基于人機工程學(xué)的汽車組合儀表的設(shè)計方法

趙國棟 劉偉東 劉國亮

（一汽轎車股份有限公司,長春 130011）

主題詞：人機工程學(xué) 組合儀表 設(shè)計 HMI

1 前言

汽車人機系統(tǒng)是一個相互作用相互依賴的、由“駕駛員”和“汽車”結(jié)合而成，具有特定的乘客或載物功能的運動體，它是一個典型的三要素模型。汽車通過顯示裝置顯示必要的信息，駕駛員通過讀取信息，并做出相應(yīng)的反應(yīng)，控制相關(guān)車載設(shè)備，或使汽車按人的意志進(jìn)行動作，這種駕駛員與汽車交互的界面稱之為人機界面（HMI，如圖1所示）。

圖1 汽車人機界面（HMI）

在汽車的人機界面中，駕駛員通過“顯示裝置”獲得汽車運行的相關(guān)信息，并且經(jīng)過駕駛?cè)藛T大腦的信息加工，快速進(jìn)行決策，最終駕駛員通過人機界面的操作裝置向汽車發(fā)出指令，從而改變汽車的運動形態(tài)，實現(xiàn)從駕駛員到汽車的信息傳遞[1]。而汽車組合儀表無疑是“顯示裝置”中最重要的組成部分，駕駛員會在行駛過程中通過組合儀表獲取車速、轉(zhuǎn)速、剩余油量、水溫等重要信息。為保證汽車儀表能滿足大多數(shù)人的駕駛習(xí)慣，組合儀表應(yīng)在前期設(shè)計就開始介入，尤其在造型階段做好可行性分析。組合儀表的設(shè)計一般遵循以下幾方面的原則：

?最少顯示界面布局原則，以減少駕駛員信息傳遞和分析時間，同時避免產(chǎn)生儀表間的視覺混亂；

?最精確的顯示原則，以減少誤讀，提高駕駛員的反應(yīng)能力和降低視覺疲勞[2]；

?最自然的顯示格式，以便駕駛員用自然、習(xí)慣性的理解和辨識方法去分析和處理信息，減少誤讀率；

?最有效的布置技術(shù)，以便駕駛員有一個好的識讀環(huán)境和識讀位置；

?優(yōu)化顯示特性，創(chuàng)造出看得見、顯而易見、看的清楚和好理解的特征。

組合儀表的一般設(shè)計流程如圖2。

圖2 組合儀表設(shè)計流程

2 組合儀表的設(shè)計

2.1 組合儀表表盤的定位

組合儀表表盤的定位主要從兩方面著手：一是組合儀表表盤中心位置的確定；二是組合儀表表盤角度的確定。

◆組合儀表表盤中心位置與眼橢圓之間的距離一般取750±50 mm，最大不能超過850 mm最小不能小于450 mm(如圖3所示)；

◆由于駕駛員大多通過方向盤上半輪緣去觀察儀表，故為保證儀表盤水平方向上的視野良好，一般要求儀表盤中心與方向盤中心重合[3]；

◆組合儀表表盤中心X/Z值的確定：人在觀察某一事物時，其頭部自然轉(zhuǎn)動角度范圍上下各為30°，左右各為45°，在此范圍內(nèi)人眼睛自然轉(zhuǎn)動范圍為上下各 15°，左右各15°[4]；基于上述角度范圍，儀表盤中心與眼橢圓中心連線與水平面的夾角應(yīng)控制在15～45°范圍之內(nèi)。通過目視距離和組合儀表平面角度的限制，可以得到組合儀表中心的X/Z值（如圖3所示）；

◆為減小誤差，視線應(yīng)盡量與觀察表面垂直，故儀表盤平面與儀表盤中心與眼橢球中心連線的夾角一般控制在90°左右，允許有上下10°的偏差[3]（如圖3所示）；

圖3 組合儀表表盤的定位

2.2 組合儀表可視區(qū)域的定義

駕駛員在行車過程中要通過觀察組合儀表獲得發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速等重要信息，但是在觀察組合儀表時，駕駛員的視線會被方向盤的輪緣、輪輻和輪轂等障礙物所遮擋，方向盤輪緣、輪輻和輪轂會在組合儀表顯示面上形成相應(yīng)的盲區(qū)[5]，影響駕駛員對儀表信息的讀取，降低人機之間信息的傳遞效率，影響駕駛安全。因此儀表所顯示的重要信息應(yīng)布置在駕駛員雙眼盲區(qū)之外。

◆方向盤輪緣造成的雙眼盲區(qū)

?首先確定組合儀表的工作平面，將方向盤3D模型調(diào)整到設(shè)計位置；

?參照SAE J941標(biāo)準(zhǔn)[6]構(gòu)建95百分位眼橢圓，并求出左右眼橢圓中心點，同時做出中間眼橢圓；

?建立特征盲區(qū)

