrollaron para la aviación militar, los HUD ahora se utilizan en aviones comerciales, automóviles y otras aplicaciones (en su mayoría profesionales).
Los head-up displays fueron una tecnología precursora de la realidad aumentada (AR), incorporando un subconjunto de las características necesarias para la experiencia AR completa, pero careciendo del registro y seguimiento necesarios entre el contenido virtual y el entorno del mundo real del usuario. [2]
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Un HUD típico contiene tres componentes principales: una unidad de proyección , un combinador y una computadora de generación de video . [3]
La unidad de proyección en un HUD típico es una configuración de colimador óptico : una lente convexa o un espejo cóncavo con un tubo de rayos catódicos , una pantalla de diodos emisores de luz o una pantalla de cristal líquido en su foco. Esta configuración (un diseño que ha existido desde la invención de la mira reflectora en 1900) produce una imagen en la que la luz se colima , es decir, se percibe que el punto focal está en el infinito.
El combinador suele ser una pieza de vidrio plana en ángulo (un divisor de haz ) ubicada directamente frente al espectador, que redirige la imagen proyectada desde el proyector de tal manera que se vea el campo de visión y la imagen infinita proyectada al mismo tiempo. . Los combinadores pueden tener recubrimientos especiales que reflejan la luz monocromática proyectada desde la unidad del proyector y al mismo tiempo permiten el paso de todas las demás longitudes de onda de luz. En algunos diseños ópticos, los combinadores también pueden tener una superficie curva para reenfocar la imagen del proyector.
La computadora proporciona la interfaz entre el HUD (es decir, la unidad de proyección) y los sistemas/datos que se mostrarán y genera las imágenes y la simbología que se mostrarán en la unidad de proyección.
Además del HUD de montaje fijo, también hay pantallas montadas en la cabeza (HMD). Estos incluyen pantallas montadas en casco (ambas abreviadas HMD), formas de HUD que cuentan con un elemento de pantalla que se mueve con la orientación de la cabeza del usuario.
Muchos cazas modernos (como el F/A-18 , F-16 y Eurofighter ) utilizan tanto un HUD como un HMD simultáneamente. El F-35 Lightning II fue diseñado sin HUD, basándose únicamente en el HMD, lo que lo convierte en el primer caza militar moderno que no tiene un HUD fijo.
Los HUD se dividen en cuatro generaciones que reflejan la tecnología utilizada para generar las imágenes.
Se están introduciendo nuevas tecnologías de imágenes de micropantallas, incluidas pantallas de cristal líquido (LCD), cristal líquido sobre silicio (LCoS), microespejos digitales (DMD) y diodos orgánicos emisores de luz (OLED).
Los HUD evolucionaron a partir de la mira reflectora , una tecnología de mira óptica sin paralaje anterior a la Segunda Guerra Mundial para aviones de combate militares . [4] La mira giroscópica agregó una retícula que se movía según la velocidad y el índice de giro para resolver la cantidad de plomo necesaria para alcanzar un objetivo mientras se maniobra.
A principios de la década de 1940, el Establecimiento de Investigación de Telecomunicaciones (TRE), a cargo del desarrollo de radares en el Reino Unido , descubrió que los pilotos de cazas nocturnos de la Royal Air Force (RAF) tenían dificultades para reaccionar a las instrucciones verbales del operador del radar cuando se acercaban a sus objetivos. . Experimentaron con la adición de una segunda pantalla de radar para el piloto, pero descubrieron que tenían problemas para mirar hacia el cielo oscuro desde la pantalla iluminada para encontrar el objetivo. En octubre de 1942 combinaron con éxito la imagen del tubo del radar con una proyección de su GGS Mk estándar. II giroscopio en una zona plana del parabrisas, y posteriormente en la propia mira. [5] Una actualización clave fue el cambio del AI Mk original. Radar IV al AI Mk de frecuencia de microondas. Radar VIII encontrado en el caza nocturno De Havilland Mosquito . Este conjunto produjo un horizonte artificial que facilitó aún más el vuelo con la cabeza hacia arriba. [ cita necesaria ]
En 1955, la Oficina de Investigación y Desarrollo Naval de la Marina de los EE. UU . hizo algunas investigaciones con una maqueta de unidad conceptual HUD junto con un controlador de palanca lateral en un intento de aliviar la carga del piloto que volaba aviones a reacción modernos y hacer que la instrumentación fuera menos complicada durante el vuelo. Si bien su investigación nunca se incorporó a ningún avión de esa época, la tosca maqueta de HUD que construyeron tenía todas las características de las unidades HUD modernas de hoy. [6]
La tecnología HUD fue desarrollada a continuación por la Royal Navy en el Buccaneer , cuyo prototipo voló por primera vez el 30 de abril de 1958. El avión fue diseñado para volar a altitudes muy bajas a velocidades muy altas y lanzar bombas en enfrentamientos que duraban segundos. Como tal, el piloto no tuvo tiempo de levantar la vista de los instrumentos y mirar hacia una mira. Esto llevó al concepto de una "mira de ataque" que combinaría altitud, velocidad aérea y mira del arma/bomba en una sola pantalla similar a una mira. Hubo una feroz competencia entre los partidarios del nuevo diseño del HUD y los partidarios de la antigua mira electromecánica, describiéndose el HUD como una opción radical, incluso temeraria.
