基于人機(jī)工程學(xué)的轎車駕駛室視野的研究

馬廣韜，柳 天

（沈陽建筑大學(xué) 設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

基于人機(jī)工程學(xué)的轎車駕駛室視野的研究

馬廣韜，柳 天

（沈陽建筑大學(xué) 設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

依據(jù)轎車駕駛員眼橢圓的特性，建立了駕駛室視野的幾何關(guān)系圖，利用解析幾何學(xué)的相關(guān)知識，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)原理和美國SAE-J1100眼橢圓的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，推導(dǎo)出了目標(biāo)物的駕駛室視角關(guān)系式，通過對視角關(guān)系式的應(yīng)用，以期達(dá)到減少駕駛員視覺疲勞和提高駕駛安全的目的。

視野；轎車；駕駛室；眼橢圓；視角；人機(jī)工程

0 引言

在汽車行駛過程中，駕駛員80%的外界信息依賴于視覺獲取[1]。汽車駕駛視野直接影響駕駛員外界信息的有效獲取及視覺疲勞的產(chǎn)生[2]。滿足汽車駕駛視野的性能要求，成為現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)中，必不可少的需要考慮的因素之一。

在眼橢圓的應(yīng)用基礎(chǔ)上，國內(nèi)現(xiàn)有目標(biāo)物點(diǎn)視角的求取一般采用作圖的形式，但缺乏數(shù)據(jù)的精確計(jì)算。筆者通過建立眼橢圓模型和直角坐標(biāo)系，以垂直方向上，眼橢圓側(cè)視圖為主，利用數(shù)學(xué)計(jì)算方法，進(jìn)一步計(jì)算視角、目標(biāo)物點(diǎn)的精確關(guān)系，從而為現(xiàn)有轎車設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 駕駛員視覺特性

1.1 人眼的生理特性

當(dāng)人的頭部和眼球保持不動時，所看到的視野范圍可分為最佳視野，良好視野和有效視野范圍。最佳視野為：水平線上下左右均為1.5°；良好視野，水平視線上下30°，垂直面兩側(cè)各15°；有效視野，水平線以上25°，以下 35°，垂直面左右各 35°[3]。

駕駛員觀察目標(biāo)物時，往往通過轉(zhuǎn)動頭部和眼球，來擴(kuò)大有效視區(qū)[4]。在垂直方向上，眼球自然轉(zhuǎn)動角度，上下均為15°；頭部位上下30°。眼睛和頭部可進(jìn)一步擴(kuò)大轉(zhuǎn)動角度，來增加視區(qū)，但眼睛和頭部會有明顯的不適感出現(xiàn)，此時轉(zhuǎn)角，眼睛向上45°，向下65°；頭部上下均為50°。如圖1所示。

圖1 眼睛與頭部垂直方向上的轉(zhuǎn)動角度Fig.1 The rotational angle of eyes and head in the vertical direction

1.2 駕駛員眼橢圓

不同身材駕駛員以正常坐姿，將座椅調(diào)整到適意位置時，眼睛位置在車內(nèi)坐標(biāo)系中的統(tǒng)計(jì)分布圖形，呈橢圓狀，因此被稱為眼橢圓[5]。汽車駕駛員眼橢圓的制訂，為汽車視野設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的依據(jù)，如圖2所示。

圖2 駕駛員眼橢圓Fig.2 Driver's eye ellipse

2 視野坐標(biāo)系的建立及視角的推導(dǎo)

眼橢圓在車身圖上定位時，一般以過R點(diǎn)（座椅調(diào)至最大行程時的跨點(diǎn)）豎直方向所在直線作為坐標(biāo)系Z軸，以R點(diǎn)向上635mm處，水平方向上的的直線作為坐標(biāo)的X軸，依據(jù)空間關(guān)系作出徑向Y軸，最終根據(jù)眼橢圓坐標(biāo)位置，來進(jìn)行眼橢圓定位[6]。但由于眼橢圓坐標(biāo)隨H點(diǎn)水平行程和座椅靠背角的改變而改變，這樣進(jìn)行目標(biāo)物點(diǎn)視角的計(jì)算就變得復(fù)雜而繁瑣。

