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Automotive HUD im Allgemeinen und WayRay Navion im Besonderen

Ab Ende der 80er Jahre tauchte HUD (Head-up-Display) in teureren Autos auf - transparente Displays, die der Fahrer beobachtet, während er durch die Windschutzscheibe nach vorne schaut. Und noch früher (kurz vor Ausbruch des Zweiten Weltkriegs) in rudimentärer Form - in Flugzeugen, um eine Zielmarke ohne Parallaxe mit der Weiterentwicklung zu modernen HUDs zu zeigen.

HUD-Erstellungstechnologien waren schon immer an der Spitze des Fortschritts: von einfachen festen Absehen aus Draht oder Glas über CRT-Displays bis hin zu LCD und schließlich DLP und holographisch, laserbeleuchtet. Hier, als alle notwendigen Komponenten und Technologien im Handel erhältlich waren - WayRay erschien mit seinem Navion-Produkt -, war dies vor etwa 7 Jahren einfach unmöglich: Es gab keine Materialien, keine geeigneten Laser, keine räumlichen Modulatoren und auch keine Elektronik würde eine Größenordnung teurer kosten.

Einführung Warum brauchen wir ein HUD?


Tatsächlich sind die Ziele sowohl in Flugzeugen als auch in Autos dieselben: Während der Steuerung bewegter Maschinen ist jede Millisekunde Ablenkung des Fahrers Gold wert und erhöht die Wahrscheinlichkeit eines Unfalls.

Wenn der Fahrer auf das Armaturenbrett schaut, muss er nicht nur seine Augen physisch drehen, sondern sich auch auf ein nahe gelegenes Objekt „neu konzentrieren“ und sich an eine deutlich unterschiedliche Helligkeit anpassen.
HUDs werden von der Fähigkeit angezogen, das Bild vor dem Auto anzuzeigen und so die Ablenkungszeit des Fahrers drastisch zu reduzieren. Und jede eingesparte Millisekunde ist das Leben von Fahrern und Passagieren.

Klassische Implementierung von HUD und seinen Einschränkungen


Die 2 Hauptteile des HUD sind der Kollimator und der Kombinierer. Der Kollimator bildet ein Bild, das sich in einiger Entfernung zu befinden scheint. Der Kollimator ist eigentlich eine Art großes Okular.

Der Kombinierer ist in erster Näherung ein durchscheinender Spiegel, der ein reales Bild und ein virtuelles Bild kombiniert, das von einem Kollimator erzeugt wird.

In den primitivsten Systemen kann der Kollimator nur eine Linse oder ein sphärischer Spiegel sein - aber die Bildqualität solcher Systeme ist bereits schlecht genug, um vom Auge bei Nachtfahrten wahrgenommen zu werden. Warum zuerst nachts? Die Pupille dehnt sich nachts aus und es werden viel mehr optische Aberrationen sichtbar. Als visuelle Demonstration können Sie das Bild der Zielmarke in der einfachsten Kollimator-Sicht (auch eine Art rudimentäres HUD) zeigen:

Links - auf F11 ("kleine Pupille"), rechts - auf F2.8 ("große Pupille"):



Die nächste offensichtliche Einschränkung besteht darin, dass die Winkelgröße des Bildes klein bleibt (in der Größenordnung von 4 × 2 ° für Automobilsysteme mit einer angemessenen Größe) und der Abstand zum virtuellen Bild häufig auch in der Größenordnung von 1,5 bis 2,5 m liegt, was immer noch eine Neuausrichtung erzwingt. Der Abstand muss auch aufgrund der Abmessungen begrenzt werden - durch unvollständige Kollimation können Sie das System spürbar verkleinern.

Die geringe Winkelgröße des Bildes bedeutet, dass normalerweise nur eine sehr kleine Menge an Informationen angezeigt werden kann - Geschwindigkeit, Art des nächsten Manövers und Entfernung dazu - das ist wahrscheinlich alles. Das klassische HUD-Implementierungsschema mit großen Kollimatoren, Spiegeln und Kombinierern nimmt ein ziemlich großes Volumen ein und kann daher nur im Werk installiert werden. All dies lässt Raum für den nächsten Schritt zur Verbesserung des HUD.

Übersicht über vorhandene Technologien


Flacher Kombinierer:
Ein klassisches "Flugzeug" -Muster - ein Kollimator mit Linsen mit großem Durchmesser erzeugt ein Bild "weit weg". Dieses Bild wird von einem flachen durchscheinenden Kombinierer reflektiert - wird mit der umgebenden Realität kombiniert und vom Piloten beobachtet. Die Hauptnachteile sind riesige Glasstücke vor dem Piloten, Optiken mit großen Abmessungen = all dies ist sehr schwierig und teuer.