La rama Air Arm del Ministerio de Defensa del Reino Unido patrocinó el desarrollo de un Strike Sight. El Royal Aircraft Establishment (RAE) diseñó el equipo y el primer uso del término "head-up-display" se remonta a esta época. [7] Las unidades de producción fueron construidas por Rank Cintel , y el sistema se integró por primera vez en 1958. Elliott Flight Automation se hizo cargo del negocio Cintel HUD y se fabricó y desarrolló aún más el Buccaneer HUD, continuando hasta una versión Mark III con un total de 375 sistemas fabricados; La Royal Navy le otorgó el título de "instalar y olvidar" y todavía estaba en servicio casi 25 años después. BAE Systems , como sucesor de Elliott a través de GEC-Marconi Avionics, tiene derecho a tener el primer head-up display del mundo en servicio operativo. [8] Una versión similar que reemplazó los modos de bombardeo con modos de ataque con misiles fue parte del AIRPASS HUD instalado en el English Electric Lightning de 1959.
En el Reino Unido, pronto se observó que los pilotos que volaban con las nuevas miras estaban mejorando en el pilotaje de sus aviones. [ cita necesaria ] En este punto, el HUD amplió su propósito más allá del arma apuntando al pilotaje general. En la década de 1960, el piloto de pruebas francés Gilbert Klopfstein creó el primer HUD moderno y un sistema estandarizado de símbolos HUD para que los pilotos solo tuvieran que aprender un sistema y pudieran realizar más fácilmente la transición entre aviones. El HUD moderno utilizado en las aproximaciones al aterrizaje con reglas de vuelo por instrumentos se desarrolló en 1975. [9] Klopfstein fue pionero en la tecnología HUD en aviones de combate y helicópteros militares , con el objetivo de centralizar datos de vuelo críticos dentro del campo de visión del piloto. Este enfoque buscaba aumentar la eficiencia de escaneo del piloto y reducir la "saturación de tareas" y la sobrecarga de información .
Luego, el uso de HUD se expandió más allá de los aviones militares. En la década de 1970, el HUD se introdujo en la aviación comercial y, en 1988, el Oldsmobile Cutlass Supreme se convirtió en el primer automóvil de producción con pantalla frontal.
Hasta hace unos años, los aviones Embraer 190, Saab 2000, Boeing 727 y Boeing 737 Classic (737-300/400/500) y Next Generation (series 737-600/700/800/900) eran los únicos aviones comerciales de pasajeros. Aviones disponibles con HUD. Sin embargo, la tecnología se está volviendo más común en aviones como el Canadair RJ , el Airbus A318 y varios aviones de negocios que cuentan con pantallas. Los HUD se han convertido en equipamiento estándar del Boeing 787 . [10] Además, las familias Airbus A320, A330, A340 y A380 se encuentran actualmente en el proceso de certificación de un HUD. [11] También se agregaron HUD al orbitador del transbordador espacial .
