SAE眼橢圓和RAMSIS眼點(diǎn)在儀表板盲區(qū)校核上的比較

杜子學(xué)，伍 毅

Du Zixue，Wu Yi

（重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074）

0 前言

駕駛員視野設(shè)計(jì)在汽車行駛過(guò)程中是影響汽車主動(dòng)安全的一個(gè)主要因素[1]。儀表板是汽車行駛狀態(tài)等相關(guān)信息匯總顯示的區(qū)域，駕駛員在駕駛過(guò)程中，要知道汽車行駛過(guò)程中的工作狀態(tài)信息，就得經(jīng)常留意儀表板上顯示的各種信息。而視線在通過(guò)轉(zhuǎn)向盤觀察儀表板的過(guò)程中，會(huì)受到轉(zhuǎn)向盤的部分阻礙，例如轉(zhuǎn)向盤的輪緣、輪輻和輪轂等部分，從而會(huì)在儀表板上產(chǎn)生視線看不到的區(qū)域，叫作儀表板盲區(qū)。若是儀表板所要顯示的信息恰好在盲區(qū)的覆蓋區(qū)域范圍中，則會(huì)影響駕駛員對(duì)汽車行駛狀態(tài)信息的掌握，從而降低汽車行駛的安全性，為了保證操作的準(zhǔn)確性和降低駕駛員的疲勞程度，儀表板的顯示布置區(qū)域應(yīng)該在駕駛員盡量可能少的頭部和眼睛運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，能看清儀表板顯示的所有信息，所以，對(duì)于儀表板盲區(qū)的校核問題應(yīng)當(dāng)給予足夠的重視。

1 SAE眼橢圓

汽車駕駛員眼橢圓的概念是美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)（SAE）車身工程委員會(huì)人體模型分會(huì)研究提出的，他們通過(guò)對(duì)美國(guó)各州及少數(shù)歐洲、亞洲和其他國(guó)家的2 300多名男、女駕駛員進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定和統(tǒng)計(jì)分析后，得出了汽車駕駛員眼睛位置在縱向垂直面和水平面上的分布范圍都呈橢圓形的結(jié)論。SAE眼橢圓有九十百分位、九十五百分位和九十九百分位3種模型，分別表示相對(duì)應(yīng)百分位人體模型的眼橢圓分布規(guī)律。眼橢圓測(cè)定方法是讓不同身材的駕駛員按自己的意愿將座椅調(diào)整到適宜位置，并以正常的駕駛坐姿入座后，得到的他們眼睛位置在車內(nèi)坐標(biāo)系中的統(tǒng)計(jì)分布圖形，這個(gè)圖形呈橢圓形狀，因此被稱為眼橢圓。眼橢圓的確立為汽車視野設(shè)計(jì)提供了視點(diǎn)基準(zhǔn)。

2 SAE眼橢圓在儀表板盲區(qū)校核上的應(yīng)用[2]

首先在RAMSIS中，按照現(xiàn)有的布置設(shè)計(jì)方案建立車身內(nèi)部模型，選取中國(guó)地區(qū)的九十五百分位男性人體模型，年齡范圍是20～60歲，以RAMSIS推薦的汽車駕駛姿勢(shì)擺放，此時(shí)男性人體模型的H點(diǎn)即為座椅的設(shè)計(jì)參考點(diǎn)——R點(diǎn)。如圖1所示。

為求得九十五百分位的眼橢圓模型，列出各相關(guān)的硬點(diǎn)尺寸，如表1。

表1 與G因子相關(guān)的各硬點(diǎn)尺寸值

與眼橢圓相關(guān)的尺寸標(biāo)注見圖2。

由眼橢圓計(jì)算公式可得到眼橢圓中點(diǎn)的坐標(biāo)值[3]。

X c=L 1+664+0.587*L 6-0.176*H 30-12.5*t=899.626 8 Y=W 20=0

Z c=H 8+638+H 30=891.8

由座椅的調(diào)節(jié)行程查表后可得到相應(yīng)的九十五百分位的眼橢圓的尺寸，如表2所示。

表2 眼橢圓尺寸

在RAMSIS中建立九十五百分位的眼橢圓模型，如圖3所示。

為了觀察方便，把儀表板平面、轉(zhuǎn)向盤和眼橢圓抽離出來(lái)進(jìn)行儀表板盲區(qū)校核。如圖4所示。

2.1 轉(zhuǎn)向盤輪緣盲區(qū)

分別過(guò)左、右眼橢圓中心點(diǎn)作與轉(zhuǎn)向盤輪緣上外邊緣和下內(nèi)邊緣的一系列切線，其切線與儀表板工作平面相交得到一系列的交點(diǎn)，將其交點(diǎn)依次連接所圍成的區(qū)域即為轉(zhuǎn)向盤輪緣的盲區(qū)，而只過(guò)左眼橢圓中心點(diǎn)或只過(guò)右橢圓中心點(diǎn)而得到的盲區(qū)叫做單眼盲區(qū)，左單眼盲區(qū)和右單眼盲區(qū)的公共部分叫特征盲區(qū)。如圖5所示。

