简易智能车人机交互应用的研究

2020-02-07黄恒一付三丽

物联网技术 2020年1期

黄恒一付三丽

摘要：在研讨汽车智能化的基础上，文中设计了一款简易的基于智能手机实现交互的智能车。不仅对设计的简易智能车人机交互应用进行了研究，并从汽车轻量化、汽车能源、车联网等角度对智能车的当下发展进行了分析。文中研究的内容对广大读者了解智能车机器视觉、人机交互、语音识别、车载APP应用等相关领域知识具有一定的帮助。

关键词：车联网;智能手机;人机交互;机器视觉;语音识别;车载应用

中图分类号：TP242.6文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）01-00-05

0 引言

随着科学和信息技术的不断发展，经济水平的不断提高，人们对生活水平和质量有了更高的要求，智能化便应运而生。智能机器人、住宅智能化系统、无人驾驶汽车等领域快速发展，使各种智能化系统和设备已经融入了人们的生活。智能化是现代人类文明发展的趋势，很多国家都很重视这一领域，所以对智能化的探索有重大意义。本文在研讨汽车智能化的基础上，对智能车人机交互上的相关应用进行了研究[1]。

1 原理

汽车工业的迅速发展，未来的汽车研究方向必然是新能源的、智能化的。对于智能汽车的研究，国内外都有很大的成就，谷歌的无人驾驶汽车，已经能够在高速公路上安全行驶数千里。智能车还能够担任人类难以从事的任务，它在工业、农业以及社会生产生活等许多领域都起到了重要作用[2-3]。

本文设计在智能车人机交互应用上进行了研究，主要从如下三个方面进行展开：

（1）用户的语音控制信息实时通过手机端APP人机交互的方式控制智能小车的前进、后退、转弯、停止以及速度等响应;

（2）智能小车上面搭载安卓机改造的摄像头，实现智能车附近的图像数据采集工作;

（3）当无权限用户操作智能车手机APP时，智能车拒绝响应，可以将特定的信息通过手机短信的形式发送智能车备用联系人的手机上，从而实现一定程度智能车的保护作用。

通过本文的研究，可以初步构建智能汽车的模型和理论基础，其研究成果在智能车军事侦察、反恐、防暴、防核化等高危任务方面均有着非常好的发展应用前景。

2 设计流程

2.1 智能小车设计思路

人们在不断深究汽车升级方法，但是汽车商业竞争压力太大，想要让汽车实现不断的升级，提高汽车的各种性能指标，这就需要模拟。因为一辆汽车的试用及性能测试成本高，不方便，所以很多科技领域选择用小车模型代替。随着研究的性能越来越多，从线控到现在的智能小车，科技也是一直在进步，从未停止。智能小车能凸显的特征也可以应用到各种有需求的领域里，而以前的技术发展不先进，所以最早控制的小车还是线控红外感应小车，到后来的无线红外感应小车，再到现在智能网络化小车，只需要一部手机就可以完全控制，让汽车智能化、网联化科技得到更多新可能的探索[4]。

本文中所设计的信息隐藏技术在智能车人机交互应用研究内容包括三个部分。

（1）模拟用于测试人机交互所设计的智能小车。文中智能小车拟实现效果：用户可以通过智能手机通过语音控制小车的燈亮灯灭，实现语音开启大灯，关闭大灯的功能，此外智能小车可以简易分析用户的语音信息并产生相应的效果。文中所研究的人机交互的语音智能小车为智能车科技领域的提升提供了一些借鉴思路。

（2）通过文中智能车人机交互应用上的研究，可以探讨智能车初步构建智能汽车人机交互应用通信的模型和理论基础。本文的研究成果在智能车未来人机交互应用安全等领域均有着非常好的发展前景。

（3）研究怎样将手机短信的远程报警技术应用到智能车的人机交互应用上，从而一定程度上保护智能车，使得没有权限的用户无法操作智能车[5]。

2.2 智能车的设计流程

文中用于模拟测试人机交互的智能车流程如图1所示。用户通过智能手机端的APP，以蓝牙的方式与智能车上的蓝牙接收器进行匹配，匹配成功后，使用者通过智能手机即可与智能车产生交互效果。作为文中智能车人机交互的蓝牙通信部分由主机和从机组成，主机可以满足和从机配对通信，从机能和电脑、手机等的蓝牙配对通信。智能小车蓝牙模块主要功能是接收从手机端发送过来的指令，所以需要的是从机模块[6]。智能车的蓝牙通信图如图2所示。