Hay varios factores que interactúan en el diseño de un HUD:
En los sistemas de aviónica de aeronaves, los HUD normalmente funcionan desde sistemas informáticos redundantes independientes y duales. Reciben información directamente de los sensores ( pitot-estáticos , giroscópicos , de navegación, etc.) a bordo de la aeronave y realizan sus propios cálculos en lugar de recibir datos previamente calculados desde las computadoras de vuelo. En otros aviones (el Boeing 787, por ejemplo), el cálculo de guía del HUD para el despegue con baja visibilidad (LVTO) y la aproximación con baja visibilidad proviene de la misma computadora de guía de vuelo que controla el piloto automático. Las computadoras están integradas con los sistemas de la aeronave y permiten la conectividad en varios buses de datos diferentes, como ARINC 429 , ARINC 629 y MIL-STD-1553 . [9]
Los HUD de aviones típicos muestran indicadores de velocidad del aire , altitud , línea del horizonte , rumbo , giro/inclinación y deslizamiento/derrape . Estos instrumentos son el mínimo requerido por 14 CFR Parte 91. [13]
Otros símbolos y datos también están disponibles en algunos HUD:
Desde que se introdujeron en los HUD, tanto el FPV como los símbolos de aceleración se están convirtiendo en estándar en las pantallas frontales (HDD). La forma real del símbolo FPV en un HDD no está estandarizada, pero suele ser un simple dibujo de avión, como un círculo con dos líneas cortas en ángulo (180 ± 30 grados) y "alas" en los extremos de la línea descendente. Mantener el FPV en el horizonte permite al piloto volar giros nivelados en varios ángulos de inclinación.
Además de la información genérica descrita anteriormente, las aplicaciones militares incluyen sistemas de armas y datos de sensores tales como:
Durante la década de 1980, el ejército de los Estados Unidos probó el uso de HUD en aviones de despegue y aterrizaje verticales (VTOL) y de despegue y aterrizaje cortos (STOL). Se desarrolló un formato HUD en el Centro de Investigación Ames de la NASA para proporcionar a los pilotos de aeronaves VTOL y STOL información completa de control y guía de vuelo para operaciones de vuelo en el área terminal de Categoría III C. Esto incluye una gran variedad de operaciones de vuelo, desde vuelos STOL en pistas terrestres hasta operaciones VTOL en portaaviones . Las principales características de este formato de visualización son la integración de la información de la trayectoria de vuelo y la guía de persecución en un campo de visión estrecho, fácilmente asimilado por el piloto con una sola mirada, y la superposición de información de situación vertical y horizontal. La pantalla es un derivado de un exitoso diseño desarrollado para aviones de transporte convencionales. [14]
El uso de head-up displays permite a los aviones comerciales una flexibilidad sustancial en sus operaciones. Se han aprobado sistemas que permiten despegues y aterrizajes con visibilidad reducida, así como aterrizajes y despliegues manuales completos de Categoría III A. [15] [16] [17] Inicialmente costosos y físicamente grandes, estos sistemas solo se instalaron en aviones más grandes capaces de soportarlos. Estos tendían a ser los mismos aviones que, de serie, admitían el aterrizaje automático (con la excepción de ciertos tipos de turbohélice [ se necesita aclaración ] que tenían HUD como opción), lo que hacía innecesaria la pantalla frontal para aterrizajes de categoría III. Esto retrasó la adopción del HUD en aviones comerciales. Al mismo tiempo, los estudios han demostrado que el uso de un HUD durante los aterrizajes disminuye la desviación lateral de la línea central en todas las condiciones de aterrizaje, aunque el punto de aterrizaje a lo largo de la línea central no cambia. [18]
Para la aviación general , MyGoFlight espera recibir un STC y vender su SkyDisplay HUD por 25.000 dólares sin instalación para un solo motor de pistón como el Cirrus SR22 y más para los turbohélices monomotor Cessna Caravans o Pilatus PC-12 : del 5 al 10% de un costo de HUD tradicional, aunque no es conforme y no coincide exactamente con el terreno exterior. [19] Los datos de vuelo desde una tableta se pueden proyectar en el HUD Epic Optix Eagle 1 de $ 1,800. [20]
En sistemas más avanzados, como el 'Sistema de visión de vuelo mejorado' de la Administración Federal de Aviación (FAA) de EE. UU., [21] se puede superponer una imagen visual del mundo real al combinador. Por lo general, se instala una cámara infrarroja (ya sea de banda única o multibanda) en el morro de la aeronave para mostrar una imagen conformada al piloto. "Sistema de visión mejorada EVS" es un término aceptado por la industria que la FAA decidió no utilizar porque "la FAA cree que podría confundirse con la definición del sistema y el concepto operativo que se encuentran en 91.175(l) y (m)" [21 ] En una instalación de EVS, la cámara en realidad está instalada en la parte superior del estabilizador vertical en lugar de "lo más cerca posible de la posición de los ojos del piloto". Sin embargo, cuando se utiliza con un HUD, la cámara debe montarse lo más cerca posible del punto de vista del piloto, ya que se espera que la imagen "superponga" el mundo real cuando el piloto mira a través del combinador.