2.1 視野坐標(biāo)系的建立

在眼橢圓側(cè)視圖上，以眼橢圓長軸所在直線作為X軸，眼橢圓短軸所在直線作為Y軸，建立平面直角坐標(biāo)系，如圖3所示。

圖3眼橢圓側(cè)視圖坐標(biāo)系Fig.3 The eye ellipse coordinate system in side elevation

圖3中，目標(biāo)物點(diǎn)為眼睛看目標(biāo)物時，注視點(diǎn)的抽象概念，其在眼橢圓側(cè)視圖坐標(biāo)系中的坐標(biāo)用（p，q）來表示；直線l為經(jīng)過目標(biāo)物A點(diǎn)，眼橢圓曲線的切線，即為眼睛看目標(biāo)物點(diǎn)最大、最小視角時，視線所在直線。a為眼橢圓側(cè)視圖長半軸長，b為短半軸長，a、b的取值會因?yàn)镠點(diǎn)水平行程的變化而發(fā)生改變，其取值如表1所示。

表1 眼橢圓側(cè)視圖尺寸Tab.1 Dimensions of eye ellipse in side elevation

2.2 視角關(guān)系式的推導(dǎo)

在行駛過程中，駕駛員所看目標(biāo)物主要位于駕駛員的前方，即在側(cè)視圖中眼橢圓的左側(cè)。此處以處于眼橢圓左上方的目標(biāo)物點(diǎn)為主要研究對象 (即直線斜率小于0的情況)，來進(jìn)行目標(biāo)物點(diǎn)仰角的計(jì)算。

眼橢圓長、短半軸用a，b表示，則其眼橢圓的方程式為x2/a2+y2/b2=1；直線l經(jīng)過目標(biāo)物點(diǎn)A（p，q），假定其斜率為k，則其方程式為kx-y+q-kp=0。直線l與橢圓相切，通過解析幾何的計(jì)算，直線l的斜率k與目標(biāo)物點(diǎn)坐標(biāo)（p，q）的關(guān)系式表示為：

最大仰角視線：

最小仰角視線：

視野坐標(biāo)系X軸，即眼橢圓的長軸所在直線與水平線的夾角為6.4°，故目標(biāo)物點(diǎn)實(shí)際仰角的表達(dá)式可用下式表示：

以斜率的不同來劃分目標(biāo)物點(diǎn)所在的不同位置，即分為k不存在，k＞0，k=0和k＜0幾種情況。當(dāng)k不存在時，即目標(biāo)物點(diǎn)出點(diǎn)眼橢圓Y軸方向的正上方，此處不屬于所研究目標(biāo)物點(diǎn)的主要范圍，故不予考慮。當(dāng)k存在時，則其推導(dǎo)結(jié)果，如上文所示，但會存在仰角、俯角的變化。

3 視角推導(dǎo)公式的應(yīng)用

影響駕駛員視野，或與駕駛員視野性能相關(guān)的目標(biāo)物，主要位于行駛方向上，駕駛員的前方，主要劃分為兩類，汽車車身節(jié)點(diǎn)，如汽車A柱，前窗邊緣線，后視鏡等，以及交通指示、馬路井蓋和行人車輛等。汽車節(jié)點(diǎn)影響汽車設(shè)計(jì)中的車身尺寸參數(shù)，后者則會影響到汽車視野的校核，國家對于汽車視野規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。在空間排布上，因目標(biāo)物點(diǎn)與眼橢圓的相對位置的不同，亦可以做如下分類。如表2所示。

表2 轎車目標(biāo)物點(diǎn)與眼橢圓的空間相對位置（側(cè)視圖）Table.2 The relative space position relations between target point and eye ellipse（in side elevation）

前上方視野會受到轎車前風(fēng)窗透明區(qū)上邊沿的制約。視野設(shè)計(jì)需考慮的主要因素包括，交通指示燈，路牌的識別，以及能夠防止陽光炫目。按照國家標(biāo)準(zhǔn)，汽車前方視野設(shè)計(jì)應(yīng)能保證觀察到車輛前方12m處，5m高的信號燈，如圖4所示。根據(jù)視角計(jì)算公式可得出人眼觀察信號的視角的關(guān)系式：

圖4 前上方視野與交通信號的關(guān)系Fig.4 The relation between visual field in the upper front of the side and traffic signal

式中：h—眼點(diǎn)距離地面的高度（m）；l—眼點(diǎn)距離轎車前段的距離（m）。

保證觀察到交通信號，即需滿足交通信號的視角小于汽車前風(fēng)窗透明區(qū)上緣的最小視角，取前風(fēng)窗透明區(qū)上緣點(diǎn)，定義其相對于視野眼橢圓坐標(biāo)系的坐標(biāo)為A（p，q）（同上文目標(biāo)物點(diǎn)坐標(biāo)），則其應(yīng)滿足如下關(guān)系式：

