智能座艙人機(jī)交互技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前，汽車不僅在動(dòng)力源、驅(qū)動(dòng)方式和駕駛體驗(yàn)上發(fā)生了改變，座艙也告別了傳統(tǒng)枯燥的機(jī)械和電子空間，智能化水平飆升，已經(jīng)成為繼家庭和辦公室之外的人們生活中的“第三空間”。通過(guò)人臉；指紋識(shí)別、語(yǔ)音/手勢(shì)交互、多屏聯(lián)動(dòng)等高科技技術(shù)，目前的汽車智能座艙在環(huán)境感知、信息收集與處理的能力得到顯著增強(qiáng)，成為人類駕駛的“智能小助手”。

智能座艙告別簡(jiǎn)單電子化進(jìn)入智能助理階段的一個(gè)顯著標(biāo)志是人與座艙的交互從被動(dòng)式進(jìn)入主動(dòng)式，而這個(gè)“被動(dòng)”和“主動(dòng)”是圍繞座艙本身定義的。過(guò)往的信息交流主要由人發(fā)起，現(xiàn)在人與機(jī)器都可以發(fā)起，人機(jī)交互水平已經(jīng)成為定義智能座艙產(chǎn)品檔次的重要標(biāo)志。

為實(shí)現(xiàn)“互動(dòng)”式的人機(jī)交互，需要讓機(jī)器更好地理解人類的行為，各個(gè)設(shè)備中的處理器、控制器、傳感器等是實(shí)現(xiàn)這一切的關(guān)鍵。目前，貿(mào)澤電子上有豐富的面向汽車智能座艙應(yīng)用的產(chǎn)品和開(kāi)發(fā)套件，幫助工程師朋友們更快速、更高效地打造具有行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的智能座艙產(chǎn)品。

從簡(jiǎn)單回應(yīng)到主動(dòng)、多模態(tài)

隨著越來(lái)越多的電子元器件進(jìn)入到汽車座艙，智能座艙正在重塑汽車產(chǎn)業(yè)的新格局。過(guò)往消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)一臺(tái)汽車，其中大部分成本用于動(dòng)力/傳動(dòng)系統(tǒng)，而未來(lái)消費(fèi)者購(gòu)車可能近一半的錢(qián)會(huì)花費(fèi)在更舒適、更便捷、更智能的乘坐空間上。

在這樣的需求帶動(dòng)下，儀表顯示系統(tǒng)、中控屏、視覺(jué)感知系統(tǒng)和語(yǔ)音交互系統(tǒng)等將深度融合，且被賦予用戶的人格特性和情感特性。因而，未來(lái)智能座艙的發(fā)展將以用戶需求與體驗(yàn)、用戶情感為中心，以具體化場(chǎng)景為驅(qū)動(dòng)，構(gòu)建出一個(gè)以人為本的智能系統(tǒng)。

當(dāng)然，隨著車內(nèi)信息和功能越來(lái)越多，物理旋鈕/按鍵的交互方式已經(jīng)明顯過(guò)時(shí)，會(huì)給用戶使用座艙功能造成困擾。數(shù)字化界面和數(shù)字化功能已成為合格的繼任者，衍生出一個(gè)體量巨大的、新增的車用需求市場(chǎng)。

根據(jù)ICVTank的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，2019年全球智能座艙產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)達(dá)到364億美元，預(yù)計(jì)在2022年將突破460億元，而接下來(lái)的幾年智能座艙產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將呈現(xiàn)大爆發(fā)，到2025年整個(gè)智能座艙的產(chǎn)業(yè)規(guī)模預(yù)計(jì)會(huì)達(dá)到1030億美元，2022年至2025年的年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)將達(dá)到驚人的30.83%。

消費(fèi)者之所以愿意為附加在汽車出行之外的智能化功能買(mǎi)單，一個(gè)重要原因是交互和體驗(yàn)。我們?cè)谏厦嬉呀?jīng)提到，未來(lái)的智能座艙發(fā)展將以人為本，并進(jìn)化成為人們生活中的第三空間。