過(guò)左、右眼橢圓中心點(diǎn)連線得到的中點(diǎn)作一射線通過(guò)轉(zhuǎn)向盤輪緣上部的中心點(diǎn)，與儀表板工作平面相交得到一交點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)是在特征盲區(qū)中最不容易被觀察到的點(diǎn)，叫做最嚴(yán)重障礙點(diǎn)（C點(diǎn)）。以左、右眼橢圓中心點(diǎn)連線得到的中點(diǎn)作與左、右眼橢圓同樣尺寸的中央眼橢圓，過(guò)轉(zhuǎn)向盤輪緣上部的中心點(diǎn)作與中央眼橢圓的一系列切線，其切線與儀表板工作平面相交得到一系列的交點(diǎn)，而交點(diǎn)圍成的橢圓就是C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。如圖6所示。

將C點(diǎn)固定在特征盲區(qū)上，移動(dòng)C點(diǎn)時(shí)特征盲區(qū)隨之一起移動(dòng)，讓C點(diǎn)沿著C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡移動(dòng)一周，此時(shí)特征盲區(qū)在儀表板工作平面上所掃過(guò)的區(qū)域就是雙眼總盲區(qū)。如圖7所示。

2.2 轉(zhuǎn)向盤輪轂和輪輻的盲區(qū)

過(guò)轉(zhuǎn)向盤輪轂的中心點(diǎn)分別作左、右眼橢圓最下端的切線，將得到的2個(gè)切點(diǎn)分別作為左、右眼點(diǎn)。分別過(guò)這2個(gè)眼點(diǎn)作轉(zhuǎn)向盤輪轂上部和輪輻上部的一系列切線，其切線與儀表板工作平面相交得到一系列交點(diǎn)，交點(diǎn)連線下方的區(qū)域就是兩眼點(diǎn)的盲區(qū)。而兩眼點(diǎn)盲區(qū)的公共部分即為轉(zhuǎn)向盤輪轂和輪輻的總盲區(qū)。如圖8所示。

2.3 總盲區(qū)

把上述的雙眼總盲區(qū)和轉(zhuǎn)向盤輪轂和輪輻的總盲區(qū)合并在一起即得到九十五百分位眼橢圓下的儀表板總盲區(qū)，總盲區(qū)中間部分即為可視范圍，即儀表板顯示信息的布置區(qū)域。如圖9所示。

由圖5可知，儀表板的盲區(qū)把儀表板顯示部位的上半部分給遮擋了，而儀表板顯示部位的下部和盲區(qū)之間仍有可視部分沒有被利用上，所以這種設(shè)計(jì)是不合理的，可以通過(guò)改變轉(zhuǎn)向盤的高度和角度來(lái)調(diào)節(jié)儀表板的可視部分，也可通過(guò)調(diào)節(jié)儀表板的位置使其顯示部分處在不被盲區(qū)所遮擋的位置。

3 RAMSIS眼點(diǎn)在儀表板盲區(qū)校核上的應(yīng)用

RAMSIS是在國(guó)際上應(yīng)用廣泛的人機(jī)工程軟件，主要用來(lái)模擬仿真人體模型的動(dòng)作行為，并對(duì)其進(jìn)行人機(jī)工程分析。主要應(yīng)用在汽車人機(jī)工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，在已有的初步設(shè)計(jì)模型基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)駕駛員行為的模擬仿真，對(duì)其進(jìn)行人機(jī)工程分析后，能得知現(xiàn)有的設(shè)計(jì)是否滿足人機(jī)工程的要求，以便在設(shè)計(jì)前期能及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，從而避免了設(shè)計(jì)后期發(fā)現(xiàn)不適才進(jìn)行修改而帶來(lái)的種種麻煩，這有利于節(jié)省設(shè)計(jì)的時(shí)間和成本[4]。RAMSIS中有8個(gè)國(guó)家的人體測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)，其中包括中國(guó)的人體測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)，中國(guó)人的身高分布比例和身體各部分的比例，與同是亞洲的韓國(guó)與日本有一定的差距，與歐美更是不同，相對(duì)于針對(duì)中國(guó)人的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，這點(diǎn)比眼橢圓更有優(yōu)勢(shì)。RAMSIS眼點(diǎn)則是在相應(yīng)百分位下人體模型中眼睛的確定點(diǎn)，該眼點(diǎn)在RAMSIS中能直接用于視野校核。

