Пользовательские интерфейсы в автомобиле

Пользовательские интерфейсы в автомобиле

Еще несколько лет назад автомобиль не мог сообщать водителю тот объем информации, которым готов делиться сейчас. Мостом общения между человеком и автомобилем являются пользовательские интерфейсы в автомобиле или система, с которыми взаимодействуют объекты разного типа. Человек и машина налаживают контакт с помощью множества специальных устройств. С точки зрения пользователя, это средства связи между ним и автомобилем. Задача разработчиков интерфейсов — моделировать работающий канал взаимодействия. Вот о том, какими бывают пользовательские интерфейсы в автомобиле, мы и поговорим в этой статье.

 

Дисплеи и органы управлении


Каналы обмена информацией

Водители должны обрабатывать постоянно возрастающий поток информации, которая поступает от собственного и других автомо­билей, а также от дороги и средств связи. Вся эта информация должна передаваться води­телю при помощи хорошо читаемых дисплеев и индикаторных устройств, соответствующих требованиям эргономики.

Визуальный канал — визуальное восприятие информации

Человек воспринимает окружающую обста­новку, главным образом, посредством орга­нов зрения (рис.1 «Каналы передачи информации между водителем и транспортным средством»). Оценка других участни­ков дорожного движения, их положения, их ожидаемого поведения, дороги и траекторий движения, объектов на ней проводится при помощи органов зрения и имеющихся раз­витых способностей обработки и анализа изображения; важные факторы выбираются и оцениваются в отношении их важности и прогноза развития при помощи дополнитель­ных способностей мозга.

Каналы передачи информации между водителем и транспортным средством

Даже оценка инфраструктуры дорожного движения, в первую очередь, опирается на визуальный канал. Дорожные знаки содержат предписания и указания направления движения, разметка разграничивает полосы движения, указатели направления обозна­чают изменения направления движения, стоп-сигналы подают предупреждения о транспортных средствах, замедляющих ско­рость. Поэтому визуальный канал крайне ва­жен при вождении. Это касается и осознан­ного зрения, когда водитель поворачивает глаза на объект и концентрируется на нем, и периферийного зрения, которое важно для оценки положения транспортного средства на полосе движения. Поэтому следует тща­тельно оценить с точки зрения влияния на безопасность дорожного движения каждую ситуацию, когда водителю необходимо до­полнительно бросить взгляд на дисплей при взаимодействии с информационными систе­мами и системами повышения безопасности или для получения информации от них.

Акустический канал — речь и слух

Для общения с другими участниками движе­ния, в частности, для подачи и восприятия сигналов об опасности, водители и системы повышения безопасности используют аку­стический канал. Водитель также использует этот канал в собственном транспортном средстве для ввода голосовых команд и по­лучения звуковых и речевых предупрежде­ний и информации от системы повышения безопасности.

Ввод голосовых команд не требует от во­дителя изменять направления взгляда, но занимает часть его внимания. Восприятие информации на слух не требует от водителя изменять направления взгляда, но при этом пространственная и сложная информация (например, описание ситуации на пересе­чениях дорог) может передаваться в неудо­влетворительной форме. Даже водители с нарушениями слуха должны быть способны взаимодействовать с системой повышения безопасности.



Тактильный канал — действия и осязание

Тактильный канал дает водителю обратную связь при всех действиях по управлению двигателем, когда задействованы переклю­чатели, а также при рулении и торможении. Подача предупреждений водителю путем кратковременного затягивания ремней безопасности и вибрации сиденья в случае неизбежности ухода транспортного средства с полосы движения уже внедрена в серийно выпускаемых автомобилях. Имеется также возможность привлечь внимание водителя вибрацией рулевого колеса. Увеличение со­противления педали акселератора может до­полнять подсказку относительно рекоменду­емой скорости движения, а изменение усилия на руле, воспринимаемое водителем, может служить подсказкой относительно рекомен­дуемого изменения направления движения для того, чтобы остаться в пределах полосы движения или совершить маневр уклонения.

