虛擬評(píng)審在汽車人機(jī)工程方面的應(yīng)用

蒙錦珊

摘要：隨著消費(fèi)者對(duì)于汽車舒適性、方便性方面要求的提高，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車人機(jī)工程方面的應(yīng)用逐步興起，本文以汽車人機(jī)工程學(xué)為基礎(chǔ)，分析虛擬評(píng)審在汽車研發(fā)過程中人機(jī)工程方面的功能及優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：虛擬評(píng)審;汽車研發(fā);人機(jī)工程

0? 引言

近年來，汽車工業(yè)迅速發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)于汽車舒適性、視野效果、操作范圍等人機(jī)工程方面的要求越來越高，而傳統(tǒng)的汽車設(shè)計(jì)研發(fā)過程中采用的是桌面式評(píng)審人機(jī)工效的方法，對(duì)于提高產(chǎn)品人機(jī)工程質(zhì)量的能力有限。

作為汽車研發(fā)活動(dòng)中產(chǎn)品質(zhì)量表現(xiàn)重要一環(huán)的人機(jī)工程，它的特殊要求與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的獨(dú)有優(yōu)勢不謀而合。使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以準(zhǔn)確地模擬人體動(dòng)作，直觀地識(shí)別人機(jī)工程方面出現(xiàn)的各種問題，是幫助汽車質(zhì)量提升的有效方法和重要途徑。

1? 汽車人機(jī)工程簡介

人機(jī)工程學(xué)從20世紀(jì)70年代初期開始被定義設(shè)計(jì)，它在汽車行業(yè)被定義為研究人-車-環(huán)境之間相互協(xié)調(diào)的專項(xiàng)學(xué)科技術(shù)。人機(jī)設(shè)計(jì)在項(xiàng)目語言初期開始執(zhí)行任務(wù)，直至量產(chǎn)驗(yàn)證，傳統(tǒng)的人機(jī)設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)方面：

1.1 人體坐姿校核? 在整車全新開發(fā)或車型小改的過程中，本著在滿足整體造型趨勢和新車型整車尺寸需求的原則情況下，盡可能提高車內(nèi)空間舒適度，人機(jī)工程師通過對(duì)人體生理結(jié)構(gòu)的研究分析，設(shè)定人體坐姿最優(yōu)角度，結(jié)合CAD可視化軟件，將前期的人機(jī)數(shù)據(jù)引入到數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)參考值見圖1。

1.2 乘坐空間舒適性校核? 乘坐空間性主要包括單個(gè)人體頭、膝、腳、肩部、臀部、肘部等6個(gè)部位反映的前排空間，還包括前后排R點(diǎn)最小間隔等后排乘客重點(diǎn)關(guān)注的空間。在整車布置設(shè)計(jì)過程中，需要按照設(shè)計(jì)開發(fā)流程進(jìn)行校核，以滿足最小空間要求，同時(shí)對(duì)標(biāo)多輛競品車型，保證駕駛員及車內(nèi)乘客的空間舒適性。

1.3 視野校核? 駕駛員視野校核主要包括了前方視野、交通燈視野、A柱障礙角、直接后方視野及間接后方視野、儀表板視野等方面，主要是通過研究和試驗(yàn)駕駛?cè)藛T的視覺特性、視野效果，來校核駕駛員的信息系統(tǒng)，以保證駕駛員獲得正確的駕駛信息。

1.4 前風(fēng)窗玻璃刮刷面積校核? 整車開發(fā)和設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)風(fēng)窗刮刷器進(jìn)行刮刷面積校核分析，保證風(fēng)窗玻璃刮水器可以有效地清除附著在擋風(fēng)玻璃上的霜、泥、塵埃及其他污物，使得雨雪天氣時(shí)駕駛員能夠視線清晰，從而確保行車安全。

1.5 手伸及界面校核? 確定駕駛室內(nèi)的一切手操作扭鍵、桿件、開關(guān)等的布置位置和作用力要主要滿足駕駛員在停車和行車的過程中的有效使用范圍。布置各操縱裝置需要充分考慮使用方便性和舒適性，應(yīng)在駕駛員可觸及的范圍之內(nèi)，且可以自然、準(zhǔn)確、輕便地操縱，盡可能地降低操縱疲勞度，進(jìn)而達(dá)到安全行車的目的。

1.6 踏板布置校核? 頻繁踩踏是導(dǎo)致汽車行駛過程中駕駛員操縱疲勞的重要影響因素之一，因此在人機(jī)工程校核中一定要注重汽車駕駛室的布置，尤其是駕駛員經(jīng)常接觸的離合踏板、制動(dòng)踏板、加速踏板這三個(gè)踏板的位置合理性。

1.7 上下車方便性校核? 汽車總布置設(shè)計(jì)必須滿足駕駛員以及車內(nèi)乘客上下車方便性的要求，這也是整車布置設(shè)計(jì)必須要考慮到的一個(gè)重要因素。通過研究人體生理結(jié)構(gòu)和汽車結(jié)構(gòu)相互關(guān)系，能夠得到人體的上下車方便性的角度和相關(guān)尺寸范圍，從而確定車門的開口部位與尺寸。

