基于人機(jī)工程學(xué)的汽車組合儀表的設(shè)計(jì)方法

趙國(guó)棟 劉偉東 劉國(guó)亮

（一汽轎車股份有限公司,長(zhǎng)春 130011）

主題詞：人機(jī)工程學(xué) 組合儀表 設(shè)計(jì) HMI

1 前言

汽車人機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)相互作用相互依賴的、由“駕駛員”和“汽車”結(jié)合而成，具有特定的乘客或載物功能的運(yùn)動(dòng)體，它是一個(gè)典型的三要素模型。汽車通過(guò)顯示裝置顯示必要的信息，駕駛員通過(guò)讀取信息，并做出相應(yīng)的反應(yīng)，控制相關(guān)車載設(shè)備，或使汽車按人的意志進(jìn)行動(dòng)作，這種駕駛員與汽車交互的界面稱之為人機(jī)界面（HMI，如圖1所示）。

圖1 汽車人機(jī)界面（HMI）

在汽車的人機(jī)界面中，駕駛員通過(guò)“顯示裝置”獲得汽車運(yùn)行的相關(guān)信息，并且經(jīng)過(guò)駕駛?cè)藛T大腦的信息加工，快速進(jìn)行決策，最終駕駛員通過(guò)人機(jī)界面的操作裝置向汽車發(fā)出指令，從而改變汽車的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，實(shí)現(xiàn)從駕駛員到汽車的信息傳遞[1]。而汽車組合儀表無(wú)疑是“顯示裝置”中最重要的組成部分，駕駛員會(huì)在行駛過(guò)程中通過(guò)組合儀表獲取車速、轉(zhuǎn)速、剩余油量、水溫等重要信息。為保證汽車儀表能滿足大多數(shù)人的駕駛習(xí)慣，組合儀表應(yīng)在前期設(shè)計(jì)就開始介入，尤其在造型階段做好可行性分析。組合儀表的設(shè)計(jì)一般遵循以下幾方面的原則：

?最少顯示界面布局原則，以減少駕駛員信息傳遞和分析時(shí)間，同時(shí)避免產(chǎn)生儀表間的視覺混亂；

?最精確的顯示原則，以減少誤讀，提高駕駛員的反應(yīng)能力和降低視覺疲勞[2]；

?最自然的顯示格式，以便駕駛員用自然、習(xí)慣性的理解和辨識(shí)方法去分析和處理信息，減少誤讀率；

?最有效的布置技術(shù)，以便駕駛員有一個(gè)好的識(shí)讀環(huán)境和識(shí)讀位置；

?優(yōu)化顯示特性，創(chuàng)造出看得見、顯而易見、看的清楚和好理解的特征。

組合儀表的一般設(shè)計(jì)流程如圖2。

圖2 組合儀表設(shè)計(jì)流程

2 組合儀表的設(shè)計(jì)

2.1 組合儀表表盤的定位

組合儀表表盤的定位主要從兩方面著手：一是組合儀表表盤中心位置的確定；二是組合儀表表盤角度的確定。

◆組合儀表表盤中心位置與眼橢圓之間的距離一般取750±50 mm，最大不能超過(guò)850 mm最小不能小于450 mm(如圖3所示)；

◆由于駕駛員大多通過(guò)方向盤上半輪緣去觀察儀表，故為保證儀表盤水平方向上的視野良好，一般要求儀表盤中心與方向盤中心重合[3]；

◆組合儀表表盤中心X/Z值的確定：人在觀察某一事物時(shí)，其頭部自然轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍上下各為30°，左右各為45°，在此范圍內(nèi)人眼睛自然轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為上下各 15°，左右各15°[4]；基于上述角度范圍，儀表盤中心與眼橢圓中心連線與水平面的夾角應(yīng)控制在15～45°范圍之內(nèi)。通過(guò)目視距離和組合儀表平面角度的限制，可以得到組合儀表中心的X/Z值（如圖3所示）；

◆為減小誤差，視線應(yīng)盡量與觀察表面垂直，故儀表盤平面與儀表盤中心與眼橢球中心連線的夾角一般控制在90°左右，允許有上下10°的偏差[3]（如圖3所示）；

