SAE眼椭圆和RAMSIS眼点在仪表板盲区校核上的比较

2011-07-03杜子学

北京汽车 2011年5期

杜子学，伍毅

Du Zixue，Wu Yi

（重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 400074）

0 前言

驾驶员视野设计在汽车行驶过程中是影响汽车主动安全的一个主要因素[1]。仪表板是汽车行驶状态等相关信息汇总显示的区域，驾驶员在驾驶过程中，要知道汽车行驶过程中的工作状态信息，就得经常留意仪表板上显示的各种信息。而视线在通过转向盘观察仪表板的过程中，会受到转向盘的部分阻碍，例如转向盘的轮缘、轮辐和轮毂等部分，从而会在仪表板上产生视线看不到的区域，叫作仪表板盲区。若是仪表板所要显示的信息恰好在盲区的覆盖区域范围中，则会影响驾驶员对汽车行驶状态信息的掌握，从而降低汽车行驶的安全性，为了保证操作的准确性和降低驾驶员的疲劳程度，仪表板的显示布置区域应该在驾驶员尽量可能少的头部和眼睛运动范围内，能看清仪表板显示的所有信息，所以，对于仪表板盲区的校核问题应当给予足够的重视。

1 SAE眼椭圆

汽车驾驶员眼椭圆的概念是美国汽车工程师协会（SAE）车身工程委员会人体模型分会研究提出的，他们通过对美国各州及少数欧洲、亚洲和其他国家的2 300多名男、女驾驶员进行试验测定和统计分析后，得出了汽车驾驶员眼睛位置在纵向垂直面和水平面上的分布范围都呈椭圆形的结论。SAE眼椭圆有九十百分位、九十五百分位和九十九百分位3种模型，分别表示相对应百分位人体模型的眼椭圆分布规律。眼椭圆测定方法是让不同身材的驾驶员按自己的意愿将座椅调整到适宜位置，并以正常的驾驶坐姿入座后，得到的他们眼睛位置在车内坐标系中的统计分布图形，这个图形呈椭圆形状，因此被称为眼椭圆。眼椭圆的确立为汽车视野设计提供了视点基准。

2 SAE眼椭圆在仪表板盲区校核上的应用[2]

首先在RAMSIS中，按照现有的布置设计方案建立车身内部模型，选取中国地区的九十五百分位男性人体模型，年龄范围是20～60岁，以RAMSIS推荐的汽车驾驶姿势摆放，此时男性人体模型的H点即为座椅的设计参考点——R点。如图1所示。

为求得九十五百分位的眼椭圆模型，列出各相关的硬点尺寸，如表1。

表1 与G因子相关的各硬点尺寸值

与眼椭圆相关的尺寸标注见图2。

由眼椭圆计算公式可得到眼椭圆中点的坐标值[3]。

X c=L 1+664+0.587*L 6-0.176*H 30-12.5*t=899.626 8 Y=W 20=0

Z c=H 8+638+H 30=891.8

由座椅的调节行程查表后可得到相应的九十五百分位的眼椭圆的尺寸，如表2所示。

表2 眼椭圆尺寸

在RAMSIS中建立九十五百分位的眼椭圆模型，如图3所示。

为了观察方便，把仪表板平面、转向盘和眼椭圆抽离出来进行仪表板盲区校核。如图4所示。

2.1 转向盘轮缘盲区

分别过左、右眼椭圆中心点作与转向盘轮缘上外边缘和下内边缘的一系列切线，其切线与仪表板工作平面相交得到一系列的交点，将其交点依次连接所围成的区域即为转向盘轮缘的盲区，而只过左眼椭圆中心点或只过右椭圆中心点而得到的盲区叫做单眼盲区，左单眼盲区和右单眼盲区的公共部分叫特征盲区。如图5所示。

过左、右眼椭圆中心点连线得到的中点作一射线通过转向盘轮缘上部的中心点，与仪表板工作平面相交得到一交点，这个点是在特征盲区中最不容易被观察到的点，叫做最严重障碍点（C点）。以左、右眼椭圆中心点连线得到的中点作与左、右眼椭圆同样尺寸的中央眼椭圆，过转向盘轮缘上部的中心点作与中央眼椭圆的一系列切线，其切线与仪表板工作平面相交得到一系列的交点，而交点围成的椭圆就是C点的运动轨迹。如图6所示。

将C点固定在特征盲区上，移动C点时特征盲区随之一起移动，让C点沿着C点的运动轨迹移动一周，此时特征盲区在仪表板工作平面上所扫过的区域就是双眼总盲区。如图7所示。

2.2 转向盘轮毂和轮辐的盲区

过转向盘轮毂的中心点分别作左、右眼椭圆最下端的切线，将得到的2个切点分别作为左、右眼点。分别过这2个眼点作转向盘轮毂上部和轮辐上部的一系列切线，其切线与仪表板工作平面相交得到一系列交点，交点连线下方的区域就是两眼点的盲区。而两眼点盲区的公共部分即为转向盘轮毂和轮辐的总盲区。如图8所示。

