簡易智能車人機交互應(yīng)用的研究

黃恒一 付三麗

摘 要：在研討汽車智能化的基礎(chǔ)上，文中設(shè)計了一款簡易的基于智能手機實現(xiàn)交互的智能車。不僅對設(shè)計的簡易智能車人機交互應(yīng)用進(jìn)行了研究，并從汽車輕量化、汽車能源、車聯(lián)網(wǎng)等角度對智能車的當(dāng)下發(fā)展進(jìn)行了分析。文中研究的內(nèi)容對廣大讀者了解智能車機器視覺、人機交互、語音識別、車載APP應(yīng)用等相關(guān)領(lǐng)域知識具有一定的幫助。

關(guān)鍵詞：車聯(lián)網(wǎng);智能手機;人機交互;機器視覺;語音識別;車載應(yīng)用

中圖分類號：TP242.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）01-00-05

0 引 言

隨著科學(xué)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，經(jīng)濟水平的不斷提高，人們對生活水平和質(zhì)量有了更高的要求，智能化便應(yīng)運而生。智能機器人、住宅智能化系統(tǒng)、無人駕駛汽車等領(lǐng)域快速發(fā)展，使各種智能化系統(tǒng)和設(shè)備已經(jīng)融入了人們的生活。智能化是現(xiàn)代人類文明發(fā)展的趨勢，很多國家都很重視這一領(lǐng)域，所以對智能化的探索有重大意義。本文在研討汽車智能化的基礎(chǔ)上，對智能車人機交互上的相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行了研究[1]。

1 原 理

汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，未來的汽車研究方向必然是新能源的、智能化的。對于智能汽車的研究，國內(nèi)外都有很大的成就，谷歌的無人駕駛汽車，已經(jīng)能夠在高速公路上安全行駛數(shù)千里。智能車還能夠擔(dān)任人類難以從事的任務(wù)，它在工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及社會生產(chǎn)生活等許多領(lǐng)域都起到了重要作用[2-3]。

本文設(shè)計在智能車人機交互應(yīng)用上進(jìn)行了研究，主要從如下三個方面進(jìn)行展開：

（1）用戶的語音控制信息實時通過手機端APP人機交互的方式控制智能小車的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、停止以及速度等響應(yīng);

（2）智能小車上面搭載安卓機改造的攝像頭，實現(xiàn)智能車附近的圖像數(shù)據(jù)采集工作;

（3）當(dāng)無權(quán)限用戶操作智能車手機APP時，智能車拒絕響應(yīng)，可以將特定的信息通過手機短信的形式發(fā)送智能車備用聯(lián)系人的手機上，從而實現(xiàn)一定程度智能車的保護(hù)作用。

通過本文的研究，可以初步構(gòu)建智能汽車的模型和理論基礎(chǔ)，其研究成果在智能車軍事偵察、反恐、防暴、防核化等高危任務(wù)方面均有著非常好的發(fā)展應(yīng)用前景。

2 設(shè)計流程

2.1 智能小車設(shè)計思路

人們在不斷深究汽車升級方法，但是汽車商業(yè)競爭壓力太大，想要讓汽車實現(xiàn)不斷的升級，提高汽車的各種性能指標(biāo)，這就需要模擬。因為一輛汽車的試用及性能測試成本高，不方便，所以很多科技領(lǐng)域選擇用小車模型代替。隨著研究的性能越來越多，從線控到現(xiàn)在的智能小車，科技也是一直在進(jìn)步，從未停止。智能小車能凸顯的特征也可以應(yīng)用到各種有需求的領(lǐng)域里，而以前的技術(shù)發(fā)展不先進(jìn)，所以最早控制的小車還是線控紅外感應(yīng)小車，到后來的無線紅外感應(yīng)小車，再到現(xiàn)在智能網(wǎng)絡(luò)化小車，只需要一部手機就可以完全控制，讓汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化科技得到更多新可能的探索[4]。

本文中所設(shè)計的信息隱藏技術(shù)在智能車人機交互應(yīng)用研究內(nèi)容包括三個部分。

（1）模擬用于測試人機交互所設(shè)計的智能小車。文中智能小車擬實現(xiàn)效果：用戶可以通過智能手機通過語音控制小車的燈亮燈滅，實現(xiàn)語音開啟大燈，關(guān)閉大燈的功能，此外智能小車可以簡易分析用戶的語音信息并產(chǎn)生相應(yīng)的效果。文中所研究的人機交互的語音智能小車為智能車科技領(lǐng)域的提升提供了一些借鑒思路。

