AR HUD能取代中控屏吗?

作者&投稿:房到 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
汽车的AR抬头显示实用性如何,有必要选择吗?~

曾几何时,抬头显示HUD(Head Up Display)已不再是战斗机的专利,HUD也一度作为豪华车型的高科技配置,而今HUD已经逐渐走向平民化。如下面是奔驰、宝马、奥迪的HUD,大量彩色数字信息投射到挡风玻璃上。
下边是马自达和标致的HUD,数字信息投射在挡风玻璃前的一块独立可折叠的反射玻璃上,但和豪华品牌相比,它们显示的信息更为单调。
一方面,HUD这样的在前挡风玻璃上或者反射玻璃上呈现出行驶信息的形式,的确是一个很能够吸引眼球的高科技,当然也可以作为厂家的赚钱利器。另一方面,HUD却又是不少人口中的“然并卵”配置。今天咱们就来扒一扒HUD吧。

1、HUD优点
(1)HUD信息显示位置比传统的组合仪表位置高。也就是说,驾驶员想查看车辆信息时,通过HUD只需低下头5-10°;而看组合仪表的话,则需低20-25°。
(2)驾驶员从组合仪表上查看驾驶信息时,眼睛从道路转移到组合仪表再转移到道路,由于道路亮度高而组合仪表(车内)的亮度低,眼睛就会经历由亮到暗再到亮的过程,眼睛瞳孔会进行调整;同时眼睛的聚集点会由远到近再到远。而驾驶员从HUD上看信息时,眼睛就不需要这么折腾了。
以上两个方面综合起来,驾驶员使用HUD,可以减少视线转移的时间、视线转移带来的眼睛瞳孔变化、眼睛聚集点的变化,最终结果就是驾驶员的视线和注意力更少的偏离道路,提升行车安全性。

2、HUD能够显示哪些信息?
(注:以下信息不一定都有,根据HUD的配置会有所差异)
(1)、当前车速。它是HUD最基本的信息,在限速摄像头无处不在的城市道路上,掐着最高限速开车时或者摄像头前减速时,这个信息就显得尤为重要了。
(2)、导航信息。这个是很实用的信息,尤其是在市内车多、路杂导航时效果显著。
(3)、红色故障标记,红色故障灯出现,意味着车子开起来会有很大的安全隐患。
(4)、驾驶辅助信息,如限速显示、主动车道保持信息、巡航信息等,在使用车上高科技并进行调节的时候,这些信息可以显示在HUD上,使得驾驶员不必低头看仪表进行调节。

2020年对于整个汽车业都是值得回味的一年,其中有很多挑战,也有很多成就。在BAO师傅看来,其中最重要的成就之一,就是AR-HUD(增强现实抬头显示)开始走向了普及之路。其背后的意义,并不仅仅是在汽车之上增加了一块屏幕,而是增加了一个人机交互的窗口,它可以更安全,更高效,并且注定会取代传统的仪表。

AR-HUD的"蹿红"
AR-HUD的"蹿红"还要从今年奔驰全新一代S级上市说起。虽然这辆车的设计颇具争议,但其搭载的AR-HUD成为了绝对的亮点,并且为整个行业指明了方向。区别于传统的W-HUD,这套抬头显示系统,除了更大的显示区间,更远的视距,更丰富的色彩,更高的分辨率,它最主要的是实现了AR,即增强现实技术。

增强现实技术的加持,带来的好处显而易见,可以将导航、道路、ADAS信息更加直观、安全的通过投射到风挡玻璃上的虚像,呈现给驾驶员;它已经不再是仪表信息的替代者,有着属于自己专门的功能属性。

当然,从另一个层面讲,随着自动驾驶辅助系统和车联网的普及,仪表上需要呈现的信息总量成爆炸式增长,传统仪表从机械表针升级到了液晶屏幕,就是为了解决信息呈现的问题。但这样的升级,却无法避免因低头看屏幕而降低驾驶安全性的弊端。

抬头显示的出现就是为了解决这一矛盾,而AR-HUD的出现无疑给人机交互提供了新的思路。它将摄像头、雷达收集到的车外环境信息,融合进了现实,进一步增加了显示二字对于车辆的意义,成为了车辆与外界交互的新窗口,也为HUD系统赋予了无可替代的功能性,使HUD系统终于能够走向普及。

