基于增强现实技术的智能汽车人机交互系统的制作方法

本发明公开了一种基于增强现实技术的智能汽车人机交互系统的设计装置和设计方法，它属于计算机、人工智能、现代传感及自动控制等技术领域，该装置包括：基于增强现实技术的智能驾驶人机交互模块，基于增强现实技术的车载导航人机交互模块，基于增强现实技术的车用辅助功能人机交互模块；该设计方法是利用增强现实技术，将行人、路况、前方车辆、路径导航、汽车仪表盘等信息，经过计算处理，显示在具有增强现实技术功能的车辆挡风玻璃上，从而应用到车辆的驾驶系统、导航系统以及车用辅助功能系统。

背景技术：

增强现实技术，即AR（Augmented Reality）技术，它是一种将真实世界信息和虚拟世界信息集成的技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息（视觉信息，声音，味道，触觉等），通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。通过将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。

人机交互（Human-Computer Interaction，简称HCI），是一门研究系统与用户之间的交互关系的学问。系统可以是各种各样的机器，也可以是计算机化的系统和软件。人与计算机之间使用某种对话语言，以一定的交互方式，为完成确定任务的人与计算机之间的信息交换过程。人机交互界面通常是指用户可见的部分。用户通过人机交互界面与系统交流，并进行操作。

汽车人机交互系统，该系统实现了人与车之间的“对话”功能。驾驶者可通过该系统，快速掌握车辆状态信息（车速、里程、当前位置、车辆保养信息、路况信息等），可以进行定速巡航设置、蓝牙免提设置、空调及音响的设置。

激光雷达，激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。它的工作原理是：向目标发射探测信号（激光束），然后将接收到的从目标反射回来的信号（目标回波）与发射信号进行比较，作适当处理后,就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数。与普通微波雷达相比，激光雷达由于使用的是激光束，工作频率较微波高了许多，因此具有普通微波雷达所不具备的分辨率高、抗有源干扰能力强，低空探测性能好等特点。车载雷达采用激光雷达，利用激光雷达低空探测性能好的特点，就可以进行“零高度”工作，对汽车周围尤其是驾驶者的盲区，有很好的探测效果。

目前关于汽车驾驶模块，市场上采用的是后装车载抬头显示器。其实，这种抬头显示技术最早出现在飞机上，利用光学反射的原理，将重要的飞行相关资讯投射在一片玻璃上面。这片玻璃位于座舱前端，高度大致与飞行员的眼睛成水平，投射的文字和影像调整在焦距无限远的距离上面，飞行员透过抬头显示器往前方看的时候，能够轻易的将外界的景象与显示的资料融合在一起。

汽车上引入抬头显示器，其主要作用是使驾驶员不用低头就可以看到相关信息，将更多的精力放到观察路面情况上，与此同时其也可以减少驾驶员观察远处道路情况与近距离查看导航、车辆信息视线频繁转换引发的视觉疲劳。而对于那些经常使用手机导航软件的车主来说，一款功能齐全品质可靠的抬头显示器，可以更为直观的显示导航信息。

目前，市场上的抬头显示器，缺陷也比较明显。它仅仅能起到车载行车电脑的辅助显示器功能。在显示器上面显示诸如车距、油耗、导航等信息，谈不上对与实际驾驶员肉眼看到内容的增强。而随着信号处理技术的发展，现代汽车传感器已经能够完全识别车道分割线，以及路上其他车辆等路况信息。因此，将整块挡风玻璃作为显示器，就可以用最直观、最清晰的方法向驾驶员提供路线规划与路况信息。

目前关于车载导航模块，市场上比较多的是传统手写导航和声控导航。导航的工作原理是：导航内置的GPS（Global Positioning System）全球定位系统，天线接收到来自环绕地球的24颗GPS卫星中的至少3颗所传递的数据信息，由此测定汽车当前所处的位置。导航主机通过GPS卫星信号确定的位置坐标与电子地图数据相匹配，便可确定汽车在电子地图中的准确位置。在此基础上，将会实现行车导航、路线推荐、信息查询等多种功能。驾驶者只须通过观看显示器上的画面和收听语音提示，便可知道行车路线。

对于目前市面上的导航来说，他的缺陷也很明显，如：语音识别软件识别率不高、当汽车行驶到地下车库因接收不到GPS信号而无法使用、不能正确识别汽车行驶位置是在路面还是高架、不能提前预知车道变更信息等等，从而导致驾驶者偏离正确行驶路径。另外，驾驶者在行车的同时，需要将视线在路面信息与导航仪上频繁切换，增加了驾驶者的视觉疲劳，这样也势必提高了行车的危险性。

