前风挡集成式抬头显示HUD整车集成方案

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根据目前常见的前挡风玻璃集成式抬头显示系统,着重提出了在整车集成中布置该模块以及方案需要考虑的要素,并提出相应的解决方法以及优化措施,降低其在整车集成中的风险,为前风挡集成式抬头显示系统在汽车上的推广使用提供了借鉴。

挡风玻璃集成式抬头显示相对于间接集成式抬头显示大大提高了投影成像性能,驾驶员能更舒适、便捷地读取成像信息,但相对开发成本变高,单价变贵,同时对整车制造工艺以及抬头显示模块整车集成提出了更高的要求。

以上性能由抬头显示模块中的投射光源、显示器、反射镜、弧面镜的形式和位置决定,模块内部结构不进行大改动的话,以上性能不会有大的变化。

( 2) 主要与模块在车身中位置相关的性能参数,包括: 下视角、左视角以及抬头显示成像、眼盒上下调节范围。眼盒、图像、成像距离、下视角以及调节范围如图 1 所示。

抬头显示的眼盒是一个矩形区域,当眼睛处于该区域才能清楚阅读成像。成像尺寸则决定了抬头显示投影区域的大小,决定了能够投影信息的多少。成像距离即成像距离人眼的距离,一般需要大于 2 m。

四者的性能会相互影响,所以在模块设计时需要将四者的性能综合考虑。如表 1 所示: 在某款抬头显示模块内部结构不进行大改动的情况下,理论计算得到成像距离变大时,成像尺寸会变大,但眼盒尺寸会变小,同时分辨率变低。

如图 2 所示,左视角是设计眼点到设计位置成像的连线跟水平线之间的水平夹角。它定义了成像的左右偏移位置,需要定义在合适的位置,如果较小会导致抬头显示模块布置在仪表板主驾中间,可能会影响仪表板主驾零件的布置以及中间除雾除霜口的长度; 左视角如果过大,抬头显示成像会相对眼点侧向偏移。在某车型中,当抬头显示的左视角是 0. 1°,图像侧向偏移眼点 4 mm。

当抬头显示模块中凹镜绕着某一旋转轴旋转时,成像以及相对应的眼盒会上下移动,以满足不同坐姿、的眼睛位置。成像、眼盒的调节区域需要定义在合适的范围。

范围过小,导致上下移动的眼盒不能覆盖眼睛区域,这样坐姿过高或者过矮的无法阅读成像; 范围过大,可能会导致成像偏低,成像会进入前盖的视野区域,影响成像阅读性,或者成像过高,进入驾驶员的视野核心区域,影响行车安全。

一般在抬头显示模块确定的情况下,其眼盒、图像大小以及成像距离基本已经确定。可以通过调整下视角和左视角来调整抬头显示在仪表板中的位置。

首先由人机确定可以代表眼点的设计眼点,然后参考相关具体车型以及要求确定抬头显示的下视角和左视角,一般对下视角的要求是 5° ~ 8° ( SUV 车型大于 6°) ,对左视角的要求是 0 ~ 0. 9°。

然后根据下视角和左视角定义从设计眼点画出入射线,与前风窗相交于一点; 基于此点做出前风窗面的唯一法线; 根据入射线做出该法线的对称线,就是出射线,理论上抬头显示中的凹透镜的中点需要跟该线 所示。

( 1) 当定义的下视角和左视角变化时,抬头显示的位置也会相应产生变化;( 2) 当抬头显示模块沿着出射线移动时,下视角和左视角不会产生变化。

在抬头显示位置确定后,根据模块定义的凹镜最大调整角度,确认上下调节的眼盒能否覆盖眼睛区域。

由于挡风玻璃集成式抬头显示系统中前风挡是该系统的一部分,所以对于抬头显示模块跟前风挡玻璃的相对位置有着较高的要求。

首先在车身钣金上焊接抬头显示支架,将抬头显示支撑件通过可后期调整的固定方式固定在支架上; 然后在仪表板没安装好的情况下,使用调校装备 ( 对准基准是前风窗法兰面) 调整抬头显示支撑件,以此保证即使车身和支架存在一定的零件和安装误差。

安装后的抬头显示模块跟前风窗玻璃的相对位置是准确的; 接下来分别安装仪表板、抬头显示模块、抬头显示盖板。该方案的优点是对零件制造误差以及车身安装误差要求不高。

( 1) 需要调校装备和工序,增加装配成本以及安装调整时间,不适合大批量生产的快节拍流水线操作,进而影响抬头显示的装车率;

( 2)由于抬头显示支架先于仪表板安装,在仪表板安装过程中要求该支架跟仪表板无干涉,所以对仪表板的结构有一定的要求。

首先在仪表板管横梁上焊接抬头显示支架连接件,然后安装仪表板,在安装仪表板后安装抬头显示支架,因此无法也无须对抬头显示进行位置调整,而是通过零件精度以及安装精度控制抬头显示和风窗相对位置,最后分别安装抬头显示模块和抬头显示盖板。

( 1) 由于在安装过程中无须对抬头显示模块进行调整,所以不影响整车流水线安装节拍,适用于抬头显示装车率较高的车型;

( 2) 由于支架后于仪表板安装,仪表板的结构要比方案一小。缺点是对零件制造精度以及零件安装精度有着很高的要求。

通过控制零件制造精度以及零件安装精度可以保证从抬头显示开始,经过抬头显示支架、支架连接件、仪表板管横梁、最后到车身,累积的抬头显示模块与安装前风挡的车身的相对位置偏差控制在允许的范围内。

