基于增强现实技术的汽车维修辅助系统设计

刘仕婵

（钦州市交通运输服务中心，广西 钦州 535000）

增强现实（AR）是一门融合了信号学、心理学、计算机图形学等多门学科的新型技术，它是以真实场景为基础，利用传感器、扫描仪等设备采集真实环境信息后，在计算机环境下生成虚拟的三维图像，模拟真实环境。基于增强现实技术设计的汽车维修辅助系统，除了直观、精确地展示汽车各个部分的图像外，还可以支持人机交互，这就为用户在人机交互界面的引导下轻松完成汽车维修任务提供了技术支持。随着AI、AR 等技术的不断成熟，汽车维修辅助系统的功能日益丰富、操作门槛不断降低，让用户自己动手完成汽车维修成为了可能。

按照常规的汽车维修流程设计了汽车辅助维修系统，该系统的架构见图1。

识别车辆信息是汽车维修辅助系统应用的第一步。针对用户容易认错汽车型号的问题，该系统采用微软公司生产的AR 眼镜HlolLens 作为环境感知摄像头和色彩摄像头，对用户前方的场景进行快速扫描，利用图像识别技术提取场景中的关键信息，并经过计算机的匹配确认汽车的型号，车辆识别结果以静态图片的方式反馈给用户。获取故障信息也是汽车辅助维修系统设计的要点之一，本系统可调取汽车的维修保养记录、日常操作记录、车况信息等，确定故障并提供故障相关的信息。

汽车维修辅助系统运行后，由用户选择车辆信息识别方式，有“视觉扫描”、“语音搜索”两种方式。选择后即可开始车辆信息识别。执行一个判断程序“是否识别车辆信息？”，如果未成功识别，则更换另一种识别方式；
识别成功后，系统根据获取到的汽车牌照、车辆型号、生产厂商代码等相关信息，掌握汽车的基本数据。系统同步获取汽车的日常维修保养记录，结合扫描或语音获取的车辆信息，可以判断汽车各个部件的当前状况，并且以标签形式呈现。正常工况下标签为绿色，异常工况下标签为红色，需要维修时标签为黄色。对于需要维修的部件，该系统提供本地应用辅助和远程专家协助2 种维修辅助。优先启用本地应用辅助，然后执行一个判断程序“是否解决维修问题？”，如果问题已经解决，则继续执行下一步操作；
如果问题未解决，则启用远程专家协助，通过视频通话的方式由专家远程指导用户完成维修。汽车维修结束后，维修记录以档案形式留存，用户可手动添加下一次需要维护保养的内容，结束本次维修任务。汽车维修辅助系统的运行流程见图2。

3.1 开发设备

本系统以HoloLens 设备作为开发对象，该设备内置Intel2-bit（1GHz）的CPU，以及最大2 GB 的RAM和64 GB 的硬盘容量。镜面部分采用2.4 M光导透明全息眼睛，视角30°×18°，并配备有加速器、陀螺仪和光度传感器。操作系统Windows10，支持Wifi 连接和蓝牙连接，满电最长待机时间为15 d。设备功能及组成见图3。本系统所用的HoloLens 设备支持3 种人机交互模式，分别是Ge 模式（手势）、Ga 模式（凝视）和V 模式（语音）。默认模式为Ga 模式，该模式下用户可通过长时间注视（视角停留3s）虚拟物体的方式进行点选，在点选模式下移动头部即可进行虚拟物体的拖拽[1]。

3.2 车辆信息识别模块设计

本系统提供两种识别汽车信息的模式，分别是视觉扫描、语音搜索，用户可自行选择。用户通过点选的方式选择其一，然后系统跳转到相应的信息录入界面。在视觉扫描模式下，利用HoloLens 设备快速完成用户视线前方场景信息的扫描，并建立相应的模型。在Ga 模式下，用户将视线对焦到汽车的车牌处、发动机出厂信息位置处，即可收集车牌信息、发动机出厂信息。如果扫描过程中存在车牌被遮挡，或者是车牌无损导致无法提取车牌信息，则用户可手动切换为语音搜索模式，然后通过语音输入的方式，将车牌信息输入到汽车维修辅助系统中。在设计车辆信息识别模块时，除了通过视觉扫描、语音搜索方式识别车辆，用户还可以根据当前界面左上角的导航栏，确认当前在系统中所处的位置，并同样以点选的方式，执行“上一步”或“下一步”操作。当然，用户也可直接向系统发出语音指令，例如“进入车况查询界面”，在系统识别该语音指令后作出相应的操作。