El "registro", o la superposición precisa de la imagen del EVS con la imagen del mundo real, es una característica examinada de cerca por las autoridades antes de aprobar un EVS basado en HUD. Esto se debe a la importancia de que el HUD coincida con el mundo real y, por lo tanto, pueda proporcionar datos precisos en lugar de información engañosa.
Si bien la pantalla EVS puede ser de gran ayuda, la FAA solo ha relajado las regulaciones operativas [22] para que una aeronave con EVS pueda realizar una aproximación de CATEGORÍA I a los mínimos de CATEGORÍA II . En todos los demás casos, la tripulación de vuelo debe cumplir con todas las restricciones visuales "sin ayuda". (Por ejemplo, si la visibilidad de la pista está restringida debido a la niebla, aunque el EVS pueda proporcionar una imagen visual clara, no es apropiado (ni legal) maniobrar la aeronave utilizando únicamente el EVS por debajo de 100 pies sobre el nivel del suelo.)
Los sistemas HUD también se están diseñando para mostrar una imagen gráfica del sistema de visión sintética (SVS), que utiliza bases de datos de navegación, actitud, altitud y terreno de alta precisión para crear vistas realistas e intuitivas del mundo exterior. [23] [24] [25]
En la primera imagen del SVS con la cabeza hacia abajo que se muestra a la derecha, los indicadores inmediatamente visibles incluyen la cinta de velocidad aérea a la izquierda, la cinta de altitud a la derecha y pantallas de giro/bandeo/deslizamiento/derrape en la parte superior central. El símbolo de puntería (-v-) está en el centro y directamente debajo está el símbolo del vector de trayectoria de vuelo (FPV) (el círculo con alas cortas y un estabilizador vertical). La línea del horizonte es visible a lo largo de la pantalla con una separación en el centro, y directamente a la izquierda hay números a ±10 grados con una línea corta a ±5 grados (la línea de +5 grados es más fácil de ver) que, junto con la línea del horizonte, muestra el cabeceo del avión. A diferencia de esta representación en color del SVS en una pantalla de vuelo principal con la cabeza hacia abajo, el SVS que se muestra en un HUD es monocromático, es decir, normalmente, en tonos de verde.
La imagen indica una aeronave con las alas niveladas (es decir, el símbolo del vector de trayectoria de vuelo es plano con respecto a la línea del horizonte y hay cero balanceo en el indicador de giro/inclinación). La velocidad del aire es de 140 nudos, la altitud es de 9,450 pies y el rumbo es de 343 grados (el número debajo del indicador de giro/inclinación). Una inspección minuciosa de la imagen muestra un pequeño círculo violeta que está ligeramente desplazado del vector de trayectoria de vuelo hacia la parte inferior derecha. Esta es la señal de guía proveniente del sistema de guía de vuelo. Cuando esté estabilizado en la aproximación, este símbolo violeta debe estar centrado dentro del FPV.
El terreno se genera íntegramente por computadora a partir de una base de datos del terreno de alta resolución.
En algunos sistemas, el SVS calculará la trayectoria de vuelo actual de la aeronave, o la posible trayectoria de vuelo (basándose en un modelo de rendimiento de la aeronave, la energía actual de la aeronave y el terreno circundante) y luego pondrá en rojo cualquier obstrucción para alertar a la tripulación de vuelo. Un sistema de este tipo podría haber ayudado a evitar el accidente del vuelo 965 de American Airlines contra una montaña en diciembre de 1995. [ cita necesaria ]
En el lado izquierdo de la pantalla hay un símbolo exclusivo de SVS, con la apariencia de una escalera lateral decreciente de color púrpura, y que continúa a la derecha de la pantalla. Las dos líneas definen un "túnel en el cielo". Este símbolo define la trayectoria deseada del avión en tres dimensiones. Por ejemplo, si el piloto hubiera seleccionado un aeropuerto a la izquierda, entonces este símbolo se curvaría hacia la izquierda y hacia abajo. Si el piloto mantiene el vector de trayectoria de vuelo junto al símbolo de trayectoria, la nave volará por la trayectoria óptima. Esta ruta se basaría en la información almacenada en la base de datos del Sistema de Gestión de Vuelo y mostraría la aproximación aprobada por la FAA para ese aeropuerto.
