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如何为您的车辆HMI设计选择合适的驾驶模拟器？

导语

人机交互设计HMI作为座舱智能化发展的基础，在汽车研发过程中占有愈发重要的地位。由于实车实路测试需要的成本极高、危险系数大，研究者往往会选用驾驶模拟仿真方案进行测试。如何为车辆HMI设计选择合适的驾驶模拟器成为了研究者关注的重点问题，本文就驾驶模拟器在车辆HMI中的应用展开具体论述。

01 智能座舱与人机交互界面HMI

随着汽车智能化、信息化程度的不断提升，人与汽车的交互已由过去简单的驾驶交互转变成与智能化座舱、智能化汽车娱乐信息系统的交互。根据地平线定义，智能座舱主要涵盖座舱内饰和座舱电子领域的创新和互动，是拥抱汽车行业发展新兴技术趋势，从消费者应用场景角度出发而构建的人机交互体系。^[1]

说到智能座舱，首当其冲的就是人机交互界面（HMI-Human Machine Interface），中文翻译为“人机接口”或“人机交互性”，是车辆与驾驶员进行交流的载体。车辆HMI的设计重点是对驾驶员与车辆之间的接口进行研究，包括开关、按键、大屏、声音等多种应用。HMI 负责人与车的有效信息交流，着重的是人与信息操作界面、人与车各功能系统之间产生功能交互时的具体体验感受。厂商与消费者各自是智能座舱的研发与用户，在这两个层面上都有各自的优势。随着技术的进步，汽车的智能化接口会更新更多先进的功能，与此同时，使用者所面临的信息负担也会日益增大。^[2]因此，如何在安全性、功能覆盖面和操作便利性中做出选择，车辆的互动设计显得非常关键。

智能座舱概念图

为了保证实验结果的真实性，实路操作测试的实验场景设置需要耗费大量的人力、物力，成本极高。并且，如果在有真实交通的实际公路上进行测试，驾驶员会反复且出乎意料地暴露于极端情境中，驾驶员或车辆周围的人都会面临极大的危险，这对于许多研发者来说并不现实，所以就需要能够进行虚拟仿真的驾驶模拟器来测试。驾驶模拟器不仅可以节省大量的时间和成本，安全性也远远高于实车实路测试。

驾驶模拟器一般会根据典型汽车的功能需求把汽车零部件与车载仪表盘等屏幕组合在一起，将虚拟驾驶仿真系统技术运用在上面，通过模拟和显示汽车的基本功能为驾驶员提供真实的操作环境。一个完整的可用性测试过程涉及的不仅仅是模拟器的搭建开发与被测驾驶人员的研究，还包括其他人与人、人与机之间的相互关系。一款优秀的科研型驾驶模拟器不仅能保证在极限行驶的情况下给驾驶员提供一个安全的实验环境，还能更便捷更准确地采集到实验所需的数据。在人机交互界面HMI设计中，驾驶模拟器需要模拟的板块通常需要包括以下3种：汽车的基本功能和结构、环境场景与交通设置、驾驶舱内元素和功能。

02 汽车的基本功能和结构

驾驶模拟器首先需要配备一台驾驶座舱，驾驶座舱主要用来展示汽车的基本功能和结构，汽车构造系统是一个非常庞大且复杂的系统，为了更好地建立汽车的仿真模型，给汽车驾驶场景的建立提供完整的汽车功能模型，对汽车构造系统进行了抽象简化与建模，驾驶座舱不仅需要有基础支架部分，还需要有多屏显示布局、转向操作机构、电子踏板和转角传感器等组成。

针对驾驶座舱的理念，相比于大型的驾驶模拟器，一个可变、可调、可拆装式的台架模拟器更为合适，这里以SIMLAB柔性台架为例。SIMLAB柔性座舱由台架支撑，台架在构成上分为台架座舱基座和台架座舱框架两部分。柔性模拟座舱的布局为双排四座，驾驶舱采用柔性设计并且加装高精度力反馈方向盘、力反馈踏板、电子档位、仪表显示、声音仿真、数据通讯总成等模块。驾驶模拟座舱的高度、宽度和长度可以调节，与视景投影系统配合可以模拟不同尺寸的车辆，能够满足用户对于小型乘用车和大型商用车的人机交互测试的需求。

柔性台架

柔性座舱结构可调部分包括：驾驶舱整体高度、仪表台位置/尺寸、扶手箱位置、座椅位置、踏板角度及位置、方向盘角度及位置、仪表液晶屏位置及角度、中控液晶屏位置及角度、副驾液晶屏位置及角度、驾驶舱顶棚位置。车门把手位置及角度、后视镜位置及角度等。座舱结构尺寸调节以参数化电动调节为主，支持通过座舱控制软件控制各结构位置及尺寸调节，部分结构的调节采用手动的方式进行。

