基于人机工程学的汽车组合仪表的设计方法

赵国栋 刘伟东 刘国亮

（一汽轿车股份有限公司,长春 130011）

主题词：人机工程学 组合仪表 设计 HMI

1 前言

汽车人机系统是一个相互作用相互依赖的、由“驾驶员”和“汽车”结合而成，具有特定的乘客或载物功能的运动体，它是一个典型的三要素模型。汽车通过显示装置显示必要的信息，驾驶员通过读取信息，并做出相应的反应，控制相关车载设备，或使汽车按人的意志进行动作，这种驾驶员与汽车交互的界面称之为人机界面（HMI，如图1所示）。

图1 汽车人机界面（HMI）

在汽车的人机界面中，驾驶员通过“显示装置”获得汽车运行的相关信息，并且经过驾驶人员大脑的信息加工，快速进行决策，最终驾驶员通过人机界面的操作装置向汽车发出指令，从而改变汽车的运动形态，实现从驾驶员到汽车的信息传递[1]。而汽车组合仪表无疑是“显示装置”中最重要的组成部分，驾驶员会在行驶过程中通过组合仪表获取车速、转速、剩余油量、水温等重要信息。为保证汽车仪表能满足大多数人的驾驶习惯，组合仪表应在前期设计就开始介入，尤其在造型阶段做好可行性分析。组合仪表的设计一般遵循以下几方面的原则：

❶最少显示界面布局原则，以减少驾驶员信息传递和分析时间，同时避免产生仪表间的视觉混乱；

❷最精确的显示原则，以减少误读，提高驾驶员的反应能力和降低视觉疲劳[2]；

❸最自然的显示格式，以便驾驶员用自然、习惯性的理解和辨识方法去分析和处理信息，减少误读率；

❹最有效的布置技术，以便驾驶员有一个好的识读环境和识读位置；

❺优化显示特性，创造出看得见、显而易见、看的清楚和好理解的特征。

组合仪表的一般设计流程如图2。

图2 组合仪表设计流程

2 组合仪表的设计

2.1 组合仪表表盘的定位

组合仪表表盘的定位主要从两方面着手：一是组合仪表表盘中心位置的确定；二是组合仪表表盘角度的确定。

◆组合仪表表盘中心位置与眼椭圆之间的距离一般取750±50 mm，最大不能超过850 mm最小不能小于450 mm(如图3所示)；

◆由于驾驶员大多通过方向盘上半轮缘去观察仪表，故为保证仪表盘水平方向上的视野良好，一般要求仪表盘中心与方向盘中心重合[3]；

◆组合仪表表盘中心X/Z值的确定：人在观察某一事物时，其头部自然转动角度范围上下各为30°，左右各为45°，在此范围内人眼睛自然转动范围为上下各 15°，左右各15°[4]；基于上述角度范围，仪表盘中心与眼椭圆中心连线与水平面的夹角应控制在15～45°范围之内。通过目视距离和组合仪表平面角度的限制，可以得到组合仪表中心的X/Z值（如图3所示）；

◆为减小误差，视线应尽量与观察表面垂直，故仪表盘平面与仪表盘中心与眼椭球中心连线的夹角一般控制在90°左右，允许有上下10°的偏差[3]（如图3所示）；

图3 组合仪表表盘的定位

2.2 组合仪表可视区域的定义

驾驶员在行车过程中要通过观察组合仪表获得发动机转速、车速等重要信息，但是在观察组合仪表时，驾驶员的视线会被方向盘的轮缘、轮辐和轮毂等障碍物所遮挡，方向盘轮缘、轮辐和轮毂会在组合仪表显示面上形成相应的盲区[5]，影响驾驶员对仪表信息的读取，降低人机之间信息的传递效率，影响驾驶安全。因此仪表所显示的重要信息应布置在驾驶员双眼盲区之外。

