基于知识的汽车后视镜布置研究

刘　群任金东李乐萌华　猛高振海

（1.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，长春130022；2.现代汽车研发中心（中国）有限公司，烟台264006）



基于知识的汽车后视镜布置研究

刘群1任金东1李乐萌2华猛2高振海1

（1.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，长春130022；2.现代汽车研发中心（中国）有限公司，烟台264006）

【摘要】基于人机工程学原理论述了汽车外后视野设计与分析方法，分析了影响后视野的后视镜尺寸和布置等因素。利用CATIA二次开发方法和VB编程语言，结合CATIA知识工程模块，开发了基于知识工程的汽车外后视镜设计分析系统，实现了后视野计算和分析的自动化。基于6种典型布置方案对系统的计算精度进行了验证。在此基础上，计算并统计了最佳视野时的后视镜角度和头部转角，建立了镜面最佳角度的预测模型，研究了镜面最佳角度随汽车驾驶室布置参数的变化规律。

1　引言

后视镜是驾驶员间接视野的主要保证，其合理设计与布置是改善主动安全性的重要措施之一［1］。为在概念设计阶段快速、科学地对后视镜进行设计和布置，需要根据已知布置参数进行反复地分析和校核，这不仅涉及对相关法规的理解，还需要设计人员能够合理地运用人机工程学专业知识。而将相关知识总结并开发出专业软件供设计人员使用是有效的解决方法［2～5］。以良好视野为目标、以知识工程和参数化设计驱动的相关技术不仅能提高设计效率和精度，对相关专业内容的改进也具有重要的意义。例如，Volvo公司曾尝试以满足良好视野为目标驱动相关立柱的结构设计［6］。

目前一些车型后视镜仍然存在很大的盲区，而曲面镜虽能扩大视野，却扭曲了物像，使得对距离和车速的判断容易失真。如何权衡驾驶室布置参数和后视镜设计参数，减少侧面盲区仍值得研究［7］。标准和法规定义了汽车后视野的通用规范，很多车型在满足这些规范的基础上还存在很大的改进空间。同时，不同驾驶员对后视镜有着不同的使用习惯和偏好，在设计阶段对这些因素进行充分地分析显得意义重大。虽然汽车认证阶段的视野测量技术也在不断发展［8］，但仿真技术对于设计早期的意义是显而易见的。结合主流CAD软件，根据相关法规和标准，运用知识工程的方法，将设计原理、规范等知识融入CAD设计并实现设计和分析的自动化，可大大提高设计效率。同时，目前国内的研究几乎没有考虑后视野参数随汽车布置参数的变化规律，而这对于方案改进和新车型设计具有重要意义。

本文总结了后视镜布置法规和视野分析知识，结合CATIA V5知识工程模块，依据我国标准要求，以Visual Basic（VB）6.0为工具开发了汽车外后视镜布置系统，并利用该系统初步研究了轿车后视镜倾角随布置参数的变化规律。

2　汽车外后视野相关标准

我国参照欧洲标准制订了强制标准GB 15084《机动车辆后视镜的性能和安装要求》，它是国产汽车定型、质量检验及进出口商检的必检项目。图1给出了总质量小于2 000 kg的M1、N1类汽车外后视野要求。

图1　M1和N1类汽车外后视野要求

3　影响后视野的后视镜设计因素

3.1后视镜曲率半径

曲率半径是后视镜的基本参数之一，直接关系到后视镜的视野大小、物像质量和距离判断的准确性。凸面镜可以扩大视野，视野随曲率半径减小而增大。研究表明，考虑正常人观察视角的镜面曲率半径r在900～1 500 mm范围内较合适［9］。GB 15084规定：对于II类后视镜，其反射面的曲率半径不得小于1 800 mm；对于I、III类后视镜，其反射面的曲率半径不得小于1 200 mm。

3.2后视镜镜片尺寸

后视镜镜片越大，视野越大，但不需要的景物会映入镜中，分散驾驶员的判断力。大的后视镜尺寸还会增加空气阻力和气动噪声。对镜面尺寸的基本要求是能清楚地反映法规所规定的后视野。GB 15084规定：必须能在外后视镜反射面上绘出一个高40 mm、底边长为a的矩形，以及绘出与该矩形的高平行的b线段。a、b的计算方法见表1。

表1　GB 15084对镜面尺寸的要求　mm

3.3后视镜布置

汽车后视镜布置应考虑以下2点：

a.保证驾驶员观察后视镜的视野。后视镜布置既要满足人机工程学推荐的布置原则，又要保证驾驶员对后视镜有效反射面的观察。例如，对于需要从前风窗玻璃观察的后视镜，观察其有效反射面的视线应该处于风窗玻璃刮扫区域范围内，目前许多长途客车的“兔耳”式后视镜就不能很好地满足驾驶员清晰观察的需要。

b.后视野满足法规要求。这需要对镜面尺寸、曲率半径、空间方位、观察距离、整车布置参数等因素进行综合匹配才能够保证。如前所述，很多车型的后视镜布置在满足法规要求的基础上仍存在很大的提升空间，可以进一步优化，以保证良好的安全性。

