显示面板对驾驶员视觉舒适性的布置设计

2017-09-03熊燕何瑞光

安徽理工大学学报·自然科学版 2017年5期

熊燕何瑞光

摘要：在汽车设计过程中仪表台上各类显示面板的布置位置和结构设计必须满足驾驶员视觉舒适性，即既能保证驾驶员舒适地观看显示面板、同时又不影响驾驶员观看其他部件的舒适性。通过以常见的仪表和MP5为例，从人机工程学角度研究了影响驾驶员视觉舒适性的各种因素和校核方法，综合考虑了驾驶员正常驾驶时可能遇到的各种环境状态，详细阐述了利用计算机智能软件对驾驶员视觉舒适性进行校核的方法和步骤，从而能有效指导汽车设计人员对显示面板的布置位置和结构进行合理设计。

关键词：显示面板；视觉舒适；人机工程；校核方法

中图分类号： TP393.4 文獻标志码：A

文章编号：1672-1098（2017）05-0077-05

Abstract：In the automobile design， the layout and structure design of all kinds of display panels on the instrument panel must satisfy the drivers visual comfort. It not only should ensure the driver to watch the display panel comfortably， but also could not affect the drivers comfort to watch other parts. Taking the common instrument and MP5 for example， the factors and check methods that affect the drivers visual comfort were studied from the perspective of ergonomics. In this paper， we consider the various environmental conditions that the driver may encounter in normal driving， and elaborate the methods and steps of using the intelligent software to check the drivers visual comfort， so as to effectively guide the designer to design the layout and structure of the display panel.

Key words：display panels； visual comfort； ergonomics； check methods

在汽车发展较成熟的国家如美国、德国、日本等，人机工程学在汽车上的应用已非常成熟，目前随着自主品牌汽车工业的发展和用户对汽车驾驶要求的提高，国内各汽车主机厂也逐渐开始重视人机工程学的设计，但由于国内汽车这方面设计起步较晚，没有积累较好的设计经验，因此国内汽车在驾驶舒适性上还存在不少缺陷。本文从驾驶员视觉舒适性的角度进行研究，主要以仪表台上的显示面板的合理布置为研究对象，分析阐述如何布置仪表台上的显示面板，让驾驶员舒适地观看这些面板所显示的信息同时也不影响观看路面信息和其他部件信息的视野。按照本文所述方法对仪表台上显示面板进行布置不仅能提高驾驶员驾驶时的舒适性也能提高安全性。

1 仪表的布置

仪表上显示信息的部件主要有各种表盘、指示灯，有的仪表上还有一个小的显示屏，在仪表的信息显示部件上方有一个透明罩将这些部件罩住，如图1所示。

1.1 驾驶员观看仪表的舒适性

驾驶员舒适地观看仪表主要包括驾驶员眼睛到仪表上显示信息的距离适当、驾驶员观看仪表的视野角度舒适、驾驶员观看仪表上显示信息的视线不能被遮挡，目前汽车上的仪表一般是布置在驾驶员正前方、方向盘下方[1]。

驾驶员观看仪表的目视距离可参考美国Henry Dreyfas标准确定，即最大目视距离为711mm，推荐最佳值为550mm[2]。

驾驶员观看仪表的视角即通过仪表平面的中心点和眼椭圆的连线与仪表平面法线的夹角尽可能接近0°，最好在8°以内。

根据SAE J1050中对人体眼部和头部转动范围的研究，人体眼睛左右转动的舒适角度为15°、最大转动角度为30°，头部左右转动的舒适角度为45°，最大转动角度为60°；眼睛上下转动的舒适角度为15°、向上转动的最大角度为45°、向下转动的最大角度为65°，头部上下转动的舒适角度为30°、最大转动角度为50°。

驾驶员观看仪表上显示的任何信息应在其眼睛和头部转动的舒适范围内[3]，利用眼椭圆对驾驶员观看仪表舒适校核，特定群体的驾驶员观看仪表最左边的信息的最大水平转角为从仪表上最左边显示的信息点到眼椭圆最右边的切点所连成的直线与整车纵向垂直平面的夹角；观看仪表最右边的信息的最大水平转角为从仪表上最右边显示的信息点到眼椭圆最左边的切点所连成的直线与整车水平面的夹角。在垂直方向上，由于仪表在目前的汽车上均是处于驾驶员眼椭圆下方，特定群体的驾驶员观看仪表上的信息垂直最大角度为从仪表上最下端显示的信息点到眼椭圆最上边的切点所连成的直线[4]。如图2所示是对某车型特定群体驾驶员（95%眼椭圆）观看仪表的视角校核。

