基于Jack仿真的汽車A柱障礙角的校核與評估

王長帥，姬小國，史雪瑩，朱彤

(長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064)

1 引言

截止2017年年底，全國汽車保有量21743萬輛，比上年末增長11.8%[1]，但道路交通資源是有限的，汽車數(shù)量的增加導(dǎo)致道路變得更加擁擠，交通事故頻發(fā)。2017年我國發(fā)生交通事故共計203049起，導(dǎo)致63772人死亡，209654人受傷[2]。對交通事故的致因進行分析，發(fā)現(xiàn)人、車、路及環(huán)境是導(dǎo)致交通事故的主要原因，其中人的因素是導(dǎo)致交通事故的最主要原因[3-12]，但汽車設(shè)計的缺陷也會引起交通事故的發(fā)生。駕駛過程中80%左右的道路交通信息是駕駛?cè)送ㄟ^眼睛獲得的[12-20]，因此良好的駕駛視野是汽車行駛安全的保證。受制于車輛本身結(jié)構(gòu)強度的要求，汽車A柱在設(shè)計過程中不能被代替，A柱的寬度和角度會影響駕駛?cè)说囊曇?，轉(zhuǎn)彎時駕駛?cè)说囊曇皶籄柱部分遮擋，即為A柱障礙角，A柱障礙角會影響駕駛?cè)藢囕v側(cè)前方物體的判斷[21]。A柱障礙角的大小直接關(guān)系到駕駛?cè)说囊曇胺秶?，因此有必要對汽車A柱障礙角進行校核與評估。

汽車A柱設(shè)計在汽車安全中占有著非常重要的地位。Reed M (2008年)利用貝塞爾曲線建立仿真車輛轉(zhuǎn)向軌跡建模并對56輛汽車A柱的幾何形狀進行了分析，結(jié)果表明A柱越靠近前方視線，其在汽車行駛路徑上產(chǎn)生的遮蔽區(qū)域越大，處在遮蔽區(qū)的行人面臨這不被司機發(fā)現(xiàn)的風(fēng)險[22]。S.Y.Ahn等人(2015年)依據(jù)信息的易感性，從駕駛員的視野角度對車輛前方視野區(qū)域進行了重新定義，并提出了基于駕駛員注視比例的評估前方視野區(qū)域的工具，并招募駕駛員進行模擬試驗，結(jié)果表明前方視野評估工具和人的主觀感性評估具有高度的相關(guān)性和可靠性，評估駕駛員前方視野的方法可用于車輛設(shè)計[23]。Cho,Y.H.,& Han,B.K.(2010年)認為減少車輛可能造成的潛在傷害是對行車安全非常必要，減小A柱障礙角可以給駕駛?cè)颂峁┮粋€寬闊的視野，并對比分析了三種減少A柱障礙角的方法，認為.采用細長的A柱是減少A柱障礙角并確保駕駛?cè)艘曇暗淖罴逊桨竅24]?；隈{駛員眼點和頭部轉(zhuǎn)動點，鄭巍利用投影原理介紹了一種新的A柱視野障礙評價方法，綜合考慮A柱及外后視鏡、車門封條等因素對駕駛?cè)艘曇暗挠绊?，認為該方法可對車輛A柱視野障礙進行定性分析，也可定量地對不同車輛的情況進行比較[25]。通過對原有拖拉機駕駛室的設(shè)計，蘇小偉利用SAE法和簡化法，提出了針對拖拉機A柱視野校核的方法[26]。陳焙媛等人從交通事故數(shù)據(jù)入手，對由車輛A柱盲點所造成的事故進行研究，分析導(dǎo)致事故的主要參數(shù)，建立人因工程模型、設(shè)計調(diào)查問卷，并對結(jié)果進行分析，認為通過Volvo可視化設(shè)計、輔以光學(xué)設(shè)施可以克服A柱死角障礙[27]。