圖3 組合儀表表盤的定位

2.2 組合儀表可視區(qū)域的定義

駕駛員在行車過(guò)程中要通過(guò)觀察組合儀表獲得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速等重要信息，但是在觀察組合儀表時(shí)，駕駛員的視線會(huì)被方向盤的輪緣、輪輻和輪轂等障礙物所遮擋，方向盤輪緣、輪輻和輪轂會(huì)在組合儀表顯示面上形成相應(yīng)的盲區(qū)[5]，影響駕駛員對(duì)儀表信息的讀取，降低人機(jī)之間信息的傳遞效率，影響駕駛安全。因此儀表所顯示的重要信息應(yīng)布置在駕駛員雙眼盲區(qū)之外。

◆方向盤輪緣造成的雙眼盲區(qū)

?首先確定組合儀表的工作平面，將方向盤3D模型調(diào)整到設(shè)計(jì)位置；

?參照SAE J941標(biāo)準(zhǔn)[6]構(gòu)建95百分位眼橢圓，并求出左右眼橢圓中心點(diǎn)，同時(shí)做出中間眼橢圓；

?建立特征盲區(qū)

●由左側(cè)眼點(diǎn)向方向盤輪緣內(nèi)外圈做切線，求出切線和組合儀表工作面的交點(diǎn)，求出左側(cè)眼點(diǎn)的單眼盲區(qū)（圖4所示）；

圖4 左側(cè)單眼盲區(qū)位置

●由右側(cè)眼點(diǎn)向方向盤輪緣內(nèi)外圈做切線，求出切線和組合儀表工作面的交點(diǎn)，求出右側(cè)眼點(diǎn)的單眼盲區(qū)（圖5所示）；

圖5 右側(cè)單眼盲區(qū)位置

●左右眼點(diǎn)單眼盲區(qū)的交集為雙眼盲區(qū)（圖6所示）；

圖6 雙眼盲區(qū)位置

?定義C點(diǎn)和做出封閉曲線

●C點(diǎn)：求出方向盤輪緣上半部分在過(guò)方向盤中心的Y平面內(nèi)的中心點(diǎn)，過(guò)此點(diǎn)與左右眼點(diǎn)連線的中點(diǎn)作直線，此直線與雙目盲區(qū)的特征區(qū)域的交點(diǎn)即為C點(diǎn)；

●封閉曲線：以方向盤輪緣上半部分Y平面內(nèi)的中心點(diǎn)作中間眼橢圓上、下、左、右的切線，求出這四條切線與儀表工作平面的交點(diǎn)，即可做出一條封閉曲線，一般來(lái)說(shuō)，這條封閉曲線是一個(gè)橢圓。

?輪緣雙眼總盲區(qū)的建立

將特征盲區(qū)從C點(diǎn)依次移到工作平面封閉曲線上各點(diǎn)，做這些特征盲區(qū)的包絡(luò)面，即為由方向盤輪緣引起的雙眼盲區(qū)（如圖7所示）；

圖7 雙眼總盲區(qū)

◆方向盤輪輻造成的雙眼盲區(qū)

?輪轂眼點(diǎn)：左右眼點(diǎn)是由通過(guò)方向盤輪轂中心與左右眼橢圓底部相切的切點(diǎn)（如圖8所示）；

圖8 輪轂眼點(diǎn)

?單眼盲區(qū)：過(guò)左、右眼點(diǎn)做輪轂上沿的切面，與儀表板工作平面分別相交兩條線，這兩條線以下的區(qū)域?yàn)榉较虮P輪轂的左、右單眼盲區(qū)；

?雙眼盲區(qū)：左、右眼單眼盲區(qū)的相交部分即為輪轂雙眼盲區(qū)（如圖9所示）；

圖9 輪轂雙眼盲區(qū)

由方向盤輪緣和方向盤輪輻形成的雙眼盲區(qū)之和即為駕駛員的雙眼盲區(qū)，一般要求組合儀表顯示的重要內(nèi)容要布置在雙眼盲區(qū)之外，以保證駕駛員在讀取信息時(shí)不受干擾。

2.3 組合儀表顯示裝置的設(shè)計(jì)

