基于RAMSIS軟件的乘用車大尺寸觸摸屏布置研究

陸子青，張子良

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基于RAMSIS軟件的乘用車大尺寸觸摸屏布置研究

陸子青，張子良

（上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804）

中控觸摸屏布置是乘用車人機工程中的重要部分。傳統的人機工程技術標準和開發流程主要是基于簡單的CAD建模、局限性的技術標準，全尺寸模型主觀評估。這些方法已不能適應新技術、新造型趨勢和汽車行業的飛速發展。對此需要引入新的開發技術并通過研究制定優化的技術標準。本課題旨在通過研究市場各主流車型觸摸屏布置的當前狀況及未來趨勢，運用RAMSIS軟件分析并統計數據。通過分析總結，得出未來乘用車適應大尺寸觸摸屏技術趨勢的優化布置方法。本課題將完成對參考車型的主觀評價和RAMSIS建模分析，整理分析結論，提出結合傳統方式和軟件分析的更優化的觸摸屏布置方法，提出未來的研究展望。

人機工程；RAMSIS；駕駛艙布置；觸摸屏

前言

人機工程是整車開發中的重要技術。隨著互聯網汽車產品的發展，操作方便性和舒適性越來越多的受到消費者重視，整車廠商也對人機工程相關的車輛研發技術精益求精。

乘用車駕駛艙布置是向客戶提供舒適產品的最重要的工作項目。在駕駛艙布置時需要考慮適應不同駕駛員人體的坐姿，確保操作舒適性。當前還面臨造型趨勢變化，大型中控觸摸屏等新技術運用帶來的挑戰。借助傳統的CAD工具和人機工程規范已經不能適應汽車業的高速發展。需要研究新的工程理論和方法。

1 觸摸屏布置現狀研究

1.1 乘用車大尺寸觸摸屏布置現狀

大尺寸中央顯示屏已成為車輛的信息交互和控制中心。中央屏幕集成了導航、娛樂、通訊、車載功能控制、狀態反饋等功能。常用的大屏有10.4寸4:3屏幕(屏幕尺寸294mm* 112mm)和12.3寸和16:9屏幕（屏幕尺寸214mm*284mm），前者適合縱向布置，后者適合橫向布置。特斯拉Model S采用尺寸更大的17寸屏，如圖1所示。

圖1 縱向布置的17寸觸摸屏

圖2 橫向與中控屏聯通的大面積液晶虛擬儀表

在項目經驗中發現，未來大屏幕的兩大主要問題是觸摸的可行性和顯示屏視野問題。對于橫向屏來說，布置難度在于左側被方向盤遮擋，右側遠離手指觸及區；對于縱向屏來說，駕駛中低頭查看地圖和低頭操作觸控屏不但駕駛員不舒適，還會存在安全隱患。傳統的布置要求屏幕中心點在眼橢圓中心點為眼點的向下30度視線以上，新的縱向大屏幕中心點位置已經打破了這一傳統，將主要的顯示信息盡量布置在屏幕上半區成為了重要的解決方法。

1.2 觸摸屏布置方法現狀研究

圖3 運用SAE J883人體的乘用車駕駛艙總布置圖及尺寸定義

傳統的駕駛艙布置以確定坐姿為核心。以SAE的第95百分位人體坐姿的SgRP點作為坐姿參考點(SgRP, seating reference point)，SAE J941規定的眼橢圓、SAE J287規定的駕駛員手接觸區都基于SgRP推算，周邊其他部件及造型空間限制都可以圍繞這套系統來布置，如圖3所示。

目前對駕駛員布置的研究更多基于SAE標準的2D假人以及SAE定義的眼橢圓，視野測量方法，手接觸區等，這些標準都有很大的局限性，對于一些細節的布置問題無法評估，有些規范已不能適應新的技術趨勢和用戶操作習慣。為此，需要利用人機工程的軟件更精確的模擬不同尺寸的人體進行各種操作時的舒適性。

2 RAMSIS軟件使用研究

2.1 RAMSIS軟件簡介

RAMSIS是“用于乘員仿真的計算機輔助人體數字系統”。RAMSIS是一種數字人體模型，是一種用于乘員仿真和車輛內裝人機工程設計的高效CAD工具。該軟件為工程師提供了一個詳細的CAD人體模型，來模擬仿真駕駛員的行為。它使設計者在產品開發過程的初期，在只有CAD數據的情況下就可以進行大量的人機工程分析，從而避免在以后階段進行昂貴的修改。利用Ramsis可以克服現存大多數二維人機工程工具，如SAE J826模板等的不足。

