Este artigo foi traduzido com permissão da Mouser Electronics. Editado em 3 de fevereiro de 2021 (publicado originalmente em 8 de agosto de 2020)
Por Robert Huntley para a Mouser Electronics (*)
Introdução
Olhe para o painel de qualquer carro moderno hoje, e você verá muito pouco na forma de um conjunto de instrumentos de mostradores, medidores e interruptores. Não faz muito tempo que medidores e mostradores analógicos apresentavam informações necessárias, como velocidade, rotações do motor e temperatura do refrigerante. Hoje, você provavelmente verá um painel de vidro elegante em uma posição de destaque dentro da cabine, alguns dos quais parecem mais um tablet do que o painel de um veículo.
Os painéis com interfaces homem-máquina (HMIs) são elegantes e estilosos, e as telas sensíveis ao toque agora são a norma. Eles são usados ??para navegar para um novo destino, definir os recursos do sistema de assistência ao motorista avançado (ADAS) do veículo ou alterar a cor da iluminação interna. Os smartphones são totalmente integrados à IHM via USB ou Bluetooth® por meio de aplicativos como Android Auto e Apple CarPlay. Para os fabricantes de automóveis, os HMIs de tela sensível ao toque anunciam uma nova era de substituição de mostradores mecânicos, botões e interruptores e avançando na estética do design interior de um veículo.
Fatores críticos de design de HMI automotivo
A segurança é um fator crítico de projeto para qualquer HMI automotivo. Sua operação não deve distrair o motorista, ser intuitiva e, se possível, o acesso a determinados recursos pode ser desativado enquanto o veículo está em movimento. Selecionar um álbum de música diferente para ouvir ou ler uma mensagem de texto são ações não essenciais que fazem com que o motorista tire os olhos da estrada à frente. Com tantas funções agora disponíveis em um HMI automotivo, a oportunidade de distração aumenta significativamente, promovendo a legislação e os padrões internacionais.
Embora ainda estejam em sua infância, os padrões como ISO 15005: 2017, que estipula que as ações de HMI devem levar 1,5 segundos ou menos, estão começando a evoluir. Por exemplo, o HMI da Volkswagen monitora o uso do motorista e avisa o motorista se ele gasta muito tempo acessando funções diferentes, como procurar um contato no catálogo de endereços ou tentar ler uma noticia.
O uso de controles de tela sensíveis ao toque em IHMs automotivos está sendo cada vez mais questionado por motivos de segurança. O controle de voz está emergindo como um candidato mais seguro e viável para entrada e controle HMI, embora o reconhecimento de voz apresente alguns desafios técnicos.
Além de melhorar a estética do cockpit, outro driver de HMIs automotivos é apresentar uma interface intuitiva e simples de usar para acessar uma série de funções abrangentes, particularmente no caso de veículos semi e totalmente autônomos. Os veículos elétricos e híbridos exigem muitos monitores diferentes do que um veículo convencional movido a combustão interna, para o qual um HMI com tela sensível ao toque acionado por software é ideal. Nos exemplos acima, uma quantidade crescente de esforço de design da interface do usuário (IU) e da experiência do usuário (UX) é necessária para criar uma IHM que seja informativa e fácil de usar.
Ao longo dos anos, os fabricantes de veículos aprenderam que os consumidores são particularmente atraídos por HMIs e que a interface do usuário e a experiência do usuário (UI / UX) são um fator significativo nas decisões de compra. O desenvolvimento de ícones, símbolos e fontes personalizados pode ser uma tarefa árdua para o desenvolvedor incorporado, mas essa atenção aos detalhes paga dividendos.
Para o motorista e seus passageiros, o HMI permite a personalização das funções do veículo de acordo com seu humor, desde recursos de conforto e iluminação interna até o equilíbrio entre desempenho do motor e economia de combustível. Vamos revisar algumas das tecnologias usadas e os desafios que os extremos de temperatura e umidade apresentam para a equipe de design.
Tecnologias automotivas HMI populares
As HMIs precisam de duas tecnologias essenciais; um monitor, normalmente uma tela LCD, e um método de entrada ou controle. As telas sensíveis ao toque são um método HMI comprovado, usando detecção de toque capacitivo projetado (PCAP) em uma pilha fina acima de uma tela LCD. O reconhecimento de voz, usando redes neurais de aprendizado de máquina, é outro método de entrada que está ganhando popularidade rapidamente com base na segurança do motorista. Outras tecnologias usadas com touchscreen incluem haptics, gestos, proximidade e detecção de força. À medida que os processadores de aplicativos se tornam mais poderosos, o uso de algoritmos de rastreamento ocular para fornecer controles de entrada pode se tornar atraente.
