【技术文章】车外照明系统交互设计

近年来，随着智能网联汽车的发展，“人车交互”不再局限于中控、仪表、抬头显示器（ HUD ）等车载界面，而是逐渐从车内到车外，交互对象也从司机和乘客扩展到外行和其他交通参与者。外部人机交互（ eHMI ）的出现，为智能网联汽车与行人之间的交流提供了明确的载体，对于提升车与行人之间的交互具有重要意义。本文从市场上各汽车厂商推出的带有eHMI设计的概念模型入手，分析总结了eHMI设计的现状和未来发展趋势，提出了一套eHMI设计的基本框架。在此框架的基础上，完成了半封闭园区无人物流车的eHMI设计。并在实验室环境中使用仿真驱动程序进行仿真。

01 介绍

随着网络和通信技术的发展，自动驾驶水平不断提高。但自动驾驶技术在解放人力、减轻司机负担的同时，也引发了一些恐惧。为了解决这个问题，行人与自动驾驶车辆之间需要一定程度的“交流”，这对于解决交通中的各种潜在模糊性具有重要作用。目前实现行人与自动驾驶车辆之间的通信有两种方式：一种是显式eHMI，另一种是隐式eHMI。现有产品中，显式eHMI是汽车外饰的延伸，尤其是前照灯。其部件包括大灯、灯带、车外显示屏和其他车外显示设备。与传统的大灯相比， eHMI更加美观，表现形式和载体也更多。它可以承载更多的信息，并有更多的情感表达。它不仅可以显示车辆的行驶状态，还可以与用户进行互动，为他们提供多样化的服务。

02 EHMI设计研究

新兴的外部-人类-机器交互面向智能汽车和智能交通，目前在文献中很少见，主要见于各汽车厂商的概念车型。因此，本版块主要选取业界已推出的十款搭载eHMII的汽车产品进行研究。

A．位置分布

10款入选概念车产品分别为：Nissan IDS Concept 2015、Toyota Concept-i、Mercedes-Benz F015 Concept、WM EX5 、Drive.AI、Audi AI: ME、Mercedes-Benz ESF 2019、长城WEY-X、Toyoda Gosei和 GYON，概念车的定位大致可以分为四个主要部分：车头；车辆后部；车身侧面和车辆附近的数字投影。

车辆前部是当前eHMI 设计中最受青睐的位置。大多数车辆选择前大灯和格栅设计不同的灯光颜色和动态效果，从而直接传达“汽车情感”和对行人的驾驶意图。互动式设计在车侧面，主要集中在车侧的窗户和屏幕上。它的作用主要是向外界展示车辆的状态以及是否给行人让路等的提示，主要以文字和动态效果的形式呈现。互动式设计在路上，主要集中在后挡风玻璃和组合灯上。其作用侧重于以文字和灯光效果的形式向后方车辆传达汽车的驾驶意图和警示。

B．设计要点分析

目前， eHMI设计传达的主要内容大多与驾驶安全相关，例如通过e HMI向行人或其他交通参与者传达驾驶意图和驾驶类型。就显示载体而言，屏幕和灯光是主要的载体，通过简单的图案、简短的文字和灯光的动态效果来呈现。在情感功能方面，目前大多数的eHMI设计都是通过汽车大灯的拟人化设计向用户传达一些信息或情感，从而提高用户的接受度、信任度以及“沟通”的效率。

C．未来趋势

1）拟人化设计：对于行人和人类驾驶员来说，注意到无人驾驶汽车并与之互动非常重要。在这种情况下，使用表情符号是帮助道路使用者的一种方式。带有交互式表情符号的全自动汽车将有助于提高道路使用者的接受度。

2）数字灯光交互：数字前照灯旨在提醒驾驶员注意前方的危险。

3）功能多样性：随着自动驾驶和车联网技术的不断发展，eHMI的功能将超越当前的安全演示。

4）保护环境：可持续出行、资源节约、环境保护以及人机自然和谐共生的理念。

03 智能汽车EHMI交互设计框架研究

Jesse James Garrett 曾提出以用户为中心的设计的用户体验要素，其中他将用户体验分为五个层次：表面、骨架、结构、范围和策略。切尔西等人提出了一个行人与无人驾驶车辆交互的框架，其中涉及显示区域、交互方式、外部环境因素等因素。Hollander K 将UCD 设计过程应用于eHMI设计，考虑了场景划分、设计要求、评估方法等过程。本文基于用户五因素模型，结合各种文献提出的eHMI设计要素和流程，通过聚类、归纳和演绎，推导出一套eHMI设计框架，如图1所示。

图1 eHMI的设计框架

A．策略

在本文提出的e HMI设计框架中，战略层需要考虑外部环境因素、交互对象和整体设计要求。首先是外部环境因素，如环境噪声、温度和环境光；用户是否需要连接到他们的智能手机或附近的交通工具。第二个是明确与eHMI 交互的用户，他们可能是乘客、司机、行人或其他交通参与者。

B．范围

在范围上，需要考虑e HMI的具体场景应用，并根据这些场景中的实际情况和策略中确定的交互对象，确定可以在eHMI中展示的功能。场景可以从不同维度进行划分，比如车辆的状态，可以分为移动、静止、停车、充电等；从用户旅程的角度来看，可以分为上车前、上车中和上车后。在本节中，根据交通场景中车辆的自动驾驶程度来划分场景，我们将要定义好相应的可显示功能。以本例作详细说明，如图2所示。图中蓝框内的功能为三种场景均可展示的功能，右框为各场景特有的功能。

