下一代车辆需要安全的人机界面

简介

在当今现代汽车的中控屏上，几乎看不到机械表盘、仪表和开关的样子。但不久以前，还靠模拟仪表和表盘显示必要的信息，例如速度、发动机转速和冷却液温度等。今天，您可能会在汽车前排的显眼位置看到时尚的玻璃面板，有些看起来更像是平板电脑而不是车辆仪表盘。具有人机界面（HMI）的中控屏显得新潮时尚，触摸屏现在已成为标配。可以用它们导航到新的目的地、设置车辆的高级驾驶辅助系统（ADAS）功能或选择车内氛围灯的颜色。智能手机通过Android Auto和Apple CarPlay等应用，借助USB或蓝牙®紧密集成到人机界面中。对于汽车制造商而言，触摸屏人机界面开创了替换机械表盘、按钮和开关并提升车辆内饰美感的新时代。
 
汽车人机界面设计的关键因素

安全是所有汽车人机界面设计的一个关键因素。界面操作不应分散驾驶员的注意力，应直观易懂，如果可能，部分功能应在车辆行驶时禁用。选择想听的音乐专辑或阅读短信都是不必要的操作，这些操作会使驾驶员将视线从前方路面移开。汽车人机界面现在可提供的众多功能使分散注意力的可能性大大增加，这促进了法规和国际标准的制定。比如ISO 15005:2017规定人机界面操作需要的时间应在1.5秒以内，目前这方面标准虽然仍处于起步阶段，但正在不断完善。例如，大众汽车的人机界面会监视驾驶员的使用情况，如果驾驶员花太多时间访问不同的功能（如在通讯录中搜索联系人或尝试阅读新闻），会向他们发出警告。
 
汽车人机界面中触摸屏控件的使用受到越来越多来自安全方面的质疑。语音控制正在成为人机界面输入和控制的一种更安全、更可行的选择，尽管语音识别确实存在一些技术上的挑战。
 
除了改善前排美观性之外，汽车人机界面的另一个驱动因素是提供简单易用的直观界面来访问许多综合功能，在半自动和全自动驾驶汽车中尤其如此。与传统的燃油车相比，电动和混合动力汽车需要许多不同的显示内容，因此软件驱动的触摸屏人机界面是其理想选择。在上面的例子中，需要在用户界面（UI）和用户体验（UX）设计上下越来越多的功夫来创建内容丰富且易于使用的人机界面。
 
多年来，汽车制造商已经了解到，人机界面特别能打动消费者，UI/UX是决定购买的重要因素。嵌入式软件的开发人员可能对开发定制图标、符号和字体不屑一顾，但是对这些细节的关注非常值得。
 
对于驾驶员和乘客，从舒适性功能和内部照明到平衡发动机性能和燃油经济性，人机界面可以让车辆功能个性化以投其所好。让我们回顾一下所采取的一些技术以及设计团队所面临的极端温度和湿度挑战。
 
流行的汽车人机界面技术

人机界面需要两项基本技术：显示器（通常为LCD屏幕）以及输入或控制方法。触摸屏是一种经过证明的人机界面方法，采用的是叠在LCD屏幕上方薄层的投射电容式触摸（PCAP）感应。使用机器学习神经网络的语音识别是另一种输入方式，因为对驾驶员安全更有利，正在迅速得到普及。使用触摸屏的其他技术包括触觉、手势、接近度和力度侦测。随着应用处理器越来越强大，使用眼动追踪算法来提供输入控制可能越来越有吸引力。
 
语音识别

汽车研究公司Tractica表示，基于人工智能的车载语音识别人机界面助手的使用将在未来几年显著增加，到2025年将形成一个价值46亿美元的全球市场。不包括Apple Siri和Google Assistant等智能手机助手应用，估计有80%的汽车人机界面将集成语音识别系统。语音命令已被常规用于控制媒体功能和找到去往目的地的最快路线。语音识别依赖于机器学习神经网络的使用，递归网络模型最适合这种目的。我们可能已经熟悉我们的智能手机语音助手，但是它们依靠云端近乎无限的计算资源将语音转换为命令操作。要将语音识别应用到可靠性至关重要并且无法保证蜂窝连接的汽车环境中，则需要本地推理。为在网络边缘实现高性能、低功耗计算，人们已经在进行大量的处理器和推理引擎创新，这些发展将大大推进车载功能。更先进的神经网络带来了更全面的自然语言算法，可以更可靠地听懂方言，并且更善于消除背景噪声。除人工智能外，还需要数字信号处理来消除背景道路噪声、胎噪和风噪。语音识别是一种比较保险的方式，可以避免驾驶员分心并提高道路安全性。
 
