汽車視野設計中視切眼橢圓與包含眼橢圓的差異分析

汪新偉 葛勝升

摘要：駕駛員眼橢圓描述了駕駛員眼點位置的統計規律，用于汽車設計中評估和確定車輛視野。根據美國汽車工程師協會發布的SAE J941法規，分析了視切眼橢圓和包含橢圓在定義、尺寸及位置和應用方面的差異，對汽車設計中的視野設計起到一定的指導意義。

關鍵詞：視切眼橢圓;包含眼橢圓;SAE J941;汽車視野設計

中圖分類號：TB472文獻標識碼：A

文章編碼：1672—7053（2019）05—0159—02

Abstract ： The driver's eyellipses describes the statistical law of the driver's eye positions， which is used to evaluate and determine the vehicle's vision in the vehicle design. According to the SAE J941 code issued by the American Society ofAutomotive Engineers， the difference between the tangent cutoff eyellipses and the inclusive ellipses in the definition， size ， location and application is analyzed in this paper， which will play a guiding role in the field of vision design in vehicle design.

Key Words ： Tangent cutoff ellipses; Inclusive eyellipses; SAE J941; Vehicle vision design

1 眼橢圓在汽車設計中的作用

在汽車前期的造型設計和工程設計中，車輛人機工程學設計始終是一個重要的設計環節，駕駛員只有在最舒適、最自然的狀態下駕駛車輛，才有可能最大限度的保證駕駛安全，降低事故風險。各大汽車公司如本田提出的“MM”設計理念（Man Maximum;Mechanism Minimum），馬自達的“人馬合一”理念，均是對人機工程重要性的完滿詮釋。視野設計作為車輛人機工程學的一部分，直接關系到汽車行駛的安全性，是汽車主動安全重點要考慮的內容和驗證項目之一，同時也是國家汽車安全法規的重要內容。視野設計包括上下視野、前后視野、內外后視鏡視野、障礙角、內飾可見性、亮條反光炫目、燈光成像、內飾遮擋等方面，均與人體的眼睛位置有直接關系，因此有必要在設計初期數據階段引入人體假人及眼部位置模型來進行模擬駕駛員駕駛狀態。

現實生活中的駕駛員千差萬別，高矮胖瘦各有不同，駕駛員座位調節和人的眼睛位置也不同，其主要影響因素是駕駛員的身高，因為不同身高人體，在駕駛側的乘坐位置不同，乘坐狀態下的眼睛位置也不同。在汽車的視野設計中保證大多數駕駛員的要求是設計的基本原則川。為準確描述駕駛員眼睛位置，美國汽車工程師協會（SAE）采用抽樣調查統計的方式，對駕駛員眼點位置進行大量實驗統計分析，將研究結果整理成SAE J941——駕駛員眼點位置眼橢圓標準并于1997年發布。后隨著車輛樣本和駕駛員群體的不斷變化，SAE于2002年對J941標準進行了進一步修訂。我國的汽車主機廠及設計公司目前均以SAE J941 2002版作為設計依據。但是在使用的過程中，標準涉及不同百分位及不同類型的眼橢圓，往往在使用過程中給設計者造成困惑，產生設計偏差。本文根據SAE J941 2002版標準，詳細解釋了兩種不同類型眼橢圓的含義、尺寸和定位及應用范圍的差異，為視野設計中眼橢圓的選取提供了理論依據。

2 視切眼橢圓與包含眼橢圓的含義差異

1963年，美國汽車工程師協會SAE選用本土三大汽車公司各一款主流車型，對抽取的2000多人進行了駕駛姿態的眼點位置測試。被測試者來自世界各地，涵蓋不同性別、身高和體重，要求其按照自己的位置調整好座椅及方向盤，然后對測試的眼點位置進行統計分析，形成最佳的并與實際相符的曲線。統計的結果顯示：眼睛分布范圍在俯視圖和側視圖的投影均可近似為橢圓，故稱為眼橢圓。其英文名稱為ellipse，是由眼睛eye和橢圓ellipse組合而成的。考慮到實際應用，SAE給出了95%和99%的兩個百分位眼橢圓的尺寸，即滿足95%和99%的駕駛員的使用，同時對其他百分位眼橢圓尺寸的計算方法做出了說明。

2.1 視切眼橢圓

視切眼橢圓是由大量統計的眼點位置形成的百分表包絡。如圖1所示，對于95%百分位的視切眼橢圓，在眼橢圓任意一點引一條切線，將會有95%的眼點位置是位于切線眼橢圓側（眼橢圓內外均包含），而5%的眼點位置是位于另外一側。若用圖中的切線模擬駕駛員視野線且與前風擋透明區最高點相交，則95%的駕駛員可以看到此角度，而5%的駕駛員看不到（被不透明區遮擋），此切線亦可稱為駕駛員上視野線。對于99%百分位眼橢圓，基本含義也是如此，不同的是可見區與遮擋區的比例變成99%和1%，其可見范圍更廣。