图2 不同场景的功能展示

C．结构

结构，我们需要考虑在e HMI 设计中每个功能如何与用户交互。在 eHMI 设计领域，有几种交互模式可以考虑。

1）触摸交互。这可以通过触摸或点击车外的交互式屏幕来完成。

2）间接互动。e HMI 可以与其他设备进行交互，例如智能手机或附近的公共显示屏。

3）手势交互。可以通过特定的手势进行与e HMI的遥感交互。

4）眼控交互。这是一种基于眼动追踪的交互。

5）语音交互。与语音或其他声音输入交互。

D．骨架

骨架中需要考虑的是范围内确定的功能最适合在车外显示的位置。本文通过实际案例研究和文献方法相结合，总结了目前可用于eHMI交互的常见位置以及适合显示的功能，如图3所示。

图3 外部功能显示区

E．表面

在表面上，我们需要考虑e HMI设计中涉及的颜色、运动和其他效果的影响。至于外屏，在颜色的使用上要考虑其均匀性和标准化。动态效果设计需要贴合用户的认知心理模型。

04 校园无人物流车外屏设计案例

基于第3节提出的外屏设计框架，本节给出了校园等半封闭环境下无人物流车eHMI的设计案例。

A．策略

在战略上，我们需要考虑外部环境因素、交互对象和整体设计要求。从车与人、车与车、车与环境三个方面分析设计需求。从这三个方面可以细分为六大利益相关者：快递无人车和普通用户、其他道路用户和管理员、在车队的车辆，车队出去的车辆、道路环境和车队管理平台。

B．范围

在范围上，需要考虑e H MI应用的具体场景，根据这些场景中的实际情况以及策略中确定的交互对象，确定e HMI可以展示的功能。针对未来无人驾驶快递车的使用场景，采用乐高Serious Play的方式进行模拟演练，旨在梳理无人驾驶快递车使用服务过程中的典型场景、各利益相关者之间的使用过程以及整体使用过程。从而指导无人驾驶快车外屏的人机交互设计。在得到各利益相关者的诉求后，对两次用户研究的结果进行了相互验证，最终梳理出基于不同用户的功能需求，如图4所示。

图4 不同用户的功能需求

根据特点对于不同的设备，信息主要分为两类：适合在移动终端上显示的信息和适合在汽车外屏上显示的信息，分类结果如图5和图6所示。

图5 外部功能信息架构屏幕

图6 移动功能信息架构终端

C．结构

根据用户一般的取货习惯，选择触控作为主要的交互方式。车外触摸屏的设计借鉴了一些现有快递柜的交互设计，尽量减少不必要的操作过程，视觉风格简洁明了。同时，还考虑了无人驾驶快车的运行场景。例如，车辆体积小、高度低，用户通常需要弯腰或蹲下才能操作。因此，一些放置在屏幕底部的动作被移到了屏幕顶部。图 7 显示了外部触摸屏的原型。

D．骨架

车体分为车体前部、后部和侧部三部分。这三个部分作为汽车外屏的分布。划分的原因如下：参照目前汽车的造型设计，车外灯分布在车身的前部、后部和侧部。这不仅是为了美观，也是出于安全考虑。各个方向的交通参与者注意灯光，并根据提示做出适当的交通决策。作为外部的延伸车辆照明, e HMI设计还将沿用以前的分配规律，并在此基础上做适当的改进。具体屏体划分如图8所示。

图7 外屏设计元素分布

E．表面

根据初步设计研究，选取车辆自检、车队、驾驶过程三个典型场景进行设计，并设计了两套高保真原型图标和生成了文本，如图 9 和 10 所示。

图8 图形高保真模型

图9 文本高保真原型

05 基于Unity3D的eHMI仿真方法及实现

A．软件环境建设

Unity3D是Unity Technologies开发的一款开发工具，可以让用户轻松创建视觉虚拟场景、动态仿真、建模模型等交互内容。它具有强大的功能，多种扩展，并且易于开发和维护。本文利用Unity从环境搭建和车辆控制两个方面完成虚拟驾驶仿真系统的基础搭建。

B．硬件

LED灯条采用WS2812B全彩灯条，图案显示采用16*16像素屏，文字显示采用1632像素屏。Arduino Uno R3的单片机作为灯带和LED屏的控制器。颜色、亮度和时间可以使用内置功能设置每个灯珠的延迟时间。

C．数据传输与通讯

1）数据的定义和采集：根据常见的驾驶场景，需要获取行车距离、车辆是否转弯、刹车、自身状态等数据。在下面的表 1 中，根据每个场景定义了所有需要的数据、数据源、按键控件和要传输的主题值。

表1 数据的定义与采集

具体的执行方法是在 Unity中新建脚本，创建DataArduino对象，继承MonoBehaviou类，从 Update()函数中获取所需数据，然后使用 if 条件语句过滤器更改对应字符串类型的 Topic 值。并调用上一节提到的Serial.write()函数将Topic值发送给Arduino单片机。然后，在Arduino中使用Serial.read()函数读取数据，获取Topic值，判断其值以达到相应的效果。

2）Unity 和 Arduino 之间的通信：Unity 有自己的串口通信接口。在 Unity 项目中创建一个新脚本，然后然后创建串行类。整个程序流程如图 11 所示。