Даже кинестетический канал, при помощи которого водитель воспринимает ускорения, уже используется в серийных автомобилях для привлечения внимания водителя, на­пример, путем подачи короткого толчка при торможении.

Тактильный канал постоянно используется при управлении автомобилем, а дополни­тельные действия (например, набор номера на клавиатуре сотового телефона) могут ухудшить восприятие и контроль.

Контрольно-измерительные приборы

 

Зоны передачи информации и коммуникации

 

Зона информации для водителяВ автомобиле имеются четыре зоны пере­дачи информации и коммуникации, кото­рые предъявляют различные требования к параметрам соответствующих дисплеев или индикаторных устройств: комбинация прибо­ров, ветровое стекло, центральная консоль и задняя часть салона.

Состав имеющейся и/или необходимой информации определяет то, какая зона коммуникации используется в каждом кон­кретном случае. Динамическая информация (например, скорость движения) и справочная информация (например, уровень топлива), на которую водитель должен реагировать, вы­водится на комбинацию приборов как можно ближе к основному полю зрения водителя.

Индикация на ветровом стекле (HUD) иде­ально подходит для привлечения внимания водителя (например, при подаче сигнала от системы повышения безопасности или при указании маршрута). Индикация на ветровом стекле также пригодна для показа скорости в удобной для восприятия форме. Дополни­тельно могут подаваться звуковые или рече­вые сигналы.

Информацию о состоянии автомобиля или более развернутые диалоговые меню (на­пример, для выбора маршрута) желательно помещать на центральный дисплей централь­ной консоли. Однако, управляющие устрой­ства не обязательно находятся прямо на центральном дисплее; они также могут нахо­диться между передними сиденьям в салоне.

Информация развлекательного характера выводится к задним сиденьям автомобиля, на удалении от основного поля зрения води­теля. Также это место идеально для разме­щения мобильного офиса. Спинка переднего сиденья пассажира является подходящим местом для размещения терминала с порта­тивным компьютером.

«Парный дисплей» или «разделенный ди­сплей» на центральной консоли устанавли­вается как дополнительная опция, начиная с 2009 года; такой дисплей показывает различ­ную информацию для водителя и пассажира так, что пассажир может, например, смотреть видео, не отвлекая водителя.

Комбинация приборов

 

Комбинация приборов (конструкция)Более старые модели приборов и указателей, предназначенные для визуального показа ин­формации (например, скорость движения, обороты коленчатого вала двигателя, уровень топлива и температура охлаждающей жидкости системы охлаждения двигателя) были сначала заменены более экономически эффективными, лучше освещенными и антибликовыми комбинациями приборов (комбинациями нескольких указателей в одном блоке). С течением времени непрерывный рост объема информации при­вел к размещению в имеющемся ограниченном пространстве современных комбинаций прибо­ров с несколькими стрелочными измеритель­ными приборами и многочисленными сигналь­ными лампами. (см. рис.2а «Зона информации для водителя»). В этом первом поколении комбинаций приборов использова­лись индикаторы на основе вихревых токов для спидометра, индикаторы на основе магнитоэ­лектрической катушки для указателя оборотов коленчатого вала двигателя и тепловой измери­тельный прибор для указателя уровня топлива.

Измерительные приборы

Даже сегодня во многих приборах использу­ются механические стрелочные указатели и шкалы (рис. 2b и 2с). В качестве измерительных приборов, в основном, исполь­зуются точные шаговые электродвигатели. Благодаря компактной магнитной катушке и (обычно) двухступенчатой передаче с потре­блением мощности всего около 100 мВт, эти двигатели обеспечивают быстроту и высоко­точное расположение стрелки (рис.3 «Комбинация приборов (конструкция)«).

Цифровые дисплеи

Цифровые указатели, устанавливавшиеся до 1990-х годов (например, указатели скорости движения), использовали дисплеи на основе технологии вакуумной флюоресценции (VFD), а позднее — на основе жидких кристал­лов (LCD); к настоящему моменту они почти вышли из употребления. Вместо этого ис­пользуются традиционные аналоговые стре­лочные указатели в сочетании с дисплеями. В то же время наблюдается увеличение раз­меров и разрешающей способности и улуч­шение цветопередачи дисплеев.

