前風擋集成式抬頭顯示集成方案

陳曙光,吳海波,李炭,王松

(上汽大眾汽車有限公司,上海 201804)

0 引言

擋風玻璃集成式抬頭顯示相對于間接集成式抬頭顯示大大提高了投影成像性能，駕駛員能更舒適、便捷地讀取成像信息，但相對開發成本變高，單價變貴，同時對整車制造工藝以及抬頭顯示模塊整車集成提出了更高的要求。

1 抬頭顯示性能參數

前風擋集成式抬頭顯示性能參數包括兩部分：(1)主要與模塊相關的性能參數，包括：成像距離、成像尺寸、眼盒尺寸及分辨率。以上性能由抬頭顯示模塊中的投射光源、顯示器、反射鏡、弧面鏡的形式和位置決定，模塊內部結構不進行大改動的話，以上性能不會有大的變化。(2)主要與模塊在車身中位置相關的性能參數，包括：下視角、左視角以及抬頭顯示成像、眼盒上下調節范圍。眼盒、圖像、成像距離、下視角以及調節范圍如圖1所示。

圖1 眼盒、圖像、成像距離、下視角以及調節范圍

1.1 成像距離、尺寸、眼盒尺寸以及分辨率

抬頭顯示的眼盒是一個矩形區域，當眼睛處于該區域才能清楚閱讀成像。成像尺寸則決定了抬頭顯示投影區域的大小，決定了能夠投影信息的多少。成像距離即成像距離人眼的距離，一般需要大于2 m。四者的性能會相互影響，所以在模塊設計時需要將四者的性能綜合考慮。如表1所示：在某款抬頭顯示模塊內部結構不進行大改動的情況下，理論計算得到成像距離變大時，成像尺寸會變大，但眼盒尺寸會變小，同時分辨率變低。

表1 成像距離、成像大小、眼盒大小以及分辨率相互關系

1.2 下視角定義

如圖1所示，下視角是設計眼點到設計位置成像的連線跟水平線之間的豎直夾角。它定義了成像的高度位置，需要定義在合適的位置，下視角過大會導致圖像偏下，駕駛員閱讀成像時需要較大幅轉動頭部和眼睛，需要較長的反應時間;如果過小會導致成像偏上，成像會進入駕駛員的核心視野區域，造成行車過程中干擾。

1.3 左視角定義

如圖2所示，左視角是設計眼點到設計位置成像的連線跟水平線之間的水平夾角。它定義了成像的左右偏移位置，需要定義在合適的位置，如果較小會導致抬頭顯示模塊布置在儀表板主駕中間，可能會影響儀表板主駕零件的布置以及中間除霧除霜口的長度;左視角如果過大，抬頭顯示成像會相對眼點側向偏移。在某車型中，當抬頭顯示的左視角是0.1°，圖像側向偏移眼點4 mm。

1.4 抬頭顯示成像、眼盒上下調節范圍

當抬頭顯示模塊中凹鏡繞著某一旋轉軸旋轉時，成像以及相對應的眼盒會上下移動，以滿足不同坐姿、人體的眼睛位置。成像、眼盒的調節區域需要定義在合適的范圍。范圍過小，導致上下移動的眼盒不能覆蓋眼睛區域，這樣坐姿過高或者過矮的人體無法閱讀成像；范圍過大，可能會導致成像偏低，成像會進入前蓋的視野區域，影響成像閱讀性，或者成像過高，進入駕駛員的視野核心區域，影響行車安全。

2 抬頭顯示布置方法

一般在抬頭顯示模塊確定的情況下，其眼盒、圖像大小以及成像距離基本已經確定。可以通過調整下視角和左視角來調整抬頭顯示在儀表板中的位置。首先由人機確定可以代表人體眼點的設計眼點，然后參考相關具體車型以及要求確定抬頭顯示的下視角和左視角，一般對下視角的要求是5°～8°(SUV車型大于6°)，對左視角的要求是0～0.9°。然后根據下視角和左視角定義從設計眼點畫出入射線，與前風窗相交于一點；基于此點做出前風窗面的唯一法線；根據入射線做出該法線的對稱線，就是出射線，理論上抬頭顯示中的凹透鏡的中點需要跟該線相交，如圖3所示。位置調整的方法有兩種:(1)當定義的下視角和左視角變化時，抬頭顯示的位置也會相應產生變化；(2)當抬頭顯示模塊沿著出射線移動時，下視角和左視角不會產生變化。

在抬頭顯示位置確定后，根據模塊定義的凹鏡最大調整角度，確認上下調節的眼盒能否覆蓋眼睛區域。

圖3 抬頭顯示模塊定位方法

3 抬頭顯示安裝、調整及售后維修

由于擋風玻璃集成式抬頭顯示系統中前風擋是該系統的一部分，所以對于抬頭顯示模塊跟前風擋玻璃的相對位置有著較高的要求。該要求會對抬頭顯示安裝、調整產生影響。這里主要介紹兩種不同安裝、調整方案。

