【技术干货】HMI如何改变我们与车辆的交互方式

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技术干货

HMI最初被应用于汽车收音机和卡带/ CD娱乐设备的替代品，之后在其中增加了导航功能，使之成为了一个信息娱乐系统，这在新车中已经有多应用了。但其在设计上却各有不同，有的是横向显示屏、有的是竖屏设计，也有一些则是无缝集成到了车辆的仪表板中。

通常情况下，它们都采用了智能手机和平板电脑使用的光滑玻璃触摸屏，使人机界面感觉熟悉且易于使用。如今，信息娱乐系统已经通过Android Auto和Apple CarPlay等应用程序进一步集成了智能手机功能。

随着技术不断应用于我们的车辆，从高级驾驶员辅助系统（ADAS）到改变内部装饰照明的颜色，信息娱乐HMI已成为车辆驾驶舱和控制装置的核心部分。整合更多控制功能的举措也使得汽车制造商可以从仪表盘上移除传统的机械按钮和开关，进一步提升了汽车内饰设计的时尚美观。在这里，我们将看看各种汽车HMI用户界面，以及它们对司机的用户体验意味着什么：

汽车人机界面设计的关键因素

汽车HMI的设计有几个基本要求，其中安全性是最重要的。对于HMI来说，安全包括防止驾驶员分心。通过HMI随时可以访问多种功能和特性，可能会导致驾驶员暂时将视线从道路上移开，以选择其他音乐曲目或阅读短信。HMI用户界面（UI）的设计应该是直观且易于操作的，以便驾驶员仅在最短的时间内分心。

汽车HMI的特定标准的开发仍处于起步阶段，但是，国际标准ISO 15005：2017规定1.5秒的扫视时间足够司机从车辆的运输信息和控制系统中收集信息。一些HMI在车辆移动时监视驾驶员的互动。如果花太多时间选择不同的功能或访问特定的功能，（例如新闻标题），则HMI会向驾驶员发出警告。在这种情况下，触摸屏可能是输入法，尽管使用语音助手对于某些功能来说是更安全的选择。

HMI采用的另一个推动力是需要为一系列复杂功能提供更直接的界面。该要求对半自动和全自动驾驶的车辆有效，在这种情况下，所需的控制与驾驶员的控制有很大不同。同样，化石燃料动力汽车的仪表和表盘与电动或混动车所需的仪表和表盘不同。LCD触摸屏提供了极为灵活的HMI，可在其上创建直观且易于操作的UI。经过仔细的计划和设计，整个用户体验（UX）产生了一个可视化体系结构，从而简化了导航。

对于汽车制造商而言，HMI提供了一种区别其车辆平台与其他制造商的平台的方法。UX在其中起着很大的作用，其中针对所有制造商的不同车辆型号开发了标准UI。开发自定义图标、符号和字体对于嵌入式开发人员来说是一件苦差事。不过，对这个细节的关注很容易让消费者进行比较和对比，而且越来越成为选择车辆过程中的一部分。

对于车主来说，一个灵活的HMI允许对车辆的各种功能进行个性化处理，从而创造出适合其心情的和长途旅行的体验，并使制造商的品牌体验带入生活。舒适性和内部照明控制是其设计的个性化功能。

HMI技术

HMI设计人员具有大量经过试验和测试的技术，可可以在这些技术上构建和控制UI。投射电容式触摸（PCAP）感应控件已成为常态。

通过语音控制，补充这些输入方法的是触觉、手势（触摸和空中）、接近和力检测、眼动追踪以及机器学习。

语音识别

基于机器学习的语音识别应用预计在未来几年将显著增长，研究公司Tractica估计，基于人工智能的语音智能助手将在HMI中扮演重要角色，到2025年，全球市场价值将达到46亿美元。在短短几年内，80%的汽车人机交互系统将集成语音识别系统，但不包括智能手机助手应用程序，例如Google Voice和Apple的Siri。语音命令最常用于控制媒体播放器，在导航功能中设置想要的目的地，以及操作附带的智能手机来打电话。随着机器学习算法的发展，语音识别将足以控制ADAS的功能和舒适控制。

高性能汽车级别的应用处理器和推理引擎的可用性，将允许使用更复杂的自然语言算法，这些算法更容易适应区域性口音和更广泛的声音范围。除了神经网络外，数字语音处理技术还将帮助消除其他车辆乘员的背景噪声、轮胎和风噪声，并拒绝来自广播节目和其他媒体源的虚假命令。语音用户界面还需要可配置的语音输出，以确认语音命令、询问相关问题和其他双向对话。从安全的角度来看，使用语音控制非常有意义，它可以让司机的眼睛一直盯着路面，而不是被触摸屏上的选项分散了注意力。

