汽车视野设计中视切眼椭圆与包含眼椭圆的差异分析

汪新伟 葛胜升

摘要：驾驶员眼椭圆描述了驾驶员眼点位置的统计规律，用于汽车设计中评估和确定车辆视野。根据美国汽车工程师协会发布的SAE J941法规，分析了视切眼椭圆和包含椭圆在定义、尺寸及位置和应用方面的差异，对汽车设计中的视野设计起到一定的指导意义。

关键词：视切眼椭圆;包含眼椭圆;SAE J941;汽车视野设计

中图分类号：TB472文献标识码：A

文章编码：1672—7053（2019）05—0159—02

Abstract ： The driver's eyellipses describes the statistical law of the driver's eye positions， which is used to evaluate and determine the vehicle's vision in the vehicle design. According to the SAE J941 code issued by the American Society ofAutomotive Engineers， the difference between the tangent cutoff eyellipses and the inclusive ellipses in the definition， size ， location and application is analyzed in this paper， which will play a guiding role in the field of vision design in vehicle design.

Key Words ： Tangent cutoff ellipses; Inclusive eyellipses; SAE J941; Vehicle vision design

1 眼橢圆在汽车设计中的作用

在汽车前期的造型设计和工程设计中，车辆人机工程学设计始终是一个重要的设计环节，驾驶员只有在最舒适、最自然的状态下驾驶车辆，才有可能最大限度的保证驾驶安全，降低事故风险。各大汽车公司如本田提出的“MM”设计理念（Man Maximum;Mechanism Minimum），马自达的“人马合一”理念，均是对人机工程重要性的完满诠释。视野设计作为车辆人机工程学的一部分，直接关系到汽车行驶的安全性，是汽车主动安全重点要考虑的内容和验证项目之一，同时也是国家汽车安全法规的重要内容。视野设计包括上下视野、前后视野、内外后视镜视野、障碍角、内饰可见性、亮条反光炫目、灯光成像、内饰遮挡等方面，均与人体的眼睛位置有直接关系，因此有必要在设计初期数据阶段引入人体假人及眼部位置模型来进行模拟驾驶员驾驶状态。

现实生活中的驾驶员千差万别，高矮胖瘦各有不同，驾驶员座位调节和人的眼睛位置也不同，其主要影响因素是驾驶员的身高，因为不同身高人体，在驾驶侧的乘坐位置不同，乘坐状态下的眼睛位置也不同。在汽车的视野设计中保证大多数驾驶员的要求是设计的基本原则川。为准确描述驾驶员眼睛位置，美国汽车工程师协会（SAE）采用抽样调查统计的方式，对驾驶员眼点位置进行大量实验统计分析，将研究结果整理成SAE J941——驾驶员眼点位置眼椭圆标准并于1997年发布。后随着车辆样本和驾驶员群体的不断变化，SAE于2002年对J941标准进行了进一步修订。我国的汽车主机厂及设计公司目前均以SAE J941 2002版作为设计依据。但是在使用的过程中，标准涉及不同百分位及不同类型的眼椭圆，往往在使用过程中给设计者造成困惑，产生设计偏差。本文根据SAE J941 2002版标准，详细解释了两种不同类型眼椭圆的含义、尺寸和定位及应用范围的差异，为视野设计中眼椭圆的选取提供了理论依据。

2 视切眼椭圆与包含眼椭圆的含义差异

1963年，美国汽车工程师协会SAE选用本土三大汽车公司各一款主流车型，对抽取的2000多人进行了驾驶姿态的眼点位置测试。被测试者来自世界各地，涵盖不同性别、身高和体重，要求其按照自己的位置调整好座椅及方向盘，然后对测试的眼点位置进行统计分析，形成最佳的并与实际相符的曲线。统计的结果显示：眼睛分布范围在俯视图和侧视图的投影均可近似为椭圆，故称为眼椭圆。其英文名称为ellipse，是由眼睛eye和椭圆ellipse组合而成的。考虑到实际应用，SAE给出了95%和99%的两个百分位眼椭圆的尺寸，即满足95%和99%的驾驶员的使用，同时对其他百分位眼椭圆尺寸的计算方法做出了说明。

2.1 视切眼椭圆

视切眼椭圆是由大量统计的眼点位置形成的百分表包络。如图1所示，对于95%百分位的视切眼椭圆，在眼椭圆任意一点引一条切线，将会有95%的眼点位置是位于切线眼椭圆侧（眼椭圆内外均包含），而5%的眼点位置是位于另外一侧。若用图中的切线模拟驾驶员视野线且与前风挡透明区最高点相交，则95%的驾驶员可以看到此角度，而5%的驾驶员看不到（被不透明区遮挡），此切线亦可称为驾驶员上视野线。对于99%百分位眼椭圆，基本含义也是如此，不同的是可见区与遮挡区的比例变成99%和1%，其可见范围更广。