為使駕駛員能準(zhǔn)確地獲得儀表的顯示信息，必須使儀表的尺寸、指示器、字符、符號(hào)和顏色的設(shè)計(jì)要符合人的生理和心里特征，儀表顯示裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)從以下幾個(gè)方面展開[7]：

◆組合儀表表盤形狀的選擇

儀表的刻度盤形狀眾多，一般有圓形、半圓形、扇形、水平式和垂直式等，受車身結(jié)構(gòu)的限制，水平式和垂直式的儀表很少采用，而圓形和半圓形的刻度采用居多數(shù)。并且人眼在感知圓形或者半圓形刻度盤時(shí)，眼睛轉(zhuǎn)動(dòng)的路線比感知直線刻度時(shí)更短，辨認(rèn)速度更快；

◆刻度盤的直徑尺寸

刻度盤的大小與要顯示信息的精密度和駕駛員的視距有關(guān)。尺寸越大，所顯示的信息也越多，清晰度對(duì)應(yīng)可提高，但同時(shí)視線的掃描路線變長(zhǎng)，認(rèn)讀速度降低，并且容易分散觀察者的精力，安裝面積也隨之增大，布局不緊湊。因此刻度盤的尺寸應(yīng)取使駕駛員認(rèn)讀效果的最佳值，表1給出了視距為500 mm和900 mm時(shí)[7]，刻度盤尺寸與刻度數(shù)的關(guān)系：

表1 刻度盤尺寸與刻度數(shù)的關(guān)系[7]

◆文字和符號(hào)

儀表的信息必須配以文字和符號(hào)說(shuō)明，才能夠完整、準(zhǔn)確地表達(dá)所顯示的信息含義。對(duì)于文字和符號(hào)，基本要求形狀簡(jiǎn)單易讀、大小便于辨認(rèn)、顏色清晰醒目。比如在顯示裝置上，利用符號(hào)和標(biāo)志代替文字和數(shù)字有助于提高辨認(rèn)速度和準(zhǔn)確度，但應(yīng)該注意這些符號(hào)和標(biāo)志不應(yīng)過(guò)于復(fù)雜[7]；

◆指示器

儀表上的指示器用來(lái)表示和指示所顯示的關(guān)鍵信息和狀態(tài)，比如儀表的指針。指示器的設(shè)計(jì)要求能夠準(zhǔn)確指示所要表達(dá)的物理量，不出現(xiàn)掩蓋物理量、指示模棱兩可、指示器與背景對(duì)比過(guò)小的情況[7]；

◆顏色

儀表顏色的匹配一方面要考慮人機(jī)系統(tǒng)整體的色彩基調(diào)，以確定儀表的背景色調(diào)，還要使所顯示的信息清晰、醒目。保證信息醒目的途徑主要是使前景和背景有鮮明的顏色對(duì)比。比如要匹配儀表上的數(shù)字和背景顏色，最清晰的配色方案是黑底黃字，最模糊的配色方案是黑底藍(lán)字。在實(shí)際使用中，由于黑白兩種顏色比較容易掌握，常采用黑底白字或白底黑字的配色方案[7]。

2.4 組合儀表的防炫目設(shè)計(jì)

透過(guò)前風(fēng)窗玻璃、天窗和側(cè)窗的外界光線可能會(huì)經(jīng)過(guò)組合儀表玻璃罩的反射進(jìn)入駕駛員的眼睛，對(duì)駕駛員造成炫目，令駕駛員感覺不適，甚至?xí)?dǎo)致交通事故，影響汽車的行駛安全性。所以在組合儀表玻璃罩的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮這一點(diǎn)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)組合儀表玻璃罩和儀表帽檐高度來(lái)盡量減小炫目現(xiàn)象的發(fā)生。

在日常行駛中，對(duì)駕駛員造成炫目的主要因素包括以下幾方面：

?透過(guò)前風(fēng)窗玻璃的外界光線，經(jīng)組合儀表玻璃罩的反射有可能進(jìn)入駕駛員眼睛，對(duì)駕駛員造成炫目；

?透過(guò)天窗玻璃的外界光線（天窗開啟狀態(tài)），經(jīng)組合儀表玻璃罩的反射可能進(jìn)入駕駛員眼睛，使駕駛員感覺炫目，形成安全風(fēng)險(xiǎn)；

