如今，经过过去50多年的不断研究和开发，我们看到无人驾驶汽车成为现实。尽管如此，要确保该系统具备能够像人类一样处理车辆的性能，为无人驾驶汽车设计一个完全自动的系统仍然面临很多挑战。因此，驾驶员仍然必须了解车辆可以做什么和不能做什么。理想情况下，车辆和人可以看作是一个联合的认知系统，两者共同协作以提供安全舒适的驾驶体验。在这种协作中，车辆与人之间的主要通信方式是人机界面（HMI）。HMI使车辆能够洞悉人的命令和注意力，并能使人洞悉自动化模式，系统状态和系统意图。最后，它负责任一方向的切换请求。因此，HMI在联合系统的运行中起着至关重要的作用。
本文阐述的目标是创建一个整体人机界面（HMI）解决方案的概念，该概念可为驾驶员提供清晰的概览并充分理解所有车载3级自动驾驶系统。在我们的设计过程中，我们试图坚持汽车人机界面设计的原则，从传统集群中汲取强大元素，并将其与对自动驾驶和自定义丰富视觉效果至关重要的元素相结合，为用户创造愉悦而有意义的车内体验。本文研究和设计的概念可以作为设计对自动驾驶汽车中人机交互系统参考指南。
虚拟数字化辅助和人工智能允许在交互设计中，结合语境，先验知识和个性化进行定制，这也成为自动驾驶发展的主要动力。完全自动化的汽车将提供多种多样的通信方式，包括触觉，视觉，动力和多模式通信，以确保安全和丰富的道路使用体验。车载HMI能够增强驾驶员的环境意识，以确保车辆与其乘员之间的顺畅互动。
一、HMI设计方法讲求以人为本
以人为本的设计是一种交互式系统开发方法，旨在通过关注用户的需求，使系统变得可用和易用。同时，通过应用人为因素/人机工程学以及可用性知识和技术，提高系统效率和效能，改善人类的驾驶体验感，提升用户满意度，使用频率及驾驶体验效果，并抵消使用可能对人体健康，安全和性能造成的不利影响。
基于人本的设计方法，HMI设计过程重点是关注以下三个关键参数：
a)可用性。即定义为用户可以与HMI交互以高效地实现其目标的易用性，它是使用HMI时用户满意度的一种度量；
b)用户体验。用户在车机互动中应以喜乐，娱乐或满意等积极情绪为内涵。用户体验超越了人机交互的核心，其包括了品牌价值，购买经验和处置等因素。
c)用户愉悦。技术应对用户具有更深的意义，帮助他们过上尽可能美好的生活并创造自己的最佳版本，设备需要代表正确的价值并支持用户。
如果遵循核心设计原则，如内部和外部的一致性，有用性，简单性，个性化和情感化，并且实现参数的平衡。即整个HMI理念是基于ISO 9241中定义的HMI参数。
① 学习的适应性；
② 适合个性化；
③ 符合用户期望；
④ 自我描述；
⑤ 可控性；
⑥ 容错能力。
1）整体视觉交互
视觉交互的设计原理是指模拟现实世界中对象的外观和行为，所有按钮和控制元件都应该让用户通过图像一目了然地了解其功能和当前状态。他们应该传达许多图标设计一样的含义，具备最为基本的可读性及合规性。
自动驾驶系统交互HMI中使用文字信息是一个关键考虑因素：应将其保持在最低限度。这将确保可读性（不要与易读性混淆）。一般来说，较长的文本文字不仅令人不舒服，而且会分散注意力，造成使用信息的时间太长，这样很危险。重叠的文字和图形应始终具有适当的光线对比度，这可以确保可读性，在文本和背景之间使用高对比度的颜色，最佳可读性要求在白色背景上有黑色文字（所谓的正文字）与黑色背景上的白色文字（负文字）几乎一样好。”
尽管进行了一些其他颜色的实验，但深色背景似乎是所有汽车设计中选择的阴影。为什么大多数汽车用户界面都选择深色背景呢？
原因如下：
- 增加鲜明的对比度。研究表明，黑色或深色背景可以提供最简单的对比度，并且可以使用户快速扫描离散信息，而无需在黑暗环境（通常是汽车环境）中辨别细节；
