淺談HUD（抬頭&平視顯示）整車布置設(shè)計(jì)思路及系統(tǒng)解決方案

楊茂華

摘 要：通過(guò)個(gè)人的理解、感受和體會(huì)，針對(duì)HUD（抬頭&平視顯示）新技術(shù)、新配置，介紹當(dāng)前的現(xiàn)狀，闡述個(gè)人的意見和主張。

關(guān)鍵詞：HUD（抬頭&平視顯示） W-HUD AR-HUD（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)HUD） 黑科技 整車布置 整車集成

1 HUD的當(dāng)前現(xiàn)狀

HUD（英文名為Head Up Display，中文名為抬頭&平視顯示）作為一項(xiàng)新技術(shù)、新配置，HUD已經(jīng)在高端豪華品牌車型（如奧迪、奔馳、寶馬、大眾、雷克薩斯、英菲尼迪、豐田、本田、馬自達(dá)、日產(chǎn)、捷豹、標(biāo)致、雪鐵龍、DS、通用、雪佛蘭、沃爾沃、凱迪拉克、別克等）日益普及。目前，國(guó)內(nèi)自主品牌廠家（如奇瑞、吉利、長(zhǎng)城、長(zhǎng)安、廣汽、上汽、紅旗、東風(fēng)、蔚來(lái)、威馬等）也毫不示弱，部分車型已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，部分車型正在開展下一代產(chǎn)品的研發(fā)和技術(shù)儲(chǔ)備工作。

2 HUD的常見形式

無(wú)論對(duì)于前裝市場(chǎng)還是對(duì)于后裝市場(chǎng)而言，HUD的種類和形式很多。最為常見的有C-HUD（Combiner HUD，獨(dú)立鏡面光學(xué)設(shè)計(jì)，即組合式抬頭顯示系統(tǒng)）、W-HUD（Windshield HUD，與擋風(fēng)玻璃統(tǒng)一做光學(xué)設(shè)計(jì)，即風(fēng)擋式抬頭顯示系統(tǒng)）、MR-HUD（Mixed Reality HUD，混合現(xiàn)實(shí)）、AR-HUD（Augmented Reality HUD，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)式抬頭顯示系統(tǒng)，未來(lái)發(fā)展方向）等，分別如圖1、圖2示意所示。

本文將針對(duì)原廠前裝市場(chǎng)W-HUD布置設(shè)計(jì)思路及系統(tǒng)解決方案等予以重點(diǎn)介紹。

3 HUD的意義和用途

據(jù)統(tǒng)計(jì)，開車低頭或者轉(zhuǎn)移視線查看各種儀表顯示屏幕發(fā)生事故的概率是正常行駛狀態(tài)下的23倍左右，因此不低頭或者不專線視線開車才是相對(duì)最安全的。此項(xiàng)裝置剛好可以將車輛的車速信息、轉(zhuǎn)向信號(hào)、關(guān)鍵導(dǎo)航信息、夜視影像、定速巡航等顯示在車頭的前方。不僅解放了駕駛員過(guò)度低頭觀看各種儀表及顯示裝置的動(dòng)作，減輕了司機(jī)的疲勞強(qiáng)度;而且能夠讓駕駛員更加全神貫注于整車前方、兩側(cè)各種路況及突發(fā)情況，提高了駕乘的便利性和安全性（特別是夜間高速行駛狀態(tài)）。

4 W-HUD的結(jié)構(gòu)及工作原理

W-HUD系統(tǒng)有兩大關(guān)鍵部件，一是投影單元（內(nèi)部集成了投影儀、反射鏡、投影鏡、調(diào)節(jié)電機(jī)及控制單元，控制單元與車輛數(shù)據(jù)總線連接，獲取車速、導(dǎo)航等信息，并在投影儀輸出圖像）、二是顯示投影的玻璃。

HUD的原理類似于幻燈片投影，由投影儀發(fā)出圖像，經(jīng)過(guò)“反射鏡”反射到“投影鏡”上，再由“投影鏡”反射到風(fēng)擋玻璃。這樣以來(lái)，駕駛員可以近似于平視的視覺查看HUD所顯示的內(nèi)容（備注：實(shí)際上人眼看到的是位于眼前2米左右的虛像，看起來(lái)像是信息懸浮在前方的路上）。