?透過(guò)側(cè)窗玻璃的外界光線，經(jīng)組合儀表玻璃罩的反射有可能進(jìn)入駕駛員眼睛對(duì)駕駛員造成炫目；

?夜間行車時(shí)，組合儀表發(fā)出的光線經(jīng)前風(fēng)擋玻璃的反射有可能進(jìn)入駕駛員眼睛，對(duì)駕駛員造成炫目；

組合儀表玻璃罩和儀表帽檐確定的過(guò)程中，應(yīng)充分考慮上面4項(xiàng)因素，下面將詳細(xì)闡述組合儀表罩和儀表板帽檐高度的確定。

3.2.4 杜絕較難測(cè)量出入量項(xiàng)目漏記現(xiàn)象的發(fā)生 避免對(duì)汗液、痰液、傷口引流液等較難測(cè)量項(xiàng)目的漏記，如果大便、痰液收集器未測(cè)量即倒去，應(yīng)該在護(hù)理監(jiān)護(hù)單上實(shí)時(shí)標(biāo)明并估算相應(yīng)的出量，對(duì)出汗和滲出液的計(jì)量可分別采用稱量衣服和敷料紗布重量增多的方法，呼吸道的蒸發(fā)等項(xiàng)目可依據(jù)患者的實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)折算或測(cè)算，例如正常成人每天呼吸道失水約350 ml，如有氣管插管、切開或上呼吸道感染患者則失水量應(yīng)增多。

◆組合儀表玻璃罩的確定

?組合儀表玻璃罩形式的選擇

組合儀表玻璃罩固定在儀表表盤之上，用來(lái)保護(hù)表盤不受損壞。通常儀表罩不選用平面玻璃，以避免駕駛員在讀取儀表信息時(shí)，在玻璃表面上看到自己的影像，產(chǎn)生日常生活中所謂的“照鏡子”現(xiàn)象。選用適當(dāng)曲率的儀表罩可使入射光形成漫反射，避免面罩反光。組合儀表玻璃罩一般分為上寬下窄（見圖10）和上窄下寬（見圖11）兩種形式，優(yōu)缺點(diǎn)詳見表2；

圖10 組合儀表玻璃罩(上寬下窄)

圖11 組合儀表玻璃罩(上窄下寬)

表2 組合儀表優(yōu)缺點(diǎn)

?組合儀表罩曲面玻璃的選擇

為使面罩工藝簡(jiǎn)單、造型美觀，儀表罩曲面玻璃一般采用定曲率單曲面反內(nèi)凹設(shè)計(jì)，曲率不易過(guò)小，以保證較好的防炫目效果。表3列出了幾款車儀表罩的曲率。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，可參照對(duì)標(biāo)車型并結(jié)合造型確定儀表罩的曲率。

表3 組合儀表罩曲率

◆組合儀表帽檐高度的確定

儀表帽檐的作用主要是防止從前風(fēng)窗、側(cè)窗和天窗入射的光線經(jīng)儀表罩的反射對(duì)駕駛員造成炫目，儀表帽檐的設(shè)計(jì)一般應(yīng)滿足以下幾方面的原則：

●儀表帽檐的高度不能影響駕駛員的下視野；

●能夠遮擋來(lái)自前風(fēng)窗、側(cè)窗和天窗的外界光線，避免對(duì)駕駛員造成炫目；

●造型美觀，符合大眾的審美要求；

●保證儀表板良好的工藝性；

儀表帽檐的高度確定主要考慮以下幾方面的因素：

?考慮從前風(fēng)窗、天窗和側(cè)窗的外界光線來(lái)確定儀表帽檐的高度

儀表帽檐的高度要能夠保證透過(guò)前風(fēng)窗的光線經(jīng)儀表罩反射后，反射光線不能進(jìn)入駕駛員的眼睛。如圖12所示，對(duì)于上窄下寬式儀表，取儀表對(duì)稱面內(nèi)儀表罩上的一點(diǎn)d,過(guò)d做眼橢圓上部的切線de，做de經(jīng)組合儀表罩的反射線df，調(diào)整d點(diǎn)的位置，使hg值最大，則df為儀表帽檐高度的最小控制線。超過(guò)該線的任意高度都能夠遮蔽來(lái)自前風(fēng)窗的外界光線，避免此類光線對(duì)駕駛員造成炫目；