◆方向盘轮缘造成的双眼盲区

❶首先确定组合仪表的工作平面，将方向盘3D模型调整到设计位置；

❷参照SAE J941标准[6]构建95百分位眼椭圆，并求出左右眼椭圆中心点，同时做出中间眼椭圆；

❸建立特征盲区

●由左侧眼点向方向盘轮缘内外圈做切线，求出切线和组合仪表工作面的交点，求出左侧眼点的单眼盲区（图4所示）；

图4 左侧单眼盲区位置

●由右侧眼点向方向盘轮缘内外圈做切线，求出切线和组合仪表工作面的交点，求出右侧眼点的单眼盲区（图5所示）；

图5 右侧单眼盲区位置

●左右眼点单眼盲区的交集为双眼盲区（图6所示）；

图6 双眼盲区位置

❹定义C点和做出封闭曲线

●C点：求出方向盘轮缘上半部分在过方向盘中心的Y平面内的中心点，过此点与左右眼点连线的中点作直线，此直线与双目盲区的特征区域的交点即为C点；

●封闭曲线：以方向盘轮缘上半部分Y平面内的中心点作中间眼椭圆上、下、左、右的切线，求出这四条切线与仪表工作平面的交点，即可做出一条封闭曲线，一般来说，这条封闭曲线是一个椭圆。

❺轮缘双眼总盲区的建立

将特征盲区从C点依次移到工作平面封闭曲线上各点，做这些特征盲区的包络面，即为由方向盘轮缘引起的双眼盲区（如图7所示）；

图7 双眼总盲区

◆方向盘轮辐造成的双眼盲区

❶轮毂眼点：左右眼点是由通过方向盘轮毂中心与左右眼椭圆底部相切的切点（如图8所示）；

图8 轮毂眼点

❷单眼盲区：过左、右眼点做轮毂上沿的切面，与仪表板工作平面分别相交两条线，这两条线以下的区域为方向盘轮毂的左、右单眼盲区；

❸双眼盲区：左、右眼单眼盲区的相交部分即为轮毂双眼盲区（如图9所示）；

图9 轮毂双眼盲区

由方向盘轮缘和方向盘轮辐形成的双眼盲区之和即为驾驶员的双眼盲区，一般要求组合仪表显示的重要内容要布置在双眼盲区之外，以保证驾驶员在读取信息时不受干扰。

2.3 组合仪表显示装置的设计

为使驾驶员能准确地获得仪表的显示信息，必须使仪表的尺寸、指示器、字符、符号和颜色的设计要符合人的生理和心里特征，仪表显示装置的设计应从以下几个方面展开[7]：

◆组合仪表表盘形状的选择

仪表的刻度盘形状众多，一般有圆形、半圆形、扇形、水平式和垂直式等，受车身结构的限制，水平式和垂直式的仪表很少采用，而圆形和半圆形的刻度采用居多数。并且人眼在感知圆形或者半圆形刻度盘时，眼睛转动的路线比感知直线刻度时更短，辨认速度更快；

◆刻度盘的直径尺寸

刻度盘的大小与要显示信息的精密度和驾驶员的视距有关。尺寸越大，所显示的信息也越多，清晰度对应可提高，但同时视线的扫描路线变长，认读速度降低，并且容易分散观察者的精力，安装面积也随之增大，布局不紧凑。因此刻度盘的尺寸应取使驾驶员认读效果的最佳值，表1给出了视距为500 mm和900 mm时[7]，刻度盘尺寸与刻度数的关系：

表1 刻度盘尺寸与刻度数的关系[7]

◆文字和符号

仪表的信息必须配以文字和符号说明，才能够完整、准确地表达所显示的信息含义。对于文字和符号，基本要求形状简单易读、大小便于辨认、颜色清晰醒目。比如在显示装置上，利用符号和标志代替文字和数字有助于提高辨认速度和准确度，但应该注意这些符号和标志不应过于复杂[7]；

