车辆的用户接口和用于配置和控制用户接口的方法

摘要

本发明涉及车辆的用户接口以及用于配置和控制用户接口的方法，该用户接口的信号设备具有大量超声扬声器用于在交互空间内产生可触觉感知的区域。为了创建用于车辆的用户接口以及用于配置和控制可灵活操作并且关于显示方面具有更多自由度的用户接口的方法，根据本发明所述用户接口具有：用于产生操作界面的虚拟图像的显示设备；用于操作所述虚拟操作界面的操作单元，该操作单元具有用于检测和/或跟踪操作对象的传感器系统；和信号设备，该信号设备被设置用于根据对所述操作界面的操作产生可感知的信号。为了控制和配置所述用户接口而规定，所述模块先后发出经定义的测试信号，所述测试信号直接和/或在被一个或多个反射体上的反射后由超声麦克风记录，所述超声麦克风直接布置在所述模块上和/或在空间中自由地布置，从而根据所记录的测试信号的传播时间和/或强度得出所述模块和超声麦克风的相对位置和定向。

说明书

技术领域

本发明涉及一种车辆的用户接口。

本发明还涉及一种用于配置和控制用户接口的方法，所述用户接口的信号设备具有大量超声扬声器以用于在交互空间内产生可触觉感知的区域。

背景技术

在传统车辆中，用于操作车辆自身外围设备（特别是导航设备、信息娱乐系统、空调设施等）的用户接口都朝行驶方向取向，从而朝行驶方向就坐的驾驶员可以轻松够到所述用户接口。但在自主驾驶的情况下，特别是在目前的自主驾驶级别4和5中，不再强制需要驾驶员朝行驶方向取向，而是驾驶员也可以将其座椅位置朝着乘客舱（后部）的方向旋转180°，以例如在那里与其他乘客进行交流。在所述位置，不再容易够到传统的朝行驶方向取向的用户接口。

此外，已知显示器形式的如下用户接口，这些用户接口布置在乘客舱内，例如布置在门、窗或桌面上，虽然在驾驶员改变朝向时可以够到这些用户接口，但是这些用户接口是固定安装的并且仅允许以严格受显示器和位置约束的方式进行显示和操作。因此，关于所述操作的显示的自由度是有限的，因为不可能对所述用户接口进行可自由选择的或与操作员的位置相适配的布置。

发明内容

由此出发，本发明的任务是创建一种用于车辆的用户接口以及一种用于配置和控制所述用户接口的方法，所述用户接口可以灵活地操作并且通过不受位置约束的显示而具有更多的自由度。

该任务首先通过根据权利要求1的用户接口来解决。根据本发明，所述用户接口具有：用于产生操作界面的虚拟图像的显示设备；用于操作所述虚拟操作界面的操作单元，所述操作单元具有用于检测和/或跟踪操作对象的传感器系统；和信号设备，该信号设备被设置用于，根据对所述操作界面的操作产生可感知的信号。

由此提出了一种灵活的用户接口，该用户接口特别是可以布置在车辆的乘客舱中并且将操作界面的虚拟图像投影到布置在乘客舱内的交互空间中。由此可以从不同位置轻松够到和操作所述操作单元，从而所述操作单元允许以遵循操作员位置的方式不受位置约束地进行显示和操作。

本发明的优选设计，特别是其各个组件的优选设计在下文和从属权利要求中加以说明。

根据第一优选实施方式规定，所述显示设备具有用于产生操作界面的真实图像的3D图像产生系统和将所述操作界面的真实图像投影到交互空间中的光学器件，其中所述交互空间位于操作员的视野中。这种3D图像产生系统优选地是自动立体系统，特别是具有柱状透镜的3D显示器。替代于此地，所述3D图像产生系统也可以是光场显示器、体积显示器或具有视差屏障的3D显示器。所述显示设备的光学器件引起与表面分离且浮动的显示器感知并且在此可以被构造为多镜板，特别是构造为具有二面镜的多镜板。

为了避免不期望的光反射，所述用户接口具有至少一个光学滤波元件，所述光学滤波元件特别是可以被构造为偏振滤波器。具体地规定，所述显示设备具有这样的光学滤波元件，所述光学滤波元件防止来自系统的不期望反射，所述不期望反射例如由所述显示设备本身引起。所述光学器件也优选地具有光学滤波元件，所述光学滤波元件防止来自外部的非期望的光反射，这些光反射例如由太阳辐射或乘客舱内部和/或外部的灯引起。

在所述显示设备的范畴内，根据本发明的另一优选设计，设置传感器系统用于检测操作员相对于虚拟显示的操作界面的面部取向或视线方向，所述操作界面可以被设计成例如基于摄像机。由此可以从不同视角观察虚拟操作界面。