（2）通過文中智能車人機交互應(yīng)用上的研究，可以探討智能車初步構(gòu)建智能汽車人機交互應(yīng)用通信的模型和理論基礎(chǔ)。本文的研究成果在智能車未來人機交互應(yīng)用安全等領(lǐng)域均有著非常好的發(fā)展前景。

（3）研究怎樣將手機短信的遠(yuǎn)程報警技術(shù)應(yīng)用到智能車的人機交互應(yīng)用上，從而一定程度上保護(hù)智能車，使得沒有權(quán)限的用戶無法操作智能車[5]。

2.2 智能車的設(shè)計流程

文中用于模擬測試人機交互的智能車流程如圖1所示。用戶通過智能手機端的APP，以藍(lán)牙的方式與智能車上的藍(lán)牙接收器進(jìn)行匹配，匹配成功后，使用者通過智能手機即可與智能車產(chǎn)生交互效果。作為文中智能車人機交互的藍(lán)牙通信部分由主機和從機組成，主機可以滿足和從機配對通信，從機能和電腦、手機等的藍(lán)牙配對通信。智能小車藍(lán)牙模塊主要功能是接收從手機端發(fā)送過來的指令，所以需要的是從機模塊[6]。智能車的藍(lán)牙通信圖如圖2所示。

隨著車輛智能化技術(shù)的深入研究，出現(xiàn)了很多智能車技術(shù)，目前智能車應(yīng)用普及，技術(shù)成熟，除了人機交互的語音識別技術(shù)，另外一個技術(shù)就是機器視覺技術(shù)。機器視覺是人工智能正在快速發(fā)展的一個分支。簡單說來，機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。在一些不適于人工作業(yè)的危險工作環(huán)境或者人工視覺難以滿足要求的場合，常用機器視覺來替代人工視覺。機器視覺主要用計算機來模擬人的視覺功能，但并不僅僅是人眼的簡單延伸，更重要的是具有人腦的一部分功能—從客觀事物的圖像中提取信息，進(jìn)行處理并加以理解，最終用于實際控制應(yīng)用中[7]。

文中智能車涉及的機器視覺技術(shù)是基于華為手機的分屏技術(shù)，使得用戶在使用手機端的同時可以實時觀測智能車上搭載的由安卓智能機改造的攝像頭通過無線WiFi傳輸過來的圖像數(shù)據(jù)。文中智能車模塊的設(shè)計簡單易行，可拓展的價值大，相比于目前流行的基于單目和雙目攝像頭技術(shù)實現(xiàn)的智能車圖像監(jiān)控部分難度降低，易于普通用戶的使用。

2.3 智能車硬件部分

智能車的俯視圖及側(cè)視圖如圖3和圖4所示。由圖3可見，文中模擬測試的智能車車身上有主控芯片、藍(lán)牙接收芯片、穩(wěn)壓芯片、電機驅(qū)動芯片、電線接線座及智能車前端用安卓智能機改造的用于智能車監(jiān)控的攝像頭。

由圖4可以知道，智能車車身主體由上下兩層面板組成。上層面板為洞洞板，主要用于搭載智能車電子器件;下層面板為硬紙質(zhì)版，用于固定智能車三個車輪，三個車輪中后面兩個車輪的動力來源于智能車的兩個電機，前輪為靈活自由旋轉(zhuǎn)車輪。用戶通過手機端APP發(fā)出的控制信息可通過智能車三個車輪之間的組合實現(xiàn)智能車運動狀態(tài)之間的改變。由圖3和圖4可知，文中用于模擬測試的智能車車身之所以選擇硬紙板及洞洞板作為車身主體支架是從汽車輕量化的角度考慮，模擬用于實驗的智能車車身主體盡可能選擇質(zhì)量密度低的材料，最大可能地減輕車身的質(zhì)量，降低智能車對動力源的依賴，也一定程度上提高了智能車運動狀態(tài)改變的實時性[8]。

