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与未来的车辆安全互动

2021-11-05 Mark Patrick,为贸泽电子撰写 阅读:
与未来的车辆安全互动
对于汽车制造商而言,现代人机界面能够赋予更大自由度来设计座舱,并随时间推移通过软件更新来增强功能。在本文中,我们将讨论各种 HMI 技术解决方案以及相应的设计挑战。

概述

走进一部当代汽车,您会发现仪表盘上有极少的模拟仪表和机械开关(如果有的话),这些仪表能够为驾驶员提供有关速度、发动机转速、温度、燃油液位等信息。现在,单一功能的仪表和刻度盘已被在笔记本电脑或平板电脑中更为常见的屏幕所取代,驾驶员可根据自己的需求和喜好来配置或者重新配置车内环境。在许多情况下,这些屏幕是触控型,可以用软件驱动的按钮代替物理开关,这些按钮可以根据具体应用环境进行更改。Bn3ednc

这些新的智能人机界面 (HMI) 允许驾驶员控制和配置车辆的方方面面,例如可以向卫星导航系统添加目的地、控制信息娱乐系统,甚至调整悬架设置等等。通过 Apple CarPlay 或 Android Auto 等软件集成到驾驶员的智能手机,可以使简单的 HMI 实施得到增强,允许驾驶员使用他们熟悉的App,同时可以降低HMI 系统成本。Bn3ednc

对于汽车制造商而言,现代人机界面能够赋予更大自由度来设计座舱,并随时间推移通过软件更新来增强功能。在本文中,我们将讨论各种 HMI 技术解决方案以及相应的设计挑战。Bn3ednc

汽车 HMI 设计的关键考虑因素

灵活性和便利性对驾驶员来说非常有价值,但在开发 HMI 时,安全性必须是汽车制造商的首要考虑因素。HMI不应分散注意力,放置和操作应方便,驾驶员无需将注意力集中到HMI。对于非必要的舒适功能尤其如此,例如选择音乐播放列表或更改座舱灯光颜色。对于某些功能,例如阅读新闻标题,需要眼睛远离道路,在车辆运行时可能无法使用。在某些司法管辖区,这可能是法律要求。Bn3ednc

HMI 中不断增加的功能,以及相关驾驶时分心的可能性,并没有逃脱国际标准制定机构的监管。因此,一些相应的新标准正在出现,目的是要确保HMI尽可能安全。新公布的ISO 15005:2017  规定,任何 HMI 交互都不应需要超过 1.5 秒的驾驶员注意力。制造商正在关注并实施与此相关的功能,例如大众的 HMI 会警告驾驶员他们是否在信息娱乐系统或车辆其他系统上花费了太多时间。Bn3ednc

即使是普遍关注的触摸屏 HMI应用,它们仍然会令人分心,制造商正在寻找未来的替代技术,包括用于 HMI 的语音识别和非接触式手势界面。Bn3ednc

车辆本身正在发生重大变化,随着它们变得更加自主或采用电力驱动,也必须配置和控制更多功能。在每种情况下,软件驱动的基于触摸屏 HMI 都是理想的解决方案。有些人可能会争辩说,唯一可行的解决方案是使用传统技术开发 HMI 所需的资源(real estate)。然而,随着要控制的系统变得越来越复杂,制造商必须投入更多时间来开发具备更加全面、更加直观用户界面 (UI) 和用户体验 (UX) 的 HMI。Bn3ednc

过去,性能、安全性和经济性等因素对汽车销售至关重要。尽管这些因素目前仍然很重要,但当今的消费者将 HMI 和相关 UI/UX 列为购买决策的重要考虑因素,从而证明开发高级且简捷车辆界面所需的时间和费用是值得的。Bn3ednc

人机界面技术介绍

几乎每个车载 HMI 都具备的两项必不可少关键技术是输入设备和显示器。触控屏幕通常是在 LCD 上覆盖一层薄的触敏层来组合实现,当有人触摸它时,该层会响应电容的变化,从而允许 LCD 屏幕同时用作显示和输入。由于屏幕通常不在驾驶员的直接视线范围内,即使是最短暂的触摸也会分散驾驶员关注前方道路的注意力,因此,业界正在探索替代输入技术。Bn3ednc

替代输入技术中的一项是语音,这可能是车辆HMI所需的专有系统,或者通过插入式设备或智能手机集成亚马逊 Alexa、谷歌助手、苹果 Siri 等智能助手技术。制造商也在考虑使用具有飞行时间 (ToF) 功能的座舱监控图像传感器来实现手势识别。Bn3ednc

语音输入机制

在考虑的所有替代技术中,语音输入最为先进。据估计,大约 80% 的车辆 HMI 将包括语音识别,这其中不包括智能手机应用。根据汽车市场研究公司 Tractica 报告,这将导致一个非常重要且不断增长的市场,到 2025 年,该市场估计价值约为 46 亿美元。Bn3ednc

许多车辆已经包含有语音识别功能,主要用于控制娱乐功能和将目的地输入卫星导航系统。语音识别需要强大的处理能力来应对多种语言和一些地区特别的口音,所有这些都可能令人费解。联网智能音箱能够依靠几乎无限的云计算资源来识别语音,可将一系列命令识别后返给智能音箱执行。Bn3ednc