为了能够操作由所述显示设备全息显示的操作界面，根据本发明的一种优选设计方案设置如下传感器系统，所述传感器系统使得能够在所述交互空间内位置精确地检测和跟踪操作对象。与应用有关地例如可以将手、手指或面部定义为操作对象。根据本发明的一种优选设计方案，所述传感器系统具有至少一个飞行时间传感器和/或至少一个立体摄像机系统，它们优选地在红外光谱内工作。替代地和/或附加地，所述传感器系统还可以具有带有超声扬声器和超声麦克风的声学摄像机，将在后面更详细地对其进行讨论。在此，在所述传感器系统内不同传感器的组合特别是已被证明是有利的，以便通过合适的传感器分布来检测这些操作对象的更大的运动光谱。否则，在仅使用单个传感器的情况下则会出现被遮蔽区域，所述被遮蔽区域可能导致对操作的错误解释。通过集成这种用于识别和/或跟踪交互空间中的操作对象的传感器系统，可以直接利用全息显示的操作单元进行基于手的操作。因此，所述用户接口的操作不受界面约束，即不与组件的用户接口直接进行接触。

所述用户接口具有信号设备，该信号设备用信号通知对虚拟操作界面的可能操作。根据本发明的一种特别优选的设计方案，就此而论地规定，所述信号设备是用于在所述操作界面的交互空间内产生可触觉感知的区域的设备。为此，合适的设备可以产生例如声信号、特别是超声信号、气流或光脉冲。替代地，在空气中形成等离子体或温度刺激也是可能的。

然而，根据本发明的一种优选设计方案而优选地规定，用于在所述交互空间内产生可触觉感知的区域的设备具有大量超声扬声器，为此能够关于相位、频率和幅度方面协调所述超声扬声器的超声信号，其中所述超声扬声器单独或成组地形成多个模块，所述多个模块可以定位或布置在所述交互空间处，使得

a)一个模块的至少一个超声扬声器与另一模块的至少一个超声扬声器有角度地定向，和/或

b)模块的至少一个超声扬声器与其他超声扬声器的共同平面有间距，和/或

c)模块彼此间具有可选择的间距。

由于各个具有超声扬声器的模块的可定位性以及因此可以自由选择的位置，所述设备可以最佳地与现有的结构空间适配，因此避免了产生图像的设备和产生触觉的设备的优选位置之间的冲突。通过各个扬声器和/或模块彼此任意的、特别是有角度的布置，实现这些模块在空间中的最佳三维取向，其中这些模块可以布置在所述交互空间外的任意位置并以期望的定向而取向。由此可以在最佳地充分利用可用结构空间的情况下实现用于产生触觉反馈的设备的个性化设计。此外，具有基本上可自由定位的模块的设备具有最小的空间要求，特别是由于各个模块定向的可调整性可以实现触觉效果强度的高度可个性化。

根据另一优选设计方案规定，模块的超声扬声器布置在共同的模块平面上。优选地，模块的超声扬声器在此具有彼此平行取向的定向。这种模块的具体设计方案虽然特别是关于超声扬声器的数量和布置方面并非被预给定的并且基本上是任意的，但是实际上，超声扬声器的矩阵形布置已被证明是有利的。特别地，例如4×4超声扬声器的方块矩阵布置是优选的。

根据本发明的一种有利实施方式，所述设备具有至少三个模块，这些模块的模块平面彼此有角度地取向。由此，这些模块可以根据结构空间以最佳的方式围绕所述交互空间布置并对准所述交互空间。

为了根据模块和布置在模块上的超声扬声器的独特的位置和定向来配置所述设备，优选地设置控制单元以及所述控制单元上包含的软件（固件）和编程接口（API）。所述控制设备根据独特的模块位置和模块定向计算关于自身的相位、频率和幅度方面独特的超声信号，以便在所述交互空间中在任意点处产生具有触觉反馈的区域。在此，如果应当在多个位置处产生这样的区域，则由现有模块形成合适的组，这些组被分配给特定点并且在该位置处产生触觉反馈。由于利用这些模块的当前三维布置从三个不同方向生成所述触觉区域，因此在不同的手定向的情况下也可以感觉到所述触觉区域，并且可以有效地避免所述交互空间内的可能遮蔽区域。

通过所述控制单元可以控制整个设备并因此控制各个模块，从而在这种情况下可以使用简单且因此价格便宜的模块。在这种情况下，为了保证在时间上正确地操控所有模块，所有线路长度和信号传播时间必须是已知的或者同样长的。

