基于RAMSIS軟件的乘用車大尺寸觸摸屏布置研究

陸子青，張子良

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基于RAMSIS軟件的乘用車大尺寸觸摸屏布置研究

陸子青，張子良

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804）

中控觸摸屏布置是乘用車人機(jī)工程中的重要部分。傳統(tǒng)的人機(jī)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和開發(fā)流程主要是基于簡(jiǎn)單的CAD建模、局限性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，全尺寸模型主觀評(píng)估。這些方法已不能適應(yīng)新技術(shù)、新造型趨勢(shì)和汽車行業(yè)的飛速發(fā)展。對(duì)此需要引入新的開發(fā)技術(shù)并通過研究制定優(yōu)化的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。本課題旨在通過研究市場(chǎng)各主流車型觸摸屏布置的當(dāng)前狀況及未來趨勢(shì)，運(yùn)用RAMSIS軟件分析并統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。通過分析總結(jié)，得出未來乘用車適應(yīng)大尺寸觸摸屏技術(shù)趨勢(shì)的優(yōu)化布置方法。本課題將完成對(duì)參考車型的主觀評(píng)價(jià)和RAMSIS建模分析，整理分析結(jié)論，提出結(jié)合傳統(tǒng)方式和軟件分析的更優(yōu)化的觸摸屏布置方法，提出未來的研究展望。

人機(jī)工程；RAMSIS；駕駛艙布置；觸摸屏

前言

人機(jī)工程是整車開發(fā)中的重要技術(shù)。隨著互聯(lián)網(wǎng)汽車產(chǎn)品的發(fā)展，操作方便性和舒適性越來越多的受到消費(fèi)者重視，整車廠商也對(duì)人機(jī)工程相關(guān)的車輛研發(fā)技術(shù)精益求精。

乘用車駕駛艙布置是向客戶提供舒適產(chǎn)品的最重要的工作項(xiàng)目。在駕駛艙布置時(shí)需要考慮適應(yīng)不同駕駛員人體的坐姿，確保操作舒適性。當(dāng)前還面臨造型趨勢(shì)變化，大型中控觸摸屏等新技術(shù)運(yùn)用帶來的挑戰(zhàn)。借助傳統(tǒng)的CAD工具和人機(jī)工程規(guī)范已經(jīng)不能適應(yīng)汽車業(yè)的高速發(fā)展。需要研究新的工程理論和方法。

1 觸摸屏布置現(xiàn)狀研究

1.1 乘用車大尺寸觸摸屏布置現(xiàn)狀

大尺寸中央顯示屏已成為車輛的信息交互和控制中心。中央屏幕集成了導(dǎo)航、娛樂、通訊、車載功能控制、狀態(tài)反饋等功能。常用的大屏有10.4寸4:3屏幕(屏幕尺寸294mm* 112mm)和12.3寸和16:9屏幕（屏幕尺寸214mm*284mm），前者適合縱向布置，后者適合橫向布置。特斯拉Model S采用尺寸更大的17寸屏，如圖1所示。

圖1 縱向布置的17寸觸摸屏

圖2 橫向與中控屏聯(lián)通的大面積液晶虛擬儀表

在項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，未來大屏幕的兩大主要問題是觸摸的可行性和顯示屏視野問題。對(duì)于橫向屏來說，布置難度在于左側(cè)被方向盤遮擋，右側(cè)遠(yuǎn)離手指觸及區(qū)；對(duì)于縱向屏來說，駕駛中低頭查看地圖和低頭操作觸控屏不但駕駛員不舒適，還會(huì)存在安全隱患。傳統(tǒng)的布置要求屏幕中心點(diǎn)在眼橢圓中心點(diǎn)為眼點(diǎn)的向下30度視線以上，新的縱向大屏幕中心點(diǎn)位置已經(jīng)打破了這一傳統(tǒng)，將主要的顯示信息盡量布置在屏幕上半?yún)^(qū)成為了重要的解決方法。