2.2 包含眼橢圓

包含眼橢圓定義了一定百分比眼點位置的邊界，如圖2所示，對于95%百分位的包含眼橢圓，將會有95%的眼點位置是位于包含眼橢圓內部，而5%的眼點位置是位于眼橢圓外部。對于99%百分位眼橢圓，基本含義也是如此，不同的是橢圓內外的比例變成99%和1%，其包含范圍更廣。

3 視切眼橢圓與包含眼橢圓的尺寸和定位差異

由于人體的左右兩個眼睛位置及空間分布，駕駛員眼橢圓表現為左右兩個對稱三維橢圓形，如圖3所示，其大小由X、Y和Z三根軸的長度共同確定。

對于視切眼橢圓而言，其三軸長度如表1所示間：表1中，座椅滑軌長為駕駛員座椅調節的距離，百分比為不同百分位的眼橢圓。每個切線眼橢圓同樣是一個包含眼橢圓，從而定義一定比例的駕駛員眼點位置邊界，但是包含在邊界內的眼點的比例通常少于相應的視切眼橢圓[4。例如，在三維模型中，95%百分位的視切眼橢圓僅僅包含56%的眼點位置，故95%的視切眼橢圓與56%的包含眼橢圓尺寸一致。表2為不同百分位的視切眼橢圓和包含眼橢圓之間的對應關系。

兩種不同類型的眼橢圓在整車中的位置由眼橢圓質心的三個坐標值決定且兩者質心位置相同。其質心位置坐標可由下列公式進行計算：

Xc=L1+664+0.587xL6—0.176xH30—12.5xt

Ycl=W20—32.5

Ycr=W20+32.5

Zc=H8+638+H30

式中，Xc、Ycl、Ycr、Zc為左右眼橢圓的質心位置坐標，L1為踏板參考點X坐標，L6為方向盤中心點到踏板參考點X向距離，H30為座椅參考點到鍾點Z向距離，t為變速器類型（手動擋取1、自動擋取2），W20為座椅參考點Y坐標，H8為鍾點Z坐標。

通過整車坐標系、質心位置、三軸長度即可繪制出駕駛員眼橢圓數據，從而進行數據校核工作。目前主流車輛設計軟件如CATIA、UG等均能繪制出眼橢圓。

4 視切眼橢圓與包含眼橢圓的視野設計應用差異

由兩種不同眼橢圓的定義，其應用范圍也有一定的差異。一般而言，在進行上下視野、可見性等需要用眼橢圓切線模擬光線方向時，宜采用95%視切眼橢圓進行設計和校核3），以劃分可見區及遮擋區。如圖5所示為某轎車用視切眼橢圓進行車輛上下視野校核。其上視野為7.68°，下視野為5.95°，滿足國家法規上視野大于7°，下視野大于5°的要求。

在需要利用眼點的具體位置做射線模擬光線方向時，宜采用95%包含眼橢圓進行設計和驗證以劃分區域內外范圍，如圖6所示為某SUV車型用包含眼橢圓的范圍校核車輛空調旋鈕的鍍鉻亮條是否會引起駕駛員炫目，校核結果表明：只有很少一部分光線可以透過前風擋經過鍍鉻旋鈕的反射進入人的眼睛，對人眼的影響在非常小的范圍內，不會引起炫目風險，旋鈕位置合適，鍍鉻旋鈕無需進行亞光處理，滿足車輛使用要求。

5 結語

汽車設計過程中的前期數據校核是一個非常重要的環節，而正確合理的數據模型是校核的基礎及關鍵。本文根據SAEJ9412002版標準，詳細介紹了在車輛人機視野校核中運用到的兩種不同類型的眼橢圓及其差異性，并結合具體車型造型數據對其應用進行了實際校核分析，對于車型前期造型開發設計具有一定的指導意義，同時需要指出的是，對于任何數據校核，后期均需要做實車驗證試驗，已驗證理論分析與實車的一致性，取得最佳的設計效果。

本文系蕪湖職業技術學院2017年度省級大規模在線開放課程示范項目《傳動系的診斷與維修》（2017mooc366）;安徽省教育廳自然科學研究重點項目《電動汽車諧振式快速無線充電技術研究》（KJ2016A755）。

參考文獻

[1]任金東，范子杰.適合不同駕駛員群體眼橢圓統計方法[J].機械工程，2006（2）.

[2]溫吾凡，杜子學.駕駛員眼橢圓=維正態分布理論解釋[J].汽車工程，1991（4）.

[3]周一鳴，毛璁榮.車輛人機工程學[M].北京理工大學出版社（第2版），1999：129—132.

[4]郭榮春.眼橢圓在汽車車身設計中的應用[J].農業裝備與車輛工程，2010（9）.

[5]張峻霞，王新亭.人機工程學與設計應用[M].北京：國防工業出版社，2018，1.