Освещение

Для подсвечивания комбинации приборов в значительной мере использованы предыду­щие достижения в области технологий под­светки, благодаря их выигрышному внешнему виду. Лампы заменены светодиодами (LED), имеющими длительный срок службы. Све­тодиоды можно использовать как в качестве предупредительных ламп, так и для подсветки шкал, дисплеев и стрелочных указателей (при необходимости, можно использовать с ними пластиковые световоды).

Светодиоды, выполненные по технологии InAIGap, создают высокоэффективное освеще­ние желтого, оранжевого и красного цветов. По­следние достижения технологии InGaN обеспе­чивают значительное улучшение цветопередачи для зеленого, синего и белого цветов. В данном случае белый цвет образуется сочетанием синего светодиодного кристалла с люминесцентным со­ставом, излучающим оранжевый свет (иттриево- алюминиевый состав гранатового цвета).

Цветные жидкокристаллические дисплеи (ЖК-дисплеи), в связи с их весьма низкой светоотдачей (обычно около 60%), требуют применения флуоресцентных ламп с холод­ным катодом (CCFL) для подсветки с тем, чтобы обеспечить хорошую контрастность при дневном свете. Однако, начиная с 2005 года, их в этом качестве все чаще заменяют белыми ЖК-приборами, благодаря их воз­росшей эффективности.

Графические модули в блоке приборов

Оснащение транспортных средств надувной подушкой безопасности для водителя и уста­новка усилителя рулевого управления в каче­стве стандартного оборудования приводят к уменьшению поля зрения водителя. В то же самое время количество информации, которая должна читаться в этом секторе обзора, воз­растает. Поэтому возникает необходимость установки дополнительных модулей подачи информации, имеющих графические возмож­ности, а также дисплеев, способных показы­вать любую информацию в гибкой форме по выбору пользователя. Это приводит к форми­рованию блока приборной панели с использо­ванием традиционных стрелочных указателей, дополненных графическими дисплеями.

Графические модули в комбинации прибо­ров, главным образом, воспроизводят функ­ции, касающиеся водителя и автомобиля, такие как, например, интервалы технического обслуживания, текущего ремонта или прове­рок, охватывающих поведение автомобиля при эксплуатации, а также автомобильную диагно­стику, требуемую для ремонтной мастерской. Графические модули также могут отображать поступающую от навигационной системы ин­формацию о направлении маршрута движения (при отсутствии цифрового изображения карты маршрута показываются только символы на­правления движения в виде стрелок или перекрестков).

Первоначально, эти дисплеи были монохромными; в настоящее время, на автомобилях верхнего сегмента рынка они вы­тесняются цветными дисплеями (как правило, с экранами типа TFT — тонкопленочный тран­зистор), информация с которых считывается более быстро и легко, благодаря их цветности. Дисплеи типа TFT также используются для ими­тации аналоговых указателей, начиная с 2005 года (рис. 2d). В качестве примера можно при­вести приборную панель автомобилей «Мерсе­дес» S-класса, на которой указатель скорости эмулируется при помощи ЖК-экрана. При пере­ключении на ночной режим появляется видеои­зображение указателя, а указатель оборотов двигателя показывается в виде полоски под видеоизображением. Однако, в связи с высо­кой стоимостью, эта технология будет заменять традиционные технологии лишь постепенно.



Центральный дисплей и органы управления в зоне центральной консоли

С внедрением систем навигации и инфор­мации для водителя, стали широко приме­няться экраны и клавиатуры, которые первоначально устанавливались, в основном, на центральной консоли. В таких системах центральный дисплей и блок органов управ­ления охватывают всю дополнительную ин­формацию от функциональных устройств и информационных компонентов, а в послед­нее время иногда также и от систем повы­шения безопасности, таких как, например, функция автоматизированной парковки. Компоненты объединены в единую сеть и, таким образом, поддерживают с водителем и передним пассажиром интерактивную связь.