5 HUD的整車布置設(shè)計(jì)思路及系統(tǒng)解決方案

HUD作為整車中的一種配置，設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程通過(guò)“設(shè)計(jì)與仿真”、“主觀評(píng)價(jià)”、“客觀試驗(yàn)”等方法和手段，從而保證“人、車、料、法、環(huán)、測(cè)”的最佳實(shí)踐與有機(jī)統(tǒng)一。本文從以下六個(gè)方面逐一進(jìn)行詳細(xì)論述，總體框架見表1。

5.1 “人”

對(duì)于乘用車上的任何裝置而言，必須“以人為中心”而展開。對(duì)于HUD而言，必須滿足駕駛員的“可視性”以及“無(wú)反光成像”等問(wèn)題。其中，“可視性”主要是重點(diǎn)關(guān)注方向盤、儀表板帽檐等是否影響駕駛員對(duì)于信息的讀取和判斷;“反光成像” 主要是重點(diǎn)關(guān)注W-HUD自身及其飾框是否會(huì)在風(fēng)擋玻璃成像進(jìn)而影響駕駛員的前方視野。

5.2 “車”

如今，車輛已不再是一種簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的“代步工具”，更像是一種“可移動(dòng)的家庭”，又更像是一種個(gè)人品味、身份地位的象征。因此，市場(chǎng)車輛需要體現(xiàn)科技、豪華同時(shí)滿足各種安全（除霜除霧性能、安全性能）、舒適（空調(diào)性能、NVH性能、視野性能）需求等。

5.3 “料”

5.3.1 HUD模塊

對(duì)于HUD自身而言，由于其有大量的數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)傳輸，必須計(jì)算網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率并評(píng)估整車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，否則會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)過(guò)載而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓的嚴(yán)重問(wèn)題和后果;HUD工作時(shí)也會(huì)伴隨特定的風(fēng)扇噪音，故必須采取特殊的NVH措施予以規(guī)避。

5.3.2 CCB

對(duì)于HUD安裝部件“CCB”（儀表板橫梁）而言，額外承載后的CCB支架剛度、強(qiáng)度、碰撞安全等必須綜合考慮、全面評(píng)估。在周邊條件嚴(yán)重受限的情況下，必要時(shí)可以采取特殊的材料、工藝、結(jié)構(gòu)及技術(shù)等予以解決。

5.3.3 IP

對(duì)于HUD外觀配合件“IP”（儀表板）而言，必須綜合考慮“配備HUD”與“非配備HUD”的兩種情況。造型設(shè)計(jì)時(shí)，必須兼顧兩種進(jìn)行綜合考慮情況，確保儀表板型面的兼容和并用;同時(shí)，模具設(shè)計(jì)時(shí)可以參考PAB（附加安全氣囊）撕裂結(jié)構(gòu)形式，確保模具的最大限度的共用和開發(fā)費(fèi)用上的最小投入。

5.3.4 風(fēng)擋玻璃

對(duì)于HUD成像載體風(fēng)擋玻璃而言，必須合適的曲率半徑從而滿足相應(yīng)的成像要求。若新車型具有配備HUD計(jì)劃時(shí)，在項(xiàng)目開發(fā)初期，工程部門需與造型部門進(jìn)行充分溝通，確保風(fēng)擋曲面曲率達(dá)到所需要求（投影區(qū)域橫向曲率經(jīng)驗(yàn)范圍：≥3500，投影區(qū)域縱向曲率經(jīng)驗(yàn)范圍：≥7000;且玻璃曲率波動(dòng)范圍不得大于20%）。否則，后期將會(huì)帶來(lái)周邊件大量的更改，如：頂蓋總成、側(cè)圍總成、下橫梁總成、IP、A柱護(hù)板、頂棚、內(nèi)后視鏡及護(hù)罩、下裝飾板及端蓋、雨刮等周邊件。同時(shí)，為了避免“圖像重影”的問(wèn)題，風(fēng)擋玻璃需要采用特殊的結(jié)構(gòu)和工藝，如“楔形夾層”設(shè)計(jì)等。

