姚樹寅 王洋 馮斌 張健 冉云飛
(1.中國重型汽車集團(tuán)技術(shù)發(fā)展中心,濟(jì)南 250102;2.重慶長安汽車工程研究總院,重慶 401120;3.西安雙特智能傳動有限公司,西安 710119;4.弗吉亞(重慶)汽車部件系統(tǒng)有限公司,重慶 401122)
視野分析和校核是汽車研發(fā)過程中的重要工作。隨著三維設(shè)計(jì)軟件的廣泛應(yīng)用,通過3D數(shù)據(jù)可以立體直觀地進(jìn)行駕駛員視野的相關(guān)分析,這也是目前普遍采用的方法。這種方式立體、形象、準(zhǔn)確度高,但作圖過程較為復(fù)雜,由于大量3D數(shù)據(jù)的存在,生成的線條在一定程度上干擾視覺,表達(dá)略顯凌亂。而理論上,如果不考慮光線眩目或亮度不足等外部影響,在視線可及距離內(nèi),目標(biāo)物是否方便可見通常只與其所處的視線角度及其所占據(jù)的視角大小有關(guān)。McIsaac,E.J.等在1995年就提出了一種二維角度坐標(biāo)圖[1]的表達(dá)方法。
二維角度坐標(biāo)圖能夠包含大量的視野信息,只需2個(gè)角度參數(shù)即可表達(dá)目標(biāo)點(diǎn),與3D數(shù)據(jù)分析相比,在表達(dá)上更加簡潔直觀。但到目前,其研究和應(yīng)用較少,原因包括:生成二維角度坐標(biāo)圖需進(jìn)行大量數(shù)據(jù)換算,如無合適的方法,將非常繁瑣耗時(shí);利用3D數(shù)據(jù)可直接實(shí)現(xiàn)各種視野分析,視野分析通常只針對某一局部開展,也就不需要生成完整的二維角度坐標(biāo)圖。本文嘗試開發(fā)了二維角度坐標(biāo)圖的快速生成程序,并對其應(yīng)用可行性進(jìn)行了探討。
McIsaac,E.J.等提出,人的視野可理解為如圖1所示模型[2]。人處在以人眼為中心的球體內(nèi)部,目標(biāo)點(diǎn)分布在球面上,人通過眼睛及頭部的轉(zhuǎn)動找到目標(biāo)點(diǎn)。這樣,以眼點(diǎn)(球心)為參考,連接每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的視線都可以通過水平方位角和縱向舉升角來表示,從而將三維直角點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為二維角度坐標(biāo),簡化問題。
圖1 二維角度坐標(biāo)法視野模型
需要注意的是,該模型是建立在視野分析校核只與角度有關(guān)的基礎(chǔ)上的,因?yàn)榉轿唤呛团e升角只能確定視線的方向,并不能完全確定目標(biāo)點(diǎn)位置。這是與實(shí)際情況相符的:對于方位角和舉升角相同,與眼點(diǎn)距離不同的目標(biāo)點(diǎn),人只能觀察到近處的目標(biāo)點(diǎn),而較遠(yuǎn)的目標(biāo)點(diǎn)則會被遮擋。
同樣,在進(jìn)行人機(jī)布置和視野分析時(shí),特別是直接視野分析時(shí),通常只需分析目標(biāo)物是否在舒適視角區(qū)域內(nèi)、是否被遮擋等,只需確定視線方向即可進(jìn)行,因此,通過方位角和舉升角可以實(shí)現(xiàn)對視野的分析。
二維角度坐標(biāo)圖中包含著大量的視野信息,但其生成過程需要大量的數(shù)據(jù)計(jì)算。因此,開發(fā)二維角度坐標(biāo)圖的自動生成程序,對視野分析非常有利,對于二維角度坐標(biāo)法的應(yīng)用和推廣也具有積極意義。
程序的核心功能是實(shí)現(xiàn)點(diǎn)的坐標(biāo)變換。方程未知的曲線無法進(jìn)行坐標(biāo)變換,因此需將待變換的曲線進(jìn)行點(diǎn)化處理:在曲線上提取足夠的點(diǎn),利用這些點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變換。
同時(shí),完成坐標(biāo)變換需要參考點(diǎn),視野分析的參考點(diǎn)一般是眼點(diǎn)。因此,輸入條件需要包含眼點(diǎn)及待轉(zhuǎn)換的目標(biāo)點(diǎn)或曲線。
為保持與乘用車規(guī)定坐標(biāo)系[3]和駕駛員習(xí)慣一致,規(guī)定從眼點(diǎn)沿車輛X軸負(fù)方向作射線,其方位角、舉升角均為零,其右側(cè)目標(biāo)的方位角為正,左側(cè)目標(biāo)的方位角為負(fù),其上方目標(biāo)的舉升角為正,下方目標(biāo)的舉升角為負(fù)。
在三維直角坐標(biāo)系中,設(shè)眼點(diǎn)E1的坐標(biāo)為(x1,y1,z1),目標(biāo)點(diǎn)P的坐標(biāo)為(xP,yP,zP)。令x=xP-x1、y=yP-y1、z=zP-z1,則P相對于E1的坐標(biāo)為(x,y,z)。則方位角θ、舉升角Φ分別為:
坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的直接結(jié)果為二維坐標(biāo)點(diǎn),將這些點(diǎn)連接成曲線,就完成了對輸入曲線的變換。
根據(jù)上述分析結(jié)果,本文采用CATIA V5R21作為設(shè)計(jì)工具,以VB6.0作為開發(fā)工具完成程序開發(fā)。
下面對程序部分核心代碼進(jìn)行說明,本文省去了部分對象的定義語句,保留了功能代碼。
首先調(diào)用CATIA程序,并將CATIA當(dāng)前活動文檔的part文件定義為工作對象[4]。
采取的輸入方式是選擇輸入,這種方法便于控制輸入對象。
