淺析整車HUD標(biāo)定失敗的影響因素

陸公道

摘 要：隨著汽車行業(yè)智能化的發(fā)展，越來(lái)越多車企提出智能駕駛座艙概念，抬頭顯示作為智能座艙系統(tǒng)的一個(gè)重要模塊，逐步得到推廣和應(yīng)用。目前主流的應(yīng)用方案是風(fēng)擋式抬頭顯示，不僅對(duì)抬頭顯示與智能座艙控制模塊交互通訊有較高的要求，而且在安裝尺寸鏈上存在較高精度要求，同時(shí)標(biāo)定檢測(cè)設(shè)備也提出很高要求，這些都是直接影響整車標(biāo)定成功的重要因素。

關(guān)鍵詞：智能座艙 抬頭顯示 尺寸鏈 檢測(cè)標(biāo)定

1 引言

汽車抬頭顯示（Head Up Display，HUD），是將儀表中導(dǎo)航路線、檔位信息和時(shí)速信息通過(guò)HUD發(fā)出光源將信息投影在前擋玻璃，或者前方形成虛擬的導(dǎo)航信息，駕駛員可以不用低頭正常觀察前方獲取相關(guān)信息。目前主流HUD主要為W-HUD（Windshield HUD）和AR-HUD（Augmented Reality HUD）兩種類型，W-HUD是通過(guò)光學(xué)投影原理，將光投射在前擋風(fēng)玻璃上，駕駛員觀察前擋玻璃信息即可。AR-HUD 利用了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將虛像信息和現(xiàn)實(shí)路況實(shí)時(shí)信息進(jìn)行疊加，讓駕駛員更直接獲取信息，后續(xù)與ADAS相關(guān)功能結(jié)合使用，如圖1。

本文基于HUD在整車裝配過(guò)程中的制造因素以及HUD自身存在的風(fēng)險(xiǎn)，闡述W-HUD在出廠控制的標(biāo)定和檢測(cè)環(huán)節(jié)遇到的失效模式及對(duì)應(yīng)的解決方案。

2 風(fēng)擋HUD成像及標(biāo)定原理

風(fēng)擋HUD是設(shè)備內(nèi)部通過(guò)高強(qiáng)度光源發(fā)出光束，經(jīng)過(guò)HUD內(nèi)部的大小反光鏡面將光束投射至擋風(fēng)玻璃，駕駛?cè)搜劬Σ蹲将@得相關(guān)信息。HUD設(shè)備內(nèi)部可程序高度可以調(diào)整反射鏡面角度來(lái)實(shí)現(xiàn)，反光鏡是依據(jù)電機(jī)調(diào)整從而實(shí)現(xiàn)角度的調(diào)整。整車的UI界面中通常也包括HUD高度的設(shè)定，UI界面的指令轉(zhuǎn)化CAN信號(hào)，HUD根據(jù)UI的指令切換不同高度擋位，成像可以投射不同位置，以此滿足不同身高駕駛?cè)说膶?shí)際需求。

主機(jī)廠的HUD檢測(cè)標(biāo)定首先要求車輛停放在規(guī)定的標(biāo)定工位上，車輛保持工程定義的姿態(tài)，通過(guò)上位機(jī)給HUD發(fā)診斷命令，調(diào)用不同參數(shù)標(biāo)定時(shí)專用的圖像，標(biāo)定設(shè)備的相機(jī)去捕捉HUD投射的成像，經(jīng)過(guò)標(biāo)定設(shè)備的程序算法去檢測(cè)成像是否合格。人眼位置、成像距離、下視角以及HUD圖像調(diào)節(jié)的原理如圖2所示。

目前評(píng)價(jià)HUD成像是否合格的參數(shù)包括兩部分： （1）主要與模塊相關(guān)的參數(shù)，包括： 成像距離、成像尺寸、及分辨率。以上因素由HUD模塊中的投射光源、顯示器、反射鏡、弧面鏡的形式和位置決定，模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)或內(nèi)部參數(shù)不變更，以上參數(shù)不會(huì)有大的波動(dòng)。（2）主要與模塊在車身安裝位置相關(guān)的參數(shù)，包括：下視角、左視角以及投影距離等。