圖12 儀表帽檐高度的確定

對(duì)于上寬下窄式儀表，如圖13所示，從眼橢圓發(fā)出的光線經(jīng)組合儀表罩的反射后均向下，對(duì)儀表帽檐的高度沒(méi)有具體要求；

圖13 儀表帽檐的高度的確定

同理，根據(jù)側(cè)窗入射光線可以確定儀表帽檐兩側(cè)的高度，如圖14所示。

圖14 儀表帽檐兩側(cè)的高度

?考慮從夜間儀表發(fā)光來(lái)確定儀表帽檐的高度將夜間發(fā)光的儀表作為光源，如圖15所示，若從儀表最下邊緣發(fā)出的光線經(jīng)前風(fēng)窗反射后不進(jìn)入駕駛員眼睛，則儀表其他部位發(fā)生的光線經(jīng)前風(fēng)窗反射后也不會(huì)進(jìn)入駕駛員眼睛

根據(jù)這一理論，運(yùn)用光學(xué)成像原理，從儀表對(duì)稱中心面最下緣點(diǎn)a做前風(fēng)窗的反射點(diǎn)b，做直線ab經(jīng)前風(fēng)擋玻璃的反射線bc，調(diào)整b點(diǎn)在前風(fēng)窗玻璃的位置，使bc與眼橢圓上部相切。則ab為此狀態(tài)下確定儀表帽檐的最小高度，超過(guò)該線的任意高度都能保證儀表的發(fā)光不會(huì)對(duì)駕駛員造成炫目。

圖15 從夜間儀表發(fā)光來(lái)確定儀表帽檐的高度

夜間儀表發(fā)出的燈光會(huì)入射到側(cè)窗玻璃內(nèi)表面上，經(jīng)側(cè)窗玻璃內(nèi)表面反射后進(jìn)入到駕駛員眼睛里，這可能會(huì)引起眩目，增加了安全駕駛風(fēng)險(xiǎn)。按照上述原理可以確定儀表罩帽檐的兩側(cè)高度，如圖16所示：

圖16 儀表罩帽檐的兩側(cè)高度確定原則

綜合考慮上述幾方面因素，在確定組合儀表帽檐的高度后需校對(duì)方向盤與帽檐之間的距離，確認(rèn)方向盤與帽檐之間的最小距離是否滿足60 mm的間隙要求。

3 模型驗(yàn)證及主觀評(píng)價(jià)

當(dāng)組合儀表布置完成后，應(yīng)制作模型進(jìn)行驗(yàn)證，并組織不同百分位的人群進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，確認(rèn)儀表的布置能否滿足絕大多數(shù)駕駛員的舒適度要求。

◆評(píng)價(jià)人員選擇

?評(píng)價(jià)人員應(yīng)至少具備兩年及兩年以上駕齡，且對(duì)汽車結(jié)構(gòu)有一定的了解，保證能夠?qū)υu(píng)價(jià)項(xiàng)目給出合理性的建議；

?評(píng)價(jià)人員應(yīng)盡量與開發(fā)車型的目標(biāo)用戶一致，身高范圍應(yīng)盡量包含低、中和高等各種身材，且同一身材人員數(shù)量不少于三名；

◆評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

所有評(píng)價(jià)人員評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)一致，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)采用“五分制”，評(píng)價(jià)前應(yīng)對(duì)評(píng)價(jià)人員進(jìn)行培訓(xùn)，以確保在相同條件下，對(duì)同一項(xiàng)目不同人員給出的評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)應(yīng)盡量一致，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)論與展望

本文基于人機(jī)工程學(xué)詳細(xì)闡述了組合儀表的設(shè)計(jì)，針對(duì)儀表的布置尤其是儀表初期的布置進(jìn)行了較為詳細(xì)的描述，能夠?yàn)榭偛贾萌藛T在前期布置組合儀表時(shí)提供較好的參考。

對(duì)于本文的研究?jī)?nèi)容，尚有許多問(wèn)題仍待完善，比如儀表字體大小的規(guī)定及儀表背景顏色的搭配，涉及很多造型的東西需要后續(xù)完善和補(bǔ)充。