汽车ARHUD虚像位置调节控制方法浅析

张淑芳，赛影辉，米德旺，胡甜甜

（芜湖汽车前瞻技术研究院有限公司 技术开发部，安徽 芜湖 241009）

1 概述

随着社会的不断发展，汽车已经成为人们日常生活不可或缺的交通工具，随之而来的交通安全问题越来越引起人们的注意，交通事故已经成为当今社会危及人们生命财产的第一杀手。因此，汽车安全成为未来汽车发展的一个主要方向。ARHUD是一种汽车辅助视觉安全驾驶系统，将驾驶员需要的一些重要信息通过ARHUD的光路投射到汽车前风窗玻璃上，显示信息与周围的实景融合，融合实景的光线经过反射射入驾驶员眼睛，使驾驶员看到与实景融合的虚像。此虚像包含了导航AR信息、仪表显示重要内容以及ADAS的车道偏离及前车碰撞预警等信息，驾驶员不需要低头查看仪表板，眼睛始终注视前视野路面，不会存在因低头而影响安全驾驶。本文通过对投放到玻璃上的虚像位置进行调节，来适应不同驾驶员对虚像位置的需求。本文分析的虚像位置调节方式有：开关调节、语音调节、手势调节、唇语调节等。通过不同的调节方式来实现驾驶员的不同驾驶感受，提供驾驶员的科技感和舒适感。

2 虚像位置调节的组成及工作原理

如需调节虚像首先要了解虚像的形成原理，虚像的形成过程：ADAS信号、仪表信号、导航AR信号、主机设置信号通过算法控制器，进行数据融合、建模、渲染、矩阵转换等转换到光机控制器可以接收和显示的信号，光机通过PGU把图像信息发射出来，通过热处理、平面反射结构、曲面放射结构、畸变矫正结构、去重影结构最终把像反射到前挡风玻璃上，再反射到驾驶员的眼球，最终驾驶员看到的像是挡风玻璃上的虚像［2］。虚像形成的系统架构如图1所示。

图1 虚像形成的系统架构

虚像位置调节主要组成部件：ARHUD的光机主板、反光镜、调节电机、输入部件及控制模块。输入部件为虚像调节开关、麦克风、摄像头、DMS摄像头，输入是虚像调节的基础，没有输入，虚像位置就固定不变。控制器接收输入信号，并与控制器库存储文件对比计算并把信号发给光机主板，控制器大多集成在音响主机里。主板接收信息并把信息转换成可执行文件把信息发给执行器调节电机。调节电机调整反光镜位置，最终实现虚像位置调节。

虚像位置调节工作原理如图2所示。输入部件调节开关上下左右调节信号、麦克风接收到的语音信号、摄像头读取的手势信号和唇语信号、DMS摄像头读取的驾驶员眼球信号，输入部件把输入信号通过硬线发送给音响主机控制器，音响主机把这些输入信息与库文件进行对比计算，当与存储的库文件一致时把调节信号发送给ARHUD的光机主板，主板控制调节电机对反光镜的上下左右位置进行调节，虚像根据反光镜不同位置在玻璃上呈现的不同位置，达到用户的合适视野位置，从而实现了虚像的调节。

图2 虚像位置调节工作原理图

3 虚像位置调节方法

虚像的调节主要是对光路的调节，光路的主要组成元件有：发光源PGU、平面反光结构、散热处理结构、二次平面反射结构、曲面反射结构、遮光结构和成像结构，整个光路的成型［1］如图3所示。调节虚像就是通过调节这些光路元件来实现。通过分析，发光源PGU是带电部件，长期调整容易使其失效，例如出现断电和元器件损坏风险，因此此件不建议调节；平面反光结构一般是固定结构，经分析此件也不适合调节；曲面反光结构面积比较大，件的位置也是可变动的，调节此件的角度可调整虚像的位置到玻璃上驾驶员需要的位置。曲面镜的位置调整是通过步进电机的驱动来实现的，驱动电机的输入是由光机控制器给出调整指令，光机控制器的指令是由不同输入来确定的，本次分析主要是根据输入的不同，来实现虚像位置调节。本次分析的输入方式有语音输入调节、手势输入调节、唇语输入调节、开关输入调节和DMS主动调节。下文对不同的输入调节分别详细表述。