- 黑暗适应性。另一个原因是深色背景使用户可以适应黑暗，而不会因鲜艳的颜色而分心。
- 干扰明亮的界面。界面发亮的主要问题之一是它们可能真的很亮，并且会分散注意力，并阻止用户专注于多种事物。
2）颜色的正确使用
最重要的原则是，不能仅将颜色用作临界状态条件的唯一识别符。为警报指定的相同颜色也不得用于其他琐碎的颜色，这样可以最大程度地增强其报警的意义。鲜艳的颜色用于引起人们对异常情况的注意，而不显示正常情况。灰色背景和柔和的颜色可最大程度地减少屏幕眩光和反射。
例如，由于红色通常用作警报颜色，因此不应将其用于描述“关闭”状态的这一琐碎事情。“退出”通常是正常且适当的状态；正常运行的进程不应显示为红色。让我们看一个示例，说明自动驾驶（AD）系统的四种状态。
下图显示了如何将颜色用作AD图标来吸引驾驶员的注意力并传达系统状态。
在驾驶环境中，将颜色代码的数量保持在人类认知范围内非常重要，建议最大使用四种颜色。
3）系统提供反馈
当驾驶员与系统交互时，他需要知道他的行为是正确还是错误。尽管基于手势的控件和触觉反馈系统正在改变车辆驾驶员控制汽车的方式，但视觉传达仍然发挥着核心作用。为了使所发生的事情显而易见并防止驾驶员犯错，HMI必须提供简单的反馈，例如：
- 如果驱动程序选择了屏幕上的某些内容，请指明已选中（例如，勾勒出轮廓）；
- 如果驾驶员采取行动，则表明该行动正在执行；
- 设计图形和控件，使它们在所有屏幕上均保持一致，并且不提供惊喜；
4）信息分组
将属于一起的信息分组有助于驾驶员感知最重要的数据，同时它还可以直观地清理屏幕，使驾驶员更容易吸收信息。一般的，可以通过多种方式进行分组，如与特定上下文或场景有关的信息可以分组。可以把音乐控件分组在一个屏幕上，地理导航在另一个屏幕上。
5）继承性
为了确保驾驶员在尽可能短的时间内看到视觉图像，必须以正确的优先级显示有关HMI的所有信息，最佳做法建议针对较小的显示器使用三级或两级。显示的主要信息必须直接位于每个屏幕同一位置上且位于驾驶员的视野内，其中，二级和三级信息必须放在屏幕的外围。通常，应该隐藏与驾驶或当前任务无关的信息。这有助于使驾驶员集中精力在路上。
二、自动驾驶系统HMI重点考虑的要素
在设计用于自动车辆的安全舒适的HMI时，重要的是要认识到HMI的基本需求是帮助人们了解自动化功能的功能，HMI的作用还在于使人了解他们对监测和积极干预的期望。这种理解是正确建立信任以及确保道路安全的前提，因为车辆和人员之间关于对方将要做什么的误解可能导致致命的事故。
如下所确定的元素对于自动驾驶汽车的HMI设计至关重要：
- 提供对AD功能和状态的必要了解（最小化模式错误）；
- 使驾驶员对自动驾驶系统建立信任；
- 激发驾驶员适当的关注和干预水平；
- 最小化自动驾驶过程的显示意外；
- 为用户提供舒适感，即减少不确定性和压力。
在本章中，我们将介绍用于3级自动驾驶系统HMI设计的一些特定功能。
1. 当自动驾驶仪打开并且检测到道路标记或车道边缘时，AV显示器会显示用于自动驾驶的标准化符号。当自动驾驶仪关闭时，将显示用于手保持车道的标准符号。所有指示都显示在驾驶员的前向视野（仪表板和HUD）中，有时在其他显示器（中央控制台）上重复显示。
2. 一些汽车制造商使用更高级的显示屏，并为驾驶员提供更多信息，以了解车辆正在检测的内容。它提供有关车道上的汽车和周围车辆的位置，道路标记的类型以及本车与其他车道上的车辆相比的相对位置的详细信息。这种可视化显示我们称之为场景重构（如下图），这种方式可以增加驾驶员对自动驾驶系统的信任度。
