基于人機工程學的轎車駕駛室視野的研究

馬廣韜，柳 天

（沈陽建筑大學 設計藝術學院，遼寧 沈陽 110168）

基于人機工程學的轎車駕駛室視野的研究

馬廣韜，柳 天

（沈陽建筑大學 設計藝術學院，遼寧 沈陽 110168）

依據轎車駕駛員眼橢圓的特性，建立了駕駛室視野的幾何關系圖，利用解析幾何學的相關知識，結合人機工程學原理和美國SAE-J1100眼橢圓的相關標準，推導出了目標物的駕駛室視角關系式，通過對視角關系式的應用，以期達到減少駕駛員視覺疲勞和提高駕駛安全的目的。

視野；轎車；駕駛室；眼橢圓；視角；人機工程

0 引言

在汽車行駛過程中，駕駛員80%的外界信息依賴于視覺獲取[1]。汽車駕駛視野直接影響駕駛員外界信息的有效獲取及視覺疲勞的產生[2]。滿足汽車駕駛視野的性能要求，成為現代汽車設計中，必不可少的需要考慮的因素之一。

在眼橢圓的應用基礎上，國內現有目標物點視角的求取一般采用作圖的形式，但缺乏數據的精確計算。筆者通過建立眼橢圓模型和直角坐標系，以垂直方向上，眼橢圓側視圖為主，利用數學計算方法，進一步計算視角、目標物點的精確關系，從而為現有轎車設計提供參考依據。

1 駕駛員視覺特性

1.1 人眼的生理特性

當人的頭部和眼球保持不動時，所看到的視野范圍可分為最佳視野，良好視野和有效視野范圍。最佳視野為：水平線上下左右均為1.5°；良好視野，水平視線上下30°，垂直面兩側各15°；有效視野，水平線以上25°，以下 35°，垂直面左右各 35°[3]。

駕駛員觀察目標物時，往往通過轉動頭部和眼球，來擴大有效視區[4]。在垂直方向上，眼球自然轉動角度，上下均為15°；頭部位上下30°。眼睛和頭部可進一步擴大轉動角度，來增加視區，但眼睛和頭部會有明顯的不適感出現，此時轉角，眼睛向上45°，向下65°；頭部上下均為50°。如圖1所示。

圖1 眼睛與頭部垂直方向上的轉動角度Fig.1 The rotational angle of eyes and head in the vertical direction

1.2 駕駛員眼橢圓

不同身材駕駛員以正常坐姿，將座椅調整到適意位置時，眼睛位置在車內坐標系中的統計分布圖形，呈橢圓狀，因此被稱為眼橢圓[5]。汽車駕駛員眼橢圓的制訂，為汽車視野設計提供了科學的依據，如圖2所示。

圖2 駕駛員眼橢圓Fig.2 Driver's eye ellipse

2 視野坐標系的建立及視角的推導

眼橢圓在車身圖上定位時，一般以過R點（座椅調至最大行程時的跨點）豎直方向所在直線作為坐標系Z軸，以R點向上635mm處，水平方向上的的直線作為坐標的X軸，依據空間關系作出徑向Y軸，最終根據眼橢圓坐標位置，來進行眼橢圓定位[6]。但由于眼橢圓坐標隨H點水平行程和座椅靠背角的改變而改變，這樣進行目標物點視角的計算就變得復雜而繁瑣。

2.1 視野坐標系的建立

在眼橢圓側視圖上，以眼橢圓長軸所在直線作為X軸，眼橢圓短軸所在直線作為Y軸，建立平面直角坐標系，如圖3所示。

圖3眼橢圓側視圖坐標系Fig.3 The eye ellipse coordinate system in side elevation

圖3中，目標物點為眼睛看目標物時，注視點的抽象概念，其在眼橢圓側視圖坐標系中的坐標用（p，q）來表示；直線l為經過目標物A點，眼橢圓曲線的切線，即為眼睛看目標物點最大、最小視角時，視線所在直線。a為眼橢圓側視圖長半軸長，b為短半軸長，a、b的取值會因為H點水平行程的變化而發生改變，其取值如表1所示。

表1 眼橢圓側視圖尺寸Tab.1 Dimensions of eye ellipse in side elevation

2.2 視角關系式的推導

在行駛過程中，駕駛員所看目標物主要位于駕駛員的前方，即在側視圖中眼橢圓的左側。此處以處于眼橢圓左上方的目標物點為主要研究對象 (即直線斜率小于0的情況)，來進行目標物點仰角的計算。

眼橢圓長、短半軸用a，b表示，則其眼橢圓的方程式為x2/a2+y2/b2=1；直線l經過目標物點A（p，q），假定其斜率為k，則其方程式為kx-y+q-kp=0。直線l與橢圓相切，通過解析幾何的計算，直線l的斜率k與目標物點坐標（p，q）的關系式表示為：

最大仰角視線：

最小仰角視線：

視野坐標系X軸，即眼橢圓的長軸所在直線與水平線的夾角為6.4°，故目標物點實際仰角的表達式可用下式表示：

以斜率的不同來劃分目標物點所在的不同位置，即分為k不存在，k＞0，k=0和k＜0幾種情況。當k不存在時，即目標物點出點眼橢圓Y軸方向的正上方，此處不屬于所研究目標物點的主要范圍，故不予考慮。當k存在時，則其推導結果，如上文所示，但會存在仰角、俯角的變化。