此部分智能車車身材質(zhì)輕量化的選擇標(biāo)準(zhǔn)，對現(xiàn)實汽車制造企業(yè)有一定的指導(dǎo)意義。從汽車日常應(yīng)用的角度而言，汽車車身選擇質(zhì)量密度低的輕量化材質(zhì)，雖然一定程度上降低了汽車對能源的依賴，但是另一個方面汽車板材輕量化，防御碰撞的危險性就會提高，在日常汽車的交通事故中，輕量化的汽車主體會加大駕駛員受到損害的程度，使得汽車的安全性降低。所以通過智能車的科研測試，目的是使人們繼續(xù)研究既能降低車身主體質(zhì)量的材料，又不降低汽車抵御碰撞事故危險性的能力。

此外，由圖4可知，智能車車身上下面板之間的空間用于放置動力源裝置，文中智能車的動力源由6節(jié)1.5 V的干電池組成。從智能車能源的角度考慮，文中智能車動力源經(jīng)進(jìn)一步研究，可更換為可反復(fù)充電的蓄電池。此部分智能車的動力源裝置對汽車未來的走向具備一定的指導(dǎo)意義。目前很多汽車也在電動汽車燃料電池等領(lǐng)域的研究投入了大量的人力、物力及財力，除了電池能量密度的提高，電池的安全性等也是當(dāng)下汽車企業(yè)研究的熱點，基于石油資源的寶貴及非可再生性，未來電動汽車、混合電動汽車的數(shù)量一定會越來越多，汽車電池領(lǐng)域也一定是汽車企業(yè)研究的重點及熱點[9]。

2.4 智能小車APP手機控制端的設(shè)計

隨著汽車智能化的發(fā)展及智能手機技術(shù)的進(jìn)步，智能手機被越來越多的汽車制造企業(yè)引入到智能車的人機交互應(yīng)用之中。文中基于智能手機在汽車智能化領(lǐng)域中的應(yīng)用，開發(fā)了匹配智能車應(yīng)用的APP。

文中智能車APP基于APP開源開發(fā)平臺 MIT APP Inventor 2開發(fā)制作。平臺包括兩部分：手機APP開發(fā)界面、APP邏輯代碼設(shè)計界面。對于APP開發(fā)界面，用戶可以隨意搭配項目需要的Android程序開發(fā)模塊組件，相比于目前需要專業(yè)Java語言開發(fā)的安卓手機APP而言，使用者可以很快入手，APP界面更加簡潔，如圖5所示;對于APP邏輯代碼設(shè)計界面，用戶可以用“堆積木”的方式拼湊自己需要的APP功能，如圖6所示。

文中智能車項目匹配開發(fā)的APP研究目標(biāo)為：智能車人機交互語音識別功能的實現(xiàn)以及智能車人機交互車短信遠(yuǎn)程報警兩個方面。

2.4.1 智能車運動狀態(tài)人機交互

用戶可以通過三種方式改變智能車運動狀態(tài)：第一種是通過普通的APP無線觸碰方式控制智能車的運動狀態(tài);第二種是人機交互語音識別的控制方式;第三種是通過智能機重力感應(yīng)的方式控制。

由圖5、圖6得知，當(dāng)使用者的手機與智能車匹配之后，通過手機APP界面上方向控制按鍵，用戶即可發(fā)送不同的智能車控制信息，進(jìn)而控制智能車的運動。這種控制方式開發(fā)簡單，普及性高，很容易推廣，是目前智能車領(lǐng)域比較簡單及常見的一種人機交互方式。

目前在一些中端汽車的配置中很常見，像大部分汽車智能導(dǎo)航界面上的APP應(yīng)用和此處智能車人機交互應(yīng)用的原理類似。

2.4.2 智能車語音人機交互

隨著汽車安全駕駛的需要，當(dāng)在汽車行駛過程中，駕駛員需要響應(yīng)一些必須又盡可能不影響行車安全的行為需求時，會嘗試使用語音控制，這種情況即是智能化汽車語音人機交互應(yīng)用誕生的原因。目前在一些高端配置的汽車駕駛艙中，語音識別已成為常見的配置，如語音開燈等，除去前面提到的一些不影響駕駛員安全行駛的應(yīng)用需求，人們對科技應(yīng)用的創(chuàng)新需求也是促使車載語音識別技術(shù)不斷升級的動力。

本文智能車在智能車語音識別應(yīng)用的研究背景下，提出了自己的語音識別應(yīng)用設(shè)計。智能車語音識別應(yīng)用APP如圖7、圖8所示。

