自动驾驶汽车中的HMI设计：范式转换
翻译：比亚迪HMI设计工程师刘倩、汽车HMI进化圈Nico | 审校：格格
汽车行业的大趋势
如今，汽车行业面临着各种新的趋势，这些新趋势可总结为车联网、自动驾驶、共享出行和电动化。
车联网
我们所有的计算机化设备，如智能手机，电视或平板电脑，都以某种方式通过无线连接到互联网。汽车在10年前一直是网络互联的最后一个没有被攻克的阵地，但如今已成为互联网的重要一员。例如，汽车可以向OEM发送车辆状态数据，OEM可以根据数据进行预测性维护提示，从而与客户保持持续的联系。同样，车辆可以向OEM或第三方提供有关位置、速度、行驶方向等数据，这些都使得交通报告的动态呈现变为可能。
之前很久的一段时间，对于软件更新来说，汽车必须到达由OEM认证的地方进行。而现在（或不久的将来会普及），OEM允许用户通过无线的方式上传软件和数据，车主可以在任何地方进行升级操作。
使车辆之间以及车与环境进行通信和交互，开启了更多的可能性。vehicle-to-vehicle （V2V）和vehicle-to-everything（V2X）通信是革命性的技术，可以在未来改变汽车行业。V2V通信允许车车之间交换诸如速度，位置，方向等方面的信息，V2X通信允许车辆与附近的所有可能的“连接”进行通信，包括汽车车主，自行车主，交通灯等，这可以帮助司机完全“看到”（在拐角处和障碍物周围）的潜在安全隐患，从而提前进行分析并采取预防措施。
将来，越来越多的设备将变得数字化，智能化和网络化，无论是工业生产场所还是私人家庭场所将完全连接到互联网，这也使得智能家居和工业互联网变得越来越普及。各种设备将自动或由根据用户需求触发各种通信和交互任务，这种趋势也使得汽车交互变得越来越丰富和多样起来。
自动驾驶
自动驾驶无疑将成为汽车发展的下一次革命。不仅自动驾驶概念在短时间内已经从梦想变为现实。整个汽车行业也面临着根本性的变革。驾驶辅助系统正在不断普及，这让我们看到了新技术在汽车领域的不断整合。
自动驾驶级别的定义普遍被大家接受的是SAE的定义，具体定义和内容将在第1.3部分中详细阐述。目前我们正处于2级自动驾驶汽车的大规模生产时期，从技术上来看，在汽车的原型设计开发中，目前所有级别的自动驾驶技术都可以实现，但对于大众消费者市场而言，预计在2020年至2025年之间可以实现高度自动驾驶，十年后有望实现全自动驾驶（5级自动化）。当越来越多的汽车实现自动化以后，自动驾驶的全部优势将会显现出来，我们有望在2035年到2060年之间看到自动驾驶的开花结果。
然而对主机厂和用户而言， 2级到4级自动驾驶汽车是一个关键阶段，这个阶段的汽车属于人机共驾的“共享控制权”方式。车辆接管了大部分驾驶任务，而驾驶员将越来越多地处于“自动驾驶模式”，驾驶任务的特征从驾驶实施转向监控，在危急情况下，驾驶员仍需要从机器中接管驾驶任务，大多数情况下，这一阶段司机将继续对汽车的整个驾驶活动负责。
自动驾驶将影响汽车内饰和HMI的设计解决方案。随着自动化水平的提高，驾驶员将从驾驶主任务中逐渐解放出来，有更多的心理认知资源用于辅助任务，而汽车HMI将更多用于引导任务交接，让驾驶员留意驾驶任务的同时，提供丰富的信息和娱乐。
共享汽车
如今，汽车真正的使用时间仅为其整个生命周期的5％。95％的时间他们只是被放在车库或者停车场。目前的停车基础设施正在严重影响城市地区空间，停车场从一定程度上讲也塑造了城内的区域外貌。共享汽车将是摆脱这种困境的方式之一。车辆可以根据用户要求、并且在特定时间在特定区域供用户使用。
不同场景的汽车共享可能性：