1.2 觸摸屏布置方法現(xiàn)狀研究

圖3 運(yùn)用SAE J883人體的乘用車駕駛艙總布置圖及尺寸定義

傳統(tǒng)的駕駛艙布置以確定坐姿為核心。以SAE的第95百分位人體坐姿的SgRP點(diǎn)作為坐姿參考點(diǎn)(SgRP, seating reference point)，SAE J941規(guī)定的眼橢圓、SAE J287規(guī)定的駕駛員手接觸區(qū)都基于SgRP推算，周邊其他部件及造型空間限制都可以圍繞這套系統(tǒng)來布置，如圖3所示。

目前對(duì)駕駛員布置的研究更多基于SAE標(biāo)準(zhǔn)的2D假人以及SAE定義的眼橢圓，視野測(cè)量方法，手接觸區(qū)等，這些標(biāo)準(zhǔn)都有很大的局限性，對(duì)于一些細(xì)節(jié)的布置問題無法評(píng)估，有些規(guī)范已不能適應(yīng)新的技術(shù)趨勢(shì)和用戶操作習(xí)慣。為此，需要利用人機(jī)工程的軟件更精確的模擬不同尺寸的人體進(jìn)行各種操作時(shí)的舒適性。

2 RAMSIS軟件使用研究

2.1 RAMSIS軟件簡(jiǎn)介

RAMSIS是“用于乘員仿真的計(jì)算機(jī)輔助人體數(shù)字系統(tǒng)”。RAMSIS是一種數(shù)字人體模型，是一種用于乘員仿真和車輛內(nèi)裝人機(jī)工程設(shè)計(jì)的高效CAD工具。該軟件為工程師提供了一個(gè)詳細(xì)的CAD人體模型，來模擬仿真駕駛員的行為。它使設(shè)計(jì)者在產(chǎn)品開發(fā)過程的初期，在只有CAD數(shù)據(jù)的情況下就可以進(jìn)行大量的人機(jī)工程分析，從而避免在以后階段進(jìn)行昂貴的修改。利用Ramsis可以克服現(xiàn)存大多數(shù)二維人機(jī)工程工具，如SAE J826模板等的不足。

圖4 通過人體測(cè)量建立RAMSIS人體模型

隨著人機(jī)工程研究的深入和虛擬評(píng)審系統(tǒng)的發(fā)展，未來的駕駛艙人機(jī)布置將會(huì)引入更多新技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CAD方法。更完善的RAMSIS等人機(jī)工程軟件可幫助工程師在更短時(shí)間內(nèi)完成可靠的布置驗(yàn)證，結(jié)合VR虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的使用能使工程師更方便的評(píng)審項(xiàng)目狀態(tài)。

圖5 通過人體測(cè)量建立RAMSIS人體模型

2.2 RAMSIS駕駛員人體布置方法

RAMSIS專門開發(fā)的坐姿模塊特別適用于分析駕駛員舒適性。軟件功能并不限于某些常見動(dòng)作，結(jié)合對(duì)真人動(dòng)作的研究，用戶可以在現(xiàn)有骨架的基礎(chǔ)上對(duì)人體編輯，修改尺寸，增加參考點(diǎn)，建立動(dòng)作約束，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種動(dòng)作的分析。在駕駛艙布置方面，運(yùn)用軟件可以快速調(diào)整姿勢(shì)和零部件布置，快速對(duì)各種方案進(jìn)行動(dòng)作舒適性的比對(duì)，節(jié)約了時(shí)間和成本。

RAMSIS人體坐姿的定位方式直接影響到坐姿仿真的結(jié)果。需要利用成熟的現(xiàn)有車輛，對(duì)比真人主觀感受和實(shí)車上的動(dòng)作，研究坐姿定位方法。

圖6 RAMSIS人體坐姿約束方式

3 基于RAMSIS的觸摸屏布置研究

3.1 現(xiàn)有車型研究與評(píng)估

為研究目前的主流駕駛艙布置，本文選取了5輛轎車進(jìn)行駕駛艙布置方案的研究。從結(jié)構(gòu)來看，主力駕駛艙都配備了中央顯示屏，主流仍是橫向布置，大部分尺寸在8-10寸之間，大屏都配備觸摸功能。屏幕布置參數(shù)如圖所示。

圖7 駕駛艙屏幕布置相關(guān)參數(shù)

表1 5輛參考車型屏幕相關(guān)布置參數(shù)測(cè)量值

由表1數(shù)據(jù)可知，屏幕中心的俯視角30°是用戶可接受的極限，車5在主觀評(píng)估中存在視線過低的抱怨。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)高于30°。屏幕中心到眼橢圓中心的距離J的合理范圍應(yīng)當(dāng)在700mm-850mm之間。

