基于L3級自動駕駛的HMI設計

摘要：根據(jù)L3級自動駕駛項目的相關開發(fā)經(jīng)驗，對L3級自動駕駛汽車HMI設計中的問題及痛點進行分析，找出具體根源，同時描述HMI設計在自動駕駛中的作用，并結合實際應用，論述L3級自動駕駛HMI設計的相關原則。

關鍵詞：L3級自動駕駛；HMI設計

中圖分類號：U471 收稿日期：2023-07-06

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.10.005

1 前言

對于L3級自動駕駛，人與車的關系正在被重新定義，人不再是車輛的駕駛者，而是從各種約束中解脫出來，成為智能出行艙的體驗者和監(jiān)管者。人機交互界面（HMI）是人與汽車直接交流的通道，也是影響車內(nèi)用戶體驗的最關鍵要素，HMI作為支持用戶使用車輛和獲取服務最主要的方式，對汽車的功能呈現(xiàn)和品牌影響起著關鍵的作用，L3級自動駕駛汽車正在推動汽車HMI設計師思維方式和設計范式的轉(zhuǎn)變。

2 L3級自動駕駛HMI設計問題及痛點

L3級自動駕駛為有條件自動駕駛，自動駕駛系統(tǒng)將完成在運營場景ODD范圍內(nèi)的所有駕駛操作及周邊環(huán)境監(jiān)控，駕駛員可以從駕駛任務中脫離出來［1］。當車輛出現(xiàn)系統(tǒng)性失效，或者出現(xiàn)超出車輛運行范圍的事件后，駕駛員需要來接受自動駕駛系統(tǒng)給出的接管指令，接管車輛。

限定場景下的自動駕駛，實際上是一個“人機共駕”的過程，HMI的交互設計、邏輯設計需要考慮一些相關問題。

2.1 自動駕駛的不恰當使用

自動駕駛作為一項新技術，普通人對自動駕駛的信任度及理解程度都是不一樣的，復雜的HMI設計可能導致對自動駕駛的誤用、棄用及濫用。如何設計顯示及動作序列，便于客戶理解自動駕駛，同時又減少交互的時間及頻次，是HMI設計的關鍵點。

2.2 駕駛模式的模糊

FCW（前向碰撞預警）、LDW（自動偏離預警）、AEB（自動緊急制動）這三項功能屬于法規(guī)需求項，始終處于開啟狀態(tài)；駕駛員容易誤認為只有自動駕駛啟動或者此功能開啟便處于自動駕駛狀態(tài)。如果HMI設計得不合理，駕駛員將無法清楚區(qū)分當前車輛的運行模式是自動駕駛還是手動駕駛，從而做出錯誤判斷和行為。自動和人工切換的過程，也容易出現(xiàn)錯誤決策。

2.3 自動駕駛接管不及時

在L3級自動駕駛的條件下，駕駛員實際已將注意力從駕駛任務中脫離了出來。理論上，駕駛員可以做與駕駛無關的事情，比如休息、娛樂等。但是通常需要車輛接管的工況都比較復雜，人類的反應速度有限，意味著很難短時間內(nèi)做到安全接管，車輛及人將會處于危險狀態(tài)。如果HMI設計得不合理，駕駛員將難以在短時間內(nèi)有效承擔高難度的駕駛任務。

3 HMI設計在自動駕駛中的作用

自動駕駛系統(tǒng)HMI的目的在于實現(xiàn)自動駕駛系統(tǒng)與駕駛員之間的相互理解，保證自動駕駛系統(tǒng)的安全運行。減少意外誤用或不正確的操作，其最重要和最具挑戰(zhàn)性的目標在于使用戶正確地理解當前實際的駕駛模式，以及該模式下附屬的用戶責任和駕駛任務。

同時，駕駛員的注意力是有限的，在駕駛主任務中，也會存在不同的子任務，任務的認知負荷過高時，會使得駕駛員分散注意力。HMI設計就是通過設計手段去平衡用戶注意資源的過程，讓駕駛員用最少的注意資源完成盡可能多的任務，減少分心和認知負荷所帶來的安全隱患［2］。

4 L3級自動駕駛中HMI設計的原則

4.1 安全性原則

4.1.1 行車安全相關標識放置在最高層級

根據(jù)國標法規(guī)要求，F(xiàn)CW（前向碰撞預警）、LDW（自動偏離預警）、AEB（自動緊急制動）這三項功能屬于法規(guī)需求項，始終處于開啟狀態(tài)，應該置于交互層級的最上層，保證客戶能準確理解區(qū)分L3級自動駕駛開啟及未開啟區(qū)別，最快速完成操作。

