虛擬評審在汽車人機工程方面的應用

蒙錦珊

摘要：隨著消費者對于汽車舒適性、方便性方面要求的提高，虛擬現實技術在汽車人機工程方面的應用逐步興起，本文以汽車人機工程學為基礎，分析虛擬評審在汽車研發過程中人機工程方面的功能及優勢。

關鍵詞：虛擬評審;汽車研發;人機工程

0? 引言

近年來，汽車工業迅速發展，消費者對于汽車舒適性、視野效果、操作范圍等人機工程方面的要求越來越高，而傳統的汽車設計研發過程中采用的是桌面式評審人機工效的方法，對于提高產品人機工程質量的能力有限。

作為汽車研發活動中產品質量表現重要一環的人機工程，它的特殊要求與虛擬現實技術的獨有優勢不謀而合。使用虛擬現實技術可以準確地模擬人體動作，直觀地識別人機工程方面出現的各種問題，是幫助汽車質量提升的有效方法和重要途徑。

1? 汽車人機工程簡介

人機工程學從20世紀70年代初期開始被定義設計，它在汽車行業被定義為研究人-車-環境之間相互協調的專項學科技術。人機設計在項目語言初期開始執行任務，直至量產驗證，傳統的人機設計主要包括以下幾個方面：

1.1 人體坐姿校核? 在整車全新開發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，盡可能提高車內空間舒適度，人機工程師通過對人體生理結構的研究分析，設定人體坐姿最優角度，結合CAD可視化軟件，將前期的人機數據引入到數字樣機設計中，設計參考值見圖1。

1.2 乘坐空間舒適性校核? 乘坐空間性主要包括單個人體頭、膝、腳、肩部、臀部、肘部等6個部位反映的前排空間，還包括前后排R點最小間隔等后排乘客重點關注的空間。在整車布置設計過程中，需要按照設計開發流程進行校核，以滿足最小空間要求，同時對標多輛競品車型，保證駕駛員及車內乘客的空間舒適性。

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駕駛人員的視覺特性、視野效果，來校核駕駛員的信息系統，以保證駕駛員獲得正確的駕駛信息。

1.4 前風窗玻璃刮刷面積校核? 整車開發和設計時需要對風窗刮刷器進行刮刷面積校核分析，保證風窗玻璃刮水器可以有效地清除附著在擋風玻璃上的霜、泥、塵埃及其他污物，使得雨雪天氣時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? 確定駕駛室內的一切手操作扭鍵、桿件、開關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，應在駕駛員可觸及的范圍之內，且可以自然、準確、輕便地操縱，盡可能地降低操縱疲勞度，進而達到安全行車的目的。

1.6 踏板布置校核? 頻繁踩踏是導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，尤其是駕駛員經常接觸的離合踏板、制動踏板、加速踏板這三個踏板的位置合理性。

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

2? 虛擬評審在人機工程方面的功能及作用

虛擬評審結合了動捕設備和半實物臺架，系統基于位置追蹤設備獲取人體動作數據，通過動捕設備實時驅動虛擬環境中的人體對象，使得數字人體能夠獲得協調而真實的姿態和動作。根據企業標準建立高亮顯示判定函數，輸入人機工程基準后，可以實現在沒有制作出實物的條件下，精確分析不同尺寸人體進行不同目標操作的可行性與方便性，如分析人體作業姿勢、人體可觸及范圍等。

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

虛擬評審系統能夠以可視化的形式顯示數字人體四肢的可達范圍。并通過動捕設備等交互外設，實現真人驅動數字人體。除此以外，虛擬評審系統可以根據仿真結果對可達范圍、活動空間進行分析，對于不可觸及和操作錯誤頻率高的物體添加標簽。

