虚拟评审在汽车人机工程方面的应用

蒙锦珊

摘要：随着消费者对于汽车舒适性、方便性方面要求的提高，虚拟现实技术在汽车人机工程方面的应用逐步兴起，本文以汽车人机工程学为基础，分析虚拟评审在汽车研发过程中人机工程方面的功能及优势。

关键词：虚拟评审;汽车研发;人机工程

0  引言

近年来，汽车工业迅速发展，消费者对于汽车舒适性、视野效果、操作范围等人机工程方面的要求越来越高，而传统的汽车设计研发过程中采用的是桌面式评审人机工效的方法，对于提高产品人机工程质量的能力有限。

作为汽车研发活动中产品质量表现重要一环的人机工程，它的特殊要求与虚拟现实技术的独有优势不谋而合。使用虚拟现实技术可以准确地模拟人体动作，直观地识别人机工程方面出现的各种问题，是帮助汽车质量提升的有效方法和重要途径。

1  汽车人机工程简介

人机工程学从20世纪70年代初期开始被定义设计，它在汽车行业被定义为研究人-车-环境之间相互协调的专项学科技术。人机设计在项目语言初期开始执行任务，直至量产验证，传统的人机设计主要包括以下几个方面：

1.1 人体坐姿校核  在整车全新开发或车型小改的过程中，本着在满足整体造型趋势和新车型整车尺寸需求的原则情况下，尽可能提高车内空间舒适度，人机工程师通过对人体生理结构的研究分析，设定人体坐姿最优角度，结合CAD可视化软件，将前期的人机数据引入到数字样机设计中，设计参考值见图1。

1.2 乘坐空间舒适性校核  乘坐空间性主要包括单个人体头、膝、脚、肩部、臀部、肘部等6个部位反映的前排空间，还包括前后排R点最小间隔等后排乘客重点关注的空间。在整车布置设计过程中，需要按照设计开发流程进行校核，以满足最小空间要求，同时对标多辆竞品车型，保证驾驶员及车内乘客的空间舒适性。

1.3 视野校核  驾驶员视野校核主要包括了前方视野、交通灯视野、A柱障碍角、直接后方视野及间接后方视野、仪表板视野等方面，主要是通过研究和试验驾驶人员的视觉特性、视野效果，来校核驾驶员的信息系统，以保证驾驶员获得正确的驾驶信息。

1.4 前风窗玻璃刮刷面积校核  整车开发和设计时需要对风窗刮刷器进行刮刷面积校核分析，保证风窗玻璃刮水器可以有效地清除附着在挡风玻璃上的霜、泥、尘埃及其他污物，使得雨雪天气时驾驶员能够视线清晰，从而确保行车安全。

1.5 手伸及界面校核  确定驾驶室内的一切手操作扭键、杆件、开关等的布置位置和作用力要主要满足驾驶员在停车和行车的过程中的有效使用范围。布置各操纵装置需要充分考虑使用方便性和舒适性，应在驾驶员可触及的范围之内，且可以自然、准确、轻便地操纵，尽可能地降低操纵疲劳度，进而达到安全行车的目的。

1.6 踏板布置校核  频繁踩踏是导致汽车行驶过程中驾驶员操纵疲劳的重要影响因素之一，因此在人机工程校核中一定要注重汽车驾驶室的布置，尤其是驾驶员经常接触的离合踏板、制动踏板、加速踏板这三个踏板的位置合理性。

1.7 上下车方便性校核  汽车总布置设计必须满足驾驶员以及车内乘客上下车方便性的要求，这也是整车布置设计必须要考虑到的一个重要因素。通过研究人体生理结构和汽车结构相互关系，能够得到人体的上下车方便性的角度和相关尺寸范围，从而确定车门的开口部位与尺寸。

2  虚拟评审在人机工程方面的功能及作用

虚拟评审结合了动捕设备和半实物台架，系统基于位置追踪设备获取人体动作数据，通过动捕设备实时驱动虚拟环境中的人体对象，使得数字人体能够获得协调而真实的姿态和动作。根据企业标准建立高亮显示判定函数，输入人机工程基准后，可以实现在没有制作出实物的条件下，精确分析不同尺寸人体进行不同目标操作的可行性与方便性，如分析人体作业姿势、人体可触及范围等。

2.1 可達性分析功能  可达性分析解决的是“够得到”问题，主要是依据相关人体测量数据来判断操作者需要操作的控制器是否在合理的范围内。可达性分析功能可用于手伸及界面校核、踏板布置校核。

虚拟评审系统能够以可视化的形式显示数字人体四肢的可达范围。并通过动捕设备等交互外设，实现真人驱动数字人体。除此以外，虚拟评审系统可以根据仿真结果对可达范围、活动空间进行分析，对于不可触及和操作错误频率高的物体添加标签。

虚拟评审还能够使用VR-BUCK进行实时动态交互体验，VR-BUCK模拟了半舱布局的设计及其部件，再与虚拟评审系统中的虚拟零件结合，可以真实地模拟驾驶器和中控等。进行可达性分析时能够仿真地进行操作，实时调整运动件如遮阳板、后视镜、换挡把手等。图2为可达性分析功能操作示意图。