4.1.2 層級簡明原則

a.不增加結構的復雜性，不增加用戶的認知成本，整體保持一致的韻律感，盡量將同類型場景、內(nèi)容模版統(tǒng)一，達到簡明統(tǒng)一的效果。

b.單頁面需要根據(jù)產(chǎn)品功能的主次層級進行合理排版，把重要的功能凸顯，次要的功能進行隱藏。

c.界面一般分為一級、二級、三級，同層級樣式（填充色、高度、寬度、文本大小、顏色值、圖標與文本之間的間距）應保持一致性。而不同層級應保持視覺差異化，讓用戶能夠快速瀏覽界面信息，并且知道那些鏈接分別是哪個層級的項目。

4.1.3 單次交互操作時間

直接拋出結果單次交互操作動作不能超過2 s（1 s內(nèi)為最佳）。

如果一個在行駛過程中需要交互操作的動作用時2～3 s就已經(jīng)是一個危險狀況。建議車載文字最小物理字高度不小于4.4 mm，單次消息提示不超過12個字。完成單次任務消息提示總量不超過30個字。表1所示為某主機廠L3級自動駕駛單次外拋交互操作提示部分內(nèi)容。

表1 L3級自動駕駛人機交互

[序號 模塊 內(nèi)容 1 路況注意提醒 預見性巡航工作中 2 路況注意提醒 前方限速調(diào)整，請注意 3 路況注意提醒 左側車輛靠近，請注意 4 路況注意提醒 右側車輛靠近，請注意 5 路況注意提醒 前方駛入匝道，請注意路況 6 路況注意提醒 前方匯入主干道，請注意路況 7 路況注意提醒 請注意路況 8 路況注意提醒 激光雷達被遮擋，請檢查 9 速度變化提示 前方大坡，即將提前減速 10 速度變化提示 前方隧道，即將提前減速 11 速度變化提示 前方彎坡路段，即將提前減速 12 速度變化提示 節(jié)油策略加速中 13 速度變化提示 節(jié)油策略減速中 14 速度變化提示 超車加速中 ]

4.2 可用性原則

4.2.1 設計一致性

a.顏色一致性（主色調(diào)、輔助色、點綴色、字體顏色）。顏色定義如圖1所示。

b.操作一致性。

操作一致性也可以說是交互動作一致性，就是指用戶在操作相同的功能時，他們的操作方式應該是一致的，點擊打開、上滑下拉、雙擊顯示更多操作等，如圖2所示。

c.感知一致性。

相同的功能在頁面的中位置需要保持一致，可以方便用戶快速準確的操作，其中包括相同功能的操作位置一致、頁面之間的元素相對位置一致等。如：確定、取消、刪除、類似模塊的相同按鈕位置相似；同樣的功能在不同的地方出現(xiàn)的文本應該保持一致，其中包含提示語、輔助信息、操作提示、功能按鈕文本等。

4.2.2 大小合適的字體

大小適當?shù)淖煮w和清晰的色彩對比有助于用戶快速地完成操作，避免視覺注意力長時間停留引起安全隱患。

通過字體的粗細與字號大小，明確不同的交互功能與使用場景。高度清晰的文本有助于駕駛員縮短瀏覽時間和決策時間，從而減少認知和視覺分心。

4.2.3 合理的主題界面

HMI的界面色彩直接影響用戶的操作安全和使用體驗，界面采用深色界面，對比明顯，在強光下能減少眩光。

4.2.4 給報警級別標識不同的顏色

圖3所示為給報警級別標識的不同警戒色。

4.3 增強人車相互信任

4.3.1 駕駛行為便于理解

a.準確快速的傳達車輛當前的性能狀態(tài)。

自動駕駛模式開啟且監(jiān)測到道路標記或車道邊緣時汽車顯示屏顯示自動駕駛的標準化符號，當自動駕駛模式關閉時，標準化符號應標記灰色，所有顯示信息都應呈現(xiàn)在駕駛員前方視野（儀表、HUD或者MP5中），如圖4所示，在儀表上面顯示L3級自動駕駛各功能狀態(tài)，綠色表示已經(jīng)開啟，灰色表示未開啟。

b.詳細還原車輛道路信息。

在HMI上盡可能還原車輛檢測到的信息，盡可能詳細地提供有關車道上的汽車和周圍車輛的位置，道路標記的類型以及本車與其他車道上的車輛相比的相對位置等詳細信息，這種可視化顯示可以增加駕駛員對自動駕駛的信任。