Quelle: Wikipedia - PZL TS-11 Iskra Windschutzscheibenoberfläche

als Kombinierer:
Nach diesem Schema werden HUDs in den meisten Autos hergestellt, die ab Werk mit einem solchen System ausgestattet sind. Hier hat der Kollimator Spiegelelemente und anstelle des Kombinierers eine spezielle Beschichtung auf der Windschutzscheibe, so dass nur von einer seiner Oberflächen reflektiert wird (andernfalls wird das Bild verdoppelt).

Zu den Nachteilen eines solchen Schemas gehört, dass das Schema die tatsächliche Krümmung der Windschutzscheibe, ausreichend große Abmessungen und immer noch recht bescheidene Winkelabmessungen des erzeugten Bildes (etwa 4 × 2 °) ausgleichen sollte.


Quelle: Denso.

Ein solches System ist insbesondere auch bei einigen BMW Modellen verfügbar.und aus der Einreichung von Journalisten - sie vergleichen uns jetzt gerne mit ihr. Die Hauptunterschiede: Die Winkelgröße des Bildes (dieses klassische System hat deutlich weniger), der Abstand zum virtuellen Bild (2,5 m gegenüber unseren 10 m oder mehr), das Bild ist erheblich kleiner als die Straße und erlaubt kein Zeichnen von Elementen der Augmented Reality, d.h. altmodische Navigation, ein schematischer Pfeil des Manövers und der Entfernung dazu - Turn-by-Turn-Navigation (natürlich haben wir auch einen solchen Modus, wenn er jemandem vertrauter erscheint).

Zusätzlicher Kugelkombinierer:
Der Versuch, sich von der Unvorhersehbarkeit der Form der Windschutzscheibe zu lösen und gleichzeitig etwas an Größe zu gewinnen, ist das erste, was mir einfällt, den Kombinierer als Teil des Kollimators zu betrachten, d. H. Führen Sie einen Teil der optischen Arbeit der Bildgebung in weiter Ferne durch und reflektieren Sie nicht nur Licht. Im einfachsten Fall reicht es aus, den Kollimator kugelförmig zu machen (oder, wenn auch etwas schwieriger, ein außeraxiales Segment des Paraboloids).

So werden (vielleicht werden) Aftermarket-Produkte Navdy, Pioneer und eine neue Generation von Bosch Embedded-Systemen im Werk hergestellt.

Das Hauptproblem hierbei ist, dass der Fahrer jetzt durch 2 Gläser schauen muss + eine abnehmende Brennweite (mit den gleichen Abmessungen) kein großes Winkelfeld zulässt.


Quelle: ee-times.com, Bosch

Ohne Kollimator (Bild "schließen"):
Die primitivsten Systeme: Tatsächlich ist dies der Bildschirm, der in der Reflexion der Windschutzscheibe beobachtet wird. Wenn Sie keinen reflektierenden Film auf das Glas kleben, verdoppelt sich das Bild (da die Reflexion von der Vorder- und Rückseite der Windschutzscheibe erfolgt).

Dieses System besteht aus Mängeln, die etwas mehr als vollständig sind: Die Winkelgröße des Bildes ist winzig, die Helligkeit des Bildes ist für Tagesausflüge unzureichend (da Glas von 5% für sich und bis zu ~ 25% bei einem Film mit proportionaler Abnahme der Transparenz reflektiert). Das Bild bleibt „nah“ - das Auge muss beim Betrachten immer noch neu fokussieren.

Es gibt jedoch einen großen Vorteil - solche Systeme sind billiger und einfacher. Zu den bekanntesten Beispielen zählen Garmin-Produkte und nur auf den Kopf gestellte Telefone:


Quelle: techradar.com

Schließlich ist der WayRay Navion-Ansatz ein holographischer Kombinierer:
In Navion wird ein Teil des optischen Systems direkt auf der Windschutzscheibe des Autos platziert und als holographisches optisches Element implementiert. Auf diese Weise können Sie alles aus den allgemeinen Einschränkungen des Fahrzeugs herausholen - und erhalten die größte Winkelgröße des Bildes, die nur in Projektionssystemen mit denselben angegebenen Abmessungen möglich ist. In Bezug auf die Fläche wird das erzeugte Bild 4- bis 10-mal mehr als in klassischen HUDs erhalten. Aufgrund der Tatsache, dass das System nicht so stark unter Größenbeschränkungen leidet, können wir das Bild in größerer Entfernung anzeigen (bei klassischen HUDs werden die Strahlen häufig nicht vollständig kollimiert - die Entfernung zum Bild beträgt etwa 2,5 Meter).