Первоначально центральный экран устанав­ливался на центральной консоли, поскольку там было достаточно места. Постепенно произво­дители автомобилей переключились на более эргономически благоприятное решение и стали устанавливать экран в зоне центральной кон­соли на уровне комбинации приборов (рис. 2с). На этот центральный экран выводится самая разнообразная информация, например, марш­рут движения, коммуникационная информация (телефон, SMS-сообщение, интернет), аудио (радио, цифровые звуковые носители), видео и ТВ, когда автомобиль не движется, климат- контроль и другие данные (дата, время).

Важный момент для всех визуальных дис­плеев, в том, чтобы информацию с них можно было легко считать в пределах основного поля зрения водителя или в непосредственной близости от него, так чтобы водителю не при­ходилось надолго отрывать взгляд от дороги. Расположение дисплея, которым будет пользо­ваться и водитель, и пассажир, в верхней части центральной консоли являйся эффективным как с эргономической, так и с технической то­чек зрения. На мониторе отображается вся гра­фическая информация. Требования, связанные с воспроизведением телевизионного изобра­жения и данных навигационной системы, опре­деляют разрешение и цветопередачу дисплея.

Формат кадра для центрального дисплея с интегрированной информационной системой был изменен с 4:3 до более широкого фор­мата 16:9, что позволяет вводить на экран дополнительные символы выбора маршрута вместе с картой. Применяется даже формат 8:3, чтобы выводить на экран два изображе­ния одновременно

Типы автомобильных дисплеев

 

Дисплей на жидких кристаллах

Жидкокристаллический, дисплей (LCD) яв­ляется пассивным дисплеем, т.к. он сам не излучает свет. Жидкокристаллический состав помещен между двумя стеклянными пласти­нами (рис.4 «Принцип действия ЖК-дисплея (нематическая ячейка)»). В зоне расположения сегментов дисплея эти пластины покрыты прозрачным токопроводящим слоем, на который подается напряжение. Между слоями создается элек­трическое поле, вызывающее переориента­цию молекул жидкого кристалла.

Дисплей на жидких кристаллах типа TN

 

Принцип действия ЖК-дисплея (нематическая ячейка)ЖК-дисплеи типа TN (твистнематический жид­кокристаллический дисплей) — это наиболее широко используемый тип дисплея. Термин происходит от скрученной структуры удлинен­ных жидкокристаллических молекул, располо­женных между стеклянными пластинами с про­зрачными электродами. Температурные пределы использования — от -40 до 105°С. Время переключения дольше при низких температурах из-за свойств вязкости материала жидких кристаллов.

Слой дополнительной ориентации в ЖК-дисплее обеспечивает единообразную ориента­цию молекул жидких кристаллов относительно пограничных поверхностей, что приводит к повороту молекул на 90° в незаряженном со­стоянии. Это вызывает поворот плоскости поляризации света, проходящего через ячейки.

ЖК-дисплеи могут эксплуатироваться как в позитивном контрасте темные символы на светлом фоне, так и в негативном (светлые символы на темном фоне). В ячейке с негатив­ным контрастом внешние поляризаторы рас­положены таким образом, что их направления поляризации ориентированы перпендикулярно друг другу. Таким образом, ячейка прозрачна в незаряженном состоянии. В зоне двух противо­положных электродов жидкокристаллические молекулы под действием электрического поля выстраиваются в направлении поля. Вращение плоскости поляризации подавляется, и зона дисплея становится непрозрачной.

В ячейке с позитивным контрастом внешние поляризаторы расположены параллельно друг другу. Таким образом, ячейка непрозрачна в незаряженном состоянии и становится про­зрачной при подаче напряжения.

Ячейки с позитивным контрастом могут ис­пользоваться при подсветке с лицевой или об­ратной стороны; ячейки с негативным контра­стом требуют подсветки с обратной стороны.