對(duì)于各主機(jī)廠出廠前通常會(huì)對(duì)以下主要的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)標(biāo)定，以此規(guī)避HUD成像重影、成像傾斜、成像位置錯(cuò)誤等問(wèn)題。

2.1 視場(chǎng)角（FOV）：標(biāo)定眼盒點(diǎn)距離投影成像上下邊緣的夾角定義為垂直視場(chǎng)角，與成像左右邊緣的夾角定義為水平視場(chǎng)角，主要檢測(cè)成像的面積大小。

2.2 下視角（LDA）：標(biāo)定眼盒點(diǎn)與成像中心點(diǎn)的夾角，主要檢測(cè)成像的高度，避免成像大小合格但是出現(xiàn)過(guò)高或者過(guò)低的現(xiàn)象。

2.3 左視角（LOA）：標(biāo)定眼盒點(diǎn)與成像左邊緣的夾角，主要檢測(cè)成像的左右位置，避免成像偏向一側(cè)，駕駛員觀察的圖像非中心位置。

2.4 重影：由于HUD成像經(jīng)過(guò)雙層玻璃的反射，雙層玻璃位置差異造成的成像重影，一般用實(shí)際圖像的Z向尺寸與重影圖像的Z向尺寸差值評(píng)價(jià)重影是否合格。

2.5 畸變率：是指成像過(guò)程中所產(chǎn)生的圖像像元的幾何位置相對(duì)于參照系統(tǒng)（地面實(shí)際位置或地形圖）發(fā)生的擠壓、伸展、偏移和扭曲等變形，使圖像的幾何位置、尺寸、形狀、方位等發(fā)生改變。虛像點(diǎn)陣圖上選取任一點(diǎn)到標(biāo)準(zhǔn)圖像中心點(diǎn)距離與標(biāo)準(zhǔn)圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)到標(biāo)準(zhǔn)圖像中心點(diǎn)距離差，標(biāo)準(zhǔn)圖像對(duì)應(yīng)選取的點(diǎn)到標(biāo)準(zhǔn)圖像中心點(diǎn)距離之比的最大值評(píng)價(jià)畸變率大小。一般1%以下人眼就無(wú)法感知明顯的畸變現(xiàn)象。

2.6 旋轉(zhuǎn)角：用來(lái)定義標(biāo)定相機(jī)捕獲的成像與設(shè)備程序中水平角是否存在旋轉(zhuǎn)角度?？紤]旋轉(zhuǎn)角在制造過(guò)程的尺寸鏈很長(zhǎng)，一般公差角度設(shè)定角度為2°，小角度的偏差人眼不會(huì)明顯感知。

不同主機(jī)廠對(duì)于HUD的檢測(cè)標(biāo)定評(píng)價(jià)細(xì)則以及設(shè)備的邏輯算法是有所不同，整體上都是圍繞上面6項(xiàng)參數(shù)對(duì)整車HUD成像進(jìn)行評(píng)價(jià)，以下為兩家主機(jī)廠HUD標(biāo)定的項(xiàng)目及評(píng)價(jià)成像的對(duì)比，如表１。

3 整車標(biāo)定失敗原因及排查對(duì)策

基于某主機(jī)廠的檢測(cè)標(biāo)定失敗的案例，各個(gè)參數(shù)的常見(jiàn)標(biāo)定失效模式以及排查的方向做了如下匯總。

3.1 視場(chǎng)角不合格：視場(chǎng)角是闡述HUD投影成像的面積大小，一般HUD零件在出廠均有EOL測(cè)試，包括了HUD成像的視場(chǎng)角大小。當(dāng)出現(xiàn)視場(chǎng)角標(biāo)定不合格時(shí)，首先需要檢查標(biāo)定相機(jī)捕捉的成像是否完整，如果成像不完整需要檢查HUD單件投影是否完整，投影是否被HUD周邊飾板遮擋；如果整車上檢測(cè)HUD發(fā)出的投影成像無(wú)缺陷，需要重點(diǎn)檢查標(biāo)定設(shè)備的邏輯算法、標(biāo)定相機(jī)焦距，其次需要檢查車輛風(fēng)擋玻璃的安裝角度，包括擋風(fēng)玻璃弧度，玻璃在車身定位銷的尺寸等。風(fēng)擋玻璃與水平夾角越大，HUD成像會(huì)造成投出成像偏高，并且出現(xiàn)垂直視場(chǎng)角超差。