◆指示器

仪表上的指示器用来表示和指示所显示的关键信息和状态，比如仪表的指针。指示器的设计要求能够准确指示所要表达的物理量，不出现掩盖物理量、指示模棱两可、指示器与背景对比过小的情况[7]；

◆颜色

仪表颜色的匹配一方面要考虑人机系统整体的色彩基调，以确定仪表的背景色调，还要使所显示的信息清晰、醒目。保证信息醒目的途径主要是使前景和背景有鲜明的颜色对比。比如要匹配仪表上的数字和背景颜色，最清晰的配色方案是黑底黄字，最模糊的配色方案是黑底蓝字。在实际使用中，由于黑白两种颜色比较容易掌握，常采用黑底白字或白底黑字的配色方案[7]。

2.4 组合仪表的防炫目设计

透过前风窗玻璃、天窗和侧窗的外界光线可能会经过组合仪表玻璃罩的反射进入驾驶员的眼睛，对驾驶员造成炫目，令驾驶员感觉不适，甚至会导致交通事故，影响汽车的行驶安全性。所以在组合仪表玻璃罩的设计过程中，应充分考虑这一点，通过合理设计组合仪表玻璃罩和仪表帽檐高度来尽量减小炫目现象的发生。

在日常行驶中，对驾驶员造成炫目的主要因素包括以下几方面：

❶透过前风窗玻璃的外界光线，经组合仪表玻璃罩的反射有可能进入驾驶员眼睛，对驾驶员造成炫目；

❷透过天窗玻璃的外界光线（天窗开启状态），经组合仪表玻璃罩的反射可能进入驾驶员眼睛，使驾驶员感觉炫目，形成安全风险；

❸透过侧窗玻璃的外界光线，经组合仪表玻璃罩的反射有可能进入驾驶员眼睛对驾驶员造成炫目；

❹夜间行车时，组合仪表发出的光线经前风挡玻璃的反射有可能进入驾驶员眼睛，对驾驶员造成炫目；

组合仪表玻璃罩和仪表帽檐确定的过程中，应充分考虑上面4项因素，下面将详细阐述组合仪表罩和仪表板帽檐高度的确定。

3.2.4 杜绝较难测量出入量项目漏记现象的发生 避免对汗液、痰液、伤口引流液等较难测量项目的漏记，如果大便、痰液收集器未测量即倒去，应该在护理监护单上实时标明并估算相应的出量，对出汗和渗出液的计量可分别采用称量衣服和敷料纱布重量增多的方法，呼吸道的蒸发等项目可依据患者的实际情况进行相应折算或测算，例如正常成人每天呼吸道失水约350 ml，如有气管插管、切开或上呼吸道感染患者则失水量应增多。

◆组合仪表玻璃罩的确定

❶组合仪表玻璃罩形式的选择

组合仪表玻璃罩固定在仪表表盘之上，用来保护表盘不受损坏。通常仪表罩不选用平面玻璃，以避免驾驶员在读取仪表信息时，在玻璃表面上看到自己的影像，产生日常生活中所谓的“照镜子”现象。选用适当曲率的仪表罩可使入射光形成漫反射，避免面罩反光。组合仪表玻璃罩一般分为上宽下窄（见图10）和上窄下宽（见图11）两种形式，优缺点详见表2；

图10 组合仪表玻璃罩(上宽下窄)

图11 组合仪表玻璃罩(上窄下宽)

表2 组合仪表优缺点

❷组合仪表罩曲面玻璃的选择

为使面罩工艺简单、造型美观，仪表罩曲面玻璃一般采用定曲率单曲面反内凹设计，曲率不易过小，以保证较好的防炫目效果。表3列出了几款车仪表罩的曲率。在实际设计过程中，可参照对标车型并结合造型确定仪表罩的曲率。

