面向汽車視野設(shè)計(jì)與分析的駕駛員眼點(diǎn)分布仿真研究

余曉枝　任金東　陳俊豪　劉群　張苗莉

（吉林大學(xué)，長(zhǎng)春 130022）

面向汽車視野設(shè)計(jì)與分析的駕駛員眼點(diǎn)分布仿真研究

余曉枝任金東陳俊豪劉群張苗莉

（吉林大學(xué)，長(zhǎng)春 130022）

為解決目前眼點(diǎn)分布試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)成本高、其應(yīng)用受人體和車型尺寸變化影響等問(wèn)題，提出了仿真獲得眼點(diǎn)分布的方法。利用美國(guó)人體數(shù)據(jù)，采用蒙特卡羅仿真方法建立了男、女和混合人群3組大樣本人群數(shù)據(jù)；基于6輛實(shí)車布置參數(shù)，利用級(jí)聯(lián)預(yù)測(cè)（CPM）模型仿真了眼點(diǎn)分布；針對(duì)眼點(diǎn)分布參數(shù)隨車型的變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。與按照SAE標(biāo)準(zhǔn)方法得到的結(jié)果對(duì)比表明，本文的方法切實(shí)可行，為準(zhǔn)確面向不同車型和人群進(jìn)行視野設(shè)計(jì)與分析時(shí)計(jì)算眼點(diǎn)分布提供了解決方案。

主題詞：眼點(diǎn)分布仿真駕駛室統(tǒng)計(jì)分析參數(shù)

1　前言

與汽車車身設(shè)計(jì)有關(guān)的駕駛員人體特征點(diǎn)主要包括眼點(diǎn)、頭頂點(diǎn)、胯點(diǎn)以及膝部和胃部的一些特殊點(diǎn)［1～3］。其中，眼點(diǎn)分布對(duì)于視野設(shè)計(jì)至關(guān)重要，一般用眼橢圓來(lái)描述［4～5］。眼橢圓是通過(guò)對(duì)駕駛員眼睛位置進(jìn)行測(cè)量和統(tǒng)計(jì)得到的［4］。目前最新的眼橢圓標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)（SAE）根據(jù)密歇根大學(xué)交通研究所（University of Michigan Transportation Research Institute，UMTRI）20世紀(jì)90年代的有關(guān)研究成果整理推出的，主要面向美國(guó)人群（盡管其中還給出了日本和荷蘭的眼橢圓尺寸和通用中心定位公式）［5～6］。通過(guò)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法獲得眼點(diǎn)分布費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且結(jié)果只適合原目標(biāo)人群（美國(guó)人）；隨著時(shí)間的推移，人體尺寸、車型尺寸都會(huì)發(fā)生變化，原來(lái)的眼點(diǎn)分布可能不再適用，必須重新進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)［7］。我國(guó)目前沒(méi)有用于設(shè)計(jì)的眼點(diǎn)分布數(shù)據(jù)，因此急需進(jìn)行相關(guān)研究［7～8］。

本文嘗試通過(guò)仿真方法獲得準(zhǔn)確的眼點(diǎn)分布數(shù)據(jù)。該方法可嘗試用于生成符合不同目標(biāo)人群的眼點(diǎn)分布數(shù)據(jù)，進(jìn)而快速建立用于視野設(shè)計(jì)的眼橢圓，從而減少甚至取代試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的方法，并且能夠快速與設(shè)計(jì)參數(shù)聯(lián)系起來(lái)，甚至用于仿真［9］。鑒于沒(méi)有適用于中國(guó)人的相關(guān)數(shù)據(jù)和可用作驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)，本文以美國(guó)人的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

2　駕駛員眼點(diǎn)仿真

2.1CPM模型簡(jiǎn)述

上世紀(jì)90年代末，Reed等人提出一種預(yù)測(cè)駕駛員全身姿勢(shì)的級(jí)聯(lián)預(yù)測(cè)模型（cascade prediction model，CPM）［10］，著重提出先預(yù)測(cè)H點(diǎn)和眼點(diǎn)，再利用反向運(yùn)動(dòng)學(xué)（inverse kinematics，IK）方法計(jì)算各肢體姿勢(shì)的駕駛員全身姿勢(shì)預(yù)測(cè)方法，其中采用了一系列的回歸模型，它們之間存在著先后依賴的關(guān)系，所以將其稱為遞進(jìn)預(yù)測(cè)模型，其統(tǒng)一的格式為：