虛擬評審還能夠使用VR-BUCK進行實時動態交互體驗，VR-BUCK模擬了半艙布局的設計及其部件，再與虛擬評審系統中的虛擬零件結合，可以真實地模擬駕駛器和中控等。進行可達性分析時能夠仿真地進行操作，實時調整運動件如遮陽板、后視鏡、換擋把手等。圖2為可達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或多個位置所能看到的范圍和可見程度。可視性分析功能解決的是視野校核和前風窗玻璃刮刷面積校核。虛擬評審系統能夠導入標準參數建立各種標準道路場景，用來進行視野感知評審應用。在虛擬場景中可以切換不同的標準道路，來測試各種情況下的視野范圍是否符合法規要求，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。當不能符合要求時，可以在虛擬評審系統中直接調節座椅位置及風窗尺寸等，直到符合標準規定。當進行內后視鏡、外后視鏡校核時，虛擬評審系統可以仿真模擬車輛在真實道路場景運動過程中，內、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要求。虛擬評審還可以切換人體模型，視錐、視圖等會隨之改變，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? 虛擬評審判斷舒適度主要是通過分析關節的角度來進行的。在調節人體姿勢時，判斷身體的各個關節角度是否均處于合理范圍之內。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。虛擬評審系統通過與VR設備結合的BUCK車臺架進行上下車方便校核、坐姿校核等人機工程舒適度分析。使用VR數據與臺架聯和調節，控制虛擬數據與現實操作同步，實現虛實聯動，可以形成真實有效的體驗效果。并且BUCK車臺架包含H點相關人機參數的數控調節機構，根據不同車型的相關參數調節BUCK車臺架，可以準確地模擬汽車內部結構。進行舒適度分析時，在數字人體模型的體表，虛擬評審可以實時顯示企業標準規定的人體關節舒適性。以人機工程學數據為依據，進行簡單快速的計算比較分析人體關節轉角、人體姿勢、疲勞情況，給出當前姿態的舒適度評價結果，對于超過企業舒適標準范圍的姿勢進行標紅處理。

3? 虛擬評審在人機工程方面的優勢

3.1 虛擬評審能夠提升人機工程校核效果，提高產品質量? 雖然虛擬評審為了使效果更加直觀，相較于傳統的評審方式，需要增加一些工作量和準備內容，無法明顯地節省步驟，但是使用虛擬評審帶來的價值是無法估量的。因為傳統桌面式評審的局限性和不直觀性，很多主機廠對于汽車人機工程的要求就是能用就行，而這已無法滿足現在人們對于駕駛舒適性等高品質的追求，久而久之會使車企失去口碑和競爭力，阻礙車企的發展。使用虛擬評審技術，工程師站在實車的角度檢查問題，仿真地模擬各種操作，可以有效地提高問題識別率和準確性，這對于汽車產品的質量提升和技術進步具有非常大的推動作用。

3.2 虛擬評審能夠快速對比、切換以及修改方案，提升評審效率? 為了滿足人們對于人機工程質量要求日益增高的現狀，許多主機廠越來越注重人機工程的校核和改進，因此往往會進行不斷的對比和切換更多的方案。虛擬評審系統能提供豐富的資源庫，便于對標競品車，可以讓工程師有更多的設計方案選擇，顯著有效地提升評審效率。應用虛擬評審系統可以一鍵切換不同的配件，并且可以運用專業的計算技術標注不同方案的角度、空間大小等參數，輔助分析優劣，簡單方便快捷的同時，又能夠很好地模擬真實效果，更加直觀地對比不同方案的效果，增強了對比的效果。

3.3 虛擬評審能夠提前發現人機工程問題，節省物理制作成本? 借助虛擬評審，可以在產品研發早期的設計階段生成、修改以及展示評估人機方面的產品工程原型，快速有效地進行人機工程校核。虛擬評審模型制作修改周期相比傳統方式的油泥模型等周期短很多，并且評審效果更加直觀。通過虛擬評審系統進行人機工程校核，能夠使得物理模型成為確定人機工程設計方案的工具，而不是起到反復驗證作用，加快項目開發進度，顯著減少物理模型制作輪次。虛擬評審可以取代一部分過渡環節的物理模型，而這些大量的一次模型的節省可以為主機廠節約一筆十分可觀的費用。

4? 結論

隨著虛擬現實技術的迅速發展，技術愈發成熟，其在汽車設計研發環節中發揮著日益重要的作用，越來越多的國內外知名車企選擇了使用虛擬評審系統，并已取得了不少的成功應用案例。虛擬評審系統彌補了傳統評審方式不夠直觀、成本高、周期長的固有劣勢，使得汽車設計中人機工程的校核更加精確有效。虛擬評審系統對于汽車工程學的長遠進步可以起到一定的推動作用，使得一些人機工程學的分析方法得以準確運用，促進車企的技術發展和經濟效益。借助虛擬評審的功能和優勢，汽車人機工程將可以更好地實現最佳的人機-環境系統，創造出更舒適化、更人性化、更科學化的汽車，使人機系統的綜合效能達到最佳水平。

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