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HMI技術改寫人車互動體驗

作者 : Robert Huntley, Mouser Electronics

汽車HMI改變了我們與車輛互動的方式。隨著汽車配備更先進的資訊娛樂、通訊和ADAS控制功能，HMI已成為駕駛人和乘客的主要控制台。預計未來幾年語音辨識的應用將會迅速增加，以提高駕駛人的安全性，並透過使用新一代強大的AI處理器和推論引擎使之成為現實...

人機介面(HMI)已在新車型中得到廣泛使用，最初是用作汽車收音機和卡式磁帶/CD娛樂裝置的替代品，隨後很快地又增加了衛星導航功能，將它們升級為資訊娛樂系統。汽車中的HMI設計各不相同，有些選擇了平板式橫向顯示器，有些則無縫整合至車輛的儀表板。通常情況下，它們都會沿用智慧型手機和平板電腦常見的光滑玻璃觸控式螢幕顯示方法，使HMI感覺更加熟悉且易於使用。

如今，資訊娛樂系統透過Android Auto和Apple CarPlay等應用進一步整合智慧型手機功能。從先進駕駛輔助系統(ADAS)到內飾照明顏色的改變，隨著有更多新技術不斷整合到車輛中，資訊娛樂HMI已成為車輛駕駛室和控制機制的核心。在汽車中整合更多控制功能也促使汽車製造商從儀表板上移除傳統的機械按鈕和開關，從而進一步提升車輛內飾設計的時尚美感。在本文中，我們將瞭解各種汽車HMI使用者介面及其對駕駛人的使用者體驗情況。

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(來源：metamorworks/Shutterstock.com)

汽車HMI設計的關鍵考慮因素

有幾個重要需求推動了汽車HMI的設計，其中安全性是最重要的。對於HMI，防止駕駛人分心是安全考慮的一個方面。透過HMI可以隨時存取大量功能和特性，但這也會使讓駕駛人暫時將視線從道路上移開，轉而去選擇不同的音樂曲目或閱讀簡訊。HMI使用者介面(UI)的設計應直觀且易於操作，以便駕駛人能夠在絕對最短的時間內完成可能分心的操作。一些汽車人機介面標準的制定仍處於起步階段，但國際標準ISO 15005:2017規定，1.5秒的掃視時間應該足以讓駕駛人從車輛的運輸資訊和控制系統中收看資訊。一些HMI在車輛行駛過程中會監控駕駛人的互動，如果駕駛人在選擇不同功能或存取特定功能(例如新聞標題)上花費太多時間，HMI會向駕駛人發出警告。在這種情況下，觸控式螢幕可能是輸入手段，然而，使用語音助理對於某些功能來說會是更安全的輸入選項。

採用HMI的另一個驅動因素是需要為大量複雜功能提供更簡捷的介面，這種要求尤其適用於半自動和全自動駕駛車輛，其中所需的控制與人為駕駛控制非常不同。同樣地，傳統石化燃料動力車的儀表板和刻度盤與電動或混合動力車(EV/HEV)所需的儀表板和刻度盤也不同，LCD觸控螢幕能夠提供極其靈活的HMI，可在其上創建資訊豐富且易於操作的直觀UI。整體用戶體驗(UX)在經過精心規劃和設計後，會產生簡化導航的視覺架構。

對於車輛製造商而言，HMI能夠提供一種使自己的車輛平台與其他製造商差異化的方法。用戶體驗在這方面發揮著重要作用，其中為所有製造商的不同汽車品牌開發了標準使用者介面。開發自訂圖示、符號和字體對於嵌入式開發人員來說可能會比較繁瑣。儘管如此，消費者能夠很容易對這些細節進行比較和權衡，並且會越來越多地成為車輛選擇過程的一部份。

對於車主而言，靈活的HMI可實現對車輛的各種功能進行個性化，打造適合他們心情、未來旅程長短的最佳體驗，並將製造商的品牌體驗帶入生活。如同一般、生態環保(ECO)、運動等駕駛模式一樣，舒適性和內部照明控制也是很受歡迎的個性化功能，在高階品牌中，懸吊系統的堅固性也是如此。

人機介面技術

HMI設計人員擁有廣泛經過業界測試和驗證的技術，可以很容易地使用這些技術來建構和控制UI。投射電容式觸控(PCAP)感應控制是很常用的技術，緊隨其後的是語音操作控制。與這些輸入方法相輔相成的是觸覺、手勢(觸控和空中)、接近度和力檢測、眼動追蹤和機器學習等。

語音辨識

預計未來幾年，基於機器學習(ML)的語音辨識應用將會成長迅速，根據市場研究公司Tractica的估算，基於人工智慧(AI)的語音智慧助理將在HMI中發揮重要作用，到2025年全球市場價值將達到46億美元。短短幾年內，80%的車輛HMI將會整合語音辨識系統，這其中不包括Google Voice和Apple Siri等智慧手機助理應用。語音命令最常用於控制媒體播放機，在導航功能中設置所需目的地，以及操作連接的智慧型手機撥打電話等等。

隨著機器學習演算法的進步，語音辨識將變得足夠可靠，可以控制ADAS以及舒適度等功能。採用高性能汽車級應用處理器和推論引擎將允許使用更複雜的自然語言演算法，從而能夠更容易適應不同地區的口音和更全面的語音範圍。除了神經網路外，數位語音處理技術將協助消除來自車內其他乘客的背景雜音、輪胎和風阻雜訊等干擾，並能夠拒絕來自無線電廣播節目和其他媒體來源的虛假命令。