3.1 抬頭顯示安裝、調整方案一

方案一如圖4所示：首先在車身鈑金上焊接抬頭顯示支架，將抬頭顯示支撐件通過可后期調整的固定方式固定在支架上；然后在儀表板沒安裝好的情況下，使用調校裝備(對準基準是前風窗法蘭面)調整抬頭顯示支撐件，以此保證即使車身和支架存在一定的零件和安裝誤差，安裝后的抬頭顯示模塊跟前風窗玻璃的相對位置是準確的；接下來分別安裝儀表板、抬頭顯示模塊、抬頭顯示蓋板。該方案的優點是對零件制造誤差以及車身安裝誤差要求不高。該方案的缺點是：(1)需要調校裝備和工序，增加裝配成本以及安裝調整時間，不適合大批量生產的快節拍流水線操作，進而影響抬頭顯示的裝車率；(2)由于抬頭顯示支架先于儀表板安裝，在儀表板安裝過程中要求該支架跟儀表板無干涉，所以對儀表板的結構有一定的要求。

圖4 抬頭顯示安裝、調整方案一

3.2 抬頭顯示安裝、調整方案二

方案二如圖5所示：首先在儀表板管橫梁上焊接抬頭顯示支架連接件，然后安裝儀表板，在安裝儀表板后安裝抬頭顯示支架，因此無法也無須對抬頭顯示進行位置調整，而是通過零件精度以及安裝精度控制抬頭顯示和風窗相對位置，最后分別安裝抬頭顯示模塊和抬頭顯示蓋板。

圖5 抬頭顯示安裝、調整方案二

該方案的優點是：(1)由于在安裝過程中無須對抬頭顯示模塊進行調整，所以不影響整車流水線安裝節拍，適用于抬頭顯示裝車率較高的車型；(2)由于支架后于儀表板安裝，儀表板的結構要比方案一小。缺點是對零件制造精度以及零件安裝精度有著很高的要求。

如圖6所示：通過控制零件制造精度以及零件安裝精度可以保證從抬頭顯示開始，經過抬頭顯示支架、支架連接件、儀表板管橫梁、最后到車身，累積的抬頭顯示模塊與安裝前風擋的車身的相對位置偏差控制在允許的范圍內。

3.3 抬頭顯示售后維修

帶抬頭顯示車輛的前風擋玻璃相對常規前風擋玻璃單價要高，如果在售后拆裝抬頭顯示時需要將前風擋玻璃一并拆除，意味著前風擋玻璃也需要更換。為了減少抬頭顯示售后維修成本，在模塊選擇上盡量選擇高度尺寸較小的抬頭顯示模塊，這樣存在抬頭顯示維修拆除過程中無須拆除前風擋的可能性。如圖7所示，在方案中可進行抬頭顯示模塊拆取過程驗證。

圖7 拆裝抬頭顯示無須拆除前擋風玻璃

4 抬頭顯示反光校核

抬頭顯示在前風擋上的反光由抬頭顯示玻璃反光和抬頭顯示蓋板反光兩部分組成。反光現象的存在，尤其在夜間行車過程中會給駕駛員造成干擾，導致行車過程中的安全問題，所以需要避免。

4.1 抬頭顯示玻璃反光

抬頭顯示玻璃反光原理如圖8所示：前風窗外光源通過抬頭顯示的玻璃反射到前風擋，然后在前風擋上再次形成反射進入到人眼。解決方案是要求反射光線盡量遠離眼睛區域，可以通過調整抬頭顯示玻璃的斜度以及前端蓋板的高度來解決。

圖8 抬頭顯示玻璃反光以及解決方案

4.2 抬頭顯示蓋板反光

抬頭顯示蓋板反光的原理如圖9所示：首先前風窗外的光源通過抬頭顯示的玻璃反射到抬頭顯示蓋板前內側邊，將蓋板前內側邊照亮，同時前風窗外的光源直接將抬頭顯示蓋板后內側邊照亮，兩者作為衍射光源，人眼會從前風擋玻璃上看到。解決方法是首先將蓋板內側做成吸光材料，其次可以將內側邊和前風窗的夾角盡量做小，和蓋板后內側邊做立，減少兩者作為衍射光源的有效面積。

圖9 抬頭顯示蓋板反光以及解決方案

5 前風擋玻璃PVB膜斜度

為了避免抬頭顯示成像出現重影，前風擋玻璃PVB膜需要存在一定的斜度，但同時會導致車外物體出現疊影的現象變得嚴重。

為了避免抬頭顯示符號出現重影現象,需要將前風窗玻璃的中間PVB做成一定的斜度。如圖10所示：當常規玻璃PVB膜沒有斜度時，符號光源分別經過內層玻璃和外層玻璃的反射以及折射后存在偏差，導致人眼看到的抬頭顯示投影信息出現重影。將PVB膜的斜度設置在某一特定值，能修正兩個反射線的偏差，從而避免抬頭顯示投影出現重影問題。