2? 虛擬評(píng)審在人機(jī)工程方面的功能及作用

虛擬評(píng)審結(jié)合了動(dòng)捕設(shè)備和半實(shí)物臺(tái)架，系統(tǒng)基于位置追蹤設(shè)備獲取人體動(dòng)作數(shù)據(jù)，通過動(dòng)捕設(shè)備實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)虛擬環(huán)境中的人體對(duì)象，使得數(shù)字人體能夠獲得協(xié)調(diào)而真實(shí)的姿態(tài)和動(dòng)作。根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建立高亮顯示判定函數(shù)，輸入人機(jī)工程基準(zhǔn)后，可以實(shí)現(xiàn)在沒有制作出實(shí)物的條件下，精確分析不同尺寸人體進(jìn)行不同目標(biāo)操作的可行性與方便性，如分析人體作業(yè)姿勢、人體可觸及范圍等。

2.1 可達(dá)性分析功能? 可達(dá)性分析解決的是“夠得到”問題，主要是依據(jù)相關(guān)人體測量數(shù)據(jù)來判斷操作者需要操作的控制器是否在合理的范圍內(nèi)?？蛇_(dá)性分析功能可用于手伸及界面校核、踏板布置校核。

虛擬評(píng)審系統(tǒng)能夠以可視化的形式顯示數(shù)字人體四肢的可達(dá)范圍。并通過動(dòng)捕設(shè)備等交互外設(shè)，實(shí)現(xiàn)真人驅(qū)動(dòng)數(shù)字人體。除此以外，虛擬評(píng)審系統(tǒng)可以根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)可達(dá)范圍、活動(dòng)空間進(jìn)行分析，對(duì)于不可觸及和操作錯(cuò)誤頻率高的物體添加標(biāo)簽。

虛擬評(píng)審還能夠使用VR-BUCK進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)交互體驗(yàn)，VR-BUCK模擬了半艙布局的設(shè)計(jì)及其部件，再與虛擬評(píng)審系統(tǒng)中的虛擬零件結(jié)合，可以真實(shí)地模擬駕駛器和中控等。進(jìn)行可達(dá)性分析時(shí)能夠仿真地進(jìn)行操作，實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)動(dòng)件如遮陽板、后視鏡、換擋把手等。圖2為可達(dá)性分析功能操作示意圖。

2.2 可視性分析功能? 可視性分析解決的是“看得到”問題，具體來講就是指從一個(gè)或多個(gè)位置所能看到的范圍和可見程度?？梢曅苑治龉δ芙鉀Q的是視野校核和前風(fēng)窗玻璃刮刷面積校核。虛擬評(píng)審系統(tǒng)能夠?qū)霕?biāo)準(zhǔn)參數(shù)建立各種標(biāo)準(zhǔn)道路場景，用來進(jìn)行視野感知評(píng)審應(yīng)用。在虛擬場景中可以切換不同的標(biāo)準(zhǔn)道路，來測試各種情況下的視野范圍是否符合法規(guī)要求，在道路中也可以隨意布置障礙，以測試駕駛員是否能有效地觀察到障礙物。當(dāng)不能符合要求時(shí)，可以在虛擬評(píng)審系統(tǒng)中直接調(diào)節(jié)座椅位置及風(fēng)窗尺寸等，直到符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。當(dāng)進(jìn)行內(nèi)后視鏡、外后視鏡校核時(shí)，虛擬評(píng)審系統(tǒng)可以仿真模擬車輛在真實(shí)道路場景運(yùn)動(dòng)過程中，內(nèi)、外后視鏡所顯示的畫面效果和道路情況，以此判斷是否符合法規(guī)要求。虛擬評(píng)審還可以切換人體模型，視錐、視圖等會(huì)隨之改變，可以用來校核不同尺寸人體模型的視野可見程度。

2.3 舒適度分析功能? 虛擬評(píng)審判斷舒適度主要是通過分析關(guān)節(jié)的角度來進(jìn)行的。在調(diào)節(jié)人體姿勢時(shí)，判斷身體的各個(gè)關(guān)節(jié)角度是否均處于合理范圍之內(nèi)。舒適度分析功能可以用于人體坐姿校核、乘坐空間舒適性校核以及上下車方便性校核。虛擬評(píng)審系統(tǒng)通過與VR設(shè)備結(jié)合的BUCK車臺(tái)架進(jìn)行上下車方便校核、坐姿校核等人機(jī)工程舒適度分析。使用VR數(shù)據(jù)與臺(tái)架聯(lián)和調(diào)節(jié)，控制虛擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)操作同步，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)聯(lián)動(dòng)，可以形成真實(shí)有效的體驗(yàn)效果。并且BUCK車臺(tái)架包含H點(diǎn)相關(guān)人機(jī)參數(shù)的數(shù)控調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，根據(jù)不同車型的相關(guān)參數(shù)調(diào)節(jié)BUCK車臺(tái)架，可以準(zhǔn)確地模擬汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)。進(jìn)行舒適度分析時(shí)，在數(shù)字人體模型的體表，虛擬評(píng)審可以實(shí)時(shí)顯示企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的人體關(guān)節(jié)舒適性。以人機(jī)工程學(xué)數(shù)據(jù)為依據(jù)，進(jìn)行簡單快速的計(jì)算比較分析人體關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角、人體姿勢、疲勞情況，給出當(dāng)前姿態(tài)的舒適度評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)于超過企業(yè)舒適標(biāo)準(zhǔn)范圍的姿勢進(jìn)行標(biāo)紅處理。

