基于L3级自动驾驶的HMI设计

摘要：根据L3级自动驾驶项目的相关开发经验，对L3级自动驾驶汽车HMI设计中的问题及痛点进行分析，找出具体根源，同时描述HMI设计在自动驾驶中的作用，并结合实际应用，论述L3级自动驾驶HMI设计的相关原则。

关键词：L3级自动驾驶；HMI设计

中图分类号：U471 收稿日期：2023-07-06

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.10.005

1 前言

对于L3级自动驾驶，人与车的关系正在被重新定义，人不再是车辆的驾驶者，而是从各种约束中解脱出来，成为智能出行舱的体验者和监管者。人机交互界面（HMI）是人与汽车直接交流的通道，也是影响车内用户体验的最关键要素，HMI作为支持用户使用车辆和获取服务最主要的方式，对汽车的功能呈现和品牌影响起着关键的作用，L3级自动驾驶汽车正在推动汽车HMI设计师思维方式和设计范式的转变。

2 L3级自动驾驶HMI设计问题及痛点

L3级自动驾驶为有条件自动驾驶，自动驾驶系统将完成在运营场景ODD范围内的所有驾驶操作及周边环境监控，驾驶员可以从驾驶任务中脱离出来［1］。当车辆出现系统性失效，或者出现超出车辆运行范围的事件后，驾驶员需要来接受自动驾驶系统给出的接管指令，接管车辆。

限定场景下的自动驾驶，实际上是一个“人机共驾”的过程，HMI的交互设计、逻辑设计需要考虑一些相关问题。

2.1 自动驾驶的不恰当使用

自动驾驶作为一项新技术，普通人对自动驾驶的信任度及理解程度都是不一样的，复杂的HMI设计可能导致对自动驾驶的误用、弃用及滥用。如何设计显示及动作序列，便于客户理解自动驾驶，同时又减少交互的时间及频次，是HMI设计的关键点。

2.2 驾驶模式的模糊

FCW（前向碰撞预警）、LDW（自动偏离预警）、AEB（自动紧急制动）这三项功能属于法规需求项，始终处于开启状态；驾驶员容易误认为只有自动驾驶启动或者此功能开启便处于自动驾驶状态。如果HMI设计得不合理，驾驶员将无法清楚区分当前车辆的运行模式是自动驾驶还是手动驾驶，从而做出错误判断和行为。自动和人工切换的过程，也容易出现错误决策。

2.3 自动驾驶接管不及时

在L3级自动驾驶的条件下，驾驶员实际已将注意力从驾驶任务中脱离了出来。理论上，驾驶员可以做与驾驶无关的事情，比如休息、娱乐等。但是通常需要车辆接管的工况都比较复杂，人类的反应速度有限，意味着很难短时间内做到安全接管，车辆及人将会处于危险状态。如果HMI设计得不合理，驾驶员将难以在短时间内有效承担高难度的驾驶任务。

3 HMI设计在自动驾驶中的作用

自动驾驶系统HMI的目的在于实现自动驾驶系统与驾驶员之间的相互理解，保证自动驾驶系统的安全运行。减少意外误用或不正确的操作，其最重要和最具挑战性的目标在于使用户正确地理解当前实际的驾驶模式，以及该模式下附属的用户责任和驾驶任务。

同时，驾驶员的注意力是有限的，在驾驶主任务中，也会存在不同的子任务，任务的认知负荷过高时，会使得驾驶员分散注意力。HMI设计就是通过设计手段去平衡用户注意资源的过程，让驾驶员用最少的注意资源完成尽可能多的任务，减少分心和认知负荷所带来的安全隐患［2］。

4 L3级自动驾驶中HMI设计的原则

4.1 安全性原则

4.1.1 行车安全相关标识放置在最高层级

根据国标法规要求，FCW（前向碰撞预警）、LDW（自动偏离预警）、AEB（自动紧急制动）这三项功能属于法规需求项，始终处于开启状态，应该置于交互层级的最上层，保证客户能准确理解区分L3级自动驾驶开启及未开启区别，最快速完成操作。

