IAEE8 — Instrumentos e Aviônica

Aviônica Militar II

Displays Montados no Capacete (HMD), NVG e Cabine Virtual

Bibliografia: COLLINSON, R. P. G. Introduction to Avionics Systems. 3. ed. Boston: Springer, 2011.
Cap. 7: Displays and Man-Machine Interaction · Seção 7.3: Helmet Mounted Displays

Prof. Fabriciu Alarcão Veiga Benini

Professor de Ensino Básico, Técnico e Tecnológico · Área Aeronáutica
Engenheiro Eletricista · Mestre em Sistemas Dinâmicos · Doutor em Telecomunicações

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO
Campus São Carlos · Curso de Engenharia Aeronáutica

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Índice da Apresentação

Do HUD ao HMD — Por que o capacete?
Funções do capacete convencional
Fatores de design: peso, CG, FOV, eye relief
Pontaria montada no capacete (HMS)
HMD binocular — óptica e CRT
Visão Noturna (NVGs)
Capacete integrado e modular
Sistemas de rastreamento da cabeça (CA/CC)
Cabine Virtual e BHMD
Síntese e pontos-chave

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Seção 1

Do HUD ao HMD: A Limitação do Campo de Visão

HUD holográfico: FOV limitado a ~30° azimute, 20°–25° elevação
Restrição advém da geometria da cabine frontal
Piloto precisa de informações visuais head-up em qualquer direção
Solução: HMD — Helmet Mounted Display

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Seção 1

O que é um HMD? Duas Formas

Forma simples: Pontaria colimada (mira + símbolos alfanuméricos básicos) — usa matriz de LEDs endereçável
Forma sofisticada: "HUD no capacete" — exibe toda a informação de HUD, referenciada à LOS do piloto
FOV: 35°–40° (caça) a 55° (helicóptero)
Permite visão noturna/FLIR integrada ao display

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Seção 1

HMD Forma Simples: Matriz de LEDs

Matriz endereçável de LEDs — formato fixo ou variável
Matriz 32×32: exibe simbologia limitada + caracteres alfanuméricos
Imagem transmitida ao protetor facial por óptica simples
Protetor facial esférico com patch reflexivo → colimação
FOV típico: 7°–10° | Monoscópico (olho direito)

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Seção 3

Fatores de Design do Capacete: Funções Básicas

Comunicação: interface auditiva/fala com rádio
Respiração: interface com oxigênio via máscara
Proteção: impacto + protetor facial a 650 kts
Proteção solar: protetor facial escuro
Compatibilidade NBC: vestimenta nuclear-biológico-química

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Seção 3

Fatores de Design do Capacete: Peso e Carga

Capacete convencional: ~1 kg (2,2 lbs)
Em curva de 9 g: 1 kg × 9 = 9 kg na cabeça
Capacete integrado HMD binocular: 1,7–2,5 kg (3,7–5,5 lbs)
Peso mínimo = prioridade → reduzir tensão cervical
Busca contínua por redução de massa

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Seção 3

Fatores de Design do Capacete: CG e Momento de Inércia

CG do capacete deve alinhar-se ao ponto de pivô da cabeça
Momentos de inércia em yaw e pitch devem ser mínimos
Velocidades de cabeça: até 100°/s em combate
Minimizar torques sentidos pelo piloto durante aceleração angular

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Seção 3

Fatores de Design do Capacete: Ajuste e Fixação

Capacete deve ajustar-se firmemente à cabeça
Display visível em todas as condições
LOS do piloto inferida a partir da atitude da cabeça pelo head tracker
Qualquer movimento entre capacete e cabeça introduz erro no rastreamento

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Seção 3

Fatores de Design do Capacete: Eye Relief e Exit Pupil

Eye relief (folga ocular): mínimo 25 mm (1″) entre superfície óptica e olho
Exit pupil (pupila de saída): mínimo 12 mm (~0,5″) de diâmetro
Em alto g: capacete pressionado para baixo → exit pupil garante visibilidade

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Seção 2

Simbologia do HMS

Mira em forma de cruz ou círculo
Setas indicadoras: cima, baixo, esquerda, direita
Indicação de status do míssil (fixação da cabeça de busca)
Simbologia mantida no mínimo deliberadamente

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Seção 2

Off-Boresight: A Vantagem Tática do HMS

HUD: ângulo off-boresight máximo < 15°
HMS: ângulo off-boresight ~120° (com mísseis ágeis)
Multiplicador de Força: 3×–4× na probabilidade de abate
Piloto não precisa alinhar a aeronave ao alvo antes do lançamento

