基于人机工程学的自动驾驶观光车内饰设计研究

高 瞩 曹诗瑾 西安理工大学,上海工程技术大学

随着自动驾驶汽车的快速发展,旅游观光车因交通主体相对固定,行驶路线、路况、网络环境相对稳定,已最先实现汽车的自动驾驶。自动驾驶技术使观光车内饰从以驾驶员为中心的单一格局转变为以用户需求为中心的多元化布置[1]。自动驾驶观光车伴随着驾驶位的消失,其内部工程布局、操作方式、交互方式较非自动驾驶观光车发生了很大的变化[2]。座椅设计、车载显示、操控显示台设计的合理性影响到乘坐的舒适性、安全性与人员操作准确性,亟待加强车内舱的人机工程学研究。

系统仿真具有成本低、工期短、可靠性高等优点[3],本文使用Jack 软件对自动驾驶观光车内饰中的人-机环境系统进行仿真分析,分析座椅、车载显示、操控台的设计合理性,操作中的安全性、舒适性,从而指导自动驾驶观光车内饰的设计。

1 自动驾驶观光车JACK 仿真流程

1.1 自动驾驶观光车三维模型建立

JACK 是一款集数字人体建模、三维仿真、人机工效学分析为一体的人机工程仿真软件,可有效辅助提高作业和生产效率[4]。JACK 中的中国人体模型可为观光车内饰分析提供有效的支持,分析流程如图1所示,将自动驾驶观光车内饰使用Rhino 建模,如图2,导入JCAK 软件仿真分析。

图1 Jack 人机工程仿真流程

图2 自动驾驶观光车内饰模型

1.2 虚拟人体模型建立

使用JACK 软件内的人体模型设置,参数选择Chinese,即GB10000-1988《中国成年人体尺寸》尺寸数据[5]。观光车内饰空间设计为满足大多数乘客,选择第5 百分位成年女性、第95 百分位成年男性分别代表最小、最大身材尺寸,人体模型尺寸见图3。将自动驾驶观光车模型导入JACK 中进行验证。在软件中,数字人体与观光车为同等比例。Jack 软件中用于仿真的数字人体模型见图3。

图3 第5 百分位女性及第95 百分位男性模型人体模型尺寸

2 自动驾驶观光车内饰人机功效仿真分析

2.1 H 点确定

H 点又称跨点,指二维或三维人体模型中人体躯干与大腿的连接点[6],它表示乘员入座后在车内的实际位置。H 点与坐姿舒适性与操作方面性密切相关,是内饰布置的重要基准点[7]。H 点位置过高部分乘客不能在正常坐姿下踩踏地板,H 点过低约束乘客的操作,降低舒适度。

本文H 点的确认采用SAE 推荐的H 点事宜法[8],以坐姿状态下第五百分位成年女性和第95百分位成年男性脚掌为基准面,腿厚分别为108,151 mm,脚掌厚分别为56,67mm,坐姿膝高分别为421,524 mm。X 为H 点距离脚后跟的长度,Z为H 点距离脚掌面的长度,得到满足第5 百分位女性至第95 百分位男性人群的范围值为(X,Z)=(403～474,257～306)mm。

2.2 内饰座椅分析

2.2.1 座椅尺寸参数

观光车座椅分为座椅+底座结构,底座在车内固定。座椅参照我国成年人尺寸国家标准GB10000-8883 及汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法GB15083-200684 设计。座椅尺寸参数如表1所示。

表1 观光车座椅尺寸

2.2.2 前后排座位腿部空间校核

观光车腿部空间的校核标准,以第95 百分位的男性人体为测量对象。前后排乘员腿部空间校核的测量对象为乘员小腿与足部夹角保持97°时乘员的腿部空间,如图4。经测量,观光车第一排座位腿部空间位625 mm,后排座位腿部空间548 mm,符合经验值范围。

图4 前后排座位腿部空间示意图

2.2.3 座椅舒适性校核

Jack 软件舒适度分析包含人体各主要关节,是衡量观光车内饰人机功效的的重要指标[9]。观光车内饰座椅尺寸影响成员在乘坐过程中的坐姿舒适度,对座椅进行舒适度分析,选取第5 百分位女性及第95 百分位男性模型,选取人体标准坐姿,对虚拟人体模型坐姿进行定位,乘员小腿与足部夹角保持97°的约束,如图5。

图5 男性乘员坐姿模拟

使用JACK 工具中的Comfort Assessment(舒适度评估)中的Porter 指标对观光车座椅的舒适度进行分析。Porter 分析关节的合理弯曲度,分析结果中绿色表示关节弯曲度在舒适范围内,黄色表示超过范围值,橙色线表示关节弯曲的限定范围,绝对值越趋近于0,则舒适度越高,越大,则舒适度越低。分析结果如图6。

图6 座椅舒适度分析结果

通过分析结果可以得出,男性和女性乘员人体仿真模型在限定坐姿下的人体关节角度均在舒适范围内,女性正常坐姿下的H 点位置过高部分能在正常坐姿下踩踏地板。

2.3 内饰显示界面视域分析

自动驾驶观光车内饰中的显示屏区别于普通轿车,设计了大尺寸屏幕。利用JACK 软件中的Visual Fields(视域)工具对人体模型的视域范围仿真,将第5 百分位女性的人体模型加以约束条件,将视线注视点设为屏幕中心,第一排至第四排的视域长度分别设为80 cm、160 cm、240 cm、320 cm,视域仿真结果如图7。乘员注视显示屏时的视域良好。

