汽車人機工程視野校核設備與VR技術的結合

陳子龍 溫佳鑫 王 哲 譙 航 黃培雨

（西華大學汽車與交通學院，四川成都610039）

0 引言

汽車人機工程學中的視野設計是一項非常重要的內容，是汽車主動安全的主要影響因素。現階段汽車進行視野校核通常采用三種方法，第一種是軟件建立好模型后計算，第二種是利用模型生成圖紙，在圖紙中測量或標注，但是這兩種方式無法滿足實際的觀察要求，是否滿足駕駛員的駕駛習慣也無法確定；第三種是制作實物模型后進行評價，但費用高昂。

1 與VR技術結合的汽車用人機工程視野校核設備介紹

系統簡圖如圖1～圖5所示，待測汽車內的駕駛員座椅上設置固定支架，固定支架上設置可多方向移動的多軸機械手11，11上端的端部安裝水平設置的夾爪13；13可繞經過自身中心點的豎直軸線旋轉，13的外端設置兩個相互平行、水平放置的模擬光源12，為了有效保證13的旋轉中心點模擬人體頭部轉動點，兩個12中心點之間的距離為65 mm，兩個12連線中點至13的旋轉中心點的水平距離為99 mm。

圖1 系統正視圖

圖2 系統俯視圖

模擬光源12是與人眼尺寸一致的橢圓形球殼，中心點處設置發光體14，12的殼體面向汽車前方的部分是透光區15，15的范圍是以模擬光源中心點為原點且經過12中心點，分別向前上方、前下方傾斜45°的第一斜面與12表面的交線構成上、下邊界；以12中心點為原點且經過模擬光源中心點，分別向左前方、右前方傾斜60°的第二斜面與12的表面的交線構成左、右邊界，上、下邊界與左、右邊界相連形成的四邊形區域即為透光區15；第一斜面與汽車縱向中心所在的豎直面垂直，第二斜面與水平面垂直；12的上表面、下表面上分別設置車內第一激光掃描儀51、車內第二激光掃描儀52。

圖3 眼橢圓模擬示意圖

圖4 操作人員使用系統示意圖

圖5 眼橢圓模型結構示意圖

待測汽車周圍設置光線接收裝置30，30包括分別位于待測汽車前方、側方、后方的前向光電接收板31、側向光電接收板32、后向光電接收板33，30中相應位置設置多個車外第一激光掃描儀53；待測汽車的正上方設置可沿汽車縱向方向移動的車外第二激光掃描儀54；51、52、53、54共同構成激光掃描裝置50；控制器5內設置三維建模軟件以及將三維模型轉為VR模型的中間軟件，人工校核設備60包括一個可由控制器5控制其靠背傾角的測試座椅62，62的尺寸與待測汽車駕駛員座椅一致；62附近設置的攝像頭63與VR眼鏡61通信，使63可以拍攝61相對于62的位置。

2 汽車用人機工程視野校核設備使用方法

進行測試時的步驟包括汽車參數設置、視野校核、人工校核。

汽車參數設置步驟：控制器5在三維建模軟件中以地面為水平面，以汽車左、右前輪中心連線所在的豎直面為橫向面，以汽車縱向中心對稱面為縱向面建立基準坐標系；將11固定在駕駛員座椅上，將駕駛員座椅調整到最后，然后調整11，使13位于特定位置；51、52掃描駕駛員座椅靠背的傾角，控制器5控制人工校核設備60，使測試座椅62的傾角與駕駛員座椅靠背的傾角一致。

然后順次進行以下步驟：

（1）53、54配合掃描出汽車A柱、B柱、前擋風玻璃、車門玻璃、后擋風玻璃的外側輪廓參數及位置參數，以及車外后視鏡21的鏡面尺寸參數及位置參數；控制器5分別提取13繞自身旋轉中心點的位置、12中心點的位置，并標記在三維建模軟件中，然后在三維軟件中將第95百分的人體眼橢圓三維模型的中心點與模擬光源12中心點重合，再將人體眼橢圓三維模型的表面離散成多個移動點位，以13繞自身旋轉的中心點為旋轉點，將夾爪13繞旋轉點、面向汽車前方相對于縱向面左、右分別旋轉90°的角度范圍離散成多個旋轉角點，然后將多個移動點位的坐標參數以及多個旋轉角點的角度參數發送給多軸機械手11并控制其運動，使12的中心點第一次經過全部移動點位；經過每個移動點位時，13繞旋轉點向左、右方向各90°范圍內分別轉過全部旋轉角點后12再移動至下一個移動點位；12移動過程中13始終保持水平狀態；13位于每一個旋轉角點時，12上設置的51、52實時掃描車內的A柱、B柱、前擋風玻璃、車門玻璃、后擋風玻璃的內側輪廓參數及位置參數，以及車內后視鏡22的鏡面尺寸參數及位置參數。

