基于人机工程学的轿车驾驶室视野的研究

马广韬，柳 天

（沈阳建筑大学 设计艺术学院，辽宁 沈阳 110168）

基于人机工程学的轿车驾驶室视野的研究

马广韬，柳 天

（沈阳建筑大学 设计艺术学院，辽宁 沈阳 110168）

依据轿车驾驶员眼椭圆的特性，建立了驾驶室视野的几何关系图，利用解析几何学的相关知识，结合人机工程学原理和美国SAE-J1100眼椭圆的相关标准，推导出了目标物的驾驶室视角关系式，通过对视角关系式的应用，以期达到减少驾驶员视觉疲劳和提高驾驶安全的目的。

视野；轿车；驾驶室；眼椭圆；视角；人机工程

0 引言

在汽车行驶过程中，驾驶员80%的外界信息依赖于视觉获取[1]。汽车驾驶视野直接影响驾驶员外界信息的有效获取及视觉疲劳的产生[2]。满足汽车驾驶视野的性能要求，成为现代汽车设计中，必不可少的需要考虑的因素之一。

在眼椭圆的应用基础上，国内现有目标物点视角的求取一般采用作图的形式，但缺乏数据的精确计算。笔者通过建立眼椭圆模型和直角坐标系，以垂直方向上，眼椭圆侧视图为主，利用数学计算方法，进一步计算视角、目标物点的精确关系，从而为现有轿车设计提供参考依据。

1 驾驶员视觉特性

1.1 人眼的生理特性

当人的头部和眼球保持不动时，所看到的视野范围可分为最佳视野，良好视野和有效视野范围。最佳视野为：水平线上下左右均为1.5°；良好视野，水平视线上下30°，垂直面两侧各15°；有效视野，水平线以上25°，以下 35°，垂直面左右各 35°[3]。

驾驶员观察目标物时，往往通过转动头部和眼球，来扩大有效视区[4]。在垂直方向上，眼球自然转动角度，上下均为15°；头部位上下30°。眼睛和头部可进一步扩大转动角度，来增加视区，但眼睛和头部会有明显的不适感出现，此时转角，眼睛向上45°，向下65°；头部上下均为50°。如图1所示。

图1 眼睛与头部垂直方向上的转动角度Fig.1 The rotational angle of eyes and head in the vertical direction

1.2 驾驶员眼椭圆

不同身材驾驶员以正常坐姿，将座椅调整到适意位置时，眼睛位置在车内坐标系中的统计分布图形，呈椭圆状，因此被称为眼椭圆[5]。汽车驾驶员眼椭圆的制订，为汽车视野设计提供了科学的依据，如图2所示。

图2 驾驶员眼椭圆Fig.2 Driver's eye ellipse

2 视野坐标系的建立及视角的推导

眼椭圆在车身图上定位时，一般以过R点（座椅调至最大行程时的跨点）竖直方向所在直线作为坐标系Z轴，以R点向上635mm处，水平方向上的的直线作为坐标的X轴，依据空间关系作出径向Y轴，最终根据眼椭圆坐标位置，来进行眼椭圆定位[6]。但由于眼椭圆坐标随H点水平行程和座椅靠背角的改变而改变，这样进行目标物点视角的计算就变得复杂而繁琐。

2.1 视野坐标系的建立

在眼椭圆侧视图上，以眼椭圆长轴所在直线作为X轴，眼椭圆短轴所在直线作为Y轴，建立平面直角坐标系，如图3所示。

图3眼椭圆侧视图坐标系Fig.3 The eye ellipse coordinate system in side elevation

图3中，目标物点为眼睛看目标物时，注视点的抽象概念，其在眼椭圆侧视图坐标系中的坐标用（p，q）来表示；直线l为经过目标物A点，眼椭圆曲线的切线，即为眼睛看目标物点最大、最小视角时，视线所在直线。a为眼椭圆侧视图长半轴长，b为短半轴长，a、b的取值会因为H点水平行程的变化而发生改变，其取值如表1所示。

表1 眼椭圆侧视图尺寸Tab.1 Dimensions of eye ellipse in side elevation

2.2 视角关系式的推导

在行驶过程中，驾驶员所看目标物主要位于驾驶员的前方，即在侧视图中眼椭圆的左侧。此处以处于眼椭圆左上方的目标物点为主要研究对象 (即直线斜率小于0的情况)，来进行目标物点仰角的计算。

眼椭圆长、短半轴用a，b表示，则其眼椭圆的方程式为x2/a2+y2/b2=1；直线l经过目标物点A（p，q），假定其斜率为k，则其方程式为kx-y+q-kp=0。直线l与椭圆相切，通过解析几何的计算，直线l的斜率k与目标物点坐标（p，q）的关系式表示为：

