自動駕駛工況下汽車虛擬人人機交互探索

張詩墨，暴宏志，杜才貞

（1．廣東科學技術(shù)職業(yè)學院，廣東 珠海 519180；2.珠海上富電技股份有限公司，廣東 珠海 519085）

1 引言

傳統(tǒng)汽車屬于駕駛員在環(huán)控制系統(tǒng)，汽車傳感系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)和駕駛員共同構(gòu)成車輛操控系統(tǒng)，所以駕駛員與車輛之間的人機交互系統(tǒng)復(fù)雜而且繁瑣。隨著技術(shù)發(fā)展，各種車輛傳感系統(tǒng)、車輛執(zhí)行系統(tǒng)、駕駛輔助系統(tǒng)將高度進化，車輛操縱正在變得越來越輕松愉悅。

隨著環(huán)境感知技術(shù)、高精度地圖技術(shù)、人工智能技術(shù)、深度學習算法、車輛V2X通訊等技術(shù)的不斷進步，預(yù)計幾年之內(nèi)，汽車市場上將會出現(xiàn)完全改變現(xiàn)有駕駛模式的自動駕駛量產(chǎn)車。屆時，重新定義的駕駛員將部分或者完全拋棄現(xiàn)有的方向盤操控駕駛模式，在新的操控模式下，此時的車輛可以被我們理解成一個虛擬汽車人，而且是一個可以帶有感情的虛擬人，后續(xù)可稱為“汽車虛擬人”。汽車虛擬人在自主地完成車輛駕駛?cè)蝿?wù)時，汽車的人機交互設(shè)計理念需要進行全新的構(gòu)建，將給設(shè)計者以更多的想象空間。比較起來，自動駕駛汽車具有自主收集傳感器信息、自主規(guī)劃決策駕駛行為和主動交互等多種特性。此時的人機交互，可能已經(jīng)不完全是“儀表、中控、動力、方向盤、車門窗”等傳統(tǒng)意義上的人機交互，還將包括駕駛員與汽車虛擬人之間，互為交互對象的雙向交互行為，交互內(nèi)容最主要指的是駕駛行為決策信息雙向傳遞。駕駛員已經(jīng)變成了駕駛行為的決策者而非操作在環(huán)的實施者［1］。因此，面向自動駕駛車的人機交互的全新設(shè)計面臨了新的機遇和挑戰(zhàn)。而且隨著車輛控制權(quán)的轉(zhuǎn)移，車輛駕駛?cè)蝿?wù)的承擔主體將變成車輛本身，汽車駕駛?cè)说母拍顚⒆兊媚：筒淮_定性，虛擬意義上的駕駛?cè)藬?shù)將會增加，新的駕駛模式一定會帶來全新的人車交互系統(tǒng)關(guān)系。因此，我們需要探討并規(guī)劃，為新的駕駛環(huán)境及交互場景下的“乘客”提供一個更適合的“駕乘體驗”。

2 ADAS（高級駕駛輔助系統(tǒng)）及自動駕駛?cè)藱C交互系統(tǒng)現(xiàn)狀綜述

目前階段，駕駛員依然是車輛操控主體。但是ACC自適應(yīng)巡航、AEB自動緊急制動、LKS車道線保持、APA全自動泊車等多種駕駛輔助系統(tǒng)正在逐漸得到大量應(yīng)用。某些汽車廠商相對激進一些，已經(jīng)在量產(chǎn)車型中，配置了部分自動駕駛功能，號稱整車自動駕駛水平達到了L3或者更高。

2.1 ADAS介紹

先進駕駛輔助系統(tǒng) （Advanced Driver Assistance System），簡稱ADAS，是輔助駕駛?cè)诉M行汽車駕駛的系統(tǒng)［2］。當含有人機交互接口時，它可以增加車輛的安全性和道路的安全性。利用安裝于車上的各式各樣的傳感器，在第一時間收集車內(nèi)外的環(huán)境數(shù)據(jù)，進行靜、動態(tài)物體的辨識、偵測與追蹤等技術(shù)上的處理，從而能夠讓駕駛者在最快的時間察覺可能發(fā)生的危險，以引起注意和提高安全性的主動安全技術(shù)。早期的ADAS技術(shù)主要以被動式報警為主，當車輛檢測到潛在危險時，會發(fā)出警報提醒駕車者注意異常的車輛或道路情況。對于最新的ADAS技術(shù)來說，主動式干預(yù)也很常見。