•出租车-司机服务：传统的出租车服务已经在全球范围内普及。出租车由专业司机驾驶，汽车刚出现早期的技术非常复杂，只有受过教育的人能够处理和操作汽车;
•点对点汽车共享服务：允许与其他用户共享个人汽车;
•汽车共享车队：像Drive Now或Car2Go这样的服务拥有大量汽车，汽车分布在大城市的不同区域，注册用户可以自发租车并将其送到目的地;
•自动驾驶座舱：对于未来的自动驾驶，无人驾驶车辆普及是可预见的。它们将根据请求被调用并将用户带到选定的目的地。
电动汽车
对于大多数国家而言，汽车市场现有车队中电动汽车的相对数量不足1％。当然也有例外，比如挪威占12％，荷兰占6％，美国和瑞典占2％。电动汽车数量正在稳步增长。目前全球有130万辆电动汽车在路上行驶，其中307,000辆在中国（这一数量也在持续上升）。
目前电动汽车的主要瓶颈是蓄电和充电。由于电池容量有限，电动汽车的普及和推广受到限制。将柴油或汽油车500英里需要的油量加到汽车大约5分钟，而将200英里的驾驶里程的充电时间需要至少一个小时，需要考虑各种措施来解决能效问题。
首先需要减轻车辆的重量。这可以通过使用适当的轻质材料来完成。玻璃重量的减少将有助于提高能源效率。由薄而轻的材料制成的低功率显示器将用于HMI显示屏的制造，这将有助于降低功耗。
与汽油车相比，汽车人机交互界面将显示更多维持正常驾驶所需要的电量信息，需要详细显示功耗、耗电组件和耗电情况等等，显示器也将显示与电动汽车充电所需的很多相关信息，例如充电桩地址、汽车可用距离，能量消耗状况、充电站信息、以及与充电相关的导航信息等等。地图将显示车辆维持驾驶范围内的充电站位置及信息，并允许预留充电站等服务。
自动驾驶汽车如何改变HMI
经过五十多年的不断研究和开发，今天我们终于看到无人驾驶汽车正在逐渐成为现实。尽管如此，对于设计一款能够像人一样处理车辆的无人驾驶系统来说仍然充满挑战。其中虚拟数字助理和人工智能是目前发展的主要动力，他们推动着更具交互性、情境化、知识化和个性化的HMI不断往前迭代和反正。车载HMI具备提高驾驶员的链接意识的能力，能确保成员和车辆之间的顺畅互动。完全自动化的汽车将提供多样化的触觉、视觉、动作等多模式互动，从而创造安全和丰富的道路体验。
“核心驾驶活动的自动化是新的趋势，这种趋势会影响整个汽车行业、技术开发、用例、保险政策，立法等等。”
--Peter R.sger（Beyond HMI创始人）
从3D投影到人工智能，车载HMI已经走了很长一段路。以下是影响行业和推动HMI设计到达新高度的一些值得注意的趋势。
导航的未来
对于下一代自动驾驶汽车，地图不再仅仅是一种提供便利的功能，而是一个需要足够精确，以能够在合适时机引导车辆安全的重要保障。自动驾驶所需的三维数字地图必须比导航地图更加详细，从道路数量到道路曲率等等方面。地图自动驾驶汽车（avs）也需要实时更新。如果有道路施工或车道封闭，它需要反映在地图上。在行业普及5级自主驾驶之前，许多汽车可能在一些地方比如高速公路上提供有限的自动驾驶功能。在这种情况下，导航系统需要能够检测何时进入和退出高速公路，并判断何时允许开启自动驾驶选项。
AR-你要去哪里
导航不仅变得更加方便，而且由于它正在结合增强现实（AR）技术，安全性也大大提高。哈曼和梅赛德斯 - 奔驰带来的AR导航整合到到新的梅赛德斯 - 奔驰用户体验（MBUX）信息娱乐系统，使传递给驾驶员的信息更加清晰直观。相机提供周围的视频图像，扩展了导航信息，例如箭头或门牌号可以直接显示在触摸屏上。目前，车载显示器仅用于显示AR，但随着技术的发展，它将投射到挡风玻璃上。随着汽车自动化进程的发展，监控和导航系统使用频率大大减少，AR将被显示更加丰富类型的信息。该系统可以向乘客发送来一路上所接收的各种信息，同时这些信息又都可以映射到现实世界中。例如，作为汽车经过剧院时，AR可以提供有关演出时间的信息。
