汽車人機(jī)工程視野校核設(shè)備與VR技術(shù)的結(jié)合

陳子龍 溫佳鑫 王 哲 譙 航 黃培雨

（西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，四川成都610039）

0 引言

汽車人機(jī)工程學(xué)中的視野設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常重要的內(nèi)容，是汽車主動安全的主要影響因素。現(xiàn)階段汽車進(jìn)行視野校核通常采用三種方法，第一種是軟件建立好模型后計(jì)算，第二種是利用模型生成圖紙，在圖紙中測量或標(biāo)注，但是這兩種方式無法滿足實(shí)際的觀察要求，是否滿足駕駛員的駕駛習(xí)慣也無法確定；第三種是制作實(shí)物模型后進(jìn)行評價，但費(fèi)用高昂。

1 與VR技術(shù)結(jié)合的汽車用人機(jī)工程視野校核設(shè)備介紹

系統(tǒng)簡圖如圖1～圖5所示，待測汽車內(nèi)的駕駛員座椅上設(shè)置固定支架，固定支架上設(shè)置可多方向移動的多軸機(jī)械手11，11上端的端部安裝水平設(shè)置的夾爪13；13可繞經(jīng)過自身中心點(diǎn)的豎直軸線旋轉(zhuǎn)，13的外端設(shè)置兩個相互平行、水平放置的模擬光源12，為了有效保證13的旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)模擬人體頭部轉(zhuǎn)動點(diǎn)，兩個12中心點(diǎn)之間的距離為65 mm，兩個12連線中點(diǎn)至13的旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)的水平距離為99 mm。

圖1 系統(tǒng)正視圖

圖2 系統(tǒng)俯視圖

模擬光源12是與人眼尺寸一致的橢圓形球殼，中心點(diǎn)處設(shè)置發(fā)光體14，12的殼體面向汽車前方的部分是透光區(qū)15，15的范圍是以模擬光源中心點(diǎn)為原點(diǎn)且經(jīng)過12中心點(diǎn)，分別向前上方、前下方傾斜45°的第一斜面與12表面的交線構(gòu)成上、下邊界；以12中心點(diǎn)為原點(diǎn)且經(jīng)過模擬光源中心點(diǎn)，分別向左前方、右前方傾斜60°的第二斜面與12的表面的交線構(gòu)成左、右邊界，上、下邊界與左、右邊界相連形成的四邊形區(qū)域即為透光區(qū)15；第一斜面與汽車縱向中心所在的豎直面垂直，第二斜面與水平面垂直；12的上表面、下表面上分別設(shè)置車內(nèi)第一激光掃描儀51、車內(nèi)第二激光掃描儀52。

圖3 眼橢圓模擬示意圖

圖4 操作人員使用系統(tǒng)示意圖

圖5 眼橢圓模型結(jié)構(gòu)示意圖

待測汽車周圍設(shè)置光線接收裝置30，30包括分別位于待測汽車前方、側(cè)方、后方的前向光電接收板31、側(cè)向光電接收板32、后向光電接收板33，30中相應(yīng)位置設(shè)置多個車外第一激光掃描儀53；待測汽車的正上方設(shè)置可沿汽車縱向方向移動的車外第二激光掃描儀54；51、52、53、54共同構(gòu)成激光掃描裝置50；控制器5內(nèi)設(shè)置三維建模軟件以及將三維模型轉(zhuǎn)為VR模型的中間軟件，人工校核設(shè)備60包括一個可由控制器5控制其靠背傾角的測試座椅62，62的尺寸與待測汽車駕駛員座椅一致；62附近設(shè)置的攝像頭63與VR眼鏡61通信，使63可以拍攝61相對于62的位置。

