Nesta sequência de três artigos, fizemos uma breve introdução aos HUDs e HMDs, ferramentas importantes para interação humano-computador com aplicabilidade em diversos problemas e situações. Através de uma abordagem teórica, mostramos um pouco sobre a história, os principais conceitos e os princípios básicos de funcionamento dos HUDs e HMDs.

No primeiro artigo abordamos os HUDs. No segundo artigo abordamos os HMDs e por último, neste terceiro artigo, faremos uma comparação entre essas duas ferramentas no âmbito da aviação militar (uma vez que, em aviação civil, os HMDs são utilizados apenas por pilotos de helicópteros).

 

3. HUDs versus HMDs

 

Como foi visto no primeiro artigo, um Head Up Display (Figura 13-b) basicamente projeta um display colimado na linha de visão do piloto de forma que ele possa ver a informação do display e o mundo exterior ao mesmo tempo. Devido ao fato do display ser colimado, ou seja, focado no infinito (ou em uma longa distância à frente), o ângulo de visão do piloto sobre os símbolos apresentados pelo display não se altera com o movimento da cabeça e, desta forma, a simbologia sobreposta se mantém estável em relação ao mundo exterior. Assim, o piloto se torna capaz de observar os objetos distantes (no mundo exterior) e as informações apresentada pelo display sem ter que alterar a linha ou o foco de sua visão.

 

Head-Up Display HUD

 

Como foi visto no segundo artigo, um Head Mounted Display (Figura 13-a) compreende, em sua forma mais simples, um simples sistema de mira montado em um capacete, apresentando um uma mira em forma circular ou de cruz e algumas informações alfanuméricas simples através de um display colimado. Uma matriz de LED é utilizada como fonte do display, possibilitando uma construção compacta e leve. Na sua forma mais sofisticada, um HMD cria o efeito de “HUD on the Helmet”, ou seja, um Head Up Display no próprio capacete. Sendo assim, todo tipo de informação, que é normalmente fornecida ao piloto através de um HUD, pode ser fornecida enquanto o piloto olha para qualquer direção.

 

Head Mounted Display – HMD

A capacidade do HMD de mostrar todas as informações que são mostradas pelo HUD, com a vantagem de possuir um FOV (Campo de Visão) maior e não restringido ao campo de visão frontal (como mostra a Figura 14), levanta a questão de até quando será necessária a utilização de HUDs em aeronaves militares, considerando um futuro próximo.

 

A resposta a essa questão é que, provavelmente, o HUD permanecerá como um sistema chave por um tempo considerável, sendo o principal display de informações primárias de voo e o responsável pelo sistema de mira de alta precisão para projéteis não-guiados.

A primeira questão a ser considerada nessa comparação trata-se da integridade da informação fornecida pelo display. O display de informação primária de voo deve assegurar uma integridade de 1×10^-11% de probabilidade de mostrar informação incorreta ou defeituosa.

Uma unidade do sistema de HUD (composta por processador, gerador de simbologia e display) pode assegurar essa integridade usando as técnicas descritas, anteriormente, na Parte I dessa sequência de posts.

O sistema HMD não se trata de um sistema “all in one”, já que é composto por diversos subsistemas (capacete, unidade de interface do cockpit, sistema de rastreamento da atitude da cabeça do piloto, processador e gerador de simbologia) que estão dispersos no cockpit da aeronave e possuem um número relativamente alto de conectores. Essa arquitetura altamente dispersa não permite que se atinja um nível de integridade tão alto quanto o nível que é assegurado por uma simples unidade do sistema de HUD.

Entretanto, essa questão da integridade não se trata de algo insuperável. Dessa forma, é possível atingir um nível aceitável de integridade através dos avanços que estão sendo feitos nas tecnologias de display e através da incorporação de redundância e de monitoramento adequados no sistema. Obviamente, a integridade de informações primárias de voo, como informação de atitude e orientação da aeronave, no HMD dependerá do funcionamento correto do sistema de rastreamento da posição da cabeça do piloto. Como alternativa, o rastreamento da atitude e orientação da cabeça podem ser feitos através de um pequeno sensor inercial (acelerômetro e giroscópio) de estado sólido acoplado ao capacete, de forma que a atitude do capacete (cabeça do piloto) é calculada diretamente pela resposta dos sensores, sem a necessidade de ser estimada por outros sistemas presentes no cockpit da aeronave.