但从技术的角度分析,要做到AR傍身,HUD技术需要进行较大幅度的调整。说到这里,我们可以先了解一下普通HUD的原理。通常而言,HUD系统由三重反射机构组成。如下图般,均是通过图像生成单元产生亮度以及图像,而后这些光会投在第一平面(或非球面)做第一次反射,之后在第二个非球面镜上进行放大(第二次反射),之后光从杂光阱里透过来,在挡风玻璃上做第三次反射,反射到驾驶员眼中,于是我们就看到了相关信息显示。

当然我们这里面所讲的方案是目前奔驰所用的W-HUD方案,即通过风挡玻璃进行反射。早前有很多车辆,会在仪表台上升起一块专门的反射玻璃,进行反射,这样的方案被称作C-HUD(Combiner Head-Up Display),虽然成本较低,但是由于VID(人员到虚像的距离)较短,通常小于2.5m,在使用过程中,眼睛在驾驶时,焦点需要在HUD玻璃和风挡玻璃间切换,仍然存在安全隐患,所以在这里并不做具体的讲解。

典型的C-HUD方案
这里会以成本相对更高的W-HUD (windshield-HUD)?为例,顾名思义,这个W就是指的风挡玻璃,HUD的虚像会直接投射到前风挡玻璃上。但是由于风挡玻璃都有一定的厚度和弧度,普通玻璃在成像时会在前方形成不重叠的两个图像,该现象即重影现象,会导致图像模糊,信息难以识别等问题。HUD玻璃与普通玻璃的不同之处在于其中间夹有一层楔形PVB膜。可以将两个图像重叠在一起,使驾驶员看到一个清晰完整的信息。而这也是W-HUD成本较高的原因之一。


当然,如果是一个AR-HUD,它将面临更高的成本。这就要从几个维度来解释。首先从HUD的几个基本指标讲起。
VID(Virtual Image Distance,虚像距离)和FOV(Field of Vision视场角)是非常重要的两个参数。
VID即人眼到虚像的距离。FOV是以驾驶员眼睛为中心,到虚像的水平以及垂直边缘所呈的角度,例如9度*3度,10度*3度等。

资料来源:德州仪器
这是一张很有名的图,红色的为传统HUD,无法满足AR导航需要;
浅蓝色为标准AR-HUD,需要20米的投影距离(VID)才能做到跨车道显示;
深蓝色为理想的AR-HUD,FOV(Field of Vision,视场角)的水平角度到20度以上,在10米以上的投影距离既可以跨车道显示。
为了满足AR-HUD的需要,VID要达到10米以上,FOV的水平角要10度以上。良好的VID和FOV参数,其意义在于:
1、可以覆盖更大的车道范围(受水平角度影响)、更远的距离(受垂直角度影响),以保证驾驶者的安全和体验。例如,如果能在路面上覆盖地更远,在高速场景下,可以更早地提醒转弯、匝道等信息,不会错过路口。
2、虚像距离变长,可以减少眼睛疲劳。
3、VID大于6米之后,真实的世界和图像可以融合得比较好,比较贴合。
4、VID增大可以在视觉上消除重影,不再依赖楔形角的设计。根据德州仪器仿真测算,在VID增加至13m之后,人眼感受不到重影,挡风玻璃不需要楔形膜,这相当于减少了成本。

