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簡(jiǎn)介 在當今現代汽車(chē)的中控屏上，幾乎看不到機械表盤(pán)、儀表和開(kāi)關(guān)的樣子。但不久以前，還靠模擬儀表和表盤(pán)顯示必要的信息，例如速度、發(fā)動(dòng)機轉速和冷卻液溫度等。今天，您可能會(huì )在汽車(chē)前排的顯眼位置看到時(shí)尚的玻璃面板，有些看起來(lái)更像是平板電腦而不是車(chē)輛儀表盤(pán)。具有人機界面（HMI）的中控屏顯得新潮時(shí)尚，觸摸屏現在已成為標配�？梢杂盟鼈儗Ш降叫碌哪康牡�、設置車(chē)輛的高級駕駛輔助系統（ADAS）功能或選擇車(chē)內氛圍燈的顏色。智能手機通過(guò)Android Auto和Apple CarPlay等應用，借助USB或藍牙®緊密集成到人機界面中。對于汽車(chē)制造商而言，觸摸屏人機界面開(kāi)創(chuàng )了替換機械表盤(pán)、按鈕和開(kāi)關(guān)并提升車(chē)輛內飾美感的新時(shí)代。 汽車(chē)人機界面設計的關(guān)鍵因素 安全是所有汽車(chē)人機界面設計的一個(gè)關(guān)鍵因素。界面操作不應分散駕駛員的注意力，應直觀(guān)易懂，如果可能，部分功能應在車(chē)輛行駛時(shí)禁用。選擇想聽(tīng)的音樂(lè )專(zhuān)輯或閱讀短信都是不必要的操作，這些操作會(huì )使駕駛員將視線(xiàn)從前方路面移開(kāi)。汽車(chē)人機界面現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)了法規和國際標準的制定。比如ISO 15005:2017規定人機界面操作需要的時(shí)間應在1.5秒以?xún)�，目前這方面標準雖然仍處于起步階段，但正在不斷完善。例如，大眾汽車(chē)的人機界面會(huì )監視駕駛員的使用情況，如果駕駛員花太多時(shí)間訪(fǎng)問(wèn)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(huì )向他們發(fā)出警告。 汽車(chē)人機界面中觸摸屏控件的使用受到越來(lái)越多來(lái)自安全方面的質(zhì)疑。語(yǔ)音控制正在成為人機界面輸入和控制的一種更安全、更可行的選擇，盡管語(yǔ)音識別確實(shí)存在一些技術(shù)上的挑戰。 除了改善前排美觀(guān)性之外，汽車(chē)人機界面的另一個(gè)驅動(dòng)因素是提供簡(jiǎn)單易用的直觀(guān)界面來(lái)訪(fǎng)問(wèn)許多綜合功能，在半自動(dòng)和全自動(dòng)駕駛汽車(chē)中尤其如此。與傳統的燃油車(chē)相比，電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)需要許多不同的顯示內容，因此軟件驅動(dòng)的觸摸屏人機界面是其理想選擇。在上面的例子中，需要在用戶(hù)界面（UI）和用戶(hù)體驗（UX）設計上下越來(lái)越多的功夫來(lái)創(chuàng )建內容豐富且易于使用的人機界面。 多年來(lái)，汽車(chē)制造商已經(jīng)了解到，人機界面特別能打動(dòng)消費者，UI/UX是決定購買(mǎi)的重要因素。嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)人員可能對開(kāi)發(fā)定制圖標、符號和字體不屑一顧，但是對這些細節的關(guān)注非常值得。 對于駕駛員和乘客，從舒適性功能和內部照明到平衡發(fā)動(dòng)機性能和燃油經(jīng)濟性，人機界面可以讓車(chē)輛功能個(gè)性化以投其所好。讓我們回顧一下所采取的一些技術(shù)以及設計團隊所面臨的極端溫度和濕度挑戰。 流行的汽車(chē)人機界面技術(shù) 人機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(guò)證明的人機界面方法，采用的是疊在LCD屏幕上方薄層的投射電容式觸摸（PCAP）感應。使用機器學(xué)習神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的語(yǔ)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(jué)、手勢、接近度和力度偵測。隨著(zhù)應用處理器越來(lái)越強大，使用眼動(dòng)追蹤算法來(lái)提供輸入控制可能越來(lái)越有吸引力。 語(yǔ)音識別 汽車(chē)研究公司Tractica表示，基于人工智能的車(chē)載語(yǔ)音識別人機界面助手的使用將在未來(lái)幾年顯著(zhù)增加，到2025年將形成一個(gè)價(jià)值46億美元的全球市場(chǎng)。不包括Apple Siri和Google Assistant等智能手機助手應用，估計有80%的汽車(chē)人機界面將集成語(yǔ)音識別系統。語(yǔ)音命令已被常規用于控制媒體功能和找到去往目的地的最快路線(xiàn)。語(yǔ)音識別依賴(lài)于機器學(xué)習神經(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語(yǔ)音助手，但是它們依靠云端近乎無(wú)限的計算資源將語(yǔ)音轉換為命令操作。要將語(yǔ)音識別應用到可靠性至關(guān)重要并且無(wú)法保證蜂窩連接的汽車(chē)環(huán)境中，則需要本地推理。為在網(wǎng)絡(luò )邊緣實(shí)現高性能、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(chē)載功能。更先進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)了更全面的自然語(yǔ)言算法，可以更可靠地聽(tīng)懂方言，并且更善于消除背景噪聲。除人工智能外，還需要數字信號處理來(lái)消除背景道路噪聲、胎噪和風(fēng)噪。