張藝凡

（北京金迪亞沃摩托車銷售服務(wù)有限公司，北京 100018）

在汽車智能輔助駕駛系統(tǒng)日益成熟的背景下，HUD（平視顯示器）逐漸成為現(xiàn)代汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置。其原理是基于光學(xué)反射，將汽車行駛中的時速、胎壓等基本信息投射到駕駛員前方的擋風(fēng)玻璃上，在不分散注意力的前提下，讓駕駛員了解駕駛信息。但是HUD 也有諸多缺陷，例如顯示效果容易受環(huán)境光的影響，在外界光照強度較高的情況下，會導(dǎo)致顯示不清的問題；此外還有顯示信息單一，顯示圖像與真實路面場景不一致的情況。AR-HUD 技術(shù)解決了傳統(tǒng)HUD 的缺陷，但是目前尚未普及。探究AR-HUD 人機交互界面的優(yōu)化設(shè)計，提高其緊急接管反應(yīng)速率，對該技術(shù)的推廣應(yīng)用有一定的價值。

1 自動駕駛認(rèn)知系統(tǒng)

1.1 駕駛者認(rèn)知系統(tǒng)的組成

人機界面（HMI）是聯(lián)系駕駛員與汽車、外界之間的重要媒介。理論上車載人機界面可提供環(huán)境（如道路狀況、交通標(biāo)識）、車輛（如時速、油量）和多媒體等多方面的信息，駕駛員通過觀察、讀取人機界面上的這些信息，對車輛工況、路面情況等有基本了解，從而做出相應(yīng)的判斷，保證駕駛的安全。駕駛認(rèn)知系統(tǒng)就是駕駛員對上述信息進行決策處理的過程，結(jié)合圖1 可知，該過程大體可分為“信息獲取- 判斷決策- 反應(yīng)執(zhí)行”三個階段。其中，由于駕駛員的駕駛經(jīng)驗、反應(yīng)能力、實時狀態(tài)等方面存在差異，因此反應(yīng)表現(xiàn)也有明顯不同。

圖1 駕駛者認(rèn)知結(jié)構(gòu)體系示意圖

1.2 自主決策功能的實現(xiàn)

自主決策是實現(xiàn)自動駕駛的關(guān)鍵。自動駕駛認(rèn)知系統(tǒng)可基于車輛前方及周圍的復(fù)雜路況，及時調(diào)節(jié)汽車的行駛狀態(tài)，從而按照駕駛員的意圖進行安全行駛。自動駕駛認(rèn)知系統(tǒng)利用車載激光雷達(dá)、攝像系統(tǒng)及GPS 定位裝置等，感知車輛周圍環(huán)境信息，然后結(jié)合駕駛路線，實現(xiàn)自主決策。整個決策環(huán)節(jié)分為3 層分別是基于駕駛情境認(rèn)知的認(rèn)知層、基于駕駛行為決策的任務(wù)層以及基于局部路徑優(yōu)化的規(guī)劃層。根據(jù)最終決策結(jié)果，自動控制汽車的油門、方向，從而在復(fù)雜路況下能夠保障順暢、安全的架勢。自動駕駛分層決策流程如圖2 所示。

圖2 自動駕駛分層決策示意圖

1.3 指令認(rèn)知行為分析

為保障行車安全，要求駕駛者認(rèn)知系統(tǒng)的響應(yīng)時限必須控制在3s 以內(nèi)，即“三秒交互”原則。其中，在0-1s 內(nèi)駕駛員要完成信息的獲取與識別；在1-2s 內(nèi)要完成相應(yīng)的操作；在2-3s 內(nèi)接收反饋信息，判斷操作是否成功。如果未達(dá)到駕駛員的預(yù)期，則重新調(diào)整操作。在上述過程中，駕駛員作出操作和接收反饋，可以憑借肌肉記憶和駕駛經(jīng)驗來完成。而讀取車輛及環(huán)境信息，則成為影響駕駛認(rèn)知的關(guān)鍵因素。通過優(yōu)化人機界面的交互設(shè)計，可以縮短駕駛員用于讀取信息的時間，保證在1s 內(nèi)完成所有重要信息的獲取。為完成上述目標(biāo)，在AR-HUD 的人機界面交互設(shè)計時，應(yīng)合理進行界面布局，通常信息區(qū)域的數(shù)量控制在（7±2）個，既能夠保證信息的豐富度，又不會給駕駛員帶來較多的認(rèn)知負(fù)荷。