通過文獻的綜述可以發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外對汽車A柱雙目障礙角的校核研究較少，對車輛的設(shè)計缺乏相應(yīng)的理論指導(dǎo)。針對國內(nèi)某一固定車型，依據(jù)車輛的具體設(shè)計尺寸參數(shù)，利用Jack仿真軟件建立仿真車輛模型，并對該型車的A柱雙目障礙角進行校核。本文利用人因工程仿真的方法，依據(jù)《汽車駕駛員前方視野要求及測量方法》的要求，通過Jack軟件中的車輛分析工具及時域分析工具對國內(nèi)某型車A柱障礙角進行測量與校核，并對該車型前方視野進行分析評價。

2 駕駛?cè)艘曈X特性及車輛A柱障礙角

2.1 駕駛?cè)说囊曇胺秶?/h3>

在駕駛過程中駕駛?cè)送ㄞD(zhuǎn)動頭部和眼睛來擴大自身的視野范圍，據(jù)人機工程學(xué)原理，駕駛室中駕駛員的頭部轉(zhuǎn)動圍繞著一個轉(zhuǎn)動中心，位置位于雙眼連線的中垂線后方98 mm處，左右兩眼距離為65 mm[28]。其中人眼睛和頭部轉(zhuǎn)動的角度范圍如表1所示。

表1 人眼睛和頭部的轉(zhuǎn)動范圍

2.2 眼橢圓相關(guān)概念

2.2.1 眼橢圓

眼橢圓是描述不同身材駕駛員眼睛在空間上相對車輛內(nèi)部參考點位置的一種統(tǒng)計表示法。美國福特汽車公司做了大量的統(tǒng)計實驗研究駕駛?cè)搜劬Φ姆植家?guī)律，研究表明在車身坐標系中眼睛分布范圍在俯視圖和側(cè)視圖的投影均近似為橢圓，故稱為眼橢圓[29]，眼橢圓視圖如圖1(a)所示。眼橢圓表征的是駕駛員在車輛中眼睛位置的統(tǒng)計分布，因此在汽車的視野設(shè)計中可以通過眼橢圓來對駕駛?cè)说囊曇斑M行定量的評價[30]?！镀囻{駛員眼范圍》標準指出依據(jù)眼點的分布，眼橢圓被分90%、95%、99%等百分位，眼橢圓的百分位由視切比來定義，包含眼橢圓的切線的一面區(qū)域的眼點數(shù)量與區(qū)域內(nèi)眼點總數(shù)的比值為視切比，如圖1(b)所示，95%的駕駛員眼睛落在切線下方，故該橢圓為95%眼橢圓。

圖1 眼橢圓的視圖及其視切比

2.2.2 眼橢球

眼橢球是指車身坐標系里駕駛?cè)搜劬ξ恢玫恼鎸嵎植紶顩r，將眼橢球在車身空間坐標系的各個方向展開，其交集就形成了眼橢球[31]。本研究中眼橢球的定位可通過Jack軟件仿真直接完成。Jack中仿真的眼橢球模型如圖2(a)所示。

圖2 眼橢球模型及P點與E點的位置關(guān)系

2.2.3 眼點

SAE標準中，駕駛員的眼點(E點)是表征駕駛員雙目位置的點，是在95%的駕駛員眼橢圓上得到的，兩眼點之間的距離為65 mm[31]。在對駕駛室進行人因工程分析時，常將眼點與頭部轉(zhuǎn)動中心點(P點)結(jié)合起來進行研究，P點與E點的相對位置關(guān)系如圖2(b)所示，其中兩眼點連線的中垂線段稱為頭部中心線，P點位于頭部中心線上且距眼點連線98 mm。圖2(b)為俯視圖，眼點和P點具有相同的Z坐標。

2.3 A柱盲區(qū)

A柱是連接駕駛車頂與車輛前艙的支柱，如圖3所示。A柱起著支承車身結(jié)構(gòu)的作用，但由于A柱處在駕駛室的前方，易遮擋駕駛?cè)说囊曇?，駕駛員在駕駛室中由于A柱的遮擋而看不到的地方被稱為A柱盲區(qū)[32]。A柱盲區(qū)范圍的大小與A柱的尺寸參數(shù)和駕駛?cè)说囊朁c與A柱的距離等因素有較大的關(guān)系。在保證A柱的結(jié)構(gòu)剛度強度能夠滿足汽車整體結(jié)構(gòu)性能的前提下，盡可能使汽車A柱變細更有利于減小汽車A柱盲區(qū)，A柱產(chǎn)生的盲區(qū)越小，越有利于駕駛安全。《汽車駕駛員前方視野要求及測量方法》中規(guī)定車輛的A柱的數(shù)量不得超過兩根，且其雙目障礙角不得大于6°。