替代地规定，每个模块具有用于配置和/或操控模块的超声扬声器以及用于与所述控制单元通信的单独的微控制器。由此得到模块与构造为主控制设备的控制单元的最佳联网，并且可以经由有实时能力的总线系统进行所述通信。

根据本发明的一种特别优选的设计方案，设置多个超声麦克风，所述多个超声麦克风直接布置在所述模块上或在空间中自由地布置，特别是自由地布置在车辆的乘客舱内。通过所述超声麦克风可以得出：所述设备的简单的自动可配置性，并且所述超声麦克风还可以用作三维声学摄像机，利用所述三维声学摄像机可以识别、标识并且通过连续地确定位置来跟踪所述交互空间内的对象。由此可以省去本来需要的图像检测设备，例如立体摄像机形式的图像检测设备。在描述根据本发明的方法时对其详细进行讨论。

所描述的用于产生可触觉感知的反馈的设备由于所述超声扬声器的灵活布置和所述自动可配置性而可以被集成在具有不同内部尺寸的不同车型中。

替代于所描述的用于在操作界面的交互空间中产生可触觉感知的区域的设备，所述信号设备还可以被设置用于在操作所述虚拟操作界面时产生声学和/或光学反馈。在最简单的情况下，由扬声器等发出的声响实现声学反馈。与此相对地，在最简单的情况下，可以通过直接布置在所述用户接口上的信号灯来实现光学反馈。也可以规定，在操作全息显示的操作界面的情况下，所述操作界面本身改变其显示并且例如通过所述操作界面的其他颜色和/或通过短时间的闪烁来显示出已经进行的操作。

开头已经说明，本发明还涉及一种用于配置和控制用户接口的方法，所述用户接口的信号设备具有大量超声扬声器，用于在所述交互空间内产生可触觉感知的区域。

根据权利要求18，根据本发明规定，为了配置所述设备，所述模块先后发出经定义的测试信号，所述测试信号直接和/或在一个或多个反射体上的反射后由超声麦克风记录，所述超声麦克风直接布置在所述模块上和/或在空间中自由地布置，从而根据所记录的测试信号的传播时间和/或强度得出所述模块和超声麦克风的相对位置和定向。在考虑所述模块以及布置在所述模块上的超声麦克风的如此确定和已知的位置和定向的情况下，所述模块的超声信号可以有利地关于自身的相位、频率和幅度方面得以协调，使得能够在所述交互空间内的任意位置处产生可触觉感知的区域。通过所述超声麦克风来对所述设备进行自校准，由此简化了所述设备的配置，所述配置能够基本上自动地在无需手动预给定的情况下执行。在此，所述配置的精度和分辨率随着模块和/或超声麦克风数量的增加而上升。因此优选地设置至少三个超声麦克风，它们能够以基本上自由地在空间中分布的方式来布置。在超声麦克风可自由定位的情况下还得出以下优点：所述位置不限于模块位置并且因此可以任意增加所使用的超声麦克风的数量和不同的方向，即超声麦克风与测量体的角度，由此增大了识别范围并且增大了所述方法的精度。

除了所述设备的配置之外补充性地，所述超声麦克风还可以用作声学摄像机，利用所述声学摄像机能够识别、标识和通过连续地确定位置而跟踪所述交互空间内的对象，从而使所述声学摄像机也可以成为已经提到的传感器系统的一部分。为此优选地规定，由超声麦克风记录来自所述交互空间内的静止或运动的对象的反射、例如插入所述交互空间内的手的反射，并且根据所反射的信号确定所述对象的位置、形状和运动。为了识别和跟踪所述交互空间内的对象，可以使用本来就为了产生触觉效果而由超声扬声器发出的超声频率。替代地，也可以使用与此不同的其他频率。

最后，根据该方法的一种优选设计方案而规定，可以通过现有的分类算法来确定对象，其中所述分类算法将所反射的信号与现有的并且与对象相关的数据组进行比较，并且在存在一致性的情况下允许对所述对象进行明确分配。由此还实现了对所述交互空间内的对象进行特定的和有针对性的刺激。

附图说明

下面基于附图解释本发明的具体实施方式。在附图中：

图1示出了用户接口，以及

图2示出了用于在交互空间内产生可触觉感知的区域的设备。

具体实施方式

图1示出了车辆的乘客舱(未示出)内的用户接口1。用户接口1具有显示设备2，可以利用该显示设备2将操作界面的虚拟图像3投影到交互空间4中，在该交互空间4中，所述操作界面能以全息的方式被操作员5识别。为此，所述虚拟图像经由光学转向组件6，特别是多镜板被投影到交互空间4中。

