汽車ARHUD虛像位置調(diào)節(jié)控制方法淺析

張淑芳，賽影輝，米德旺，胡甜甜

（蕪湖汽車前瞻技術(shù)研究院有限公司 技術(shù)開發(fā)部，安徽 蕪湖 241009）

1 概述

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，汽車已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畈豢苫蛉钡慕煌üぞ撸S之而來(lái)的交通安全問(wèn)題越來(lái)越引起人們的注意，交通事故已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)危及人們生命財(cái)產(chǎn)的第一殺手。因此，汽車安全成為未來(lái)汽車發(fā)展的一個(gè)主要方向。ARHUD是一種汽車輔助視覺安全駕駛系統(tǒng)，將駕駛員需要的一些重要信息通過(guò)ARHUD的光路投射到汽車前風(fēng)窗玻璃上，顯示信息與周圍的實(shí)景融合，融合實(shí)景的光線經(jīng)過(guò)反射射入駕駛員眼睛，使駕駛員看到與實(shí)景融合的虛像。此虛像包含了導(dǎo)航AR信息、儀表顯示重要內(nèi)容以及ADAS的車道偏離及前車碰撞預(yù)警等信息，駕駛員不需要低頭查看儀表板，眼睛始終注視前視野路面，不會(huì)存在因低頭而影響安全駕駛。本文通過(guò)對(duì)投放到玻璃上的虛像位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，來(lái)適應(yīng)不同駕駛員對(duì)虛像位置的需求。本文分析的虛像位置調(diào)節(jié)方式有：開關(guān)調(diào)節(jié)、語(yǔ)音調(diào)節(jié)、手勢(shì)調(diào)節(jié)、唇語(yǔ)調(diào)節(jié)等。通過(guò)不同的調(diào)節(jié)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)駕駛員的不同駕駛感受，提供駕駛員的科技感和舒適感。

2 虛像位置調(diào)節(jié)的組成及工作原理

如需調(diào)節(jié)虛像首先要了解虛像的形成原理，虛像的形成過(guò)程：ADAS信號(hào)、儀表信號(hào)、導(dǎo)航AR信號(hào)、主機(jī)設(shè)置信號(hào)通過(guò)算法控制器，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合、建模、渲染、矩陣轉(zhuǎn)換等轉(zhuǎn)換到光機(jī)控制器可以接收和顯示的信號(hào)，光機(jī)通過(guò)PGU把圖像信息發(fā)射出來(lái)，通過(guò)熱處理、平面反射結(jié)構(gòu)、曲面放射結(jié)構(gòu)、畸變矯正結(jié)構(gòu)、去重影結(jié)構(gòu)最終把像反射到前擋風(fēng)玻璃上，再反射到駕駛員的眼球，最終駕駛員看到的像是擋風(fēng)玻璃上的虛像［2］。虛像形成的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 虛像形成的系統(tǒng)架構(gòu)

虛像位置調(diào)節(jié)主要組成部件：ARHUD的光機(jī)主板、反光鏡、調(diào)節(jié)電機(jī)、輸入部件及控制模塊。輸入部件為虛像調(diào)節(jié)開關(guān)、麥克風(fēng)、攝像頭、DMS攝像頭，輸入是虛像調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)，沒(méi)有輸入，虛像位置就固定不變。控制器接收輸入信號(hào)，并與控制器庫(kù)存儲(chǔ)文件對(duì)比計(jì)算并把信號(hào)發(fā)給光機(jī)主板，控制器大多集成在音響主機(jī)里。主板接收信息并把信息轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行文件把信息發(fā)給執(zhí)行器調(diào)節(jié)電機(jī)。調(diào)節(jié)電機(jī)調(diào)整反光鏡位置，最終實(shí)現(xiàn)虛像位置調(diào)節(jié)。

虛像位置調(diào)節(jié)工作原理如圖2所示。輸入部件調(diào)節(jié)開關(guān)上下左右調(diào)節(jié)信號(hào)、麥克風(fēng)接收到的語(yǔ)音信號(hào)、攝像頭讀取的手勢(shì)信號(hào)和唇語(yǔ)信號(hào)、DMS攝像頭讀取的駕駛員眼球信號(hào)，輸入部件把輸入信號(hào)通過(guò)硬線發(fā)送給音響主機(jī)控制器，音響主機(jī)把這些輸入信息與庫(kù)文件進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，當(dāng)與存儲(chǔ)的庫(kù)文件一致時(shí)把調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)送給ARHUD的光機(jī)主板，主板控制調(diào)節(jié)電機(jī)對(duì)反光鏡的上下左右位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，虛像根據(jù)反光鏡不同位置在玻璃上呈現(xiàn)的不同位置，達(dá)到用戶的合適視野位置，從而實(shí)現(xiàn)了虛像的調(diào)節(jié)。