图片来源:德州仪器
要让这些指标能够尽可能满足AR-HUD,智慧的零部件企业提供了不同成本条件下的解决方案。目前在市场上能够量产的主要有TFT、DLP、激光三种方案,前两者目前已有量产的产品。
TFT-LCD 投影:
基于TFT显示器HUD,成像技术原理是液晶屏显示后通过反射改变光源角度最终在挡风玻璃上成像。TFT(Thin Film Transistor薄膜晶体管)为 LCD 液晶显示技术中的一种,液晶显示器上的每一液晶像素点都是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动,能够做到高速度、高亮度、高对比度地显示屏幕信息。由于技术成熟、成本低廉,当前各大HUD供应商普遍采用TFT方案。
TFT-HUD 的优势包括:①方便应用于 3D 和 AR 设备;②基于显示器投影,是大众熟知的技术,相关法规已经到位;③生命周期长;④色度可靠,通过显示器标定进行控制。
TFT-HUD 的难点包括:①视场有限,受源显示器限制;②最大亮度限制,提高亮度输出可能会引起色度准确度和预期分布变化。
DLP投影:
DLP(Digital Light Processing数字光处理)是一种以数字微镜装置作为成像器件,通过调节反射光实现投射图像的投影技术,其亮度高、分辨率高、对比度好,但其设计难度与生产成本均高于TFT。DLP 数字光处理技术是美国德州仪器的专利技术,通过集成了数十万个超微型镜片的 DMD(Digital Micromirror Device数字微镜芯片),可以将强光源经过数字系统计算反射后投影出来。

DMD微镜阵列示例
DLP-HUD 的优势包括:①方便应用于 3D 和 AR 设备;②体积小巧,性能高;③大视场;④图像明亮度、颜色饱和度、对比度等表现较佳。
DLP-HUD 的难点包括:图像对位,如清晰度、锐度、重影、失真等问题。
激光投影:
激光扫描投影技术使用具有较高功率的红、绿、蓝(三基色)单色激光器为光源,激光在机器内经过相应的光学元件和处理芯片的整合与扫描后投射在显示屏上,该方案色域空间大、色饱和度高、分辨率清晰,但其对温度较为敏感,易受环境亮度影响,成本居高不下,且不能达到车规要求的 85摄氏度的工作要求。
激光 HUD 的优势包括:①小组件;②低能耗;③高亮度(非常明亮);④大视场,可以在挡风玻璃的较大面积上成像(视场占据挡风玻璃的较大面积)。
激光 HUD 的难点包括:①限于 2D 固定投影;②分辨率低导致的"模糊"图像,从反光镜分束器所折射单光束的影响造成类似于重影的影响;③斑点,当激光束发生漫反射时,将会出现随机粒状图案。

目前,基于成本与技术成熟度所限。TFT和DLP方案,正在被越来越多的企业使用。特别是在预算相对宽裕的情况下,在 AR-HUD 体系的设计过程中,企业更倾向于选择使用具有温升控制优势的 DLP 技术。由 于 AR-HUD 虚拟图像距离较 W-HUD 增加,光学器件会变大,从而导致太阳辐照度水平可能会更高,进而导致受到很强太阳辐照的机会更大,温度上升的可能性显著升高,TFT 面板的吸收性很高,窄视角情况下,TFT尚能承受阳光倒灌导致的温度上升,宽视角下就无法承受。TFT的温度上限是105度,而DLP系统使用Diffuser,温度上限是150度。

TFT对阳光中可见光谱的吸收高达95%,这就导致其温度上升速度远高于DLP,由于阳光负载导致的薄膜晶体管(TFT)面板的温升比基于DLP技术的系统中所用的透射式微透镜阵列散射屏快6倍,从而使TFT面板更易受到太阳辐照度的损害。在85°C的环境温度下,由于其低光谱吸收和高工作温度的特性,HUD系统中采用DLP技术的Kuraray散射屏可以承受高达82kW/m2的太阳辐照度。这种热性能使DLP技术能够支持AR HUD中的长虚像距离。因DLP技术具有较强的温升控制优势,更适合用于AR-HUD。

如果我们回到奔驰的这套AR-HUD系统来看,它就是采用了DLP技术,其中的DMD(数字微镜)芯片使用了德州仪器最新的DLP5531(2018年下半年量产),有130万像素,FOV为10X5°,VID距离为33英尺即10米。

不过奔驰的这套DLP方案,也并非十全十美,较大的体积就是其中的弊端之一。奔驰的这套方案,体积已达到惊人的27升,这对于很多体型娇小的中小型车,简直是噩梦般的存在,即使重新设计仪表台和台内的风道,也无法容纳这样的庞然大物。所以将整套机构进一步小型化是未来的绝对趋势。