图7 视域仿真分析结果

使用View Cones(视锥)仿真,分析从乘员眼睛所看到的视域立体,设定圆锥角为50°,圆锥长度分别设为80 cm、160 cm、240 cm、320 cm,分别为仿真结果如图8。结果显示显示屏设计的视角范围合适,乘员对屏幕大适应性良好。

图8 视锥仿真结果

2.4 内饰控制界面人机分析

2.3.1 可达域分析

观光车内饰控制界面是乘员对观光车的操控区域,其控制装置主要包括屏幕操作、按钮操作与手势。合理的界面布置尺寸可以提高乘员的操控效率、操控舒适性与准确性。使用Reach Zones(可达空间)工具对控制界面的可达域分析,设置第5百分位女性与第95 百分位男性人体模型为正常坐姿,描绘出乘员左手最大可触及范围,分析结果为图9,半圆为乘员右手的可达区域。图9左边结果显示,紧靠肩周的活动,女性乘员在正常坐姿下对控制界面的触碰较为困难,无法覆盖全部控制界面。图9右边显示,男性乘员在正常坐姿下可达域能够覆盖控制界面。

图9 女性腰部联合运动可达域分析结果

图9 正常坐姿可达域分析

因控制界面右前方,对女性人体模型进行调整,在控制中腰部弯曲度调整为50.3,腰侧角调整为-18.8 进行仿真,可以判断乘员在腰部联合运动下的可达域范围。图10 仿真结果显示控制界面的可完全覆盖在乘员可达范围内,操纵适应性较好。

2.3.2 工作姿势分析

Jack 软件中Ovako(工作姿势分析)可评价背部、手臂和腿部工作姿势的舒适度。分别对第5 百分位女性腰部联合运动与第95 百分位男性正常坐姿时操作显示屏的工作姿势进行分析,分析结果为图11。结果显示,女性在腰部运动状态下姿势评价等级为2,控制界面的布置使第5 分位女性人体模型操作时有一定不适,需要进行调整,避免乘员在操作达到极限时舒适度降低。男性在正常坐姿下操作舒适度评价等级为1,该界面的人机尺度在男性的合理范围内。

图11 工作姿势分析结果

2.3.3 下背部受力分析

Lower Back Analysis(下背部分析)是Jack 软件重要的分析工具之一,对特定情况下人体模型L4/L5 脊椎处的压力分析,并与NOISH 推荐压力极限(3400N)对比仿真任务是否超过压力极限,否则会增加对乘员下背部受伤概率,进而优化工作姿势。

在分析乘员操控行为时,由于乘员会对控制界面出力,因此给人体模型右手添加25N 的力进行下背部受力仿真分析,得出L4/L5 脊椎处的拉力、扭矩与肌肉受力,分析结果如图12 所示。由分析可知,第5 百分位女性模型在操作过程中下背部受力为950N,第95 百分位男性模型下背部受力1050N,均小于NOISH 的3400N 压力极限。乘员肌肉之间拉力、L4/L5 脊椎处的受力较小,乘员为较舒适姿势。

图12 下背部受力分析结果

2.3.4 舒适度分析

利用Jack 工具中Porter 的舒适度分析参数对人体模型操控时给定约束的姿势进行仿真分析。分析结果为图13,结果表明女性人体模型操作控制界面时的上肢以及头部舒适度对比男性均较低。

图13 舒适度分析结果

3 设计优化

3.1 座椅与控制界面的优化

通过Jack 软件人机功效分析中可以得出,本文自动驾驶观光车内饰设计存在两点必须优化的问题:

1.座椅高度尺寸不满足低百分位乘员的使用需求,需要增加座椅调控机械装置,调节佐以高度,能够更大范围内符合5%～95%之间的人体尺寸。

2.内饰控制界面的屏幕距离乘员较远,不满足低百分位乘员右臂可达域范围,操作时在腰部联合运动状态下舒适度较低,上肢舒适度结果较低。对于这部分的操作屏,可对操作屏的位置做出调整,使其更靠近乘员,满足5%分为的人体尺寸,并增加控制界面的调节装置,乘员可调节到自己舒适度控制角度。根据分析结果对自动驾驶观光车内饰进行优化,得到下图14 的最终优化方案。

图14 优化结果

3.2 优化结果对比

将优化后的模型导入JACK 软件仿真分析,如图15。测得第五百分位女性模型H 点X 值在适宜范围内,乘坐舒适度提升。

图15 优化模型分析

设置第5 百分位女性为正常坐姿,描绘乘员右手可达区域,图16 可达域分析结果表示优化后女性可在正常坐姿下使用控制界面。对第5 百分位女性正常坐姿时操作显示屏的工作姿势进行分析,分析结果为图17。结果显示该状态下人机尺度在合理范围内

图16 可达域优化结果

图17 优化工作姿势分析

女性正常坐姿下操作任务进行Porter 分析,优化后的分析结果如图18,Porter 数值绝对值有一定量减小,整体舒适度得到改善,优化前后舒适度对比如表2。

表2 Porter 舒适度分析对比

4 结论

在自动驾驶模式下,观光车内饰布置设计有所改变,为找到满足于此情况下乘客活动的最佳状态,提高乘坐的舒适性、安全性与操作准确性,本文运用Jack 人机工程学软件分析自动驾驶观光车内饰布局。对座椅、显示界面、控制界面进行仿真,寻求自动驾驶观光车内饰设计的不足,依照仿真结果进行问题分析,并设计优化。对优化后的模型再次进行仿真检验,验证了结果的有效性。