2 基于AR-HUD 的人機界面交互設(shè)計

2.1 觸覺交互設(shè)計

觸覺交互是通過座椅震動來實現(xiàn)的。在車輛行駛過程中，如果AR-HUD 識別到外界有危險情況（如跟車距離過近），車輛報警系統(tǒng)工作并將告警信息發(fā)送到震動警告控制器。該控制器可以控制位于座椅內(nèi)部的震動馬達(dá)，按照一定頻率進行震動，通過這種方式來提醒駕駛員保持注意力，準(zhǔn)備應(yīng)對緊急情況。在一些高級汽車中，除了座椅震動外，還會提供方向盤震動。根據(jù)危險程度的不同，震動頻率、力度也有一定的差異。例如，對于普通的提示信息，通過執(zhí)行“NOTICE”指令，進行單次、小幅度震動；對于一般的注意信息，通過執(zhí)行“ATTENTION”指令，進行多次、小幅度震動；對于危險的警示信息，通過執(zhí)行“WARNING”指令，進行多次、大幅度的震動。震動幅度與提示信息等級的對應(yīng)關(guān)系如表1 所示。

表1 震動幅度與提示信息等級對應(yīng)表

2.2 視覺交互設(shè)計

2.2.1 功能布局

基于AR-HUD 的人機界面視覺交互設(shè)計，應(yīng)遵循簡潔性、實用性的原則，只展示核心信息，簡化功能布局。在確定界面分區(qū)之后，還要選擇AR-HUD 的具體功能進行。根據(jù)駕駛操作需要，初步設(shè)計的功能有12 個，如啟動信息、目的地信息、巡線導(dǎo)航、空調(diào)、多媒體等。為了避免信息要素過多，增加駕駛員的認(rèn)知負(fù)擔(dān)和注意力分散，經(jīng)過篩選之后僅保留了6 個核心信息，分別是時速、電量、導(dǎo)航、駕駛型號、信息條、巡線，具體布局如圖3 所示。

圖3 AT-HUD 界面布局示意圖

2.2.2 色彩方案

色彩能夠以直觀的形式產(chǎn)生視覺刺激，讓駕駛員以更短的時間獲取人機界面上的關(guān)鍵信息。另外，不同的顏色還會對駕駛員產(chǎn)生不一樣的心理暗示，例如綠色表示車輛工況和周圍環(huán)境良好；而黃色則起到了預(yù)警作用，紅色具有警示效果。除了紅、黃、綠三種基本顏色外，在AR-HUD 界面的色彩設(shè)計中，還添加了紫色，以便于增強與周邊環(huán)境的色差，避免因為顏色混淆而影響駕駛員讀取信息的情況。例如，AR-HUD 界面上選擇灰色、綠色，在實際顯示時可能會因為與路面顏色、綠化帶顏色重疊，而導(dǎo)致信息不明顯。選擇紫色的界面顯示效果如圖4 所示。

2.3 聽覺交互設(shè)計

聽覺交互是通過信息提示音的方式，讓駕駛員不用分散注意力即可獲取外界信息或接受反饋消息，從而減少通過視覺交互處理信息的壓力，對緩解解釋疲勞和保障行車安全有一定效果。基于聽覺交互的聲音類型有3 種，分別是普通的提示音，對應(yīng)指令為“NOTICE”；用于提醒的注意音，對應(yīng)指令為“ATTENTION”；用于警示的警告音，對應(yīng)指令為“WARNING”。除了上述3 種分別對應(yīng)不同狀況的聲音外，在聽覺交互設(shè)計中還加入了人聲提醒，例如由自動駕駛切換到人工駕駛模式時，會出現(xiàn)“即將人工接管，請握緊方向盤”的聲音，提醒駕駛員做好人工接管的準(zhǔn)備；之后還會出現(xiàn)“接管倒計時，3、2、1”的聲音，確保緊急接管的順利實現(xiàn)。

