車輛人機交互視覺參數測量方法研究

劉智光， 郝劍虹， 劉 寧

（1.天津大學電氣自動化與信息工程學院，天津300072；2.中汽研 （天津）汽車工程研究院有限公司，天津300339；3.中汽研汽車檢驗中心 （天津）有限公司，天津300300）

0 引言

隨著汽車各項性能的不斷提升，當前消費者除了對汽車的安全、動力、經濟等性能提出要求外，對車輛駕乘舒適性的關注正在逐漸增強，期望車輛發揮交通工具作用的同時，能夠給駕乘人員更舒適和更人性化的使用體驗［1］。而我國汽車產品在駕乘體驗方面較國際先進車企存在較大差距，這也是制約我國汽車走向高端市場的重要因素之一［2-4］。車輛駕乘體驗的開發離不開車輛人機交互技術的研究與發展，大量學者從自身領域對人機交互進行了研究，研究方法和評價手段涉及心理學、生理學、醫學、人體測量學、美學、設計學和工程技術等多個領域［5-9］。智能汽車人機交互技術包括視覺交互、語音交互、觸覺交互、嗅覺交互等，其中，視覺交互是最為重要的人車交互方式，占到總體人車交互的80%以上［10-13］。車輛的視覺交互性能一直備受車輛研發領域人員的重視，因為該性能直接影響消費者對車輛品質定位，從而影響車企品牌價值觀念的形成和車輛的銷售業績。然而，我國車企對視覺性能的測量和評價缺乏科學性與普適性方法［14］，造成該問題的主要原因之一為缺少高精度、重復性好的測量工具和科學的測量方法［15］，不能獲取準確測試數據，無法進行合理分析，導致整車企業難以形成行之有效的企業規范與把控方法［16-18］。

為了實現視覺人機交互參數測量，本文作者將機器人作為運動載體，通過搭載視覺測量模塊，提出一套全新完整的多項視覺參數測量方法。該方法利用多自由度機器人靈活性好、精度高、擬人程度高等特點，結合高精度工業視覺測量技術，實現了前方視野、左右視野、儀表視野、駕駛員信息娛樂系統轉頭角、HUD等多項人機交互參數測量。為了驗證所提方法有效性，針對不同參數分別設置了驗證實驗，實驗結果顯示該方法在多項視野參數測量中誤差均小于5%，具有高精度特點。本文作者提出的車輛人機交互視覺參數測量方法可為整車、零部件企業在人機交互對標研究、性能開發、質量管控、主客觀評價等領域提供重要的理論支撐和科學準確的數據支持，對我國車企在研發車輛人機交互性能提升方面具有重要意義。

1 視覺性能參數測量方法建立

文中車輛視覺性能測試主要是指視野可見性測量，主要包括駕駛員前方視野測量，駕駛員左、右前窗視野測量，儀表視野測量，信息娛樂系統駕駛員頭轉角和HUD可視角測量。分析駕駛員前方、左右側和儀表視野可見性需依據駕駛員眼橢圓位置，研究視線從該位置出發在駕駛室內對外界和內飾環境的視線范圍，而信息娛樂系統駕駛員頭轉角和HUD可視角測量則需視角變化后計算相應夾角值。

基于機器人運動平臺的視覺測量，可充分利用機器人靈活、精度高等特點，結合車輛模型數據，機器人底座、機器人本體、傳感器等尺寸信息，針對不同測量需求進行靈活編程，精確地將視覺相機置于眼橢圓中心、正視信息娛樂系統等需要位置，快速實現車輛視覺交互多項參數測量?；跈C器人運動平臺的汽車視覺測量示意圖如圖1所示。

圖1 基于機器人運動平臺的汽車視覺測量示意

2 視覺性能參數測量

2.1 駕駛員前方視野測量

駕駛員前方視野的測量是汽車視野設計中的重要內容，相關參數對車輛駕駛安全性至關重要。采用基于機器人運動平臺的視覺測量方法可實現駕駛員前方視野投影測量，分析遮擋域輪廓線位置和長度，從而可計算視野面積等。駕駛員前視野測量參數示意圖如圖2所示，測量方法為：計算眼橢圓中心位置，機器人末端搭載視覺相機運動，使其成像中點位于眼橢圓中心位置，視覺相機成像中心軸水平正對車輛正前方，調整焦距，使其圖像左右覆蓋整個前擋風玻璃與上頂棚和下儀表臺的所有交界處，工業相機進行測量，獲取數據后可進行面積計算等。

圖2 駕駛員前視野測量示意

2.2 駕駛員左、右前窗視野測量

駕駛員左、右前車窗視野測量主要測量車窗透明區域投影輪廓，視覺相機成像中點位于駕駛員眼橢圓中心位置，機器人搭載相機運動，使相機成像中心軸分別水平正對左側和右側車窗，調整焦距，使其圖像覆蓋整個側窗玻璃與窗框的所有交界處，進行投影輪廓測量。左、右前車窗測量參數示意圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 駕駛員左側前窗測量參數示意

