車載語音交互氛圍燈的設計與實現

李 鋼，薛蔚平，劉 健，豐建芬，吳 杰

(常州星宇車燈股份有限公司,江蘇 常州 213000)

引言

氛圍燈在車載系統上越來越多，除了作為情景照明幫助人們緩解壓力、放松心情之外，也被賦予了更多實際應用功能。隨著車聯網的興起，人們對人車交互體驗的需求不斷增長，燈光作為一種信息傳輸載體，可以在人車交互應用中扮演重要的通信反饋角色，在智能輔助駕駛領域有很大的應用空間[1-3]。目前較先進的人車交互應用主要是基于語音識別、觸控和視覺傳感器技術。其中，觸控技術的優點在于簡單易用，缺點是屏幕太小，很多應用無法展開，且需要手動調節，一定程度上影響駕駛安全性；基于視覺傳感器技術的手勢識別率不高，實時性差，追蹤精度和速度還需要優化，在車載系統應用上還需要繼續探索；語音識別技術的優點在于技術相對成熟，擁有更好的用戶感受[4]。

本文提出一種用于車載語音控制系統的交互氛圍燈設計，安裝在中控臺附近，通過紅綠藍(RGB)顏色的狀態變化來提示當前系統的工作模式，根據接收到的語音信息做出動態發光效果，比如流水、呼吸、漸變、閃爍等，將介紹其系統工作原理、結構布置方式和軟硬件控制方法，并從發光的均勻性和響應的流暢度兩個方面對氛圍燈性能進行評估。

1 工作原理

1)語音識別技術。語音識別技術是將人類的語音信息轉化為機器可識別的文本信息[5]。常用的語音識別方法包括基于動態時間調整技術、矢量量化技術、隱馬爾可夫模型技術和人工神經網絡技術[6]。本文使用的是基于百度AI開放平臺的語音識別技術，可以將60 s內的語音快速識別為文字，適用于語音搜索、人機對話等語音交互場景。它的優勢在于采用SMLTA語音識別模型，近場普通話語音識別準確率可達98%，能高精準地實現中英文混合語音識別輸入，適用于車內場景[7]。

2)氛圍燈控制原理。目前車載RGB氛圍燈常見設計是由一個氛圍燈芯片控制驅動單顆RGB光源，通過LIN與車身BCM通信。工作原理如圖1(a)所示。由于單顆芯片只能驅動一顆RGB光源，因此該設計只能用于小規模的應用場景，對于LED數量比較多、功能更復雜的系統來說，主要有以下缺點：系統為了實現復雜的功能，需要大量的電子元件和連接線，體積較大，成本太高；通過LIN線通信，傳輸速度和節點數量都受限制，存在傳輸延遲和電磁干擾(EMI)可靠性問題；系統中每顆RGB LED都需要光色和波長校準，色溫漂移后的光色和亮度一致性難保證。

圖1(b)所示是一種基于最新ISE LED技術的Smart_RGB氛圍燈照明方案：將RGB LED、LED驅動和通信鏈集成到一個IC封裝里，每個IC就是一個獨立的節點，所有節點和主控制器通過總線串聯，由主控制器與車身BCM進行通信。相比傳統方案，它的優點主要有：器件實現封裝集成化，電路簡單，對于越復雜的系統，越可以顯著降低成本；雙向差分串行總線通信，支持節點數多，傳輸速度快，延時短，EMI可靠性好；支持LED內部白平衡校準，顏色和亮度BIN統一，帶有診斷和自動溫度補償功能。

圖1 兩種RGB氛圍燈系統的工作原理Fig.1 Working principle of two RGB ambient lamp systems

兩種方案的性能對比見表1。考慮到本設計安裝在中控臺，要求結構體積不能太大；控制流暢，對傳輸延時要求高；系統節點多，動態一致性要求高的特點，故采用Smart_RGB作為氛圍燈設計方案。