图3 虚像位置调节原理图

3.1 语音调节法

语音输入调节的关键是语音库、接收语音的麦克风，库文件一般存储在音响主机控制器里，当麦克风接收到语音时，会与语音库文件进行对比，例如语音库里存储了大量类似于“ARHUD上调10mm”“ARHUD下调10mm”“ARHUD左调10mm”“ARHUD右调10mm”“ARHUD调到最上面”“ARHUD调到最下面”“ARHUD调到最左面”“ARHUD调到最右面”等控制器库语言，当麦克风接收到对应的语音与库文件匹配时，控制器给光机控制器发送指令，让光机控制器给步进电机发送指令，步进电机按指令内容开始执行调整动作，调节曲面镜的角度把虚像投射到驾驶员需要的位置。麦克风接收的语音与库文件在控制器中的关系、逻辑图如图4所示。

图4 虚像位置调节原理图

3.2 手势调节法

手势输入调节的关键是手势库、内部摄像头和主机界面。内部摄像头的作用是拍摄手势的动作。当主机界面打开到ARHUD调节界面，同时摄像头摄取到手势上下左右动作，主机控制器进行匹配核算，主机内部控制需要把界面、动作库、手势动作同时匹配成功后输出调节信号，此信号发送给光机控制器，光机控制器驱动步进调节电机调节曲面镜的角度，来实现手势调节虚像。虚像位置调节效果见图5。库文件中保存了不同的手势方向如上下左右，也存储了手势的调整幅度，例如手势向上的距离长短，都能与摄像头摄取的手势相匹配，同时通过模糊算法，把一些不确定的手势标准化来实现调节的人性化。

图5 虚像位置调节效果图

3.3 唇语调节法

唇语调节的关键是唇语库、内部摄像头、麦克风和主机界面。内部摄像头的作用是拍摄驾驶员的唇语动作，麦克风接收到微弱声音信号。当主机界面打开到ARHUD调节界面，同时摄像头摄取到唇语动作，麦克风接收到微弱信号，主机控制器进行匹配核算，主机内部控制需要把界面、动作库、声音库、唇语动作、麦克风声音同时匹配成功后输出调节信号，此信号发送给光机控制器，光机控制器驱动步进调节电机调节曲面镜的角度，来实现唇语调节虚像。库文件中存储大量的语音和唇语库动作，如“虚像”“ARHUD”“调”“上”“下”“左”“右”“5mm”“10mm”“20mm”“30mm”等唇语动作及声音库，当驾驶员说话时，通过摄像头和麦克风获取信息通过计算可以输出调节虚像信息。

3.4 开关调节法

开关调节比较简单，主要有调节开关、控制器。此控制器可以是音响主机也可以直接给光机控制器设定每次按下调整虚像的幅度，例如按一次调整曲面镜的角度0.07°，虚像会向指定的方向调整5mm。开关设置上下左右调整按键，根据开关按键的选择和按的次数输出给控制器，控制器控制步进电机调整曲面镜的角度，从而实现虚像的位置调节。

3.5 DMS自动调节法

当音响主机显示界面打开到ARHUD虚像调节界面，DMS开始工作，DMS摄像头摄取人眼球的位置，根据眼球位置自动把虚像调节到驾驶员最方便的位置，这个位置的确定是根据标定的参数来设置的，根据人的身高和驾驶习惯把高度和虚像位置标定到主机控制器中，主机控制接收到DMS摄像头的驾驶员人眼的位置，把调整信息发送给光机控制器，光机控制器控制步进电机调整曲面镜位置，从而实现虚像位置调节。

4 总结

ARHUD虚像的调节根据输入的不同调节方式也不同，不论是哪种调节，执行机构都是一样的，都是通过步进电机调节曲面镜的角度实现虚像位置的变动，最终在前挡风玻璃上投射形成满足驾驶员位置和舒适度的虚像。根据输入的不同，控制器处理的内容和信号的算法和库文件不同，输入总结为两类：一类是语音类，如唇语和语音调节；另一类为动作类，如手势、开关和DMS自动调节。语音类输入主要是控制器里的语音库，动作算法主要是图像的动作库。本文通过对不同输入形式的详细分析给ARHUD设计提供新的可选课题［3］，给设计人员做了丰富的铺垫，为ARHUD的发展打开了新的大门，促进了汽车行业智能化的发展。同时也给用户提供了新的体验，带来新的舒适性和便利性。