3 基于AR-HUD 的接管提示功能實驗測試

3.1 實驗準(zhǔn)備

本次實驗共挑選12 名受試者，其中8 名為男性，4 名為女性，駕齡在2-5 年，年齡在22-35 歲之間。所有受試者身體狀況良好，裸眼視力或矯正視力正常，不存在色盲、色弱等情況。采用隨機分組方式，一組為對照組，一組為實驗組。

3.2 實驗方法

本次實驗中，將一臺高清投影儀固定在1 臺高度可調(diào)的三腳架上，使投影儀位于車輛中軸線，并將影像投射到車頭前2m處，布局方式如圖5。受試者按照順序，依次駕駛同一車輛按照同一路線完成30min 的駕駛，駕駛途中可遇到紅綠燈、過路行人、車輛變道等各種交通狀況。

圖5 場地設(shè)備布局圖

對照組為一般接管模式，駕駛員在行車途中，需要將視線轉(zhuǎn)移到位于方向盤右側(cè)的iPad 上，獲取屏幕上的相關(guān)信息。在自動駕駛模式下，指示器顯示為綠色（正常行駛）和黃色（保持警惕），若指示器顏色變?yōu)榧t色（需要接管），則駕駛員會收到相應(yīng)的提示音或震動，然后在提示之后的60s 內(nèi)，需要完成接管，將自動駕駛切換為手動駕駛。成功進行模式切換后，等到系統(tǒng)發(fā)出“接管成功”的提示音，即完成接管。

實驗組采用AR-HUD 接管模式，通過iPad 屏幕光折射的方式，將信息投射到駕駛員前方的擋風(fēng)玻璃上。在自動駕駛模式下，界面線條始終保持水平。若需要接管，則界面線條會逐漸向上擺動，并且在線條中間出現(xiàn)倒計時數(shù)字。當(dāng)?shù)褂嫊r為“60s”時，發(fā)出“即將接管”的提示音；當(dāng)?shù)褂嫊r為“30s”時，發(fā)出“握住方向盤”的提示音，顏色變?yōu)榧t色閃爍；當(dāng)?shù)褂嫊r為“5s”時，對準(zhǔn)路線。之后完成接管，并出現(xiàn)“接管成功”的提示音，即切換為手動駕駛。

2 組在30min 的駕駛中，分別接受一次正常接管操作和緊急接管操作，記錄并對比兩種情況下的反應(yīng)時間。

3.3 實驗結(jié)果

統(tǒng)計12 名受試者駕駛中正常接管和緊急接管的反映時間，結(jié)果如表2 所示。

表2 兩組測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計（單位：s）

根據(jù)表2 可知，使用AR-HUD 的實驗組，正常接管的平均反應(yīng)時間為1.97s，相比于對照組的2.85s，反應(yīng)時間減少了0.88s；同樣的，在緊急接管反應(yīng)時間上，實驗組也比對照組少用0.63s。說明在自動駕駛模式下，有了AR-HUD 的輔助，可明顯縮短在遇到緊急情況時駕駛模式從自動向手動切換的反應(yīng)時間，從而顯著提升了駕駛的安全性。

另外，使用統(tǒng)計學(xué)軟件SPSS18.0，對反應(yīng)時間進行獨立樣本T 檢驗。設(shè)置顯著水平α=0.05，正常接管顯著性sig 值為0.34，緊急接管顯著性sig 值為0.02，在95%置信區(qū)間內(nèi)，駕駛者使用AR-HUD 接管自動駕駛的反應(yīng)速度更快，因此AR-HUD 的使用將顯著提高接管效率。檢驗結(jié)果如表3 所示。

表3 獨立樣本檢驗結(jié)果

4 結(jié)論

HUD 已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)上比較常用的一種配置，但是在實際應(yīng)用中存在顯示信息比較單一等缺陷。將AR 技術(shù)與HUD 相結(jié)合得到的AR-HUD，不僅信息更加豐富，而且在視覺交互、觸覺交互、聽覺交互等方面進行了優(yōu)化。實驗表明，基于AR-HUD的汽車駕駛模式切換用時更少，可有效提高駕駛安全。