由圖7可知，智能車語音識別APP組件界面使用了文本語音轉(zhuǎn)換器、語音識別器等組件。由圖8可知，當(dāng)用戶按下語音識別按鍵，智能手機開始調(diào)用語音識別器，識別語音信息。當(dāng)語音識別完成后，APP會和系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的信息進(jìn)行匹配，當(dāng)信息符合智能車的要求時，則驅(qū)動智能車電機轉(zhuǎn)動，驅(qū)動智能車運轉(zhuǎn);當(dāng)語音信息不符合要求時，則發(fā)出錯誤語音反饋信息，提示給使用者。

文中研究的智能車語音交互APP是基于安卓手機開發(fā)的，目前大部分安卓智能手機具備語音識別引擎，使用者在開發(fā)語音識別功能時，直接調(diào)用即可。但是對部分不具備語音識別引擎的智能手機而言，開發(fā)人機交互語音識別應(yīng)用時，可以借助第三方語音識別應(yīng)用，如訊飛語音等。

目前智能手機更新?lián)Q代速度加快，文中研究的借助于智能手機實現(xiàn)的人機交互語音識別應(yīng)用對于未來智能車車倉內(nèi)人機交互應(yīng)用的開發(fā)，具備一定的指導(dǎo)價值意義。目前已經(jīng)有一些汽車企業(yè)及互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)研究智能車語音識別應(yīng)用，并取得了一些顯著成果，如車載微信應(yīng)用的開發(fā)[10]。

2.4.3 智能車重力感應(yīng)人機交互

汽車智能化技術(shù)不僅僅停留在傳統(tǒng)的車載觸摸屏人機交互、車載語音人機交互方面，也在不斷地追求新的車載人機交互技術(shù)，如基于體感交互的技術(shù)。體感技術(shù)，在于人們可以很直接地使用肢體動作與周邊裝置或環(huán)境互動，而無需使用任何復(fù)雜的控制設(shè)備，便可讓人們身臨其境地與內(nèi)容做互動。目前體感技術(shù)在生活中很多領(lǐng)域有著一些成熟的應(yīng)用，如3D虛擬現(xiàn)實、空間鼠標(biāo)、游戲手柄、運動監(jiān)測、健康醫(yī)療照護(hù)等。

文中智能車的研究借助于智能手機重力感應(yīng)傳感器實現(xiàn)的智能車重力感應(yīng)人機交互。用用戶操作具備重力感應(yīng)傳感器的智能手機，智能手機體感設(shè)備可以偵測手部的動作，此時若是將手部分別向上、向下、向左及向右揮，便能實現(xiàn)控制智能車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止等功能。智能車重力感應(yīng)人機交互應(yīng)用APP如圖9、圖10所示。

由圖9、圖10可知，當(dāng)用戶開啟智能車體感模式，用戶手部動作發(fā)生改變后，智能手機則會偵測用戶手部發(fā)生的變化，智能手機則會根據(jù)用戶手部動作的改變，映射智能車的運動狀態(tài)的改變。文中研究的智能車重力感應(yīng)人機交互應(yīng)用可以對汽車制造企業(yè)車載相應(yīng)應(yīng)用人機交互領(lǐng)域的研發(fā)有一定的指導(dǎo)意義。

2.4.4 智能車短信應(yīng)用人機交互

前文主要對智能車人機交互應(yīng)用進(jìn)行了相應(yīng)的研究，科技的發(fā)展促使與汽車智能化的新技術(shù)及新概念出現(xiàn)。目前與汽車相關(guān)的一個很熱點的概念就是車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。車聯(lián)網(wǎng)的概念源于物聯(lián)網(wǎng)，即車輛物聯(lián)網(wǎng)，是以行駛中的車輛為信息感知對象，借助新一代信息通信技術(shù)，實現(xiàn)車與X（即車與車、人、路、服務(wù)平臺）之間的網(wǎng)絡(luò)連接，提升車輛整體的智能駕駛水平，為用戶提供安全、舒適、智能、高效的駕駛感受與交通服務(wù)，同時提高交通運行效率，提升社會交通服務(wù)的智能化水平。