2.2 包含眼椭圆

包含眼椭圆定义了一定百分比眼点位置的边界，如图2所示，对于95%百分位的包含眼椭圆，将会有95%的眼点位置是位于包含眼椭圆内部，而5%的眼点位置是位于眼椭圆外部。对于99%百分位眼椭圆，基本含义也是如此，不同的是椭圆内外的比例变成99%和1%，其包含范围更广。

3 视切眼椭圆与包含眼椭圆的尺寸和定位差异

由于人体的左右两个眼睛位置及空间分布，驾驶员眼椭圆表现为左右两个对称三维椭圆形，如图3所示，其大小由X、Y和Z三根轴的长度共同确定。

对于视切眼椭圆而言，其三轴长度如表1所示间：表1中，座椅滑轨长为驾驶员座椅调节的距离，百分比为不同百分位的眼椭圆。每个切线眼椭圆同样是一个包含眼椭圆，从而定义一定比例的驾驶员眼点位置边界，但是包含在边界内的眼点的比例通常少于相应的视切眼椭圆[4。例如，在三维模型中，95%百分位的视切眼椭圆仅仅包含56%的眼点位置，故95%的视切眼椭圆与56%的包含眼椭圆尺寸一致。表2为不同百分位的视切眼椭圆和包含眼椭圆之间的对应关系。

两种不同类型的眼椭圆在整车中的位置由眼椭圆质心的三个坐标值决定且两者质心位置相同。其质心位置坐标可由下列公式进行计算：

Xc=L1+664+0.587xL6—0.176xH30—12.5xt

Ycl=W20—32.5

Ycr=W20+32.5

Zc=H8+638+H30

式中，Xc、Ycl、Ycr、Zc为左右眼椭圆的质心位置坐标，L1为踏板参考点X坐标，L6为方向盘中心点到踏板参考点X向距离，H30为座椅参考点到锺点Z向距离，t为变速器类型（手动挡取1、自动挡取2），W20为座椅参考点Y坐标，H8为锺点Z坐标。

通过整车坐标系、质心位置、三轴长度即可绘制出驾驶员眼椭圆数据，从而进行数据校核工作。目前主流车辆设计软件如CATIA、UG等均能绘制出眼椭圆。

4 视切眼椭圆与包含眼椭圆的视野设计应用差异

由两种不同眼椭圆的定义，其应用范围也有一定的差异。一般而言，在进行上下视野、可见性等需要用眼椭圆切线模拟光线方向时，宜采用95%视切眼椭圆进行设计和校核3），以划分可见区及遮挡区。如图5所示为某轿车用视切眼椭圆进行车辆上下视野校核。其上视野为7.68°，下视野为5.95°，满足国家法规上视野大于7°，下视野大于5°的要求。

在需要利用眼点的具体位置做射线模拟光线方向时，宜采用95%包含眼椭圆进行设计和验证以划分区域内外范围，如圖6所示为某SUV车型用包含眼椭圆的范围校核车辆空调旋钮的镀铬亮条是否会引起驾驶员炫目，校核结果表明：只有很少一部分光线可以透过前风挡经过镀铬旋钮的反射进入人的眼睛，对人眼的影响在非常小的范围内，不会引起炫目风险，旋钮位置合适，镀铬旋钮无需进行亚光处理，满足车辆使用要求。

5 结语

汽车设计过程中的前期数据校核是一个非常重要的环节，而正确合理的数据模型是校核的基础及关键。本文根据SAEJ9412002版标准，详细介绍了在车辆人机视野校核中运用到的两种不同类型的眼椭圆及其差异性，并结合具体车型造型数据对其应用进行了实际校核分析，对于车型前期造型开发设计具有一定的指导意义，同时需要指出的是，对于任何数据校核，后期均需要做实车验证试验，已验证理论分析与实车的一致性，取得最佳的设计效果。

本文系芜湖职业技术学院2017年度省级大规模在线开放课程示范项目《传动系的诊断与维修》（2017mooc366）;安徽省教育厅自然科学研究重点项目《电动汽车谐振式快速无线充电技术研究》（KJ2016A755）。

参考文献

[1]任金东，范子杰.适合不同驾驶员群体眼椭圆统计方法[J].机械工程，2006（2）.

[2]温吾凡，杜子学.驾驶员眼椭圆=维正态分布理论解释[J].汽车工程，1991（4）.

[3]周一鸣，毛璁荣.车辆人机工程学[M].北京理工大学出版社（第2版），1999：129—132.

[4]郭荣春.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）.

[5]张峻霞，王新亭.人机工程学与设计应用[M].北京：国防工业出版社，2018，1.