陸公道

摘 要：隨著汽車行業(yè)智能化的發(fā)展，越來越多車企提出智能駕駛座艙概念，抬頭顯示作為智能座艙系統(tǒng)的一個重要模塊，逐步得到推廣和應(yīng)用。目前主流的應(yīng)用方案是風(fēng)擋式抬頭顯示，不僅對抬頭顯示與智能座艙控制模塊交互通訊有較高的要求，而且在安裝尺寸鏈上存在較高精度要求，同時標(biāo)定檢測設(shè)備也提出很高要求，這些都是直接影響整車標(biāo)定成功的重要因素。

關(guān)鍵詞：智能座艙 抬頭顯示 尺寸鏈 檢測標(biāo)定

1 引言

汽車抬頭顯示（Head Up Display，HUD），是將儀表中導(dǎo)航路線、檔位信息和時速信息通過HUD發(fā)出光源將信息投影在前擋玻璃，或者前方形成虛擬的導(dǎo)航信息，駕駛員可以不用低頭正常觀察前方獲取相關(guān)信息。目前主流HUD主要為W-HUD（Windshield HUD）和AR-HUD（Augmented Reality HUD）兩種類型，W-HUD是通過光學(xué)投影原理，將光投射在前擋風(fēng)玻璃上，駕駛員觀察前擋玻璃信息即可。AR-HUD 利用了增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)，將虛像信息和現(xiàn)實路況實時信息進(jìn)行疊加，讓駕駛員更直接獲取信息，后續(xù)與ADAS相關(guān)功能結(jié)合使用，如圖1。

本文基于HUD在整車裝配過程中的制造因素以及HUD自身存在的風(fēng)險，闡述W-HUD在出廠控制的標(biāo)定和檢測環(huán)節(jié)遇到的失效模式及對應(yīng)的解決方案。

2 風(fēng)擋HUD成像及標(biāo)定原理

風(fēng)擋HUD是設(shè)備內(nèi)部通過高強(qiáng)度光源發(fā)出光束，經(jīng)過HUD內(nèi)部的大小反光鏡面將光束投射至擋風(fēng)玻璃，駕駛?cè)搜劬Σ蹲将@得相關(guān)信息。HUD設(shè)備內(nèi)部可程序高度可以調(diào)整反射鏡面角度來實現(xiàn)，反光鏡是依據(jù)電機(jī)調(diào)整從而實現(xiàn)角度的調(diào)整。整車的UI界面中通常也包括HUD高度的設(shè)定，UI界面的指令轉(zhuǎn)化CAN信號，HUD根據(jù)UI的指令切換不同高度擋位，成像可以投射不同位置，以此滿足不同身高駕駛?cè)说膶嶋H需求。

主機(jī)廠的HUD檢測標(biāo)定首先要求車輛停放在規(guī)定的標(biāo)定工位上，車輛保持工程定義的姿態(tài)，通過上位機(jī)給HUD發(fā)診斷命令，調(diào)用不同參數(shù)標(biāo)定時專用的圖像，標(biāo)定設(shè)備的相機(jī)去捕捉HUD投射的成像，經(jīng)過標(biāo)定設(shè)備的程序算法去檢測成像是否合格。人眼位置、成像距離、下視角以及HUD圖像調(diào)節(jié)的原理如圖2所示。

目前評價HUD成像是否合格的參數(shù)包括兩部分： （1）主要與模塊相關(guān)的參數(shù)，包括： 成像距離、成像尺寸、及分辨率。以上因素由HUD模塊中的投射光源、顯示器、反射鏡、弧面鏡的形式和位置決定，模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)或內(nèi)部參數(shù)不變更，以上參數(shù)不會有大的波動。（2）主要與模塊在車身安裝位置相關(guān)的參數(shù)，包括：下視角、左視角以及投影距離等。