（2）控制器5將步驟（1）中激光掃描裝置50掃描的參數導入三維建模軟件中，分別建立汽車A柱、B柱、前擋風玻璃、車門玻璃、后擋風玻璃的三維模型及各自的位置參數，以及車外后視鏡21、車內后視鏡22的三維模型及各自位置參數，形成視野校核用三維模型，然后將視野校核用三維模型轉換成VR三維模型。

視野校核步驟包括順次進行的以下步驟：

（3）模擬光源12的中心點第二次經過全部移動點位。

（4）步驟（3）中，12在每個移動點位時，13繞旋轉點轉過全部旋轉角點后，12再移動至下一個移動點位。

（5）步驟（4）中，光線接收裝置30接收12位于每個旋轉角點時發出的光線，并將此時30受到照射的區域邊界參數發送給控制器5。

（6）步驟（5）中，控制器5根據視野校核用三維模型、12所在移動點位的位置、13的旋轉角點的角度參數進行判斷，如果12照射到車外后視鏡21或車內后視鏡22，則進入步驟（7），否則進入步驟（8）。

（7）當12照射到車外后視鏡21時，控制器5計算12在相應的某個移動點位的多個旋轉角點中，所有可以照射到后向光電接收板33的區域邊界之和，并將該區域邊界之和標記為車外后鏡視區，然后將12運動到不同移動點位形成的多個車外后鏡視區中面積最小的一個標記為第一間接視區；當12照射到車內后視鏡22時，控制器5計算12在相應的某個移動點位的多個旋轉角點中，所有可以照射到后向光電接收板33的區域邊界之和，并將該區域邊界之和標記為車內后鏡視區，然后將12運動到不同移動點位形成的多個車內后鏡視區中面積最小的一個標記為第二間接視區；然后進入步驟（9）。

（8）控制器5計算12在相應的某個移動點位的多個旋轉角點中，所有可以照射到前向光電接收板31的區域之和或可以照射到側向光電接收板32的區域之和，分別標記為前向視區或側向視區，并將多個移動點位的前向視區中面積最小的標記為第一直接視區，將多個移動點位的側向視區中面積最小的標記為第二直接視區，第一直接視區與第二直接視區之和標記為直接視區；將12照射到A柱時前向光電接收板31始終未接收到光線的區域記為A柱雙目盲區；將模擬光源12照射到B柱時側向光電接收板32始終未接收到光線的區域記為B柱雙目盲區；然后進入步驟（9）。

（9）控制器5將人體眼橢圓三維模型及位置參數導入VR軟件中形成標準眼橢圓范圍并進入步驟（10）。

人工校核步驟包括順次進行的以下步驟：

（10）測試人員佩戴VR眼鏡61后坐在測試座椅62上，眼睛水平目視前方，攝像頭63讀取此時VR眼鏡61位置，控制器5根據VR眼鏡61的位置計算出測試人員的人眼位置，當測試人員的人眼位置位于標準眼橢圓范圍內時，則進入步驟（11），否則提示重新調整坐姿，并重復步驟（10）。

（11）測試人員在VR空間中眼睛前后左右移動同時水平旋轉頭部，利用VR三維模型觀察VR三維模型外側特定位置的標定物，如果可以看到標定物，則進入步驟（12）；如果無法看到標定物，則進入步驟（13）。

（12）測試結束。

（13）控制器5將此時測試人員的人眼位置添加到多個移動點位中，然后重新進行步驟（3）～（11）。

3 結語

激光掃描裝置掃描待測汽車后建立汽車的VR用三維模型，光線接收裝置配合模擬光源、多軸機械手可以自動完成視野校核的全部內容，測試人員在VR空間中直接觀察汽車VR模型，觀察效果良好，提高了人工校核步驟的測試精度和準確性，同時提高了主觀評價準確性。