1.1 智能网联汽车与人机交互概述

1.1.1 智能网联汽车与人机交互

智能网联汽车（Intelligent Connected Vehicle，ICV）的定义：搭载先进的车载传感器、控制器、执行器等装置，并融合现代通信与网络技术，实现车与X（人、路、云等）智能信息交换共享，具备复杂的道路环境感知、智能决策、协同控制与执行等功能，可实现安全、舒适、节能、高效行驶，最终可实现完全自动驾驶的新一代汽车。

智能网联原本指汽车技术发展的两个技术路线，即智能汽车和网联汽车。智能汽车指通过搭载先进的环境感知、智能决策、自动控制技术和设备，具备半自动或全自动驾驶功能，从简单交通运输工具向智能移动空间变化的新型汽车。网联汽车则借助全新的网络通信技术、导航、高清地图、路径规划来实现车内、车与X（路、人、云等）的连接，提高车辆的智能化和自动化，打造全新的交通服务模式，提升交通效率，改善驾乘体验，为使用者提供更安全、更便捷的综合服务。可以看出二者相辅相成，不可分割，因此，将智能汽车和网联汽车的集合体称为智能网联汽车。

我国把智能网联汽车发展划分为 5 个阶段，即辅助驾驶阶段（DA）、部分自动驾驶阶段（PA）、有条件自动驾驶阶段（CA）、高度自动驾驶阶段（HA）和完全自动驾驶阶段（FA）。

1）辅助驾驶阶段（DA）

该阶段通过环境信息对行驶方向和加减速中的一项操作提供支援，其他驾驶操作都由驾驶员来完成。适用于车道内正常行驶，高速公路无车道干涉路段行驶，无换道操作等。

2）部分自动驾驶阶段（PA）

该阶段通过环境信息对行驶方向和加减速中的多项操作提供支援，其他操作都由驾驶员来完成。适用于变道以及泊车、环岛绕行等市区简单工况，还适用于高速公路及市区无车道干涉路段进行换道、泊车、环岛绕行、拥堵跟车等操作。

3）有条件自动驾驶阶段（CA）

该阶段由无人驾驶系统完成所有的驾驶操作，根据系统请求，驾驶员需要提供适当干预。适用于高速公路正常行驶工况，还适用于高速公路及市区无车道干涉路段进行换道、泊车、环岛绕行、拥堵跟车等操作。

4）高度自动驾驶阶段（HA）

该阶段由无人驾驶系统完成驾驶员能够完成的所有驾驶操作，特定环境下系统会向驾驶员提出响应请求，驾驶员可以对系统请求进行响应接管驾驶控制权。适用于有车道干扰路段（交叉路口、车流汇入、拥堵区域、人车混杂交通流等市区复杂工况）进行的全部操作。

5）完全自动驾驶阶段（FA）

该阶段由无人驾驶系统完成驾驶员能够完成的所有道路环境下的操作，不需要驾驶员介入。适用于所有行驶工况下进行的全部操作。

从驾驶员对车辆控制权角度来看，可分为驾驶员拥有车辆全部控制权、驾驶员拥有部分车辆控制权、驾驶员不拥有车辆控制权 3 种形式。其中，当驾驶员拥有部分车辆控制权时，车辆高级驾驶辅助系统（ Advanced Driving Assistance System，ADAS）的配备和技术成熟程度决定驾驶员拥有车辆控制权的多少，ADAS装备越多，技术越成熟，驾驶员拥有车辆控制权越少，车辆自动驾驶程度就越高。

智能网联汽车主要解决的是出行安全、节能、高效、舒适、便利，是“人—车—路—云”协同的路面智慧交通系统。从人与车的关系来看，人驾驶汽车既是控制汽车的行驶状态，达到安全、高效、舒适出行的目的，也有体验驾驶的乐趣，智能网联汽车的自动驾驶程度无论达到第几级，都不能剥夺人驾驶汽车的乐趣和体验，因此，有人驾驶与自动驾驶以及这两种驾驶模式的安全、高效、平稳、自由切换，将伴随智能网联汽车发展而长期并存，只要存在有人驾驶就必然存在人机交互，因此，人机交互就成为智能网联汽车发展不可或缺的重要组成部分（图 1.1）。