2.2 自動駕駛系統(tǒng)的分類

自動駕駛技術(shù)有技術(shù)水平的劃分，SAE將汽車的自動駕駛技術(shù)按照技術(shù)水平分為5個階段。

1）Level 0沒有自動駕駛功能。

2）Level 1-Level 3，自動駕駛技術(shù)逐漸深入?yún)⑴c到車輛控制之中，從輔助駕駛到一定限度內(nèi)的控制車輛，再到特定工況接管車輛控制權(quán)限。雖然沒有達到完全不需要駕駛員介入的水平，但也可以看做是在突發(fā)狀況時駕駛員介入，防止事故發(fā)生的程度。目前市面上可見的號稱具備自動駕駛功能的量產(chǎn)車型多處在這一技術(shù)階段。

3）Level 4-Level 5，最高級的自動駕駛，超越傳統(tǒng)駕駛技術(shù)的界限，可以視為無人駕駛汽車時代的到來，駕駛員的概念將消失，只剩下搭乘者的概念。在這個階段，不需要駕駛員的介入，因此，方向盤或踏板等也已經(jīng)沒必要配置。本文后續(xù)將主要探討在這一級別下，自動駕駛模式人機交互系統(tǒng)的設(shè)計。

2.3 當前主流自動駕駛系統(tǒng)的人機交互現(xiàn)狀

對于L3以下的自動駕駛系統(tǒng)而言，汽車操控的主體責任者還是駕駛員，汽車輔助駕駛系統(tǒng)起到的是駕駛員感知與操控系統(tǒng)的延伸作用。此時交互系統(tǒng)設(shè)計的最重要理念是如何及時快速將車輛所處的行駛環(huán)境信息簡單快捷地通知駕駛員，同時將駕駛員的操控信息傳遞給車輛，以增加車輛駕駛的安全性，更好地起到輔助駕駛的作用。

同時，在一定條件限制的交通環(huán)境內(nèi)，簡單快捷地將駕駛員操作指令傳遞給自動駕駛系統(tǒng)，同時將車輛的控制權(quán)限交給自動駕駛系統(tǒng)進行車輛操控駕駛。在遇到系統(tǒng)無法解決的路況條件時，系統(tǒng)需要快捷有效提醒駕駛員接管車輛操控權(quán)限，以確保車輛安全行駛。

特斯拉Model 3車型可以說是一款設(shè)計時基本很少考慮駕駛員的駕駛體驗，重點面向無人駕駛工況下的操控過程。顛覆了汽車產(chǎn)品交互系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計理念，在產(chǎn)品科技感、未來感、藝術(shù)感方面為后續(xù)同類產(chǎn)品設(shè)置了產(chǎn)品標桿。Model 3可以自定義自己的操作習慣并在方向盤及UI界面中加以體現(xiàn)。產(chǎn)品有很多的潛在交互行為，需要在停車等特定場景進行操作。車輛人機交互方面給駕駛員最直接的感受是取消了旋鈕按鈕等實體操作功能，取而代之的是扁平化的UI界面，弱化了駕駛員的操控體驗，強化了包括駕駛員在內(nèi)的全部乘員的乘坐體驗。可以說，特斯拉這樣做不只是為了前衛(wèi)的概念，而是在為沒有駕駛員的車輛環(huán)境做了非常多的設(shè)計準備。

3 未來自動駕駛?cè)藱C交互系統(tǒng)的設(shè)計探索

目前階段，自動駕駛水平基本處在Level 1-Level 3層次，傳統(tǒng)的觸控式人機交互方式依然是主流操作模式，但是向觸摸式交互、語音識別交互和手勢交互方向過渡的趨勢已經(jīng)顯現(xiàn)。