4.1.2 层级简明原则

a.不增加结构的复杂性，不增加用户的认知成本，整体保持一致的韵律感，尽量将同类型场景、内容模版统一，达到简明统一的效果。

b.单页面需要根据产品功能的主次层级进行合理排版，把重要的功能凸显，次要的功能进行隐藏。

c.界面一般分为一级、二级、三级，同层级样式（填充色、高度、宽度、文本大小、颜色值、图标与文本之间的间距）应保持一致性。而不同层级应保持视觉差异化，让用户能够快速浏览界面信息，并且知道那些链接分别是哪个层级的项目。

4.1.3 单次交互操作时间

直接抛出结果单次交互操作动作不能超过2 s（1 s内为最佳）。

如果一个在行驶过程中需要交互操作的动作用时2～3 s就已经是一个危险状况。建议车载文字最小物理字高度不小于4.4 mm，单次消息提示不超过12个字。完成单次任务消息提示总量不超过30个字。表1所示为某主机厂L3级自动驾驶单次外抛交互操作提示部分内容。

表1 L3级自动驾驶人机交互

[序号 模块 内容 1 路况注意提醒 预见性巡航工作中 2 路况注意提醒 前方限速调整，请注意 3 路况注意提醒 左侧车辆靠近，请注意 4 路况注意提醒 右侧车辆靠近，请注意 5 路况注意提醒 前方驶入匝道，请注意路况 6 路况注意提醒 前方汇入主干道，请注意路况 7 路况注意提醒 请注意路况 8 路况注意提醒 激光雷达被遮挡，请检查 9 速度变化提示 前方大坡，即将提前减速 10 速度变化提示 前方隧道，即将提前减速 11 速度变化提示 前方弯坡路段，即将提前减速 12 速度变化提示 节油策略加速中 13 速度变化提示 节油策略减速中 14 速度变化提示 超车加速中 ]

4.2 可用性原则

4.2.1 设计一致性

a.颜色一致性（主色调、辅助色、点缀色、字体颜色）。颜色定义如图1所示。

b.操作一致性。

操作一致性也可以说是交互动作一致性，就是指用户在操作相同的功能时，他们的操作方式应该是一致的，点击打开、上滑下拉、双击显示更多操作等，如图2所示。

c.感知一致性。

相同的功能在页面的中位置需要保持一致，可以方便用户快速准确的操作，其中包括相同功能的操作位置一致、页面之间的元素相对位置一致等。如：确定、取消、删除、类似模块的相同按钮位置相似；同样的功能在不同的地方出现的文本应该保持一致，其中包含提示语、辅助信息、操作提示、功能按钮文本等。

4.2.2 大小合适的字体

大小适当的字体和清晰的色彩对比有助于用户快速地完成操作，避免视觉注意力长时间停留引起安全隐患。

通过字体的粗细与字号大小，明确不同的交互功能与使用场景。高度清晰的文本有助于驾驶员缩短浏览时间和决策时间，从而减少认知和视觉分心。

4.2.3 合理的主题界面

HMI的界面色彩直接影响用户的操作安全和使用体验，界面采用深色界面，对比明显，在强光下能减少眩光。

4.2.4 给报警级别标识不同的颜色

图3所示为给报警级别标识的不同警戒色。

4.3 增强人车相互信任

4.3.1 驾驶行为便于理解

a.准确快速的传达车辆当前的性能状态。

自动驾驶模式开启且监测到道路标记或车道边缘时汽车显示屏显示自动驾驶的标准化符号，当自动驾驶模式关闭时，标准化符号应标记灰色，所有显示信息都应呈现在驾驶员前方视野（仪表、HUD或者MP5中），如图4所示，在仪表上面显示L3级自动驾驶各功能状态，绿色表示已经开启，灰色表示未开启。

b.详细还原车辆道路信息。

在HMI上尽可能还原车辆检测到的信息，尽可能详细地提供有关车道上的汽车和周围车辆的位置，道路标记的类型以及本车与其他车道上的车辆相比的相对位置等详细信息，这种可视化显示可以增加驾驶员对自动驾驶的信任。