 

Fonte[http://www.dmitryshulgin.com/tag/gen-iii-f-35-hmds/2]

A segunda questão a ser considerada trata-se da acurácia. Nesse quesito, o HMD é completamente adequado para lançamento preciso de projéteis guiados como mísseis e bombas guiadas por laser. Mas devido ao alto custo desses sistemas, ainda são necessários sistemas de mira não-guiada e de alta acurácia. Apesar da eficiência de mísseis BVR (Beyond Visual Range, ou seja, com alcance maior que o campo de visão – 160º), a dificuldade de se diferenciar aeronaves amigas de aeronaves inimigas ainda existe. Sendo assim, ainda é considerado necessário o uso de armas não-guiadas para curta distância, onde se torna possível a identificação da aeronave.  Ainda não é possível mirar armas não-guiadas utilizando um HMD com a mesma acurácia que se atinge utilizando HUDs.

A acurácia final alcançada pelos HUDs é derivada de uma cadeia de elementos, compreendendo:

• Dados de entrada,
• Processamento e Geração de Simbologia,
• Deflexão e vídeo analógicos,
• CRT,
• Instalação.

Todos esses fatores se tornaram tão sofisticados que o elemento final dessa cadeia, o piloto, é responsável pela maior parte da introdução de erros no sistema. Ao todo, da entrada de dados à saída ótica do HUD, pode ser obtida uma acurácia melhor do que 0.5-1 mRad  em relação ao posicionamento de uma simbologia sobre um alvo no centro do FOV. Até mesmo na borda de um HUD refrativo convencional, a 10º do eixo central, uma acurácia de 1.5 a 2 mRad é alcançável.

O HUD é rigidamente acoplado à fuselagem (estrutura) da aeronave e alinhado a uma fração de mRad através de meios mecânicos e/ou eletrônicos. O alinhamento do sistema ótico e do CRT também se beneficia da rigidez da estrutura física do HUD de tal forma que erros boresight são menores que 0.15 mRad nos eixos de pitch e yaw, e 0.6 mRad no eixo de roll. Além disso, o HUD é igualmente fixado em relação ao para-brisa e “vê” o mundo exterior a aeronave apenas  através de uma área do para-brisa que  é pequena e bem definida. Sendo assim, as correções relacionadas à distorção de efeitos óticos e do posicionamento da simbologia causada pelo para-brisa podem ser realizadas rapidamente.

 

Fonte[http://wiki.flightgear.org/Head-up_display]

Ao contrário do HUD, o HMD não pode ser tão rigidamente localizado com relação aos olhos do piloto por causa de limitações  como o  projeto do capacete, o relevo do olho, o peso, o conforto, etc. A linha de visão do piloto deve ser inferida com relação aos eixos da fuselagem da aeronave através do sistema de rastreamento da cabeça do piloto, mas a acurácia dessa inferência degrada rapidamente conforme a orientação da cabeça do piloto atinge ângulos extremos.  Além disso, a acurácia também é afetada pela dificuldade que o piloto pode ter em manter sua cabeça fixa, como em situações de vibração da aeronave provocadas por turbulências. O advento de um rastreador da linha de visão do piloto pode melhorar a acurácia operacional de um HMD. Outra dificuldade apresentada pelo HMD trata-se da difícil tarefa de se corrigir todos os erros introduzidos no sistema devido ao para-brisa da aeronave, já que  o campo de visão fornecido por um HMD é bem maior do que o campo de visão de um HUD.

A acurácia final alcançada pelos HMDs é derivada de uma cadeia de elementos que, além dos elementos já mostrados pela cadeia do HUD, compreende:

• Alinhamento do capacete,
• Acurácia do rastreador de cabeça,
• Correção das distorções do para-brisa.

