汽車ARHUD虛像位置調節控制方法淺析

張淑芳，賽影輝，米德旺，胡甜甜

（蕪湖汽車前瞻技術研究院有限公司 技術開發部，安徽 蕪湖 241009）

1 概述

隨著社會的不斷發展，汽車已經成為人們日常生活不可或缺的交通工具，隨之而來的交通安全問題越來越引起人們的注意，交通事故已經成為當今社會危及人們生命財產的第一殺手。因此，汽車安全成為未來汽車發展的一個主要方向。ARHUD是一種汽車輔助視覺安全駕駛系統，將駕駛員需要的一些重要信息通過ARHUD的光路投射到汽車前風窗玻璃上，顯示信息與周圍的實景融合，融合實景的光線經過反射射入駕駛員眼睛，使駕駛員看到與實景融合的虛像。此虛像包含了導航AR信息、儀表顯示重要內容以及ADAS的車道偏離及前車碰撞預警等信息，駕駛員不需要低頭查看儀表板，眼睛始終注視前視野路面，不會存在因低頭而影響安全駕駛。本文通過對投放到玻璃上的虛像位置進行調節，來適應不同駕駛員對虛像位置的需求。本文分析的虛像位置調節方式有：開關調節、語音調節、手勢調節、唇語調節等。通過不同的調節方式來實現駕駛員的不同駕駛感受，提供駕駛員的科技感和舒適感。

2 虛像位置調節的組成及工作原理

如需調節虛像首先要了解虛像的形成原理，虛像的形成過程：ADAS信號、儀表信號、導航AR信號、主機設置信號通過算法控制器，進行數據融合、建模、渲染、矩陣轉換等轉換到光機控制器可以接收和顯示的信號，光機通過PGU把圖像信息發射出來，通過熱處理、平面反射結構、曲面放射結構、畸變矯正結構、去重影結構最終把像反射到前擋風玻璃上，再反射到駕駛員的眼球，最終駕駛員看到的像是擋風玻璃上的虛像［2］。虛像形成的系統架構如圖1所示。

圖1 虛像形成的系統架構

虛像位置調節主要組成部件：ARHUD的光機主板、反光鏡、調節電機、輸入部件及控制模塊。輸入部件為虛像調節開關、麥克風、攝像頭、DMS攝像頭，輸入是虛像調節的基礎，沒有輸入，虛像位置就固定不變。控制器接收輸入信號，并與控制器庫存儲文件對比計算并把信號發給光機主板，控制器大多集成在音響主機里。主板接收信息并把信息轉換成可執行文件把信息發給執行器調節電機。調節電機調整反光鏡位置，最終實現虛像位置調節。

虛像位置調節工作原理如圖2所示。輸入部件調節開關上下左右調節信號、麥克風接收到的語音信號、攝像頭讀取的手勢信號和唇語信號、DMS攝像頭讀取的駕駛員眼球信號，輸入部件把輸入信號通過硬線發送給音響主機控制器，音響主機把這些輸入信息與庫文件進行對比計算，當與存儲的庫文件一致時把調節信號發送給ARHUD的光機主板，主板控制調節電機對反光鏡的上下左右位置進行調節，虛像根據反光鏡不同位置在玻璃上呈現的不同位置，達到用戶的合適視野位置，從而實現了虛像的調節。

圖2 虛像位置調節工作原理圖

3 虛像位置調節方法

虛像的調節主要是對光路的調節，光路的主要組成元件有：發光源PGU、平面反光結構、散熱處理結構、二次平面反射結構、曲面反射結構、遮光結構和成像結構，整個光路的成型［1］如圖3所示。調節虛像就是通過調節這些光路元件來實現。通過分析，發光源PGU是帶電部件，長期調整容易使其失效，例如出現斷電和元器件損壞風險，因此此件不建議調節；平面反光結構一般是固定結構，經分析此件也不適合調節；曲面反光結構面積比較大，件的位置也是可變動的，調節此件的角度可調整虛像的位置到玻璃上駕駛員需要的位置。曲面鏡的位置調整是通過步進電機的驅動來實現的，驅動電機的輸入是由光機控制器給出調整指令，光機控制器的指令是由不同輸入來確定的，本次分析主要是根據輸入的不同，來實現虛像位置調節。本次分析的輸入方式有語音輸入調節、手勢輸入調節、唇語輸入調節、開關輸入調節和DMS主動調節。下文對不同的輸入調節分別詳細表述。