人机交互（ Human-Computer Interaction或Human-Machine Interaction， HCI或HMI）是一门研究人与机器系统之间交互关系的学科。人机交互研究的目的在于使所设计的机器系统帮助人们更安全、高效和舒适地完成相应任务。这里的机器系统不局限于计算机系统，它可以是各种各样的机器。比如，操作简单的汽车换挡杆或转向灯控制杆，或者复杂的汽车中控台。传统的汽车人机交互指驾驶员通过加速踏板、方向盘、换挡杆等操纵车辆完成一系列驾驶任务，但随着计算机技术、多媒体技术、通信技术以及智能化技术的发展，目前的汽车不仅是一种运载交通工具，还是一个集信息交流、移动办公、娱乐互动的智能座舱，汽车更是以消费电子产品的身份进入了国际消费类电子产品展览会（ International Consumer Electronics Show，CES） 。

汽车人机交互技术将是 21 世纪汽车发展中亟待研究的重大课题，是智能汽车、车联网进一步发展的重要支撑，是以用户为中心的汽车设计的重要内容。汽车人机交互系统的质量不仅会直接影响消费者的购买选择，还会直接影响驾驶员和乘客的体验感受，甚至会影响驾驶安全。智能网联汽车的发展必定为未来驾驶带来大量与驾驶无关的次任务。这些次任务会引起驾驶员注意力分散，增加驾驶员认知负荷，占用驾驶员认知资源，成为影响交通安全的潜在因素。因此，汽车人机交互技术将要解决的关键问题是如何平衡驾驶安全与交互体验。

人机交互系统是伴随计算机诞生而发展起来的。在现代和未来的社会里，只要有人利用通信、计算机等信息处理技术，为社会、经济、环境和资源进行活动，人机交互就是永恒的主题。鉴于它对科技发展的重要性，因此亟须研究如何实现自然、便利和无所不在的汽车人机交互，它是现代信息技术与汽车技术深度融合的产物。此外，电动化、智能化、网联化、共享化是全球汽车行业发展的新趋势，这些趋势将深刻影响未来的智慧出行与人、车、路、云的交互关系，必然带来人机交互方式和内涵的重大变化，人机交互也将成为智能网联汽车发展和创新的核心要素。

1.1.2 传统汽车人机交互

汽车人机交互可以说是伴随着汽车一起诞生的。1886 年，汽车刚刚被发明出来时，连方向盘都没有，掌控方向的只有一根摇杆，驾驶员与汽车的交互仅限于加减速和转向等简单的交互，汽车也只是一个代步工具（图 1.2）。为了追求更好的驾驶体验，在今天看起来必不可少的设施逐步被运用在汽车中。图 1.3 是汽车发展过程中的里程碑事件。

为了让人更方便地驾驶汽车和控制汽车行驶方向，1894 年出现了方向盘（图1.4），随之出现了反光镜车灯等今天看起来必不可少的设备。

随着无线电的发展，1930 年收音机首次作为娱乐设备被放到汽车上，摩托罗拉将车载收音机商业化，命名为 5T71（图 1.5）。1965 年磁带播放器出现在了中控台上，随后CD代替磁带成为人们收听歌曲的主要载体。21 世纪，MP3 和iPod这类小体积存储设备开始出现，越来越多的AUX和USB接口出现在汽车中控上。通信技术的发展使人们能够在车里在线听歌，车载电话在 1950 年也被应用到汽车上（图 1.6）。

