汽车人机工程视野校核设备与VR技术的结合

2018-10-24陈子龙温佳鑫黄培雨

机电信息 2018年30期

陈子龙温佳鑫王哲谯航黄培雨

（西华大学汽车与交通学院，四川成都610039）

0 引言

汽车人机工程学中的视野设计是一项非常重要的内容，是汽车主动安全的主要影响因素。现阶段汽车进行视野校核通常采用三种方法，第一种是软件建立好模型后计算，第二种是利用模型生成图纸，在图纸中测量或标注，但是这两种方式无法满足实际的观察要求，是否满足驾驶员的驾驶习惯也无法确定；第三种是制作实物模型后进行评价，但费用高昂。

1 与VR技术结合的汽车用人机工程视野校核设备介绍

系统简图如图1～图5所示，待测汽车内的驾驶员座椅上设置固定支架，固定支架上设置可多方向移动的多轴机械手11，11上端的端部安装水平设置的夹爪13；13可绕经过自身中心点的竖直轴线旋转，13的外端设置两个相互平行、水平放置的模拟光源12，为了有效保证13的旋转中心点模拟人体头部转动点，两个12中心点之间的距离为65 mm，两个12连线中点至13的旋转中心点的水平距离为99 mm。

图1 系统正视图

图2 系统俯视图

模拟光源12是与人眼尺寸一致的椭圆形球壳，中心点处设置发光体14，12的壳体面向汽车前方的部分是透光区15，15的范围是以模拟光源中心点为原点且经过12中心点，分别向前上方、前下方倾斜45°的第一斜面与12表面的交线构成上、下边界；以12中心点为原点且经过模拟光源中心点，分别向左前方、右前方倾斜60°的第二斜面与12的表面的交线构成左、右边界，上、下边界与左、右边界相连形成的四边形区域即为透光区15；第一斜面与汽车纵向中心所在的竖直面垂直，第二斜面与水平面垂直；12的上表面、下表面上分别设置车内第一激光扫描仪51、车内第二激光扫描仪52。

图3 眼椭圆模拟示意图

图4 操作人员使用系统示意图

图5 眼椭圆模型结构示意图

待测汽车周围设置光线接收装置30，30包括分别位于待测汽车前方、侧方、后方的前向光电接收板31、侧向光电接收板32、后向光电接收板33，30中相应位置设置多个车外第一激光扫描仪53；待测汽车的正上方设置可沿汽车纵向方向移动的车外第二激光扫描仪54；51、52、53、54共同构成激光扫描装置50；控制器5内设置三维建模软件以及将三维模型转为VR模型的中间软件，人工校核设备60包括一个可由控制器5控制其靠背倾角的测试座椅62，62的尺寸与待测汽车驾驶员座椅一致；62附近设置的摄像头63与VR眼镜61通信，使63可以拍摄61相对于62的位置。

2 汽车用人机工程视野校核设备使用方法

进行测试时的步骤包括汽车参数设置、视野校核、人工校核。

汽车参数设置步骤：控制器5在三维建模软件中以地面为水平面，以汽车左、右前轮中心连线所在的竖直面为横向面，以汽车纵向中心对称面为纵向面建立基准坐标系；将11固定在驾驶员座椅上，将驾驶员座椅调整到最后，然后调整11，使13位于特定位置；51、52扫描驾驶员座椅靠背的倾角，控制器5控制人工校核设备60，使测试座椅62的倾角与驾驶员座椅靠背的倾角一致。

