DIY車輛的抬頭顯示模型研究

黃道燚 陳敏敏

摘? 要：隨著人們生活的提高和汽車的快速普及，汽車的車載元素越來越豐富，抬頭顯示（HUD）是一種以往只能在高級汽車上安裝的裝置，逐漸向普通車輛發展和普及。大部分人喜歡性價比高，車型新穎的汽車，其中一部分樂于動手的青年更喜歡購買低配的汽車版本，然后自己對汽車的內飾、功能等進行DIY設計。文章講述設計一套針對DIY功能車輛的HUD系統模型，該模型除了普通HUD具有的溫度、車速、時間等顯示功能外，還具備有手勢控制音樂播放、氛圍燈等年輕人喜歡的新功能，具有推廣和應用的價值。

關鍵詞：HUD；手勢控制；DIY車輛；單片機

中圖分類號：TP368；TN91? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）06-0153-04

Research on HUD Model of DIY Vehicles

HUANG Daoyi1，2， CHEN Minmin1，2

（1.Shanwei Institute of Technology， Shanwei? 516600， China; 2.Shanwei Marine Industry Institute， Shanwei? 516600， China）

Abstract： With the improvement of people's lives and the rapid popularization of vehicles， the on-board elements of vehicles are becoming more and more abundant. HUD （Head Up Display） ， a device that can only be installed on high-end vehicles in the past， is gradually developing and popularizing to ordinary vehicles. Most people like vehicles with high cost performance and novel models. Some young people who are willing to do their own work prefer to buy vehicles with low configuration and DIY （Do It Yourself） the interior and functions. This paper describes the design of a HUD system model for DIY function vehicle. In addition to the temperature， speed， time and other display functions of ordinary HUDs， this model also has gesture control music playing， atmosphere lights and other new functions that young people like， and has the value of promotion and application.

Keywords： HUD; gesture control; DIY vehicle; Single-Chip Microcontroller

0? 引? 言

隨著技術的發展和價格的降低，汽車的普及率越來越高。不同年齡層次的顧客，對汽車的需求方向不同，購買能力也有所差異。由于汽車價格的降低和家庭的支持，年輕人購車的人數逐步提升，但是由于剛入職場，收入不高，所以大部分人喜歡性價比高、車型新穎的汽車，對車內外裝飾個性化需求高，熱愛新奇、炫酷的功能。本文針對年輕購車一族對車飾個性化需求的特點，設計一套符合其個性的車內抬頭顯示系統。

1? 系統總體框架

系統總體框圖如圖1所示，系統主控芯片為STM32103

C8T6，其負責收集個傳感器的數據，收集OpenMV Plus圖像處理模塊識別手勢結果信息，通過藍牙模塊獲取汽車主顯示平板的位置、車速等信息，然后進行信息處理，將交互信息通過LCD投影顯示模塊進行顯示，將手勢識別信息轉化為控制指令，通過藍牙模塊，對平板歌曲、視頻進行播放控制，或者對RGB彩燈帶進行驅動控制。汽車平板APP為自主設計，安裝到汽車的Android平板上，其主要功能實現音樂播放、視頻播放、位置信息獲取、車速計算，將數據上傳到網絡數據庫的功能，同時通過讀取網絡數據庫[2]的數據信息，統計處理后向用戶提供系統歷史信息和統計信息。

2? 系統硬件設計

系統硬件主要包括：STM32最小系統電路、藍牙模塊電路、OpenMV-Plus圖像處理模塊電路[3]、傳感器電路、LCD投影顯示模塊電路、系統電源電路。下面對各個部分分別做闡述。

2.1? STM32最小系統電路

主控芯片采用STM32F103C8T6，其運行速度較快，且外部I/O能夠滿足整個系統外設的驅動，并且運行速度較快，價格低廉，性價比較高。主控芯片負責整個系統各個模塊之間的調配和通信、處理等功能，為整個系統的核心處理器。具體包括：驅動兩個溫度、溫濕度傳感器，獲取其測試值；驅動RGB彩燈模塊，實現各種彩燈效果；與OpenMV模塊經串口進行通信，獲取其手勢處理結果；與藍牙模塊進行通信，經其獲取汽車平板數據信息；通過IIC通信驅動抬頭顯示屏像源LCD模塊進行顯示。系統主控芯片為STM32F103C8T6，其運行最小系統和連接如如圖2所示。

2.2? 藍牙模塊電路

藍牙模塊采用HC06模塊，其特點為性能穩定，能將串口數據轉化為藍牙通信，需要的驅動管腳少。其的功能主要是通過藍牙通信連接主控芯片和汽車平板APP，完成兩者間的數據交互。主控芯片通過異步通信串口1與其進行通信。而其采用藍牙通信與平板APP實現通信，模塊起到中繼的作用，進行數據和指令間的交換。藍牙模塊電路及其連接如圖3所示。

