DIY車輛的抬頭顯示模型研究

黃道燚 陳敏敏

摘? 要：隨著人們生活的提高和汽車的快速普及，汽車的車載元素越來越豐富，抬頭顯示（HUD）是一種以往只能在高級(jí)汽車上安裝的裝置，逐漸向普通車輛發(fā)展和普及。大部分人喜歡性價(jià)比高，車型新穎的汽車，其中一部分樂于動(dòng)手的青年更喜歡購買低配的汽車版本，然后自己對(duì)汽車的內(nèi)飾、功能等進(jìn)行DIY設(shè)計(jì)。文章講述設(shè)計(jì)一套針對(duì)DIY功能車輛的HUD系統(tǒng)模型，該模型除了普通HUD具有的溫度、車速、時(shí)間等顯示功能外，還具備有手勢(shì)控制音樂播放、氛圍燈等年輕人喜歡的新功能，具有推廣和應(yīng)用的價(jià)值。

關(guān)鍵詞：HUD；手勢(shì)控制；DIY車輛；單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TP368；TN91? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）06-0153-04

Research on HUD Model of DIY Vehicles

HUANG Daoyi1，2， CHEN Minmin1，2

（1.Shanwei Institute of Technology， Shanwei? 516600， China; 2.Shanwei Marine Industry Institute， Shanwei? 516600， China）

Abstract： With the improvement of people's lives and the rapid popularization of vehicles， the on-board elements of vehicles are becoming more and more abundant. HUD （Head Up Display） ， a device that can only be installed on high-end vehicles in the past， is gradually developing and popularizing to ordinary vehicles. Most people like vehicles with high cost performance and novel models. Some young people who are willing to do their own work prefer to buy vehicles with low configuration and DIY （Do It Yourself） the interior and functions. This paper describes the design of a HUD system model for DIY function vehicle. In addition to the temperature， speed， time and other display functions of ordinary HUDs， this model also has gesture control music playing， atmosphere lights and other new functions that young people like， and has the value of promotion and application.

Keywords： HUD; gesture control; DIY vehicle; Single-Chip Microcontroller

0? 引? 言

隨著技術(shù)的發(fā)展和價(jià)格的降低，汽車的普及率越來越高。不同年齡層次的顧客，對(duì)汽車的需求方向不同，購買能力也有所差異。由于汽車價(jià)格的降低和家庭的支持，年輕人購車的人數(shù)逐步提升，但是由于剛?cè)肼殘觯杖氩桓?，所以大部分人喜歡性價(jià)比高、車型新穎的汽車，對(duì)車內(nèi)外裝飾個(gè)性化需求高，熱愛新奇、炫酷的功能。本文針對(duì)年輕購車一族對(duì)車飾個(gè)性化需求的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套符合其個(gè)性的車內(nèi)抬頭顯示系統(tǒng)。

1? 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，系統(tǒng)主控芯片為STM32103

C8T6，其負(fù)責(zé)收集個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，收集OpenMV Plus圖像處理模塊識(shí)別手勢(shì)結(jié)果信息，通過藍(lán)牙模塊獲取汽車主顯示平板的位置、車速等信息，然后進(jìn)行信息處理，將交互信息通過LCD投影顯示模塊進(jìn)行顯示，將手勢(shì)識(shí)別信息轉(zhuǎn)化為控制指令，通過藍(lán)牙模塊，對(duì)平板歌曲、視頻進(jìn)行播放控制，或者對(duì)RGB彩燈帶進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。汽車平板APP為自主設(shè)計(jì)，安裝到汽車的Android平板上，其主要功能實(shí)現(xiàn)音樂播放、視頻播放、位置信息獲取、車速計(jì)算，將數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的功能，同時(shí)通過讀取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫[2]的數(shù)據(jù)信息，統(tǒng)計(jì)處理后向用戶提供系統(tǒng)歷史信息和統(tǒng)計(jì)信息。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括：STM32最小系統(tǒng)電路、藍(lán)牙模塊電路、OpenMV-Plus圖像處理模塊電路[3]、傳感器電路、LCD投影顯示模塊電路、系統(tǒng)電源電路。下面對(duì)各個(gè)部分分別做闡述。

2.1? STM32最小系統(tǒng)電路

主控芯片采用STM32F103C8T6，其運(yùn)行速度較快，且外部I/O能夠滿足整個(gè)系統(tǒng)外設(shè)的驅(qū)動(dòng)，并且運(yùn)行速度較快，價(jià)格低廉，性價(jià)比較高。主控芯片負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)模塊之間的調(diào)配和通信、處理等功能，為整個(gè)系統(tǒng)的核心處理器。具體包括：驅(qū)動(dòng)兩個(gè)溫度、溫濕度傳感器，獲取其測(cè)試值；驅(qū)動(dòng)RGB彩燈模塊，實(shí)現(xiàn)各種彩燈效果；與OpenMV模塊經(jīng)串口進(jìn)行通信，獲取其手勢(shì)處理結(jié)果；與藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，經(jīng)其獲取汽車平板數(shù)據(jù)信息；通過IIC通信驅(qū)動(dòng)抬頭顯示屏像源LCD模塊進(jìn)行顯示。系統(tǒng)主控芯片為STM32F103C8T6，其運(yùn)行最小系統(tǒng)和連接如如圖2所示。