●由左側(cè)眼點向方向盤輪緣內(nèi)外圈做切線，求出切線和組合儀表工作面的交點，求出左側(cè)眼點的單眼盲區(qū)（圖4所示）；

圖4 左側(cè)單眼盲區(qū)位置

●由右側(cè)眼點向方向盤輪緣內(nèi)外圈做切線，求出切線和組合儀表工作面的交點，求出右側(cè)眼點的單眼盲區(qū)（圖5所示）；

圖5 右側(cè)單眼盲區(qū)位置

●左右眼點單眼盲區(qū)的交集為雙眼盲區(qū)（圖6所示）；

圖6 雙眼盲區(qū)位置

?定義C點和做出封閉曲線

●C點：求出方向盤輪緣上半部分在過方向盤中心的Y平面內(nèi)的中心點，過此點與左右眼點連線的中點作直線，此直線與雙目盲區(qū)的特征區(qū)域的交點即為C點；

●封閉曲線：以方向盤輪緣上半部分Y平面內(nèi)的中心點作中間眼橢圓上、下、左、右的切線，求出這四條切線與儀表工作平面的交點，即可做出一條封閉曲線，一般來說，這條封閉曲線是一個橢圓。

?輪緣雙眼總盲區(qū)的建立

將特征盲區(qū)從C點依次移到工作平面封閉曲線上各點，做這些特征盲區(qū)的包絡(luò)面，即為由方向盤輪緣引起的雙眼盲區(qū)（如圖7所示）；

圖7 雙眼總盲區(qū)

◆方向盤輪輻造成的雙眼盲區(qū)

?輪轂眼點：左右眼點是由通過方向盤輪轂中心與左右眼橢圓底部相切的切點（如圖8所示）；

圖8 輪轂眼點

?單眼盲區(qū)：過左、右眼點做輪轂上沿的切面，與儀表板工作平面分別相交兩條線，這兩條線以下的區(qū)域為方向盤輪轂的左、右單眼盲區(qū)；

?雙眼盲區(qū)：左、右眼單眼盲區(qū)的相交部分即為輪轂雙眼盲區(qū)（如圖9所示）；

圖9 輪轂雙眼盲區(qū)

由方向盤輪緣和方向盤輪輻形成的雙眼盲區(qū)之和即為駕駛員的雙眼盲區(qū)，一般要求組合儀表顯示的重要內(nèi)容要布置在雙眼盲區(qū)之外，以保證駕駛員在讀取信息時不受干擾。

2.3 組合儀表顯示裝置的設(shè)計

為使駕駛員能準(zhǔn)確地獲得儀表的顯示信息，必須使儀表的尺寸、指示器、字符、符號和顏色的設(shè)計要符合人的生理和心里特征，儀表顯示裝置的設(shè)計應(yīng)從以下幾個方面展開[7]：

◆組合儀表表盤形狀的選擇

儀表的刻度盤形狀眾多，一般有圓形、半圓形、扇形、水平式和垂直式等，受車身結(jié)構(gòu)的限制，水平式和垂直式的儀表很少采用，而圓形和半圓形的刻度采用居多數(shù)。并且人眼在感知圓形或者半圓形刻度盤時，眼睛轉(zhuǎn)動的路線比感知直線刻度時更短，辨認(rèn)速度更快；

◆刻度盤的直徑尺寸

刻度盤的大小與要顯示信息的精密度和駕駛員的視距有關(guān)。尺寸越大，所顯示的信息也越多，清晰度對應(yīng)可提高，但同時視線的掃描路線變長，認(rèn)讀速度降低，并且容易分散觀察者的精力，安裝面積也隨之增大，布局不緊湊。因此刻度盤的尺寸應(yīng)取使駕駛員認(rèn)讀效果的最佳值，表1給出了視距為500 mm和900 mm時[7]，刻度盤尺寸與刻度數(shù)的關(guān)系：

表1 刻度盤尺寸與刻度數(shù)的關(guān)系[7]

◆文字和符號

儀表的信息必須配以文字和符號說明，才能夠完整、準(zhǔn)確地表達(dá)所顯示的信息含義。對于文字和符號，基本要求形狀簡單易讀、大小便于辨認(rèn)、顏色清晰醒目。比如在顯示裝置上，利用符號和標(biāo)志代替文字和數(shù)字有助于提高辨認(rèn)速度和準(zhǔn)確度，但應(yīng)該注意這些符號和標(biāo)志不應(yīng)過于復(fù)雜[7]；

◆指示器

儀表上的指示器用來表示和指示所顯示的關(guān)鍵信息和狀態(tài)，比如儀表的指針。指示器的設(shè)計要求能夠準(zhǔn)確指示所要表達(dá)的物理量，不出現(xiàn)掩蓋物理量、指示模棱兩可、指示器與背景對比過小的情況[7]；