触摸控制

投射电容式触摸技术非常先进，具有管理大型显示表面的能力。例如，特斯拉使用了一个15英寸的纵向触摸屏。屏幕需要适应从明亮到黑暗的各种环境光条件。高对比度、高亮度的显示面板对于部署成功的UI至关重要。不建议在车辆中使用小型触摸屏，因为它们会分散驾驶员的注意力，影响安全驾驶。也就是说，同时显示太多信息的大屏幕同样会分散司机的注意力。

UI / UX设计是至关重要的，它需要一个经验丰富的团队来了解驾驶员如何以最小的注意力与UI进行交互，安全性和可用性至关重要。PCAP功能通常集成到微控制器或应用处理器中，多点触摸电容式触摸控制器已成为常态，因此可以适应手指手势（例如捏和拉伸）。触摸按钮、滑块和滚轮UI功能被实现为触摸表面，并且在操作过程中可听到的音调给用户反馈。

触摸屏的增强功能包括使用振动触觉传感器来提供用户反馈、接近检测和力检测，接近检测可以激活触摸屏。

当手指靠近屏幕时的选项，力检测是一个相对较新的发展，它创造了一种3D用户体验，该体验比其他应用更适合某些应用 —— 例如，允许使用一个更积极的虚拟按钮图标，而不是仅仅把手指放在触摸屏上。多点触控力检测也有利于驾驶员戴手套时的操作。

用于汽车应用的触觉传感器的开发仍在继续，一些高端汽车制造商正在将触觉技术集成到其HMI中。一个例子是一种空中触觉技术，其中手跟踪技术和一系列超声扬声器用于形成和跟踪人手可以感觉到的超声模式。通过这种方式，各种三维超声形状可以在空气中形成，比如一个圆形的控制旋钮，指尖可以感觉到并似乎能握住它。通常，这些形状是在控制界面上方几英寸处形成的，创造了一种虚拟触摸体验。手动跟踪算法然后检测旋钮的旋转或推动方式来完成UI。

汽车HMI的技术设计注意事项

对于汽车应用程序，HMI操作环境的几个方面需要特别注意。这些环境条件包括极端的温度、湿度和物理因素，如污垢、灰尘和振动。当一层冷凝膜在玻璃上形成时，触摸屏容易产生不稳定的行为。同样，用潮湿的手指进行操作会导致UI冻结，直到除去所有残留的水分。在另一个极端的湿度下，当驾驶员触摸屏幕时，干燥的空气会增加产生静电的机会。任何汽车HMI应用都需要在广泛的温度和湿度条件下进行全面测试，以确保安全、可靠的运行。HMI触摸屏应易于清洁，方便清除粘性糖果、汽水溢出、双手湿润等所有痕迹。显示屏的亮度需要快速、自动地补偿行车穿越隧道和进入强光下的行驶。

道路和车厢噪音是基于AI的语音识别界面的其他考虑因素。车内噪音包括车内其他人的对话和信息娱乐系统的声音。收听语音命令的麦克风的位置必须是最佳的，并与车身物理隔离。这样，道路噪音，如低频隆隆声和嗡嗡作响的轮胎噪音，就被控制在最低限度。暖气和空调通风口发出的噪音会影响语音命令的性能。如果车辆的任何一扇窗户是开着的，就会产生高频的背景噪音。数字信号处理技术和滤波器有助于将所需的人类语音信号分离出来，供语音识别神经网络算法进行后续处理。

随着车辆中无线通信的日益普及，其他技术考虑应包括确保HMI符合各种安全标准和其他法规，例如EMI和EMC。包括蜂窝、Wi-Fi和Bluetooth®，有害干扰很高。同样，在电动和混合动力车辆中，来自电动机驱动链的高dV / dt瞬变可能非常重要。

汽车ADAS功能的某些方面将归入汽车功能安全标准ISO 26262的范围。该标准旨在强调控制车辆运行并检查以下三个标准的任何基于软件的系统中的风险：潜在的伤害、发生的概率，以及系统如何避免伤害。风险评估分为四个汽车安全完整性等级（ASIL），其中ASIL A的风险最低，ASIL D的风险最高。

汽车人机界面已经改变了我们与车辆交互的方式。由于汽车配备了更先进的信息娱乐、通信和ADAS控制功能，因此HMI已成为驾驶员和乘客的主要控制面板。预计语音识别的使用将在未来几年迅速增加，提高司机的安全性，并通过使用新一代强大的人工智能处理器和推理引擎成为可能。

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