El túnel en el cielo también puede ser de gran ayuda para el piloto cuando se requiere un vuelo en cuatro dimensiones más preciso, como la disminución de los requisitos de autorización vertical u horizontal del rendimiento de navegación requerido (RNP). En tales condiciones, el piloto recibe una representación gráfica de dónde debería estar la aeronave y hacia dónde debería dirigirse, en lugar de que el piloto tenga que integrar mentalmente la altitud, la velocidad del aire, el rumbo, la energía, la longitud y la latitud para volar correctamente la aeronave. [26]
A mediados de 2017, las Fuerzas de Defensa de Israel comenzarán las pruebas del Iron Vision de Elbit , el primer head-up display del mundo montado en un casco para tanques. Elbit de Israel, que desarrolló el sistema de visualización montado en el casco para el F-35 , planea que Iron Vision utilice una serie de cámaras montadas externamente para proyectar la vista de 360° de los alrededores de un tanque en las viseras montadas en el casco de los miembros de su tripulación. Esto permite a los miembros de la tripulación permanecer dentro del tanque, sin tener que abrir las escotillas para ver el exterior. [27]
Estas pantallas están cada vez más disponibles en los automóviles de producción y, por lo general, ofrecen pantallas de velocímetro , tacómetro y sistema de navegación . La información de visión nocturna también se muestra a través del HUD en ciertos automóviles. A diferencia de la mayoría de los HUD que se encuentran en los aviones, los head-up displays de los automóviles no están libres de paralaje. Es posible que la pantalla no sea visible para un conductor que use gafas de sol con lentes polarizados.
También existen sistemas HUD complementarios, que proyectan la pantalla sobre un combinador de vidrio montado encima o debajo del parabrisas, o utilizando el propio parabrisas como combinador.
En 2012, Pioneer Corporation introdujo un sistema de navegación HUD que reemplaza el parasol del lado del conductor y superpone visualmente animaciones de las condiciones que se avecinan, una forma de realidad aumentada (AR) . [28] [29] Desarrollado por Pioneer Corporation, AR-HUD se convirtió en el primer Head-Up Display automotriz del mercado de accesorios en utilizar un método de escaneo con rayo láser directo al ojo, también conocido como pantalla de retina virtual (VRD). La tecnología central de AR-HUD implica una pantalla de escaneo con rayo láser en miniatura desarrollada por MicroVision, Inc. [30]
Los HUD para cascos de motocicleta también están disponibles comercialmente. [31]
En los últimos años, se ha argumentado que los HUD convencionales serán reemplazados por tecnologías AR holográficas , como las desarrolladas por WayRay que utilizan elementos ópticos holográficos (HOE). El HOE permite un campo de visión más amplio al tiempo que reduce el tamaño del dispositivo y hace que la solución sea personalizable para cualquier modelo de automóvil. [32] [33] Mercedes Benz introdujo un Head Up Display basado en realidad aumentada [34] mientras que Faurecia invirtió en un head up display controlado con la mirada y los dedos. [35]
Los HUD se han propuesto o se están desarrollando experimentalmente para otras aplicaciones. En entornos militares, se puede utilizar un HUD para superponer información táctica, como la salida de un telémetro láser o las ubicaciones de los compañeros de escuadrón, a los soldados de infantería . También se ha desarrollado un prototipo de HUD que muestra información en el interior de unas gafas de nadador o de una máscara de submarinista . [36] También se están probando sistemas HUD que proyectan información directamente sobre la retina del usuario con un láser de baja potencia ( pantalla de retina virtual ). [37] [38]
Algunas pantallas frontales pueden realizar traducciones de idiomas en tiempo real. [39]