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Seção 2

HMS para Navegação

HMS fornece "fixações" visuais para o sistema de navegação
Designa pontos de referência e características conhecidos
Piloto não precisa sobrevoar esses pontos
Economia de tempo e combustível em missões de navegação

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Seção 4

Geração 1 vs. Geração 2 de HMDs

1ª geração: Módulo óptico "parafusado" a capacete existente
Aspecto de acessório, peso excessivo
2ª geração: Design integrado "folha em branco"
Otimizado para todos os requisitos
Carcaça leve em materiais resistentes
Resultado: peso mínimo + performance máxima

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Seção 4

HMD Binocular: Rivalidade Monocular

HMD monoscópico: problema de rivalidade monocular
Cérebro tenta processar imagens diferentes de cada olho
Mais severo à noite: olho sem display enxerga pouco
Solução: sistema binocular — mesma imagem a ambos os olhos
Todos os projetos modernos são binoculares

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Seção 4

HMD Binocular: Fonte de Exibição e CRT

CRT miniaturizado de 0,5 polegada de diâmetro
Compacto o suficiente para integração no capacete
Aplicações noturnas: FOV o mais amplo possível
Helicópteros: FOV mínimo 40°, disponíveis > 50°
Caça/ataque: FOV 35°–40°

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Seção 4

Colimação por Ocular Esférica

Elementos da ocular incorporam superfície refletora esférica
Colimação: imagem projetada em infinito → sobreposta ao mundo externo
Precisão óptica: erros < 1 milirradiano
Excelente desempenho estereoscópico

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Seção 4

Comparativo FOV: HUD vs. HMS vs. HMD

O HUD cobre apenas cerca de 30° de azimute, limitado pelo para-brisa. O HMS amplia o campo de mira para aproximadamente 120°, acompanhando a cabeça do piloto. Um HMD binocular de helicóptero chega a 50° ou mais por olho — suficiente para sobrepor símbolos a praticamente toda a cena visível.

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Seção 5

NVGs: Princípio de Funcionamento

NVG = Night Vision Goggles — dois intensificadores de imagens
Operam na extremidade vermelha do espectro visível
Amplificação: ~10.000× (desde luz estelar até nível visível)

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Seção 5

NVGs: Iluminação Especial de Cabine

Iluminação convencional satura os intensificadores
Iluminação verde especial + filtragem complementar requeridas
NVGs devem ser removidos antes de ejetar (liberação rápida)

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Seção 5

NVGs em Capacete Padrão vs. Integrado

Padrão: NVG frontal → peso desequilibrado
Impossível alto g; remoção obrigatória antes de ejetar
Integrado: NVG próximo ao ponto de pivô
Sem momento significativo
Visão noturna disponível mesmo após ejeção

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Seção 6

Design Modular: Conceito e Vantagens

Abordagem modular: carcassa comum + módulos para diferentes funções
Módulos: protetor facial → pontaria diurna → NVGs + CRTs
Mesma carcassa para hélicoptero e caça
Materiais leves e resistentes, ajuste por injeção plástica

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Seção 7

Rastreamento da Cabeça: Por que?

Necessidade: medir orientação angular da cabeça → coordenadas angulares da LOS
LOS do piloto em relação à célula da aeronave
Permite direcionar símbolos, sensores e armamentos
Aplicações em robótica também

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Seção 7

Rastreamento Óptico da Cabeça

Método A

Reconhecimento de padrões via câmera CCD

Método B

Detecção de LEDs montados no capacete

Método C

Medição de franjas geradas por laser

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Seção 7

Rastreamento Magnético: Sistemas CA e CC

Sistema CA (AC): campo magnético alternado ~10 kHz
Sistema CC (DC): campo magnético CC comutado em baixa frequência
Ambos: sensíveis ao metal próximo ao sensor
CC é 10× menos sensível ao metal que o CA
Erros dependem da instalação → mapeamento individualizado

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Seção 7

Rastreamento Magnético: Especificações

Sensor: ~8 cm³ / ~20 g | Radiador: ~16 cm³ / ~28 g
Cobertura: ±135° azimute / ±85° elevação
Precisão boresight: < 2 milirradianos (~0,1°)
Precisão off-boresight: ~0,5°
Computador corrige erros in situ

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Seção 7

Rastreamento Magnético: Sensibilidade ao Metal e Mapeamento

Ambos os sistemas (CA e CC) são sensíveis ao metal
Metal na cabine distorce o campo magnético
Erros dependem da instalação específica → mapeamento individualizado
Medição dos erros → correções armazenadas no computador
Computador corrige as saídas in situ

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Seção 7

Rastreamento Magnético: Sensor, Radiador e Precisão

O sensor montado no capacete ocupa cerca de 8 cm³ pesando apenas 20 g, enquanto o radiador fixado na cabine tem 16 cm³ e 28 g. Operando em corrente contínua comutada, o sistema fica dez vezes menos sensível às distorções metálicas do que os sistemas CA, alcançando precisão da ordem de 2 milirradianos na direção de pontaria.