触控

PCAP触摸屏是一项成熟的技术，在汽车应用中已得到广泛采用。多点触摸屏控制器集成电路可用于管理最大25英寸的大屏幕，例如，特斯拉使用的就是15英寸的纵向触摸屏。LCD屏幕需要满足环境光线快速变化（几秒间就从晴天路面进入昏暗隧道）的要求。高亮度、高对比度的LCD屏幕对于开发车辆的人机界面来说至关重要。较大的屏幕尺寸比较小的面板更可取，后者在使用时更可能分散驾驶员的注意力。UI/UX设计至关重要，因为提供的信息过多同样也会分散驾驶员的注意力。将经常使用的控件始终放在相同位置的结构化UI/UX可以最大限度减少分心，从而提高实用性和安全性。
 
现在，多点触摸控制器已成为标配，大多数控制器IC都集成了对缩放 (pinch and stretch) 等触摸手势的侦测功能。传统的实体按钮也被软件中实现的按钮、滚轮和滑块功能取代。提示声在操作过程中向用户提供反馈。
 
触摸屏方法的便利性通过使用一些创新功能得到了进一步增强。触觉传感器是一种振动或旋转的微机械元件，可为向户提供反馈。接近侦测基于电容感应技术，能够在手指接近LCD面板时侦测到。可以用它来开启屏幕或打开选择菜单。现在有一项相对较新的触摸屏增强技术，即在显示叠层添加一层压电膜来侦测施加的压力或触摸力。力度侦测可实现3D用户体验，简化部分应用的UI，或者与触觉配合，提供更加主动的反馈机制来模拟按下实体按钮。
 
用于汽车应用的触觉传感器也在不断发展，空中触觉有望带来完全不同且可能更加安全的用户体验。空中触觉将人手跟踪机器学习算法与超声扬声器矩阵集成在一起。扬声器发出可以由扬声器阵列整形的超声波形，在控制表面上方几英寸形成人手可以感觉到的超声“实体”。例如，可以投影出一个指尖可以感觉和握住的圆形控制旋钮。然后，人手跟踪算法可以侦测特定的手势或动作，例如旋转旋钮。这种创新的虚拟触控UI为众多无接触应用提供了巨大的潜力，非常适合汽车应用。
 
汽车人机界面设计挑战

汽车人机界面的操作环境带来了一些挑战和技术上的考量。首先，极端温度和湿度等环境因素以及温湿度的快速变化都可能导致冷凝或静电。触摸屏特别容易在有源表面上形成水滴，或者在湿润手指操作时变得潮湿。通常，这会导致控制动作不稳定或控制器IC完全停止工作。灰尘和污垢也会导致触控器活动紊乱，但是通过擦拭表面可以轻松去除多余的颗粒物。静电永远不会与敏感电子设备相安无事，因此触控器和LCD的各个方面都必须符合汽车ESD标准。所有组件还必须在最高85°C的工作温度和AEC-Q200/Q100耐压方面获得汽车认证。环境光线的变化很大，软蓬车尤其如此，从晴天下的路面开入昏暗的隧道时，显示屏的亮度需要快速补偿。
 
对于语音和言语识别来说，需要滤除来自其他车辆乘员的外来噪声、高频胎噪和低频机械隆声。来自打开车窗的风噪以及空调或暖气孔发出的呼呼声也需要得到处理。在前排区域使用多个麦克风，加上数字信号处理，将有助于最大程度地减少不必要的可闻噪声。
 
确保人机界面符合相关技术标准是整个设计和开发过程中的关键优先事项。汽车级组件的使用必不可少，而按照EMI/EMC标准进行测试同样重要。在当今的车辆中，无线通信无处不在，其中以Wi-Fi、蜂窝和蓝牙协议最为流行。媒体播放器、触摸屏和ADAS功能受到干扰的可能性很高。此外，电动汽车的传动链会产生大量的高频开关信号和高dV/dt瞬变，如果处理不当，后者有可能会对敏感电子设备造成永久性损坏。
 
如果人机界面参与ADAS功能操作，则还要达到功能安全性要求。汽车功能安全性标准ISO 26262检验控制车辆操作的任何基于软件的系统是否有潜在风险。对风险的评估涵盖潜在危害、其发生的可能性以及系统如何规避风险。
 
结论

汽车人机界面已成为现代汽车的重要组成部分。它们控制和提供令人惊艳的功能，包括从车载媒体娱乐、无线连接、通信到导航等方方面面。其中大多数使用触摸屏作为主要输入方式。然而，随着高性能的下一代应用处理器和推理引擎问世，基于自然语言人工智能的语音识别正在迅速发展。