這樣的人機(jī)交互絕不是簡(jiǎn)單的呼叫回應(yīng)，而是多通道、多層次、多模態(tài)的交流感受。從駕乘人員的角度來(lái)看，未來(lái)智能座艙的人機(jī)交互將以智能語(yǔ)音為主要溝通手段，觸摸、手勢(shì)、動(dòng)作、表情等為輔助溝通手段，解放了駕駛?cè)藛T的雙手和雙眼，降低駕駛的操作風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)駕駛場(chǎng)景，給非駕駛?cè)藛T帶來(lái)更多的樂(lè)趣，并且不影響駕駛?cè)藛T和其他乘客。

在情感交互方面，伴聽(tīng)式、不間斷、個(gè)性化的智能語(yǔ)音，將配合人臉識(shí)別和手勢(shì)識(shí)別等智能識(shí)別功能，判斷人的情緒、疲勞狀態(tài)、專注度等，在情感互動(dòng)、疲勞駕駛預(yù)警、專注力監(jiān)測(cè)等場(chǎng)景下發(fā)揮突出作用。

借助這些極具創(chuàng)新的人機(jī)交互功能，智能座艙將讓汽車突破出行工具的定義，成為人們的出行伴侶。

可用于座艙檢測(cè)的傳感器模塊

智能座艙要以人為本，那么就需要關(guān)注到駕乘人員的狀態(tài)，然后做出具體的回應(yīng)。貿(mào)澤電子上，來(lái)自制造商ADI的ADPD144RI PPG光學(xué)傳感器模塊便可應(yīng)用于駕乘人員的健康監(jiān)測(cè)，主要是光學(xué)心率監(jiān)測(cè)以及反射式SpO2（血氧飽和度）測(cè)量。

圖1：ADPD144RI PPG光學(xué)傳感器模塊

（圖源：ADI）

這款傳感器的供應(yīng)商編號(hào)為ADPD144RI-ACEZ-RL7，是一款高度集成的光學(xué)前端。通過(guò)下方的系統(tǒng)框圖能夠看到，該模塊集成660nm LED、880nm紅外LED和光電二極管三款光學(xué)器件，可通過(guò)同步檢測(cè)紅光和紅外線波長(zhǎng)，對(duì)血氧飽和度（SpO2）進(jìn)行光學(xué)體積描記法（PPG）檢測(cè)。

圖2：ADPD144RI系統(tǒng)框圖

（圖源：ADI）

ADPD144RI模塊采用光脈沖的同步檢測(cè)來(lái)提高對(duì)環(huán)境光的抑制，專為超低直接光學(xué)反射應(yīng)用而設(shè)計(jì)，這樣的方式還提供了比非同步架構(gòu)低很多的功率表現(xiàn)，使得整個(gè)模塊具有低功耗特征。

通過(guò)圖3能夠看到，ADPD144RI模塊將高效的發(fā)光二極管（LED）發(fā)射器和靈敏的4通道深擴(kuò)散光電二極管（PD1至PD4）與自定義應(yīng)用特定集成電路（ASIC）組合在一個(gè)緊湊封裝中，并在集成LED發(fā)射器和檢測(cè)光電二極管之間提供光學(xué)隔離，以提高穿透組織的信噪比（SNR）。

圖3：ADPD144RI內(nèi)部示意圖

（圖源：ADI）

此外，ADPD144RI模塊還提供4通道模擬前端（AFE）、14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和I2C數(shù)據(jù)和控制接口等豐富的配置。讓廣大工程師朋友為之振奮的是，雖然提供了如此豐富的配置，但該模塊僅有2.8mm × 5.0mm大小。

