基于增強現實技術的汽車維修輔助系統設計

劉仕嬋

（欽州市交通運輸服務中心，廣西 欽州 535000）

增強現實（AR）是一門融合了信號學、心理學、計算機圖形學等多門學科的新型技術，它是以真實場景為基礎，利用傳感器、掃描儀等設備采集真實環境信息后，在計算機環境下生成虛擬的三維圖像，模擬真實環境?；谠鰪姮F實技術設計的汽車維修輔助系統，除了直觀、精確地展示汽車各個部分的圖像外，還可以支持人機交互，這就為用戶在人機交互界面的引導下輕松完成汽車維修任務提供了技術支持。隨著AI、AR 等技術的不斷成熟，汽車維修輔助系統的功能日益豐富、操作門檻不斷降低，讓用戶自己動手完成汽車維修成為了可能。

1 汽車輔助維修系統的架構設計

按照常規的汽車維修流程設計了汽車輔助維修系統，該系統的架構見圖1。

識別車輛信息是汽車維修輔助系統應用的第一步。針對用戶容易認錯汽車型號的問題，該系統采用微軟公司生產的AR 眼鏡HlolLens 作為環境感知攝像頭和色彩攝像頭，對用戶前方的場景進行快速掃描，利用圖像識別技術提取場景中的關鍵信息，并經過計算機的匹配確認汽車的型號，車輛識別結果以靜態圖片的方式反饋給用戶。獲取故障信息也是汽車輔助維修系統設計的要點之一，本系統可調取汽車的維修保養記錄、日常操作記錄、車況信息等，確定故障并提供故障相關的信息。

2 基于增強現實技術的汽車維修輔助系統操作流程

汽車維修輔助系統運行后，由用戶選擇車輛信息識別方式，有“視覺掃描”、“語音搜索”兩種方式。選擇后即可開始車輛信息識別。執行一個判斷程序“是否識別車輛信息？”，如果未成功識別，則更換另一種識別方式；識別成功后，系統根據獲取到的汽車牌照、車輛型號、生產廠商代碼等相關信息，掌握汽車的基本數據。系統同步獲取汽車的日常維修保養記錄，結合掃描或語音獲取的車輛信息，可以判斷汽車各個部件的當前狀況，并且以標簽形式呈現。正常工況下標簽為綠色，異常工況下標簽為紅色，需要維修時標簽為黃色。對于需要維修的部件，該系統提供本地應用輔助和遠程專家協助2 種維修輔助。優先啟用本地應用輔助，然后執行一個判斷程序“是否解決維修問題？”，如果問題已經解決，則繼續執行下一步操作；如果問題未解決，則啟用遠程專家協助，通過視頻通話的方式由專家遠程指導用戶完成維修。汽車維修結束后，維修記錄以檔案形式留存，用戶可手動添加下一次需要維護保養的內容，結束本次維修任務。汽車維修輔助系統的運行流程見圖2。

3 基于增強現實技術的汽車維修輔助系統視覺與交互設計

3.1 開發設備

本系統以HoloLens 設備作為開發對象，該設備內置Intel2-bit（1GHz）的CPU，以及最大2 GB 的RAM和64 GB 的硬盤容量。鏡面部分采用2.4 M光導透明全息眼睛，視角30°×18°，并配備有加速器、陀螺儀和光度傳感器。操作系統Windows10，支持Wifi 連接和藍牙連接，滿電最長待機時間為15 d。設備功能及組成見圖3。本系統所用的HoloLens 設備支持3 種人機交互模式，分別是Ge 模式（手勢）、Ga 模式（凝視）和V 模式（語音）。默認模式為Ga 模式，該模式下用戶可通過長時間注視（視角停留3s）虛擬物體的方式進行點選，在點選模式下移動頭部即可進行虛擬物體的拖拽[1]。

3.2 車輛信息識別模塊設計

本系統提供兩種識別汽車信息的模式，分別是視覺掃描、語音搜索，用戶可自行選擇。用戶通過點選的方式選擇其一，然后系統跳轉到相應的信息錄入界面。在視覺掃描模式下，利用HoloLens 設備快速完成用戶視線前方場景信息的掃描，并建立相應的模型。在Ga 模式下，用戶將視線對焦到汽車的車牌處、發動機出廠信息位置處，即可收集車牌信息、發動機出廠信息。如果掃描過程中存在車牌被遮擋，或者是車牌無損導致無法提取車牌信息，則用戶可手動切換為語音搜索模式，然后通過語音輸入的方式，將車牌信息輸入到汽車維修輔助系統中。在設計車輛信息識別模塊時，除了通過視覺掃描、語音搜索方式識別車輛，用戶還可以根據當前界面左上角的導航欄，確認當前在系統中所處的位置，并同樣以點選的方式，執行“上一步”或“下一步”操作。當然，用戶也可直接向系統發出語音指令，例如“進入車況查詢界面”，在系統識別該語音指令后作出相應的操作。