随着空调技术的发展，1939 年人们把空调搬上了汽车，如今空调已成为汽车上必不可少的配置（图 1.7）。

随着汽车的性能越来越好，车速越来越快，发生事故的死亡率也逐渐增高。20世纪最伟大的发明之一——安全带也随之出现（图 1.8）。

车载导航也有近百年的历史，1921 年，美国明尼苏达州John J. Bovy申请了一项手持导航工具专利，即可滚动地图，它可以安装在汽车上，为行驶的汽车导航。1983 年，博世旗下公司Blaupunkt推出了Electronic Pilot for Drviers的导航原型机，由于没有卫星，所以只能以车速来计算位置。比尔·克林顿在 1996 年建立了跨部门的GPS执行委员会。到了 2000 年前后，美国政府最终停止GPS选择性使用限制，将准确的全球定位数据用于全球范围内的民用和商用中。1995 年通用推出了一种新的导航辅助服务，名为OnStar，这项服务能够提供基于手机的通信连接，以获取OnStar客服中心帮助，并通过GPS追踪汽车的位置（图 1.9）。

在 2001 年左右，基于HDD的导航系统到来，这种系统标榜提供了更大的存储空间，并很快从 10 GB增至 80 GB。松下Strada CN-NVD905U等系统不仅提供了触摸显示屏导航工具，还能支持车载娱乐系统，并集成在一起。随着智能手机的普及，车载信息系统也更加智能化。现在的汽车中控几乎已经可以被当成一台大号的手机来用，仅用数据线连接，通过CarPlay，Android Auto，Carlife等系统就能直接在汽车上实现手机上的几乎所有功能。随着GPS的开放以及显示技术的发展，车载导航已成为现代汽车的标准配置（图 1.10）。

1.1.3 智能网联汽车人机交互

随着网络、通信、显示、传感、人工智能等技术的快速发展，汽车正快速与互联网、智能技术融合，成为智能网联汽车。智能网联汽车的显著特征是，汽车的环境感知、决策判断、车辆行驶智能控制、车载移动网络通信、大数据与云服务、智能人机交互、人机共驾智能切换等，尤其在智能化人机交互方面，在传统的物理界面交互基础上，出现了语音交互、抬头显示（HUD）、手势交互、嗅觉交互、AR（增强现实）和MR（混合现实）等多模态交互方式，极大地丰富了智能网联汽车人机交互行为，给用户带来愉悦的体验感和驾驶乐趣。

1）物理交互界面

在传统汽车人机交互中，驾驶者的“视觉＋听觉＋肢体”与汽车方向盘、离合器踏板、加速踏板、制动踏板、换挡杆、驻车制动杆、转向灯控制杆、前大灯开关按钮、刮水器开关杆、喇叭按钮等物理界面进行交互，眼睛观察道路场景、耳朵感知周边的声音信息，协同控制车辆安全、正常行驶（图 1.11）。

2）多模态增强感知交互

人在与外界进行交互时，最自然的交互方式是，人的各种感觉器官在自然状态下不需要专门的学习和培训就能进行感知和交互，基于人在交互中的生理和心理特征，在传统汽车物理界面交互的基础上，采用新的传感、显示、人工智能、互联网、图像处理、移动通信、用户体验等技术，开发出了车载触摸屏触摸交互、抬头显示、语音交互、手势交互、嗅觉交互（车内香味发生器）、AR（在道路场景中融入虚拟场景）和MR（融入声、光、嗅、动、热等多种感知信息的复合场景）产品和技术，增强人在驾驶中的环境感知、决策判断、执行控制能力和驾驶乐趣（图 1.12、图 1.13）。

另外，各大汽车厂商以及互联网公司已开发出许多互联产品，将手机作为媒介，把汽车接入互联网以实现初步的联网应用，例如，旅程管理、车辆服务、出行服务和生活方式及娱乐四大方面。如福特的SYNC ^® 2 车载多媒体通信娱乐互动系统（图1.15）以及上汽与阿里巴巴合作开发的“斑马智行”系统等（图 1.16）。多媒体娱乐、智能办公以及基于支付功能的汽车生态圈正在蓬勃发展。