車聯(lián)網(wǎng)通過新一代信息通信技術(shù)，實現(xiàn)車與云平臺、車與車、車與路、車與人、車內(nèi)等全方位網(wǎng)絡(luò)連接，主要實現(xiàn)了“三網(wǎng)融合”，即將車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行融合。車聯(lián)網(wǎng)是利用傳感技術(shù)感知車輛的狀態(tài)信息，并借助無線通信網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代智能信息處理技術(shù)實現(xiàn)交通的智能化管理，以及交通信息服務(wù)的智能決策和車輛的智能化控制。

文中智能車在車聯(lián)網(wǎng)研究的基礎(chǔ)上，借助移動通信技術(shù)，當(dāng)智能車特定的行為發(fā)生時可以將智能車遇到的信息通過智能手機移動網(wǎng)絡(luò)以短信的形式將指定信息發(fā)送到聯(lián)系人的手機號碼上，從而實現(xiàn)智能車與通信移動技術(shù)的進(jìn)一步結(jié)合。

由圖11、圖12可知，當(dāng)用戶觸碰開啟體感模式按鍵，短信智能車APP會調(diào)用短信收發(fā)器，將智能車體感模式開啟的內(nèi)容以短信的形式發(fā)送到指定的手機號碼，從而實現(xiàn)人與智能車以短信形式進(jìn)行交互。

文中研究的智能車與人之間以移動短信的形式進(jìn)行交互，對汽車往車聯(lián)網(wǎng)的科技之路的走向有一定的指導(dǎo)意義，例如移動通信技術(shù)在智能車泊車測距上的應(yīng)用，可以進(jìn)一步的研究，并將距離報警信息以短信方式發(fā)到后方司機用戶的手機中。

2.5 智能車機器視覺應(yīng)用

作為智能小車重要的核心模塊：無線圖像傳輸，近年來伴隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展，越來越引起國內(nèi)各大高校相關(guān)課題組的關(guān)注。文中智能車機器視覺的應(yīng)用研究方案采用的無線圖傳模塊技術(shù)可實現(xiàn)與智能小車處于同一局域網(wǎng)中的多平臺設(shè)備對小車監(jiān)控圖像信息的實時共享。小車視頻監(jiān)控反饋界面從PC端移植到手機端。此外采用華為手機分屏技術(shù)結(jié)合IP攝像頭實現(xiàn)的小車監(jiān)控畫面窗口和小車控制界面窗口處于同一屏幕，增加了設(shè)備監(jiān)控的實時反饋性。智能車監(jiān)控畫面及監(jiān)控端應(yīng)用軟件如圖13、圖14所示。

由圖13、圖14可知，文中智能車選用華為手機成熟的分屏技術(shù)，可以輕松實現(xiàn)手機屏幕分屏，使得華為手機上半部分顯示智能車監(jiān)控窗口，手機下半部分為智能小車的控制界面。

2.6 智能小車設(shè)計創(chuàng)新

本文在充分研究汽車智能化的基礎(chǔ)上，從智能車材質(zhì)輕量化，汽車能源的角度，以及語音識別、體感交互、智能網(wǎng)聯(lián)車的角度對智能車人機交互上的相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行了研究。本文研究所用到的技術(shù)涉及短距離無線遙控、傳感器技術(shù)、手機APP編程技術(shù)、人機交互語音識別技術(shù)、機器視覺技術(shù)、手機短信技術(shù)等，對廣大讀者了解智能車相關(guān)領(lǐng)域知識，以及從事智能車領(lǐng)域的研發(fā)有一定的幫助。

2.7 智能小車未來擬研究點

本文從多角度對智能車人機交互上的相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行了研究，并對智能車相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)拓展進(jìn)行了一定展望及拓展。未來擬結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的智能小車研究領(lǐng)域，一方面嘗試怎樣實現(xiàn)智能車攝像頭采集更加清晰的圖像，以及智能車機器視覺技術(shù)與用戶交互之間的更加便捷;另一方面嘗試怎樣實現(xiàn)智能車更加復(fù)雜的語音識別算法的控制。

3 結(jié) 語

本文從理論和實踐兩個方面，多層次、多維度、多角度地對智能車人機交互應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究。文中對智能車研究所用到的通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、手機APP編程技術(shù)、人機交互語音識別技術(shù)、機器視覺技術(shù)及對智能網(wǎng)聯(lián)汽車的探討，對從事智能車研究的讀者有一定的參閱價值。

參 考 文 獻(xiàn)

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