3.2 下視角和左視角不合格：下視角與左視角和視場(chǎng)角算法類似，產(chǎn)生原因主要三個(gè)方面，HUD零件的視場(chǎng)角，HUD在整車儀表臺(tái)安裝位置，標(biāo)定設(shè)備軟件算法問(wèn)題。由于下視角和左視角受到標(biāo)定相機(jī)的空間位置影響較大，相機(jī)Y向向右偏差直接造成左視角偏大，Z向向上偏差直接造成下視角偏大。雖然整車HUD成像沒(méi)有偏差，但是由于相機(jī)位置的偏差一定會(huì)造成設(shè)備計(jì)算的下視角和左視角與實(shí)際結(jié)果偏差，需要投入時(shí)間精力去排查不同車型在標(biāo)定時(shí)的相機(jī)位置是否在工程定義的控制位置上，一般設(shè)備廠商可以使用三坐標(biāo)核實(shí)空間位置的準(zhǔn)確性。

3.3 重影不合格：

配合HUD使用的專用玻璃中間在成像反射區(qū)域存在一個(gè)楔形金屬箔夾層，用來(lái)避免玻璃兩面的反射重影，使得光線在經(jīng)過(guò)兩個(gè)反射面后匯集成一條光路，消除雙層玻璃的反射折射帶來(lái)的重影，重影產(chǎn)生機(jī)理如圖3。

出現(xiàn)重影一般有以下原因：一是HUD零件內(nèi)部通過(guò)光源在凹面鏡上發(fā)射的虛像會(huì)產(chǎn)生偏移，導(dǎo)致沒(méi)有投射到風(fēng)擋特定區(qū)域。二是前擋玻璃自身用于消除雙層玻璃重影的楔形金屬箔位置偏差，導(dǎo)致成像沒(méi)有得到補(bǔ)償出現(xiàn)重影。三是汽車的前擋風(fēng)玻璃安裝位置出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致風(fēng)擋的位置出現(xiàn)波動(dòng)。當(dāng)出現(xiàn)重影現(xiàn)象時(shí)需要優(yōu)先排查風(fēng)擋玻璃是否出現(xiàn)錯(cuò)裝，其次需要檢查HUD單件投射出來(lái)的光線是否存在重影，最后擋風(fēng)玻璃在車身鈑金安裝點(diǎn)的位置也需要排查，車身安裝點(diǎn)影響玻璃與HUD的夾角，會(huì)產(chǎn)生重影或者視場(chǎng)角的超差。

3.4 畸變率不合格：主機(jī)廠對(duì)畸變率的檢測(cè)和標(biāo)定是基于點(diǎn)陣圖去判斷，如圖4中白色圓點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)圖像（25*11），黑色圓點(diǎn)是實(shí)際捕捉的點(diǎn)陣圖，程序上會(huì)選擇實(shí)際成像點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)成像中心點(diǎn)的距離差值與標(biāo)準(zhǔn)距離的比例最大值來(lái)判斷圖像的畸變大小。

畸變率不合格存在HUD自身和整車標(biāo)定設(shè)備等外部環(huán)境兩個(gè)方面的原因。

一方面是由于HUD自身原因造成的成像不完整，如圖5整車標(biāo)定成像左下角的圓點(diǎn)已經(jīng)粘連，程序算法無(wú)法計(jì)算導(dǎo)致畸變不合格，進(jìn)一步分析確認(rèn)是HUD自身投射的成像點(diǎn)陣出現(xiàn)粘連，導(dǎo)致設(shè)備成像無(wú)法計(jì)算。

如圖6整車標(biāo)定成像存在被異物遮擋，導(dǎo)致無(wú)法計(jì)算畸變率。進(jìn)一步分析是由于HUD外殼鑄件機(jī)加工帶來(lái)的鋁絲掉落在HUD內(nèi)部的鏡面上，HUD點(diǎn)陣圖被分割。點(diǎn)陣圓點(diǎn)被分割后，設(shè)備程序無(wú)法鎖定成像中心圓點(diǎn)，導(dǎo)致無(wú)法計(jì)算。