圖10 抬頭顯示成像重影原理

如圖11所示：車外物體經過前擋風玻璃的內外層玻璃的反射以及折射后出現偏差，導致人眼觀察車外物體出現疊影的現象。常規玻璃的PVB厚度斜度為0，車外物體疊影相對較弱，是可以接受的。根據理論計算，當PVB膜斜度增大時，車外物體疊影現象會變得嚴重。PVB膜斜度對成像重影、車外物體疊影的影響如表2所示。

圖11 車外物體疊影原理

因此綜上所述，將PVB斜度作為參數，將其值優化到一個合適的值，可使PVB斜度對成像重影、車外物體疊影的影響控制在可接受的范圍內。

表2 PVB膜斜度對成像重影、車外物體疊影的影響

6 玻璃跟車身周邊零件匹配

當擋風玻璃集成式抬頭顯示作為高配或者選配配置出現時,考慮到帶抬頭顯示的前風窗玻璃由于PVB膜存在斜度，導致玻璃頂部和底部的厚度可能跟常規玻璃不一致,在車身鈑金唯一的情況下需要考慮玻璃跟鈑金匹配的問題。表3是某一車型的解決方案：當配置車型不帶抬頭顯示時，內外層玻璃、

PVB膜的厚度是均勻不變的，內外層玻璃厚度為2.1 mm,PVB膜厚度為0.76 mm,總厚度為4.96 mm；帶配置車型抬頭顯示時，PVB膜由于疊影和重影的要求由底部開始從0.76 mm到1.26 mm漸變，內外層玻璃的厚度均勻不變，外層玻璃厚度做成2.1 mm，內層玻璃厚度做成1.6 mm，在這種情況下底部總厚度4.46 mm,比不帶抬頭顯示的玻璃總厚度4.96 mm要小，將與之匹配的成本較低的密封條做低即可；頂部總厚度4.96 mm,跟不帶抬頭顯示的玻璃總厚度4.96 mm一樣，保證在相對成本較高的車頂鈑金唯一的情況下，與不帶抬頭顯示的玻璃和車身匹配情況一致。這樣以較小的成本，保證帶抬頭顯示和不帶抬頭顯示玻璃和鈑金的匹配情況是一樣的。

表3 不帶/帶抬頭顯示玻璃跟車身周邊零件匹配

7 抬頭顯示成像振動

根據理論驗證，人眼能夠察覺振動角度大于(1/60)°的振動，表達如下：

其中：α是光路的行程；β是光源振動角度；x是振動幅度，如圖12所示。在風窗抬頭顯示的情況下，光線不是直接射入眼睛，而是在風窗上反射下再射入眼睛，表達如下：

圖12 光源振動原理

圖13 抬頭顯示成像振動原理

然后通過CAE仿真計算(計算模型見圖14)，得到抬頭顯示固定在儀表板上不同頻率激勵下的各個振幅。該振幅需要小于0.06 mm。該振幅可以通過優化固定點位置或者抬頭顯示支架的結構得到改善。

圖14 抬頭顯示振幅計算模型

8 抬頭顯示對除霜除霧以及風道系統的影響

常規沒有裝備抬頭顯示的儀表板如圖15所示，由于在駕駛員區域沒有抬頭顯示，前除霜除霧可以做得較長，并且除霜除霧風管以及出風口風管相對較容易布置以及通風面積可以做得較大。但對于裝備了抬頭顯示布置的儀表板,如圖16所示，會對除霜除霧以及風道系統，產生如下影響:

(1)前除霜除霧由于抬頭顯示無法做長而延伸到主駕,以及考慮對稱不會延伸到副駕,考慮到除霜除霧的要求,可將其適當做寬,并將其導風葉片角度盡量往側邊調整。

(2)考慮到由于較短的除霜除霧,主副駕側的玻璃除霜除霧效果不好,可以考慮在除霜除霧風管上增加一些開口，增加主副駕側的玻璃除霜除霧的風量,如圖16所示。

圖15 無抬頭顯示儀表板風道系統

圖16 帶抬頭顯示儀表板風道系統

(3)由于抬頭顯示除霜除霧風管的尺寸無法做得像常規的那么大，考慮到側除霜除霧的要求，盡可能將風管做大，在方案前期中可進行模擬驗證。

(4)由于抬頭顯示出風口風管的尺寸無法做得像常規的那么大，考慮到出風口風量要求，盡可能做大，在方案前期中可進行模擬驗證。

9 結論

前風擋集成式抬頭顯示在整車中的布置需要考慮眾多因素,在方案前期提早以及系統考慮相關因素可以加快開發進程，減少后期整車集成該模塊帶來的風險以及成本，提高前風擋集成式抬頭顯示在整車上應用的可行性。

參考文獻:

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