圖3 車輛A柱

2.4 A柱障礙角的測量方法

2.4.1 國標中A柱障礙角的測量方法

《汽車駕駛員前方視野要求及測量方法》將A柱障礙角劃分為駕駛員側(cè)雙目障礙角和乘員側(cè)雙目障礙角，駕駛員側(cè)A柱雙目障礙角定義為：E1和E2的連線繞P1 旋轉(zhuǎn)，使E1至左A柱的S2截面外側(cè)的切線與E1、E2的連線成直角，從E1向左A柱的S2截面外側(cè)作切線和從E2向左A柱S1截面內(nèi)側(cè)作切線，從E2點作前一切線平行線，與后一切線所成的平面視野角度即為駕駛員側(cè)A柱雙目障礙角，測量方法如圖4所示。

圖4 國標中A柱障礙角測量方法

2.4.2 眼橢圓法

SAE中給出測A柱障礙角的方法是眼橢圓法，如圖5所示。圖中S截面過P點作水平面與A柱相交。E1和E2的連接線繞P1旋轉(zhuǎn)，使E1至左A柱的S截面外側(cè)的切線與E1、E2連線成直角，從E1向左A柱的S截面外側(cè)作切線和從E2向左A柱 S截面內(nèi)側(cè)作切線，從E2點作前一切線平行線，與后一切線所成的平面視野角度即為駕駛員側(cè)A柱雙目障礙角[32]。

圖5 眼橢圓法

2.4.3 簡化的A柱障礙角測量方法

通過綜合分析上述兩種A柱障礙角測量方法，測量方法進行簡化，得出一種更適合Jack軟件的A柱障礙角測量方法。即駕駛員頭部轉(zhuǎn)動到左極限位置時，從駕駛員的左眼引出視線，使之與駕駛室左A柱外側(cè)相切；從駕駛員的右眼引出一條視線，使之與左A柱的內(nèi)側(cè)相切，這兩條視線的夾角即為駕駛員左側(cè)A柱雙目障礙角。而駕駛員頭部轉(zhuǎn)動到右極限位置時，從駕駛員的左眼引出視線，使之與駕駛室右A柱內(nèi)側(cè)相切；從駕駛員的右眼引出一條視線，使之與右A柱的外側(cè)相切，這兩條視線的夾角即為駕駛員的右側(cè)A柱雙目障礙角[33]。

3 基于Jack人車仿真模型

通過對新產(chǎn)品三維模型的導(dǎo)入及仿真分析，Jack可以分析該產(chǎn)品是否符合用戶需求及人因規(guī)律，通過將視圖參考點定位到指定的對象上(如人的眼睛)可實現(xiàn)仿真環(huán)境中數(shù)字人視野的分析[34]。

3.1 建立數(shù)字人體模型

本研究所使用的車輛模型從Jack實體數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)入，相關(guān)參數(shù)依據(jù)國內(nèi)某型車的實際參數(shù)確定，如圖6(a)所示。Jack數(shù)據(jù)庫中定義了各個身體尺寸和性別的三維人體模型，并且用戶可以對三維人體模型進行尺寸縮放，本研究所建立的人體模型為95%的中國人體尺寸，符合中國人體特征，如圖6(b)所示。

圖6 Jack仿真車輛模型和人體模型

3.2 數(shù)字人模型導(dǎo)入

利用Jack軟件自帶的工具，可將所建立的數(shù)字人放置到車輛駕駛室座椅上并使數(shù)字人擺出開車的姿勢，同時可以對數(shù)字人在車輛里的姿勢進行，使其手、腳完美地契合方向盤與腳踏板，身體完美貼合車輛座椅。數(shù)字人導(dǎo)入車輛駕駛室座椅及其姿勢的調(diào)整過程如圖7所示。