式中，φ為姿勢(shì)變量；B為常數(shù)項(xiàng)；c1～c6為模型系數(shù)；S為身高；BMI（body mass index）為人體質(zhì)量指數(shù)，為體重與身高平方的比值；H30為座椅高度；H為人體坐高；L6為轉(zhuǎn)向盤(pán)到加速踏板基準(zhǔn)點(diǎn)（pedal reference point，PRP）的前后距離；A27為座墊傾角；σφ為誤差分布的標(biāo)準(zhǔn)差。

預(yù)測(cè)眼睛位置的模型系數(shù)見(jiàn)表1，其中的駕駛室布置參數(shù)見(jiàn)圖1和文獻(xiàn)［11］。表1中，XE、ZE分別為眼點(diǎn)x、z坐標(biāo)分量。預(yù)測(cè)眼睛位置的因子不包括BMI和A27。

表1　CPM模型

2.2駕駛?cè)巳篗onte Carlo仿真

為模擬眼點(diǎn)的分布，需根據(jù)目標(biāo)人群的人體數(shù)據(jù)分布的數(shù)字特征（人體尺度均值和斜方差矩陣）建立人群的樣本。眼點(diǎn)預(yù)測(cè)所需要的人體尺度變量包括身高S、坐高H和人體質(zhì)量M。根據(jù)這三個(gè)變量分布的數(shù)字特征，通過(guò)Monte Carlo仿真來(lái)生成美國(guó)男性和女性容量分別為5 000的樣本［12～13］，作為駕駛員眼點(diǎn)分布仿真的人體尺度數(shù)據(jù)源。

2.3眼點(diǎn)的計(jì)算

直接利用式（1）和表1即可計(jì)算眼點(diǎn)關(guān)于定位基準(zhǔn)點(diǎn)的x、z坐標(biāo)［14～15］。但由于個(gè)體習(xí)慣等原因，即使同一個(gè)體多次入座時(shí)，其眼點(diǎn)的位置也不一定相同，因此，在仿真過(guò)程中必須考慮眼點(diǎn)分布的離散性。在應(yīng)用CPM預(yù)測(cè)眼點(diǎn)位置時(shí)，通過(guò)將預(yù)測(cè)殘差引入眼點(diǎn)計(jì)算解決該問(wèn)題，即：

圖2所示為殘差對(duì)眼點(diǎn)分布計(jì)算的影響。

針對(duì)6個(gè)車型數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了眼點(diǎn)分布的仿真計(jì)算，車型數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，某車型模擬得到的眼點(diǎn)分布數(shù)據(jù)如圖3所示。

表2　車型參數(shù)

3　眼點(diǎn)分布的統(tǒng)計(jì)分析

3.1眼橢圓參數(shù)的計(jì)算

根據(jù)眼橢圓的數(shù)學(xué)意義來(lái)計(jì)算眼橢圓參數(shù)，包括中心位置、長(zhǎng)短軸長(zhǎng)度和長(zhǎng)軸的傾角［7，15～16］。中心位置利用眼點(diǎn)x、z坐標(biāo)均值來(lái)估計(jì)：

式中，Xc、Zc分別為眼點(diǎn)分布的中心點(diǎn)坐標(biāo)；n為樣本容量。

橢圓長(zhǎng)、短軸長(zhǎng)度計(jì)算公式為：

式中，Lx、Lz分別為眼點(diǎn)分布的長(zhǎng)軸和短軸長(zhǎng)度；σF1、σF2分別為眼點(diǎn)分布沿第1、第2主成分方向的標(biāo)準(zhǔn)差，分別用樣本方差來(lái)估計(jì)；ka為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布變量上a分位點(diǎn)，這里取a=1.645，對(duì)應(yīng)95百分位眼橢圓。

