下一代車輛需要安全的人機(jī)界面

簡介

在當(dāng)今現(xiàn)代汽車的中控屏上，幾乎看不到機(jī)械表盤、儀表和開關(guān)的樣子。但不久以前，還靠模擬儀表和表盤顯示必要的信息，例如速度、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和冷卻液溫度等。今天，您可能會在汽車前排的顯眼位置看到時尚的玻璃面板，有些看起來更像是平板電腦而不是車輛儀表盤。具有人機(jī)界面（HMI）的中控屏顯得新潮時尚，觸摸屏現(xiàn)在已成為標(biāo)配?？梢杂盟鼈儗?dǎo)航到新的目的地、設(shè)置車輛的高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）功能或選擇車內(nèi)氛圍燈的顏色。智能手機(jī)通過Android Auto和Apple CarPlay等應(yīng)用，借助USB或藍(lán)牙?緊密集成到人機(jī)界面中。對于汽車制造商而言，觸摸屏人機(jī)界面開創(chuàng)了替換機(jī)械表盤、按鈕和開關(guān)并提升車輛內(nèi)飾美感的新時代。

汽車人機(jī)界面設(shè)計的關(guān)鍵因素

安全是所有汽車人機(jī)界面設(shè)計的一個關(guān)鍵因素。界面操作不應(yīng)分散駕駛員的注意力，應(yīng)直觀易懂，如果可能，部分功能應(yīng)在車輛行駛時禁用。選擇想聽的音樂專輯或閱讀短信都是不必要的操作，這些操作會使駕駛員將視線從前方路面移開。汽車人機(jī)界面現(xiàn)在可提供的眾多功能使分散注意力的可能性大大增加，這促進(jìn)了法規(guī)和國際標(biāo)準(zhǔn)的制定。比如ISO 15005:2017規(guī)定人機(jī)界面操作需要的時間應(yīng)在1.5秒以內(nèi)，目前這方面標(biāo)準(zhǔn)雖然仍處于起步階段，但正在不斷完善。例如，大眾汽車的人機(jī)界面會監(jiān)視駕駛員的使用情況，如果駕駛員花太多時間訪問不同的功能（如在通訊錄中搜索聯(lián)系人或嘗試閱讀新聞），會向他們發(fā)出警告。

汽車人機(jī)界面中觸摸屏控件的使用受到越來越多來自安全方面的質(zhì)疑。語音控制正在成為人機(jī)界面輸入和控制的一種更安全、更可行的選擇，盡管語音識別確實存在一些技術(shù)上的挑戰(zhàn)。

除了改善前排美觀性之外，汽車人機(jī)界面的另一個驅(qū)動因素是提供簡單易用的直觀界面來訪問許多綜合功能，在半自動和全自動駕駛汽車中尤其如此。與傳統(tǒng)的燃油車相比，電動和混合動力汽車需要許多不同的顯示內(nèi)容，因此軟件驅(qū)動的觸摸屏人機(jī)界面是其理想選擇。在上面的例子中，需要在用戶界面（UI）和用戶體驗（UX）設(shè)計上下越來越多的功夫來創(chuàng)建內(nèi)容豐富且易于使用的人機(jī)界面。

多年來，汽車制造商已經(jīng)了解到，人機(jī)界面特別能打動消費者，UI/UX是決定購買的重要因素。嵌入式軟件的開發(fā)人員可能對開發(fā)定制圖標(biāo)、符號和字體不屑一顧，但是對這些細(xì)節(jié)的關(guān)注非常值得。

對于駕駛員和乘客，從舒適性功能和內(nèi)部照明到平衡發(fā)動機(jī)性能和燃油經(jīng)濟(jì)性，人機(jī)界面可以讓車輛功能個性化以投其所好。讓我們回顧一下所采取的一些技術(shù)以及設(shè)計團(tuán)隊所面臨的極端溫度和濕度挑戰(zhàn)。

流行的汽車人機(jī)界面技術(shù)

