车载语音交互氛围灯的设计与实现

李 钢，薛蔚平，刘 健，丰建芬，吴 杰

(常州星宇车灯股份有限公司,江苏 常州 213000)

引言

氛围灯在车载系统上越来越多，除了作为情景照明帮助人们缓解压力、放松心情之外，也被赋予了更多实际应用功能。随着车联网的兴起，人们对人车交互体验的需求不断增长，灯光作为一种信息传输载体，可以在人车交互应用中扮演重要的通信反馈角色，在智能辅助驾驶领域有很大的应用空间[1-3]。目前较先进的人车交互应用主要是基于语音识别、触控和视觉传感器技术。其中，触控技术的优点在于简单易用，缺点是屏幕太小，很多应用无法展开，且需要手动调节，一定程度上影响驾驶安全性；基于视觉传感器技术的手势识别率不高，实时性差，追踪精度和速度还需要优化，在车载系统应用上还需要继续探索；语音识别技术的优点在于技术相对成熟，拥有更好的用户感受[4]。

本文提出一种用于车载语音控制系统的交互氛围灯设计，安装在中控台附近，通过红绿蓝(RGB)颜色的状态变化来提示当前系统的工作模式，根据接收到的语音信息做出动态发光效果，比如流水、呼吸、渐变、闪烁等，将介绍其系统工作原理、结构布置方式和软硬件控制方法，并从发光的均匀性和响应的流畅度两个方面对氛围灯性能进行评估。

1 工作原理

1)语音识别技术。语音识别技术是将人类的语音信息转化为机器可识别的文本信息[5]。常用的语音识别方法包括基于动态时间调整技术、矢量量化技术、隐马尔可夫模型技术和人工神经网络技术[6]。本文使用的是基于百度AI开放平台的语音识别技术，可以将60 s内的语音快速识别为文字，适用于语音搜索、人机对话等语音交互场景。它的优势在于采用SMLTA语音识别模型，近场普通话语音识别准确率可达98%，能高精准地实现中英文混合语音识别输入，适用于车内场景[7]。

2)氛围灯控制原理。目前车载RGB氛围灯常见设计是由一个氛围灯芯片控制驱动单颗RGB光源，通过LIN与车身BCM通信。工作原理如图1(a)所示。由于单颗芯片只能驱动一颗RGB光源，因此该设计只能用于小规模的应用场景，对于LED数量比较多、功能更复杂的系统来说，主要有以下缺点：系统为了实现复杂的功能，需要大量的电子元件和连接线，体积较大，成本太高；通过LIN线通信，传输速度和节点数量都受限制，存在传输延迟和电磁干扰(EMI)可靠性问题；系统中每颗RGB LED都需要光色和波长校准，色温漂移后的光色和亮度一致性难保证。

图1(b)所示是一种基于最新ISE LED技术的Smart_RGB氛围灯照明方案：将RGB LED、LED驱动和通信链集成到一个IC封装里，每个IC就是一个独立的节点，所有节点和主控制器通过总线串联，由主控制器与车身BCM进行通信。相比传统方案，它的优点主要有：器件实现封装集成化，电路简单，对于越复杂的系统，越可以显著降低成本；双向差分串行总线通信，支持节点数多，传输速度快，延时短，EMI可靠性好；支持LED内部白平衡校准，颜色和亮度BIN统一，带有诊断和自动温度补偿功能。

图1 两种RGB氛围灯系统的工作原理Fig.1 Working principle of two RGB ambient lamp systems

两种方案的性能对比见表1。考虑到本设计安装在中控台，要求结构体积不能太大；控制流畅，对传输延时要求高；系统节点多，动态一致性要求高的特点，故采用Smart_RGB作为氛围灯设计方案。