橢圓長(zhǎng)軸傾角為：

式中，β為長(zhǎng)軸傾角，為眼點(diǎn)分布的第1主成分方向與x軸的夾角；XP、ZP分別為第1主成分軸正方向上的任意一點(diǎn)的x、z坐標(biāo)。

眼橢圓參數(shù)如圖4所示。針對(duì)每輛車，分別對(duì)男性、女性和男女混合人群的眼橢圓參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。

3.2眼點(diǎn)參數(shù)隨車型參數(shù)的變化

不同車型眼橢圓參數(shù)應(yīng)該是不同的，并且隨著車型參數(shù)呈現(xiàn)一定規(guī)律的變化［7，15］。通過(guò)相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，眼橢圓尺寸和傾角受車型參數(shù)變化的影響很小，而橢圓中心位置受車型參數(shù)變化的影響明顯。對(duì)于男性人群，中心點(diǎn)坐標(biāo)Xc與轉(zhuǎn)向盤(pán)前后位置（L11）相關(guān)性很強(qiáng)（相關(guān)系數(shù)r=0.997，顯著性水平sig.＜0.01，表示非常顯著），而與座椅高度相關(guān)性不明顯（r=0.137，sig.＞0.05）。此外，H點(diǎn)調(diào)節(jié)軌跡傾角A19也對(duì)中心坐標(biāo)Xc影響較大（r=-0.622，很顯著）。中心點(diǎn)坐標(biāo)Zc與座椅高度完全相關(guān)（r=1，sig.＜0.01），而與轉(zhuǎn)向盤(pán)位置（L11、H17）、H點(diǎn)調(diào)節(jié)軌跡傾角A19關(guān)系不大。對(duì)于女性人群和混合人群，上述規(guī)律基本相同，只是程度略有區(qū)別。男性人群和混合人群眼橢圓參數(shù)與車型參數(shù)的相關(guān)性分析結(jié)果見(jiàn)表3。圖5所示為各車型眼橢圓中心隨駕駛室布置參數(shù)變化的散點(diǎn)圖。根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果選取合適的布置參數(shù)作為橢圓中心的預(yù)測(cè)因子，采用多元線性回歸方法建立橢圓中心預(yù)測(cè)模型。

表3　眼橢圓參數(shù)與車型參數(shù)相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果

4　眼點(diǎn)分布的驗(yàn)證

根據(jù)6輛實(shí)車的駕駛室布置參數(shù)，經(jīng)過(guò)仿真進(jìn)一步建立了各車對(duì)應(yīng)的眼橢圓，并與按照SAE標(biāo)準(zhǔn)方法得到的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。限于篇幅，只給出男性和男女混合人群的對(duì)比結(jié)果，如表4所示。由表4可見(jiàn)：各車型男性眼點(diǎn)分布的中心點(diǎn)在x和z方向的預(yù)測(cè)誤差都在33 mm以內(nèi)；尺寸的誤差也很?。˙車最大，比SAE標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)8.0 mm）；所有車型的眼橢圓傾角平均比SAE標(biāo)準(zhǔn)大1.0°。對(duì)于混合人群，其橢圓中心的預(yù)測(cè)非常準(zhǔn)確，最大誤差不超過(guò)6 mm，而長(zhǎng)軸和傾角的誤差比單一性別人群稍大，但也很小。

表4　眼橢圓參數(shù)仿真結(jié)果與SAE結(jié)果對(duì)比

5　結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)仿真方法模擬了眼點(diǎn)的分布，驗(yàn)證結(jié)果比較理想，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，對(duì)于橢圓長(zhǎng)軸的模擬結(jié)果偏大。目前使用的是直接模擬法，即直接計(jì)算眼點(diǎn)坐標(biāo)，由于CPM是根據(jù)美國(guó)人體數(shù)據(jù)得出的，這種方法更適于美國(guó)人。由于直接模擬方法隱含了人體尺寸和姿勢(shì)因素，無(wú)法根據(jù)誤差的大小估計(jì)人體尺寸和姿勢(shì)模擬的不準(zhǔn)確程度。為解決這一問(wèn)題，未來(lái)將進(jìn)一步研究基于駕駛員人體運(yùn)動(dòng)學(xué)、生物力學(xué)的眼點(diǎn)分布仿真方法，從根本上研究人體舒適坐姿的規(guī)律，并進(jìn)而獲得更為通用的眼點(diǎn)分布規(guī)律及仿真方法。

1Hammond D C，Roe R W.Driver Head and Eye Positions.Automotive Engineering Congress and Exposition，Detroit，1972.