圖3 虛像位置調節原理圖

3.1 語音調節法

語音輸入調節的關鍵是語音庫、接收語音的麥克風，庫文件一般存儲在音響主機控制器里，當麥克風接收到語音時，會與語音庫文件進行對比，例如語音庫里存儲了大量類似于“ARHUD上調10mm”“ARHUD下調10mm”“ARHUD左調10mm”“ARHUD右調10mm”“ARHUD調到最上面”“ARHUD調到最下面”“ARHUD調到最左面”“ARHUD調到最右面”等控制器庫語言，當麥克風接收到對應的語音與庫文件匹配時，控制器給光機控制器發送指令，讓光機控制器給步進電機發送指令，步進電機按指令內容開始執行調整動作，調節曲面鏡的角度把虛像投射到駕駛員需要的位置。麥克風接收的語音與庫文件在控制器中的關系、邏輯圖如圖4所示。

圖4 虛像位置調節原理圖

3.2 手勢調節法

手勢輸入調節的關鍵是手勢庫、內部攝像頭和主機界面。內部攝像頭的作用是拍攝手勢的動作。當主機界面打開到ARHUD調節界面，同時攝像頭攝取到手勢上下左右動作，主機控制器進行匹配核算，主機內部控制需要把界面、動作庫、手勢動作同時匹配成功后輸出調節信號，此信號發送給光機控制器，光機控制器驅動步進調節電機調節曲面鏡的角度，來實現手勢調節虛像。虛像位置調節效果見圖5。庫文件中保存了不同的手勢方向如上下左右，也存儲了手勢的調整幅度，例如手勢向上的距離長短，都能與攝像頭攝取的手勢相匹配，同時通過模糊算法，把一些不確定的手勢標準化來實現調節的人性化。

圖5 虛像位置調節效果圖

3.3 唇語調節法

唇語調節的關鍵是唇語庫、內部攝像頭、麥克風和主機界面。內部攝像頭的作用是拍攝駕駛員的唇語動作，麥克風接收到微弱聲音信號。當主機界面打開到ARHUD調節界面，同時攝像頭攝取到唇語動作，麥克風接收到微弱信號，主機控制器進行匹配核算，主機內部控制需要把界面、動作庫、聲音庫、唇語動作、麥克風聲音同時匹配成功后輸出調節信號，此信號發送給光機控制器，光機控制器驅動步進調節電機調節曲面鏡的角度，來實現唇語調節虛像。庫文件中存儲大量的語音和唇語庫動作，如“虛像”“ARHUD”“調”“上”“下”“左”“右”“5mm”“10mm”“20mm”“30mm”等唇語動作及聲音庫，當駕駛員說話時，通過攝像頭和麥克風獲取信息通過計算可以輸出調節虛像信息。

3.4 開關調節法

開關調節比較簡單，主要有調節開關、控制器。此控制器可以是音響主機也可以直接給光機控制器設定每次按下調整虛像的幅度，例如按一次調整曲面鏡的角度0.07°，虛像會向指定的方向調整5mm。開關設置上下左右調整按鍵，根據開關按鍵的選擇和按的次數輸出給控制器，控制器控制步進電機調整曲面鏡的角度，從而實現虛像的位置調節。

3.5 DMS自動調節法

當音響主機顯示界面打開到ARHUD虛像調節界面，DMS開始工作，DMS攝像頭攝取人眼球的位置，根據眼球位置自動把虛像調節到駕駛員最方便的位置，這個位置的確定是根據標定的參數來設置的，根據人的身高和駕駛習慣把高度和虛像位置標定到主機控制器中，主機控制接收到DMS攝像頭的駕駛員人眼的位置，把調整信息發送給光機控制器，光機控制器控制步進電機調整曲面鏡位置，從而實現虛像位置調節。

4 總結

ARHUD虛像的調節根據輸入的不同調節方式也不同，不論是哪種調節，執行機構都是一樣的，都是通過步進電機調節曲面鏡的角度實現虛像位置的變動，最終在前擋風玻璃上投射形成滿足駕駛員位置和舒適度的虛像。根據輸入的不同，控制器處理的內容和信號的算法和庫文件不同，輸入總結為兩類：一類是語音類，如唇語和語音調節；另一類為動作類，如手勢、開關和DMS自動調節。語音類輸入主要是控制器里的語音庫，動作算法主要是圖像的動作庫。本文通過對不同輸入形式的詳細分析給ARHUD設計提供新的可選課題［3］，給設計人員做了豐富的鋪墊，為ARHUD的發展打開了新的大門，促進了汽車行業智能化的發展。同時也給用戶提供了新的體驗，帶來新的舒適性和便利性。