圖2 虛像位置調(diào)節(jié)工作原理圖

3 虛像位置調(diào)節(jié)方法

虛像的調(diào)節(jié)主要是對(duì)光路的調(diào)節(jié)，光路的主要組成元件有：發(fā)光源PGU、平面反光結(jié)構(gòu)、散熱處理結(jié)構(gòu)、二次平面反射結(jié)構(gòu)、曲面反射結(jié)構(gòu)、遮光結(jié)構(gòu)和成像結(jié)構(gòu)，整個(gè)光路的成型［1］如圖3所示。調(diào)節(jié)虛像就是通過(guò)調(diào)節(jié)這些光路元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)分析，發(fā)光源PGU是帶電部件，長(zhǎng)期調(diào)整容易使其失效，例如出現(xiàn)斷電和元器件損壞風(fēng)險(xiǎn)，因此此件不建議調(diào)節(jié)；平面反光結(jié)構(gòu)一般是固定結(jié)構(gòu)，經(jīng)分析此件也不適合調(diào)節(jié)；曲面反光結(jié)構(gòu)面積比較大，件的位置也是可變動(dòng)的，調(diào)節(jié)此件的角度可調(diào)整虛像的位置到玻璃上駕駛員需要的位置。曲面鏡的位置調(diào)整是通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入是由光機(jī)控制器給出調(diào)整指令，光機(jī)控制器的指令是由不同輸入來(lái)確定的，本次分析主要是根據(jù)輸入的不同，來(lái)實(shí)現(xiàn)虛像位置調(diào)節(jié)。本次分析的輸入方式有語(yǔ)音輸入調(diào)節(jié)、手勢(shì)輸入調(diào)節(jié)、唇語(yǔ)輸入調(diào)節(jié)、開關(guān)輸入調(diào)節(jié)和DMS主動(dòng)調(diào)節(jié)。下文對(duì)不同的輸入調(diào)節(jié)分別詳細(xì)表述。

圖3 虛像位置調(diào)節(jié)原理圖

3.1 語(yǔ)音調(diào)節(jié)法

語(yǔ)音輸入調(diào)節(jié)的關(guān)鍵是語(yǔ)音庫(kù)、接收語(yǔ)音的麥克風(fēng)，庫(kù)文件一般存儲(chǔ)在音響主機(jī)控制器里，當(dāng)麥克風(fēng)接收到語(yǔ)音時(shí)，會(huì)與語(yǔ)音庫(kù)文件進(jìn)行對(duì)比，例如語(yǔ)音庫(kù)里存儲(chǔ)了大量類似于“ARHUD上調(diào)10mm”“ARHUD下調(diào)10mm”“ARHUD左調(diào)10mm”“ARHUD右調(diào)10mm”“ARHUD調(diào)到最上面”“ARHUD調(diào)到最下面”“ARHUD調(diào)到最左面”“ARHUD調(diào)到最右面”等控制器庫(kù)語(yǔ)言，當(dāng)麥克風(fēng)接收到對(duì)應(yīng)的語(yǔ)音與庫(kù)文件匹配時(shí)，控制器給光機(jī)控制器發(fā)送指令，讓光機(jī)控制器給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送指令，步進(jìn)電機(jī)按指令內(nèi)容開始執(zhí)行調(diào)整動(dòng)作，調(diào)節(jié)曲面鏡的角度把虛像投射到駕駛員需要的位置。麥克風(fēng)接收的語(yǔ)音與庫(kù)文件在控制器中的關(guān)系、邏輯圖如圖4所示。

圖4 虛像位置調(diào)節(jié)原理圖

3.2 手勢(shì)調(diào)節(jié)法

手勢(shì)輸入調(diào)節(jié)的關(guān)鍵是手勢(shì)庫(kù)、內(nèi)部攝像頭和主機(jī)界面。內(nèi)部攝像頭的作用是拍攝手勢(shì)的動(dòng)作。當(dāng)主機(jī)界面打開到ARHUD調(diào)節(jié)界面，同時(shí)攝像頭攝取到手勢(shì)上下左右動(dòng)作，主機(jī)控制器進(jìn)行匹配核算，主機(jī)內(nèi)部控制需要把界面、動(dòng)作庫(kù)、手勢(shì)動(dòng)作同時(shí)匹配成功后輸出調(diào)節(jié)信號(hào)，此信號(hào)發(fā)送給光機(jī)控制器，光機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)調(diào)節(jié)電機(jī)調(diào)節(jié)曲面鏡的角度，來(lái)實(shí)現(xiàn)手勢(shì)調(diào)節(jié)虛像。虛像位置調(diào)節(jié)效果見圖5。庫(kù)文件中保存了不同的手勢(shì)方向如上下左右，也存儲(chǔ)了手勢(shì)的調(diào)整幅度，例如手勢(shì)向上的距離長(zhǎng)短，都能與攝像頭攝取的手勢(shì)相匹配，同時(shí)通過(guò)模糊算法，把一些不確定的手勢(shì)標(biāo)準(zhǔn)化來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的人性化。