圖7 數(shù)字人導(dǎo)入座位及姿勢調(diào)整

4 汽車A柱雙目障礙角的校核

對駕駛員左/右側(cè)A柱的雙目障礙角進行測量時，必須將數(shù)字人的頭部轉(zhuǎn)動到左/右側(cè)極限位置，但Jack軟件無法單獨生成左眼或者右眼各自的視線，故利用ruler測量尺代替視線，但其不會影響對A柱雙目障礙角對測量精確度。測量過程利用Jack軟件模具庫中的plan平面，可借助該平面從駕駛?cè)搜劬σ鏊揭暰€，以確定與左右眼視線相切的A柱內(nèi)外側(cè)。

4.1 左側(cè)A柱視野校核

車輛駕駛室左側(cè)A柱的雙目障礙角測量方法為：駕駛員頭部轉(zhuǎn)動到左極限位置時，從駕駛員的左眼引出視線，使之與駕駛室左A柱外側(cè)相切，從駕駛員的右眼引出一條視線，使之與左A柱的內(nèi)側(cè)相切，這兩條視線的夾角即為駕駛員的左側(cè)A柱雙目障礙角[34]。

對駕駛?cè)俗髠?cè)的A柱雙目障礙角的校核流程如下：

(1)轉(zhuǎn)動駕駛?cè)祟^部至左側(cè)極限位置，如圖8(a)所示，并導(dǎo)入plane平面如圖8(b)所示。

(2)創(chuàng)建兩條ruler，如圖8(c)所示。ruler1為左眼視線，ruler1的一端定位在駕駛?cè)说淖笱矍蛏?，另一端剛好與車輛左側(cè)A柱外側(cè)相切；ruler2為右眼視線，ruler2的一端定位在駕駛?cè)说挠已矍蛏?，另一端剛好與車輛左側(cè)A柱內(nèi)側(cè)相切。

(3)導(dǎo)入plane0及plane1并進行選擇和平移操作，使平板的一角與眼球位置重合，平板底部與視線重合，平板與水平面成90°，如圖8(d,e)所示。plane0與plane1在YOZ平面上相對于原始坐標系的偏轉(zhuǎn)角θ1=21.1°，θ2=26.1°。

(4)plane0和plane1在YOZ平面上的夾角即為車輛駕駛室左側(cè)A柱的雙目障礙角。兩平面的夾角通過其在YOZ平面上偏轉(zhuǎn)的角度得出，其偏轉(zhuǎn)角度之差即兩平板的夾角θ，θ=θ2-θ1=5.0°，即所校核車輛駕駛室左側(cè)A柱的雙目障礙角為5.0°<6.0°，滿足《汽車駕駛員前方視野要求及測量方法》所規(guī)定的要求。

圖8 駕駛?cè)说淖髠?cè)A柱雙目障礙角的校核流程

4.2 右側(cè)A柱視野校核

對駕駛?cè)擞覀?cè)的A柱雙目障礙角的校核流程如下：

(1)轉(zhuǎn)動駕駛?cè)祟^部至右側(cè)極限位置，如圖9(a)所示，駕駛?cè)艘暰€仿真如圖9(b)所示。

(2)創(chuàng)建兩條ruler，如圖9(c)所示，ruler1為左眼視線，ruler1的一端定位在駕駛?cè)说淖笱矍蛏希硪欢藙偤门c車輛左側(cè)A柱外側(cè)相切；ruler2為右眼視線，ruler2的一端定位在駕駛?cè)说挠已矍蛏?，另一端剛好與車輛左側(cè)A柱內(nèi)側(cè)相切。

(3)導(dǎo)入plane0及plane1并進行選擇和平移操作，使平板的一角與眼球位置重合，平板底部與視線重合，平板與水平面成90°，如圖9(d,e)所示。plane0與plane1在YOZ平面上相對于原始坐標系的偏轉(zhuǎn)角為：θ1=-66.6°，θ2=-62.8°。