另一方面是由于車輛的車身姿態(tài)或者設(shè)備眼盒位置與工程定義的標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)差異造成的成像無(wú)法完整捕捉的情況。如果車身出現(xiàn)前低后高的狀態(tài)（前置車型更容易此狀態(tài)），HUD標(biāo)定時(shí)車輛自帶了一個(gè)俯仰角，同時(shí)標(biāo)定眼盒的俯仰角無(wú)法做相應(yīng)的補(bǔ)償消除車身自帶的影響，會(huì)造成標(biāo)定成像底部無(wú)法被捕捉到，導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法標(biāo)定計(jì)算。圖7是某款車型標(biāo)定時(shí)的照片，由于車身處于前低后高的姿態(tài)，標(biāo)定相機(jī)的俯仰角沒(méi)有能夠補(bǔ)償造成圖像底部出現(xiàn)缺失。由于儀表臺(tái)HUD飾板存在一個(gè)弧度狀態(tài)，左下角點(diǎn)陣明顯缺失更加明顯。

3.5 旋轉(zhuǎn)角不合格

旋轉(zhuǎn)角度由車身姿態(tài)，車身儀表臺(tái)的定位孔位置、HUD在車身安裝位置、以及零件自身圖像的偏轉(zhuǎn)情況所決定。它的運(yùn)算邏輯是選擇標(biāo)定成像中三組不同位置水平點(diǎn)陣圖（第一行、第六行、第十一行），計(jì)算三組圖像的水平與坐標(biāo)水平夾角的均值。

當(dāng)批量車型出現(xiàn)HUD旋轉(zhuǎn)角不合格時(shí)，可以通過(guò)標(biāo)定數(shù)據(jù)時(shí)序圖判斷旋轉(zhuǎn)角是否出現(xiàn)某個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的跳變，過(guò)程能力圖區(qū)判斷是否有規(guī)律性的變差，如普遍出現(xiàn)一個(gè)方向的偏轉(zhuǎn)，需要對(duì)標(biāo)定設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，判斷程序補(bǔ)償是否存在偏差。另外車身姿態(tài)以及HUD在儀表臺(tái)上的安裝位置也直接影響旋轉(zhuǎn)角的大小。當(dāng)車身姿態(tài)出現(xiàn)左右高度不一致的情況時(shí)會(huì)造成旋轉(zhuǎn)角超差，車身左高右低會(huì)形成正轉(zhuǎn)角，反之形成負(fù)轉(zhuǎn)角。儀表臺(tái)左右兩端安裝Z向偏差的影響，與車身姿態(tài)影響一致。HUD在儀表臺(tái)X向的安裝尺寸同樣影響旋轉(zhuǎn)角大小，往往容易被忽略，如果HUD左側(cè)安裝點(diǎn)向前方向移動(dòng)，整體姿態(tài)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角會(huì)出現(xiàn)正轉(zhuǎn)角，反之會(huì)出現(xiàn)負(fù)轉(zhuǎn)角。

4 結(jié)束語(yǔ)

HUD在安全、舒適性上具有優(yōu)勢(shì)，但未全面展開(kāi)的原因之一就是對(duì)制造過(guò)程的一致性要求較高，HUD標(biāo)定要達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，HUD、風(fēng)擋玻璃、車身鈑金定位、儀表臺(tái)、以及標(biāo)定臺(tái)架中的攝像頭角度、程序算法、環(huán)境光線等多項(xiàng)因素都需要保證穩(wěn)定。

對(duì)于整車下線的檢測(cè)標(biāo)定，需要質(zhì)量工程師充分了解標(biāo)定程序算法，影響因素，運(yùn)用DMAIC工具對(duì)各個(gè)相關(guān)因子系統(tǒng)分析判斷各個(gè)零件和尺寸的貢獻(xiàn)量，單個(gè)因子分析可能會(huì)存在與實(shí)際結(jié)果存在一定的差異。正文內(nèi)容是基于某主機(jī)廠的HUD標(biāo)定所遇到的問(wèn)題，總結(jié)了失效原因的常見(jiàn)因素，幫助相關(guān)同行分析解決HUD在制造過(guò)程中的標(biāo)定問(wèn)題。

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