2 汽車用人機(jī)工程視野校核設(shè)備使用方法

進(jìn)行測試時的步驟包括汽車參數(shù)設(shè)置、視野校核、人工校核。

汽車參數(shù)設(shè)置步驟：控制器5在三維建模軟件中以地面為水平面，以汽車左、右前輪中心連線所在的豎直面為橫向面，以汽車縱向中心對稱面為縱向面建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系；將11固定在駕駛員座椅上，將駕駛員座椅調(diào)整到最后，然后調(diào)整11，使13位于特定位置；51、52掃描駕駛員座椅靠背的傾角，控制器5控制人工校核設(shè)備60，使測試座椅62的傾角與駕駛員座椅靠背的傾角一致。

然后順次進(jìn)行以下步驟：

（1）53、54配合掃描出汽車A柱、B柱、前擋風(fēng)玻璃、車門玻璃、后擋風(fēng)玻璃的外側(cè)輪廓參數(shù)及位置參數(shù)，以及車外后視鏡21的鏡面尺寸參數(shù)及位置參數(shù)；控制器5分別提取13繞自身旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)的位置、12中心點(diǎn)的位置，并標(biāo)記在三維建模軟件中，然后在三維軟件中將第95百分的人體眼橢圓三維模型的中心點(diǎn)與模擬光源12中心點(diǎn)重合，再將人體眼橢圓三維模型的表面離散成多個移動點(diǎn)位，以13繞自身旋轉(zhuǎn)的中心點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，將夾爪13繞旋轉(zhuǎn)點(diǎn)、面向汽車前方相對于縱向面左、右分別旋轉(zhuǎn)90°的角度范圍離散成多個旋轉(zhuǎn)角點(diǎn)，然后將多個移動點(diǎn)位的坐標(biāo)參數(shù)以及多個旋轉(zhuǎn)角點(diǎn)的角度參數(shù)發(fā)送給多軸機(jī)械手11并控制其運(yùn)動，使12的中心點(diǎn)第一次經(jīng)過全部移動點(diǎn)位；經(jīng)過每個移動點(diǎn)位時，13繞旋轉(zhuǎn)點(diǎn)向左、右方向各90°范圍內(nèi)分別轉(zhuǎn)過全部旋轉(zhuǎn)角點(diǎn)后12再移動至下一個移動點(diǎn)位；12移動過程中13始終保持水平狀態(tài)；13位于每一個旋轉(zhuǎn)角點(diǎn)時，12上設(shè)置的51、52實(shí)時掃描車內(nèi)的A柱、B柱、前擋風(fēng)玻璃、車門玻璃、后擋風(fēng)玻璃的內(nèi)側(cè)輪廓參數(shù)及位置參數(shù)，以及車內(nèi)后視鏡22的鏡面尺寸參數(shù)及位置參數(shù)。

（2）控制器5將步驟（1）中激光掃描裝置50掃描的參數(shù)導(dǎo)入三維建模軟件中，分別建立汽車A柱、B柱、前擋風(fēng)玻璃、車門玻璃、后擋風(fēng)玻璃的三維模型及各自的位置參數(shù)，以及車外后視鏡21、車內(nèi)后視鏡22的三維模型及各自位置參數(shù)，形成視野校核用三維模型，然后將視野校核用三維模型轉(zhuǎn)換成VR三維模型。

視野校核步驟包括順次進(jìn)行的以下步驟：

（3）模擬光源12的中心點(diǎn)第二次經(jīng)過全部移動點(diǎn)位。

（4）步驟（3）中，12在每個移動點(diǎn)位時，13繞旋轉(zhuǎn)點(diǎn)轉(zhuǎn)過全部旋轉(zhuǎn)角點(diǎn)后，12再移動至下一個移動點(diǎn)位。

（5）步驟（4）中，光線接收裝置30接收12位于每個旋轉(zhuǎn)角點(diǎn)時發(fā)出的光線，并將此時30受到照射的區(qū)域邊界參數(shù)發(fā)送給控制器5。

（6）步驟（5）中，控制器5根據(jù)視野校核用三維模型、12所在移動點(diǎn)位的位置、13的旋轉(zhuǎn)角點(diǎn)的角度參數(shù)進(jìn)行判斷，如果12照射到車外后視鏡21或車內(nèi)后視鏡22，則進(jìn)入步驟（7），否則進(jìn)入步驟（8）。