从以上校核结果来看，某车型仪表的布置位置能满足特定群体驾驶员（95%眼椭圆）观看仪表视野角度舒适性的要求。

对于布置在方向盘下方的仪表，可能会遮挡驾驶员观看仪表的部件就是方向盘，因此在仪表和方向盘位置布置好后要对方向盘是否遮挡仪表上的显示信息进行校核。运用SAE J1050所述方法可作出驾驶员透过方向盘观看仪表的视野，或直接采用UG中相应工具模块作出该视野。图3是某车型特定群体驾驶员（95%眼椭圆）观看仪表视野盲区的校核，从校核结果来看，仪表上所显示的信息均在盲区之外，即不会被方向盘遮挡。

仪表上的透明罩表面很光滑，相当于一面镜子会反射从车外入射的光线，驾驶员在车外光线较强的情况下开车，若车外的光线照射在仪表透明罩上、并通过透明罩反射到驾驶员眼睛里，驾驶员则无法观看到仪表上的全部或部分信息[5]，通常把这种情况称为“炫目”。因此在进行仪表布置和设计时要避免透明罩上的反射光线对驾驶员造成的炫目，通常是通过合理布置透明罩和设计合理的仪表罩来解决这种反光炫目[6]。

在车型设计过程对仪表透明罩是否会反射外部光线对驾驶员造成“炫目”的校核有两种方法：

方法一是逆向思维，即将眼椭圆看做一个发光体，作出从眼椭圆上发出的光线经仪表罩反射后的反射光线，若这些反射光线不能通过前挡风玻璃和车窗玻璃进入到车辆外部，则可判断外部入射光线不会通过仪表透明罩反射对驾驶员造成炫目，反之则会对驾驶员造成炫目。下面对该校核方法进行详细说明。

1）选取透明罩反光平面及其边线，在透明罩边线上取一系列点（如：可均匀提取20个点），通过这些点做出透明罩平面的法线。

2）通过步骤1）中透明罩边线上的一系列点做出到达眼椭圆的切线，要保证该切线是眼椭圆上所有点到边线上点连线中与对应的法线夹角是最大的。如图4示例中，由眼椭圆和透明罩的相对位置可判断出通过透明罩边线上左边的点到右眼椭圆最右边的切线是与对应切线夹角最大的线、边线右边的点到左眼椭圆最左边的切线是对应切线夹角最大的线，而边线上、下的点均是到眼椭圆最下边的切线是对应的切线夹角最大的线。

3）做出步骤2）中切线在透明罩上的反射光线，并判断所有反射光线是否有透过挡风玻璃和侧窗玻璃的趋势，如图5所示。

判断反射光线，发现所有反射光线都不会透过前风窗玻璃和侧风窗玻璃。此情况说明不会有光线通过前风窗玻璃右侧风窗玻璃入射到透明罩上从而反射到驾驶员眼睛里。

以上校核中是直接取透明罩的边线进行校核，未考虑仪表罩对光线的遮挡，校核条件更恶劣，若在校核中发现有反射光线透过前风窗或侧风窗，需进一步考虑仪表罩对光线的遮挡，即应校核反射光线与仪表罩相切的情况，再判断结果。

方法一校核示例中只考虑了常规情况即光线透过前风窗和左右前车门内玻璃的入射光通过透明罩的反光情况，对于其他情况，如车辆的天窗、后风窗、后车门玻璃等，也可用方法一判断驾驶员炫目情况，同时也要进一步考虑光线是否被其他部件或驾驶员本身遮挡的问题。

方法二是正向思维，即取能透过前风窗玻璃和侧风窗玻璃入射到透明罩上的光线，检查这些光线在透明罩上的反射光线是否通过驾驶员眼椭圆，下面将对该校核方法进行详细阐述。

前风窗入射光线校核：

1）取透明罩的纵向中心面，做出该面与前风窗、仪表罩、透明罩的交线。

2）在透明罩纵向中心面内做出前风窗能透光的最上点到仪表罩上边缘的切线，若该切线不能与透明罩相交，则可判断不会有光线透过前风窗入射到透明罩上，因此更不可能通过透明罩反射到驾驶员眼睛里；若该切线能与透明罩相交，则可判断有光线能透过前风窗入射到仪表罩上，进入步骤3）将判断这些入射光线通过透明罩反射的反射光线是否能进入到驾驶员眼椭圆里。

3）在步骤2）所述的透明罩纵向中心面内做出3条极限入射光线及对应的反射光线：① 步骤2）所述的入射光线的反射光线；② 从前风窗最能透光的最上点到透明罩上的入射光线、保证该入射光线在透明罩上的反射光线与仪表罩下边缘相切；③ 从前风窗能透光部分找一点做出与仪表罩上边缘相切的入射光线、保证该入射光线在透明罩上的反射光线与仪表罩下边缘相切。