2.3? OpenMV Plus圖像處理模塊電路

OpenMV Plus模塊電路如圖4所示，它是一款圖像處理模塊，其中OpenMV 4-Plus模塊性能高，本身自帶攝像頭，能夠進行拍照和圖像處理，可以運行在邊緣計算服務器上機器訓練出來的圖像識別模型。系統采用該模塊對人體的各種手勢圖片采集后，在進行服務器上進行訓練學習識別模型，再將識別模型加載到模塊運行，模塊運行后將識別學習后的結果通過主控芯片異步串口3發送到主控芯片進行處理[3]。

2.4? 傳感器電路

傳感器電路包括車內溫濕度檢測DH11、發動機水箱溫度傳感器DS18B20電路，主要功能實現車內和水箱溫度的監測和顯示，如圖5、圖6所示。兩種傳感器模塊皆為單線通信，分別使用主控芯片的兩個IO口進行驅動和控制。其中安置在水箱的溫度傳感器DS18B20模塊使用帶有防生銹金屬外殼，使其具有防水功能，可在水中長期穩定工作。

2.5? RGB彩燈帶電路

RGB彩燈帶主要是作為DIY汽車的氛圍燈，采用WS2812燈珠模塊[4]，其特點是內部自帶RGB驅動芯片并且可以進行級聯，氛圍燈總共由一百顆燈構成燈帶，電路如圖7所示，主控芯片只需單線便可以對所有彩燈進行全彩控制，節省I/O口。

2.6? LCD投影顯示模塊電路

LCD投影顯示模塊電路主要作為抬頭顯示系統的信息源：由主控芯片控制顯示車輛的一些關鍵數據，包括車速、車溫等。LCD顯示后經光學系統[5]，投影在駕駛座前方玻璃上。顯示LCD采用IIC通信的方式，通過主控芯片的I/O模擬IIC的通信，將顯示信息傳遞給LCD顯示模塊，如圖8所示。

2.7? 系統電源電路

系統電源電路如圖9所示，主要功能從汽車的電源系統中獲取電能，并進行電壓轉化和穩壓，從而提供整個抬頭顯示系統各個模塊所需求的電源電壓。汽車系統能夠提供12 V的電壓，需要進行降壓和轉化才能滿足各個模塊之間各種電壓，使用AMS1117穩壓模塊對12 V電壓進行轉化，轉為5 V和3.3 V的電壓，滿足系統的電能需求。

3? 軟件系統設計

軟件系統設計部分包括：主控芯片STM32的程序設計、汽車Android屏幕平板應用APP設計、用戶手機APP設計，下面對各個部分分別進行闡述。

3.1? 主控芯片的程序設計

系統主控芯片STM32F103C8T6的程序設計流程如圖10所示。

主控芯片為整個硬件系統的核心，系統采用STM32F103

C8T6兼顧了性能和價格，芯片性能和管腳都能滿足整個系統的運行和協調。其軟件設計的功能，主要負責整個系統各個模塊之間的通信、協調、驅動、控制等工作。

3.1.1? 系統初始化

系統啟動后，首先對主控芯片的各個外設，包括I/O口、系統頻率、波特率等初始化工作；系統串口通信的波特率為115 200 Hz。

3.1.2? 獲取傳感器溫度值

獲取汽車水箱溫度，采用DS18b20溫度計模塊，選擇具備防水外殼的種類，可在水環境下長期運行，模塊特點除電源線外，單線進行通信，使用主控芯片的一個I/O口模擬其通信電平，與之進行通信，獲取溫度值[6]。使用DH11溫濕度模塊對汽車內部溫濕度進行采集，同樣該模塊也單線通信，也由普通I/O完成對其數據的采集。其中包括數據的提取、校驗后，再將數值轉化為顯示字符串信息存儲，等待送入LCD模塊進行顯示。

3.1.3? 獲取汽車姿態信息

主芯片使用異步串口通信與藍牙模塊HC06進行數據交互，藍牙模塊經藍牙通信模式與汽車平板APP進行通信，汽車平板APP將獲取到的車速、位置信息傳送給主控芯片，位置信息由平板APP經平板的GPS模塊提供，并通過百度地圖服務器轉化為具體的城市街道位置信息，車速同樣由GPS位置信息經服務器計算獲取。

3.1.4? 信息顯示

主控芯片驅動投影LCD，將水箱溫度、車內溫濕度、車速等信息顯示到屏幕上。LCD模塊為IIC通信，主控芯片使用兩個I/O口進行IIC通信模擬，最終將顯示圖像信息發送到屏幕驅動模塊，對屏幕進行驅動顯示。

3.1.5? 獲取手勢信息

通過串口與OpenMV圖像處理模塊進行通信，獲取其識別手勢處理的結果[7]。手勢的識別，主要由OpenMV內部運行的識別模型來完成。主控芯片則通過設定的通信協議，從OpenMV模塊發送過來的信息進行處理。