2.2? 藍(lán)牙模塊電路

藍(lán)牙模塊采用HC06模塊，其特點(diǎn)為性能穩(wěn)定，能將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為藍(lán)牙通信，需要的驅(qū)動(dòng)管腳少。其的功能主要是通過藍(lán)牙通信連接主控芯片和汽車平板APP，完成兩者間的數(shù)據(jù)交互。主控芯片通過異步通信串口1與其進(jìn)行通信。而其采用藍(lán)牙通信與平板APP實(shí)現(xiàn)通信，模塊起到中繼的作用，進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令間的交換。藍(lán)牙模塊電路及其連接如圖3所示。

2.3? OpenMV Plus圖像處理模塊電路

OpenMV Plus模塊電路如圖4所示，它是一款圖像處理模塊，其中OpenMV 4-Plus模塊性能高，本身自帶攝像頭，能夠進(jìn)行拍照和圖像處理，可以運(yùn)行在邊緣計(jì)算服務(wù)器上機(jī)器訓(xùn)練出來的圖像識(shí)別模型。系統(tǒng)采用該模塊對(duì)人體的各種手勢(shì)圖片采集后，在進(jìn)行服務(wù)器上進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)識(shí)別模型，再將識(shí)別模型加載到模塊運(yùn)行，模塊運(yùn)行后將識(shí)別學(xué)習(xí)后的結(jié)果通過主控芯片異步串口3發(fā)送到主控芯片進(jìn)行處理[3]。

2.4? 傳感器電路

傳感器電路包括車內(nèi)溫濕度檢測(cè)DH11、發(fā)動(dòng)機(jī)水箱溫度傳感器DS18B20電路，主要功能實(shí)現(xiàn)車內(nèi)和水箱溫度的監(jiān)測(cè)和顯示，如圖5、圖6所示。兩種傳感器模塊皆為單線通信，分別使用主控芯片的兩個(gè)IO口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制。其中安置在水箱的溫度傳感器DS18B20模塊使用帶有防生銹金屬外殼，使其具有防水功能，可在水中長期穩(wěn)定工作。

2.5? RGB彩燈帶電路

RGB彩燈帶主要是作為DIY汽車的氛圍燈，采用WS2812燈珠模塊[4]，其特點(diǎn)是內(nèi)部自帶RGB驅(qū)動(dòng)芯片并且可以進(jìn)行級(jí)聯(lián)，氛圍燈總共由一百顆燈構(gòu)成燈帶，電路如圖7所示，主控芯片只需單線便可以對(duì)所有彩燈進(jìn)行全彩控制，節(jié)省I/O口。

2.6? LCD投影顯示模塊電路

LCD投影顯示模塊電路主要作為抬頭顯示系統(tǒng)的信息源：由主控芯片控制顯示車輛的一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)，包括車速、車溫等。LCD顯示后經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)[5]，投影在駕駛座前方玻璃上。顯示LCD采用IIC通信的方式，通過主控芯片的I/O模擬IIC的通信，將顯示信息傳遞給LCD顯示模塊，如圖8所示。

2.7? 系統(tǒng)電源電路

系統(tǒng)電源電路如圖9所示，主要功能從汽車的電源系統(tǒng)中獲取電能，并進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)化和穩(wěn)壓，從而提供整個(gè)抬頭顯示系統(tǒng)各個(gè)模塊所需求的電源電壓。汽車系統(tǒng)能夠提供12 V的電壓，需要進(jìn)行降壓和轉(zhuǎn)化才能滿足各個(gè)模塊之間各種電壓，使用AMS1117穩(wěn)壓模塊對(duì)12 V電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)為5 V和3.3 V的電壓，滿足系統(tǒng)的電能需求。

3? 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分包括：主控芯片STM32的程序設(shè)計(jì)、汽車Android屏幕平板應(yīng)用APP設(shè)計(jì)、用戶手機(jī)APP設(shè)計(jì)，下面對(duì)各個(gè)部分分別進(jìn)行闡述。

3.1? 主控芯片的程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控芯片STM32F103C8T6的程序設(shè)計(jì)流程如圖10所示。

主控芯片為整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)采用STM32F103

C8T6兼顧了性能和價(jià)格，芯片性能和管腳都能滿足整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行和協(xié)調(diào)。其軟件設(shè)計(jì)的功能，主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)模塊之間的通信、協(xié)調(diào)、驅(qū)動(dòng)、控制等工作。