更需要特別指出的是，為了方便用戶交互和座艙檢測(cè)等應(yīng)用設(shè)計(jì)，ADPD144RI模塊采用適用于玻璃窗的定制光學(xué)封裝，極大地豐富了產(chǎn)品的應(yīng)用維度。將ADPD144RI模塊與其他功能單元安裝在車窗和擋風(fēng)玻璃等地方，就可以通過(guò)脈搏和血氧等關(guān)鍵指標(biāo)檢測(cè)駕乘人員的身體狀態(tài)，這是智能座艙人機(jī)交互里機(jī)器發(fā)起交互的依據(jù)，幫助系統(tǒng)做出下一步回應(yīng)或者指示。

為了方便大家盡快了解ADPD144RI模塊，ADI還特意開(kāi)發(fā)了一款EVAL-ADPD144RIZ-SF評(píng)估板，用于評(píng)估ADPD144RI領(lǐng)先的測(cè)光系統(tǒng)。該評(píng)估板在貿(mào)澤電子上的制造商編號(hào)為EVAL-ADPD144RIZ-SF。

圖4：EVAL-ADPD144RIZ-SF評(píng)估板

（圖源：ADI）

該評(píng)估板除了提供ADPD144RI模塊的完全配置，還包括應(yīng)用WaveTool圖形用戶界面（GUI），可提供低級(jí)和高級(jí)可配置性、實(shí)時(shí)頻率和時(shí)域分析。為了方便智能座艙等應(yīng)用的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，該評(píng)估板能夠借助用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）傳輸功能，輕松地連接到開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。

支持多傳感融合的i.MX 8/8X基板

剛剛我們提到了，傳感器信息到達(dá)智能座艙系統(tǒng)之后，需要分析這些數(shù)據(jù)進(jìn)而做出判斷，而類似的傳感器數(shù)據(jù)還包括人手識(shí)別信息、語(yǔ)音信息、駕駛員目光方向信息以及駕駛時(shí)長(zhǎng)信息等等。接下來(lái)我們要介紹的這款器件，則是智能座艙理解這些信息的關(guān)鍵，它就是來(lái)自制造商NXP的i.MX 8X系列應(yīng)用處理器，制造商編號(hào)為MIMX8DX2AVOFZAC。

圖5：i.MX 8X處理器

（圖源：NXP）

i.MX 8X系列處理器采用與高端i.MX 8系列相同的子系統(tǒng)和架構(gòu)，多達(dá)4個(gè)Arm Cortex-A35內(nèi)核、用于實(shí)時(shí)處理的Arm Cortex-M4F內(nèi)核以及用于音頻、語(yǔ)音和語(yǔ)音處理的集成式Cadence Tensilica HiFi DSP，具有先進(jìn)的圖形能力和高效的系統(tǒng)性能，可支持圖形、視頻、圖像處理和語(yǔ)音功能，能夠滿足安全認(rèn)證和高能效方面的需求。

我們?cè)谇懊娌糠忠呀?jīng)提到，在未來(lái)智能座艙的發(fā)展過(guò)程中，語(yǔ)音將會(huì)是人機(jī)交互的重要途徑和方式。而i.MX 8X系列處理器可進(jìn)行多域語(yǔ)音識(shí)別，集成式Tensilica HiFi 4 DSP可提供音頻前置和后處理、關(guān)鍵字檢測(cè)和語(yǔ)音識(shí)別（用于免提交互）等功能。

通過(guò)圖6能夠看到，MPU是NXP電子駕駛艙解決方案中的核心。借助豐富的外設(shè)接口，無(wú)論是音頻信號(hào)、聯(lián)網(wǎng)信號(hào)、傳感信號(hào)、NFC信號(hào)和顯示信號(hào)等，最終都將匯集到NXP MPU里面。而i.MX 8X系列處理器是NXP MPU的高端系列，在信息處理和反饋方面的性能無(wú)疑更加出色，給座艙系統(tǒng)帶來(lái)更加人性化的體驗(yàn)。