RAMSIS視野分析模塊能夠自動(dòng)計(jì)算得到當(dāng)前人體模型眼點(diǎn)的位置，并對(duì)其進(jìn)行視野分析，從人體模型的眼點(diǎn)出發(fā)，用同心圓和同心圓錐表示視野范圍，形象直觀，并且同心圓錐的頂點(diǎn)就是人體模型的眼點(diǎn)，而其頂角是通過(guò)研究一系列的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的[5]。在RAMSIS視野分析模塊中，還有后視鏡仿真模擬功能，在對(duì)后視鏡的形狀大小設(shè)定后，能自動(dòng)計(jì)算得到經(jīng)后視鏡放射的視野范圍。而在儀表板盲區(qū)校核上，要應(yīng)用到視野限制功能，在選定人體模型的眼點(diǎn)后，把轉(zhuǎn)向盤作為視野障礙物，儀表板顯示面作為投影面，RAMSIS則會(huì)自動(dòng)計(jì)算在投影上得到的盲區(qū)范圍，每個(gè)眼點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)盲區(qū)。

首先在RAMSIS中創(chuàng)建九十五百分位的男性人體模型，選擇地區(qū)為中國(guó)，年齡范圍為20～60歲，中等身材。按照現(xiàn)有的設(shè)計(jì)對(duì)人體模型進(jìn)行正確的擺放，同時(shí)保證人體模型的H點(diǎn)和設(shè)計(jì)H點(diǎn)相重合，以便對(duì)儀表板盲區(qū)校核的結(jié)果與相應(yīng)的眼橢圓得到的結(jié)果進(jìn)行比較分析。

分別對(duì)人體模型的左、中、右眼點(diǎn)進(jìn)行儀表板盲區(qū)校核，選擇轉(zhuǎn)向盤為障礙物，儀表板平面為投影目標(biāo)，如圖10所示。

刪去視野軌跡后，在儀表板平面上留下轉(zhuǎn)向盤在儀表板平面的投影，即可認(rèn)為是九十五百分位男性的儀表板盲區(qū)，如圖11所示。

同理可對(duì)五百分位的女性人體模型進(jìn)行儀表板盲區(qū)的校核，如圖12所示。

將九十五百分位男性人體模型的儀表板盲區(qū)和五百分位女性人體模型的儀表板盲區(qū)合并在一起，即可得到在RAMSIS下的儀表板總盲區(qū)，如圖13所示。

由圖可知，儀表板的盲區(qū)把儀表板顯示部位的上半部分給遮擋了，而儀表板顯示部位的下部和盲區(qū)之間幾乎是緊貼著的。儀表板的可視范圍非常小，儀表板所顯示的數(shù)據(jù)并不能全部被駕駛員所觀察到，所以這種設(shè)計(jì)是不合理的。得到結(jié)論和在眼橢圓下儀表板盲區(qū)校核得到的結(jié)果基本一致，解決方法是可以通過(guò)改變轉(zhuǎn)向盤的高度和角度來(lái)調(diào)節(jié)儀表板的可視部分，也可通過(guò)調(diào)節(jié)儀表板的位置使其顯示部分處在不被盲區(qū)所遮擋的位置。

4 對(duì)SAE眼橢圓和RAMSIS眼點(diǎn)在儀表板盲區(qū)校核上的比較分析

把由眼橢圓得到的儀表板總盲區(qū)和由RAMSIS得到的儀表板總盲區(qū)合并在一起進(jìn)行比較分析，如圖14所示。

通過(guò)圖14可以看到，從轉(zhuǎn)向盤輪緣盲區(qū)上來(lái)比較，由眼橢圓得到的儀表板可視范圍比RMASIS得到的轉(zhuǎn)向盤輪緣盲區(qū)范圍略微狹窄，而從轉(zhuǎn)向盤輪轂和輪輻盲區(qū)上來(lái)比較，依舊是眼橢圓得到的轉(zhuǎn)向盤輪轂和輪輻盲區(qū)范圍比由RMASIS得到的轉(zhuǎn)向盤輪轂和輪輻盲區(qū)范圍略微狹窄，換句話說(shuō)，即是RAMSIS在儀表板盲區(qū)的校核要求上要比眼橢圓的略高。

5 結(jié)束語(yǔ)

SAE眼橢圓是從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度描述駕駛員的眼點(diǎn)位置的，而RAMSIS眼點(diǎn)則從個(gè)體優(yōu)化的角度描述眼點(diǎn)[6]。對(duì)于儀表板盲區(qū)校核來(lái)說(shuō)，將眼橢圓和RAMSIS兩者相結(jié)合共同進(jìn)行設(shè)計(jì)，能得到更為良好的效果。

［1］毛恩榮，張紅，宋正河.車輛人機(jī)工程學(xué)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2007.

［2］黃金陵.汽車車身設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［3］SAE J1050-JAN2003-Describing and Measuring the Driver's Field of View.

［4］趙尚義.RAMSIS軟件在汽車人機(jī)工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.Equipment Manufactring Technology，2008，（7）:64-66.

［5］基于RAMSIS的轎車內(nèi)部人機(jī)工程布置與分析［D］.吉林：吉林大學(xué)，2007.

［6］周昊.Ramsis眼點(diǎn)在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.汽車技術(shù)，2004，（9）：8-11.