◆顏色

儀表顏色的匹配一方面要考慮人機系統(tǒng)整體的色彩基調(diào)，以確定儀表的背景色調(diào)，還要使所顯示的信息清晰、醒目。保證信息醒目的途徑主要是使前景和背景有鮮明的顏色對比。比如要匹配儀表上的數(shù)字和背景顏色，最清晰的配色方案是黑底黃字，最模糊的配色方案是黑底藍(lán)字。在實際使用中，由于黑白兩種顏色比較容易掌握，常采用黑底白字或白底黑字的配色方案[7]。

2.4 組合儀表的防炫目設(shè)計

透過前風(fēng)窗玻璃、天窗和側(cè)窗的外界光線可能會經(jīng)過組合儀表玻璃罩的反射進(jìn)入駕駛員的眼睛，對駕駛員造成炫目，令駕駛員感覺不適，甚至?xí)?dǎo)致交通事故，影響汽車的行駛安全性。所以在組合儀表玻璃罩的設(shè)計過程中，應(yīng)充分考慮這一點，通過合理設(shè)計組合儀表玻璃罩和儀表帽檐高度來盡量減小炫目現(xiàn)象的發(fā)生。

在日常行駛中，對駕駛員造成炫目的主要因素包括以下幾方面：

?透過前風(fēng)窗玻璃的外界光線，經(jīng)組合儀表玻璃罩的反射有可能進(jìn)入駕駛員眼睛，對駕駛員造成炫目；

?透過天窗玻璃的外界光線（天窗開啟狀態(tài)），經(jīng)組合儀表玻璃罩的反射可能進(jìn)入駕駛員眼睛，使駕駛員感覺炫目，形成安全風(fēng)險；

?透過側(cè)窗玻璃的外界光線，經(jīng)組合儀表玻璃罩的反射有可能進(jìn)入駕駛員眼睛對駕駛員造成炫目；

?夜間行車時，組合儀表發(fā)出的光線經(jīng)前風(fēng)擋玻璃的反射有可能進(jìn)入駕駛員眼睛，對駕駛員造成炫目；

組合儀表玻璃罩和儀表帽檐確定的過程中，應(yīng)充分考慮上面4項因素，下面將詳細(xì)闡述組合儀表罩和儀表板帽檐高度的確定。

3.2.4 杜絕較難測量出入量項目漏記現(xiàn)象的發(fā)生 避免對汗液、痰液、傷口引流液等較難測量項目的漏記，如果大便、痰液收集器未測量即倒去，應(yīng)該在護(hù)理監(jiān)護(hù)單上實時標(biāo)明并估算相應(yīng)的出量，對出汗和滲出液的計量可分別采用稱量衣服和敷料紗布重量增多的方法，呼吸道的蒸發(fā)等項目可依據(jù)患者的實際情況進(jìn)行相應(yīng)折算或測算，例如正常成人每天呼吸道失水約350 ml，如有氣管插管、切開或上呼吸道感染患者則失水量應(yīng)增多。

◆組合儀表玻璃罩的確定

?組合儀表玻璃罩形式的選擇

組合儀表玻璃罩固定在儀表表盤之上，用來保護(hù)表盤不受損壞。通常儀表罩不選用平面玻璃，以避免駕駛員在讀取儀表信息時，在玻璃表面上看到自己的影像，產(chǎn)生日常生活中所謂的“照鏡子”現(xiàn)象。選用適當(dāng)曲率的儀表罩可使入射光形成漫反射，避免面罩反光。組合儀表玻璃罩一般分為上寬下窄（見圖10）和上窄下寬（見圖11）兩種形式，優(yōu)缺點詳見表2；

圖10 組合儀表玻璃罩(上寬下窄)

圖11 組合儀表玻璃罩(上窄下寬)

表2 組合儀表優(yōu)缺點

?組合儀表罩曲面玻璃的選擇

為使面罩工藝簡單、造型美觀，儀表罩曲面玻璃一般采用定曲率單曲面反內(nèi)凹設(shè)計，曲率不易過小，以保證較好的防炫目效果。表3列出了幾款車儀表罩的曲率。在實際設(shè)計過程中，可參照對標(biāo)車型并結(jié)合造型確定儀表罩的曲率。

表3 組合儀表罩曲率

◆組合儀表帽檐高度的確定

儀表帽檐的作用主要是防止從前風(fēng)窗、側(cè)窗和天窗入射的光線經(jīng)儀表罩的反射對駕駛員造成炫目，儀表帽檐的設(shè)計一般應(yīng)滿足以下幾方面的原則：