表1 两种氛围灯方案性能对比Table 1 Performance comparison of the two RGB ambient lamp systems

2 系统设计

1)结构布置方式。本文提出的RGB交互氛围灯，语音识别模块安装在靠近车机导航位置，拥有语音语义解析和通信功能，通过安装在驾驶位附近的单个或阵列式声音传感器接收来自前排乘客的语音信息。RGB氛围灯带安装在中控台前部中央位置，内部集成了主控制器和若干颗Smart_RGB光源，如图2所示。

图2 系统布置位置Fig.2 Location of system layout

由于中控台本身存在一定的弧度，为了便于安装，需要氛围灯带本身能适应一定的弯曲度。所以在设计上使用柔性FPC材料作为LED的基板，硅胶作为灯带的载体，通过挤塑的方式成型，光源侧面布置，从顶部出光，通过增加光线在硅胶内部的反射，使出光耦合得更加均匀，如图3所示。

图3 LED灯带设计Fig.3 Design of LED lamp belt

2)硬件电路设计。硬件设计中的语音接收装置采用安装在前排驾驶位附近的环形6+1 mic阵列，用于室内语音输入，支持声源定位、噪声消除等处理算法。语音识别模块使用的是瑞芯微RK3308智能语音开发套件，采用64位4核ARM Cortex-A35 设计，高性能满足实时语音识别算法的需求，支持最大8通道模拟MIC阵列+回采，拥有硬件语音检测单元(VAD)，此外还通过UART扩展了一个通信单元，采用NXP的HS-CAN收发器TJA1044。

交互氛围灯带由一个主控制器和若干个Smart_RGB节点组成，主控制器单元的核心MCU选用NXP的S32K144系列处理器，支持ISE LED功能调试，最快速度可达112 MHz；每一颗Smart_RGB芯片内部都封装了inova IC和一个RGB LED光源，主控制器和Smart_RGB之间通过双向串行总线连接。整个系统的硬件框图如图4所示。

3)软件调试。图5所示是Smart_RGB的调试界面，可以根据控制命令使RGB氛围灯实现多种动态RGB变换效果，比如呼吸、渐变、流水、闪烁等特效。根据RGB氛围灯可实现的动态效果和接收的语音控制命令，定义系统在不同模式下RGB氛围灯的工作状态，如表2所示。

表2 功能模式状态定义

3 发光效果评价

本文设计的RGB交互氛围灯带如图6所示，以下主要从出光的均匀性和控制的协调感两个角度去评估RGB交互氛围灯的发光效果。

图6 RGB氛围灯带Fig.6 RGB ambient lamp

1)光学评价。用亮度计对交互氛围灯进行测试，结果如图7所示，其中平均亮度达到12 cd/m2，出光区域的最大亮度和最小亮度之差小于2，整体出光均匀，没有明显色差。由于交互氛围灯安装在中控台前部，需要防止对主副驾驶位产生光干扰，依据主驾位和副驾驶位的眼点坐标对场景进行模拟，结果显示内饰反射光带与外部光源的亮度比值约1∶10，不会造成光干扰。

图7 光学测试报告Fig.7 Optical test report

2)效果评价。为使语音输入的节奏和交互氛围灯的效果结合起来更加协调，图8是依据语音模式制作的调试界面，可以模拟多种工作模式下的RGB氛围灯效果，通过改变语音速度、强度、能量值等与氛围灯节奏变化的比例，使系统的控制响应更加顺畅，氛围灯伴随着语音的变化呈现更加自然的效果。

图8 模拟调试界面Fig.8 Simulation debugging interface

4 结束语

本文提出的RGB交互氛围灯设计，利用灯光对语音输入进行信息互动，通过发光模式的切换提示当前系统的工作状态，带来舒适的氛围体验的同时，

不影响正常的安全驾驶，符合汽车智能辅助驾驶的发展趋势。需要注意的是，本文介绍的只是一个设计模型样件，后续将就提高优化配光的均匀性、增加语音识别的精度、增强与其他氛围灯的联动效果等方面进行优化。由于灯光的主观评价性很强，因此在氛围灯实际开发中还需要吸取使用者的意见，以增强产品的用户体验感。