對于各主機(jī)廠出廠前通常會對以下主要的參數(shù)進(jìn)行檢測標(biāo)定，以此規(guī)避HUD成像重影、成像傾斜、成像位置錯誤等問題。

2.1 視場角（FOV）：標(biāo)定眼盒點距離投影成像上下邊緣的夾角定義為垂直視場角，與成像左右邊緣的夾角定義為水平視場角，主要檢測成像的面積大小。

2.2 下視角（LDA）：標(biāo)定眼盒點與成像中心點的夾角，主要檢測成像的高度，避免成像大小合格但是出現(xiàn)過高或者過低的現(xiàn)象。

2.3 左視角（LOA）：標(biāo)定眼盒點與成像左邊緣的夾角，主要檢測成像的左右位置，避免成像偏向一側(cè)，駕駛員觀察的圖像非中心位置。

2.4 重影：由于HUD成像經(jīng)過雙層玻璃的反射，雙層玻璃位置差異造成的成像重影，一般用實際圖像的Z向尺寸與重影圖像的Z向尺寸差值評價重影是否合格。

2.5 畸變率：是指成像過程中所產(chǎn)生的圖像像元的幾何位置相對于參照系統(tǒng)（地面實際位置或地形圖）發(fā)生的擠壓、伸展、偏移和扭曲等變形，使圖像的幾何位置、尺寸、形狀、方位等發(fā)生改變。虛像點陣圖上選取任一點到標(biāo)準(zhǔn)圖像中心點距離與標(biāo)準(zhǔn)圖像對應(yīng)點到標(biāo)準(zhǔn)圖像中心點距離差，標(biāo)準(zhǔn)圖像對應(yīng)選取的點到標(biāo)準(zhǔn)圖像中心點距離之比的最大值評價畸變率大小。一般1%以下人眼就無法感知明顯的畸變現(xiàn)象。

2.6 旋轉(zhuǎn)角：用來定義標(biāo)定相機(jī)捕獲的成像與設(shè)備程序中水平角是否存在旋轉(zhuǎn)角度?？紤]旋轉(zhuǎn)角在制造過程的尺寸鏈很長，一般公差角度設(shè)定角度為2°，小角度的偏差人眼不會明顯感知。

不同主機(jī)廠對于HUD的檢測標(biāo)定評價細(xì)則以及設(shè)備的邏輯算法是有所不同，整體上都是圍繞上面6項參數(shù)對整車HUD成像進(jìn)行評價，以下為兩家主機(jī)廠HUD標(biāo)定的項目及評價成像的對比，如表１。

3 整車標(biāo)定失敗原因及排查對策

基于某主機(jī)廠的檢測標(biāo)定失敗的案例，各個參數(shù)的常見標(biāo)定失效模式以及排查的方向做了如下匯總。

3.1 視場角不合格：視場角是闡述HUD投影成像的面積大小，一般HUD零件在出廠均有EOL測試，包括了HUD成像的視場角大小。當(dāng)出現(xiàn)視場角標(biāo)定不合格時，首先需要檢查標(biāo)定相機(jī)捕捉的成像是否完整，如果成像不完整需要檢查HUD單件投影是否完整，投影是否被HUD周邊飾板遮擋；如果整車上檢測HUD發(fā)出的投影成像無缺陷，需要重點檢查標(biāo)定設(shè)備的邏輯算法、標(biāo)定相機(jī)焦距，其次需要檢查車輛風(fēng)擋玻璃的安裝角度，包括擋風(fēng)玻璃弧度，玻璃在車身定位銷的尺寸等。風(fēng)擋玻璃與水平夾角越大，HUD成像會造成投出成像偏高，并且出現(xiàn)垂直視場角超差。

3.2 下視角和左視角不合格：下視角與左視角和視場角算法類似，產(chǎn)生原因主要三個方面，HUD零件的視場角，HUD在整車儀表臺安裝位置，標(biāo)定設(shè)備軟件算法問題。由于下視角和左視角受到標(biāo)定相機(jī)的空間位置影響較大，相機(jī)Y向向右偏差直接造成左視角偏大，Z向向上偏差直接造成下視角偏大。雖然整車HUD成像沒有偏差，但是由于相機(jī)位置的偏差一定會造成設(shè)備計算的下視角和左視角與實際結(jié)果偏差，需要投入時間精力去排查不同車型在標(biāo)定時的相機(jī)位置是否在工程定義的控制位置上，一般設(shè)備廠商可以使用三坐標(biāo)核實空間位置的準(zhǔn)確性。

3.3 重影不合格：

配合HUD使用的專用玻璃中間在成像反射區(qū)域存在一個楔形金屬箔夾層，用來避免玻璃兩面的反射重影，使得光線在經(jīng)過兩個反射面后匯集成一條光路，消除雙層玻璃的反射折射帶來的重影，重影產(chǎn)生機(jī)理如圖3。

出現(xiàn)重影一般有以下原因：一是HUD零件內(nèi)部通過光源在凹面鏡上發(fā)射的虛像會產(chǎn)生偏移，導(dǎo)致沒有投射到風(fēng)擋特定區(qū)域。二是前擋玻璃自身用于消除雙層玻璃重影的楔形金屬箔位置偏差，導(dǎo)致成像沒有得到補償出現(xiàn)重影。三是汽車的前擋風(fēng)玻璃安裝位置出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致風(fēng)擋的位置出現(xiàn)波動。當(dāng)出現(xiàn)重影現(xiàn)象時需要優(yōu)先排查風(fēng)擋玻璃是否出現(xiàn)錯裝，其次需要檢查HUD單件投射出來的光線是否存在重影，最后擋風(fēng)玻璃在車身鈑金安裝點的位置也需要排查，車身安裝點影響玻璃與HUD的夾角，會產(chǎn)生重影或者視場角的超差。