●儀表帽檐的高度不能影響駕駛員的下視野；

●能夠遮擋來自前風(fēng)窗、側(cè)窗和天窗的外界光線，避免對駕駛員造成炫目；

●造型美觀，符合大眾的審美要求；

●保證儀表板良好的工藝性；

儀表帽檐的高度確定主要考慮以下幾方面的因素：

?考慮從前風(fēng)窗、天窗和側(cè)窗的外界光線來確定儀表帽檐的高度

儀表帽檐的高度要能夠保證透過前風(fēng)窗的光線經(jīng)儀表罩反射后，反射光線不能進(jìn)入駕駛員的眼睛。如圖12所示，對于上窄下寬式儀表，取儀表對稱面內(nèi)儀表罩上的一點d,過d做眼橢圓上部的切線de，做de經(jīng)組合儀表罩的反射線df，調(diào)整d點的位置，使hg值最大，則df為儀表帽檐高度的最小控制線。超過該線的任意高度都能夠遮蔽來自前風(fēng)窗的外界光線，避免此類光線對駕駛員造成炫目；

圖12 儀表帽檐高度的確定

對于上寬下窄式儀表，如圖13所示，從眼橢圓發(fā)出的光線經(jīng)組合儀表罩的反射后均向下，對儀表帽檐的高度沒有具體要求；

圖13 儀表帽檐的高度的確定

同理，根據(jù)側(cè)窗入射光線可以確定儀表帽檐兩側(cè)的高度，如圖14所示。

圖14 儀表帽檐兩側(cè)的高度

?考慮從夜間儀表發(fā)光來確定儀表帽檐的高度將夜間發(fā)光的儀表作為光源，如圖15所示，若從儀表最下邊緣發(fā)出的光線經(jīng)前風(fēng)窗反射后不進(jìn)入駕駛員眼睛，則儀表其他部位發(fā)生的光線經(jīng)前風(fēng)窗反射后也不會進(jìn)入駕駛員眼睛

根據(jù)這一理論，運用光學(xué)成像原理，從儀表對稱中心面最下緣點a做前風(fēng)窗的反射點b，做直線ab經(jīng)前風(fēng)擋玻璃的反射線bc，調(diào)整b點在前風(fēng)窗玻璃的位置，使bc與眼橢圓上部相切。則ab為此狀態(tài)下確定儀表帽檐的最小高度，超過該線的任意高度都能保證儀表的發(fā)光不會對駕駛員造成炫目。

圖15 從夜間儀表發(fā)光來確定儀表帽檐的高度

夜間儀表發(fā)出的燈光會入射到側(cè)窗玻璃內(nèi)表面上，經(jīng)側(cè)窗玻璃內(nèi)表面反射后進(jìn)入到駕駛員眼睛里，這可能會引起眩目，增加了安全駕駛風(fēng)險。按照上述原理可以確定儀表罩帽檐的兩側(cè)高度，如圖16所示：

圖16 儀表罩帽檐的兩側(cè)高度確定原則

綜合考慮上述幾方面因素，在確定組合儀表帽檐的高度后需校對方向盤與帽檐之間的距離，確認(rèn)方向盤與帽檐之間的最小距離是否滿足60 mm的間隙要求。

3 模型驗證及主觀評價

當(dāng)組合儀表布置完成后，應(yīng)制作模型進(jìn)行驗證，并組織不同百分位的人群進(jìn)行主觀評價，確認(rèn)儀表的布置能否滿足絕大多數(shù)駕駛員的舒適度要求。

◆評價人員選擇

?評價人員應(yīng)至少具備兩年及兩年以上駕齡，且對汽車結(jié)構(gòu)有一定的了解，保證能夠?qū)υu價項目給出合理性的建議；

?評價人員應(yīng)盡量與開發(fā)車型的目標(biāo)用戶一致，身高范圍應(yīng)盡量包含低、中和高等各種身材，且同一身材人員數(shù)量不少于三名；

◆評價標(biāo)準(zhǔn)

所有評價人員評分標(biāo)準(zhǔn)一致，評分標(biāo)準(zhǔn)采用“五分制”，評價前應(yīng)對評價人員進(jìn)行培訓(xùn)，以確保在相同條件下，對同一項目不同人員給出的評價分?jǐn)?shù)應(yīng)盡量一致，評分標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 評分標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)論與展望

本文基于人機工程學(xué)詳細(xì)闡述了組合儀表的設(shè)計，針對儀表的布置尤其是儀表初期的布置進(jìn)行了較為詳細(xì)的描述，能夠為總布置人員在前期布置組合儀表時提供較好的參考。

對于本文的研究內(nèi)容，尚有許多問題仍待完善，比如儀表字體大小的規(guī)定及儀表背景顏色的搭配，涉及很多造型的東西需要后續(xù)完善和補充。