同时，需要对路况注意提醒，比如：应急车道被占用，请注意路况；车道被占用，注意避让；车辆偏离右车道提醒及障碍物提醒等。

c.为用户的操作提供及时的反馈。

HMI应为用户的操作提供及时的反馈，当用户点击按键进入自动驾驶时，自动驾驶处于激活但还未开启时，需要提示当前状态以及进入条件；进入失败，需要提示原因，例如，不在可行驶区域，天气条件不佳，光线不足等。

用户进入自动驾驶时，需要提示当前状态，且对自动驾驶功能进行选择时，需对激活功能及关闭功能进行相应提示。

4.3.2 设计接管流程的合理性

a.引导用户操作前，预先消息通知。

L3级别的自动驾驶中，驾驶任务和监控外界环境的任务由车辆完成，需要驾驶员接管的情况，分为以下两种：一种是车辆自身引起的，比如摄像头故障、雷达故障、摄像头、雷达遮挡、传感器偏移等；另一种是外部环境条件发生变化，不满足自动驾驶条件，比如天气变化、光线不足、车道占用、道路修路、匝道等。

L3级自动驾驶系统不能应对所有的复杂场景，能够在遇到无法处理情况时，尽可能地通过预测进行判断，提前提醒并告知驾驶员系统无法应对及原因，并提供所需驾驶员接管的倒计时提醒。

b.传达行驶环境信息，预估与环境可能发生的交互。

L3级自动驾驶车辆使用多种车载传感器、雷达、摄像头获取车辆自身状态和所处环境信息，并对数据做出分析和判断，最终依据环境和车辆自身意图完成类人的自主决策控制。

在复杂拥堵的交通场景下，L3级自动驾驶系统需要有效地与交通流交互，这要求主体车辆必须预测自身行为对其他车辆行为的影响，得到在未来一段时间内安全的轨迹，即进行具有交互性与预测性的规划。

例如左侧车辆靠近，无法预判车辆行为轨迹，自动驾驶系统关闭，对于L3级系统，系统需要告知它无法应付，以及为什么无法应付，并提供所需接管的倒计时。

c.座舱应尽所能的帮助驾驶员快速恢复驾驶能力。

在L3级自动驾驶的条件下，通常需要车辆接管的工况都比较复杂，人类收到接管需求，需要迅速接管车辆，因此人的手需要放在方向盘上面，当手脱离方向盘时，车辆应立即发出相关的语音警报。此外，如果驾驶员没有对警告做出反应，汽车应做出相应的处置，比如减速、路边停靠、完全停车等。

同时L3级自动驾驶系统，应搭载DMS（疲劳驾驶预警），当驾驶员有不满足安全驾驶的行为时进行语音警报提醒，同时提醒驾驶员接管车辆。

4.3.3 多模态交互应用

L3级自动驾驶智慧座舱深度融合了视觉、听觉、触觉，车内外场景图像的多模态生物识别，不仅可以听懂车内人员发出的指令，还可以通过摄像头识别人的动作、神态，提供更加智能化的服务，实现人机系统环境的融合，将汽车座舱从被动交互转变到主动交互模式，高度场景化的决策推荐模式，极大地提升了人机交互的体验。多模交互的应用，使得驾驶员接收到车辆信息更为准确、迅速、便捷，能够帮忙驾驶员迅速接管车辆。如图5所示，通过方向盘按键可进入L3级自动驾驶，图6所示为仪表文字报警提示，及语音报警提示。

5 结语

L3级别自动驾驶的HMI设计，是智能化汽车的一部分，是提升用户对智能驾驶的信任感和安全感的重要途径。优秀的HMI设计，需要考虑用户体验，关注设计细节，给用户带来安全和舒适的体验，让用户愿意并且乐于使用智能驾驶功能，从而增强产品竞争力。智能驾驶的人机交互设计目前还没有统一的标准，还处于探索前进阶段，正在推进传统的交互方式逐渐升级，向着更高阶段迈进。

参考文献：

[1]王亚辉.三级自动驾驶汽车HMI设计指南[EB/OL].https：//zhuanlan.zhihu.com/p/598620479.

[2]陈芳.以人为本的智能汽车交互设计[M].北京：机械工业出版社，2021.

作者简介：

张艳，女，1982年生，工程师，研究方向为重型车智能网联设计。