Reconhecimento de voz
De acordo com a empresa de pesquisa automotiva Tractica, o uso de assistentes de HMI de reconhecimento de voz baseado em inteligência artificial em veículos crescerá significativamente nos próximos anos, criando um mercado global de $ 4,6 bilhões (USD) até 2025. Estima-se que 80% dos HMIs automotivos integrará um sistema de reconhecimento de voz, excluindo aplicativos de assistente de smartphone, como Siri da Apple e Google Assistant.
Comandos de voz já são usados regularmente para controlar as funções de mídia e encontrar a rota mais rápida para um destino. O reconhecimento de fala depende do uso de redes neurais de aprendizado de máquina, sendo o modelo de rede recorrente o mais adequado para esse fim. Podemos já estar familiarizados com nossos assistentes de voz do smartphone, mas eles contam com os recursos de computação quase infinitos na nuvem para transformar a fala em ações de comando. Introduzir o reconhecimento de voz em um ambiente automotivo onde a confiabilidade é fundamental e a conectividade celular não garantida requer inferência local. Inovações consideráveis ??de processador e mecanismo de inferência já estão em andamento para permitir alto desempenho e computação de baixo consumo no limite, e esses desenvolvimentos irão avançar significativamente os recursos no veículo.
Redes neurais mais avançadas levam a algoritmos de linguagem natural mais abrangentes que compreendem dialetos regionais de forma mais confiável e são mais hábeis na remoção de ruídos de fundo. Além da IA, o processamento de sinal digital é necessário para remover o ruído de fundo da estrada, pneu e vento. O reconhecimento de voz é uma abordagem prudente para evitar a distração do motorista e melhorar a segurança no trânsito.
Controles de toque
As telas sensíveis ao toque PCAP são uma tecnologia madura com ampla adoção para aplicações automotivas. Circuitos integrados de controlador de tela de toque multitoque estão disponíveis para gerenciar tamanhos de tela grandes de até 25 polegadas; por exemplo, os modelos Tesla usam pelo menos uma tela de toque vertical de 15 polegadas. As telas LCD precisam atender às demandas de mudanças rápidas nas condições de luz ambiente, desde a luz do sol forte até a escuridão em segundos. Telas de LCD de alto brilho e alto contraste são cruciais para desenvolver o HMI de um veículo. Tamanhos de tela maiores são preferidos do que painéis menores, os últimos mais propensos a distrair o motorista por mais tempo durante o uso. O design de UI / UX é crítico, uma vez que muitas informações apresentadas também distraem o motorista. Uma IU / UX estruturada, com controles usados ??com frequência sempre no mesmo local, reduz a distração ao mínimo, aumentando a usabilidade e a segurança.
Controladores multitoque agora são a norma, com a maioria dos ICs controladores incorporando recursos de detecção de gestos, como apertar e esticar. Os botões mecânicos convencionais também foram substituídos por recursos de botão, roda e controle deslizante implementados no software. Tons audíveis fornecem feedback ao usuário durante a operação.
A conveniência da abordagem da tela de toque é ainda mais aprimorada com o uso de alguns recursos inovadores. Sensores hápticos, um elemento micromecânico vibratório ou rotativo, fornecem feedback ao usuário. A detecção de proximidade é baseada em técnicas de detecção capacitiva, mas indica um dedo se aproximando do painel LCD. Ele pode ser usado para ligar a tela ou para abrir um menu de seleção. Um aprimoramento relativamente novo da tela de toque é o uso de uma camada de filme piezoelétrico no empilhamento da tela para detectar a pressão aplicada ou a força do toque. A detecção de força permite uma experiência do usuário 3D que pode simplificar a IU para alguns aplicativos ou, junto com a sensação tátil, fornece um mecanismo de feedback mais positivo para emular o pressionamento de um botão mecânico.