在實(shí)車測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，觸摸屏超出SAE手指觸及區(qū)的位置仍然可被用戶接受。我們希望未來的觸摸屏能代替機(jī)械開關(guān)操作，節(jié)省中控臺(tái)空間，又希望確保屏幕位于視線舒適造型美觀的位置，這就需要考慮到未來車主的適應(yīng)性，在滿足人機(jī)的基礎(chǔ)上對(duì)手指操作區(qū)進(jìn)行適當(dāng)放大。

當(dāng)前的技術(shù)背景下，最主要的問題就是對(duì)觸摸屏的最遠(yuǎn)端操作進(jìn)行研究。研究除了對(duì)比SAE規(guī)定的手觸及區(qū)，還將關(guān)注人的具體動(dòng)作:彎腰的情況、肩部離開靠背的距離、駕駛員對(duì)肩部離開靠背進(jìn)行操作的接受程度

利用RAMSIS在某車型內(nèi)飾掃描數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立不同百分位人體的坐姿，并特別做出手指觸摸屏幕遠(yuǎn)端的動(dòng)作，如圖8所示。

圖8 基于某大屏車型進(jìn)行的第5與95百分位人體觸摸屏動(dòng)作分析

圖9、圖10對(duì)比可見，SAE的觸及區(qū)非常保守，考慮的是肩部緊貼靠背，伸手動(dòng)作方便的情況。RAMSIS模擬動(dòng)作時(shí)已經(jīng)把手指定位到屏幕上，因此人體肩部自然前移較多，手接觸區(qū)就會(huì)更靠前。與實(shí)車操作對(duì)比可見，RAMSIS的動(dòng)作更接近實(shí)際情況，肩部短時(shí)間離開靠背，軀干前傾觸及屏幕是用戶長(zhǎng)期駕駛后被證明可以接受的動(dòng)作。

圖10 第95百分位人體觸及某車型觸控屏右上角以及SAE觸及區(qū)的舒適性對(duì)比研究

3.2 駕駛艙環(huán)境建模

為研究并優(yōu)化觸摸屏布置方法和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在CATIA中根據(jù)研究目標(biāo)搭建了駕駛艙布置研究模型，如圖11、圖12所示。觸控屏幕采用橫向12.3寸16:9與縱向14寸4:3屏幕。擺放SAE假人的目的也是為了之后與RAMSIS人體進(jìn)行對(duì)比，便于研究?jī)?yōu)化的布置方法與傳統(tǒng)方法的區(qū)別與優(yōu)缺點(diǎn)。

圖11 CATIA中搭建的橫向12.3寸屏布置研究模型

圖12 CATIA中搭建的縱向14寸屏布置研究模型

圖13 在建模中擺放三種典型尺寸的RAMSIS駕駛員人體

圖14 縱向觸摸屏最遠(yuǎn)端手指觸摸動(dòng)作模擬

圖15 第5、50、95百分位人體橫向雙聯(lián)屏最遠(yuǎn)端手指觸摸動(dòng)作和駕駛坐姿的對(duì)比

圖16 第5百分位人體橫向雙聯(lián)屏最遠(yuǎn)端手指觸摸動(dòng)作和駕駛坐姿的肩關(guān)節(jié)位置對(duì)比

4 基于RAMSIS的觸摸屏布置方法

4.1 基于RAMSIS的觸摸屏布置標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)上述研究，把左右兩側(cè)肩部的移動(dòng)量作為評(píng)估觸摸屏操作舒適性的參考指標(biāo)。其中左肩移動(dòng)量小，但受安全帶影響；右肩移動(dòng)量大，造成軀干傾斜，需要注意其舒適性。以觸控屏操作最為困難的第5百分位女性人體作為研究對(duì)象，由圖16可見，操作觸控屏右下，右上端時(shí)，左肩分別前移85mm和60mm，右肩分別前移70mm和114mm，觸控右上角時(shí)身體活動(dòng)最大，安全帶對(duì)左肩的影響也最大。大面積觸控屏操作對(duì)左肩的影響可以通過調(diào)整安全帶在B柱的布置位置及出口結(jié)構(gòu)，改善安全帶舒適性等方式來優(yōu)化。

