2020年11月25日 | 自动驾驶的标配：HMI技术的演进

你是否注意到你汽车上的仪表盘上的表盘，仪表和开关开始变得越来越少。取而代之的是模拟仪表和刻度盘，它提供了如速度、发动机转速和冷却剂温度等必要的信息。今天，你可能会在驾驶舱的突出位置看到一块光滑的玻璃面板，其中一些看起来更像是平板电脑。带有人机界面(HMI)的仪表盘，光滑且时尚，触摸屏已经是现在的标配。它们的用途很广：导航，设置ADAS功能，以及改变内饰颜色等。操作上，我们可以利用手机usb或蓝牙，通过Android Auto和Apple CarPlay等应用程序紧密集成到HMI中。对于汽车制造商，触摸屏HMI将驱动一个新时代，取代机械拨号、按钮和开关，并推进美学汽车内部设计。

汽车人机界面设计的关键因素

安全性是任何汽车人机界面设计所考虑的首要因素。它的操作不应分散驾驶员注意力，要直观，在车辆行驶时可能无法使用某些功能。比如选择音乐或阅读短信都是不必要的行为，这会导致司机转移他们的注意力。但随着越来越多的功能集成到HMI里，这大大增加了驾驶员分散注意力的机会，为此，促进立法和制定国际标准显得很有必要。虽然还处于初级阶段，但ISO 15005:2017等标准已经开始发展，该标准规定HMI的动作需要1.5秒或更短的时间。例如，大众汽车的HMI监控司机的使用情况，如果司机花太多时间访问不同的功能，比如搜索地址簿中的联系人或试图阅读新闻，就会发出警告。

触屏控制在汽车HMI的使用越来越受到安全方面的质疑。语音控制作为一种更安全，更可行的人机界面输入和控制的候选方法，尽管语音识别确实存在一些技术挑战。

除了提高驾驶舱内的美学，汽车HMI的另一大作用是在半自动和完全自动车辆的情况下为驾驶员是提供一个简单易用、直观的界面，以便访问一系列综合功能。与传统的内燃机车相比，电动和混合动力汽车需要许多不同的显示器，而软件驱动的触摸屏人机界面是理想之选。在上面的示例中，创建信息丰富且易于使用的HMI需要更多的用户界面(UI)和用户体验(UX)设计工作。

多年来，汽车制造商意识到消费者对HMI的需求变得越来越高，UI/UX是决定购买的一个重要因素。开发自定义图标、符号和字体对于嵌入式开发人员来说可能是一件苦差事，但是这种对细节的关注是有好处的。

对于司机来说，HMI可以为汽车带来个性化功能，在舒适模式和内部照明上可以适应他们的情绪，也可以根据驾驶习惯平衡发动机性能和燃油经济性。但是从设计角度上，并不是那么轻松的。

汽车人机界面技术

HMI需要两大关键技术;一种显示器，通常是液晶显示屏，以及一种输入或控制方法。触摸屏是一种经过验证的HMI方法，它在液晶显示屏上方的一层薄层中使用投影电容触控(PCAP)传感技术。基于驾驶员安全的考虑，基于机器学习神经网络的语音识别是另一种受欢迎的输入法。此外，与触屏一起使用的其他技术包括触觉、手势、接近和力检测。随着应用程序处理器变得越来越强大，使用眼球跟踪算法来提供输入控制也将变得越来越有吸引力。

语音识别

根据汽车研究公司Tractica数据，基于人工智能的语音识别人机界面助手的使用在未来几年内将大幅增长，到2025年全球市场价值将达到46亿美元。据估计，80%的汽车HMI将集成语音识别系统，不包括智能手机助手应用，如苹果的Siri和 Google Assistant。语音命令已经经常被用来控制媒体功能和导航。语音识别依赖于机器学习神经网络，其中递归神经网络模型最适合用在此处。我们可能已经熟悉了智能手机的语音助手，但它们是凭借云中庞大的计算资源，将语音转换为命令动作。

如若将语音识别引入到汽车环境中，可靠性至关重要，而手机连通性没有得到保证，这就需要局部推断。但是大量的处理器和推理引擎在不断推陈出新，这使高性能、低功耗计算成为可能，这些发展将显著提高车载能力。更先进的神经网络将会带来更全面的自然语言算法，更可靠地理解地方方言，更善于去除背景噪音。除了AI，数字信号处理还需要去除来自路面、轮胎和风的背景噪声。语音识别是避免驾驶员分心和提高道路安全的一种谨慎方法。