表1 兩種氛圍燈方案性能對比Table 1 Performance comparison of the two RGB ambient lamp systems

2 系統設計

1)結構布置方式。本文提出的RGB交互氛圍燈，語音識別模塊安裝在靠近車機導航位置，擁有語音語義解析和通信功能，通過安裝在駕駛位附近的單個或陣列式聲音傳感器接收來自前排乘客的語音信息。RGB氛圍燈帶安裝在中控臺前部中央位置，內部集成了主控制器和若干顆Smart_RGB光源，如圖2所示。

圖2 系統布置位置Fig.2 Location of system layout

由于中控臺本身存在一定的弧度，為了便于安裝，需要氛圍燈帶本身能適應一定的彎曲度。所以在設計上使用柔性FPC材料作為LED的基板，硅膠作為燈帶的載體，通過擠塑的方式成型，光源側面布置，從頂部出光，通過增加光線在硅膠內部的反射，使出光耦合得更加均勻，如圖3所示。

圖3 LED燈帶設計Fig.3 Design of LED lamp belt

2)硬件電路設計。硬件設計中的語音接收裝置采用安裝在前排駕駛位附近的環形6+1 mic陣列，用于室內語音輸入，支持聲源定位、噪聲消除等處理算法。語音識別模塊使用的是瑞芯微RK3308智能語音開發套件，采用64位4核ARM Cortex-A35 設計，高性能滿足實時語音識別算法的需求，支持最大8通道模擬MIC陣列+回采，擁有硬件語音檢測單元(VAD)，此外還通過UART擴展了一個通信單元，采用NXP的HS-CAN收發器TJA1044。

交互氛圍燈帶由一個主控制器和若干個Smart_RGB節點組成，主控制器單元的核心MCU選用NXP的S32K144系列處理器，支持ISE LED功能調試，最快速度可達112 MHz；每一顆Smart_RGB芯片內部都封裝了inova IC和一個RGB LED光源，主控制器和Smart_RGB之間通過雙向串行總線連接。整個系統的硬件框圖如圖4所示。

3)軟件調試。圖5所示是Smart_RGB的調試界面，可以根據控制命令使RGB氛圍燈實現多種動態RGB變換效果，比如呼吸、漸變、流水、閃爍等特效。根據RGB氛圍燈可實現的動態效果和接收的語音控制命令，定義系統在不同模式下RGB氛圍燈的工作狀態，如表2所示。

表2 功能模式狀態定義

3 發光效果評價

本文設計的RGB交互氛圍燈帶如圖6所示，以下主要從出光的均勻性和控制的協調感兩個角度去評估RGB交互氛圍燈的發光效果。

圖6 RGB氛圍燈帶Fig.6 RGB ambient lamp

1)光學評價。用亮度計對交互氛圍燈進行測試，結果如圖7所示，其中平均亮度達到12 cd/m2，出光區域的最大亮度和最小亮度之差小于2，整體出光均勻，沒有明顯色差。由于交互氛圍燈安裝在中控臺前部，需要防止對主副駕駛位產生光干擾，依據主駕位和副駕駛位的眼點坐標對場景進行模擬，結果顯示內飾反射光帶與外部光源的亮度比值約1∶10，不會造成光干擾。

圖7 光學測試報告Fig.7 Optical test report

2)效果評價。為使語音輸入的節奏和交互氛圍燈的效果結合起來更加協調，圖8是依據語音模式制作的調試界面，可以模擬多種工作模式下的RGB氛圍燈效果，通過改變語音速度、強度、能量值等與氛圍燈節奏變化的比例，使系統的控制響應更加順暢，氛圍燈伴隨著語音的變化呈現更加自然的效果。

圖8 模擬調試界面Fig.8 Simulation debugging interface

4 結束語

本文提出的RGB交互氛圍燈設計，利用燈光對語音輸入進行信息互動，通過發光模式的切換提示當前系統的工作狀態，帶來舒適的氛圍體驗的同時，

不影響正常的安全駕駛，符合汽車智能輔助駕駛的發展趨勢。需要注意的是，本文介紹的只是一個設計模型樣件，后續將就提高優化配光的均勻性、增加語音識別的精度、增強與其他氛圍燈的聯動效果等方面進行優化。由于燈光的主觀評價性很強，因此在氛圍燈實際開發中還需要吸取使用者的意見，以增強產品的用戶體驗感。