人機(jī)界面需要兩項基本技術(shù)：顯示器（通常為LCD屏幕）以及輸入或控制方法。觸摸屏是一種經(jīng)過證明的人機(jī)界面方法，采用的是疊在LCD屏幕上方薄層的投射電容式觸摸（PCAP）感應(yīng)。使用機(jī)器學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的語音識別是另一種輸入方式，因為對駕駛員安全更有利，正在迅速得到普及。使用觸摸屏的其他技術(shù)包括觸覺、手勢、接近度和力度偵測。隨著應(yīng)用處理器越來越強(qiáng)大，使用眼動追蹤算法來提供輸入控制可能越來越有吸引力。

語音識別

汽車研究公司Tractica表示，基于人工智能的車載語音識別人機(jī)界面助手的使用將在未來幾年顯著增加，到2025年將形成一個價值46億美元的全球市場。不包括Apple Siri和Google Assistant等智能手機(jī)助手應(yīng)用，估計有80%的汽車人機(jī)界面將集成語音識別系統(tǒng)。語音命令已被常規(guī)用于控制媒體功能和找到去往目的地的最快路線。語音識別依賴于機(jī)器學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的使用，遞歸網(wǎng)絡(luò)模型最適合這種目的。我們可能已經(jīng)熟悉我們的智能手機(jī)語音助手，但是它們依靠云端近乎無限的計算資源將語音轉(zhuǎn)換為命令操作。要將語音識別應(yīng)用到可靠性至關(guān)重要并且無法保證蜂窩連接的汽車環(huán)境中，則需要本地推理。為在網(wǎng)絡(luò)邊緣實現(xiàn)高性能、低功耗計算，人們已經(jīng)在進(jìn)行大量的處理器和推理引擎創(chuàng)新，這些發(fā)展將大大推進(jìn)車載功能。更先進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)帶來了更全面的自然語言算法，可以更可靠地聽懂方言，并且更善于消除背景噪聲。除人工智能外，還需要數(shù)字信號處理來消除背景道路噪聲、胎噪和風(fēng)噪。語音識別是一種比較保險的方式，可以避免駕駛員分心并提高道路安全性。

觸控

PCAP觸摸屏是一項成熟的技術(shù)，在汽車應(yīng)用中已得到廣泛采用。多點觸摸屏控制器集成電路可用于管理最大25英寸的大屏幕，例如，特斯拉使用的就是15英寸的縱向觸摸屏。LCD屏幕需要滿足環(huán)境光線快速變化（幾秒間就從晴天路面進(jìn)入昏暗隧道）的要求。高亮度、高對比度的LCD屏幕對于開發(fā)車輛的人機(jī)界面來說至關(guān)重要。較大的屏幕尺寸比較小的面板更可取，后者在使用時更可能分散駕駛員的注意力。UI/UX設(shè)計至關(guān)重要，因為提供的信息過多同樣也會分散駕駛員的注意力。將經(jīng)常使用的控件始終放在相同位置的結(jié)構(gòu)化UI/UX可以最大限度減少分心，從而提高實用性和安全性。

現(xiàn)在，多點觸摸控制器已成為標(biāo)配，大多數(shù)控制器IC都集成了對縮放 (pinch and stretch) 等觸摸手勢的偵測功能。傳統(tǒng)的實體按鈕也被軟件中實現(xiàn)的按鈕、滾輪和滑塊功能取代。提示聲在操作過程中向用戶提供反饋。

觸摸屏方法的便利性通過使用一些創(chuàng)新功能得到了進(jìn)一步增強(qiáng)。觸覺傳感器是一種振動或旋轉(zhuǎn)的微機(jī)械元件，可為向戶提供反饋。接近偵測基于電容感應(yīng)技術(shù)，能夠在手指接近LCD面板時偵測到?？梢杂盟鼇黹_啟屏幕或打開選擇菜單?，F(xiàn)在有一項相對較新的觸摸屏增強(qiáng)技術(shù)，即在顯示疊層添加一層壓電膜來偵測施加的壓力或觸摸力。力度偵測可實現(xiàn)3D用戶體驗，簡化部分應(yīng)用的UI，或者與觸覺配合，提供更加主動的反饋機(jī)制來模擬按下實體按鈕。