3.1.1? 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先對(duì)主控芯片的各個(gè)外設(shè)，包括I/O口、系統(tǒng)頻率、波特率等初始化工作；系統(tǒng)串口通信的波特率為115 200 Hz。

3.1.2? 獲取傳感器溫度值

獲取汽車水箱溫度，采用DS18b20溫度計(jì)模塊，選擇具備防水外殼的種類，可在水環(huán)境下長期運(yùn)行，模塊特點(diǎn)除電源線外，單線進(jìn)行通信，使用主控芯片的一個(gè)I/O口模擬其通信電平，與之進(jìn)行通信，獲取溫度值[6]。使用DH11溫濕度模塊對(duì)汽車內(nèi)部溫濕度進(jìn)行采集，同樣該模塊也單線通信，也由普通I/O完成對(duì)其數(shù)據(jù)的采集。其中包括數(shù)據(jù)的提取、校驗(yàn)后，再將數(shù)值轉(zhuǎn)化為顯示字符串信息存儲(chǔ)，等待送入LCD模塊進(jìn)行顯示。

3.1.3? 獲取汽車姿態(tài)信息

主芯片使用異步串口通信與藍(lán)牙模塊HC06進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，藍(lán)牙模塊經(jīng)藍(lán)牙通信模式與汽車平板APP進(jìn)行通信，汽車平板APP將獲取到的車速、位置信息傳送給主控芯片，位置信息由平板APP經(jīng)平板的GPS模塊提供，并通過百度地圖服務(wù)器轉(zhuǎn)化為具體的城市街道位置信息，車速同樣由GPS位置信息經(jīng)服務(wù)器計(jì)算獲取。

3.1.4? 信息顯示

主控芯片驅(qū)動(dòng)投影LCD，將水箱溫度、車內(nèi)溫濕度、車速等信息顯示到屏幕上。LCD模塊為IIC通信，主控芯片使用兩個(gè)I/O口進(jìn)行IIC通信模擬，最終將顯示圖像信息發(fā)送到屏幕驅(qū)動(dòng)模塊，對(duì)屏幕進(jìn)行驅(qū)動(dòng)顯示。

3.1.5? 獲取手勢(shì)信息

通過串口與OpenMV圖像處理模塊進(jìn)行通信，獲取其識(shí)別手勢(shì)處理的結(jié)果[7]。手勢(shì)的識(shí)別，主要由OpenMV內(nèi)部運(yùn)行的識(shí)別模型來完成。主控芯片則通過設(shè)定的通信協(xié)議，從OpenMV模塊發(fā)送過來的信息進(jìn)行處理。

3.1.6? 控制處理

將手勢(shì)處理結(jié)果轉(zhuǎn)化為控制動(dòng)作，控制APP音樂播放音量、上下曲等，控制RGB燈帶進(jìn)行各種模式彩燈氛圍顯示，接收APP發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)相似的控制。其中手勢(shì)識(shí)別處理結(jié)果為設(shè)定的固定數(shù)值指令，主控芯片收到后按照事先約定的通信協(xié)議對(duì)指令進(jìn)行解碼和判斷，最后控制外部設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。RGB彩燈模塊使用了WS2812燈珠模塊，特點(diǎn)是可以進(jìn)行單線無限級(jí)聯(lián)，主控芯片使用一個(gè)普通的I/O口對(duì)其驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行模擬。而控制APP的音樂播放方面，主要通過與APP設(shè)定的通信協(xié)議來完成，主控芯片發(fā)送特定的數(shù)據(jù)指令，APP收取后判斷并完成相應(yīng)的操作。通信協(xié)議為自主設(shè)定的通信協(xié)議，幀頭兩組為0×55和數(shù)據(jù)長度，接下來四個(gè)個(gè)字節(jié)為識(shí)別結(jié)果的指令碼及其反碼，在程序里面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)校驗(yàn)的功能。

3.2? 汽車Android平板APP設(shè)計(jì)

汽車DIY情況下，絕大部分情況下汽車平板屏幕采用Android系統(tǒng)，所以模型選用Android系統(tǒng)進(jìn)行APP應(yīng)用設(shè)計(jì)，使用APP Inventor進(jìn)行開發(fā)，該開發(fā)工具簡單快速。該APP具有音樂播放、視頻播放、位置獲取、接入百度地圖API服務(wù)器、藍(lán)牙通信、觸摸控制等功能。

APP界面包括了主界面、音樂視頻播放界面、外設(shè)控制界面。主界面由跳轉(zhuǎn)按鍵構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)主界面到各個(gè)界面間的跳轉(zhuǎn)。音樂和視頻界面主要對(duì)內(nèi)存的文件進(jìn)行播放。設(shè)置有下一首、上一首、播放、停止等按鈕，控制音樂和視頻的播放。使用APP Inventor內(nèi)置的視頻播放組件等完成功能設(shè)計(jì)[8]。