O desenvolvimento do sensor tátil para aplicações automotivas também continua a evoluir, com a sensação tátil no ar prometendo uma experiência do usuário completamente diferente e potencialmente mais segura. A sensação ao toque no ar integra algoritmos de aprendizado de máquina de rastreamento manual com uma matriz de alto-falantes ultrassônicos. Os alto-falantes emitem uma sinal ultrassônico que pode ser moldado pelo conjunto de alto-falantes para criar um padrão ultrassônico alguns centímetros acima de uma superfície de controle que a mão humana pode sentir. Por exemplo, um botão de controle circular pode ser projetado, que as pontas dos dedos podem sentir e agarrar. O algoritmo de rastreamento de mão pode então detectar gestos ou movimentos específicos, como girar o botão. Esta inovadora IU virtual de toque oferece excelente potencial para uma ampla variedade de aplicações sem toque e é ideal para aplicações automotivas.
Desafios de design de HMI automotivo
O ambiente operacional de um HMI automotivo traz vários desafios e considerações técnicas. Em primeiro lugar, fatores ambientais como extremos de temperatura e umidade e mudanças rápidas de ambos podem resultar em condensação ou formação de estática. As telas sensíveis ao toque são particularmente propensas à formação de gotículas de água na superfície ativa ou umidade proveniente dos dedos úmidos. Normalmente, isso causa ações de controle erráticas ou a parada completa do IC do controlador. Poeira e sujeira também podem resultar em atividade incorreta do controlador de toque, mas a superfície é facilmente limpa para remover partículas indesejadas. A estática nunca se mistura bem com componentes eletrônicos sensíveis, portanto, todos os aspectos do controlador de toque e LCD precisam estar em conformidade com os padrões ESD automotivos.
Todos os componentes também precisam ser qualificados para o setor automotivo em termos de temperatura operacional de até 85 ° C e resistência ao estresse AEC-Q200 / Q100. Com as condições de luz ambiente variando muito, particularmente em capas macias, e desde a mudança para um sol forte até um túnel escuro, o brilho da tela precisa ser compensado rapidamente.
Para reconhecimento de voz e fala, ruídos estranhos de outros ocupantes do veículo, ruídos de pneus de alta frequência e ruídos mecânicos de baixa frequência precisam ser filtrados. O ruído do vento proveniente de janelas abertas ou sons de pressa provenientes do ar-condicionado ou das saídas de aquecimento também precisam de gerenciamento. O uso de vários microfones colocados na área da cabine, juntamente com o processamento de sinal digital, ajudará a reduzir ao mínimo ruídos audíveis indesejados.
Garantir que um HMI esteja em conformidade com os padrões técnicos relevantes é uma prioridade fundamental em todo o processo de design e desenvolvimento. O uso de componentes automotivos é essencial, e os testes de acordo com os padrões EMI/EMC são igualmente importantes. A comunicação sem fio é onipresente nos veículos de hoje, sendo os protocolos Wi-Fi, celular e Bluetooth os mais populares. A probabilidade de interferência com as funções do reprodutor de mídia, tela sensível ao toque e ADAS é alta. Além disso, as correntes de transmissão de veículos elétricos geram sinais de comutação de alta frequência significativos e transientes dV / dt elevados, o último potencialmente causando danos permanentes aos componentes eletrônicos sensíveis se não for gerenciado corretamente.
Um último ponto sobre segurança funcional se aplica se a HMI estiver envolvida na operação das funções ADAS. O padrão de segurança funcional automotivo ISO 26262 examina os riscos potenciais de qualquer sistema baseado em software que controla a operação de um veículo. O risco é avaliado com base no potencial de dano, na probabilidade de ocorrer e em como o sistema pode evitar o risco.
Conclusão
Os HMIs automotivos se tornaram uma parte crucial dos automóveis modernos. A funcionalidade que eles controlam e dão acesso é impressionante, tudo, desde entretenimento de mídia no carro, conectividade sem fio, comunicação e navegação. A maioria utiliza uma tela sensível ao toque como método de entrada principal. Ainda assim, o reconhecimento de voz baseado em IA de linguagem natural está avançando rapidamente à medida que os processadores de aplicativos e mecanismos de inferência de próxima geração de alto desempenho se tornam disponíveis.
Biografia do autor
Robert Huntley é um engenheiro qualificado e redator técnico. Com base em sua experiência em telecomunicações, sistemas de navegação e engenharia de aplicativos incorporados, ele escreve uma variedade de artigos técnicos e práticos em nome da Mouser Electronics.