式中：k2取式（2）中的計(jì)算值。

前下方視野一般會局限于轎車前風(fēng)窗透明區(qū)下緣或引擎罩，其主要目標(biāo)物為井蓋，路面狀況。為了保證行駛安全，需要滿足井蓋，路面在可視、可識別范圍內(nèi)的視角小于前風(fēng)窗透明區(qū)下緣或引擎罩的最小俯角（與仰角算法一致）。在行駛過程中，轎車的高速度會使路面相對于眼睛產(chǎn)生流動的效果，且可視路面距離眼點(diǎn)越近，流動效果會越明顯，帶來強(qiáng)烈觀感的同時，也會加速視覺疲勞的產(chǎn)生[7]。這時，對于轎車設(shè)計(jì)中前風(fēng)窗透明區(qū)下緣或引擎罩的俯角也會受到約束，即其最大俯角需大于某一范圍。

4 總結(jié)

（1）在本文的視野計(jì)算中，轎車車身節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)是建立在視野坐標(biāo)系，即以眼橢圓側(cè)視圖長短軸所在直線為坐標(biāo)軸的直角坐標(biāo)系上。而在實(shí)際設(shè)計(jì)中，一般以駕駛員座椅最大行程處的跨點(diǎn)（R點(diǎn)）為基點(diǎn)，過該點(diǎn)的水平面和垂直面作為基準(zhǔn)平面，來進(jìn)行轎車車身的設(shè)計(jì)[8]。在側(cè)視圖上，表現(xiàn)為過R點(diǎn)的水平線X軸和垂直線Z軸的坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的坐標(biāo)系。兩坐標(biāo)系有一定關(guān)聯(lián)，坐標(biāo)可以互為轉(zhuǎn)化。

（2）眼橢圓試驗(yàn)，是駕駛員將以正常坐姿將座椅調(diào)至適意位置來進(jìn)行的。故眼點(diǎn)位置的采集時，頭部與眼球在其自然轉(zhuǎn)動角范圍內(nèi)，但不同眼點(diǎn)位置，眼睛的直前視線不一定位于水平線上。駕駛員的有效視區(qū)會因汽車速度的增加而逐漸較少，且在識別不同顏色時，也會不同。

（3）眼橢圓俯視圖視角的計(jì)算，與側(cè)視圖類似，但需要兼顧雙眼的位置。眼橢圓俯視圖一般用于A柱盲區(qū)，后視鏡視角范圍的求取。

[1]鄭艷玲.人機(jī)工程學(xué)在轎車駕駛室設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[D].長春：長春理工大學(xué)，2008.

[2]葛安林，等.汽車視野設(shè)計(jì)原理和方法研究[J].長春：機(jī)械工程學(xué)報，2002，4.

[3]郭琳，朱序璋，畢偉民，許英.安全人機(jī)工程學(xué)在挖掘機(jī)駕駛室中的應(yīng)用[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2008，4.

[4]申福林.人的視覺與汽車的視野設(shè)計(jì)[J].西安：西安公路學(xué)院學(xué)報，1988，1.

[5]杜子學(xué).汽車人機(jī)工程學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[6]滕永泉.乘用車內(nèi)飾人機(jī)設(shè)計(jì)中如何利用眼橢圓[J].廣州：科學(xué)之友，2012.

[7]黃永和.駕駛員眼位置的研究[J].國外汽車，1992，3.

[8]郭榮春，張華.眼橢圓在汽車車身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2010，9.

Study on the Visual Field of Sedan's Cab Based on Ergonomics

MA Guang-Tao，LIU Tian
（Art Institute of Design,Shenyang Jianzhu University,Shengyang Liaoning 110168，China）

According to the characteristics of the car driver's eye-ellipse,we established the geometric diagram of the view of sedan's cab.The application of analytic geometry and ergonomics deduces the relationships between the angle of the bridge type of the target,referring to eye ellipse standard of America SAE-J1100.The application of these conclusions can reduce the driver's visual fatigue andimprove driving safety.

visual field； sedan； cab； eye ellipse； viewing angle； ergonomics

TH-39

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2013.06.011

1002－6673 （2013） 06－030－03

2013-09-28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（509090680）

馬廣韜 （1962-），男，遼寧本溪人，教授；柳天（1988-），男，山西朔州人，在讀研究生。