Сегменты с раздельным управлением могут ис­пользоваться для показа цифр, букв и символов. Жидкокристаллические графические элементы расположены в форме матрицы и активируются индивидуально тонкопленочными транзисторами (TFT); они образуют основу плоских TFT дисплеев.

Технология ТN подходит не только для небольших дисплейных модулей. Она также подходит и для крупных дисплейных зон в модульных или даже полноразмерных комбинациях при­боров на жидких кристаллах.

Растровые дисплеи с графическим изо­бражением необходимы для отображения непрерывно изменяющейся информации. Такие дисплеи имеют строчную развертку и характеризуются мультиплексной передачей сигналов. Мультиплексные свойства TN ЖК- дисплеев имеют ограничения при использо­вании на автомобиле (в связи с температур­ными условиями).

Дисплеи на жидких кристаллах типа STN и DSTN

Для более высоких параметров мультиплек­сирования при среднем разрешении можно использовать технологии STN (супертвист- нематик) и DSTN (двухслойный STN). Моле­кулярная структура в ячейках этих дисплеев больше скручена, чем в обычных ЖК- дисплеях типа TN. ЖК-дисплеи типа STN до­пускают только монохромное изображение.

На ЖК-дисплее типа STN выводится черно-­белое изображение в широком диапазоне температур с позитивным или негативным кон­трастом; цветность создается подсветкой цвет­ными источниками света. Многоцветная пере­дача образуется включением красных, зеленых и синих тонкопленочных фильтров, располо­женных на одной из двух стеклянных подложек. При использовании на автомобиле можно до­биться передачи опенков серого цвета только в ограниченных пределах. В результате этого гамма цветов ограничена черным, белым, основными — цветами: красным, зеленым и синим, а также производными от основных цве­тов: желтым, бирюзовым и сиреневым.

При понижении стоимости производства дисплеев по технологии AMLCD, очевидно, они придут на смену ЖК-дисплеев, произве­денных по технологии STN и DSTN.

Активно-матричные ЖК-дисплеи

Активно-матричные жидкокристаллические дисплеи (AMLCD) позволяют решить задачу применения визуально усложненного дисплея с быстро изменяющимся изображением, отобра­жающим сложную информацию на комбинации приборов и на центральной консоли, где дол­жен размещаться жидкокристаллический мо­нитор с высокой разрешающей способностью и видеовозможностями. Пиксели управляются посредством тонкопленочных транзисторов (TFT ЖК-дисплей, ЖК-дисплей на тонкопленоч­ных транзисторах). Стало возможным устанав­ливать на автомобилях дисплеи с диагональю от 3,5 до 8 дюймов с возможностью работы в расширенном температурном диапазоне (от -25 до +85°С). Для программируемых комбинаций приборов планируется использование формата с диагональю до 10 и 14 дюймов с возможно­стью работы в еще более широком температур­ном диапазоне (от -40 до +95°С).

Дисплеи на жидких кристаллах на основе TFT состоят из «активной» стеклянной подложки и пластинки с цветофильтровыми структурами с обратной стороны. На активной подложке размещаются электроды элементов растра, выполненные из оксидов индия и олова, ме­таллические проводники строк и столбцов и полупроводниковые структуры. В каждой точке пересечения строки и столбца имеется тонкопленочный полевой транзистор, который вытравливается за несколько шагов маскирова­ния на предварительно нанесенной последова­тельности слоев. В каждом растровом элементе также формируется конденсатор.

Стеклянная пластинка, расположенная на­против подложки, служит для размещения цветных фильтров и «черно-матричной» структуры, которая улучшает контраст дис­плея. Эти структуры наносятся на стекло в несколько операций фотолитографическим способом. Непрерывный противоэлектрод наносится сверху через все точки растра. Цветные светофильтры применяются в виде сплошных полосок (для качественного ото­бражения графической информации) или мозаичных фильтров (которые особенно подходят для видеоизображения).