自動駕駛模式下，汽車虛擬人可以獨立完成乘員運送的全部功能，此時的人機交互將完全顛覆傳統(tǒng)意義上的駕駛員在環(huán)操控系統(tǒng)，乘員個性化的出行需求、環(huán)境舒適性需求、乘員對外溝通需求、生理需求等多種需求傳遞至汽車虛擬人的控制系統(tǒng)即可，汽車虛擬人在指揮車輛完成運送的過程中，相關(guān)突發(fā)情況需要傳遞給乘員，同時乘員也可以在運送過程中修正初始需求。

隨著人工智能、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，特別是在快速發(fā)展并且無處不在的多種顯示技術(shù)的影響下，人機交互智能產(chǎn)品正在向著顯示控制多元一體化的方向演進，汽車人機交互界面的深度需求正在推進顛覆傳統(tǒng)的新交互方式及交互模式的出現(xiàn)。可以預(yù)見，在未來汽車環(huán)境人機交互應(yīng)用中，車內(nèi)的多種車載設(shè)施均有可能成為汽車虛擬人與駕駛員進行人機交互的媒介，并被賦予新的人機交互功能。而且，在自動駕駛場景下，會催生出新的實體交互控制方式與媒介，傳統(tǒng)的操縱與交互設(shè)施也可能被隱藏或消失，并被新的方式替代，突破傳統(tǒng)并形成的實體人機交互媒介。從技術(shù)層面，未來人機交互將更多關(guān)注人工智能、虛擬現(xiàn)實相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，更加強調(diào)人機交互的參與性與沉浸型［3］。從使用方面，人機交互的模式將隨著駕駛員范圍的擴大，使用人群的拓展，非專業(yè)技術(shù)人群將更多參與到交互活動中來，所以車輛駕駛將必然越來越回歸一種“自然”的交互方式［4］。未來的人機交互方式一定會向一種最原始的方式發(fā)展，人機交互互動過程將更為方便快捷。

3.1 語音交互方式

為了實現(xiàn)雙向語音交互，需要依托語音識別技術(shù)和語音合成技術(shù)。語音識別技術(shù)也被稱為機器語音自動識別技術(shù)，通過對語音的分析、提取相關(guān)語音詞匯，解析相關(guān)語義，同時分析相關(guān)情緒包含，排除歧義，實現(xiàn)準確的語音獲取。語音合成技術(shù)指其通過對語音輸入內(nèi)容的分析，結(jié)合相關(guān)語言環(huán)境，給出語言反饋，并通過機器合成語言語音，表述給交互對象的過程。

這一過程，與人類的真實交互過程完全相同，對于人類而言，不需要任何的學習就可以直接使用，所以具有先天的交互優(yōu)勢，所以語音交互被看做最適合于人機交互的交互方式之一［5］。目前語音識別交互方式已經(jīng)得到廣泛使用，只是在復(fù)雜語音背景，多人語音同時輸入等方面還存在不足，尤其語言輸入具有很大的不確定性，也就是語言的歧義性很大，所以如何結(jié)合交互者的情感對語義進行正確解析是一個比較大的挑戰(zhàn)。

3.2 觸摸交互方式

觸摸屏與傳統(tǒng)旋鈕操控相比，具有簡單、自然、復(fù)用、節(jié)省空間等多種優(yōu)點。以奧迪轎車為例，一套MMI設(shè)計下來占用的空間龐大、設(shè)計復(fù)雜度高，操作難度比較高。很多按鍵從未被使用，但是空間已經(jīng)被占用，很難復(fù)用。從特斯拉車型大屏觸控開始，觸摸交互方式開始被廣泛應(yīng)用，關(guān)于觸摸交互的相關(guān)技術(shù)得到快速發(fā)展。

例如多點觸控技術(shù)，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，作為是一種新生的人機交互技術(shù)，可以允許多個用戶在同一個交互界面上，通過手指按壓、手指手勢等多種操控輸入方式進行人機交互，實現(xiàn)多用戶、多需求同時交互的操控實現(xiàn)，增強了用戶體驗。后續(xù)自動駕駛模式下，多名乘員均可以成為車輛駕駛員，汽車虛擬人與多個車輛駕駛員之間必然形成多重交互，交互過程中的重疊與沖突不可避免，如何在沖突情況下實現(xiàn)正確的人機交互結(jié)果，目前的多點觸控技術(shù)可以提供相關(guān)的技術(shù)探索渠道。