最大仰角视线：

最小仰角视线：

视野坐标系X轴，即眼椭圆的长轴所在直线与水平线的夹角为6.4°，故目标物点实际仰角的表达式可用下式表示：

以斜率的不同来划分目标物点所在的不同位置，即分为k不存在，k＞0，k=0和k＜0几种情况。当k不存在时，即目标物点出点眼椭圆Y轴方向的正上方，此处不属于所研究目标物点的主要范围，故不予考虑。当k存在时，则其推导结果，如上文所示，但会存在仰角、俯角的变化。

3 视角推导公式的应用

影响驾驶员视野，或与驾驶员视野性能相关的目标物，主要位于行驶方向上，驾驶员的前方，主要划分为两类，汽车车身节点，如汽车A柱，前窗边缘线，后视镜等，以及交通指示、马路井盖和行人车辆等。汽车节点影响汽车设计中的车身尺寸参数，后者则会影响到汽车视野的校核，国家对于汽车视野规定的标准。在空间排布上，因目标物点与眼椭圆的相对位置的不同，亦可以做如下分类。如表2所示。

表2 轿车目标物点与眼椭圆的空间相对位置（侧视图）Table.2 The relative space position relations between target point and eye ellipse（in side elevation）

前上方视野会受到轿车前风窗透明区上边沿的制约。视野设计需考虑的主要因素包括，交通指示灯，路牌的识别，以及能够防止阳光炫目。按照国家标准，汽车前方视野设计应能保证观察到车辆前方12m处，5m高的信号灯，如图4所示。根据视角计算公式可得出人眼观察信号的视角的关系式：

图4 前上方视野与交通信号的关系Fig.4 The relation between visual field in the upper front of the side and traffic signal

式中：h—眼点距离地面的高度（m）；l—眼点距离轿车前段的距离（m）。

保证观察到交通信号，即需满足交通信号的视角小于汽车前风窗透明区上缘的最小视角，取前风窗透明区上缘点，定义其相对于视野眼椭圆坐标系的坐标为A（p，q）（同上文目标物点坐标），则其应满足如下关系式：

式中：k2取式（2）中的计算值。

前下方视野一般会局限于轿车前风窗透明区下缘或引擎罩，其主要目标物为井盖，路面状况。为了保证行驶安全，需要满足井盖，路面在可视、可识别范围内的视角小于前风窗透明区下缘或引擎罩的最小俯角（与仰角算法一致）。在行驶过程中，轿车的高速度会使路面相对于眼睛产生流动的效果，且可视路面距离眼点越近，流动效果会越明显，带来强烈观感的同时，也会加速视觉疲劳的产生[7]。这时，对于轿车设计中前风窗透明区下缘或引擎罩的俯角也会受到约束，即其最大俯角需大于某一范围。

4 总结

（1）在本文的视野计算中，轿车车身节点的坐标是建立在视野坐标系，即以眼椭圆侧视图长短轴所在直线为坐标轴的直角坐标系上。而在实际设计中，一般以驾驶员座椅最大行程处的跨点（R点）为基点，过该点的水平面和垂直面作为基准平面，来进行轿车车身的设计[8]。在侧视图上，表现为过R点的水平线X轴和垂直线Z轴的坐标系为基准的坐标系。两坐标系有一定关联，坐标可以互为转化。

（2）眼椭圆试验，是驾驶员将以正常坐姿将座椅调至适意位置来进行的。故眼点位置的采集时，头部与眼球在其自然转动角范围内，但不同眼点位置，眼睛的直前视线不一定位于水平线上。驾驶员的有效视区会因汽车速度的增加而逐渐较少，且在识别不同颜色时，也会不同。

（3）眼椭圆俯视图视角的计算，与侧视图类似，但需要兼顾双眼的位置。眼椭圆俯视图一般用于A柱盲区，后视镜视角范围的求取。

[1]郑艳玲.人机工程学在轿车驾驶室设计中的应用研究[D].长春：长春理工大学，2008.

[2]葛安林，等.汽车视野设计原理和方法研究[J].长春：机械工程学报，2002，4.

[3]郭琳，朱序璋，毕伟民，许英.安全人机工程学在挖掘机驾驶室中的应用[J].机电产品开发与创新，2008，4.

[4]申福林.人的视觉与汽车的视野设计[J].西安：西安公路学院学报，1988，1.

[5]杜子学.汽车人机工程学[M].北京：机械工业出版社，2011.

[6]滕永泉.乘用车内饰人机设计中如何利用眼椭圆[J].广州：科学之友，2012.

[7]黄永和.驾驶员眼位置的研究[J].国外汽车，1992，3.

[8]郭荣春，张华.眼椭圆在汽车车身设计中的应用[J].农业装备与车辆工程，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

国家自然科学基金项目（509090680）

马广韬 （1962-），男，辽宁本溪人，教授；柳天（1988-），男，山西朔州人，在读研究生。