跟我聊聊吧：汽车语音助手
考虑到驾驶员分心的危险，语音助手技术很自然地由家庭应用到汽车。Alexa，Google Home及其它语音助手等自然语言（NLU）往往比很多基于命令的车载解决方案更加用户友好。当前所有语音助手都面临同样的挑战，就是他们都无法在完全车载模式下操作。 结果证明，语音的表现取决于车辆的无线连接的性能。另一个挑战就是，目前在通过语音控制键盘输入文字时，语音助手的表现并不是很理想。研究指出，语音助手和按钮操作相比较，分心和噪音方面可是旗鼓相当，研究对象将语音接口的这些部分评定为与使用旋钮和按钮一样的分数。不仅如此，识别语音中的情感：似乎是自然语言处理的下一步，情绪将会是促发车内交互的一种重要因素。
触觉控制和触摸屏
触觉控制系统允许用户在空中感受和操纵虚拟对象，就像触摸真正物体实施物理控制一样。将触觉技术融入控制系统是对视觉为主要任务的操控系统的补充， 触觉创造了更多的用户体验。它很直观，可以不用将视线移开，从而减少了驾驶员的分心和心理负荷。
“带有触觉反馈的汽车显示器将会流行起来。它们更容易实现各种功能的操作 - 例如，收音机和蓝牙电话功能 - 更快，更简单，最重要的是，更安全。”
--Steffen Berns博士（博世汽车多媒体总裁）
触摸屏上显示的按键就像真正的按钮一样，触觉显示传达了用户使用真实滑动控件调节音量的感觉。结果是，智能自动显示器本身变得越来越重要。
智能自动显示器成长为重要的角色
旋钮、按钮和仪表越来越落后于高清屏幕，随着技术和汽车行业的融合，新车中的数字组合仪表也随之出现。目前的趋势是，车载多媒体系统将增加更多的屏幕，并且以更大的尺寸显示。特斯拉放弃了17英寸显示屏方案，从仪表到后排座椅，主机厂们正在寻求增加车载屏幕数量和分辨率的方案。多年来，大多数主机厂已经了解到，继续保持一些常用的物理按钮（除显示之外）是对司机来说是有必要且适用的，但专家预测，自动驾驶汽车将为每个乘客（驾驶员和乘客）提供大屏幕信息娱乐体验，并额外提供一块显示屏显示公共信息。
汽车抬头显示器
抬头显示器（HUD）是高级驾驶辅助系统的创新应用之一（ADAS）。HUD最先用于军用喷气式战斗机，该设备通过显示关键信息来减少分心降低驾驶危险系数，例如汽车的速度和导航方向等一些系统信息，直接投射到驾驶员前方视线的挡风玻璃上; 其它信息放在一个单独的屏幕上，增强型可视平视显示器（AR hud）则是在汽车前面的街道上再布一层道路信息。
AI：汽车HMI设计的关键推动因素
使汽车“智能化”的关键要素是一个将汽车的人机界面与车辆传感器充分集成的AI平台,一整套虚拟助手和云内容，并适应环境，并了解用户的个人偏好和习惯，将此整合到车辆HMI中。车载AI还能针对汽车环境进行优化，它了解燃料或电池充电水平以及到最近的充电站的距离，或者他帮您查看在行驶的路线上最受欢迎的餐厅等等。人工智能的初始功能向HMI提供有关驾驶员、车辆和周围环境的信息，有助于将人机界面（HMI）转变为具有前瞻性的指挥控制中心。
自动驾驶：从驾驶实施到驾驶监管
随着驾驶情景的快速变化和自动化程度的提高，将会使驾驶员的角色从驾驶操作者转变为自动驾驶系统的监管者。自动驾驶汽车正变得越来越复杂和“智能化”，作为人类，我们需要考虑我们作为“司机”在操作车辆时需要和希望看到的系统复杂度有多高，因为这可能对我们的安全和其他交互行为产生重大影响。
五个级别自动驾驶分类