 

 

A Figura 15 apresenta a relação entre a acurácia dos HUDs e HMDs com respeito aos ângulos off-boresight. Nessa figura, ficam evidentes as limitações existentes atualmente para os HMDs em termos da acurácia, já que os valores dos erros degradam rapidamente a medida que os ângulos off-boresight  aumentam.

Atualmente, existe bastante desenvolvimento para melhorar a acurácia do sistema rastreador de cabeça e é possível que, em breve, se alcance uma acurácia aceitável, embora não tão boa quanto a acurácia provida pelo HUD.

O custo, peso, eficiência no combate e economia de espaço que podem ser providos pelos HMDs, incentivam a melhora na integridade e na acurácia desses sistemas para que, no futuro, possam substituir os HUDs em aeronaves de combate. Obviamente, o peso e a massa do HMD devem ser o menor possível.

Novas tecnologias de HMDs e HUDs, que exploram a tecnologia de guia de onda holográfico, oferecem baixo custo, baixo peso e melhor desempenho do que as tecnologias existentes atualmente. Sendo assim, é justificável o uso de ambos os sistemas (HUD e HMD) com essa nova tecnologia, uma vez que se torna possível aproveitar o que há de melhor em cada um desses sistemas:  a melhor acurácia, inerente aos HUDs, para armas não guiadas e a melhor integridade na apresentação de dados primários de voo que pode ser provida pelos dois sistemas trabalhando de forma independentemente.

HMD Holografico. Fonte[http://www.kguttag.com/2012/01/17/ces-2012-pico-projector-overview/]

 

Para finalizar, a tabela abaixo apresenta um resumo comparativo destacando as vantagens e desvantagens de cada uma das ferramentas que foram apresentadas.

TABELA I – Quadro Comparativo: HUD vs HMD

	HUD (Head Up Display)	HMD (Head Mounted Display)
Vantagens	Alta integridade da informação Alta acurácia do posicionamento da simbologia Sistema de mira de alta precisão para projéteis não-guiados Custo relativamente baixo	Maior campo de visão (FOV) Campo de visão acompanha o posicionamento da cabeça do piloto Sistema de mira para projéteis guiados Possibilidade de mirar em alvos fora do campo de visão frontal Baixo peso Eficiência no combate Economia de espaço ocupado
Desvantagens	Menor campo de visão (FOV) Campo de visão fixo Possibilidade de mirar em alvos apenas no campo de visão frontal Menor eficiência no combate Ocupa maior espaço do cockpit	A integridade da informação não é garantida Acurácia dependente do sistema de rastreamento de cabeça Degradação da acurácia em ângulos extremos, de acordo com a orientação da cabeça do piloto Não possui um sistema de mira de alta precisão para projéteis não-guiados Funcionamento afetado por fenômenos externos (vibração da aeronave, por exemplo) Custo relativamente alto

 

Considerações Finais

Nesta sequência de três artigos, fizemos uma breve introdução aos HUDs e HMDs, e mostramos a importância dessas ferramentas dentro dos sistemas de aeronaves militares e civis e em Wearable Technology. Através de uma abordagem teórica, baseada no livro Introduction to Avionics Systems (COLLINSON, 2011), mostramos um pouco sobre a história, os principais conceitos e os princípios básicos de funcionamento dos HUDs e HMDs. Além disso, foi mostrada uma comparação entre essas duas ferramentas no âmbito da aviação militar. Como pudemos ver, ambas tecnologias apresentam suas vantagens e desvantagens, mas o uso de uma tecnologia não impede que a outra também seja utilizada. Na verdade, com o advento da nova tecnologia de guia de onda holográfico, o uso do HMD e do HUD ao mesmo tempo pode oferecer uma solução mais robusta, confiável e ainda assim com excelente relação custo/benefício.

Referências Bibliográficas

[1] COLLINSON, R. P. G. “Introduction to Avionics Systems”. Editora Springer, 3^a Ed. 2011.

[2] http://www.dmitryshulgin.com/tag/gen-iii-f-35-hmds/

[3]http://wiki.flightgear.org/Head-up_display

[4] http://www.kguttag.com/2012/01/17/ces-2012-pico-projector-overview/