根據(jù)以上研究結(jié)果，結(jié)合主觀評(píng)估結(jié)論，提出使用RAMSIS進(jìn)行觸控操作評(píng)估的方法：使用5、50、95百分位三種典型尺寸人體，先做出雙手握方向盤的標(biāo)準(zhǔn)駕駛坐姿，在此基礎(chǔ)上鎖定H點(diǎn)位置，將手指約束到遠(yuǎn)端的觸控點(diǎn)，做出觸控動(dòng)作。測(cè)量觸控操作時(shí)肩關(guān)節(jié)點(diǎn)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)駕駛坐姿時(shí)肩關(guān)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)量。要求左肩移動(dòng)量不超過90mm（安全帶壓迫位置），右肩移動(dòng)量不超過120mm。同時(shí)做出RAMSIS手觸及區(qū)，要求操作必須在此區(qū)域內(nèi)。屏幕中心點(diǎn)到眼橢圓中心點(diǎn)距離范圍700-850mm，屏幕中心點(diǎn)到眼橢圓中心的俯視角小于30°。

4.2 結(jié)合RAMSIS分析的觸摸屏布置方法優(yōu)化

雖然新方法把產(chǎn)品開發(fā)水平提升到了新的高度，但RAMSIS軟件也遠(yuǎn)沒有達(dá)到完美，作為重要的工程輔助手段，還需要和其他方法結(jié)合使用。

RAMSIS軟件使用需要緊密結(jié)合實(shí)車驗(yàn)證，需要對(duì)目標(biāo)市場(chǎng)駕駛員的喜好進(jìn)行基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)積累。這些數(shù)據(jù)將用來修正RAMSIS初始得出的動(dòng)作仿真結(jié)果。經(jīng)研究，由于上半身長(zhǎng)度較大，中國(guó)駕駛員的坐姿相對(duì)于SAE標(biāo)準(zhǔn)位置更低，但相對(duì)RAMSIS仿真結(jié)果更高，更靠前。駕駛員可接受的手指接觸區(qū)比RAMSIS分析結(jié)果更靠近人體約20mm，比SAE方法遠(yuǎn)離人體50mm以上，這一特性可用于各類內(nèi)飾操縱件布置。RAMSIS仿真方向盤傾角舒適性的結(jié)果和真人主觀評(píng)估最為接近。

5 結(jié)論

基于RAMSIS的駕駛艙布置對(duì)汽車人機(jī)工程技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)有很重要的意義，本文的研究替換了觸摸屏傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的布置方法。RAMSIS對(duì)幾乎所有的傳統(tǒng)布置方法提供了輔助驗(yàn)證手段，結(jié)合實(shí)車評(píng)估對(duì)分析結(jié)果的修正以及動(dòng)作捕捉，3D掃描等技術(shù)與RAMSIS的交互，后續(xù)將有更多的技術(shù)提升空間。新的研發(fā)技術(shù)也將改變整車開發(fā)流程，提高效率，節(jié)省成本。

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Study of Large Touch Screen Packaging of Passenger Cars Based on RAMSIS

Lu Ziqing, Zhang Ziliang

（SAIC Motor Technical Center, Shanghai 201804）

The package of touch screen is an important part of passenger car ergonomics. The classic ergonomics standards and engineering process are based on simple CAD models, limited dimension guidelines and seating buck assessment. Those methods cannot meet the requirement of new technologies, new styling concepts and the high growing speed of automotive industry. New technologies of engineering and optimized guide lines are necessary. In this study, the touch screen package in the market will be studied. RAMSIS will be used to analyze the ergonomics and package of operating systems. New optimized methods of touch screen package in the future will be discussed and summarized.Subjective assessment and RAMSIS analysis for the benchmark car will be made. The result will be summarized and an optimized new guide line of touch screen package will be proposed, the study of next step is will be figured out.

ergonomics; RAMSIS; cockpit package; touch screen

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.032

U467

A

1671-7988(2019)10-89-05

U467

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1671-7988(2019)10-89-05

陸子青(1984-)，男，上車體集成經(jīng)理，工程師，就職于上汽集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心整車集成部，從事上車體總布置工作。