(4)plane0和plane1在YOZ平面上的夾角即為車輛駕駛室右側(cè)A柱的雙目障礙角。兩平面的夾角通過其在YOZ平面上偏轉(zhuǎn)的角度得出，其偏轉(zhuǎn)角度之差即兩平板的夾角θ，θ=θ2-θ1=3.8°，即所校核車輛駕駛室右側(cè)A柱的雙目障礙角為3.8°<6.0°，滿足《汽車駕駛員前方視野要求及測量方法》所規(guī)定的要求。

圖9 駕駛?cè)说挠覀?cè)A柱雙目障礙角的校核流程

5 討論

我國的《汽車駕駛員前方視野要求及測量方法》對V點、P點R點、E點的確定、汽車駕駛員前方視野及A柱雙目障礙角的測定條件、測定方法做出了詳細的說明，并要求：每臺車輛不得多于兩根A柱且每根A柱的雙目障礙角不超過6°；若駕駛員側(cè)和乘客側(cè)的A柱相對車輛中央縱向鉛垂面是對稱的，則乘客側(cè)的A柱雙目障礙角不需要再測量。

若車輛A柱的雙目障礙角達不到國家標準的要求，會增加駕駛員的視野盲區(qū)，為了減少盲區(qū)帶來的不利影響，駕駛員需要更加頻繁地轉(zhuǎn)動眼睛和頭部來觀察前方的路面狀況，這更容易引起駕駛員的操作疲勞，不利于駕駛員的安全駕駛，因此從安全的角度來看，車輛的A柱的雙目障礙角在時間和空間上必須要滿足國家標準的要求。通常當車輛A柱的雙目障礙角不能滿足要求的時候，可以通過調(diào)節(jié)座椅的位置或是在滿足車輛駕駛室剛度和強度的情況下，減小A柱的結(jié)構(gòu)尺寸等措施來對A柱雙目障礙角的大小進行調(diào)節(jié)，使A柱的雙目障礙角能滿足國家標準的要求。選用尺寸為95%的中國人體尺寸模型，符合中國人體特征，從統(tǒng)計學(xué)上講、95%的人體尺寸模型涵蓋了國內(nèi)絕大多數(shù)的駕駛?cè)说纳眢w參數(shù)。

相關(guān)研究表明：汽車A柱雙目障礙角的大小與A柱的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及駕駛?cè)搜埸c距離A柱的距離等因素有關(guān)。從空間結(jié)構(gòu)上來看，車輛的駕駛室越小、A柱距離駕駛?cè)搜劬υ浇珹柱的雙目障礙角也就越大；在保證車輛駕駛室剛度和強度的情況下，A柱的結(jié)構(gòu)尺寸越小，A柱的雙目障礙角就越小[26,34]。

本文研究中，利用簡化的A柱障礙角測量方法，該方法更適合于Jack軟件，利用Jack仿真軟件對車輛A柱的雙目障礙角進行校核，校核結(jié)果為：目標車型車輛的左側(cè)駕駛?cè)薃柱雙目障礙角為5.0°，右側(cè)A柱雙目障礙角為3.8°，均滿足國家標準對駕駛?cè)饲胺揭曇癆柱盲區(qū)的要求。但是可以發(fā)現(xiàn)左側(cè)A柱雙目障礙角要大于右側(cè)，從空間上來看，這主要是由于駕駛?cè)搜埸c距離左側(cè)A柱的距離較近，而距離右側(cè)A柱的距離較遠，故而該型車左側(cè)的A柱障礙角大于右側(cè)是合理的，這與上述其他研究的結(jié)論是一致的。

6 結(jié)論

基于人機工程學(xué)原理，針對國內(nèi)某一固定型汽車，利用Jack軟件建立仿真車輛模型及符合中國人體特征的駕駛?cè)四Ｐ?，根?jù)簡化的A柱障礙角測量方法，使用Jack軟件自帶的分析工具，對國內(nèi)某型車的駕駛室雙側(cè)A柱障礙角進行校核分析，研究表明，該型車左側(cè)A柱雙目障礙角為5.0°，右側(cè)A柱雙目障礙角為3.8°，均滿足《汽車駕駛員前方視野要求及測量方法》對駕駛員前方視野A柱盲區(qū)的要求。