用于汽車應(yīng)用的觸覺傳感器也在不斷發(fā)展，空中觸覺有望帶來完全不同且可能更加安全的用戶體驗?？罩杏|覺將人手跟蹤機(jī)器學(xué)習(xí)算法與超聲揚(yáng)聲器矩陣集成在一起。揚(yáng)聲器發(fā)出可以由揚(yáng)聲器陣列整形的超聲波形，在控制表面上方幾英寸形成人手可以感覺到的超聲“實體”。例如，可以投影出一個指尖可以感覺和握住的圓形控制旋鈕。然后，人手跟蹤算法可以偵測特定的手勢或動作，例如旋轉(zhuǎn)旋鈕。這種創(chuàng)新的虛擬觸控UI為眾多無接觸應(yīng)用提供了巨大的潛力，非常適合汽車應(yīng)用。

汽車人機(jī)界面設(shè)計挑戰(zhàn)

汽車人機(jī)界面的操作環(huán)境帶來了一些挑戰(zhàn)和技術(shù)上的考量。首先，極端溫度和濕度等環(huán)境因素以及溫濕度的快速變化都可能導(dǎo)致冷凝或靜電。觸摸屏特別容易在有源表面上形成水滴，或者在濕潤手指操作時變得潮濕。通常，這會導(dǎo)致控制動作不穩(wěn)定或控制器IC完全停止工作。灰塵和污垢也會導(dǎo)致觸控器活動紊亂，但是通過擦拭表面可以輕松去除多余的顆粒物。靜電永遠(yuǎn)不會與敏感電子設(shè)備相安無事，因此觸控器和LCD的各個方面都必須符合汽車ESD標(biāo)準(zhǔn)。所有組件還必須在最高85°C的工作溫度和AEC-Q200/Q100耐壓方面獲得汽車認(rèn)證。環(huán)境光線的變化很大，軟蓬車尤其如此，從晴天下的路面開入昏暗的隧道時，顯示屏的亮度需要快速補(bǔ)償。

對于語音和言語識別來說，需要濾除來自其他車輛乘員的外來噪聲、高頻胎噪和低頻機(jī)械隆聲。來自打開車窗的風(fēng)噪以及空調(diào)或暖氣孔發(fā)出的呼呼聲也需要得到處理。在前排區(qū)域使用多個麥克風(fēng)，加上數(shù)字信號處理，將有助于最大程度地減少不必要的可聞噪聲。

確保人機(jī)界面符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是整個設(shè)計和開發(fā)過程中的關(guān)鍵優(yōu)先事項。汽車級組件的使用必不可少，而按照EMI/EMC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試同樣重要。在當(dāng)今的車輛中，無線通信無處不在，其中以Wi-Fi、蜂窩和藍(lán)牙協(xié)議最為流行。媒體播放器、觸摸屏和ADAS功能受到干擾的可能性很高。此外，電動汽車的傳動鏈會產(chǎn)生大量的高頻開關(guān)信號和高dV/dt瞬變，如果處理不當(dāng)，后者有可能會對敏感電子設(shè)備造成永久性損壞。

如果人機(jī)界面參與ADAS功能操作，則還要達(dá)到功能安全性要求。汽車功能安全性標(biāo)準(zhǔn)ISO 26262檢驗控制車輛操作的任何基于軟件的系統(tǒng)是否有潛在風(fēng)險。對風(fēng)險的評估涵蓋潛在危害、其發(fā)生的可能性以及系統(tǒng)如何規(guī)避風(fēng)險。

結(jié)論

汽車人機(jī)界面已成為現(xiàn)代汽車的重要組成部分。它們控制和提供令人驚艷的功能，包括從車載媒體娛樂、無線連接、通信到導(dǎo)航等方方面面。其中大多數(shù)使用觸摸屏作為主要輸入方式。然而，隨著高性能的下一代應(yīng)用處理器和推理引擎問世，基于自然語言人工智能的語音識別正在迅速發(fā)展。

審核編輯：郭婷