基于Jack仿真的汽車A柱障礙角的校核與評估

王長帥，姬小國，史雪瑩，朱彤

(長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064)

1 引言

截止2017年年底，全國汽車保有量21743萬輛，比上年末增長11.8%[1]，但道路交通資源是有限的，汽車數量的增加導致道路變得更加擁擠，交通事故頻發。2017年我國發生交通事故共計203049起，導致63772人死亡，209654人受傷[2]。對交通事故的致因進行分析，發現人、車、路及環境是導致交通事故的主要原因，其中人的因素是導致交通事故的最主要原因[3-12]，但汽車設計的缺陷也會引起交通事故的發生。駕駛過程中80%左右的道路交通信息是駕駛人通過眼睛獲得的[12-20]，因此良好的駕駛視野是汽車行駛安全的保證。受制于車輛本身結構強度的要求，汽車A柱在設計過程中不能被代替，A柱的寬度和角度會影響駕駛人的視野，轉彎時駕駛人的視野會被A柱部分遮擋，即為A柱障礙角，A柱障礙角會影響駕駛人對車輛側前方物體的判斷[21]。A柱障礙角的大小直接關系到駕駛人的視野范圍，因此有必要對汽車A柱障礙角進行校核與評估。

汽車A柱設計在汽車安全中占有著非常重要的地位。Reed M (2008年)利用貝塞爾曲線建立仿真車輛轉向軌跡建模并對56輛汽車A柱的幾何形狀進行了分析，結果表明A柱越靠近前方視線，其在汽車行駛路徑上產生的遮蔽區域越大，處在遮蔽區的行人面臨這不被司機發現的風險[22]。S.Y.Ahn等人(2015年)依據信息的易感性，從駕駛員的視野角度對車輛前方視野區域進行了重新定義，并提出了基于駕駛員注視比例的評估前方視野區域的工具，并招募駕駛員進行模擬試驗，結果表明前方視野評估工具和人的主觀感性評估具有高度的相關性和可靠性，評估駕駛員前方視野的方法可用于車輛設計[23]。Cho,Y.H.,& Han,B.K.(2010年)認為減少車輛可能造成的潛在傷害是對行車安全非常必要，減小A柱障礙角可以給駕駛人提供一個寬闊的視野，并對比分析了三種減少A柱障礙角的方法，認為.采用細長的A柱是減少A柱障礙角并確保駕駛人視野的最佳方案[24]。基于駕駛員眼點和頭部轉動點，鄭巍利用投影原理介紹了一種新的A柱視野障礙評價方法，綜合考慮A柱及外后視鏡、車門封條等因素對駕駛人視野的影響，認為該方法可對車輛A柱視野障礙進行定性分析，也可定量地對不同車輛的情況進行比較[25]。通過對原有拖拉機駕駛室的設計，蘇小偉利用SAE法和簡化法，提出了針對拖拉機A柱視野校核的方法[26]。陳焙媛等人從交通事故數據入手，對由車輛A柱盲點所造成的事故進行研究，分析導致事故的主要參數，建立人因工程模型、設計調查問卷，并對結果進行分析，認為通過Volvo可視化設計、輔以光學設施可以克服A柱死角障礙[27]。

通過文獻的綜述可以發現國內外對汽車A柱雙目障礙角的校核研究較少，對車輛的設計缺乏相應的理論指導。針對國內某一固定車型，依據車輛的具體設計尺寸參數，利用Jack仿真軟件建立仿真車輛模型，并對該型車的A柱雙目障礙角進行校核。本文利用人因工程仿真的方法，依據《汽車駕駛員前方視野要求及測量方法》的要求，通過Jack軟件中的車輛分析工具及時域分析工具對國內某型車A柱障礙角進行測量與校核，并對該車型前方視野進行分析評價。

2 駕駛人視覺特性及車輛A柱障礙角

2.1 駕駛人的視野范圍

在駕駛過程中駕駛人通轉動頭部和眼睛來擴大自身的視野范圍，據人機工程學原理，駕駛室中駕駛員的頭部轉動圍繞著一個轉動中心，位置位于雙眼連線的中垂線后方98 mm處，左右兩眼距離為65 mm[28]。其中人眼睛和頭部轉動的角度范圍如表1所示。