3.4 畸變率不合格：主機(jī)廠對畸變率的檢測和標(biāo)定是基于點陣圖去判斷，如圖4中白色圓點是標(biāo)準(zhǔn)圖像（25*11），黑色圓點是實際捕捉的點陣圖，程序上會選擇實際成像點與標(biāo)準(zhǔn)成像中心點的距離差值與標(biāo)準(zhǔn)距離的比例最大值來判斷圖像的畸變大小。

畸變率不合格存在HUD自身和整車標(biāo)定設(shè)備等外部環(huán)境兩個方面的原因。

一方面是由于HUD自身原因造成的成像不完整，如圖5整車標(biāo)定成像左下角的圓點已經(jīng)粘連，程序算法無法計算導(dǎo)致畸變不合格，進(jìn)一步分析確認(rèn)是HUD自身投射的成像點陣出現(xiàn)粘連，導(dǎo)致設(shè)備成像無法計算。

如圖6整車標(biāo)定成像存在被異物遮擋，導(dǎo)致無法計算畸變率。進(jìn)一步分析是由于HUD外殼鑄件機(jī)加工帶來的鋁絲掉落在HUD內(nèi)部的鏡面上，HUD點陣圖被分割。點陣圓點被分割后，設(shè)備程序無法鎖定成像中心圓點，導(dǎo)致無法計算。

另一方面是由于車輛的車身姿態(tài)或者設(shè)備眼盒位置與工程定義的標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)差異造成的成像無法完整捕捉的情況。如果車身出現(xiàn)前低后高的狀態(tài)（前置車型更容易此狀態(tài)），HUD標(biāo)定時車輛自帶了一個俯仰角，同時標(biāo)定眼盒的俯仰角無法做相應(yīng)的補償消除車身自帶的影響，會造成標(biāo)定成像底部無法被捕捉到，導(dǎo)致設(shè)備無法標(biāo)定計算。圖7是某款車型標(biāo)定時的照片，由于車身處于前低后高的姿態(tài)，標(biāo)定相機(jī)的俯仰角沒有能夠補償造成圖像底部出現(xiàn)缺失。由于儀表臺HUD飾板存在一個弧度狀態(tài)，左下角點陣明顯缺失更加明顯。

3.5 旋轉(zhuǎn)角不合格

旋轉(zhuǎn)角度由車身姿態(tài)，車身儀表臺的定位孔位置、HUD在車身安裝位置、以及零件自身圖像的偏轉(zhuǎn)情況所決定。它的運算邏輯是選擇標(biāo)定成像中三組不同位置水平點陣圖（第一行、第六行、第十一行），計算三組圖像的水平與坐標(biāo)水平夾角的均值。

當(dāng)批量車型出現(xiàn)HUD旋轉(zhuǎn)角不合格時，可以通過標(biāo)定數(shù)據(jù)時序圖判斷旋轉(zhuǎn)角是否出現(xiàn)某個時間節(jié)點的跳變，過程能力圖區(qū)判斷是否有規(guī)律性的變差，如普遍出現(xiàn)一個方向的偏轉(zhuǎn)，需要對標(biāo)定設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，判斷程序補償是否存在偏差。另外車身姿態(tài)以及HUD在儀表臺上的安裝位置也直接影響旋轉(zhuǎn)角的大小。當(dāng)車身姿態(tài)出現(xiàn)左右高度不一致的情況時會造成旋轉(zhuǎn)角超差，車身左高右低會形成正轉(zhuǎn)角，反之形成負(fù)轉(zhuǎn)角。儀表臺左右兩端安裝Z向偏差的影響，與車身姿態(tài)影響一致。HUD在儀表臺X向的安裝尺寸同樣影響旋轉(zhuǎn)角大小，往往容易被忽略，如果HUD左側(cè)安裝點向前方向移動，整體姿態(tài)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角會出現(xiàn)正轉(zhuǎn)角，反之會出現(xiàn)負(fù)轉(zhuǎn)角。

4 結(jié)束語

HUD在安全、舒適性上具有優(yōu)勢，但未全面展開的原因之一就是對制造過程的一致性要求較高，HUD標(biāo)定要達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，HUD、風(fēng)擋玻璃、車身鈑金定位、儀表臺、以及標(biāo)定臺架中的攝像頭角度、程序算法、環(huán)境光線等多項因素都需要保證穩(wěn)定。

對于整車下線的檢測標(biāo)定，需要質(zhì)量工程師充分了解標(biāo)定程序算法，影響因素，運用DMAIC工具對各個相關(guān)因子系統(tǒng)分析判斷各個零件和尺寸的貢獻(xiàn)量，單個因子分析可能會存在與實際結(jié)果存在一定的差異。正文內(nèi)容是基于某主機(jī)廠的HUD標(biāo)定所遇到的問題，總結(jié)了失效原因的常見因素，幫助相關(guān)同行分析解決HUD在制造過程中的標(biāo)定問題。

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