圖4 駕駛員右側前窗測量參數示意

2.3 儀表視野測量

儀表視野直接關系駕駛員對儀表內容的可視性和易讀性，從而對駕駛員行車安全性和便利性產生很大影響。儀表視野測量主要考察儀表可視范圍和方向盤、儀表周圍遮光板等部件對儀表可視區域的遮擋情況?；跈C器人運動平臺的視覺測量系統在儀表視野范圍測量過程中，首先使視覺相機成像中點運動到眼橢圓中心，調整相機角度，使視覺相機成像中心軸正對儀表輪廓中心位置，調整焦距，使其圖像覆蓋整個儀表盤邊緣，進行輪廓測量。儀表輪廓測量參數示意圖如圖5所示。

圖5 儀表視野范圍示意

2.4 信息娛樂系統駕駛員頭轉角測量

信息娛樂系統駕駛員轉頭角測量主要是量化駕駛員在行車過程中視線從正前方轉移到信息娛樂系統中心過程中頭和眼球共同偏轉的角度，該角度示意圖如圖6所示。信息娛樂系統駕駛員轉頭角的測量可為評價駕駛負荷、安全性、便利性等提供重要參數，從而為信息娛樂系統人機工程、界面分布、交互形式及邏輯設計與優化等提供指導。

圖6 信息娛樂系統駕駛員頭轉角參數示意

2.5 HUD可視角測量

HUD技術是汽車市場最大的增長領域之一，各大整車企業加大研發力度，加快HUD配置與優化工作。當前HUD的測量存在方法缺失問題較明顯，尤其在整車環境下的HUD測量理論與實踐經驗嚴重不足。本文作者提出采用基于機器人視覺測量系統精確、快速實現HUD可視角測量。機器人運動使視覺相機成像中點線與HUD圖像中心水平線重合，機器人搭載相機分別向上、下、左、右方向運動，同時相機旋轉使中心線穿過HUD成像中心，通過軟件檢測HUD圖像質量，直到圖像消失，記錄視覺相機轉角，作為相應方向的可視角。HUD可視角參數示意圖如圖7所示。

圖7 HUD可視角參數示意

3 實驗與驗證

為了驗證文中所提方法的有效性，設計了視覺參數測量實驗，采用數據模型分析和獲取的研發數據與實際測量結果對比的方法進行驗證。

為了驗證基于機器人運動平臺的視覺測量方法的有效性，對某臺已知數據模型的乘用車進行駕駛員前方視野測量，駕駛員左、右前窗視野測量和儀表視野測量，對測量數據與模型計算數據之間的誤差進行對比分析，從而驗證此測量方法在上述視野參數測量方面的有效性。基于機器人運動平臺的視覺參數測量實物圖如圖8所示。

圖8 基于機器人運動平臺的視野測量實物

對于HUD視野范圍，由模型數據無法獲得，需要單獨進行驗證。采用的驗證方法為：首先需獲得HUD各方向可視角，由HUD研發企業提供。實驗中搭建了專用HUD測量車架，將HUD和基于機器人運動平臺的測量系統安裝于該特定車架，測量實物如圖9所示；其次，通過機器人搭載視覺相機運動的方法分別對上下左右4個方向進行可視角測量；最后，將從研發企業獲得的可視角值作為準確值，與上述測量值進行對比分析，驗證文中所提方法在HUD視野范圍測量方面的有效性。

圖9 基于機器人運動平臺的HUD視野測量實物

通過以上實驗，獲得了采用基于機器人運動平臺的視覺交互參數測量值，如表1所示。

表1 準確值與基于機器人運動平臺的視覺測量值

由以上數據可知，駕駛員前方視野，左、右前窗視野和儀表視野區域面積誤差最大值為3.24%，信息娛樂系統駕駛員頭轉角誤差為0.95%，HUD四個方向的可視角誤差最大值為2.13%，以上各項誤差較小，可以接受?；谝陨戏治觯炞C了基于機器人運動平臺的視覺參數測量的有效性。

4 結論

針對當前存在的視覺參數測量問題，提出一種對車輛人機交互視覺多項參數進行測量的方法，該方法采用機器人為運動載體，以分別搭載不同測量模塊的形式實現多項視野參數測量，具有精度高、靈活性好、測量范圍廣、測量效率高和擬人程度高等優點，是一種全新的適應車輛人機交互性能參數高效、高精度的測量方法。通過分別設置前車窗、前側車窗視野范圍、信息娛樂系統駕駛員頭轉角和HUD視野范圍實驗，結果顯示基于機器人運動平臺的視覺參數測量誤差不大于3.24%，驗證了該方法的有效性。采用基于機器人運動平臺的人機交互視覺測量方法的研究，可為整車、零部件企業在人機交互對標研究、性能開發、質量管控、主客觀結合評價等領域提供重要的理論支撐和科學準確的數據支持，對我國車企在車輛人機交互性能提升方面具有重要意義。