随着车辆智能化技术的深入研究，出现了很多智能车技术，目前智能车应用普及，技术成熟，除了人机交互的语音识别技术，另外一个技术就是机器视觉技术。机器视觉是人工智能正在快速发展的一个分支。简单说来，机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。在一些不适于人工作业的危险工作环境或者人工视觉难以满足要求的场合，常用机器视觉来替代人工视觉。机器视觉主要用计算机来模拟人的视觉功能，但并不仅仅是人眼的简单延伸，更重要的是具有人脑的一部分功能—从客观事物的图像中提取信息，进行处理并加以理解，最终用于实际控制应用中[7]。

文中智能车涉及的机器视觉技术是基于华为手机的分屏技术，使得用户在使用手机端的同时可以实时观测智能车上搭载的由安卓智能机改造的摄像头通过无线WiFi传输过来的图像数据。文中智能车模块的设计简单易行，可拓展的价值大，相比于目前流行的基于单目和双目摄像头技术实现的智能车图像监控部分难度降低，易于普通用户的使用。

2.3 智能车硬件部分

智能车的俯视图及侧视图如图3和图4所示。由图3可见，文中模拟测试的智能车车身上有主控芯片、蓝牙接收芯片、稳压芯片、电机驱动芯片、电线接线座及智能车前端用安卓智能机改造的用于智能车监控的摄像头。

由图4可以知道，智能车车身主体由上下两层面板组成。上层面板为洞洞板，主要用于搭载智能车电子器件;下层面板为硬纸质版，用于固定智能车三个车轮，三个车轮中后面两个车轮的动力来源于智能车的两个电机，前轮为灵活自由旋转车轮。用户通过手机端APP发出的控制信息可通过智能车三个车轮之间的组合实现智能车运动状态之间的改变。由图3和图4可知，文中用于模拟测试的智能车车身之所以选择硬纸板及洞洞板作为车身主体支架是从汽车轻量化的角度考虑，模拟用于实验的智能车车身主体尽可能选择质量密度低的材料，最大可能地减轻车身的质量，降低智能车对动力源的依赖，也一定程度上提高了智能车运动状态改变的实时性[8]。

此部分智能车车身材质轻量化的选择标准，对现实汽车制造企业有一定的指导意义。从汽车日常应用的角度而言，汽车车身选择质量密度低的轻量化材质，虽然一定程度上降低了汽车对能源的依赖，但是另一个方面汽车板材轻量化，防御碰撞的危险性就会提高，在日常汽车的交通事故中，轻量化的汽车主体会加大驾驶员受到损害的程度，使得汽车的安全性降低。所以通过智能车的科研测试，目的是使人们继续研究既能降低车身主体质量的材料，又不降低汽车抵御碰撞事故危险性的能力。

此外，由图4可知，智能车车身上下面板之间的空间用于放置动力源装置，文中智能车的动力源由6节1.5 V的干电池组成。从智能车能源的角度考虑，文中智能车动力源经进一步研究，可更换为可反复充电的蓄电池。此部分智能车的动力源装置对汽车未来的走向具备一定的指导意义。目前很多汽车也在电动汽车燃料电池等领域的研究投入了大量的人力、物力及财力，除了电池能量密度的提高，电池的安全性等也是当下汽车企业研究的热点，基于石油资源的宝贵及非可再生性，未来电动汽车、混合电动汽车的数量一定会越来越多，汽车电池领域也一定是汽车企业研究的重点及热点[9]。

2.4 智能小车APP手机控制端的设计

随着汽车智能化的发展及智能手机技术的进步，智能手机被越来越多的汽车制造企业引入到智能车的人机交互应用之中。文中基于智能手机在汽车智能化领域中的应用，开发了匹配智能车应用的APP。