3.1.6? 控制處理

將手勢處理結果轉化為控制動作，控制APP音樂播放音量、上下曲等，控制RGB燈帶進行各種模式彩燈氛圍顯示，接收APP發送過來的數據，實現相似的控制。其中手勢識別處理結果為設定的固定數值指令，主控芯片收到后按照事先約定的通信協議對指令進行解碼和判斷，最后控制外部設備執行相應動作。RGB彩燈模塊使用了WS2812燈珠模塊，特點是可以進行單線無限級聯，主控芯片使用一個普通的I/O口對其驅動信號進行模擬。而控制APP的音樂播放方面，主要通過與APP設定的通信協議來完成，主控芯片發送特定的數據指令，APP收取后判斷并完成相應的操作。通信協議為自主設定的通信協議，幀頭兩組為0×55和數據長度，接下來四個個字節為識別結果的指令碼及其反碼，在程序里面實現數據校驗的功能。

3.2? 汽車Android平板APP設計

汽車DIY情況下，絕大部分情況下汽車平板屏幕采用Android系統，所以模型選用Android系統進行APP應用設計，使用APP Inventor進行開發，該開發工具簡單快速。該APP具有音樂播放、視頻播放、位置獲取、接入百度地圖API服務器、藍牙通信、觸摸控制等功能。

APP界面包括了主界面、音樂視頻播放界面、外設控制界面。主界面由跳轉按鍵構成，實現主界面到各個界面間的跳轉。音樂和視頻界面主要對內存的文件進行播放。設置有下一首、上一首、播放、停止等按鈕，控制音樂和視頻的播放。使用APP Inventor內置的視頻播放組件等完成功能設計[8]。

使用定時器定時間隔通過GPS傳感器組件定時獲取平板位置信息，并通過平板網絡功能使用API的方式接入百度地圖API服務器，通過發送GET和POST請求將汽車平板的位置信息到地圖服務器上，并通過百度地圖API服務器轉化為城市信息和街道信息、速度信息[9]。平板APP獲取到該信息后，將該信息通過藍牙通信的方式，發送到藍牙模塊，最終轉入硬件主控芯片。主控芯片接收到數據后，經過分析和處理后轉化為顯示內容，并送入抬頭顯示模塊進行顯示。

3.3? OpenMV程序設計

OpenMV主要功能對駕駛人員的手勢進行識別。在機器學習邊緣計算服務器上，對事先使用OpenMV對將來安裝位置進行拍攝的車內數百張各種手勢照片，上傳到機器學習邊緣計算服務器上進行手勢圖像分類識別訓練，通過若干次訓練和參數調整后，比較并選擇綜合性能最優的訓練模型，邊緣計算服務器能夠將模型轉化為各種編程語言程序，而OpenMV主要運行Python語言，由服務模型生成Python程序模型作為基礎，在OpenMV的IDE進行完善編程，添加判斷和數據通信等功能，將機器識別后相似度值達到0.86以上并且數據最高的一項作為手勢識別的結果[10]，并通過通信協議將識別結果發送到主控芯片作處理，主控芯片收到數據后，則執行相應的控制。

4? 結? 論

設計模型經實際環境模擬測試，能夠正常運行，并且在大部分道路上運行良好。模型結合了物聯網技術、傳感器技術、嵌入式編程技術、機器訓練學習技術、Android軟件設計等。市面上其他的抬頭顯示模塊，大部分只提供了簡單的溫度時間等的顯示功能，本設計模型具備以下優點：

（1）智能化。能夠通過圖像處理智能識別手勢，執行控制。在低價位的汽車上去，一般方向盤不帶有音樂播放控制等按鍵，而加裝本設置可以使得在駕駛過程中不需要轉移視線和集中精力去點擊觸摸屏的按鍵，而直接通過簡單的手勢便可實現音樂播放、氛圍燈等方面的控制。

（2）個性化。針對DIY車輛，增加車內燈光花樣效果，并且擁有個性化APP，已經抬頭顯示裝置。

（3）聯網。使抬頭顯示設備能夠接入網絡，顯示當前位置與車速等信息，對正常車輛需借助手機或汽車平板來觀看位置，轉移視線，更加直接，使得駕駛更加安全。綜上所述，該設計模型針對特定的人群，具有推廣的經濟價值。

參考文獻：

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[10] 陳習.基于具身認知的AR-HUD輔助駕駛系統眼控交互設計研究 [D].馬鞍山：安徽工業大學，2020.

作者簡介：黃道燚（1984—），男，漢族，廣東潮州人，副教授，碩士，研究方向：電子技術；通訊作者：陳敏敏（1984—），女，漢族，廣東陸豐人，副教授，碩士，研究方向：電子技術、自動化。

收稿日期：2022-10-11

基金項目：汕尾市電子信息產業人才振興計劃專項資金“基于AI抬頭顯示技術的研究”；2020年度廣東省普通高校特色創新項目（2020KTSCX317）