圖4 通過人體測量建立RAMSIS人體模型

隨著人機工程研究的深入和虛擬評審系統的發展，未來的駕駛艙人機布置將會引入更多新技術代替傳統的CAD方法。更完善的RAMSIS等人機工程軟件可幫助工程師在更短時間內完成可靠的布置驗證，結合VR虛擬現實系統的使用能使工程師更方便的評審項目狀態。

圖5 通過人體測量建立RAMSIS人體模型

2.2 RAMSIS駕駛員人體布置方法

RAMSIS專門開發的坐姿模塊特別適用于分析駕駛員舒適性。軟件功能并不限于某些常見動作，結合對真人動作的研究，用戶可以在現有骨架的基礎上對人體編輯，修改尺寸，增加參考點，建立動作約束，實現對各種動作的分析。在駕駛艙布置方面，運用軟件可以快速調整姿勢和零部件布置，快速對各種方案進行動作舒適性的比對，節約了時間和成本。

RAMSIS人體坐姿的定位方式直接影響到坐姿仿真的結果。需要利用成熟的現有車輛，對比真人主觀感受和實車上的動作，研究坐姿定位方法。

圖6 RAMSIS人體坐姿約束方式

3 基于RAMSIS的觸摸屏布置研究

3.1 現有車型研究與評估

為研究目前的主流駕駛艙布置，本文選取了5輛轎車進行駕駛艙布置方案的研究。從結構來看，主力駕駛艙都配備了中央顯示屏，主流仍是橫向布置，大部分尺寸在8-10寸之間，大屏都配備觸摸功能。屏幕布置參數如圖所示。

圖7 駕駛艙屏幕布置相關參數

表1 5輛參考車型屏幕相關布置參數測量值

由表1數據可知，屏幕中心的俯視角30°是用戶可接受的極限，車5在主觀評估中存在視線過低的抱怨。設計標準應高于30°。屏幕中心到眼橢圓中心的距離J的合理范圍應當在700mm-850mm之間。

在實車測試中發現，觸摸屏超出SAE手指觸及區的位置仍然可被用戶接受。我們希望未來的觸摸屏能代替機械開關操作，節省中控臺空間，又希望確保屏幕位于視線舒適造型美觀的位置，這就需要考慮到未來車主的適應性，在滿足人機的基礎上對手指操作區進行適當放大。

當前的技術背景下，最主要的問題就是對觸摸屏的最遠端操作進行研究。研究除了對比SAE規定的手觸及區，還將關注人的具體動作:彎腰的情況、肩部離開靠背的距離、駕駛員對肩部離開靠背進行操作的接受程度

利用RAMSIS在某車型內飾掃描數據的基礎上建立不同百分位人體的坐姿，并特別做出手指觸摸屏幕遠端的動作，如圖8所示。

圖8 基于某大屏車型進行的第5與95百分位人體觸摸屏動作分析

圖9、圖10對比可見，SAE的觸及區非常保守，考慮的是肩部緊貼靠背，伸手動作方便的情況。RAMSIS模擬動作時已經把手指定位到屏幕上，因此人體肩部自然前移較多，手接觸區就會更靠前。與實車操作對比可見，RAMSIS的動作更接近實際情況，肩部短時間離開靠背，軀干前傾觸及屏幕是用戶長期駕駛后被證明可以接受的動作。

圖10 第95百分位人體觸及某車型觸控屏右上角以及SAE觸及區的舒適性對比研究

3.2 駕駛艙環境建模

為研究并優化觸摸屏布置方法和技術標準，在CATIA中根據研究目標搭建了駕駛艙布置研究模型，如圖11、圖12所示。觸控屏幕采用橫向12.3寸16:9與縱向14寸4:3屏幕。擺放SAE假人的目的也是為了之后與RAMSIS人體進行對比，便于研究優化的布置方法與傳統方法的區別與優缺點。

