前风挡集成式抬头显示集成方案

陈曙光,吴海波,李炭,王松

(上汽大众汽车有限公司,上海 201804)

0 引言

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。

1 抬头显示性能参数

前风挡集成式抬头显示性能参数包括两部分：(1)主要与模块相关的性能参数，包括：成像距离、成像尺寸、眼盒尺寸及分辨率。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。

图1 眼盒、图像、成像距离、下视角以及调节范围

1.1 成像距离、尺寸、眼盒尺寸以及分辨率

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。

表1 成像距离、成像大小、眼盒大小以及分辨率相互关系

1.2 下视角定义

如图1所示，下视角是设计眼点到设计位置成像的连线跟水平线之间的竖直夹角。它定义了成像的高度位置，需要定义在合适的位置，下视角过大会导致图像偏下，驾驶员阅读成像时需要较大幅转动头部和眼睛，需要较长的反应时间;如果过小会导致成像偏上，成像会进入驾驶员的核心视野区域，造成行车过程中干扰。

1.3 左视角定义

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。

1.4 抬头显示成像、眼盒上下调节范围

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、人体的眼睛位置。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人体无法阅读成像；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。

2 抬头显示布置方法

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人体眼点的设计眼点，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相交，如图3所示。位置调整的方法有两种:(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。

图3 抬头显示模块定位方法

3 抬头显示安装、调整及售后维修

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。该要求会对抬头显示安装、调整产生影响。这里主要介绍两种不同安装、调整方案。

3.1 抬头显示安装、调整方案一

方案一如图4所示：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。该方案的缺点是：(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。

图4 抬头显示安装、调整方案一

3.2 抬头显示安装、调整方案二

方案二如图5所示：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。

图5 抬头显示安装、调整方案二

该方案的优点是：(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。

如图6所示：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。

3.3 抬头显示售后维修

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。为了减少抬头显示售后维修成本，在模块选择上尽量选择高度尺寸较小的抬头显示模块，这样存在抬头显示维修拆除过程中无须拆除前风挡的可能性。如图7所示，在方案中可进行抬头显示模块拆取过程验证。

图7 拆装抬头显示无须拆除前挡风玻璃

4 抬头显示反光校核

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。

4.1 抬头显示玻璃反光

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。

图8 抬头显示玻璃反光以及解决方案

4.2 抬头显示盖板反光

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。

图9 抬头显示盖板反光以及解决方案

5 前风挡玻璃PVB膜斜度

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。

为了避免抬头显示符号出现重影现象,需要将前风窗玻璃的中间PVB做成一定的斜度。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。

图10 抬头显示成像重影原理

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。

图11 车外物体叠影原理

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。

表2 PVB膜斜度对成像重影、车外物体叠影的影响

6 玻璃跟车身周边零件匹配

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。表3是某一车型的解决方案：当配置车型不带抬头显示时，内外层玻璃、

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。这样以较小的成本，保证带抬头显示和不带抬头显示玻璃和钣金的匹配情况是一样的。

表3 不带/带抬头显示玻璃跟车身周边零件匹配

7 抬头显示成像振动

根据理论验证，人眼能够察觉振动角度大于(1/60)°的振动，表达如下：

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：

图12 光源振动原理

图13 抬头显示成像振动原理

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。

图14 抬头显示振幅计算模型

8 抬头显示对除霜除雾以及风道系统的影响

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。

图15 无抬头显示仪表板风道系统

图16 带抬头显示仪表板风道系统

(3)由于抬头显示除霜除雾风管的尺寸无法做得像常规的那么大，考虑到侧除霜除雾的要求，尽可能将风管做大，在方案前期中可进行模拟验证。

(4)由于抬头显示出风口风管的尺寸无法做得像常规的那么大，考虑到出风口风量要求，尽可能做大，在方案前期中可进行模拟验证。

9 结论

前风挡集成式抬头显示在整车中的布置需要考虑众多因素,在方案前期提早以及系统考虑相关因素可以加快开发进程，减少后期整车集成该模块带来的风险以及成本，提高前风挡集成式抬头显示在整车上应用的可行性。

参考文献:

[1]上海大众汽车有限公司.HUD抬头显示系统介绍[M].上海:上海大众汽车有限公司,2017.

[2]王东平.车载抬头显示系统的研究[D].南京:南京邮电大学,2015.

[3]杨飞,林邵华,吴建春.抬头显示系统在汽车上的应用[J].轻型汽车技术，2013(Z4):24-26.