（7）當(dāng)12照射到車外后視鏡21時，控制器5計(jì)算12在相應(yīng)的某個移動點(diǎn)位的多個旋轉(zhuǎn)角點(diǎn)中，所有可以照射到后向光電接收板33的區(qū)域邊界之和，并將該區(qū)域邊界之和標(biāo)記為車外后鏡視區(qū)，然后將12運(yùn)動到不同移動點(diǎn)位形成的多個車外后鏡視區(qū)中面積最小的一個標(biāo)記為第一間接視區(qū)；當(dāng)12照射到車內(nèi)后視鏡22時，控制器5計(jì)算12在相應(yīng)的某個移動點(diǎn)位的多個旋轉(zhuǎn)角點(diǎn)中，所有可以照射到后向光電接收板33的區(qū)域邊界之和，并將該區(qū)域邊界之和標(biāo)記為車內(nèi)后鏡視區(qū)，然后將12運(yùn)動到不同移動點(diǎn)位形成的多個車內(nèi)后鏡視區(qū)中面積最小的一個標(biāo)記為第二間接視區(qū)；然后進(jìn)入步驟（9）。

（8）控制器5計(jì)算12在相應(yīng)的某個移動點(diǎn)位的多個旋轉(zhuǎn)角點(diǎn)中，所有可以照射到前向光電接收板31的區(qū)域之和或可以照射到側(cè)向光電接收板32的區(qū)域之和，分別標(biāo)記為前向視區(qū)或側(cè)向視區(qū)，并將多個移動點(diǎn)位的前向視區(qū)中面積最小的標(biāo)記為第一直接視區(qū)，將多個移動點(diǎn)位的側(cè)向視區(qū)中面積最小的標(biāo)記為第二直接視區(qū)，第一直接視區(qū)與第二直接視區(qū)之和標(biāo)記為直接視區(qū)；將12照射到A柱時前向光電接收板31始終未接收到光線的區(qū)域記為A柱雙目盲區(qū)；將模擬光源12照射到B柱時側(cè)向光電接收板32始終未接收到光線的區(qū)域記為B柱雙目盲區(qū)；然后進(jìn)入步驟（9）。

（9）控制器5將人體眼橢圓三維模型及位置參數(shù)導(dǎo)入VR軟件中形成標(biāo)準(zhǔn)眼橢圓范圍并進(jìn)入步驟（10）。

人工校核步驟包括順次進(jìn)行的以下步驟：

（10）測試人員佩戴VR眼鏡61后坐在測試座椅62上，眼睛水平目視前方，攝像頭63讀取此時VR眼鏡61位置，控制器5根據(jù)VR眼鏡61的位置計(jì)算出測試人員的人眼位置，當(dāng)測試人員的人眼位置位于標(biāo)準(zhǔn)眼橢圓范圍內(nèi)時，則進(jìn)入步驟（11），否則提示重新調(diào)整坐姿，并重復(fù)步驟（10）。

（11）測試人員在VR空間中眼睛前后左右移動同時水平旋轉(zhuǎn)頭部，利用VR三維模型觀察VR三維模型外側(cè)特定位置的標(biāo)定物，如果可以看到標(biāo)定物，則進(jìn)入步驟（12）；如果無法看到標(biāo)定物，則進(jìn)入步驟（13）。

（12）測試結(jié)束。

（13）控制器5將此時測試人員的人眼位置添加到多個移動點(diǎn)位中，然后重新進(jìn)行步驟（3）～（11）。

3 結(jié)語

激光掃描裝置掃描待測汽車后建立汽車的VR用三維模型，光線接收裝置配合模擬光源、多軸機(jī)械手可以自動完成視野校核的全部內(nèi)容，測試人員在VR空間中直接觀察汽車VR模型，觀察效果良好，提高了人工校核步驟的測試精度和準(zhǔn)確性，同時提高了主觀評價準(zhǔn)確性。