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Seção 7

Vibração, Buffeting e Rastreador Ocular

Buffeting subsônico: espectro 1–10 Hz
Erros de rastreamento > 2° RMS em testes replicados
Vibração 0,5 g a 2 Hz → deslocamento ±31 mm
Piloto incapaz de acompanhar a vibração com a cabeça
Solução: rastreador ocular — músculos oculares respondem mais rápido

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Seção 8

Cabine Virtual: Displays 3D e God's Eye View

Display head-up: mundo externo (direto ou via sensor)
Display head-down: computador gera display virtual na posição real
"Pathway in the sky" — trajetória diretor noturna
"God's eye view" — perspectiva 2.000 pés acima e atrás
Zonas de ameaça como superfícies 3D

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Seção 8

Cabine Virtual: Aplicações Futuras

Displays virtuais substituem instrumentos físicos head-down
Hand controller como interface complementar ao rastreamento ocular
DVI permite alta resolução e baixo peso
RPVs: controle remoto a partir de aeronave-pai ou estação terrestre
Aplicável a veículos terrestres e submarinos
Displays coloridos de alta resolução → mapas no HMD

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Seção 8

Cabine Virtual: Cautela com Realidade Virtual e Fatores Humanos

Questões de fatores humanos devem ser resolvidas
Ópticas estereoscópicas de baixa qualidade → ajustes maiores no cérebro
Retorno ao mundo real pode levar tempo
Diferença: cabine requer visualização frequente do mundo externo
Qualidade estereoscópica do BHMD é muito superior à VR comercial
Problemas de VR comercial podem não se aplicar ao ambiente de cabine

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Síntese

Síntese: HMD, NVG e Cabine Virtual

HMD evolui de pontaria simples (LED, 7°–10°) → display completo binocular (CRT, 35°–55°)
NVGs integrados ao capacete → equilíbrio biomecânico + visão noturna contínua
Rastreamento magnético (CC preferido) + rastreador ocular → precisão em vibração
Cabine virtual com BHMD → displays 3D, God's eye view, pathway in the sky
Próxima fronteira: RPVs, displays coloridos, entrada de dados por olhar
Fator de multiplicação: HMS multiplica eficácia de combate em 3× a 4×

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Aviônica Militar II

Índice da Apresentação

Do HUD ao HMD: A Limitação do Campo de Visão

O que é um HMD? Duas Formas

HMD Forma Simples: Matriz de LEDs

Fatores de Design do Capacete: Funções Básicas

Fatores de Design do Capacete: Peso e Carga

Fatores de Design do Capacete: CG e Momento de Inércia

Fatores de Design do Capacete: Ajuste e Fixação

Fatores de Design do Capacete: Eye Relief e Exit Pupil

Simbologia do HMS

HMS em Ação: Designação de Alvo

Off-Boresight: A Vantagem Tática do HMS

HMS para Navegação

Geração 1 vs. Geração 2 de HMDs

HMD Binocular: Rivalidade Monocular

HMD Binocular: Fonte de Exibição e CRT

Colimação por Ocular Esférica

Comparativo FOV: HUD vs. HMS vs. HMD

Visão Indireta Orientada pela Cabeça

NVGs: Princípio de Funcionamento

NVGs: Iluminação Especial de Cabine

NVGs em Capacete Padrão vs. Integrado

Capacete Integrado: Visão Completa

Design Modular: Conceito e Vantagens

Design Modular: Manutenção

Rastreamento da Cabeça: Por que?

Rastreamento Óptico da Cabeça

Método A

Método B

Método C

Rastreamento Magnético: Sistemas CA e CC

Rastreamento Magnético: Especificações

Rastreamento Magnético: Sensibilidade ao Metal e Mapeamento

Rastreamento Magnético: Sensor, Radiador e Precisão

Vibração, Buffeting e Rastreador Ocular

Cabine Virtual: Conceito e BHMD

Cabine Virtual: Displays 3D e God's Eye View

Cabine Virtual: Aplicações Futuras

Cabine Virtual: Cautela com Realidade Virtual e Fatores Humanos

Síntese: HMD, NVG e Cabine Virtual