圖6：NXP電子座艙解決方案

（圖源：NXP）

此外，還有一點(diǎn)也必須要強(qiáng)調(diào)。為了打造更加人性化的智能座艙，每一臺(tái)汽車通過(guò)一款時(shí)間的使用之后，都會(huì)成為駕乘人員的伙伴，但其中的信息也會(huì)被不法分子盯上，甚至借由智能座艙深入然后控制汽車，那么安全防護(hù)就演得尤為重要。

i.MX 8X系列處理器提供出色的安全性能，支持AES、無(wú)閃存SHE、橢圓曲線加密和密鑰存儲(chǔ)等加密標(biāo)準(zhǔn)，為車輛和個(gè)人信息帶來(lái)多層保護(hù)。

綜上所述，i.MX 8X系列處理器可為智能座艙帶來(lái)冗余的算力支撐，在圖形、音視頻、圖像處理方面有著突出的性能，可通過(guò)豐富的外設(shè)接口高效對(duì)接和處理聯(lián)網(wǎng)信號(hào)、傳感信號(hào)、NFC信號(hào)和顯示信號(hào)等。此外，i.MX 8X系列處理器領(lǐng)先的安全性能為產(chǎn)品和方案帶來(lái)了全方位的保護(hù)。

傳感是智能座艙和駕乘人員交流的窗口，而接受、處理傳感器信息并進(jìn)行交互恰是i.MX 8X系列處理器的強(qiáng)項(xiàng)。到底有多強(qiáng)？大家可以通過(guò)貿(mào)澤電子在售的i.MX 8QuadXPlus多傳感器支持套件（MEK）進(jìn)行體驗(yàn)，供應(yīng)商編號(hào)為MCIMX8QXP-CPU。

圖7：i.MX 8QuadXPlus多傳感器支持套件（MEK）

（圖源：NXP）

該多傳感器支持套件用于評(píng)估和開(kāi)發(fā)i.MX 8QuadXPlus、i.MX 8DualXPlus和i.MX 8DualX應(yīng)用處理器，以及NXP PF8100能源管理集成電路（PMIC）解決方案和傳感器。

通過(guò)該套件，工程師朋友可以從多維度了解上述幾款i.MX 8X系列處理器。比如通過(guò)LVDS和MIPI-DSI連接器以及3.5mm耳機(jī)音頻插孔來(lái)評(píng)估音頻、視頻和HMI性能。實(shí)際上，這是一個(gè)開(kāi)箱即用的方案，通過(guò)LVDS轉(zhuǎn)HDMI適配器卡、高度優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)程序和軟件，可直接用于開(kāi)發(fā)圖形、視頻、圖像處理、音頻和語(yǔ)音功能。

該套件還支持Linux、Android、FreeRTOS，并提供領(lǐng)先的內(nèi)存配置用于程序和應(yīng)用開(kāi)發(fā)，因此在智能座艙應(yīng)用之外，在工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人、樓宇和衛(wèi)生保健等領(lǐng)域都具有很好的產(chǎn)品性能，能夠作為通用的HMI（人機(jī)界面）方案。

釋放千億美元的市場(chǎng)潛力

隨著消費(fèi)者對(duì)駕乘體驗(yàn)的追求越來(lái)越高，智能座艙兌現(xiàn)千億美元級(jí)市場(chǎng)潛力是可以預(yù)見(jiàn)的。因此，人機(jī)交互后續(xù)將成為智能汽車進(jìn)一步發(fā)展的核心內(nèi)容，在汽車儀表盤(pán)、中控、抬頭顯示、V2V、V2D各個(gè)環(huán)節(jié)給駕乘人員帶來(lái)更好的體驗(yàn)。

智能汽車的人機(jī)交互也將出現(xiàn)九大明顯的趨勢(shì)，包括從運(yùn)載工具到交通系統(tǒng)、連接和分離、共享服務(wù)、無(wú)處不在的顯示、接管與移交、實(shí)體媒介交互、個(gè)性化、多通道融合交互和智能情感交互。而實(shí)現(xiàn)這些需要軟硬件的結(jié)合，在貿(mào)澤電子上，無(wú)論是器件還是配套的工具，面向智能汽車人機(jī)交互，你總能找到適合自己的，借此打造極具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的應(yīng)用方案。