將上節(jié)中選擇的對象加入List1,以便循環(huán)引用。
將List1中的線點(diǎn)化,每條線上提取大量點(diǎn)以便將輸入的線進(jìn)行坐標(biāo)變換。
根據(jù)前文對目標(biāo)點(diǎn)和眼點(diǎn)等的坐標(biāo)設(shè)定及推導(dǎo)的變換規(guī)則,將上面提取的點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變換。
按變換后的坐標(biāo)值新建點(diǎn)。
將坐標(biāo)變換后的點(diǎn)連結(jié)成曲線,就得到了曲線的二維角度坐標(biāo)圖。
為便于區(qū)分最終結(jié)果,可以將曲線的部分屬性進(jìn)行調(diào)整。
在VB程序界面,引用CATIA資源庫,將代碼進(jìn)行打包生成程序,得到的程序界面如圖2所示。
圖2 程序界面
a.運(yùn)行CATIA軟件,打開存儲待轉(zhuǎn)換曲線的文件。本文以輸入圖3所示的各邊界曲線為例。
圖3 待轉(zhuǎn)換的特征曲線示意
b.運(yùn)行二維角度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換程序,并將相關(guān)參數(shù)輸入程序界面。需指出的是:每條輸入線上點(diǎn)的數(shù)目會影響最終得到的曲線,點(diǎn)的數(shù)目越多,轉(zhuǎn)換得到的曲線越精確。
c.在CATIA程序界面選擇需轉(zhuǎn)換的曲線,程序自動開始運(yùn)算。
d.程序自動完成運(yùn)算,生成的二維角度坐標(biāo)圖結(jié)果見圖4。
圖4 轉(zhuǎn)換結(jié)果
為檢驗(yàn)這種方法的準(zhǔn)確性,從3D圖中任取一點(diǎn)進(jìn)行對比驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,3D圖和二維角度坐標(biāo)圖中對應(yīng)點(diǎn)的方位角和舉升角測量結(jié)果相同,表明這種轉(zhuǎn)換方式是正確的。
從轉(zhuǎn)換得到的二維角度坐標(biāo)圖(圖4)中,還可以得到以下結(jié)論:
a.二維角度坐標(biāo)圖能夠直觀地區(qū)分單眼視野、雙眼視野以及雙單眼視野[5]。對分析單眼盲區(qū)、雙眼盲區(qū)(如A柱障礙角、組合儀表可視性)等非常方便。
圖6所示為按照SAE1050中規(guī)定的方法和利用二維角度坐標(biāo)圖獲得的左A柱障礙角的分析結(jié)果,兩種方法分析結(jié)論一致,但后者的表達(dá)更加直觀,并能分別測得該位置左、右眼點(diǎn)的左A柱單目障礙角。
b.二維角度坐標(biāo)圖直接地表達(dá)出各特征所占據(jù)的視角大小,并評價(jià)其可視性。
圖5 曲線上任意點(diǎn)的方位角和舉升角結(jié)果對比
圖6 左A柱障礙角的分析結(jié)果對比
在圖4中,可以直接估讀出組合儀表在左眼視野中所占據(jù)的視野角度范圍:方位角約-15°~20°,舉升角約-25°~-15°。
圖7所示為以3D數(shù)據(jù)方法和利用二維角度坐標(biāo)圖測得的組合儀表可視性分析結(jié)果。其中,θL為左側(cè)方位角;θR為右側(cè)方位角;ФT為上方舉升角;ФD為下方舉升角。估讀得到的結(jié)果與兩種方法分析得到的結(jié)果一致,但在二維角度坐標(biāo)圖中可以直接測量得到,過程大大簡化。
圖7 左眼點(diǎn)組合儀表視野分析結(jié)果對比
c.二維角度坐標(biāo)圖反映了距離對視角大小的影響。如對稱布置的左、右前門玻璃,由于與眼點(diǎn)的距離不同,在視野中所占據(jù)的視角范圍也不相同。
二維角度坐標(biāo)圖能夠幫助理解不同因素對視野的影響。不同人體及其位置的眼點(diǎn)視野角度如圖8所示,它清晰地反映了人體位置和高度對視野的影響:對于同一人體,座椅前端位置前方視野更好,但組合儀表等內(nèi)部視野舒適性不如座椅后端;對于同一位置的不同人體,高百分位人體的下視野優(yōu)于低百分位人體,上視野和組合儀表等內(nèi)部視野較低百分位人體差。二維角度坐標(biāo)圖反映的這些信息,對于理解和輔助視野設(shè)計(jì)有很好的指導(dǎo)作用。
圖8 不同人體及其位置的眼點(diǎn)視野角度
二維角度坐標(biāo)圖包含大量的視野信息,為汽車視野分析提供了除3D數(shù)據(jù)方法外的另一種選擇,且分析更為簡便,在表達(dá)上更為直觀。二維角度坐標(biāo)圖的自動計(jì)算和生成,省去了繁瑣的操作過程,便于二維角度坐標(biāo)圖的應(yīng)用。
[1]McIsaac EJ,BhiseVD.Automotive Field of View Analy?sis Using Polar Plots[C]//International Congress&Ex?position.1995.
[2]Bhise V D.汽車設(shè)計(jì)中的人機(jī)工程學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.
[3]中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員.汽車駕駛員前方視野要求及測量方法:GB 11562—2014[S].2014.
[4[胡挺,吳立軍.CATIA二次開發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.
[5]Society of Automotive Engineers.Describing and Mea?suring the Driver's Field of View:J1050[S].2003.