专家们根据自动驾驶的不同自动化程度中定义了五个级别。每个级别描述汽车接管驾驶员的任务和责任的级别，以及汽车的使用方式和司机与车的交互方式。下面来看看五个级别的自动驾驶汽车的具体情况。
3级自动驾驶汽车
作为本报告研究的一部分，我们专注于3级自动驾驶级别汽车的HMI的研究、设计与开发。SAE的工程专家将Level 3定义为有条件自动驾驶：自动驾驶系统对动态驾驶任务的各个方面的驾驶模式和特定性能下，期望人类驾驶员将对驾驶干预和其他请求作出适当的响应。“有条件”意味着系统在某些情况下可以完全控制车辆， 通过有条件的自动驾驶系统，汽车能够在某些交通情况下（例如在高速公路上）自动长距离行驶。但是，驾驶员必须能够在几秒钟内接管汽车驾驶权，例如在城市交通道路施工等情况。
虽然全自动汽车落地无疑还需要几年的时间，但几家汽车制造商正在推出专为3级自动驾驶而开发的半自动驾驶系统，比如奥迪的 AI Traffic Jam Pilot系统，特斯拉Autopilot系统，宝马Personal Copilot系统，凯迪拉克Super Cruise系统等等，当然也有其他一些你可以找到的最佳自动驾驶技术。在接下来几段中，我们描述的主要是已经投入生产或有可能在未来几年内大规模应用的系统。
交通堵塞辅助系统
在2014的Model Year（MY）中，奔驰和宝马都宣布推出交通堵塞辅助系统（TJA），当你在限速高速公路上以低速运行时，该系统会发挥作用，该系统以全速自适应巡航控制为基础，可在拥挤的条件下提供完全的驾驶控制， 该系统可以自动处理转向，加速和制动，以使车辆保持在车道中的正确横向位置并且期望的速度与前车保持安全距离，该系统的运行速度往往在0到130 km / h之间。
高速公路自动系统
通用汽车（GM）的超级巡航系统被描述为使用摄像头和雷达等机器视觉技术，提供全速自适应巡航控制（ACC）和车道保持控制，在高速公路驾驶过程中实现自动转向，加速和制动。除了驾驶员面临改变车道、道路状况恶化超出系统控制范畴或发生其他系统问题等情景，该系统允许驾驶员将手从方向盘上移开。
英菲尼迪为其车辆配备“线控”技术，可以独立控制轮胎角度和转向的数据输入，这种能力使车辆免受不必要的道路干扰，例如车辆倾覆或侧风对驾驶安全的干扰。该系统使得新“直行稳定系统”能够辅助驾驶员专注于驾驶本身，也大大减少了预期路径与实际路径之间的差异。
在欧洲，本田雅阁配备了车道保持辅助系统（LKAS），可在一段有限的时间内（数十秒）提供无干扰车道保持。车辆还可以配备全速自适应巡航控制，可以同时进行车道保持辅助/ 全速自适应巡航控制。
紧急停车辅助系统
宝马开发了这种系统，用于驾驶员在汽车上失去行动能力时发挥作用（例如，司机突发心脏病或中风等）。紧急停车辅助系统会检测到驾驶员的情况，并打开车辆危险信号灯，同时将车安全的停到路边等待救援。
汽车列队模式
在欧洲SARTRE16项目中，沃尔沃汽车和卡车配备了近距离队列模式（3级自动驾驶）。该项目中一名用户作为领头车司机，后面的车辆为完全自动化的跟随车辆，跟随车辆的乘客支付驾驶领头车司机的费用，目前该项目正在验证这种商业模式的可行性。该原型使用专用短程通信（DSRC）技术进行v2v通信，这些汽车以85公里/小时的速度自动跟在领头车后面，间隔5到15米，该项目已经进行了几百公里的测试。
自动代客泊车
奥迪开发了一种原型系统，使驾驶员能够在停车场入口处离开车辆并指示车辆通过智能手机界面进行“停车”操作。然后车辆进入车库，行驶直至检测到空位并停车。在车主通过智能手机召唤后，车辆前往车库出口区域，驾驶员重新进入车辆并恢复驾驶。
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