关于车内辅助功能，目前市场上的汽车采用的是内嵌式的仪表盘，位置位于汽车方向盘下方。同样，汽车收音机及影音播放系统也是内嵌在汽车仪表盘边上。对于驾驶者来说，在行车的同时，低头看仪表盘上的信息或者需要手动打开汽车收音机和影音播放系统，显然会影响到行车的安全性。而对于行车中坐在汽车后排的乘客来说，根本无法亲自打开汽车收音机及影音播放系统，对于车载娱乐设施的操作非常不方便。

技术实现要素：

基于增强现实技术的智能汽车人机交互系统，其包括基于增强现实技术的智能驾驶人机交互模块、基于增强现实技术的车载导航人机交互模块，基于增强现实技术的车用辅助功能人机交互模块。该系统通过增强驾驶者行车时的视觉体验，实现车辆的驾驶、导航、辅助功能都能进行人机交互，与现有的汽车在驾驶者行车和乘客使用时，需要驾驶者频繁转移视线、乘客手动来实现一些功能相比，能够大幅度挺高行车的安全性，并且方便驾驶者和乘客的使用。

附图说明

图1：基于增强现实技术的智能驾驶人机交互模块（车前部）；

图2：基于增强现实技术的智能驾驶人机交互模块（车后部）；

图3：基于增强现实技术的车载导航人机交互模块；

图4：基于增强现实技术的车用辅助功能人机交互模块。

如图1所示，基于增强现实技术的智能驾驶人机交互模块（车前部）：首先要将汽车的挡风玻璃更换成具有增强现实功能，并且能显示增强现实效果的挡风玻璃，以下简称“AR前挡风玻璃”。然后，在汽车车头左右两个前照灯附近各安装一个激光雷达。AR前挡风玻璃内安装一个前视摄像头和一个传感器。随后，将上述传感器传送来的诸如汽车前方行人、车辆、路况等信息，经过计算处理，利用增强现实技术，显示并标注在AR前挡风玻璃上。方便驾驶员以水平的视角看到所有路况信息，提早对可能的危险进行预判。若启动智能驾驶模式，在遇到危险路况时，人机交互模块还能自动识别路面信息，自动进行减速、刹车等操作，提高驾驶的安全性。如图2所示，基于增强现实技术的智能驾驶人机交互模块（车后部）：汽车的后挡风玻璃同样采用具有增强现实功能，并且能显示增强现实效果的挡风玻璃，以下简称“AR后挡风玻璃”。在车尾两个尾灯附近安装两个激光雷达，车后挡风玻璃上安装一个后视摄像头和一个传感器。利用增强现实技术，将车后路况信息叠加在后挡风玻璃上，方便驾驶员通过反光镜，在进行倒车、起步、并道等行为时看到车辆后面的实时情况，提高行车的安全性。

如图3所示：基于增强现实技术的车载导航人机交互模块：整车除了装有上述雷达、摄像头和传感器外，还需要在车内顶部安装一个小型投影及信息收集器，用于车载导航的工作。结合车载GPS、陀螺仪定位，就能确定汽车当前的位置和方向。然后，收集路况信息，将传统的复杂路面信息进行简化。无需显示全部的导航路况信息，而是分离出最重要的一些导航细节和画面，将这些分离出的信息置入三维引擎进行渲染，通过一些算法对需要的驾驶路径进行裁剪，直至达到需要的程度为止。然后，通过屏幕投影，将整个所需路径的画面投射到车辆正前方。利用这种算法结合实景路况的增强现实技术，就可实现将导航提示路径信息显示在地面上的功能，供驾驶者身临其境观看和参考。此外，该车载导航除了显示行车路径外，还能收集车道变更的信息，采用增强现实技术显示在AR前挡风玻璃上，从而方便驾驶员提早为变道做准备，防止因走错道而偏离导航目的地。

如图4所示：基于增强现实技术的车用辅助功能人机交互模块：将汽车的前挡风玻璃更换成AR前挡风玻璃。把汽车仪表盘内的信息，诸如车速、油耗、指示灯等，利用增强现实技术叠加在AR前挡风玻璃上，驾驶员可通过挡风玻璃直接看到叠加后的汽车仪表盘信息。此外，还可将传感器收集到的红外扫描、智能预测等数据实时反馈在AR前挡风玻璃上。另外，汽车的侧窗玻璃也同样采用AR侧挡风玻璃，车窗内顶部增加一块全景屏幕。通过手势控制的操作方案，汽车内部传感器便会追踪用户手部运动，提供方便的功能操作，如挥动手掌打开收音机、更换曲目或打开车内照明等。通过这种方式，除了驾驶员之外的其他乘客也可方便地在原位进行这些操作。这样，集成在车窗内部的全景屏幕、视频游戏、影音娱乐、AR侧挡风玻璃等，都将有效提升车内娱乐系统的应用价值和实用价值。