3. 只要无人驾驶汽车仍然需要人类进行一定程度的控制，就必须引起适当的关注，以便在需要时进行安全干预。自动驾驶3级在系统自动控制驾驶汽车时，驾驶员状态仍然处于控制和监视循环中，这种区别如下所示。在辅助驾驶阶段，以下两个回路都运行，但是在自动驾驶下（尤其是在级别3时），则假设仅存在外部回路（即对驾驶员监控而系统内部自动控制）。
不同的OEM使用不同的策略来抵消超出控制回路的影响，因此也要抵消监控回路的影响。由于仍然需要将手放在方向盘上，因此当手不在方向盘上时，车辆会发出警告。如果驾驶员需要把手放在方向盘上（带有或不带有听觉警告），则会显示黄色/橙色方向盘的符号。此外，如果驾驶员不对警告做出反应（减速，转入路缘，完全停车等），系统则会采取进一步的安全措施（如代驾驶员减速停车等）。例如，梅赛德斯E级仅通过在转向图标上显示红色指针，仅在大约30 s后请求将手放回方向盘。30秒后（大约在第一个放手轮之后1分钟左右），这辆车实际上将开始使用声音信号。如果不采取任何措施，听觉警告将变得更加刺耳，最终，车辆将自动降低速度，并使汽车在其车道内完全停止。
4. 精心设计的自动化系统应该能够尽可能地预测何时不再能够处理某种情况，因此需要人工接管。对于3级自动驾驶车辆，这意味着车辆应提供及时警告，例如在从高速公路出口驶入质量较低的道路或城市街道之前，系统将关闭。对于3级自动驾驶系统，HMI在系统无法应对需要通知驾驶员，为何无法应对，并提供所需接管的倒计时。
5. 为了使驾驶员在自动驾驶汽车上的身体和心理感觉舒适，需要平稳且可预测的驾驶行为，并且横向和纵向速度的变化最小。例如，在自动车道变更过程中应始终检查相邻车道中是否没有车辆，以及该车道中是否没有快速驶近的车流，应该通知驾驶员系统已经检查了交通状况并且操作安全。又如，可利用抬头显示器HUD显示车辆未来轨迹的方式提供其他视觉信息，也可以改善驾驶舒适性。
为了说明驾驶员如何通过HMI与Level 3 自动化组件进行交互，让我们探索Audi AI Traffic Jam Pilot系统的功能。
由于奥迪AI TJP能够处理全部驾驶任务-加速，转向和制动。其功能显示如下：
步骤1：启动TJP功能期间，在奥迪虚拟驾驶舱中出现一条信息：即TJP Available，同时设计确保驾驶员看到该视觉提示：
步骤2：驾驶员主动转向后，“TJP功能”会通过提示驾驶员接管做出响应。
步骤3：当出现紧急情况导致系统无法处理时，驾驶员有大约10秒钟的响应时间，虚拟座舱中会显示一条短信：Traffic Jam Pilot End，请恢复对车辆的完全控制。
步骤4：如果驾驶员忽略此第一提示，则车辆减速，驾驶员感到安全带略微拉紧3次。
步骤5：如果驾驶员保持被动状态，则进入最后阶段–紧急干预，汽车在车道上减速至静止。
三、自动驾驶车的概念设计
HMI的设计过程包括三个主要阶段：分析->创作->实施
在第一阶段，市场将分析客户，用例，技术，法规以及未来解决方案的生命周期。
要回答的基本问题包含如下几方面：
- 解决方案的用户是谁？它是为专业人士还是广泛的用户设计的？典型用户的画像是什么？
- 如何使用解决方案？它是主要任务还是次要任务的产品？它用在移动环境？是否在嘈杂，肮脏，潮湿或无菌环境中使用？
- 在这些环境中可以使用多点触摸屏吗？我们是否必须提供允许戴手套使用触屏的选项？
- 是否可以使用旧版本解决方案的经验？我们必须在同一产品细分市场中进行基准测试吗？在其他产品细分市场中进行基准测试是否可能且合理？是否有任何立法限制HMI设计？