3 視角推導公式的應用

影響駕駛員視野，或與駕駛員視野性能相關的目標物，主要位于行駛方向上，駕駛員的前方，主要劃分為兩類，汽車車身節點，如汽車A柱，前窗邊緣線，后視鏡等，以及交通指示、馬路井蓋和行人車輛等。汽車節點影響汽車設計中的車身尺寸參數，后者則會影響到汽車視野的校核，國家對于汽車視野規定的標準。在空間排布上，因目標物點與眼橢圓的相對位置的不同，亦可以做如下分類。如表2所示。

表2 轎車目標物點與眼橢圓的空間相對位置（側視圖）Table.2 The relative space position relations between target point and eye ellipse（in side elevation）

前上方視野會受到轎車前風窗透明區上邊沿的制約。視野設計需考慮的主要因素包括，交通指示燈，路牌的識別，以及能夠防止陽光炫目。按照國家標準，汽車前方視野設計應能保證觀察到車輛前方12m處，5m高的信號燈，如圖4所示。根據視角計算公式可得出人眼觀察信號的視角的關系式：

圖4 前上方視野與交通信號的關系Fig.4 The relation between visual field in the upper front of the side and traffic signal

式中：h—眼點距離地面的高度（m）；l—眼點距離轎車前段的距離（m）。

保證觀察到交通信號，即需滿足交通信號的視角小于汽車前風窗透明區上緣的最小視角，取前風窗透明區上緣點，定義其相對于視野眼橢圓坐標系的坐標為A（p，q）（同上文目標物點坐標），則其應滿足如下關系式：

式中：k2取式（2）中的計算值。

前下方視野一般會局限于轎車前風窗透明區下緣或引擎罩，其主要目標物為井蓋，路面狀況。為了保證行駛安全，需要滿足井蓋，路面在可視、可識別范圍內的視角小于前風窗透明區下緣或引擎罩的最小俯角（與仰角算法一致）。在行駛過程中，轎車的高速度會使路面相對于眼睛產生流動的效果，且可視路面距離眼點越近，流動效果會越明顯，帶來強烈觀感的同時，也會加速視覺疲勞的產生[7]。這時，對于轎車設計中前風窗透明區下緣或引擎罩的俯角也會受到約束，即其最大俯角需大于某一范圍。

4 總結

（1）在本文的視野計算中，轎車車身節點的坐標是建立在視野坐標系，即以眼橢圓側視圖長短軸所在直線為坐標軸的直角坐標系上。而在實際設計中，一般以駕駛員座椅最大行程處的跨點（R點）為基點，過該點的水平面和垂直面作為基準平面，來進行轎車車身的設計[8]。在側視圖上，表現為過R點的水平線X軸和垂直線Z軸的坐標系為基準的坐標系。兩坐標系有一定關聯，坐標可以互為轉化。

（2）眼橢圓試驗，是駕駛員將以正常坐姿將座椅調至適意位置來進行的。故眼點位置的采集時，頭部與眼球在其自然轉動角范圍內，但不同眼點位置，眼睛的直前視線不一定位于水平線上。駕駛員的有效視區會因汽車速度的增加而逐漸較少，且在識別不同顏色時，也會不同。

（3）眼橢圓俯視圖視角的計算，與側視圖類似，但需要兼顧雙眼的位置。眼橢圓俯視圖一般用于A柱盲區，后視鏡視角范圍的求取。

[1]鄭艷玲.人機工程學在轎車駕駛室設計中的應用研究[D].長春：長春理工大學，2008.

[2]葛安林，等.汽車視野設計原理和方法研究[J].長春：機械工程學報，2002，4.

[3]郭琳，朱序璋，畢偉民，許英.安全人機工程學在挖掘機駕駛室中的應用[J].機電產品開發與創新，2008，4.

[4]申福林.人的視覺與汽車的視野設計[J].西安：西安公路學院學報，1988，1.

[5]杜子學.汽車人機工程學[M].北京：機械工業出版社，2011.

[6]滕永泉.乘用車內飾人機設計中如何利用眼橢圓[J].廣州：科學之友，2012.

[7]黃永和.駕駛員眼位置的研究[J].國外汽車，1992，3.

[8]郭榮春，張華.眼橢圓在汽車車身設計中的應用[J].農業裝備與車輛工程，2010，9.

Study on the Visual Field of Sedan's Cab Based on Ergonomics

MA Guang-Tao，LIU Tian
（Art Institute of Design,Shenyang Jianzhu University,Shengyang Liaoning 110168，China）

According to the characteristics of the car driver's eye-ellipse,we established the geometric diagram of the view of sedan's cab.The application of analytic geometry and ergonomics deduces the relationships between the angle of the bridge type of the target,referring to eye ellipse standard of America SAE-J1100.The application of these conclusions can reduce the driver's visual fatigue andimprove driving safety.

visual field； sedan； cab； eye ellipse； viewing angle； ergonomics

TH-39

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2013.06.011

1002－6673 （2013） 06－030－03

2013-09-28

國家自然科學基金項目（509090680）

馬廣韜 （1962-），男，遼寧本溪人，教授；柳天（1988-），男，山西朔州人，在讀研究生。