使用定時(shí)器定時(shí)間隔通過GPS傳感器組件定時(shí)獲取平板位置信息，并通過平板網(wǎng)絡(luò)功能使用API的方式接入百度地圖API服務(wù)器，通過發(fā)送GET和POST請(qǐng)求將汽車平板的位置信息到地圖服務(wù)器上，并通過百度地圖API服務(wù)器轉(zhuǎn)化為城市信息和街道信息、速度信息[9]。平板APP獲取到該信息后，將該信息通過藍(lán)牙通信的方式，發(fā)送到藍(lán)牙模塊，最終轉(zhuǎn)入硬件主控芯片。主控芯片接收到數(shù)據(jù)后，經(jīng)過分析和處理后轉(zhuǎn)化為顯示內(nèi)容，并送入抬頭顯示模塊進(jìn)行顯示。

3.3? OpenMV程序設(shè)計(jì)

OpenMV主要功能對(duì)駕駛?cè)藛T的手勢(shì)進(jìn)行識(shí)別。在機(jī)器學(xué)習(xí)邊緣計(jì)算服務(wù)器上，對(duì)事先使用OpenMV對(duì)將來安裝位置進(jìn)行拍攝的車內(nèi)數(shù)百張各種手勢(shì)照片，上傳到機(jī)器學(xué)習(xí)邊緣計(jì)算服務(wù)器上進(jìn)行手勢(shì)圖像分類識(shí)別訓(xùn)練，通過若干次訓(xùn)練和參數(shù)調(diào)整后，比較并選擇綜合性能最優(yōu)的訓(xùn)練模型，邊緣計(jì)算服務(wù)器能夠?qū)⒛Ｐ娃D(zhuǎn)化為各種編程語言程序，而OpenMV主要運(yùn)行Python語言，由服務(wù)模型生成Python程序模型作為基礎(chǔ)，在OpenMV的IDE進(jìn)行完善編程，添加判斷和數(shù)據(jù)通信等功能，將機(jī)器識(shí)別后相似度值達(dá)到0.86以上并且數(shù)據(jù)最高的一項(xiàng)作為手勢(shì)識(shí)別的結(jié)果[10]，并通過通信協(xié)議將識(shí)別結(jié)果發(fā)送到主控芯片作處理，主控芯片收到數(shù)據(jù)后，則執(zhí)行相應(yīng)的控制。

4? 結(jié)? 論

設(shè)計(jì)模型經(jīng)實(shí)際環(huán)境模擬測(cè)試，能夠正常運(yùn)行，并且在大部分道路上運(yùn)行良好。模型結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式編程技術(shù)、機(jī)器訓(xùn)練學(xué)習(xí)技術(shù)、Android軟件設(shè)計(jì)等。市面上其他的抬頭顯示模塊，大部分只提供了簡單的溫度時(shí)間等的顯示功能，本設(shè)計(jì)模型具備以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）智能化。能夠通過圖像處理智能識(shí)別手勢(shì)，執(zhí)行控制。在低價(jià)位的汽車上去，一般方向盤不帶有音樂播放控制等按鍵，而加裝本設(shè)置可以使得在駕駛過程中不需要轉(zhuǎn)移視線和集中精力去點(diǎn)擊觸摸屏的按鍵，而直接通過簡單的手勢(shì)便可實(shí)現(xiàn)音樂播放、氛圍燈等方面的控制。

（2）個(gè)性化。針對(duì)DIY車輛，增加車內(nèi)燈光花樣效果，并且擁有個(gè)性化APP，已經(jīng)抬頭顯示裝置。

（3）聯(lián)網(wǎng)。使抬頭顯示設(shè)備能夠接入網(wǎng)絡(luò)，顯示當(dāng)前位置與車速等信息，對(duì)正常車輛需借助手機(jī)或汽車平板來觀看位置，轉(zhuǎn)移視線，更加直接，使得駕駛更加安全。綜上所述，該設(shè)計(jì)模型針對(duì)特定的人群，具有推廣的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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作者簡介：黃道燚（1984—），男，漢族，廣東潮州人，副教授，碩士，研究方向：電子技術(shù)；通訊作者：陳敏敏（1984—），女，漢族，廣東陸豐人，副教授，碩士，研究方向：電子技術(shù)、自動(dòng)化。

收稿日期：2022-10-11

基金項(xiàng)目：汕尾市電子信息產(chǎn)業(yè)人才振興計(jì)劃專項(xiàng)資金“基于AI抬頭顯示技術(shù)的研究”；2020年度廣東省普通高校特色創(chuàng)新項(xiàng)目（2020KTSCX317）