表1 人眼睛和頭部的轉動范圍

2.2 眼橢圓相關概念

2.2.1 眼橢圓

眼橢圓是描述不同身材駕駛員眼睛在空間上相對車輛內部參考點位置的一種統計表示法。美國福特汽車公司做了大量的統計實驗研究駕駛人眼睛的分布規律，研究表明在車身坐標系中眼睛分布范圍在俯視圖和側視圖的投影均近似為橢圓，故稱為眼橢圓[29]，眼橢圓視圖如圖1(a)所示。眼橢圓表征的是駕駛員在車輛中眼睛位置的統計分布，因此在汽車的視野設計中可以通過眼橢圓來對駕駛人的視野進行定量的評價[30]?！镀囻{駛員眼范圍》標準指出依據眼點的分布，眼橢圓被分90%、95%、99%等百分位，眼橢圓的百分位由視切比來定義，包含眼橢圓的切線的一面區域的眼點數量與區域內眼點總數的比值為視切比，如圖1(b)所示，95%的駕駛員眼睛落在切線下方，故該橢圓為95%眼橢圓。

圖1 眼橢圓的視圖及其視切比

2.2.2 眼橢球

眼橢球是指車身坐標系里駕駛人眼睛位置的真實分布狀況，將眼橢球在車身空間坐標系的各個方向展開，其交集就形成了眼橢球[31]。本研究中眼橢球的定位可通過Jack軟件仿真直接完成。Jack中仿真的眼橢球模型如圖2(a)所示。

圖2 眼橢球模型及P點與E點的位置關系

2.2.3 眼點

SAE標準中，駕駛員的眼點(E點)是表征駕駛員雙目位置的點，是在95%的駕駛員眼橢圓上得到的，兩眼點之間的距離為65 mm[31]。在對駕駛室進行人因工程分析時，常將眼點與頭部轉動中心點(P點)結合起來進行研究，P點與E點的相對位置關系如圖2(b)所示，其中兩眼點連線的中垂線段稱為頭部中心線，P點位于頭部中心線上且距眼點連線98 mm。圖2(b)為俯視圖，眼點和P點具有相同的Z坐標。

2.3 A柱盲區

A柱是連接駕駛車頂與車輛前艙的支柱，如圖3所示。A柱起著支承車身結構的作用，但由于A柱處在駕駛室的前方，易遮擋駕駛人的視野，駕駛員在駕駛室中由于A柱的遮擋而看不到的地方被稱為A柱盲區[32]。A柱盲區范圍的大小與A柱的尺寸參數和駕駛人的視點與A柱的距離等因素有較大的關系。在保證A柱的結構剛度強度能夠滿足汽車整體結構性能的前提下，盡可能使汽車A柱變細更有利于減小汽車A柱盲區，A柱產生的盲區越小，越有利于駕駛安全?！镀囻{駛員前方視野要求及測量方法》中規定車輛的A柱的數量不得超過兩根，且其雙目障礙角不得大于6°。

圖3 車輛A柱

2.4 A柱障礙角的測量方法

2.4.1 國標中A柱障礙角的測量方法

《汽車駕駛員前方視野要求及測量方法》將A柱障礙角劃分為駕駛員側雙目障礙角和乘員側雙目障礙角，駕駛員側A柱雙目障礙角定義為：E1和E2的連線繞P1 旋轉，使E1至左A柱的S2截面外側的切線與E1、E2的連線成直角，從E1向左A柱的S2截面外側作切線和從E2向左A柱S1截面內側作切線，從E2點作前一切線平行線，與后一切線所成的平面視野角度即為駕駛員側A柱雙目障礙角，測量方法如圖4所示。

圖4 國標中A柱障礙角測量方法

2.4.2 眼橢圓法

SAE中給出測A柱障礙角的方法是眼橢圓法，如圖5所示。圖中S截面過P點作水平面與A柱相交。E1和E2的連接線繞P1旋轉，使E1至左A柱的S截面外側的切線與E1、E2連線成直角，從E1向左A柱的S截面外側作切線和從E2向左A柱 S截面內側作切線，從E2點作前一切線平行線，與后一切線所成的平面視野角度即為駕駛員側A柱雙目障礙角[32]。