2Roe R W.Describing the Driver's Workspace：Eye，Head，Knee，and Seat Positions.SAE Technical Paper No.750356，1975.

3溫吾凡.人體特征點(diǎn)在車身坐標(biāo)系中的分布.汽車工程，1990（3）：20～26.

4Meldrum J F.Automobile Driver Eye Position.SAE Technical Paper No.650464，1965.

5Society of Automotive Engineers.Recommended Practice J941，Motor Vehicle Drivers'Eye Locations.Warrendale：Society of Automotive Engineers，Inc.，2010.

6Manary M A，F(xiàn)lannagan C A C，Reed M，et al.Development of an Improved Driver Eye Position Model，International Congress&Exposition，1998.

7任金東，范子杰，黃金陵.適合不同駕駛員群體眼橢圓統(tǒng)計(jì)方法.機(jī)械工程學(xué)報(bào).2006，42（2）：192～197.

8葛安林，任金東，黃金陵，等.汽車視野設(shè)計(jì)原理和方法研究.機(jī)械工程學(xué)報(bào).2002（4）：148～151.

9Ruspa C，Quattrocolo S，Bertolino D.Virtual Tool for the Evaluation of the Visibility during Critical Driving Tasks.SAE Technical Paper No.2007-01-2499，2007.

10Reed M P，Manary M A，F(xiàn)lannagan C A，et al.A StatisticalMethod for Predicting Automobile Driving Posture.Human Factors，2002，44（4）：557～568.

11Society of Automotive Engineers.Recommended Practice J1100，Motor Vehicle Dimensions.Warrendale：Society of Automotive Engineers，Inc.，2002.

12徐鐘濟(jì).蒙特卡羅方法.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1985.

13Wirsching H，Premkumar S.Statistical Representations of Human Populations in Ergonomic Design.SAE Technical Paper No.2007-01-2451，2007.

14Society of Automotive Engineers.Recommended Practice J1516，Accommodation Tool Reference Point.Warrendale：Society of Automotive Engineers，1997.

15Du X M，Ren J D，Gao Z H.Automobile Cab Packaging Study Based on Driver Simulation.IEEE 18th International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management，Changchun，2011.

16溫吾凡，杜子學(xué).汽車駕駛員眼橢圓二維正態(tài)分布理論解釋.汽車工程，1991（4）：223～228.

（責(zé)任編輯斛畔）

修改稿收到日期為2016年7月5日。

Research on the Simulation of the Driver Eye Point Distribution Used for Vehicle Vision Design and Analysis

Yu Xiaozhi，Ren Jindong，Chen Junhao，Liu Qun，Zhang Miaoli
（Jilin University，Changchun 130022）

In view of the present problem of the high cost in acquiring the eye point distribution by empirical statistical method，and the problem of the poor usability of the eye point distribution caused by the variation of the population anthropometry and vehicle packaging dimensions，this paper presented a simulative method to generate the eye point distribution.Based on America anthropometry data，and by using Monte Carlo simulation，the anthropometric sample data of the male，female and mixed-gender population were generated，which were used to simulate the distributions of their eye points with Cascade Prediction Model（CPM），based on the cab packaging parameters of six cars.Statistical analyses were conducted about the distribution parameters of the eye points，as well as their trends varying with the cab packaging parameters.The simulated results were validated with those calculated from SAE methods.The results showed perfect feasibility of the method presented in this paper，which provided good solution for calculating the distribution of eye points for different populations and vehicle models when conducting vision design and analyses.

Eye point distribution，Simulation，Cab，Statistical analysis，Parameter

U461.99

A

1000-3703（2016）10-0027-04