检查驾驶员眼椭圆是否包含在步骤3）所画的3条极限反射光线区域内。如图6所示，本校核示例车型驾驶员眼椭圆不包含在极限光线区域内，因此可判断从前风窗透过的光线通过透明罩的反射不会对驾驶员造成炫目。

本校核示例中的透明罩及仪表罩形状较规则（类似长方形），因此只校核透明罩纵向中心面的入射光线和反射光线即可，对于仪表罩或透明罩形状极不规则的情况，还需截取多个特征面进行校核，校核方法同上。

由于从侧风窗入射到透明罩上的光线角度情况较复杂，很难准确判断反射光线趋势，若用此方法校核一方面是校核内容复杂，另一方面是准确性不高，因此对于侧风窗的入射光线在透明罩上引起的炫目建议用方法一进行校核即可。

1.2 仪表成像对驾驶员视野的影响

仪表成像主要是因为仪表盘上有发光的元件，尤其在晚上这些发光元件容易在前风窗和侧风窗玻璃上成像，从而影响驾驶员观看前方视野和从侧风窗观看后视镜的视野，一般情况下，不允许仪表盘上发光元件在前风窗玻璃上成像、在侧风窗玻璃上的成像，若無法避免则在侧风窗玻璃上的成像区域不能与驾驶员通过侧风窗玻璃观看后视镜的区域有重叠。同样为避免仪表盘发光元件在前风窗和侧风窗玻璃上的成像影响驾驶员视野也是通过仪表位置的合理布置和仪表罩的设计来解决的[7]。下面详细阐述仪表盘上发光元件在前风窗和侧风窗玻璃上成像对驾驶员视野影响的校核方法。

仪表盘发光元件在前风窗玻璃上的成像校核方法：

1）取仪表盘的纵向中心面，做出该面与仪表盘、仪表罩、前风窗的交线。

2）在仪表盘纵向中心面内做出仪表盘上最下端能发光的点到仪表罩上端的切线，检查该切线与前风窗玻璃透明区域是否有交点。若无交点则说明从仪表盘上最下端的发光元件发出的光线不会入射到前风窗玻璃的透明区域上，因此不会在前风窗上成像；若有交点则说明仪表盘上最下端的发光元件发出的光线能入射到前风窗的透明区域内，则需要对仪表位置进行重新布置或对仪表罩进行改进设计。

注意此校核方法与透明罩反光的校核的区别，通常仪表盘和透明罩不在同一个平面内，并且二者存在一定角度，不能将两种校核方法混淆。

仪表盘发光元件在侧风窗玻璃上的成像校核方法：

1）取仪表盘上最左端和最右端的发光点，将这两点连成一条直线，做出通过该直线和垂直于仪表盘平面的面，做出该面与仪表盘、仪表罩、侧风窗的交线。

2）在步骤1）所在的平面内做出仪表盘上最右端发光点与仪表罩左端的切线A，在该平面内做出左风窗玻璃最后面的点与仪表罩左端的切线B，如图7所示，从图中可看出线A与侧风窗玻璃能相交，线B与仪表盘的交点几乎接近仪表盘上最左端的发光点，因此可以认为仪表盘上所有发光点均可在左侧风窗玻璃上成像。

同样在步骤1）所在的平面内出仪表盘上最左端发光点与仪表罩右端的切线C，在该平面内做出右风窗玻璃最后面的点与仪表罩右端的切线D，如图8所示，从图中可看出线C与侧风窗玻璃能相交，交点为a，因此可以认为仪表盘上从最左端的发光点到点a所在纵向面的发光点可在右侧风窗玻璃上成像，而其他部位的发光点不能再右侧风窗玻璃上成像。

3）由于侧风窗玻璃有一定的曲率，但曲率较大，可近似为平面，可取侧风窗玻璃中心点处的切面，仪表盘上发光元件在侧风窗上的成像可直接认为是在该切面上成像。分别做出步骤2）中所判断的仪表盘上能在侧风窗玻璃上成像的发光区域在左、右侧风窗的所成的像。

4）按照GB15084中关于驾驶员眼点的做法分别做出驾驶员左眼和右眼的中心点，连接这两点，取该线段的中点，这个中点即为驾驶员中间眼点；在步骤3）所成的像的边线上取一系列点，连接这些点和驾驶员中间眼点，这些连线将与车窗玻璃有交点，在左右车窗上将这些交点按顺序连成一个封闭的区域，这个区域就是驾驶员通过侧风窗能看到仪表上发光元件在侧风窗上所成像的区域。

5）检查驾驶员从侧风窗观看仪表在侧风窗上所成像的区域与驾驶员从侧风窗观看后视镜的区域是否有重叠。若无重叠则仪表和后视镜的布置位置满足要求，若有重叠，则仪表（或后视镜）的布置位置需调整。