表3 组合仪表罩曲率

◆组合仪表帽檐高度的确定

仪表帽檐的作用主要是防止从前风窗、侧窗和天窗入射的光线经仪表罩的反射对驾驶员造成炫目，仪表帽檐的设计一般应满足以下几方面的原则：

●仪表帽檐的高度不能影响驾驶员的下视野；

●能够遮挡来自前风窗、侧窗和天窗的外界光线，避免对驾驶员造成炫目；

●造型美观，符合大众的审美要求；

●保证仪表板良好的工艺性；

仪表帽檐的高度确定主要考虑以下几方面的因素：

❶考虑从前风窗、天窗和侧窗的外界光线来确定仪表帽檐的高度

仪表帽檐的高度要能够保证透过前风窗的光线经仪表罩反射后，反射光线不能进入驾驶员的眼睛。如图12所示，对于上窄下宽式仪表，取仪表对称面内仪表罩上的一点d,过d做眼椭圆上部的切线de，做de经组合仪表罩的反射线df，调整d点的位置，使hg值最大，则df为仪表帽檐高度的最小控制线。超过该线的任意高度都能够遮蔽来自前风窗的外界光线，避免此类光线对驾驶员造成炫目；

图12 仪表帽檐高度的确定

对于上宽下窄式仪表，如图13所示，从眼椭圆发出的光线经组合仪表罩的反射后均向下，对仪表帽檐的高度没有具体要求；

图13 仪表帽檐的高度的确定

同理，根据侧窗入射光线可以确定仪表帽檐两侧的高度，如图14所示。

图14 仪表帽檐两侧的高度

❷考虑从夜间仪表发光来确定仪表帽檐的高度将夜间发光的仪表作为光源，如图15所示，若从仪表最下边缘发出的光线经前风窗反射后不进入驾驶员眼睛，则仪表其他部位发生的光线经前风窗反射后也不会进入驾驶员眼睛

根据这一理论，运用光学成像原理，从仪表对称中心面最下缘点a做前风窗的反射点b，做直线ab经前风挡玻璃的反射线bc，调整b点在前风窗玻璃的位置，使bc与眼椭圆上部相切。则ab为此状态下确定仪表帽檐的最小高度，超过该线的任意高度都能保证仪表的发光不会对驾驶员造成炫目。

图15 从夜间仪表发光来确定仪表帽檐的高度

夜间仪表发出的灯光会入射到侧窗玻璃内表面上，经侧窗玻璃内表面反射后进入到驾驶员眼睛里，这可能会引起眩目，增加了安全驾驶风险。按照上述原理可以确定仪表罩帽檐的两侧高度，如图16所示：

图16 仪表罩帽檐的两侧高度确定原则

综合考虑上述几方面因素，在确定组合仪表帽檐的高度后需校对方向盘与帽檐之间的距离，确认方向盘与帽檐之间的最小距离是否满足60 mm的间隙要求。

3 模型验证及主观评价

当组合仪表布置完成后，应制作模型进行验证，并组织不同百分位的人群进行主观评价，确认仪表的布置能否满足绝大多数驾驶员的舒适度要求。

◆评价人员选择

❶评价人员应至少具备两年及两年以上驾龄，且对汽车结构有一定的了解，保证能够对评价项目给出合理性的建议；

❷评价人员应尽量与开发车型的目标用户一致，身高范围应尽量包含低、中和高等各种身材，且同一身材人员数量不少于三名；

◆评价标准

所有评价人员评分标准一致，评分标准采用“五分制”，评价前应对评价人员进行培训，以确保在相同条件下，对同一项目不同人员给出的评价分数应尽量一致，评分标准见表4。

表4 评分标准

4 结论与展望

本文基于人机工程学详细阐述了组合仪表的设计，针对仪表的布置尤其是仪表初期的布置进行了较为详细的描述，能够为总布置人员在前期布置组合仪表时提供较好的参考。

对于本文的研究内容，尚有许多问题仍待完善，比如仪表字体大小的规定及仪表背景颜色的搭配，涉及很多造型的东西需要后续完善和补充。