Diese starke Vergrößerung des Winkels des Bildes ermöglicht es Ihnen, Bilder in Kombination mit der realen Welt anzuzeigen: Anmerkungen zu Objekten und vor allem eine Route direkt auf der Straße zu zeichnen, um die Navigation so natürlich wie möglich zu gestalten.

Dies ist keine Science-Fiction mehr und wird seit dem Sommer 2015 auf den Straßen Russlands und Europas mit Macht und Kraft getestet . Vom funktionierenden Prototyp bis zum Serienprodukt ist der Arbeitsumfang jedoch sehr groß, sodass Navion noch nicht verfügbar ist.

Unter anderem kann Navion auch den Abstand zum erzeugten Bild steuern. Wir arbeiten auch an Optionen, um diese Gelegenheit unterwegs zu nutzen.

Der Prototyp von 2016 wurde im Sommer hergestellt, etwas mehr als 1300 Details:



Beim Debuggen im Büro sieht es so aus:


Und unterwegs:


Die Version 2017 wird in die Massen gehen - sie wird etwas kleiner und technologisch fortschrittlicher in der Produktion sein.

Einige häufig gestellte Fragen:


Zunächst kurz über das Unternehmen. WayRay beschäftigt derzeit über 80 Mitarbeiter. Die meisten arbeiten im Hauptentwicklungsbüro in Moskau. Es gibt auch Büros in den USA, der Schweiz und China. Im Laufe seiner Geschichte hat das Unternehmen Investitionen in Höhe von mehr als 10 Millionen US-Dollar angezogen. Wir haben eine komplette Entwicklungsbranche: von Mechanik, Optik, Elektronik und Treibern bis hin zu Top-Software für Android, Design (und Videos wie diese, die jemand machen muss). Es gibt unsere eigene Pilotproduktion, in der wir

2013 vor 3 Jahren physische Prototypen schneller als China auf CNC-Maschinen produzieren - es gab nur eine Idee, und es war nicht klar, wie sie überhaupt umgesetzt werden konnte (und ob dies möglich war).
2014 erhielten sie die ersten holographischen optischen Elemente und testeten die Leistung der Idee auf stationären Ständen. Als klar wurde, dass dies funktionieren könnte, begannen die Arbeitsgeschwindigkeit und die Anzahl der Menschen exponentiell zu wachsen.
2015 entwickelten und montierten sie zwei Iterationen des Prototyps auf Rädern, eröffneten ein eigenes holographisches Labor und eine Pilotproduktionswerkstatt.
Im Jahr 2016 haben sie ihre Größe drastisch reduziert, und das System hat sich der Art und Weise, wie wir es im kommerziellen Betrieb sehen, deutlich angenähert. Auch die aktive Arbeit begann direkt bei den Autoherstellern. Wir haben von Modulen auf unsere Elektronik umgestellt, um unsere Android-Assembly starten zu können.

Aber werden Ihre Pfeile versehentlich die Welt schließen und den Fahrer stören?
Projektionssysteme können im Prinzip per Definition nichts schließen - sie können die Welt hinter dem Glas nicht dunkler machen. Das heißt, Schnittstellenelemente bleiben in jedem Fall transparent. Dieses Prinzip „enthüllt“ sofort die Täuschung von Fotografien aller Arten innovativer Projektionsuhren mit Projektoren mit schwarzer Magie.

Und mir gefällt nicht, wie sich die Pfeile in Ihrem letztjährigen Prototyp bewegen. Auch im letzten Jahr
. Iterationen in Software gehen viel schneller als Hardware, und wir probieren ständig verschiedene Optionen für die Implementierung der Schnittstelle aus. Es gibt natürlich den klassischen Modus mit Informationen zu Manövern.

Einwohner von Skolkovo? Sah es?
WayRay hat seit mehr als drei Jahren seines Bestehens kein Regierungsgeld mehr erhalten, daher gab es nichts zu kürzen. Trotzdem haben wir steuerliche Anreize von Skolkovo (was es zum Beispiel erlaubt, sich keine Sorgen um die Zahlung weißer Gehälter zu machen) und kürzlich haben wir es endlich geschafft, das Zollprivileg zu nutzen - ein Fourier-Spektrometer mit Entschädigung für einen erheblichen Teil der Zollkosten zu importieren (obwohl dies bereits nicht so viel Geld ist) . Wir arbeiten auch mit dem Skolkovo Intellectual Property Center zusammen - Patentrecherche und -anmeldung.

Wann wird Navion verfügbar sein?
Nach dem Plan - im Jahr 2017.

Ich hoffe, dieser Artikel war für Sie interessant und es wird einen Grund geben, fortzufahren. Stellen Sie Fragen - und wir werden versuchen zu beantworten, wenn wir nicht für die Offenlegung von Geschäftsgeheimnissen gekreuzigt werden :-)

Source: https://habr.com/ru/post/de397277/

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