带抬头显示车辆的前风挡玻璃相对常规前风挡玻璃单价要高,如果在售后拆装抬头显示时需要将前风挡玻璃一并拆除,意味着前风挡玻璃也需要更换。

抬头显示在前风挡上的反光由抬头显示玻璃反光和抬头显示盖板反光两部分组成。反光现象的存在,尤其在夜间行车过程中会给驾驶员造成干扰,导致行车过程中的安全问题,所以需要避免。

抬头显示玻璃反光原理如图 8 所示: 前风窗外光源通过抬头显示的玻璃反射到前风挡,然后在前风挡上再次形成反射进入到人眼。

解决方案是要求反射光线尽量远离眼睛区域,可以通过调整抬头显示玻璃的斜度以及前端盖板的高度来解决。

抬头显示盖板反光的原理如图 9 所示: 首先前风窗外的光源通过抬头显示的玻璃反射到抬头显示盖板前内侧边,将盖板前内侧边照亮,同时前风窗外的光源直接将抬头显示盖板后内侧边照亮,两者作为衍射光源,人眼会从前风挡玻璃上看到。

解决方法是首先将盖板内侧做成吸光材料,其次可以将内侧边和前风窗的夹角尽量做小,和盖板后内侧边做立,减少两者作为衍射光源的有效面积。

为了避免抬头显示成像出现重影,前风挡玻璃 PVB 膜需要存在一定的斜度,但同时会导致车外物体出现叠影的现象变得严重。

如图 10 所示: 当常规玻璃 PVB膜没有斜度时,符号光源分别经过内层玻璃和外层玻璃的反射以及折射后存在偏差,导致人眼看到的抬头显示投影信息出现重影。

将 PVB 膜的斜度设置在某一特定值,能修正两个反射线的偏差,从而避免抬头显示投影出现重影问题。

如图 11 所示: 车外物体经过前挡风玻璃的内外层玻璃的反射以及折射后出现偏差,导致人眼观察车外物体出现叠影的现象。常规玻璃的 PVB 厚度斜度为 0,车外物体叠影相对较弱,是可以接受的。

根据理论计算,当 PVB 膜斜度增大时,车外物体叠影现象会变得严重。PVB 膜斜度对成像重影、车外物体叠影的影响如表 2 所示。

因此综上所述,将 PVB 斜度作为参数,将其值优化到一个合适的值,可使 PVB 斜度对成像重影、车外物体叠影的影响控制在可接受的范围内。

当挡风玻璃集成式抬头显示作为高配或者选配配置出现时,考虑到带抬头显示的前风窗玻璃由于 PVB 膜存在斜度,导致玻璃顶部和底部的厚度可能跟常规玻璃不一致,在车身钣金唯一的情况下需要考虑玻璃跟钣金匹配的问题

PVB 膜的厚度是均匀不变的,内外层玻璃厚度为 2. 1 mm, PVB 膜厚度为 0. 76 mm,总厚度为 4. 96 mm;

带配置车型抬头显示时,PVB 膜由于叠影和重影的要求由底部开始从 0. 76 mm到 1. 26 mm 渐变,内外层玻璃的厚度均匀不变,外层玻璃厚度做成 2. 1 mm,内层玻璃厚度做成 1. 6 mm,在这种情况下底部总厚度 4. 46 mm,比不带抬头显示的玻璃总厚度 4. 96 mm 要小,将与之匹配的成本较低的密封条做低即可;

顶部总厚度4. 96 mm,跟不带抬头显示的玻璃总厚度 4. 96 mm 一样,保证在相对成本较高的车顶钣金唯一的情况下,与不带抬头显示的玻璃和车身匹配情况一致。

其中: α 是光路的行程; β 是光源振动角度; x 是振动幅度,如图 12 所示。在风窗抬头显示的情况下,光线不是直接射入眼睛,而是在风窗上反射下再射入眼睛,表达如下:

然后通过 CAE 仿真计算 ( 计算模型见图 14) ,得到抬头显示固定在仪表板上不同频率激励下的各个振幅。

该振幅需要小于 0. 06 mm。该振幅可以通过优化固定点位置或者抬头显示支架的结构得到改善。

常规没有装备抬头显示的仪表板如图 15 所示,由于在驾驶员区域没有抬头显示,前除霜除雾可以做得较长,并且除霜除雾风管以及出风口风管相对较容易布置以及通风面积可以做得较大。

但对于装备了抬头显示布置的仪表板,如图 16 所示,会对除霜除雾以及风道系统,产生如下影响:

( 1) 前除霜除雾由于抬头显示无法做长而延伸到主驾,以及考虑对称不会延伸到副驾,考虑到除霜除雾的要求,可将其适当做宽,并将其导风叶片角度尽量往侧边调整。

( 2) 考虑到由于较短的除霜除雾,主副驾侧的玻璃除霜除雾效果不好,可以考虑在除霜除雾风管上增加一些开口,增加主副驾侧的玻璃除霜除雾的风量,如图 16 所示。

2020年9月24-25日智车行家携手易贸信息科技(上海)有限公司、数十家行业媒体以及科研院所共同召开 “2020汽车抬头显示(HUD)前瞻技术展示交流会”,与知名车企、Tier1、交互系统供应商、HUD集成商、芯片厂商、 PGU企业、显示玻璃、曲面镜、光学材料供应商、封装测试及科研院所等相关单位约250余位行业资深人士共同探讨HUD抬头显示的产业现状及趋势、技术突破及难点、未来发展新机遇、行业发展新需求等话题。聚集行业智慧,共促汽车HUD抬头显示行业的发展。

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