基于知識的汽車后視鏡布置研究

劉　群任金東李樂萌華　猛高振海

（1.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春130022；2.現代汽車研發中心（中國）有限公司，煙臺264006）

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基于知識的汽車后視鏡布置研究

劉群1任金東1李樂萌2華猛2高振海1

（1.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春130022；2.現代汽車研發中心（中國）有限公司，煙臺264006）

【摘要】基于人機工程學原理論述了汽車外后視野設計與分析方法，分析了影響后視野的后視鏡尺寸和布置等因素。利用CATIA二次開發方法和VB編程語言，結合CATIA知識工程模塊，開發了基于知識工程的汽車外后視鏡設計分析系統，實現了后視野計算和分析的自動化。基于6種典型布置方案對系統的計算精度進行了驗證。在此基礎上，計算并統計了最佳視野時的后視鏡角度和頭部轉角，建立了鏡面最佳角度的預測模型，研究了鏡面最佳角度隨汽車駕駛室布置參數的變化規律。

1　引言

后視鏡是駕駛員間接視野的主要保證，其合理設計與布置是改善主動安全性的重要措施之一［1］。為在概念設計階段快速、科學地對后視鏡進行設計和布置，需要根據已知布置參數進行反復地分析和校核，這不僅涉及對相關法規的理解，還需要設計人員能夠合理地運用人機工程學專業知識。而將相關知識總結并開發出專業軟件供設計人員使用是有效的解決方法［2～5］。以良好視野為目標、以知識工程和參數化設計驅動的相關技術不僅能提高設計效率和精度，對相關專業內容的改進也具有重要的意義。例如，Volvo公司曾嘗試以滿足良好視野為目標驅動相關立柱的結構設計［6］。

目前一些車型后視鏡仍然存在很大的盲區，而曲面鏡雖能擴大視野，卻扭曲了物像，使得對距離和車速的判斷容易失真。如何權衡駕駛室布置參數和后視鏡設計參數，減少側面盲區仍值得研究［7］。標準和法規定義了汽車后視野的通用規范，很多車型在滿足這些規范的基礎上還存在很大的改進空間。同時，不同駕駛員對后視鏡有著不同的使用習慣和偏好，在設計階段對這些因素進行充分地分析顯得意義重大。雖然汽車認證階段的視野測量技術也在不斷發展［8］，但仿真技術對于設計早期的意義是顯而易見的。結合主流CAD軟件，根據相關法規和標準，運用知識工程的方法，將設計原理、規范等知識融入CAD設計并實現設計和分析的自動化，可大大提高設計效率。同時，目前國內的研究幾乎沒有考慮后視野參數隨汽車布置參數的變化規律，而這對于方案改進和新車型設計具有重要意義。

本文總結了后視鏡布置法規和視野分析知識，結合CATIA V5知識工程模塊，依據我國標準要求，以Visual Basic（VB）6.0為工具開發了汽車外后視鏡布置系統，并利用該系統初步研究了轎車后視鏡傾角隨布置參數的變化規律。

2　汽車外后視野相關標準

我國參照歐洲標準制訂了強制標準GB 15084《機動車輛后視鏡的性能和安裝要求》，它是國產汽車定型、質量檢驗及進出口商檢的必檢項目。圖1給出了總質量小于2 000 kg的M1、N1類汽車外后視野要求。

圖1　M1和N1類汽車外后視野要求

3　影響后視野的后視鏡設計因素

3.1后視鏡曲率半徑

曲率半徑是后視鏡的基本參數之一，直接關系到后視鏡的視野大小、物像質量和距離判斷的準確性。凸面鏡可以擴大視野，視野隨曲率半徑減小而增大。研究表明，考慮正常人觀察視角的鏡面曲率半徑r在900～1 500 mm范圍內較合適［9］。GB 15084規定：對于II類后視鏡，其反射面的曲率半徑不得小于1 800 mm；對于I、III類后視鏡，其反射面的曲率半徑不得小于1 200 mm。

3.2后視鏡鏡片尺寸

后視鏡鏡片越大，視野越大，但不需要的景物會映入鏡中，分散駕駛員的判斷力。大的后視鏡尺寸還會增加空氣阻力和氣動噪聲。對鏡面尺寸的基本要求是能清楚地反映法規所規定的后視野。GB 15084規定：必須能在外后視鏡反射面上繪出一個高40 mm、底邊長為a的矩形，以及繪出與該矩形的高平行的b線段。a、b的計算方法見表1。

表1　GB 15084對鏡面尺寸的要求　mm

3.3后視鏡布置

汽車后視鏡布置應考慮以下2點：

a.保證駕駛員觀察后視鏡的視野。后視鏡布置既要滿足人機工程學推薦的布置原則，又要保證駕駛員對后視鏡有效反射面的觀察。例如，對于需要從前風窗玻璃觀察的后視鏡，觀察其有效反射面的視線應該處于風窗玻璃刮掃區域范圍內，目前許多長途客車的“兔耳”式后視鏡就不能很好地滿足駕駛員清晰觀察的需要。

b.后視野滿足法規要求。這需要對鏡面尺寸、曲率半徑、空間方位、觀察距離、整車布置參數等因素進行綜合匹配才能夠保證。如前所述，很多車型的后視鏡布置在滿足法規要求的基礎上仍存在很大的提升空間，可以進一步優化，以保證良好的安全性。