就目前而言,光波导技术(Waveguide)或许是一个好的解决方案,它将去掉传统HUD内部的机械光学机构,省略掉三重反射中的前两重,直接将光源信息投射到风挡玻璃之上。其占用体积可以是传统机械方案的1/10。但是由于光源将采用激光,且其间的光信号传导,将使用非常精密复杂的薄膜结构,目前的良品率仍然较低,成本较高,距离实际量产仍需时日。
走在规模化的大路上
奔驰S上的AR-HUD仅仅是激起产业热情的一颗石子,随后的精彩纷至沓来。目前已在欧洲跃升为新能源销量第一的ID.系列,便开始搭载了AR-HUD系统,尽管这套方案的价格更加亲民,但其意义更加宏大。目前ID.4即将进入中国市场,25万左右的价格区间,无疑比起奔驰S会收获更多的消费者。同时今年大众集团分别在中国市场上投放的第八代高尔夫以及新CC等新进车型上,都开始搭载W-HUD系统(是大陆的产品),HUD进入最广大消费群体的时代已经来临。
而在大众的带动下,其竞争对手们也已然纷纷跟进,甚至价格区间更低但突破品牌格局意愿更强的中国品牌,也开始尝试搭载AR-HUD产品,这样的市场前景或许值得从业者们的乐观情绪。
根据大陆提供的资料显示,在2030年的时候,现实增强抬头显示器整个市场量规模基本上接近于整个抬头显示器市场规模的一半以上,并且它的增长趋势是呈几何倍数的关系。而随着自动驾驶的发展,AR-HUD的发展将会继续向好。所以这一产业正走在朝阳之路上,并不必担心。
跨领域合作与融合或是最大挑战
不过,相对于体积、工艺与成本的挑战,BAO师傅个人认为AR-HUD走向真正的广泛应用,缺乏的是生态级的跨领域合作。AR-HUD与普通HUD的差别在哪里?可能有两点最为重要,一个是可视距离、角度更大,可呈现的信息会更多。第二点就是有强交互性。传感器的加入,让车辆可以和你在同样的视觉范畴内交流,并且可以在同一个画面中,与你分享它的信息和观点,关键是在并不影响驾驶安全的前提下,这就有着非常多的想象空间。

比如车辆开到了一个陌生的城市,驾驶员希望对眼前雄伟的建筑有所了解,便可以直接语音询问汽车:"我左前方的大楼叫什么名字?"车辆就会将这栋楼的名字通过AR-HUD显示出来;如果是在赛道上,我正在进行圈速的练习,车辆又能把最佳的入弯出弯路线和速度通过风挡玻璃直接在路中标出;如果我的前方有一辆大货车,挡住了红绿灯,这时我的车辆会把红绿灯信息在风挡上直接显示出来,避免误闯红灯……等等等等。
而这些还仅仅是基于驾驶层面的应用。此前碟中谍4电影中,汤姆·科鲁兹驾驶的宝马Vision Dynamic给人们留下了深刻印象,但原因并不仅是车辆炫酷的外形,而是其超级好用的,集成了AR-HUD功能的全屏可显示风挡玻璃,并且通过手势、语音等前沿操作方式,把车辆操作得如同移动电脑一般。这或许就是AR-HUD的未来!
AR-HUD,在BAO师傅看来,其意义更像是触摸电容屏之于手机,它成为了一个更直观、更适合汽车场景的人机交互方式。新的交互方式意味着,新的生态、新的时代。而新的生态、新的时代,需要的是更多不同领域、更多不同企业、更多不同人才的通力协作,才能够使其更加精彩。

其背后一定是传感器数据融合、人工智能算法匹配、专属应用适配等软件能力与硬件能力共同协作的结果。
同时,这一发展势必将不仅仅局限在汽车自身的固有领域,将会有更多的软件、硬件公司,非汽车类的娱乐、服务等圈外企业加入进来,才有可能使整个生态更完整,也更具活力。所以,目前对于企业而言,BAO师傅私以为,应该从两个方面同时着手,一方面改进硬件,加速普及,一方面,筹备与之配套的生态环境(可整合进整车的生态建设工作中),方可在变革真正到来的一天,做好充足的准备。
本文来源于汽车之家车家号作者,不代表汽车之家的观点立场。