然后顺次进行以下步骤：

（1）53、54配合扫描出汽车A柱、B柱、前挡风玻璃、车门玻璃、后挡风玻璃的外侧轮廓参数及位置参数，以及车外后视镜21的镜面尺寸参数及位置参数；控制器5分别提取13绕自身旋转中心点的位置、12中心点的位置，并标记在三维建模软件中，然后在三维软件中将第95百分的人体眼椭圆三维模型的中心点与模拟光源12中心点重合，再将人体眼椭圆三维模型的表面离散成多个移动点位，以13绕自身旋转的中心点为旋转点，将夹爪13绕旋转点、面向汽车前方相对于纵向面左、右分别旋转90°的角度范围离散成多个旋转角点，然后将多个移动点位的坐标参数以及多个旋转角点的角度参数发送给多轴机械手11并控制其运动，使12的中心点第一次经过全部移动点位；经过每个移动点位时，13绕旋转点向左、右方向各90°范围内分别转过全部旋转角点后12再移动至下一个移动点位；12移动过程中13始终保持水平状态；13位于每一个旋转角点时，12上设置的51、52实时扫描车内的A柱、B柱、前挡风玻璃、车门玻璃、后挡风玻璃的内侧轮廓参数及位置参数，以及车内后视镜22的镜面尺寸参数及位置参数。

（2）控制器5将步骤（1）中激光扫描装置50扫描的参数导入三维建模软件中，分别建立汽车A柱、B柱、前挡风玻璃、车门玻璃、后挡风玻璃的三维模型及各自的位置参数，以及车外后视镜21、车内后视镜22的三维模型及各自位置参数，形成视野校核用三维模型，然后将视野校核用三维模型转换成VR三维模型。

视野校核步骤包括顺次进行的以下步骤：

（3）模拟光源12的中心点第二次经过全部移动点位。

（4）步骤（3）中，12在每个移动点位时，13绕旋转点转过全部旋转角点后，12再移动至下一个移动点位。

（5）步骤（4）中，光线接收装置30接收12位于每个旋转角点时发出的光线，并将此时30受到照射的区域边界参数发送给控制器5。

（6）步骤（5）中，控制器5根据视野校核用三维模型、12所在移动点位的位置、13的旋转角点的角度参数进行判断，如果12照射到车外后视镜21或车内后视镜22，则进入步骤（7），否则进入步骤（8）。

（7）当12照射到车外后视镜21时，控制器5计算12在相应的某个移动点位的多个旋转角点中，所有可以照射到后向光电接收板33的区域边界之和，并将该区域边界之和标记为车外后镜视区，然后将12运动到不同移动点位形成的多个车外后镜视区中面积最小的一个标记为第一间接视区；当12照射到车内后视镜22时，控制器5计算12在相应的某个移动点位的多个旋转角点中，所有可以照射到后向光电接收板33的区域边界之和，并将该区域边界之和标记为车内后镜视区，然后将12运动到不同移动点位形成的多个车内后镜视区中面积最小的一个标记为第二间接视区；然后进入步骤（9）。

（8）控制器5计算12在相应的某个移动点位的多个旋转角点中，所有可以照射到前向光电接收板31的区域之和或可以照射到侧向光电接收板32的区域之和，分别标记为前向视区或侧向视区，并将多个移动点位的前向视区中面积最小的标记为第一直接视区，将多个移动点位的侧向视区中面积最小的标记为第二直接视区，第一直接视区与第二直接视区之和标记为直接视区；将12照射到A柱时前向光电接收板31始终未接收到光线的区域记为A柱双目盲区；将模拟光源12照射到B柱时侧向光电接收板32始终未接收到光线的区域记为B柱双目盲区；然后进入步骤（9）。

（9）控制器5将人体眼椭圆三维模型及位置参数导入VR软件中形成标准眼椭圆范围并进入步骤（10）。

人工校核步骤包括顺次进行的以下步骤：

（10）测试人员佩戴VR眼镜61后坐在测试座椅62上，眼睛水平目视前方，摄像头63读取此时VR眼镜61位置，控制器5根据VR眼镜61的位置计算出测试人员的人眼位置，当测试人员的人眼位置位于标准眼椭圆范围内时，则进入步骤（11），否则提示重新调整坐姿，并重复步骤（10）。

（11）测试人员在VR空间中眼睛前后左右移动同时水平旋转头部，利用VR三维模型观察VR三维模型外侧特定位置的标定物，如果可以看到标定物，则进入步骤（12）；如果无法看到标定物，则进入步骤（13）。

（12）测试结束。

（13）控制器5将此时测试人员的人眼位置添加到多个移动点位中，然后重新进行步骤（3）～（11）。