4　后视野的自动分析

4.1一般步骤

a.初选眼点

眼点是视野分析中视线的出发点，是保证分析结果适应度的关键。按照设计适应度［10］的要求，应选取驾驶员人群眼点分布的置信边界点。GB 15084定义了眼点位置，但缺乏统计意义。本文采用SAE J941中定义的驾驶员头部转动中心点（P点）计算眼点（E点）［11］。SAE J941标准定义了头部转动中心点P4和P3，分别用于计算左、右侧后视野，其相对于眼椭圆中心的位置参见表2，表中TL23为座椅水平调节行程［12］。E点有2个，分别代表左、右眼睛位置，二者相距65 mm；P点与眼点等高，位于左、右眼点连线中点后方98 mm处。

表2　P点相对于中央眼椭圆中心偏移量　mm

b.计算驾驶员头部转动角度

在人眼自然转动条件下，有时无法看到后视镜的完整镜面，必须考虑转动头部去观察，这时需要计算头部转动角ω：

式中，XP、YP为头部转动点的x、y坐标；XM、YM为距眼点最远的镜面点的x、y坐标为头部转动点到距眼点最远镜面点的距离。

c.确定驾驶员眼点在镜中的成像点

根据凸面镜光学成像原理（图2），从B点出发，平行于主光轴的光线经过凸面镜后通过焦点F，从B点出发，通过曲率中心O的光线经过凸面镜后方向不变。2条光线的交点即为B点的成像点B′。根据这个原理即可确定眼点在镜中的成像点。

图2　凸面镜成像原理

d.后视野区域的确定

分别以左、右眼点EL、ER的成像点IL、IR为顶点，作镜面边界的射线，得到左、右眼点借助后视镜看到的空间范围，并可求出左、右单眼视角φ1、φ2，双眼视角φ3，以及左、右单眼总视角φ4，参见图3。

图3　后视野角度的确定原理

e.计算镜面的最佳角度

校核后视野必须将镜面调整到使视野指向法规要求的位置［13］：从俯视图上看，使视野区域靠近汽车一侧的边界与纵向基准面基本平行；在侧视图上看，使视野区域最上边界与水平面平行。此时的视野区域为最佳区域。此外，对于带有外壳（支架）的后视镜，镜面最佳角度对设计壳体相关倾斜角度具有重要参照作用，可使不同身材驾驶员以最小的镜面调节量获得最佳视野，从而减小外壳厚度。

f.重新计算头部转动角度

由于镜面位置已经变动，驾驶员头部转动角度还需要重新计算。

重复步骤b～步骤f，直到获得最佳镜面位置。此时，如果地面上的后视野区域将法规区域完全包括在内，就表明视野合格；否则说明此后视镜的尺寸或布置不合理。

4.2汽车外后视镜布置系统

基于CATIA二次开发接口，运用VB开发了后视镜布置系统。在该系统中，输入不同的设计参数即可快速获得不同曲率半径、不同镜面尺寸的后视镜模型，同时实现后视镜的定位，并且自动调节镜面角度获得最佳视野，从而方便进行后视野的计算和校核。

a.关键参数的定义

用CATIA知识工程模块创建了后视镜设计参数（表3），以实现对后视镜模型的参数化驱动。在VB中创建人机交互窗口，在窗口中输入相应参数值即可快速生成符合条件的后视镜概念模型。

表3　后视镜参数

b.后视野的自动计算和分析

根据上述分析，在CATIA中作出后视野法规区域。根据凸面镜成像原理计算驾驶员眼点在镜面中的成像点，再以该点为起点，过镜面边界点作射线即确定驾驶员后视野。根据空间几何关系构造中央眼椭圆中心和镜面旋转中心，根据镜面曲率半径、镜面尺寸建立镜面边界点坐标和眼点成像点。利用VB循环语句进行迭代计算，得到镜面在最佳位置时的水平角度α、垂直角度β和头部转动角ω，系统流程如图4所示。

利用VB开发环境在进程外调用CATIA Automation API函数［14］，将系统算得的α、β、ω自动赋给前面定义的CATIA相关参数，以参数驱动后视镜模型，并实现后视野的自动更新。比较后视野与法规区域的包含关系，即可判断后视镜的设计和布置是否符合要求。

图4　后视野计算分析流程

c.系统验证

为验证系统计算效率和精度，选取了6种布置方案数据，根据它们计算得到各布置方案最佳镜面位置时的镜面角度和头部转动角，并与手动计算得到的最佳镜面位置时的相关参数进行对比，结果见表4。通过对比可以看出，系统自动计算的结果与手动计算结果相差不大（α相差小于3°，β相差小于1°，ω相差不超过1.4°）。