10年前,当Elon Musk第一次介绍特斯拉Model S中控屏的时候,在场所有人都知道一个新时代来了,因为上一个用屏幕颠覆实体键盘的iPhone已经用实际行动完美证明了“智能”的力量。而且特斯拉的中控屏不仅在形式上取代了车上的实体按键,也确实颠覆了汽车座舱内的互动体验。从此“大屏”也就成为了智能汽车的标准配置。

即使10年后的今天,汽车厂商对“屏”的追求依旧执着。华为最新发布的AITO问界M5配备了10.4寸曲面全液晶仪表盘与15.6英寸半悬浮式中控大屏。高合HiPhi X除了14.6英寸仪表屏、16.9英寸中控屏以外,还配了一个19.9英寸副驾大屏。最新的理想ONE更是做到了“四屏联动”。除了造车新玩家以外,传统车企也在大屏上下足了功夫,宝马最新推出的iDrive 8采用了宝马有史以来最大、最清晰的曲面悬浮屏。而奔驰在其电动旗舰车型EQS中配备的屏幕,更是达到了1.4米!要知道这台车的宽度也不过1.9米。

但是反观“大屏”时代的开创者特斯拉,对车内屏幕的态度反而变得保守,在其最新发布的Model S Plaid版上也仅仅装了一个可以“左右移动”的17寸的屏幕。这就是让人不禁疑问,是特斯拉“卷不动”了?还是Elon Musk觉得技术可以另有突破?

2021年上海车展期间,华为不仅展示了技惊四座的自动驾驶技术,还发布了其最新的可以在7.5米的距离上投射70寸高清画幅的HUD技术,这就让在车载“大屏”中苦苦纠结的车企们看到了新的希望。

HUD(Head Up Display)又称抬头显示系统,是由战斗机光学瞄准器技术演化而来,能将车辆信息投射在车辆前挡风玻璃上,这样驾驶员就不用低头查看仪表信息,可以将视线一直保持在前方道路上,保证驾驶安全。随着技术的发展,车载HUD从最早只能显示速度,提醒图标等基础信息,渐渐演化到显示范围更大,画面更清晰,可以完全替代仪表盘的阶段。

自动驾驶技术的进步,可以让驾驶员或者车内乘员的注意力从路上解放出来,对HUD的娱乐功能就提出了更高的要求,也促使HUD向画面更大,显示更清晰的方向发展,前文提到的华为HUD就是此路线。

自动驾驶技术发展对HUD提出的另一个要求就是融合。自动驾驶系统要对周边环境感知后,在建立的虚拟空间中规划行驶路线。特斯拉人工智能部门总监Andrej Karpathy在2021年的Tesla AI Day上就提出,自动驾驶系统所建立的虚拟空间,需要做到“空间融合”,也就是识别的所有路上物体的位置都要对,以及“时间融合”,也就是不能有延时。

自动驾驶系统所建立的虚拟空间通常都会在车上大屏上显示出来供驾驶员监管。但是,当驾驶员视线脱离道路时也就失去了监管的意义,因此在HUD上实现虚拟信息和显示世界的融合就成了最佳的解决方案,也就催生出了AR-HUD。

AR-HUD在2021年初奔驰新S级上市时开始被广泛关注,那个四处飘的箭头就成为各大车企的必备演示功能。在刚刚结束的2022CES展上,AR-HUD也成为了各大厂商争相发力的新赛道。

松下汽车发布了带有眼球追踪技术的AR-HUD 2.0,可根据司机的注视点变化来优化适眼距,保证不管司机如何移动头部和视线,都可以享受清晰、准确的AR导航效果。高通骁龙汽车驾驶舱平台将引入Phiar的计算机视觉和空间AI技术,来实现可感知环境和导航的车载AR HUD系统。CY Vision发布了具有3D显示、动态对焦显示、眼球追踪、AR图像模拟人眼视觉效果、大视场角、高亮度、适用于各种距离和天气条件的下一代AR-HUD,并宣布与宝马合作研发最新的AR技术。EyeLights 和 AGC 联手将工业化的 AR 功能引入系列车辆,并声称可以在50m的投影距离投射达550英寸虚拟屏幕。