文中智能车APP基于APP开源开发平台 MIT APP Inventor 2开发制作。平台包括两部分：手机APP开发界面、APP逻辑代码设计界面。对于APP开发界面，用户可以随意搭配项目需要的Android程序开发模块组件，相比于目前需要专业Java语言开发的安卓手机APP而言，使用者可以很快入手，APP界面更加简洁，如图5所示;对于APP逻辑代码设计界面，用户可以用“堆积木”的方式拼凑自己需要的APP功能，如图6所示。

文中智能車项目匹配开发的APP研究目标为：智能车人机交互语音识别功能的实现以及智能车人机交互车短信远程报警两个方面。

2.4.1 智能车运动状态人机交互

用户可以通过三种方式改变智能车运动状态：第一种是通过普通的APP无线触碰方式控制智能车的运动状态;第二种是人机交互语音识别的控制方式;第三种是通过智能机重力感应的方式控制。

由图5、图6得知，当使用者的手机与智能车匹配之后，通过手机APP界面上方向控制按键，用户即可发送不同的智能车控制信息，进而控制智能车的运动。这种控制方式开发简单，普及性高，很容易推广，是目前智能车领域比较简单及常见的一种人机交互方式。

目前在一些中端汽车的配置中很常见，像大部分汽车智能导航界面上的APP应用和此处智能车人机交互应用的原理类似。

2.4.2 智能车语音人机交互

随着汽车安全驾驶的需要，当在汽车行驶过程中，驾驶员需要响应一些必须又尽可能不影响行车安全的行为需求时，会尝试使用语音控制，这种情况即是智能化汽车语音人机交互应用诞生的原因。目前在一些高端配置的汽车驾驶舱中，语音识别已成为常见的配置，如语音开灯等，除去前面提到的一些不影响驾驶员安全行驶的应用需求，人们对科技应用的创新需求也是促使车载语音识别技术不断升级的动力。

本文智能车在智能车语音识别应用的研究背景下，提出了自己的语音识别应用设计。智能车语音识别应用APP如图7、图8所示。

由图7可知，智能车语音识别APP组件界面使用了文本语音转换器、语音识别器等组件。由图8可知，当用户按下语音识别按键，智能手机开始调用语音识别器，识别语音信息。当语音识别完成后，APP会和系统预先设置的信息进行匹配，当信息符合智能车的要求时，则驱动智能车电机转动，驱动智能车运转;当语音信息不符合要求时，则发出错误语音反馈信息，提示给使用者。

文中研究的智能车语音交互APP是基于安卓手机开发的，目前大部分安卓智能手机具备语音识别引擎，使用者在开发语音识别功能时，直接调用即可。但是对部分不具备语音识别引擎的智能手机而言，开发人机交互语音识别应用时，可以借助第三方语音识别应用，如讯飞语音等。

目前智能手机更新换代速度加快，文中研究的借助于智能手机实现的人机交互语音识别应用对于未来智能车车仓内人机交互应用的开发，具备一定的指导价值意义。目前已经有一些汽车企业及互联网企业研究智能车语音识别应用，并取得了一些显著成果，如车载微信应用的开发[10]。

2.4.3 智能车重力感应人机交互

汽车智能化技术不仅仅停留在传统的车载触摸屏人机交互、车载语音人机交互方面，也在不断地追求新的车载人机交互技术，如基于体感交互的技术。体感技术，在于人们可以很直接地使用肢体动作与周边装置或环境互动，而无需使用任何复杂的控制设备，便可让人们身临其境地与内容做互动。目前体感技术在生活中很多领域有着一些成熟的应用，如3D虚拟现实、空间鼠标、游戏手柄、运动监测、健康医疗照护等。

文中智能车的研究借助于智能手机重力感应传感器实现的智能车重力感应人机交互。用用户操作具备重力感应传感器的智能手机，智能手机体感设备可以侦测手部的动作，此时若是将手部分别向上、向下、向左及向右挥，便能实现控制智能车的前进、后退、左转、右转、停止等功能。智能车重力感应人机交互应用APP如图9、图10所示。