5.4 “法”

5.4.1 設(shè)計(jì)仿真

HUD自身成像效果直接影響到顧客的感知和購(gòu)買意愿，必須針對(duì)可能出現(xiàn)的“圖像畸變和扭曲”現(xiàn)象通過(guò)專業(yè)的軟件進(jìn)行前期仿真。

由于W-HUD布置在儀表板的上方，如果不能進(jìn)行充分分析和評(píng)估，勢(shì)必產(chǎn)生“反光、成像”等嚴(yán)重的問(wèn)題。目前，可以借助于光學(xué)分析軟件如Optis軟件進(jìn)行仿真。以便優(yōu)化其布置位置及周邊關(guān)聯(lián)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而避免客戶使用的抱怨。

同時(shí)，由于W-HUD體積及尺寸較大，勢(shì)必會(huì)對(duì)前除霜除霧、側(cè)除霜除霧以及前吹面風(fēng)道的邊界和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)較大的挑戰(zhàn)，為了滿足“除霜除霧法規(guī)”要求以及“空調(diào)舒適性能”要求，可以借助CAE手段和CFD分析軟件進(jìn)行“熱管理”的仿真和模擬。

5.4.2 新技術(shù)、新材料、新工藝

若因W-HUD自身空間導(dǎo)致前除霜除霧口位置及開口尺寸惡化，可以借助“前風(fēng)擋電加熱”技術(shù)去滿足“前除霜除霧法規(guī)”的要求。目前，捷豹某車型在此有較好的探索和嘗試。

5.4.3 DFA&DFM SE

目前，可能的裝配順序方案主要有兩種：方案1，IP橫梁CCB帶HUD支架→空調(diào)蒸發(fā)器及風(fēng)道→HUD主機(jī)→IP及HUD護(hù)框;方案2，IP橫梁帶HUD支架→IP及HUD護(hù)框→HUD主機(jī)→空調(diào)蒸發(fā)器及風(fēng)道。當(dāng)然，對(duì)于拆卸順序，剛好與之相反。由于周邊件增多，為了降低生產(chǎn)裝配成本及售后維修成本，生產(chǎn)制造部門、售后維修部門必須做好SE同步工程（Simultaneous Engineering/同步工程），確保DFA（Design for assembly/可裝配性設(shè)計(jì)）、DFM（Design for Maintenance可維修性設(shè)計(jì)）最佳實(shí)踐。

5.5 “環(huán)”

對(duì)于HUD“環(huán)境”而言，太陽(yáng)光線是最大的挑戰(zhàn)，必須處理好“反光和成像”的問(wèn)題。

與此同時(shí)，自然環(huán)境也是必須考慮的重要因素，為了滿足特殊地理位置及極端氣候條件，必須滿足空調(diào)制冷與制熱，除霜與除霧的最佳效果。

5.6 “測(cè)”

5.6.1 客觀試驗(yàn)

對(duì)于“測(cè)”來(lái)說(shuō)，就是“客觀試驗(yàn)”。對(duì)于“空調(diào)舒適性能”及“除霜除霧法規(guī)”等，還必需借助實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行最終的確認(rèn)和驗(yàn)證。

5.6.2 主觀評(píng)價(jià)

對(duì)于“反光、成像”、“空調(diào)舒適性能”等，除了采取設(shè)計(jì)仿真手段之外，還可以借助專業(yè)的主觀評(píng)價(jià)團(tuán)隊(duì)，通過(guò)實(shí)車主觀評(píng)價(jià)手段來(lái)驗(yàn)證和評(píng)價(jià)。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著市場(chǎng)變幻及消費(fèi)人群需求的變化，主機(jī)廠需要將HUD開發(fā)成物美價(jià)廉性價(jià)比高的配置，不斷地滿足和迎合顧客的期望和需求，從而擴(kuò)大新產(chǎn)品的亮點(diǎn)、賣點(diǎn)、魅力指數(shù)和競(jìng)爭(zhēng)力。另外，隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的日益成熟，AR-HUD將與ADAS有機(jī)結(jié)合，進(jìn)而在不遠(yuǎn)的未來(lái)綻放新的魅力和價(jià)值。