表4　系统计算精度分析结果　（°）

5　驾驶室布置参数对后视镜布置的影响

汽车后视镜倾角的设计与驾驶室（乃至整车）的布置有密切的关系，所确定的倾角必须得到保证。明确这种匹配关系对后视镜布置很有意义。本文以乘用车驾驶员侧后视野为例，选取驾驶室的25种布置方案，将布置参数输入系统后自动计算出镜面最佳角度和头部水平转动角，部分结果见表5。在此基础上，分析了后视野随布置参数的变化关系。表5中，H30为驾驶座椅高度，L6为转向盘中心到踏板基准点的前后方向距离，A40为座椅靠背角［12］。对25组数据进行统计分析，提取布置参数中的主成分作为预测因子，建立了后视镜最佳镜面角度的预测模型。为能够直观地反映驾驶室布置参数对因变量的影响，将初始自变量带回预测模型中，得到的预测模型见表6（模型显著性Sig.＜0.01）。表7为α的25组预测值和样本值的对比，它们之间的绝对误差不超过1°，相对误差在6％内，说明模型的预测效果很好。

表5　不同布置方案最佳视野时的后视镜参数

表6　预测模型系数

表7　镜面角度α预测模型误差分析　（°）

由预测模型可知，以α和β为0时为初始位置，如图5a，随着L6、H30和A40的增加，镜面水平角度α减小，镜面绕z轴转动，如图5b所示。而L6、H30和A40的增加会使镜面垂直角度β增加，镜面绕y轴转动，如图5c、图5d所示。根据实际经验：随着L6的增大（转向盘位置后移），驾驶员眼睛位置向后移动，为满足后视野的要求，

需要绕z轴向外旋转镜面；而随着H30的增加，眼睛位置上移，为满足后视野的要求，需要向上旋转镜面。分析发现，随着L6、H30和A40的增加，头部转动角ω的绝对值减小，这对于改善驾驶员头部舒适性有一定帮助。此外，研究表明，若观察视线偏离正前方30°以上，则对前方物体的观察就非常不理想，存在很大的安全隐患［15］。可以根据汽车布置的约束条件协调布置参数（如对车辆高度的限制较大，而对于车长的限制较小时，可适当减小H30），得到只需较小头部转动角即可满足视野要求的布置参数组合。

图5　镜面角度随布置参数的变化

6　结束语

本文总结了影响后视野的后视镜设计和布置因素，利用CATIA知识工程模块和二次开发技术开发了后视镜设计系统，实现设计分析的自动化、智能化。根据实车布置数据计算了后视镜角度和驾驶员头部转动角，并借助统计分析方法建立其预测模型，分析了它们随布置参数的变化规律，对后视镜布置设计具有指导意义。本文虽然以轿车为例进行研究，但采用的方法对其它车型均适用，因此具有普遍的应用价值。

本文在后视镜尺寸、安装位置不变的情况下探讨了内部布置参数对后视野的影响，未来可考虑更多的设计因素对后视野的影响。另外，本文在布置参数的选择上直接采用了与眼椭圆定位相关的参数，其它布置参数对后视野的影响还有待研究。

参考文献

1葛安林，任金东，黄金陵，等.汽车视野设计原理和方法研究.机械工程学报，2002（4）：148～151.

2任金东，范子杰，黄金陵.基于知识的汽车后视野分析系统.汽车工程，2006（2）：160～162.

3李景，张铁群，常瑞征.基于知识工程在汽车后视野校核中的应用.汽车实用技术，2011（9/10）：29～33.

4 Rönnäng M，Lämkull D，Dukic T，et al. Task-related Field of View Parameters. SAE Technical Paper No. 2004-01-2195，2004.

5 Boundy T M，Vitale N A，Figlioli D W.“Multi Vector”Field of View Design Tool. SAE Technical Paper No. 2004-01-0380，2004.

6Sundin A，Hasselblad H. Visibility driven design of new modularized Volvo car tophat structure. SAE Technical Pa⁃per No. 2008-36-0126，2008.

7 Flannagan M J. Current Status and Future Prospects for Non⁃planar Rearview Mirrors. SAE Technical Paper No. 2000-01-0324，2000.

8 Way M L，Reed M P. A Method for Measuring the Field of View in Vehicle Mirrors. SAE Technical Paper No. 2003-01-0297，2003.

9丁海，汽车后视镜设计，汽车技术，1991（7）：5～11.

10任金东.汽车人机工程学.北京：北京大学出版社，2010.

11Society of Automotive Engineers. Recommended Practice J941-Automotive Engineering Handbook. Warrendale PA：Society of Automotive Engineers，2002.

12Society of Automotive Engineers. Recommended Practice J1100-（R）Motor Vehicle Dimensions. Warrendale PA：Society of Automotive Engineers，2002.

13中国标准化研究院.GB 15084汽车后视镜的性能和安装要求.北京：中国标准出版社，2006.

14彭欢.基于V5 Automation的CATIA二次开发技术研究.电子机械工程，2012（2）：61～64.

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

（责任编辑斛畔）

修改稿收到日期为2015年12月15日。

主题词:知识工程后视镜布置校核回归分析

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

中图分类号:U463.82

文献标识码:A

文章编号:1000-3703（2016）04-0005-05