然而,车辆访问远程计算的能力非常具有挑战性,由于蜂窝技术的覆盖范围可能不完整,因此制造商可将精力集中在处理器和推理引擎上,以实现比现有技术更强大的车载语音识别功能。将此功能与多麦克风阵列相结合能够消除环境噪声,先进的数字信号处理 (DSP)将能够产生足够可靠的系统,从而将语音控制扩展到车辆的其他功能,这样通过减少驾驶员分心能够提高车辆安全性。Bn3ednc

触控技术Bn3ednc

电容式触摸屏广泛用于多种汽车系统,并且随着设计的每次迭代,这些触摸屏几乎总是越变越大,其中部分原因是出现了合适的技术以及大屏幕更易于直观使用,但前提是 UI 能够很好地利用现有空间。屏幕除了变大之外,还必须能够应对不断变化的环境光线条件。因此,最常用的是高亮度、高对比度 LCD 屏幕。Bn3ednc

大多数人,尤其是那些使用智能手机或平板电脑的人,都已经熟悉基于触摸的手势控制,通过在屏幕上关闭或打开多个手指来实现捏合和伸展。由于这些手势高度直观且被广泛认可,它们也同样被纳入车辆 UI 中,因此 LCD 面板需要多点触控控制器。正在实施的其他复杂控件包括音量或风扇速度滑块,甚至虚拟旋钮控件。Bn3ednc

LCD 面板没有对驱动器的固有反馈形式,表明已成功接收输入。尽管早期的 HMI 包含听觉反馈,但由小型振动或旋转微机械元件创建的触觉技术可提供非常有用的物理反馈,非常类似于操作物理开关时的体验。Bn3ednc

其他领域的技术也在不断进步,超声波扬声器矩阵被用于在早期的非接触式手势驱动系统中提供触觉反馈,通过仔细的波形,可以投射出控制旋钮等超声波图案模式,驾驶员可以用它来提供输入控制。Bn3ednc

力度检测是另一个创新领域。把一层压电薄膜放置在 LCD 面板表面上,可以检测驾驶员按压的力度并将其转换为可控的输入信号。这不仅解决了传统电容式触摸屏的偶然错误输入问题,而且还允许开发更高级,但更简捷的开关,例如,通过将施加的力视为信息娱乐系统所需的音量水平。Bn3ednc

设计汽车人机界面的挑战

车辆运行的外部环境和车辆本身的环境都带来额外的巨大挑战,汽车 HMI 设计也不例外。温度和湿度不仅会非常极端,而且还会剧烈波动,导致结露等潜在问题。如果在 HMI 触摸屏上形成结露,那么系统将受到严重损害,导致运行不稳或可能完全失效,至少在潮湿结露问题得到解决之前系统都具有风险。Bn3ednc

如果存在灰尘和污垢,触摸屏表面可能会出现故障,尽管清洁起来相对容易。但是,如果灰尘和污垢进入系统,则可能会导致永久性故障,因为污垢会在印刷电路板 (PCB) 上形成短路或损害冷却功能。Bn3ednc

温度和/或湿度的快速变化会产生静电,对于敏感的电子设备会造成致命的损坏,这意味着在组件和系统级别都需要遵守所有相关的 ESD 标准,这一点至关重要。一种确保组件能够适合具体应用和环境的方法是使其符合相关标准,例如 AEC-Q100/Q-200。Bn3ednc

当车辆从充满阳光的道路驶入隧道时,环境光将呈现快速波动,这对于显示器或任何其他形式的视觉指示来说都是一个特殊的巨大挑战。为了弥补这些,环境光感应必须将显示亮度调整为可读,且不会使驾驶员感到眩晕。Bn3ednc

车辆本身具有相对较高的环境噪声水平,尤其是在有多名乘客交谈和窗户打开的情况下,这对语音识别提出了特殊的挑战。车辆自身也可能是背景噪音的来源,包括加热通风口、音频娱乐以及道路噪音和发动机隆隆声等,具体取决于行驶的状况。通过精心布置多个座舱麦克风和数字信号处理(DSP),可以有效消除环境噪声,并获得所需的语音信号。Bn3ednc

电气噪声在当下车辆中也是一个日益严重的问题。点火系统中存在的高电压一直是一个问题,但目前车辆中使用的蓝牙®、Wi-Fi 和蜂窝通信使问题更糟,所有这些都会产生干扰。由于车辆集成了更多的电动执行器和马达,其中也包括电动和混合动力车辆中功率强大的牵引电机,如果不实施正确的 EMI/EMC 缓解措施,所产生的干扰尖峰可能会造成巨大损害。Bn3ednc

车辆内的许多系统,尤其是与转向和制动相关的系统,都需要符合汽车安全集成级别 (ASIL),这也是控制上述系统HMI要满足的所有要求。Bn3ednc

结论

车辆正变得越来越复杂,因此驾驶员界面(或 HMI)也必须变得更加先进,但仍需要保持直观和简捷的操作。可配置软件以及对应用环境敏感的菜单已经使 LCD 触摸屏成为首选的显示和输入设备。然而,其他技术,包括语音识别和/或手势识别,注定是未来 HMI 的选择。Bn3ednc

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