a) 分析：分析阶段的数据来自外部或内部市场研究的结果。其他信息来源包括对内部营销和销售团队，技术提供商的访问，竞争对手分析，基准测试活动或法规。分析阶段的可交付成果是HMI草图，它们可以呈现在纸上或以数字方式设计。之后，可用性专家会分析研究和交付的数据，并在焦点小组中进行测试。在早期阶段，更改很便宜并且可以快速应用。
b) 创作：在创建阶段，可以使用各种以用户为中心的设计方法。以用户为中心的设计描述了工具和活动的组合，这些工具和活动将用户，需求，期望，局限性和功能置于设计过程的中心。在早期阶段，自由和创新的技术，例如头脑风暴通常会增加功能并使HMI变得更复杂，同时，系统创新思维通常会限制HMI的实际呈现效果）。在创建阶段的第二阶段，使用了更正式的程序。例如，艾伦·库珀（Alan Cooper）引入了一种广泛使用的“角色方法”。角色是根据市场或经验研究而创建的。它们反映了典型的用户组及其需求，功能，用例和期望。其他方法是通过使用“角色”作为准则来思考HMI解决方案、场景技术或上下文设计。
内容相关设计是一种工具，可提供有关用户实际操作，执行原因，执行方式等的信息。在创建的每个阶段，都会分析反馈（可用性分析，焦点小组，可用性研究）。创作阶段的下一个阶段是概念设计。根据先前步骤中的信息，专家选择适当的交互技术（手动输入，语音识别等），开发图形概念，绘制交互设计草图。在连续循环中，详细程度不断提高。
创建阶段的可交付成果是：
- 规范（描述HMI行为，分层菜单，措辞，输入过程等的书面文档）；
- 样式指南（描述用于屏幕设计的图形）；
- 为实施准备的图形；
在最终确定如上这些文档之前，需要用户参与。可以通过进行可用性研究，专家分析或焦点小组来完成。运行这些研究的外部实例非常有用。用户参与阶段是开发过程中的最后一点，在此阶段中，无需付出很大的努力和成本就可以针对HMI设计概念进行更改。
c) 实施：在实施阶段，HMI团队要么扩大，要么彻底改革。HMI概念专家进行前两个阶段，他们必须具有心理学，图形设计和人为因素工程的背景，在这一阶段，系统及软件工程师也可以加入该项目，在概念阶段创建的文档是开发人员组之间进行交流的基础。
四、自动驾驶XMI设计的基本原则
从3-D映射到人工智能，车载HMI与过去的模型相比已经走了很长一段路。当前HMI的一些明显的趋势是塑造整个行业的一体化设计并将HMI设计体验推向新的高度：即从单纯的人机交互HMI转向人与环境交互EMI（Environment Machine Interaction）的设计过程中。
从自动驾驶交互层面上讲，仅仅依靠人机交互HMI作为安全避险的手段是不够的，因为自动驾驶是处于实际驾驶环境中的，这里还需要真正的驾驶状态信息传递给环境，从而确保其他车辆也可以对其作出恰当反应，此时整个交互过程就包含了HMI+EMI=XMI。
例如，当自动换道系统在进行变道过程时不仅需要在自车仪表上显示变道状态，也需要通过自动激活转向灯来提示目标车道车辆本车将要变道的意图，这可以进一步提高系统处理能力及安全性。
总结
对于下一代自动驾驶汽车，地图（无论导航地图还是高精地图）不再是附加功能，而是当驾驶员无需接入油门或制动踏板及转向盘时，通过提供足够精确的道路数据以引导车辆前行，自动驾驶所需的3D数字地图则必须更加详细（除了导航地图所有功能外，还包括车道数量，道路曲率等）。自动驾驶汽车（AV）的地图也需要实时更新，如果有道路建设或道路封闭，则需要在地图中反映出来。这些都对整个人机交互系统开发提出了更多的要求，因此设计更加完善且贴合驾驶员心意的XMI系统将显得更加迫在眉睫。
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