語音UI還需要一個可配置的語音輸出，用於確認口頭命令、提出相關問題和其他雙向對話。從安全的角度來看，使用語音控制非常有意義，能夠讓駕駛人把注意力集中在道路上，而不是被觸控式螢幕上的選項分散注意力。

觸控螢幕控制

投射電容式觸控技術非常先進，能夠管理大型顯示面板，例如，特斯拉(Tesla)使用了15英吋縱向觸控式螢幕。螢幕需要適應從明亮的陽光到黑暗等各種環境條件，高對比、高亮度顯示面板對於成功部署UI至關重要。不建議在車輛中使用小型觸控式螢幕，因為這會更加分散駕駛人的安全互動，但如果一次顯示過多資訊的大螢幕同樣會分散駕駛人的注意力。UI/UX設計至關重要，需要一個經驗豐富的團隊來瞭解駕駛人會如何與UI進行互動，同時儘量減少干擾。

安全性和可用性也很重要。PCAP功能通常可以整合到微控制器(MCU)或應用處理器(AP)中。多點觸控電容式觸控控制器是常見的技術，能夠辨識捏合和伸展等手指手勢。觸控按鈕、滑條和滾輪等UI功能可在觸控螢幕表面實現，並且在操作過程中可聽到提示音為用戶提供反饋。

觸控螢幕的一項改進是使用振動觸覺感測器，它可提供用戶反饋、接近檢測和力度檢測。當手指接近螢幕時，接近檢測可以啟動觸控式螢幕或觸發一組選項。力度檢測是一項相對較新的技術，它能夠創建比其他應用更適合的3D用戶體驗。例如，它允許使用更實用的虛擬按鈕圖示，而不僅僅是將手指放在觸控螢幕上。當駕駛人可能戴著手套時，多點觸控力檢測也有利於進行操作。

用於汽車產業的觸覺感測器開發仍在持續推進，一些高階汽車製造商正在把觸覺感測器整合於其HMI中。這其中一個例子是空中(in-air)觸覺技術，手部追蹤技術和超音波揚聲器陣列用於形成和追蹤人手可以感覺到的超音波模式。透過這種方式，可以在空氣中形成各種超音波3D形狀，例如圓形控制旋鈕，指尖可以感覺到並看起來能夠握住。通常，這些形狀在控制台上方幾英吋處形成，並創建虛擬觸控體驗。然後，手部追蹤演算法會檢測旋鈕以哪種方式轉動或按下來完成UI。

汽車HMI的技術設計考慮

對於汽車應用，HMI工作環境方面的幾個問題需要特別注意。其中包括具有極端溫度和濕度等多變的環境條件，以及污垢、灰塵和振動等物理因素。如果玻璃上形成一層冷凝膜，觸控螢幕很容易出現不穩定運作狀態。同樣地，用潮濕的手指操作可能會導致UI凍結，直到能夠去除所有殘留的水分。濕度方面的另一個極端情況是，乾燥的空氣會增加駕駛人觸控螢幕時產生靜電放電的機會。

所有的汽車HMI應用都需要在各種溫度和濕度條件下進行全面測試，以確保安全、穩健和可靠的運作。HMI觸控螢幕應該很容易清潔，只需擦掉粘性糖果、軟飲料溢出物和濕手等痕跡即可。顯示器亮度需要能夠快速自動補償，以適應穿過隧道和進入明亮的陽光地帶等急速環境改變。

道路和其它車內雜訊是基於AI的語音辨識介面需要考慮的因素。車內雜訊可能來自車內其他人之間的對話，或者來自資訊娛樂應用的聲音。用於收聽語音命令的麥克風位置需要進行最佳化，並且與車身需要物理隔離。這樣，可使諸如低頻隆隆聲和嗡嗡響的輪胎雜訊等道路噪音保持在最低水準。來自暖風和空調通風口的聲音也會影響語音命令性能。如果車輛有車窗打開，那麼急促的高頻可聞背景雜訊會很普遍。數位訊號處理(DSP)技術和濾波器有助於分離出所需的語音指令訊號，以便語音辨識神經網路演算法進行後續處理。

其他方面的技術考慮還包括需要確保HMI符合各種安全標準和法規，例如，需要滿足EMI和EMC要求。隨著車內無線通訊(包括蜂巢式、Wi-Fi和藍牙)的使用越來越多，有害的RF干擾越來越高。此外，在電動車和混合動力車中，來自馬達驅動鏈的高dV/dt瞬態影響也很重要。

車輛ADAS功能的某些方面將歸屬於車輛功能安全標準ISO 26262的範疇，該標準旨在強調控制車輛操作中任何基於軟體系統的風險，並檢查三個方面的參數：傷害的可能性、發生的幾率，以及系統如何避免傷害。風險評估分為四個汽車安全完整性等級(ASIL)，ASIL A的風險最低，ASIL D的風險最高。

結論

汽車HMI改變了我們與車輛互動的方式。隨著汽車配備更先進的資訊娛樂、通訊和ADAS控制功能，HMI已成為駕駛人和乘客的主要控制台。預計未來幾年語音辨識的應用將會迅速增加，以提高駕駛人的安全性，並透過使用新一代強大的AI處理器和推論引擎使之成為現實。