为了避免用户接口1内的内部反射，显示设备2具有覆盖显示设备2的偏振滤波器7。

以类似的方式，所示出的光学组件6也具有偏振滤波器8，该偏振滤波器8防止特别是由于太阳辐射和/或外部光源而产生的不期望的外部反射。

可选地，用户接口1具有调节机构9，该调节机构手动或自动地调节显示设备2和/或光学转向组件6的角度和它们相对于操作员5的位置和取向。

用户接口1还具有用于操作虚拟操作界面的操作单元，该操作单元包括用于检测和/或跟踪操作对象11的传感器系统10。在所示出的实施例中，传感器系统10布置在交互空间4下方并且识别在交互空间4中运动的手，该手在当前情况下形成操作对象11。通过当前的对象识别和对象跟踪，用户接口1识别是否应当利用用户接口1进行操作以及必要时应当操作哪个功能并转发对应的命令。

此外，用户接口1具有另外的传感器系统12，用于检测操作员5相对于全息显示的操作界面的面部取向或对象定向，所述全息显示的操作界面在所示实施例中可以设计为基于摄像机的。特别地，通过与调节机构9的对应链接，可以从不同的视线角度观察和操作虚拟操作界面。

为了向操作员5用信号通知已经进行的操作，设置了各种选项。除了已经提到的光信号之外，用户接口1如图1所示可以具有用于产生触觉反馈的设备21，为此该设备具有大量的超声扬声器。该设备21仅示例性地在图1中在交互空间4下方被示出。原则上，超声扬声器可以在车辆的乘客舱内基本上任意地布置和取向。参考图2解释其具体实施例以及与此相关的配置和控制方法。

所示出的设备21具有多个以柱形表示的超声扬声器22、22，在本实施例中，这些超声扬声器成组地形成总共25个模块23、23'，这些模块分别具有16个超声扬声器22、22'。总体而言，所示出的设备具有400个超声扬声器22、22'。各个模块23、23'的超声扬声器22、22'分别以具有4×4超声扬声器22、22'的矩阵的形式布置在共同的模块板24上并且彼此平行取向。模块板24被构造为平的并且形成模块平面。模块23、23'环形地并且相对于水平线有角度地布置，使得一个模块23的至少一个超声扬声器22与另一模块23'的至少一个超声扬声器22'有角度地定向并且与其他超声扬声器的共同平面有间距。由此，模块23、23'和超声扬声器22、22'基本上可自由定位，并且在所示出的实施例中对准布置在其上方的交互空间4的中心。

为了配置和控制设备21，模块23、23'至少部分地具有超声麦克风25，其中在本实施方式中仅示例性地示出了三个超声麦克风25。为了提高配置和控制方法的精度，优选地所有模块23、23'都具有至少一个超声麦克风25。为了配置，超声麦克风25接收测试信号，其中所述测试信号由模块23、23'先后发出，并且可能在反射体（未示出）上被反射。通过所记录的信号，特别是这些信号的频率和幅度可以明确地确定各个模块23、23'的位置和定向，从而能够关于这些超声信号的相位、频率和幅度方面如此调整这些超声信号，使得在交互空间4内的任意位置处都能够产生具有可触觉感知的区域的点。在该图中，具有可能的触觉反馈的交互空间4基本上以部分球形的方式示出，其中该交互空间4的形状还取决于模块23、23'的具体且可自由选择的布置。

在交互空间4本身中，可以在任意位置处产生可触觉感觉到的区域，这些区域可以由具有伸入到交互空间4中的手11的人感知。由超声麦克风25记录超声信号在手11或另一对象上的反射，从而可以根据所反射的信号而确定手11在交互空间4中的运动。

为了控制和配置设备21而设置控制单元28和编程接口29。在所示出的实施例中，控制单元28与设备21连接，使得这些控制信号直接从控制单元28发送到各个模块23、23'。替代地，模块23、23'也可以具有单独的微控制器（未示出），这些微控制器为了控制而一方面与模块23、23'连接并且另一方面与控制单元28连接。

为了控制和相互协调当前用户接口1的所有组件，所述用户接口具有与所有待控制的组件连接的另外的计算单元13(参见图1)。

附图标记列表

1 用户接口

2 显示设备

3 操作界面的虚拟图像

4 交互空间

5 操作员

6 光学转向组件

7 偏振滤波器

8 偏振滤波器

9 调节机构

10 传感器系统

11 操作对象

12 传感器系统

13 计算单元

21 用于产生触觉反馈的设备

22、22' 超声扬声器

23、23' 模块

24 模块板

25 超声麦克风

28 控制单元

29 编程接口