3.3 體感交互方式

人與人之間交流，除直接語言交流之外，肢體語言的交流會大大加快交流的速度和理解的深度，所以人與人面對面交流的效果會比電話交流起到更好的溝通交流效果［6］。這一結(jié)論同樣適用于人機交互范疇，真實的人類駕駛員與汽車虛擬人之間建立體感交互方式，將肢體語言融入人機交互中，將大大促進交流的進程并會提升交流結(jié)果的正確性。

肢體語言交流也就是體感交流技術(shù)主要依托于動作識別技術(shù)。目前階段主要發(fā)展的技術(shù)包括手勢識別技術(shù)、形體動作識別技術(shù)等。當前，全球三大游戲廠商均推出過自己的體感控制器，如微軟和索尼推出的體感輔助設(shè)備Kinect和PSMove，任天堂的Wii則一直是以體感進行控制的游戲機。限于車輛內(nèi)部操作空間有限，車輛應(yīng)用還以手勢識別為主，相信后續(xù)車輛的整體布置已經(jīng)不再考慮駕駛員操控需求之后，駕駛艙的布局將會有新的變化，眾多的體感交互技術(shù)將會得到新的應(yīng)用。

3.4 心理感知交互技術(shù)

人類對汽車的個性化推動了汽車技術(shù)的發(fā)展，同時如何實現(xiàn)個性化的人機交互模式和方式也逐步涌現(xiàn)出來新的技術(shù)。生物識別與感知技術(shù)是當前技術(shù)發(fā)展的一個熱門領(lǐng)域，如何通過不同駕駛員的生理特征確認駕駛員的個性化需求。未來，根據(jù)駕駛員的生理參數(shù)變化、包括情緒的變化，向車輛虛擬人傳遞模糊化的操控指令將成為一個發(fā)展方向。

在駕駛員身份識別的基礎(chǔ)上，通過接觸式以及非接觸式方式實時感知駕駛員的相關(guān)生理及心理參數(shù)。根據(jù)駕駛員的相關(guān)參數(shù)，以駕駛員生物數(shù)據(jù)為依據(jù)，實時提供相關(guān)服務(wù)［7］。例如感知到駕駛員體感過熱，可以實時調(diào)整空調(diào)溫度；根據(jù)駕駛員認為空間過吵，可以調(diào)整音響設(shè)備的音量；根據(jù)駕駛員困倦需求，提供香薰服務(wù)等。

當然，目前生物及心理數(shù)據(jù)感知技術(shù)基礎(chǔ)還比較薄弱，通過生物及心理技術(shù)數(shù)據(jù)直接操控車輛的技術(shù)還不成熟。同時也伴隨著個人隱私的數(shù)據(jù)泄露的風險，但是與語音交互和體感交互不同，心理感知技術(shù)不會對其他乘員形成環(huán)境影響，而且更加滿足駕駛員的個性化需求，未來也有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4 結(jié)語

總體而言，人機交互系統(tǒng)是人車協(xié)同、人路協(xié)同、人網(wǎng)協(xié)同的重要環(huán)節(jié)，是傳統(tǒng)駕駛與自動駕駛均需要的重要環(huán)節(jié)。

本文對傳統(tǒng)駕駛模式下人機交互分析，以及多ADAS系統(tǒng)逐漸普及環(huán)境下的人機交互進行了分析，對傳統(tǒng)駕駛模式與自動系統(tǒng)架構(gòu)的背景和趨勢進行了研究，提出了當前發(fā)展駕駛方式所面臨的問題。然后大膽預(yù)測了未來自動駕駛模式下，汽車人機交互系統(tǒng)的交互模式及發(fā)展方向，希望能夠為后續(xù)自動駕駛模式下人機交互系統(tǒng)設(shè)計師提供一定的參考。