圖5 眼橢圓法

2.4.3 簡化的A柱障礙角測量方法

通過綜合分析上述兩種A柱障礙角測量方法，測量方法進行簡化，得出一種更適合Jack軟件的A柱障礙角測量方法。即駕駛員頭部轉動到左極限位置時，從駕駛員的左眼引出視線，使之與駕駛室左A柱外側相切；從駕駛員的右眼引出一條視線，使之與左A柱的內側相切，這兩條視線的夾角即為駕駛員左側A柱雙目障礙角。而駕駛員頭部轉動到右極限位置時，從駕駛員的左眼引出視線，使之與駕駛室右A柱內側相切；從駕駛員的右眼引出一條視線，使之與右A柱的外側相切，這兩條視線的夾角即為駕駛員的右側A柱雙目障礙角[33]。

3 基于Jack人車仿真模型

通過對新產品三維模型的導入及仿真分析，Jack可以分析該產品是否符合用戶需求及人因規律，通過將視圖參考點定位到指定的對象上(如人的眼睛)可實現仿真環境中數字人視野的分析[34]。

3.1 建立數字人體模型

本研究所使用的車輛模型從Jack實體數據庫中導入，相關參數依據國內某型車的實際參數確定，如圖6(a)所示。Jack數據庫中定義了各個身體尺寸和性別的三維人體模型，并且用戶可以對三維人體模型進行尺寸縮放，本研究所建立的人體模型為95%的中國人體尺寸，符合中國人體特征，如圖6(b)所示。

圖6 Jack仿真車輛模型和人體模型

3.2 數字人模型導入

利用Jack軟件自帶的工具，可將所建立的數字人放置到車輛駕駛室座椅上并使數字人擺出開車的姿勢，同時可以對數字人在車輛里的姿勢進行，使其手、腳完美地契合方向盤與腳踏板，身體完美貼合車輛座椅。數字人導入車輛駕駛室座椅及其姿勢的調整過程如圖7所示。

圖7 數字人導入座位及姿勢調整

4 汽車A柱雙目障礙角的校核

對駕駛員左/右側A柱的雙目障礙角進行測量時，必須將數字人的頭部轉動到左/右側極限位置，但Jack軟件無法單獨生成左眼或者右眼各自的視線，故利用ruler測量尺代替視線，但其不會影響對A柱雙目障礙角對測量精確度。測量過程利用Jack軟件模具庫中的plan平面，可借助該平面從駕駛人眼睛引出水平視線，以確定與左右眼視線相切的A柱內外側。

4.1 左側A柱視野校核

車輛駕駛室左側A柱的雙目障礙角測量方法為：駕駛員頭部轉動到左極限位置時，從駕駛員的左眼引出視線，使之與駕駛室左A柱外側相切，從駕駛員的右眼引出一條視線，使之與左A柱的內側相切，這兩條視線的夾角即為駕駛員的左側A柱雙目障礙角[34]。

對駕駛人左側的A柱雙目障礙角的校核流程如下：

(1)轉動駕駛人頭部至左側極限位置，如圖8(a)所示，并導入plane平面如圖8(b)所示。

(2)創建兩條ruler，如圖8(c)所示。ruler1為左眼視線，ruler1的一端定位在駕駛人的左眼球上，另一端剛好與車輛左側A柱外側相切；ruler2為右眼視線，ruler2的一端定位在駕駛人的右眼球上，另一端剛好與車輛左側A柱內側相切。

(3)導入plane0及plane1并進行選擇和平移操作，使平板的一角與眼球位置重合，平板底部與視線重合，平板與水平面成90°，如圖8(d,e)所示。plane0與plane1在YOZ平面上相對于原始坐標系的偏轉角θ1=21.1°，θ2=26.1°。

(4)plane0和plane1在YOZ平面上的夾角即為車輛駕駛室左側A柱的雙目障礙角。兩平面的夾角通過其在YOZ平面上偏轉的角度得出，其偏轉角度之差即兩平板的夾角θ，θ=θ2-θ1=5.0°，即所校核車輛駕駛室左側A柱的雙目障礙角為5.0°<6.0°，滿足《汽車駕駛員前方視野要求及測量方法》所規定的要求。