圖5 虛像位置調(diào)節(jié)效果圖

3.3 唇語(yǔ)調(diào)節(jié)法

唇語(yǔ)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵是唇語(yǔ)庫(kù)、內(nèi)部攝像頭、麥克風(fēng)和主機(jī)界面。內(nèi)部攝像頭的作用是拍攝駕駛員的唇語(yǔ)動(dòng)作，麥克風(fēng)接收到微弱聲音信號(hào)。當(dāng)主機(jī)界面打開到ARHUD調(diào)節(jié)界面，同時(shí)攝像頭攝取到唇語(yǔ)動(dòng)作，麥克風(fēng)接收到微弱信號(hào)，主機(jī)控制器進(jìn)行匹配核算，主機(jī)內(nèi)部控制需要把界面、動(dòng)作庫(kù)、聲音庫(kù)、唇語(yǔ)動(dòng)作、麥克風(fēng)聲音同時(shí)匹配成功后輸出調(diào)節(jié)信號(hào)，此信號(hào)發(fā)送給光機(jī)控制器，光機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)調(diào)節(jié)電機(jī)調(diào)節(jié)曲面鏡的角度，來(lái)實(shí)現(xiàn)唇語(yǔ)調(diào)節(jié)虛像。庫(kù)文件中存儲(chǔ)大量的語(yǔ)音和唇語(yǔ)庫(kù)動(dòng)作，如“虛像”“ARHUD”“調(diào)”“上”“下”“左”“右”“5mm”“10mm”“20mm”“30mm”等唇語(yǔ)動(dòng)作及聲音庫(kù)，當(dāng)駕駛員說(shuō)話時(shí)，通過(guò)攝像頭和麥克風(fēng)獲取信息通過(guò)計(jì)算可以輸出調(diào)節(jié)虛像信息。

3.4 開關(guān)調(diào)節(jié)法

開關(guān)調(diào)節(jié)比較簡(jiǎn)單，主要有調(diào)節(jié)開關(guān)、控制器。此控制器可以是音響主機(jī)也可以直接給光機(jī)控制器設(shè)定每次按下調(diào)整虛像的幅度，例如按一次調(diào)整曲面鏡的角度0.07°，虛像會(huì)向指定的方向調(diào)整5mm。開關(guān)設(shè)置上下左右調(diào)整按鍵，根據(jù)開關(guān)按鍵的選擇和按的次數(shù)輸出給控制器，控制器控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)整曲面鏡的角度，從而實(shí)現(xiàn)虛像的位置調(diào)節(jié)。

3.5 DMS自動(dòng)調(diào)節(jié)法

當(dāng)音響主機(jī)顯示界面打開到ARHUD虛像調(diào)節(jié)界面，DMS開始工作，DMS攝像頭攝取人眼球的位置，根據(jù)眼球位置自動(dòng)把虛像調(diào)節(jié)到駕駛員最方便的位置，這個(gè)位置的確定是根據(jù)標(biāo)定的參數(shù)來(lái)設(shè)置的，根據(jù)人的身高和駕駛習(xí)慣把高度和虛像位置標(biāo)定到主機(jī)控制器中，主機(jī)控制接收到DMS攝像頭的駕駛員人眼的位置，把調(diào)整信息發(fā)送給光機(jī)控制器，光機(jī)控制器控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)整曲面鏡位置，從而實(shí)現(xiàn)虛像位置調(diào)節(jié)。

4 總結(jié)

ARHUD虛像的調(diào)節(jié)根據(jù)輸入的不同調(diào)節(jié)方式也不同，不論是哪種調(diào)節(jié)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)都是一樣的，都是通過(guò)步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)曲面鏡的角度實(shí)現(xiàn)虛像位置的變動(dòng)，最終在前擋風(fēng)玻璃上投射形成滿足駕駛員位置和舒適度的虛像。根據(jù)輸入的不同，控制器處理的內(nèi)容和信號(hào)的算法和庫(kù)文件不同，輸入總結(jié)為兩類：一類是語(yǔ)音類，如唇語(yǔ)和語(yǔ)音調(diào)節(jié)；另一類為動(dòng)作類，如手勢(shì)、開關(guān)和DMS自動(dòng)調(diào)節(jié)。語(yǔ)音類輸入主要是控制器里的語(yǔ)音庫(kù)，動(dòng)作算法主要是圖像的動(dòng)作庫(kù)。本文通過(guò)對(duì)不同輸入形式的詳細(xì)分析給ARHUD設(shè)計(jì)提供新的可選課題［3］，給設(shè)計(jì)人員做了豐富的鋪墊，為ARHUD的發(fā)展打開了新的大門，促進(jìn)了汽車行業(yè)智能化的發(fā)展。同時(shí)也給用戶提供了新的體驗(yàn)，帶來(lái)新的舒適性和便利性。