4　后視野的自動分析

4.1一般步驟

a.初選眼點

眼點是視野分析中視線的出發點，是保證分析結果適應度的關鍵。按照設計適應度［10］的要求，應選取駕駛員人群眼點分布的置信邊界點。GB 15084定義了眼點位置，但缺乏統計意義。本文采用SAE J941中定義的駕駛員頭部轉動中心點（P點）計算眼點（E點）［11］。SAE J941標準定義了頭部轉動中心點P4和P3，分別用于計算左、右側后視野，其相對于眼橢圓中心的位置參見表2，表中TL23為座椅水平調節行程［12］。E點有2個，分別代表左、右眼睛位置，二者相距65 mm；P點與眼點等高，位于左、右眼點連線中點后方98 mm處。

表2　P點相對于中央眼橢圓中心偏移量　mm

b.計算駕駛員頭部轉動角度

在人眼自然轉動條件下，有時無法看到后視鏡的完整鏡面，必須考慮轉動頭部去觀察，這時需要計算頭部轉動角ω：

式中，XP、YP為頭部轉動點的x、y坐標；XM、YM為距眼點最遠的鏡面點的x、y坐標為頭部轉動點到距眼點最遠鏡面點的距離。

c.確定駕駛員眼點在鏡中的成像點

根據凸面鏡光學成像原理（圖2），從B點出發，平行于主光軸的光線經過凸面鏡后通過焦點F，從B點出發，通過曲率中心O的光線經過凸面鏡后方向不變。2條光線的交點即為B點的成像點B′。根據這個原理即可確定眼點在鏡中的成像點。

圖2　凸面鏡成像原理

d.后視野區域的確定

分別以左、右眼點EL、ER的成像點IL、IR為頂點，作鏡面邊界的射線，得到左、右眼點借助后視鏡看到的空間范圍，并可求出左、右單眼視角φ1、φ2，雙眼視角φ3，以及左、右單眼總視角φ4，參見圖3。

圖3　后視野角度的確定原理

e.計算鏡面的最佳角度

校核后視野必須將鏡面調整到使視野指向法規要求的位置［13］：從俯視圖上看，使視野區域靠近汽車一側的邊界與縱向基準面基本平行；在側視圖上看，使視野區域最上邊界與水平面平行。此時的視野區域為最佳區域。此外，對于帶有外殼（支架）的后視鏡，鏡面最佳角度對設計殼體相關傾斜角度具有重要參照作用，可使不同身材駕駛員以最小的鏡面調節量獲得最佳視野，從而減小外殼厚度。

f.重新計算頭部轉動角度

由于鏡面位置已經變動，駕駛員頭部轉動角度還需要重新計算。

重復步驟b～步驟f，直到獲得最佳鏡面位置。此時，如果地面上的后視野區域將法規區域完全包括在內，就表明視野合格；否則說明此后視鏡的尺寸或布置不合理。

4.2汽車外后視鏡布置系統

基于CATIA二次開發接口，運用VB開發了后視鏡布置系統。在該系統中，輸入不同的設計參數即可快速獲得不同曲率半徑、不同鏡面尺寸的后視鏡模型，同時實現后視鏡的定位，并且自動調節鏡面角度獲得最佳視野，從而方便進行后視野的計算和校核。

a.關鍵參數的定義

用CATIA知識工程模塊創建了后視鏡設計參數（表3），以實現對后視鏡模型的參數化驅動。在VB中創建人機交互窗口，在窗口中輸入相應參數值即可快速生成符合條件的后視鏡概念模型。

表3　后視鏡參數

b.后視野的自動計算和分析

根據上述分析，在CATIA中作出后視野法規區域。根據凸面鏡成像原理計算駕駛員眼點在鏡面中的成像點，再以該點為起點，過鏡面邊界點作射線即確定駕駛員后視野。根據空間幾何關系構造中央眼橢圓中心和鏡面旋轉中心，根據鏡面曲率半徑、鏡面尺寸建立鏡面邊界點坐標和眼點成像點。利用VB循環語句進行迭代計算，得到鏡面在最佳位置時的水平角度α、垂直角度β和頭部轉動角ω，系統流程如圖4所示。

利用VB開發環境在進程外調用CATIA Automation API函數［14］，將系統算得的α、β、ω自動賦給前面定義的CATIA相關參數，以參數驅動后視鏡模型，并實現后視野的自動更新。比較后視野與法規區域的包含關系，即可判斷后視鏡的設計和布置是否符合要求。