圖8 駕駛人的左側A柱雙目障礙角的校核流程

4.2 右側A柱視野校核

對駕駛人右側的A柱雙目障礙角的校核流程如下：

(1)轉動駕駛人頭部至右側極限位置，如圖9(a)所示，駕駛人視線仿真如圖9(b)所示。

(2)創建兩條ruler，如圖9(c)所示，ruler1為左眼視線，ruler1的一端定位在駕駛人的左眼球上，另一端剛好與車輛左側A柱外側相切；ruler2為右眼視線，ruler2的一端定位在駕駛人的右眼球上，另一端剛好與車輛左側A柱內側相切。

(3)導入plane0及plane1并進行選擇和平移操作，使平板的一角與眼球位置重合，平板底部與視線重合，平板與水平面成90°，如圖9(d,e)所示。plane0與plane1在YOZ平面上相對于原始坐標系的偏轉角為：θ1=-66.6°，θ2=-62.8°。

(4)plane0和plane1在YOZ平面上的夾角即為車輛駕駛室右側A柱的雙目障礙角。兩平面的夾角通過其在YOZ平面上偏轉的角度得出，其偏轉角度之差即兩平板的夾角θ，θ=θ2-θ1=3.8°，即所校核車輛駕駛室右側A柱的雙目障礙角為3.8°<6.0°，滿足《汽車駕駛員前方視野要求及測量方法》所規定的要求。

圖9 駕駛人的右側A柱雙目障礙角的校核流程

5 討論

我國的《汽車駕駛員前方視野要求及測量方法》對V點、P點R點、E點的確定、汽車駕駛員前方視野及A柱雙目障礙角的測定條件、測定方法做出了詳細的說明，并要求：每臺車輛不得多于兩根A柱且每根A柱的雙目障礙角不超過6°；若駕駛員側和乘客側的A柱相對車輛中央縱向鉛垂面是對稱的，則乘客側的A柱雙目障礙角不需要再測量。

若車輛A柱的雙目障礙角達不到國家標準的要求，會增加駕駛員的視野盲區，為了減少盲區帶來的不利影響，駕駛員需要更加頻繁地轉動眼睛和頭部來觀察前方的路面狀況，這更容易引起駕駛員的操作疲勞，不利于駕駛員的安全駕駛，因此從安全的角度來看，車輛的A柱的雙目障礙角在時間和空間上必須要滿足國家標準的要求。通常當車輛A柱的雙目障礙角不能滿足要求的時候，可以通過調節座椅的位置或是在滿足車輛駕駛室剛度和強度的情況下，減小A柱的結構尺寸等措施來對A柱雙目障礙角的大小進行調節，使A柱的雙目障礙角能滿足國家標準的要求。選用尺寸為95%的中國人體尺寸模型，符合中國人體特征，從統計學上講、95%的人體尺寸模型涵蓋了國內絕大多數的駕駛人的身體參數。

相關研究表明：汽車A柱雙目障礙角的大小與A柱的結構參數以及駕駛人眼點距離A柱的距離等因素有關。從空間結構上來看，車輛的駕駛室越小、A柱距離駕駛人眼睛越近，A柱的雙目障礙角也就越大；在保證車輛駕駛室剛度和強度的情況下，A柱的結構尺寸越小，A柱的雙目障礙角就越小[26,34]。

本文研究中，利用簡化的A柱障礙角測量方法，該方法更適合于Jack軟件，利用Jack仿真軟件對車輛A柱的雙目障礙角進行校核，校核結果為：目標車型車輛的左側駕駛人A柱雙目障礙角為5.0°，右側A柱雙目障礙角為3.8°，均滿足國家標準對駕駛人前方視野A柱盲區的要求。但是可以發現左側A柱雙目障礙角要大于右側，從空間上來看，這主要是由于駕駛人眼點距離左側A柱的距離較近，而距離右側A柱的距離較遠，故而該型車左側的A柱障礙角大于右側是合理的，這與上述其他研究的結論是一致的。

6 結論

基于人機工程學原理，針對國內某一固定型汽車，利用Jack軟件建立仿真車輛模型及符合中國人體特征的駕駛人模型，根據簡化的A柱障礙角測量方法，使用Jack軟件自帶的分析工具，對國內某型車的駕駛室雙側A柱障礙角進行校核分析，研究表明，該型車左側A柱雙目障礙角為5.0°，右側A柱雙目障礙角為3.8°，均滿足《汽車駕駛員前方視野要求及測量方法》對駕駛員前方視野A柱盲區的要求。