語(yǔ)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(chē)應用中已得到廣泛采用。多點(diǎn)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(mǎn)足環(huán)境光線(xiàn)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(kāi)發(fā)車(chē)輛的人機界面來(lái)說(shuō)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(shí)更可能分散駕駛員的注意力。UI/UX設計至關(guān)重要，因為提供的信息過(guò)多同樣也會(huì )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構化UI/UX可以最大限度減少分心，從而提高實(shí)用性和安全性。 現在，多點(diǎn)觸摸控制器已成為標配，大多數控制器IC都集成了對縮放 (pinch and stretch) 等觸摸手勢的偵測功能。傳統的實(shí)體按鈕也被軟件中實(shí)現的按鈕、滾輪和滑塊功能取代。提示聲在操作過(guò)程中向用戶(hù)提供反饋。 觸摸屏方法的便利性通過(guò)使用一些創(chuàng )新功能得到了進(jìn)一步增強。觸覺(jué)傳感器是一種振動(dòng)或旋轉的微機械元件，可為向戶(hù)提供反饋。接近偵測基于電容感應技術(shù)，能夠在手指接近LCD面板時(shí)偵測到�？梢杂盟鼇�(lái)開(kāi)啟屏幕或打開(kāi)選擇菜單�，F在有一項相對較新的觸摸屏增強技術(shù)，即在顯示疊層添加一層壓電膜來(lái)偵測施加的壓力或觸摸力。力度偵測可實(shí)現3D用戶(hù)體驗，簡(jiǎn)化部分應用的UI，或者與觸覺(jué)配合，提供更加主動(dòng)的反饋機制來(lái)模擬按下實(shí)體按鈕。 用于汽車(chē)應用的觸覺(jué)傳感器也在不斷發(fā)展，空中觸覺(jué)有望帶來(lái)完全不同且可能更加安全的用戶(hù)體驗�？罩杏|覺(jué)將人手跟蹤機器學(xué)習算法與超聲揚聲器矩陣集成在一起。揚聲器發(fā)出可以由揚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(jué)到的超聲“實(shí)體”。例如，可以投影出一個(gè)指尖可以感覺(jué)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(dòng)作，例如旋轉旋鈕。這種創(chuàng )新的虛擬觸控UI為眾多無(wú)接觸應用提供了巨大的潛力，非常適合汽車(chē)應用。 汽車(chē)人機界面設計挑戰 汽車(chē)人機界面的操作環(huán)境帶來(lái)了一些挑戰和技術(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(shí)變得潮濕。通常，這會(huì )導致控制動(dòng)作不穩定或控制器IC完全停止工作�；覊m和污垢也會(huì )導致觸控器活動(dòng)紊亂，但是通過(guò)擦拭表面可以輕松去除多余的顆粒物。靜電永遠不會(huì )與敏感電子設備相安無(wú)事，因此觸控器和LCD的各個(gè)方面都必須符合汽車(chē)ESD標準。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(chē)認證。環(huán)境光線(xiàn)的變化很大，軟蓬車(chē)尤其如此，從晴天下的路面開(kāi)入昏暗的隧道時(shí)，顯示屏的亮度需要快速補償。 對于語(yǔ)音和言語(yǔ)識別來(lái)說(shuō)，需要濾除來(lái)自其他車(chē)輛乘員的外來(lái)噪聲、高頻胎噪和低頻機械隆聲。來(lái)自打開(kāi)車(chē)窗的風(fēng)噪以及空調或暖氣孔發(fā)出的呼呼聲也需要得到處理。在前排區域使用多個(gè)麥克風(fēng)，加上數字信號處理，將有助于最大程度地減少不必要的可聞噪聲。 確保人機界面符合相關(guān)技術(shù)標準是整個(gè)設計和開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵優(yōu)先事項。汽車(chē)級組件的使用必不可少，而按照EMI/EMC標準進(jìn)行測試同樣重要。在當今的車(chē)輛中，無(wú)線(xiàn)通信無(wú)處不在，其中以Wi-Fi、蜂窩和藍牙協(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(dòng)汽車(chē)的傳動(dòng)鏈會(huì )產(chǎn)生大量的高頻開(kāi)關(guān)信號和高dV/dt瞬變，如果處理不當，后者有可能會(huì )對敏感電子設備造成永久性損壞。 如果人機界面參與ADAS功能操作，則還要達到功能安全性要求。汽車(chē)功能安全性標準ISO 26262檢驗控制車(chē)輛操作的任何基于軟件的系統是否有潛在風(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如何規避風(fēng)險。 結論 汽車(chē)人機界面已成為現代汽車(chē)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(chē)載媒體娛樂(lè )、無(wú)線(xiàn)連接、通信到導航等方方面面。其中大多數使用觸摸屏作為主要輸入方式。然而，隨著(zhù)高性能的下一代應用處理器和推理引擎問(wèn)世，基于自然語(yǔ)言人工智能的語(yǔ)音識別正在迅速發(fā)展。 文章來(lái)源：貿澤電子 作者簡(jiǎn)介：Robert Huntley是一位具有HND資格認證的工程師和技術(shù)作家。他擁有電信、導航系統和嵌入式應用工程等專(zhuān)業(yè)背景，代表貿澤電子撰寫(xiě)了各種技術(shù)和實(shí)踐文章。 |