圖11 CATIA中搭建的橫向12.3寸屏布置研究模型

圖12 CATIA中搭建的縱向14寸屏布置研究模型

圖13 在建模中擺放三種典型尺寸的RAMSIS駕駛員人體

圖14 縱向觸摸屏最遠端手指觸摸動作模擬

圖15 第5、50、95百分位人體橫向雙聯屏最遠端手指觸摸動作和駕駛坐姿的對比

圖16 第5百分位人體橫向雙聯屏最遠端手指觸摸動作和駕駛坐姿的肩關節位置對比

4 基于RAMSIS的觸摸屏布置方法

4.1 基于RAMSIS的觸摸屏布置標準

根據上述研究，把左右兩側肩部的移動量作為評估觸摸屏操作舒適性的參考指標。其中左肩移動量小，但受安全帶影響；右肩移動量大，造成軀干傾斜，需要注意其舒適性。以觸控屏操作最為困難的第5百分位女性人體作為研究對象，由圖16可見，操作觸控屏右下，右上端時，左肩分別前移85mm和60mm，右肩分別前移70mm和114mm，觸控右上角時身體活動最大，安全帶對左肩的影響也最大。大面積觸控屏操作對左肩的影響可以通過調整安全帶在B柱的布置位置及出口結構，改善安全帶舒適性等方式來優化。

根據以上研究結果，結合主觀評估結論，提出使用RAMSIS進行觸控操作評估的方法：使用5、50、95百分位三種典型尺寸人體，先做出雙手握方向盤的標準駕駛坐姿，在此基礎上鎖定H點位置，將手指約束到遠端的觸控點，做出觸控動作。測量觸控操作時肩關節點相對于標準駕駛坐姿時肩關節點的移動量。要求左肩移動量不超過90mm（安全帶壓迫位置），右肩移動量不超過120mm。同時做出RAMSIS手觸及區，要求操作必須在此區域內。屏幕中心點到眼橢圓中心點距離范圍700-850mm，屏幕中心點到眼橢圓中心的俯視角小于30°。

4.2 結合RAMSIS分析的觸摸屏布置方法優化

雖然新方法把產品開發水平提升到了新的高度，但RAMSIS軟件也遠沒有達到完美，作為重要的工程輔助手段，還需要和其他方法結合使用。

RAMSIS軟件使用需要緊密結合實車驗證，需要對目標市場駕駛員的喜好進行基礎研究數據積累。這些數據將用來修正RAMSIS初始得出的動作仿真結果。經研究，由于上半身長度較大，中國駕駛員的坐姿相對于SAE標準位置更低，但相對RAMSIS仿真結果更高，更靠前。駕駛員可接受的手指接觸區比RAMSIS分析結果更靠近人體約20mm，比SAE方法遠離人體50mm以上，這一特性可用于各類內飾操縱件布置。RAMSIS仿真方向盤傾角舒適性的結果和真人主觀評估最為接近。

5 結論

基于RAMSIS的駕駛艙布置對汽車人機工程技術和產品開發有很重要的意義，本文的研究替換了觸摸屏傳統標準的布置方法。RAMSIS對幾乎所有的傳統布置方法提供了輔助驗證手段，結合實車評估對分析結果的修正以及動作捕捉，3D掃描等技術與RAMSIS的交互，后續將有更多的技術提升空間。新的研發技術也將改變整車開發流程，提高效率，節省成本。

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Study of Large Touch Screen Packaging of Passenger Cars Based on RAMSIS

Lu Ziqing, Zhang Ziliang

（SAIC Motor Technical Center, Shanghai 201804）

The package of touch screen is an important part of passenger car ergonomics. The classic ergonomics standards and engineering process are based on simple CAD models, limited dimension guidelines and seating buck assessment. Those methods cannot meet the requirement of new technologies, new styling concepts and the high growing speed of automotive industry. New technologies of engineering and optimized guide lines are necessary. In this study, the touch screen package in the market will be studied. RAMSIS will be used to analyze the ergonomics and package of operating systems. New optimized methods of touch screen package in the future will be discussed and summarized.Subjective assessment and RAMSIS analysis for the benchmark car will be made. The result will be summarized and an optimized new guide line of touch screen package will be proposed, the study of next step is will be figured out.

ergonomics; RAMSIS; cockpit package; touch screen

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.032

U467

A

1671-7988(2019)10-89-05

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1671-7988(2019)10-89-05

陸子青(1984-)，男，上車體集成經理，工程師，就職于上汽集團股份有限公司技術中心整車集成部，從事上車體總布置工作。