3? 虛擬評(píng)審在人機(jī)工程方面的優(yōu)勢

3.1 虛擬評(píng)審能夠提升人機(jī)工程校核效果，提高產(chǎn)品質(zhì)量? 雖然虛擬評(píng)審為了使效果更加直觀，相較于傳統(tǒng)的評(píng)審方式，需要增加一些工作量和準(zhǔn)備內(nèi)容，無法明顯地節(jié)省步驟，但是使用虛擬評(píng)審帶來的價(jià)值是無法估量的。因?yàn)閭鹘y(tǒng)桌面式評(píng)審的局限性和不直觀性，很多主機(jī)廠對(duì)于汽車人機(jī)工程的要求就是能用就行，而這已無法滿足現(xiàn)在人們對(duì)于駕駛舒適性等高品質(zhì)的追求，久而久之會(huì)使車企失去口碑和競爭力，阻礙車企的發(fā)展。使用虛擬評(píng)審技術(shù)，工程師站在實(shí)車的角度檢查問題，仿真地模擬各種操作，可以有效地提高問題識(shí)別率和準(zhǔn)確性，這對(duì)于汽車產(chǎn)品的質(zhì)量提升和技術(shù)進(jìn)步具有非常大的推動(dòng)作用。

3.2 虛擬評(píng)審能夠快速對(duì)比、切換以及修改方案，提升評(píng)審效率? 為了滿足人們對(duì)于人機(jī)工程質(zhì)量要求日益增高的現(xiàn)狀，許多主機(jī)廠越來越注重人機(jī)工程的校核和改進(jìn)，因此往往會(huì)進(jìn)行不斷的對(duì)比和切換更多的方案。虛擬評(píng)審系統(tǒng)能提供豐富的資源庫，便于對(duì)標(biāo)競品車，可以讓工程師有更多的設(shè)計(jì)方案選擇，顯著有效地提升評(píng)審效率。應(yīng)用虛擬評(píng)審系統(tǒng)可以一鍵切換不同的配件，并且可以運(yùn)用專業(yè)的計(jì)算技術(shù)標(biāo)注不同方案的角度、空間大小等參數(shù)，輔助分析優(yōu)劣，簡單方便快捷的同時(shí)，又能夠很好地模擬真實(shí)效果，更加直觀地對(duì)比不同方案的效果，增強(qiáng)了對(duì)比的效果。

3.3 虛擬評(píng)審能夠提前發(fā)現(xiàn)人機(jī)工程問題，節(jié)省物理制作成本? 借助虛擬評(píng)審，可以在產(chǎn)品研發(fā)早期的設(shè)計(jì)階段生成、修改以及展示評(píng)估人機(jī)方面的產(chǎn)品工程原型，快速有效地進(jìn)行人機(jī)工程校核。虛擬評(píng)審模型制作修改周期相比傳統(tǒng)方式的油泥模型等周期短很多，并且評(píng)審效果更加直觀。通過虛擬評(píng)審系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)工程校核，能夠使得物理模型成為確定人機(jī)工程設(shè)計(jì)方案的工具，而不是起到反復(fù)驗(yàn)證作用，加快項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)度，顯著減少物理模型制作輪次。虛擬評(píng)審可以取代一部分過渡環(huán)節(jié)的物理模型，而這些大量的一次模型的節(jié)省可以為主機(jī)廠節(jié)約一筆十分可觀的費(fèi)用。

4? 結(jié)論

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅速發(fā)展，技術(shù)愈發(fā)成熟，其在汽車設(shè)計(jì)研發(fā)環(huán)節(jié)中發(fā)揮著日益重要的作用，越來越多的國內(nèi)外知名車企選擇了使用虛擬評(píng)審系統(tǒng)，并已取得了不少的成功應(yīng)用案例。虛擬評(píng)審系統(tǒng)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)評(píng)審方式不夠直觀、成本高、周期長的固有劣勢，使得汽車設(shè)計(jì)中人機(jī)工程的校核更加精確有效。虛擬評(píng)審系統(tǒng)對(duì)于汽車工程學(xué)的長遠(yuǎn)進(jìn)步可以起到一定的推動(dòng)作用，使得一些人機(jī)工程學(xué)的分析方法得以準(zhǔn)確運(yùn)用，促進(jìn)車企的技術(shù)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)效益。借助虛擬評(píng)審的功能和優(yōu)勢，汽車人機(jī)工程將可以更好地實(shí)現(xiàn)最佳的人機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)，創(chuàng)造出更舒適化、更人性化、更科學(xué)化的汽車，使人機(jī)系統(tǒng)的綜合效能達(dá)到最佳水平。

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