虽然AR-HUD在CES 2022上又开始了“卷”的趋势,但是AR-HUD从技术实现上并不容易。你可能会经常看到这种利用“借位”的魔术视频,但是如果在现场的话,这种“魔术”会很容易被拆穿,因为相对于“独眼”的摄影机来说,人类的两只眼睛对于物体的空间和距离的感知要敏感的多。这就会导致人眼如果想看清楚近处的物体,远处的就看不清,而想看到远处的物体,近处的物体就会非常干扰视线。

目前多数HUD的技术只是在车前一个固定距离投射出二维画面。如果在这个画面上利用动画效果来模拟融合就会像上文提到的“借位”魔术一样,很尴尬~以奔驰S级发布的这段AR-HUD演示视频为例,虚拟箭头虽然会随着方向盘的转动而移动,但是当目光盯在箭头上的时候,远处的道路就是虚的,当把目光的焦点放在远处道路上的时候,近处的箭头就成乱闪的一团蓝。

因此对于AR-HUD而言,虚拟信息投射的距离就不能是固定的,需要和现实物体的位置匹配才能做到不干扰驾驶。而且路上的人,车和环境非常复杂,所以AR-HUD投射信息的空间不是一个面,而是一个拥有深度的3D光场,而且在光场中投射的信息和自动驾驶所感知的虚拟环境一样,需要做到位置精准的空间融合以及“零延时”的时间融合。目前全球范围内拥有这项显示技术的公司寥寥无几,总部位于苏黎世的全息增强现实创业公司WayRay宣称其Deep Reality Display技术可以实现在不同距离上投射虚拟信息,实现真正的“True AR”。

如果能做到虚拟和现实的完美融合,AR-HUD的想象空间就不仅仅局限在投射驾驶信息了。2021年Facebook创始人Zuckerberg提出了震惊世界的“元宇宙”概念,而在元宇宙的概念中最核心的就是虚实结合的沉浸式交互体验,WayRay也顺势发布了“Metaverse on Wheels”的Holograktor概念车。目前WayRay仅凭借 “True AR”的概念就已经收到了阿里巴巴,保时捷,现代汽车等巨头合计1.4亿美元的融资,可见市场对真正AR-HUD技术未来的期待。

除了WayRay,国内的一家创业公司未来黑科技(FUTURUS)也拥有3D光场AR-HUD的技术,FUTURUS独家光场AR-HUD系统可以实现HUD画面虚像从4米到无穷远的连续变焦,可以真正实现光学级别的虚拟和实景道路的完美融合。目前,FUTURUS已经成功完成了3D光场AR HUD实车硬件的三代迭代,系统已经实际路测优化了3年之久。有消息称,该公司会在2022年的北京车展上会发布其AR-HUD产品。

除了创业公司,科技巨头苹果也将AR-HUD作为颠覆汽车的秘密武器之一。2021年美国专利商标局授予了苹果公司一项泰坦项目专利:光场抬头显示器(light-field head up display)。其专利内容显示,苹果汽车上的HUD“可以是一个光场显示器,它产生的光场输出允许观看者观察平视显示器上的三维内容。光场显示单元的阵列和相应的透镜可用于将光场输出导向观看者。透镜可以将显示单元的重叠光场输出引向观看者,从而在车窗上形成一个放大的无缝光场观看区。”

2007年,苹果重新发明手机,用一块干净的屏幕革了键盘手机的命。2012年,特斯拉发布的Model S也用一块屏幕,彻底颠覆了汽车座舱的互动体验。在10年后的今天,随着HUD技术的发展,一场“无屏”胜“有屏”的革命可能已经拉开序幕,让我们拭目以待。




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无卸盐酸: ARHUD 增强现实抬头显示器.目前在国内挺火爆的,如果产品能集成到汽车前挡风玻璃上面,又会多一大卖点.18年的百度世界大会展示出来的ARHUD技术(由深圳疆程技术有限公司),已经结合了导航、车速、ADAS等信息,并通过与现实场景的结合实现虚拟图像的叠加显示,酷炫感十足.

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