3.3 車況查詢模塊設計

在設計車況查詢模塊時，提供“標簽搜索”和“語音搜索”2 種查詢模式。用戶可通過手勢交互任選其一，點選之后完成界面的跳轉。為了更加直觀、間接地呈現汽車的全部零件，在設計環節需要建立一個獨立的汽車部件數據庫，以信息編碼的形式為每一個部件設計唯一的數字標簽[2]。

車況查詢結果以標簽形式顯示。部件性能正常，顯示為綠色標簽；當系統查詢到汽車某一部件存在故障時，即以紅色標簽顯示；而黃色標簽代表部件近期需要保養。用戶可點擊標簽獲取詳細信息。這里以汽車的火花塞部件為例，車況查詢完畢后，界面上火花塞部件顯示為紅色標簽。用戶可繼續點擊該標簽，進入到火花塞工況的詳情頁面，以圖文和語音相結合的形式詳細展示汽車火花塞存在的問題，以及接下來需要進行的維修操作，見圖4。

通過人機交互界面，用戶可以知道汽車火花塞存在積碳過多、間隙過大的問題，需要重新更換新的火花塞。如果需要立即執行該維修操作，則在當前界面上點擊“立即更換”，然后進入到“保養維修”模塊[3]。

3.4 保養維修模塊設計

該模塊是整個汽車維修輔助系統中的核心部分，其功能是指導用戶自主完成汽車常見故障的維修。在設計該模塊時，同樣提供了2 種輔助方式，即本地應用輔助維修、遠程專家協助維修。進入保養維修模塊后，系統界面上展示兩種維修方式，用戶可從中選擇一種。

在本地應用輔助功能設計時，需要在人機交互界面上精確地顯示待維修部件的具體位置。這里還是以汽車火花塞故障為例，可顯示火花塞外罩在發動機艙內的位置。同時，對于火花塞外罩的4 個固定螺絲采用增強現實信息高亮顯示，以便于用戶可以快速找到螺絲位置。然后系統通過3D 操作演示的方式，為用戶呈現火花塞外罩的拆卸方式，見圖5。

用戶根據界面提示，首先使用套筒扳手順時針擰下固定火花塞外罩的螺絲，將拆卸下來的螺絲統一放到塑料袋中，防止丟失。然后根據演示動畫向上拔起火花塞外罩。按照同樣的方法，完成舊火花塞的拆除和新火花塞的安裝。在維修操作中，如果用戶不清楚套筒扳手的具體型號，也可以通過語音輸入的方式，向系統詢問套筒扳手的型號，系統會提供套筒扳手的型號、形狀以及操作方法，以便于用戶正確選擇和規范操作[4]。

考慮到部分用戶在進行維修過程中，可能會因為緊張、粗心或者是不熟悉維修工具的使用方法，難免會出現不符合規范的誤操作。因此在設計保養維修模塊時，還加入了智能提醒功能。當用戶進行該項操作時，會在人機交互界面上出現提醒信息，如“注意：保持平緩用力，防止扯斷點火線圈外接電路”、“注意：向上拔起火花塞外罩要垂直發力，不可四周晃動”。

用戶可在“維修保養”界面點選“遠程專家協助”按鈕，此時系統從專家庫中自動匹配處于空閑狀態的專家。在專家選擇接受遠程服務后，自動建立連接，以遠程視頻通話的形式了解汽車故障，向用戶提供技術支持。通信建立后，專家可通過用戶的HoloLens 視角觀察維修場景，基于自身豐富的維修經驗判斷故障位置、故障類型，并遠程指導用戶完成維修[5]。

3.5 記錄提醒模塊設計

在維修記錄界面設計時，選擇了日歷形式標注維修日期、維修項目。例如，該汽車在10 月6 日進行一次火花塞更換的維修，在日歷上10 月6 日這一天會添加維修圖標，用戶可點擊該圖表進入維修保養日志的詳情界面。該界面會提供維修日期、維修內容、性能測試等信息，見圖6。

該模塊采用手勢交互和語音交互雙模態設計，既可以滿足用戶日常操作習慣，同時又能提升增強現實界面的交互效率。系統會定期刷新提醒信息，從而確保提醒信息與車況查詢模塊中提供的汽車零件狀態信息保持同步。采用顏色區分設計，如果汽車火花塞臨近保養時間，則在標簽搜索功能中將“火花塞”一項標記為黃色，提醒用戶及時更換。用戶更換火花塞后，手動修改提醒信息，將“待維護”修改為“已維護”，該信息同步到車輛狀態信息中，等到系統刷新信息后，標簽搜索功能中“火花塞”一項重新變為綠色。

4 結論

基于增強現實技術和多模態交互理論設計的汽車維修輔助系統，可以準確、全面地獲取汽車各個部件的工況，并基于用戶在汽車維修中的需求，提供相應的功能選項，以可視化的方式降低了用戶自主維修汽車的難度?？紤]到真實維修環境更加復雜，因此下一步還需要從多模態整合對用戶認知的影響以及平衡用戶視覺注意力分配與聲音指令之間的關系等角度出發，繼續開展研究，從而使汽車維修輔助系統的人機交互體驗得到進一步提升。