03 环境场景与交通设置

环境场景与交通设置模块主要为汽车提供驾驶环境，包括声音、天气、场景、智能车辆、道路、天空等模型，还对建筑物等模型设置碰撞体，同时设置智能车辆在不同场景中的行驶路线、速度和数量，尽量符合真实驾驶环境。周围环境与设施包含场景中虚拟的背景交通车辆，以及信号灯、标志牌、路面标志标线等交通辅助设施，收集的数据信息主要为纵向数据（速度、加速度、位置等）、横向数据（方向盘转角，水平偏移等）和状态信息（高级辅助驾驶系统、道路环境等），后期分析时可以根据具体实验要求筛选所需数据。

SILAB视景模拟效果

以SILAB驾驶模拟仿真软件为例，它可以模拟多种天气环境如晴天、阴天、雨、雾、雪、雷电等，模拟不同湿度条件下的路面反光与镜像效果，并能根据不同的天气环境清晰显示路面车辙、水面波纹等效果。SILAB还能根据一天不同的时间做到日光、灯光及阴影的仿真，达到逼真的路面显示。SILAB能做到多种交通设施的仿真，能以现实的城市交通道路为基础，不但能搭建城市交叉路口、高速道路等基础交通路网，还能构造桥梁、隧道、挡土墙、人行道等复杂多样的路网。SILAB支持添加交通标志牌、景点指示牌、服务区指示牌、道路标线、地面限速标识等场景素材，并有夜景模式功能，可搭建主/被动发光标志牌、诱导牌、导向牌道路、发光道钉等。用户可以自定义修改强度、照射范围等灯光参数，批量添加模型，方便快捷。

隧道内环境模拟

夜间道路环境模拟

这款软件还支持编辑每个交通参与者的行为，包括车辆和行人，支持复杂的、可变的行为编辑。SILAB支持多种汽车仿真物理模型，如小轿车、厢式车、巴士、卡车、功能车、有轨电车、自行车、电动车、摩托车等。此外，SILAB还支持动态交通参与者的行为的仿真，能精确定义每个交通要素，如交通信号灯等动态变化，用户可以根据需求建立出完全满足自己要求的动态交通场景。

交通参与者模拟

04驾驶舱内元素和功能

共享经济的到来也给智能座舱带来了很大的影响，未来座舱更倾向于“舱”的概念，车内多屏联动更趋于“零屏”——舱内一切皆为屏。可定制、个性化、情感化、数字化、共享化、多模式的设计是未来座舱发展的趋势，通过对车内多屏联动显示布局与车内可交互区域进行拆分与设计，大致可以分为仪表盘、中控屏、信息系统显示屏、HUD、内外后视镜辅助信息显示屏、后排屏和车窗屏等。^[3]

以SIMLAB定制双座驾驶舱为例，这款驾驶模拟器的驾驶舱采用真实的汽车座椅，硬件包括高级力反馈方向盘、踏板、档位、仿真物理汽车仪表及电子总成，驾驶舱的外驾驶舱外形、仪表板以及人机交互屏幕都可以定制。后景可以采用虚拟后视镜方案，即在屏幕上以画中画形式显示，也可以采用物理后视镜，从而采用更灵活的前景显示方案，比如做多屏拼接、大型环幕等。

定制仪表盘

对于仪表盘和人机交互屏幕等交互界面的设计，SILAB可以提供定制化的方案，它支持用户添加众多元素，如速度表、转速表、挡位、功能显示、大灯开关、左右转向灯、时间、行程显示等；自定义设置图像大小、位置；支持动画、文字和语音模式，并由事件触发显示；人机交互内容设置；高级辅助驾驶功能提示（车道偏移、前向防碰撞等提示）等。

05驾驶人生理数据获取

此外，HMI交互界面的研究还需用到生物识别。生物识别是智能汽车的核心交互方式之一，通过生物识别可以将驾驶员习惯、使用偏好和车辆系统、健康系统等绑定，实现智慧服务。通过生物识别，可进行对驾驶员的面部表情、姿体动作和疲劳状态进行检测识别，进行不同驾驶模式切换，再结合多通道交互方式与驾驶员不同的感官体验进行分析。^[4]研究团队通常需要跟踪驾驶员的反应时间、眼球跟踪和心率变化等生理数据，用户体验调查评分在内的主观数据，以及驾驶员的访谈获得驾驶员的综合体验反馈。

要获取人机交互的整个驾驶过程中人的生理数据，可以搭配眼动仪、生理仪、脑电仪等设备进行综合评估。眼动仪可以识别驾驶员的面部图像，计算驾驶员的表情、头部转动和眼睑开合度，获取主客观的眼动追踪、表情识别等数据。市场上在驾驶行为研究中常用的眼动仪有遥测式眼动仪和可穿戴眼镜式眼动仪。生理仪可全面记录驾驶人的生理数据，包括心电、皮电、肌电、脑电、心跳脉搏、呼吸等。脑电仪能够更准确地监测驾驶员的大脑活动，可分析性更强。