2.3 总盲区

把上述的双眼总盲区和转向盘轮毂和轮辐的总盲区合并在一起即得到九十五百分位眼椭圆下的仪表板总盲区，总盲区中间部分即为可视范围，即仪表板显示信息的布置区域。如图9所示。

由图5可知，仪表板的盲区把仪表板显示部位的上半部分给遮挡了，而仪表板显示部位的下部和盲区之间仍有可视部分没有被利用上，所以这种设计是不合理的，可以通过改变转向盘的高度和角度来调节仪表板的可视部分，也可通过调节仪表板的位置使其显示部分处在不被盲区所遮挡的位置。

3 RAMSIS眼点在仪表板盲区校核上的应用

RAMSIS是在国际上应用广泛的人机工程软件，主要用来模拟仿真人体模型的动作行为，并对其进行人机工程分析。主要应用在汽车人机工程设计领域，在已有的初步设计模型基础上，通过对驾驶员行为的模拟仿真，对其进行人机工程分析后，能得知现有的设计是否满足人机工程的要求，以便在设计前期能及时对设计方案进行调整和改进，从而避免了设计后期发现不适才进行修改而带来的种种麻烦，这有利于节省设计的时间和成本[4]。RAMSIS中有8个国家的人体测量数据库，其中包括中国的人体测量数据库，中国人的身高分布比例和身体各部分的比例，与同是亚洲的韩国与日本有一定的差距，与欧美更是不同，相对于针对中国人的设计来说，这点比眼椭圆更有优势。RAMSIS眼点则是在相应百分位下人体模型中眼睛的确定点，该眼点在RAMSIS中能直接用于视野校核。

RAMSIS视野分析模块能够自动计算得到当前人体模型眼点的位置，并对其进行视野分析，从人体模型的眼点出发，用同心圆和同心圆锥表示视野范围，形象直观，并且同心圆锥的顶点就是人体模型的眼点，而其顶角是通过研究一系列的实验数据得到的[5]。在RAMSIS视野分析模块中，还有后视镜仿真模拟功能，在对后视镜的形状大小设定后，能自动计算得到经后视镜放射的视野范围。而在仪表板盲区校核上，要应用到视野限制功能，在选定人体模型的眼点后，把转向盘作为视野障碍物，仪表板显示面作为投影面，RAMSIS则会自动计算在投影上得到的盲区范围，每个眼点对应一个盲区。

首先在RAMSIS中创建九十五百分位的男性人体模型，选择地区为中国，年龄范围为20～60岁，中等身材。按照现有的设计对人体模型进行正确的摆放，同时保证人体模型的H点和设计H点相重合，以便对仪表板盲区校核的结果与相应的眼椭圆得到的结果进行比较分析。

分别对人体模型的左、中、右眼点进行仪表板盲区校核，选择转向盘为障碍物，仪表板平面为投影目标，如图10所示。

删去视野轨迹后，在仪表板平面上留下转向盘在仪表板平面的投影，即可认为是九十五百分位男性的仪表板盲区，如图11所示。

同理可对五百分位的女性人体模型进行仪表板盲区的校核，如图12所示。

将九十五百分位男性人体模型的仪表板盲区和五百分位女性人体模型的仪表板盲区合并在一起，即可得到在RAMSIS下的仪表板总盲区，如图13所示。

由图可知，仪表板的盲区把仪表板显示部位的上半部分给遮挡了，而仪表板显示部位的下部和盲区之间几乎是紧贴着的。仪表板的可视范围非常小，仪表板所显示的数据并不能全部被驾驶员所观察到，所以这种设计是不合理的。得到结论和在眼椭圆下仪表板盲区校核得到的结果基本一致，解决方法是可以通过改变转向盘的高度和角度来调节仪表板的可视部分，也可通过调节仪表板的位置使其显示部分处在不被盲区所遮挡的位置。

4 对SAE眼椭圆和RAMSIS眼点在仪表板盲区校核上的比较分析

把由眼椭圆得到的仪表板总盲区和由RAMSIS得到的仪表板总盲区合并在一起进行比较分析，如图14所示。

通过图14可以看到，从转向盘轮缘盲区上来比较，由眼椭圆得到的仪表板可视范围比RMASIS得到的转向盘轮缘盲区范围略微狭窄，而从转向盘轮毂和轮辐盲区上来比较，依旧是眼椭圆得到的转向盘轮毂和轮辐盲区范围比由RMASIS得到的转向盘轮毂和轮辐盲区范围略微狭窄，换句话说，即是RAMSIS在仪表板盲区的校核要求上要比眼椭圆的略高。