由图9、图10可知，当用户开启智能车体感模式，用户手部动作发生改变后，智能手机则会侦测用户手部发生的变化，智能手机则会根据用户手部动作的改变，映射智能车的运动状态的改变。文中研究的智能车重力感应人机交互应用可以对汽车制造企业车载相应应用人机交互领域的研发有一定的指导意义。

2.4.4 智能车短信应用人机交互

前文主要对智能车人机交互应用进行了相应的研究，科技的发展促使与汽车智能化的新技术及新概念出现。目前与汽车相关的一个很热点的概念就是车联网技术。车联网的概念源于物联网，即车辆物联网，是以行驶中的车辆为信息感知对象，借助新一代信息通信技术，实现车与X（即车与车、人、路、服务平台）之间的网络连接，提升车辆整体的智能驾驶水平，为用户提供安全、舒适、智能、高效的驾驶感受与交通服务，同时提高交通运行效率，提升社会交通服务的智能化水平。

车联网通过新一代信息通信技术，实现车与云平台、车与车、车与路、车与人、车内等全方位网络连接，主要实现了“三网融合”，即将车内网、车际网和车载移动互联网进行融合。车联网是利用传感技术感知车辆的状态信息，并借助无线通信网络与现代智能信息处理技术实现交通的智能化管理，以及交通信息服务的智能决策和车辆的智能化控制。

文中智能车在车联网研究的基础上，借助移动通信技术，当智能车特定的行为发生时可以将智能车遇到的信息通过智能手机移动网络以短信的形式将指定信息发送到联系人的手机号码上，从而实现智能车与通信移动技术的进一步结合。

由图11、图12可知，当用户触碰开启体感模式按键，短信智能车APP会调用短信收发器，将智能车体感模式开启的内容以短信的形式发送到指定的手机号码，从而实现人与智能车以短信形式进行交互。

文中研究的智能车与人之间以移动短信的形式进行交互，对汽车往车联网的科技之路的走向有一定的指导意义，例如移动通信技术在智能车泊车测距上的应用，可以进一步的研究，并将距离报警信息以短信方式发到后方司机用户的手机中。

2.5 智能车机器视觉应用

作为智能小车重要的核心模块：无线图像传输，近年来伴随着智能网联汽车的发展，越来越引起国内各大高校相关课题组的关注。文中智能车机器视觉的应用研究方案采用的无线图传模块技术可实现与智能小车处于同一局域网中的多平台设备对小车监控图像信息的实时共享。小车视频监控反馈界面从PC端移植到手机端。此外采用华为手机分屏技术结合IP摄像头实现的小车监控画面窗口和小车控制界面窗口处于同一屏幕，增加了设备监控的实时反馈性。智能车监控画面及监控端应用软件如图13、图14所示。

由图13、图14可知，文中智能车选用华为手机成熟的分屏技术，可以轻松实现手机屏幕分屏，使得华为手机上半部分显示智能车监控窗口，手机下半部分为智能小车的控制界面。

2.6 智能小车设计创新

本文在充分研究汽车智能化的基础上，从智能车材质轻量化，汽车能源的角度，以及语音识别、体感交互、智能网联车的角度对智能车人机交互上的相关应用进行了研究。本文研究所用到的技术涉及短距离无线遥控、传感器技术、手机APP编程技术、人机交互语音识别技术、机器视觉技术、手机短信技术等，对广大读者了解智能车相关领域知识，以及从事智能车领域的研发有一定的帮助。

2.7 智能小车未来拟研究点

本文从多角度对智能车人机交互上的相关应用进行了研究，并对智能车相关领域的技术拓展进行了一定展望及拓展。未来拟结合嵌入式系统的智能小车研究领域，一方面尝试怎样实现智能车摄像头采集更加清晰的图像，以及智能车机器视觉技术与用户交互之间的更加便捷;另一方面尝试怎样实现智能车更加复杂的语音识别算法的控制。

3 结语

本文从理论和实践两个方面，多层次、多维度、多角度地对智能车人机交互应用进行了深入的研究。文中对智能车研究所用到的通信技术、传感器技术、手机APP编程技术、人机交互语音识别技术、机器视觉技术及对智能网联汽车的探讨，对从事智能车研究的读者有一定的參阅价值。

参考文献

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