同時，需要對路況注意提醒，比如：應急車道被占用，請注意路況；車道被占用，注意避讓；車輛偏離右車道提醒及障礙物提醒等。

c.為用戶的操作提供及時的反饋。

HMI應為用戶的操作提供及時的反饋，當用戶點擊按鍵進入自動駕駛時，自動駕駛處于激活但還未開啟時，需要提示當前狀態(tài)以及進入條件；進入失敗，需要提示原因，例如，不在可行駛區(qū)域，天氣條件不佳，光線不足等。

用戶進入自動駕駛時，需要提示當前狀態(tài)，且對自動駕駛功能進行選擇時，需對激活功能及關閉功能進行相應提示。

4.3.2 設計接管流程的合理性

a.引導用戶操作前，預先消息通知。

L3級別的自動駕駛中，駕駛任務和監(jiān)控外界環(huán)境的任務由車輛完成，需要駕駛員接管的情況，分為以下兩種：一種是車輛自身引起的，比如攝像頭故障、雷達故障、攝像頭、雷達遮擋、傳感器偏移等；另一種是外部環(huán)境條件發(fā)生變化，不滿足自動駕駛條件，比如天氣變化、光線不足、車道占用、道路修路、匝道等。

L3級自動駕駛系統(tǒng)不能應對所有的復雜場景，能夠在遇到無法處理情況時，盡可能地通過預測進行判斷，提前提醒并告知駕駛員系統(tǒng)無法應對及原因，并提供所需駕駛員接管的倒計時提醒。

b.傳達行駛環(huán)境信息，預估與環(huán)境可能發(fā)生的交互。

L3級自動駕駛車輛使用多種車載傳感器、雷達、攝像頭獲取車輛自身狀態(tài)和所處環(huán)境信息，并對數(shù)據(jù)做出分析和判斷，最終依據(jù)環(huán)境和車輛自身意圖完成類人的自主決策控制。

在復雜擁堵的交通場景下，L3級自動駕駛系統(tǒng)需要有效地與交通流交互，這要求主體車輛必須預測自身行為對其他車輛行為的影響，得到在未來一段時間內(nèi)安全的軌跡，即進行具有交互性與預測性的規(guī)劃。

例如左側車輛靠近，無法預判車輛行為軌跡，自動駕駛系統(tǒng)關閉，對于L3級系統(tǒng)，系統(tǒng)需要告知它無法應付，以及為什么無法應付，并提供所需接管的倒計時。

c.座艙應盡所能的幫助駕駛員快速恢復駕駛能力。

在L3級自動駕駛的條件下，通常需要車輛接管的工況都比較復雜，人類收到接管需求，需要迅速接管車輛，因此人的手需要放在方向盤上面，當手脫離方向盤時，車輛應立即發(fā)出相關的語音警報。此外，如果駕駛員沒有對警告做出反應，汽車應做出相應的處置，比如減速、路邊?？?、完全停車等。

同時L3級自動駕駛系統(tǒng)，應搭載DMS（疲勞駕駛預警），當駕駛員有不滿足安全駕駛的行為時進行語音警報提醒，同時提醒駕駛員接管車輛。

4.3.3 多模態(tài)交互應用

L3級自動駕駛智慧座艙深度融合了視覺、聽覺、觸覺，車內(nèi)外場景圖像的多模態(tài)生物識別，不僅可以聽懂車內(nèi)人員發(fā)出的指令，還可以通過攝像頭識別人的動作、神態(tài)，提供更加智能化的服務，實現(xiàn)人機系統(tǒng)環(huán)境的融合，將汽車座艙從被動交互轉(zhuǎn)變到主動交互模式，高度場景化的決策推薦模式，極大地提升了人機交互的體驗。多模交互的應用，使得駕駛員接收到車輛信息更為準確、迅速、便捷，能夠幫忙駕駛員迅速接管車輛。如圖5所示，通過方向盤按鍵可進入L3級自動駕駛，圖6所示為儀表文字報警提示，及語音報警提示。

5 結語

L3級別自動駕駛的HMI設計，是智能化汽車的一部分，是提升用戶對智能駕駛的信任感和安全感的重要途徑。優(yōu)秀的HMI設計，需要考慮用戶體驗，關注設計細節(jié)，給用戶帶來安全和舒適的體驗，讓用戶愿意并且樂于使用智能駕駛功能，從而增強產(chǎn)品競爭力。智能駕駛的人機交互設計目前還沒有統(tǒng)一的標準，還處于探索前進階段，正在推進傳統(tǒng)的交互方式逐漸升級，向著更高階段邁進。

參考文獻：

[1]王亞輝.三級自動駕駛汽車HMI設計指南[EB/OL].https：//zhuanlan.zhihu.com/p/598620479.

[2]陳芳.以人為本的智能汽車交互設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2021.

作者簡介：

張艷，女，1982年生，工程師，研究方向為重型車智能網(wǎng)聯(lián)設計。