3.3 车况查询模块设计

在设计车况查询模块时，提供“标签搜索”和“语音搜索”2 种查询模式。用户可通过手势交互任选其一，点选之后完成界面的跳转。为了更加直观、间接地呈现汽车的全部零件，在设计环节需要建立一个独立的汽车部件数据库，以信息编码的形式为每一个部件设计唯一的数字标签[2]。

车况查询结果以标签形式显示。部件性能正常，显示为绿色标签；
当系统查询到汽车某一部件存在故障时，即以红色标签显示；
而黄色标签代表部件近期需要保养。用户可点击标签获取详细信息。这里以汽车的火花塞部件为例，车况查询完毕后，界面上火花塞部件显示为红色标签。用户可继续点击该标签，进入到火花塞工况的详情页面，以图文和语音相结合的形式详细展示汽车火花塞存在的问题，以及接下来需要进行的维修操作，见图4。

通过人机交互界面，用户可以知道汽车火花塞存在积碳过多、间隙过大的问题，需要重新更换新的火花塞。如果需要立即执行该维修操作，则在当前界面上点击“立即更换”，然后进入到“保养维修”模块[3]。

3.4 保养维修模块设计

该模块是整个汽车维修辅助系统中的核心部分，其功能是指导用户自主完成汽车常见故障的维修。在设计该模块时，同样提供了2 种辅助方式，即本地应用辅助维修、远程专家协助维修。进入保养维修模块后，系统界面上展示两种维修方式，用户可从中选择一种。

在本地应用辅助功能设计时，需要在人机交互界面上精确地显示待维修部件的具体位置。这里还是以汽车火花塞故障为例，可显示火花塞外罩在发动机舱内的位置。同时，对于火花塞外罩的4 个固定螺丝采用增强现实信息高亮显示，以便于用户可以快速找到螺丝位置。然后系统通过3D 操作演示的方式，为用户呈现火花塞外罩的拆卸方式，见图5。

用户根据界面提示，首先使用套筒扳手顺时针拧下固定火花塞外罩的螺丝，将拆卸下来的螺丝统一放到塑料袋中，防止丢失。然后根据演示动画向上拔起火花塞外罩。按照同样的方法，完成旧火花塞的拆除和新火花塞的安装。在维修操作中，如果用户不清楚套筒扳手的具体型号，也可以通过语音输入的方式，向系统询问套筒扳手的型号，系统会提供套筒扳手的型号、形状以及操作方法，以便于用户正确选择和规范操作[4]。

考虑到部分用户在进行维修过程中，可能会因为紧张、粗心或者是不熟悉维修工具的使用方法，难免会出现不符合规范的误操作。因此在设计保养维修模块时，还加入了智能提醒功能。当用户进行该项操作时，会在人机交互界面上出现提醒信息，如“注意：保持平缓用力，防止扯断点火线圈外接电路”、“注意：向上拔起火花塞外罩要垂直发力，不可四周晃动”。

用户可在“维修保养”界面点选“远程专家协助”按钮，此时系统从专家库中自动匹配处于空闲状态的专家。在专家选择接受远程服务后，自动建立连接，以远程视频通话的形式了解汽车故障，向用户提供技术支持。通信建立后，专家可通过用户的HoloLens 视角观察维修场景，基于自身丰富的维修经验判断故障位置、故障类型，并远程指导用户完成维修[5]。

3.5 记录提醒模块设计

在维修记录界面设计时，选择了日历形式标注维修日期、维修项目。例如，该汽车在10 月6 日进行一次火花塞更换的维修，在日历上10 月6 日这一天会添加维修图标，用户可点击该图表进入维修保养日志的详情界面。该界面会提供维修日期、维修内容、性能测试等信息，见图6。

该模块采用手势交互和语音交互双模态设计，既可以满足用户日常操作习惯，同时又能提升增强现实界面的交互效率。系统会定期刷新提醒信息，从而确保提醒信息与车况查询模块中提供的汽车零件状态信息保持同步。采用颜色区分设计，如果汽车火花塞临近保养时间，则在标签搜索功能中将“火花塞”一项标记为黄色，提醒用户及时更换。用户更换火花塞后，手动修改提醒信息，将“待维护”修改为“已维护”，该信息同步到车辆状态信息中，等到系统刷新信息后，标签搜索功能中“火花塞”一项重新变为绿色。

基于增强现实技术和多模态交互理论设计的汽车维修辅助系统，可以准确、全面地获取汽车各个部件的工况，并基于用户在汽车维修中的需求，提供相应的功能选项，以可视化的方式降低了用户自主维修汽车的难度。考虑到真实维修环境更加复杂，因此下一步还需要从多模态整合对用户认知的影响以及平衡用户视觉注意力分配与声音指令之间的关系等角度出发，继续开展研究，从而使汽车维修辅助系统的人机交互体验得到进一步提升。

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