触控

PCAP触摸屏是一种成熟的技术，它被广泛应用于汽车应用里。多点触控触摸屏控制器IC可用于管理大屏幕尺寸;例如，特斯拉使用的就是15英寸的人像触摸屏。此外，液晶显示屏需要满足快速变化的环境光条件，从亮到暗要在短短几秒钟内实现适应。高亮度、高对比度的液晶显示屏是开发汽车人机界面的关键。更大的屏幕尺寸比更小的面板更受欢迎，后者更有可能在使用时分散驾驶员。刚才提到UI/UX设计至关重要，因为太多的信息也会分散注意力。一个结构化的UI/UX，经常使用的控件总是在相同的位置，这样可将分散注意力降到最低，并增加可用性和安全性。

在使用上，多点触摸控制器已成为标配，大多数控制器集成了如捏和拉伸等手势检测功能。常规的机械按钮也在软件的帮助下实现了完美转换，以滑块或旋钮的方式出现。在调节中驾驶员可以通过声音得到反馈。

此外，通过使用一些创新特性，进一步增强了触摸屏方法的便利性。触觉传感器是一种振动或旋转的微机械元件，它可提供用户反馈。接近检测是基于电容传感技术，它可检测手指是否在接近LCD面板，也可以用来切换屏幕或打开一个选择菜单。较新的触屏增强是使用一层压电薄膜来检测施加的触摸压力。压力检测能够实现3D用户体验，它可以简化某些应用程序的UI，或者与触觉技术一起，提供更积极的反馈机制来模拟机械按钮操作。

除此之外，用于汽车应用的触觉传感器的开发也在继续发展，空中触觉技术有望提供一种完全不同的、可能更安全的用户体验。典型代表是英国创业公司Ultrahaptics，Ultrahapics是一家最初于2013年诞生于英国布里斯托大学研发项目的科技初创公司。Ultrahaptics的核心产品是空中触觉技术，主要通过使用超声波传感器阵列将触觉反馈直接投射到用户的手中，从而创造出悬空的触觉。通过超声波的发射，开发者可以操纵它们，使得波的相互作用的压力产生可以感觉到的力。例如，一个圆形的控制旋钮可以被投射出来，用指尖就能感觉到并抓住它。然后，手动跟踪算法可以检测特定的手势或动作，比如转动旋钮。这种创新的虚拟触控UI为广泛的非触控应用提供了极好的潜力，是汽车应用的理想选择。

设计挑战

这么炫的功能，在设计上势必会面临一些挑战和技术考虑。

首当其冲就是环境因素，极端的温度和湿度以及两者的快速变化等环境因素可能会导致冷凝或静止。触摸屏特别容易在活动表面形成水滴，或者湿气从潮湿的手指传递。通常，这会导致不稳定的控制动作或控制器IC完全停止。灰尘和污垢也会导致错误的触摸控制器活动，但表面那些颗粒很容易被清洗。还有就是静电，它永远不能很好地与敏感电子产品混合，所以触摸控制器和LCD的所有方面都需要符合汽车ESD标准。所有部件还需要在85℃以下的操作温度和AEC-Q200/Q100抗应力方面经过汽车认证。在环境光条件变化很大的情况下，特别是从明亮的阳光到黑暗的隧道，显示亮度需要快速补偿。

为了进行语音识别，我们需要过滤掉来自其他车辆的噪音和低频机械隆隆声，还有窗户外产生的风声或空调或通风口发出的声音也需要管理。使用多个麦克风放置在驾驶舱区域，加上数字信号处理，将有助于最大限度的减少不必要的声音。

确保人机界面符合相关的技术标准是贯穿整个设计和开发过程的关键。使用汽车等级的组件必不可少，并且针对EMI/EMC标准进行测试也同样重要。无线通信在当今的汽车中无处不在，其中Wi-Fi、蜂窝网络、蓝牙协议最为流行。而且，在汽车里，媒体播放器、触摸屏和ADAS功能受到干扰的可能性很高。加上电动汽车驱动链产生大量高频开关信号和dV/dt高瞬态 ，如管理不当，后者可能对敏感电子产品造成永久性损害。

如果HMI参与了ADAS的操作，ISO 26262就要检查任何基于软件控制车辆运行系统的潜在风险。

结论

HMI已成为现代汽车的重要组成部分。它们所控制和提供的功能日趋丰富，包括车载媒体娱乐、无线连接、通信和导航。现在大多数使用触摸屏已作为了主要的输入法。不过，随着下一代高性能应用处理器和推理引擎的出现，基于自然语言AI的语音识别正在迅速发展。