【技術文章】車外照明系統交互設計

隨著網絡和通信技術的發展，自動駕駛水平不斷提高。但自動駕駛技術在解放人力、減輕司機負擔的同時，也引發了一些恐懼。為了解決這個問題，行人與自動駕駛車輛之間需要一定程度的“交流”，這對于解決交通中的各種潛在模糊性具有重要作用。目前實現行人與自動駕駛車輛之間的通信有兩種方式：一種是顯式eHMI，另一種是隱式eHMI。現有產品中，顯式eHMI是汽車外飾的延伸，尤其是前照燈。其部件包括大燈、燈帶、車外顯示屏和其他車外顯示設備。與傳統的大燈相比， eHMI更加美觀，表現形式和載體也更多。它可以承載更多的信息，并有更多的情感表達。它不僅可以顯示車輛的行駛狀態，還可以與用戶進行互動，為他們提供多樣化的服務。

02 EHMI設計研究

新興的外部-人類-機器交互面向智能汽車和智能交通，目前在文獻中很少見，主要見于各汽車廠商的概念車型。因此，本版塊主要選取業界已推出的十款搭載eHMII的汽車產品進行研究。

A． 位置分布

10款入選概念車產品分別為：Nissan IDS Concept 2015、Toyota Concept-i、Mercedes-Benz F015 Concept、WM EX5 、Drive.AI、Audi AI: ME、Mercedes-Benz ESF 2019、長城WEY-X、Toyoda Gosei和 GYON，概念車的定位大致可以分為四個主要部分：車頭；車輛后部；車身側面和車輛附近的數字投影。

車輛前部是當前eHMI 設計中最受青睞的位置。大多數車輛選擇前大燈和格柵設計不同的燈光顏色和動態效果，從而直接傳達“汽車 情感”和對行人的駕駛意圖。互動式設計在車側面，主要集中在車側的窗戶和屏幕上。它的作用主要是向外界展示車輛的狀態以及是否給行人讓路等的提示，主要以文字和動態效果的形式呈現。互動式設計在路上，主要集中在后擋風玻璃和組合燈上。其作用側重于以文字和燈光效果的形式向后方車輛傳達汽車的駕駛意圖和警示。

B． 設計要點分析

目前， eHMI設計傳達的主要內容大多與駕駛安全相關，例如通過e HMI向行人或其他交通參與者傳達駕駛意圖和駕駛類型。就顯示載體而言，屏幕和燈光是主要的載體，通過簡單的圖案、簡短的文字和燈光的動態效果來呈現。在情感功能方面，目前大多數的eHMI設計都是通過汽車大燈的擬人化設計向用戶傳達一些信息或情感，從而提高用戶的接受度、信任度以及“溝通”的效率。

C． 未來趨勢

1）擬人化設計：對于行人和人類駕駛員來說，注意到無人駕駛汽車并與之互動非常重要。在這種情況下，使用表情符號是幫助道路使用者的一種方式。帶有交互式表情符號的全自動汽車將有助于提高道路使用者的接受度。

2）數字燈光交互：數字前照燈旨在提醒駕駛員注意前方的危險。

3）功能多樣性：隨著自動駕駛和車聯網技術的不斷發展，eHMI的功能將超越當前的安全演示。

4）保護環境：可持續出行、資源節約、環境保護以及人機自然和諧共生的理念。

04 校園無人物流車外屏設計案例

基于第3節提出的外屏設計框架，本節給出了校園等半封閉環境下無人物流車eHMI的設計案例。

A． 策略

在戰略上，我們需要考慮外部環境因素、交互對象和整體設計要求。從車與人、車與車、車與環境三個方面分析設計需求。從這三個方面可以細分為六大利益相關者：快遞無人車和普通用戶、其他道路用戶和管理員、在車隊的車輛，車隊出去的車輛、道路環境和車隊管理平臺。

B． 范圍

在范圍上，需要考慮e H MI應用的具體場景，根據這些場景中的實際情況以及策略中確定的交互對象，確定e HMI可以展示的功能。針對未來無人駕駛快遞車的使用場景，采用樂高Serious Play的方式進行模擬演練，旨在梳理無人駕駛快遞車使用服務過程中的典型場景、各利益相關者之間的使用過程以及整體使用過程。從而指導無人駕駛快車外屏的人機交互設計。在得到各利益相關者的訴求后，對兩次用戶研究的結果進行了相互驗證，最終梳理出基于不同用戶的功能需求，如圖4所示。

圖4 不同用戶的功能需求

根據特點對于不同的設備，信息主要分為兩類：適合在移動終端上顯示的信息和適合在汽車外屏上顯示的信息，分類結果如圖5和圖6所示。

圖5 外部功能信息架構屏幕

圖6 移動功能信息架構終端

圖9 文本高保真原型

05 基于Unity3D的eHMI仿真方法及實現

A． 軟件環境建設

Unity3D是Unity Technologies開發的一款開發工具，可以讓用戶輕松創建視覺虛擬場景、動態仿真、建模模型等交互內容。它具有強大的功能，多種擴展，并且易于開發和維護。本文利用Unity從環境搭建和車輛控制兩個方面完成虛擬駕駛仿真系統的基礎搭建。

B．硬件

LED燈條采用WS2812B全彩燈條，圖案顯示采用16*16像素屏，文字顯示采用1632像素屏。Arduino Uno R3的單片機作為燈帶和LED屏的控制器。顏色、亮度和時間 可以使用內置功能設置每個燈珠的延遲時間。

C． 數據傳輸與通訊

1）數據的定義和采集：根據 常見的駕駛場景，需要獲取行車距離、車輛是否轉彎、剎車、自身狀態等數據。在下面的表 1 中，根據每個場景定義了所有需要的數據、數據源、按鍵控件和要傳輸的主題值。

表1 數據的定義與采集

具體的 執行 方法 是 在 Unity中新建腳本，創建DataArduino對象，繼承MonoBehaviou類，從 Update()函數中獲取所需數據，然后使用 if 條件語句過濾器更改對應字符串類型的 Topic 值。并調用上一節提到的Serial.write()函數將Topic值發送給Arduino單片機。然后，在Arduino中使用Serial.read()函數讀取數據，獲取Topic值，判斷其值以達到相應的效果。

2）Unity 和 Arduino 之間的通信：Unity 有自己的串口通信接口。在 Unity 項目中創建一個新腳本，然后 然后 創建串行類。整個程序流程如圖 11 所示。

圖10 unity串口通訊程序流程圖

然后 可以在項目的任何腳本中使用 serial.write() 函數發送字符串數據。將Arduino程序中的波特率設置為與Unity中的腳本相同，并使用Serial.read ()讀取數據。

D．仿真結果

本節我們使用Arduino驅動LED燈條、LED顯示屏等硬件，在實驗室環境中針對問候、轉機、到達、停止四種典型場景進行仿真。結果如圖 12 所示。

圖11 模擬結果

本文從市場上各大汽車廠商推出的eHMI設計概念車型入手，分析了eHMI設計的現狀和未來的發展趨勢。然后 我們 提出了一套基于五要素用戶體驗模型的eHMI設計基礎框架，并在此框架的基礎上完成了半封閉園區物流無人車eHMI設計。最后，我們在實驗室環境中使用Arduino驅動LED顯示屏等硬件進行仿真。

在下一步的研究中，還有一些領域需要進一步探索。例如，需要根據實驗室的政策結果設計一套完整的可用性測試，并根據測試結果進行設計迭代，以進一步完善eHMI的設計。此外，還需要語音交互、手勢交互等交互方式 到 實現多渠道交互，優化用戶體驗。