圖4　后視野計算分析流程

c.系統驗證

為驗證系統計算效率和精度，選取了6種布置方案數據，根據它們計算得到各布置方案最佳鏡面位置時的鏡面角度和頭部轉動角，并與手動計算得到的最佳鏡面位置時的相關參數進行對比，結果見表4。通過對比可以看出，系統自動計算的結果與手動計算結果相差不大（α相差小于3°，β相差小于1°，ω相差不超過1.4°）。

表4　系統計算精度分析結果　（°）

5　駕駛室布置參數對后視鏡布置的影響

汽車后視鏡傾角的設計與駕駛室（乃至整車）的布置有密切的關系，所確定的傾角必須得到保證。明確這種匹配關系對后視鏡布置很有意義。本文以乘用車駕駛員側后視野為例，選取駕駛室的25種布置方案，將布置參數輸入系統后自動計算出鏡面最佳角度和頭部水平轉動角，部分結果見表5。在此基礎上，分析了后視野隨布置參數的變化關系。表5中，H30為駕駛座椅高度，L6為轉向盤中心到踏板基準點的前后方向距離，A40為座椅靠背角［12］。對25組數據進行統計分析，提取布置參數中的主成分作為預測因子，建立了后視鏡最佳鏡面角度的預測模型。為能夠直觀地反映駕駛室布置參數對因變量的影響，將初始自變量帶回預測模型中，得到的預測模型見表6（模型顯著性Sig.＜0.01）。表7為α的25組預測值和樣本值的對比，它們之間的絕對誤差不超過1°，相對誤差在6％內，說明模型的預測效果很好。

表5　不同布置方案最佳視野時的后視鏡參數

表6　預測模型系數

表7　鏡面角度α預測模型誤差分析　（°）

由預測模型可知，以α和β為0時為初始位置，如圖5a，隨著L6、H30和A40的增加，鏡面水平角度α減小，鏡面繞z軸轉動，如圖5b所示。而L6、H30和A40的增加會使鏡面垂直角度β增加，鏡面繞y軸轉動，如圖5c、圖5d所示。根據實際經驗：隨著L6的增大（轉向盤位置后移），駕駛員眼睛位置向后移動，為滿足后視野的要求，

需要繞z軸向外旋轉鏡面；而隨著H30的增加，眼睛位置上移，為滿足后視野的要求，需要向上旋轉鏡面。分析發現，隨著L6、H30和A40的增加，頭部轉動角ω的絕對值減小，這對于改善駕駛員頭部舒適性有一定幫助。此外，研究表明，若觀察視線偏離正前方30°以上，則對前方物體的觀察就非常不理想，存在很大的安全隱患［15］。可以根據汽車布置的約束條件協調布置參數（如對車輛高度的限制較大，而對于車長的限制較小時，可適當減小H30），得到只需較小頭部轉動角即可滿足視野要求的布置參數組合。

圖5　鏡面角度隨布置參數的變化

6　結束語

本文總結了影響后視野的后視鏡設計和布置因素，利用CATIA知識工程模塊和二次開發技術開發了后視鏡設計系統，實現設計分析的自動化、智能化。根據實車布置數據計算了后視鏡角度和駕駛員頭部轉動角，并借助統計分析方法建立其預測模型，分析了它們隨布置參數的變化規律，對后視鏡布置設計具有指導意義。本文雖然以轎車為例進行研究，但采用的方法對其它車型均適用，因此具有普遍的應用價值。

本文在后視鏡尺寸、安裝位置不變的情況下探討了內部布置參數對后視野的影響，未來可考慮更多的設計因素對后視野的影響。另外，本文在布置參數的選擇上直接采用了與眼橢圓定位相關的參數，其它布置參數對后視野的影響還有待研究。

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15 Kelley C R. Automotive Rear Vision. SAE Technical Paper No. 700396，1970.

（責任編輯斛畔）

修改稿收到日期為2015年12月15日。

主題詞:知識工程后視鏡布置校核回歸分析

Research on Automobile Rearview Mirror Packaging Based on Knowledge

Liu Qun1, Ren Jindong1, Li Lemeng2, Hua Meng2, Gao Zhenhai1
（1. State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130022; 2. Hyundai Motor Research & Development Center（China）Co., Ltd., Yantai 264006）

【Abstract】Based on the principles of ergonomics, the design and analysis method of vehicle rear vision are discussed in this paper, and factors, i.e. rearview mirror size and packaging, etc., which affect the rear field of view of driver are analyzed. Based on CATIA secondary development techniques, CATIA knowledge engineering modules and VB programming language, a knowledge-based vehicle exterior mirror design & analysis system is developed, and the automatic computation and analysis of rear field of view are realized. The system has been validated using six typical packaging plans. Using this system, the rearview mirror angle and head turning angles of best rear vision are calculated, and a prediction model of optimal rearview mirror packaging angles is established. The rule which the optimal angle of mirror changes with cab packaging data is studied.

Key words:Knowledge engineering, Rearview mirror, Packaging, Validation, Regression analysis

中圖分類號:U463.82

文獻標識碼:A

文章編號:1000-3703（2016）04-0005-05