Индикация на ветровом стекле

 

Дистанция обзора для традиционных комби­наций приборов составляет от 0,8 до 1,2 м. Чтобы считывать информацию с комбинации приборов, водителю приходится переводить взгляд с дальнего (для наблюдения дорож­ной обстановки) на ближнее расстояние для наблюдения показаний приборов. Этот пере­вод обычно занимает 0,3-0,5 с.

Индикация на ветровом стекле (HUD) ис­пользуется в военной авиации, начиная с 1950-х годов. Индикация такого типа для автомобилей, в упрощенном виде, обычно, для показа цифрового спидометра, в течение многих лет предлагается производителями автомобилей в Японии и США в качестве до­полнительной опции; некоторые европейские производители также начали предлагать та­кую опцию в своих автомобилях.

Изображение проектируется через ветро­вое стекло в основное поле зрения водителя. Оптическая система позволяет получать изо­бражение на таком расстоянии наблюдения, что глаз человека может оставаться приспо­собленным к дальнему зрению. Индикация на ветровом стекле позволяет водителю не отвлекаться от дороги, т.е. постоянно от­слеживать важные изменения дорожной обстановки. Незачем переводить взгляд на спидометр, т.к. скорость и другая важная ин­формация уже показаны на ветровом стекле

Конструкция индикации на ветровом стекле

Типичная система индикации на ветровом стекле (рис.5 «Индикация на ветровом стекле (HUD)) включает в себя модуль гене­рации изображения, световой прибор, блок передачи оптического изображения и «от­ражатель» передающий изображение в глаза водителя.

В автомобиле отражателем обычно служит ветровое стекло. Для того, чтобы избежать раздвоения изображения, вызываемого от­ражением и от внешней, и внутренней по­верхности, ветровому стеклу (или, точнее, пластиковой пленке на безосколочном сте­кле) придается слегка клиновидная форма. Тогда два изображения, отраженных от по­граничных поверхностей, совпадают в поле зрения водителя.

В действительности, изображение гене­рируется в видео модуле. Это может быть дисплей или устройство, проецирующее изображение на диффузно отражающую по­верхность, например, при помощи сканирую­щего лазерного луча. Это изображение имеет размер всего около 20-40 мм, но яркость, требуемая для уверенного чтения при днев­ном свете, составляет более 50 000 кд/м2, т.е., в 100 раз больше, чем для обычного дисплея.

Это изображение отражается через ветро­вое стекло в глаза водителя. Для водителя оно оказывается наложенным сверху на картину дорожной ситуации перед автомобилем. Для того чтобы увеличить кажущееся рассто­яние до изображения, на пути луча можно по­ставить оптические элементы (рассеиватели, концентрирующие отражатели).

Для монохромной индикации на ветровом стекле со средним объемом информации можно использовать сверхвысококонтраст­ные ЖК-дисплеи типа TN. В более современ­ных цветных дисплеях используется техно­логия TFT на поликристаллическом кремнии.

Находятся в разработке контактно­аналоговые модули индикации на ветровом стекле, которые, например, проецируют изо­бражение препятствия ниже линии прямой видимости и на виртуальном расстоянии, ниже которого водитель тоже увидел бы это препятствие.

Отображение информации через индикацию на ветровом стекле

Отображение информации при помощи индикации на ветровом стекле

Виртуальное изображение не должно закры­вать и ухудшать картину дорожной ситуации, поэтому оно проецируется в зону с низкой информативностью, иными словами, «над самым капотом». (рис.6 «Отображение информации через индикацию на ветровом стекле»). Чтобы не перегру­жать водителя информацией в его основном поле зрения, индикация на ветровом стекле должна содержать только необходимый минимум информации. Следовательно, она является лишь дополнением к обыч­ной комбинации приборов, а не заменой ее. Однако, такая индикация особенно хорошо подходит для показа информации, связанной с безопасностью движения, как, например, предупреждения об опасности или указание безопасной дистанции между автомобилями.

 В следующей статье я расскажу о системах повышения безопасности дорожного движения.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *