基于駕駛員眼動信息的A柱視野研究

楊春朝 錢方 李春雨 郭瑞

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

主題詞：眼動信息 A柱視野 人機(jī)工程

1 前言

目前，國內(nèi)外對A 柱視野的控制方法主要分為2種，即GB 11562[1]中規(guī)定的A 柱障礙角測量方法（與ECE R125 測量方法一致）和SAE J1050[2]中提出的A 柱障礙角測量方法。但以上2 種方法均不能充分反映A柱視野優(yōu)劣：文獻(xiàn)[3]研究了A柱主體部分和根部對A柱障礙角的影響，并給出了優(yōu)化方向；文獻(xiàn)[4]運(yùn)用幾何模型分析法解釋了GB 11562測量方法A柱障礙角較小、A柱實(shí)際視野障礙過大的原因；文獻(xiàn)[5]對比了GB 11562測量方法、SAE J1050測量方法、RAMSIS 眼點(diǎn)分析法在A柱盲區(qū)校核結(jié)果上的差異；文獻(xiàn)[6]分析了A柱相關(guān)參數(shù)的變化對A柱障礙角測量結(jié)果的影響，指出前風(fēng)窗玻璃走勢和側(cè)窗玻璃走勢的變化對GB 11562 測量方法、SAE J1050測量方法測得的A柱障礙角呈相反的影響趨勢；文獻(xiàn)[7]提出了透明A 柱的概念，將路況信息投影到車內(nèi)的A柱顯示屏上，從而消除A柱盲區(qū)。上述研究對A柱盲區(qū)的控制具有重要意義，但均未結(jié)合駕駛員的實(shí)際關(guān)注區(qū)域提出明確的A柱視野控制方法，而透明A柱因存在成本、視覺疲勞等問題，也并未得到廣泛應(yīng)用。

眼動儀通過眼動追蹤技術(shù)，可采集駕駛員在駕駛過程中的眼動信息，目前國內(nèi)外已有不少基于眼動儀的駕駛員動態(tài)視覺特性研究[8-12]。本文借助眼動儀采集駕駛員的眼動信息，研究駕駛員對A 柱的實(shí)際關(guān)注區(qū)域，并在此基礎(chǔ)上提出新的A柱視野控制方法。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)流程

為采集駕駛員眼動信息，設(shè)計(jì)試驗(yàn)流程如圖1所示。

2.2 試驗(yàn)對象與設(shè)備

2.2.1 車輛

試驗(yàn)共選用3 款車型進(jìn)行對比測試。A 柱視野與前風(fēng)窗玻璃、A柱本體、外后視鏡鏡殼及底座、A柱與外后視鏡間隙（含三角窗）、外后視鏡與水切間隙相關(guān)，為了探究上述各區(qū)域?qū) 柱視野影響的重要度，將A 柱整體區(qū)域進(jìn)一步細(xì)分為5 個子區(qū)域，如圖2 所示。此外，為了分析駕駛員在駕駛過程中主要關(guān)注的A 柱本體范圍，試驗(yàn)基于GB 11562 測量方法，在向上2°、向下5°的區(qū)域外，每間隔1°對A 柱本體區(qū)域進(jìn)行實(shí)車標(biāo)記，如圖3所示。

圖1 試驗(yàn)流程

圖2 A柱視野細(xì)分區(qū)域

圖3 A柱本體細(xì)分區(qū)域

2.2.2 眼動儀

試驗(yàn)采用Dikablis Pro 眼鏡式眼動儀，采樣頻率為60 Hz。該款眼動儀能兼容眼鏡，并能通過調(diào)節(jié)鼻梁架的角度和寬度適應(yīng)不同面部結(jié)構(gòu)。配合D-Lab軟件，可對眼動數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析。

2.2.3 模擬障礙物

由于A 柱最容易遮擋車輛外部行人從而引發(fā)交通事故，本文旨在研究試驗(yàn)車輛對車外行人的遮擋情況，以及駕駛員在駕駛過程中遭遇行人時的視覺特性。試驗(yàn)選用相當(dāng)于第95百分位人體以及6歲兒童尺寸的圓柱桶作為模擬障礙物，為駕駛員提供視野參考。

2.3 試驗(yàn)工況

城市交叉口是道路交通系統(tǒng)的重要組成部分，也是交通事故的多發(fā)區(qū)域[13]，因此，選取交叉口車輛與行人沖突的典型工況，包含直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、掉頭工況。此外，為了對比動態(tài)與靜態(tài)工況的眼動信息差異，設(shè)計(jì)了靜態(tài)試驗(yàn)工況。

CJJ 37—2012《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]規(guī)定了機(jī)動車道的最小寬度，如表1 所示，本文將每條車道寬度定義為3.5 m，評價場地采用雙向4車道，動態(tài)試驗(yàn)場地如圖4所示。

表1 機(jī)動車道最小寬度 m

圖4 動態(tài)試驗(yàn)場地示意

靜態(tài)試驗(yàn)場地如圖5所示。模擬障礙物沿圓弧擺放，與人眼視距定義為6 m[15]，覆蓋左、右A柱的觀察區(qū)域。試驗(yàn)車輛R點(diǎn)位置在地面上的投影與圓弧的圓心重合。

2.4 數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集包含客觀數(shù)據(jù)和主觀評分采集。選取男、女駕駛員共10 人，身高范圍覆蓋第5～第95 百分位人體，采集有效視點(diǎn)共計(jì)26.8萬個。主觀評分采用十點(diǎn)評價法，以主觀評價表的評分結(jié)果確定試驗(yàn)車輛的A柱視野優(yōu)劣。

圖5 靜態(tài)試驗(yàn)場地示意

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 A柱視野細(xì)分區(qū)域視野重要度分析

A柱視野細(xì)分區(qū)域的視點(diǎn)分布結(jié)果如表2所示。

表2 A柱視野細(xì)分區(qū)域視點(diǎn)分布比例%

直行過程中，由于駕駛員能通過前風(fēng)窗提前觀察到模擬障礙物的位置，判斷車輛可順利通行，因此視點(diǎn)全部分布在前風(fēng)窗區(qū)域。

左轉(zhuǎn)、掉頭過程中，駕駛員在左A 柱本體兩側(cè)往復(fù)掃視，此時前風(fēng)窗、A 柱與外后視鏡間隙區(qū)域的視點(diǎn)分布較多，且左A柱本體上有相當(dāng)比例的視點(diǎn)分布。

右轉(zhuǎn)過程中，駕駛員主要通過觀察靠近右A柱的前風(fēng)窗區(qū)域判斷模擬障礙物與車輛的距離，視點(diǎn)主要分布在靠近右A柱的前風(fēng)窗區(qū)域。

靜態(tài)工況下，駕駛員的視點(diǎn)分布與動態(tài)工況的視點(diǎn)分布規(guī)律不一致。由于駕駛員無需進(jìn)行駕駛操作，因此視線更集中于模擬障礙物，A 柱本體視點(diǎn)分布最多，其次為前風(fēng)窗、A柱與外后視鏡間隙。

綜上，不同工況下A柱視野細(xì)分區(qū)域的視點(diǎn)分布情況差異較大，視點(diǎn)分布比例從大到小依次為：前風(fēng)窗、A柱與外后視鏡間隙、A柱本體、外后視鏡鏡殼及底座、外后視鏡與水切間隙。由于A 柱本體對外部環(huán)境的遮擋直接影響前風(fēng)窗、A 柱與外后視鏡間隙的視野，結(jié)合各工況分析結(jié)果得出A 柱各區(qū)域視野重要度從高到低依次為：A 柱本體、前風(fēng)窗、A 柱與外后視鏡間隙、外后視鏡鏡殼及底座、外后視鏡與水切間隙。

3.2 A柱本體細(xì)分區(qū)域視野權(quán)重分析

A 柱本體細(xì)分區(qū)域的視點(diǎn)分布如表3 所示，其中，上方區(qū)域角度為負(fù)，下方區(qū)域角度為正。

表3 A柱本體細(xì)分區(qū)域視點(diǎn)分布比例

動態(tài)工況下，[-2°,5°)區(qū)域（GB 11562測量方法中規(guī)定的A 柱障礙角測量范圍）視點(diǎn)分布概率最大，但僅覆蓋60%～70%的視點(diǎn)。鑒于視野設(shè)計(jì)時通常采用第95百分位眼橢圓，因此以覆蓋95%視點(diǎn)的A柱區(qū)域作為判斷依據(jù)，得出駕駛員主要關(guān)注的A柱視野范圍為[-4°,9°)。

靜態(tài)工況下，駕駛員無需進(jìn)行駕駛操作，視點(diǎn)分布較動態(tài)工況更為分散，主要分布在[-2°,5°)及偏上的區(qū)域，靜態(tài)工況下駕駛員關(guān)注的區(qū)域與動態(tài)工況不一致。

由上述分析可知，動態(tài)工況下的A柱本體細(xì)分區(qū)域視點(diǎn)分布與靜態(tài)工況的視點(diǎn)分布存在差異，主要與駕駛員是否需要進(jìn)行駕駛操作有關(guān)。動態(tài)工況與實(shí)際駕駛情況更為符合，因此應(yīng)參考動態(tài)工況，將A 柱本體的控制區(qū)域修正為[-4°,9°)。

4 A柱視野控制方法研究

4.1 A柱視野的控制原則

由上述分析可知，要實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的A 柱視野，需對A柱本體、前風(fēng)窗水平寬度、A柱與外后視鏡間隙、外后視鏡鏡殼及底座尺寸、外后視鏡與水切間隙進(jìn)行控制。

設(shè)計(jì)時，A 柱與外后視鏡間隙、外后視鏡與水切間隙往往不能兼顧，由于A柱與外后視鏡間隙對視野的影響更大，因此應(yīng)首先保證該間隙。外后視鏡底座及殼體大小影響A柱視野，因此在保證外后視鏡視野的前提下應(yīng)盡量優(yōu)化底座及殼體大小。對于前門有三角窗的車型，外后視鏡的布置位置不應(yīng)遮擋三角窗視野。

A柱本體對A柱視野的影響最大，設(shè)計(jì)時可通過減小A 柱障礙角對A 柱本體進(jìn)行有效控制。由于目前常用的A 柱障礙角測量方法與A 柱盲區(qū)的實(shí)際感受存在差異，因此有必要探究一種更符合實(shí)際感受的A柱障礙角測量方法。

4.2 A柱障礙角測量方法分析

4.2.1 SAE J1050測量方法分析

SAE J1050測量方法如圖6所示。該方法僅選取眼點(diǎn)高度的單一水平截面測量A 柱障礙角[3]，可反映該截面上的A 柱粗細(xì)。但結(jié)合動態(tài)工況下駕駛員視點(diǎn)在A柱本體上的分布情況以及日常駕駛經(jīng)驗(yàn)可知，單個截面的粗細(xì)并不足以分析A柱對外部環(huán)境的遮擋情況，因此SAE J1050測量方法不能反映實(shí)際的A柱視野優(yōu)劣。

圖6 SAE J1050測量方法

4.2.2 GB 11562測量方法分析

GB 11562測量方法如圖7所示，俯視圖中E1與左A柱S2截面外側(cè)的切點(diǎn)a、E2與左A柱S1截面內(nèi)側(cè)的切點(diǎn)b分別為前視圖中A-A、B-B在俯視圖上的投影，即駕駛員側(cè)（左側(cè)）的A柱雙目障礙角對應(yīng)了A-A、B-B之間的盲區(qū)角度，當(dāng)障礙物完全處于S1、S2、A-A、B-B之間的區(qū)域，障礙物被完全遮擋。

由此可知，GB 11562 測量方法的實(shí)際意義在于反映測量區(qū)域內(nèi)的A 柱對車外豎直障礙物的遮擋情況。實(shí)際駕駛中車外行人也屬于豎直障礙物，因此該方法比較符合實(shí)際駕駛情況，但由于測量范圍偏小，因此仍與實(shí)際主觀感受存在一定差異。

圖7 GB 11562測量方法

4.2.3 A柱障礙角測量方法修正

根據(jù)試驗(yàn)采集的視點(diǎn)分布情況以及SAE J1050 測量方法、GB 11562 測量方法的分析結(jié)果，本文基于GB 11562測量方法將A柱障礙角的測量范圍由[-2°,5°)擴(kuò)大至[-4°,9°)。同時采用GB 11562 測量方法、SAE J1050測量方法，將A柱障礙角的測量結(jié)果進(jìn)行對比。

客觀測量值與主觀評分的對比結(jié)果如表4 所示。SAE J1050 測量方法的結(jié)果表明，車輛2 的A 柱障礙角最小，車輛3 的A 柱障礙角最大；GB 11562 測量方法的結(jié)果表明，車輛3的A柱障礙角最小，車輛1、車輛2的A柱障礙角相同；本文提出的標(biāo)準(zhǔn)修正法的結(jié)果表明，車輛2的A柱障礙角最小，車輛1的A柱障礙角最大。

本文提出的標(biāo)準(zhǔn)修正方法與動態(tài)主觀評價結(jié)果一致，表明該方法更符合A 柱視野的實(shí)際感受，通過減小該方法測出的A柱障礙角可有效改善A柱盲區(qū)。

5 結(jié)束語

本文基于眼動儀采集的駕駛員眼動信息，就駕駛員對A柱的實(shí)際關(guān)注區(qū)域進(jìn)行了研究，得到A柱各細(xì)分區(qū)域的視野重要度從高到低依次為：A 柱本體、前風(fēng)窗、A柱與外后視鏡間隙、外后視鏡鏡殼及底座、外后視鏡與水切間隙。當(dāng)A柱與外后視鏡間隙、外后視鏡與水切間隙不能兼顧時，應(yīng)首先保證A 柱與外后視鏡間隙；在保證外后視鏡視野的前提下應(yīng)盡量優(yōu)化底座及殼體大??；對于前門有三角窗的車型，外后視鏡布置位置注意不要遮擋三角窗視野。

基于GB 11562 測量方法，本文將A 柱障礙角的測量范圍由[-2°,5°)擴(kuò)大至[-4°,9°)，驗(yàn)證結(jié)果表明，通過減小該方法測出的A柱障礙角可有效改善A柱視野。