2.2 可视性分析功能  可视性分析解决的是“看得到”问题，具体来讲就是指从一个或多个位置所能看到的范围和可见程度。可视性分析功能解决的是视野校核和前风窗玻璃刮刷面积校核。虚拟评审系统能够导入标准参数建立各种标准道路场景，用来进行视野感知评审应用。在虚拟场景中可以切换不同的标准道路，来测试各种情况下的视野范围是否符合法规要求，在道路中也可以随意布置障碍，以测试驾驶员是否能有效地观察到障碍物。当不能符合要求时，可以在虚拟评审系统中直接调节座椅位置及风窗尺寸等，直到符合标准规定。当进行内后视镜、外后视镜校核时，虚拟评审系统可以仿真模拟车辆在真实道路场景运动过程中，内、外后视镜所显示的画面效果和道路情况，以此判断是否符合法规要求。虚拟评审还可以切换人体模型，视锥、视图等会随之改变，可以用来校核不同尺寸人体模型的视野可见程度。

2.3 舒适度分析功能  虚拟评审判断舒适度主要是通过分析关节的角度来进行的。在调节人体姿势时，判断身体的各个关节角度是否均处于合理范围之内。舒适度分析功能可以用于人体坐姿校核、乘坐空间舒适性校核以及上下车方便性校核。虚拟评审系统通过与VR设备结合的BUCK车台架进行上下车方便校核、坐姿校核等人机工程舒适度分析。使用VR数据与台架联和调节，控制虚拟数据与现实操作同步，实现虚实联动，可以形成真实有效的体验效果。并且BUCK车台架包含H点相关人机参数的数控调节机构，根据不同车型的相关参数调节BUCK车台架，可以准确地模拟汽车内部结构。进行舒适度分析时，在数字人体模型的体表，虚拟评审可以实时显示企业标准规定的人体关节舒适性。以人机工程学数据为依据，进行简单快速的计算比较分析人体关节转角、人体姿势、疲劳情况，给出当前姿态的舒适度评价结果，对于超过企业舒适标准范围的姿势进行标红处理。

3  虚拟评审在人机工程方面的优势

3.1 虚拟评审能够提升人机工程校核效果，提高产品质量  虽然虚拟评审为了使效果更加直观，相较于传统的评审方式，需要增加一些工作量和准备内容，无法明显地节省步骤，但是使用虚拟评审带来的价值是无法估量的。因为传统桌面式评审的局限性和不直观性，很多主机厂对于汽车人机工程的要求就是能用就行，而这已无法满足现在人们对于驾驶舒适性等高品质的追求，久而久之会使车企失去口碑和竞争力，阻碍车企的发展。使用虚拟评审技术，工程师站在实车的角度检查问题，仿真地模拟各种操作，可以有效地提高问题识别率和准确性，这对于汽车产品的质量提升和技术进步具有非常大的推动作用。

3.2 虚拟评审能够快速对比、切换以及修改方案，提升评审效率  为了满足人们对于人机工程质量要求日益增高的现状，许多主机厂越来越注重人机工程的校核和改进，因此往往会进行不断的对比和切换更多的方案。虚拟评审系统能提供丰富的资源库，便于对标竞品车，可以让工程师有更多的设计方案选择，显著有效地提升评审效率。应用虚拟评审系统可以一键切换不同的配件，并且可以运用专业的计算技术标注不同方案的角度、空间大小等参数，辅助分析优劣，简单方便快捷的同时，又能够很好地模拟真实效果，更加直观地对比不同方案的效果，增强了对比的效果。

3.3 虚拟评审能够提前发现人机工程问题，节省物理制作成本  借助虚拟评审，可以在产品研发早期的设计阶段生成、修改以及展示评估人机方面的产品工程原型，快速有效地进行人机工程校核。虚拟评审模型制作修改周期相比传统方式的油泥模型等周期短很多，并且评审效果更加直观。通过虚拟评审系统进行人机工程校核，能够使得物理模型成为确定人机工程设计方案的工具，而不是起到反复验证作用，加快项目开发进度，显著减少物理模型制作轮次。虚拟评审可以取代一部分过渡环节的物理模型，而这些大量的一次模型的节省可以为主机厂节约一笔十分可观的费用。

4  结论

随着虚拟现实技术的迅速发展，技术愈发成熟，其在汽车设计研发环节中发挥着日益重要的作用，越来越多的國内外知名车企选择了使用虚拟评审系统，并已取得了不少的成功应用案例。虚拟评审系统弥补了传统评审方式不够直观、成本高、周期长的固有劣势，使得汽车设计中人机工程的校核更加精确有效。虚拟评审系统对于汽车工程学的长远进步可以起到一定的推动作用，使得一些人机工程学的分析方法得以准确运用，促进车企的技术发展和经济效益。借助虚拟评审的功能和优势，汽车人机工程将可以更好地实现最佳的人机-环境系统，创造出更舒适化、更人性化、更科学化的汽车，使人机系统的综合效能达到最佳水平。

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