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        基于人機(jī)工程學(xué)的汽車組合儀表的設(shè)計(jì)方法

        2019-03-04 05:14:16趙國棟劉偉東劉國亮
        汽車文摘 2019年3期
        關(guān)鍵詞:駕駛員設(shè)計(jì)

        趙國棟 劉偉東 劉國亮

        (一汽轎車股份有限公司,長春 130011)

        主題詞:人機(jī)工程學(xué) 組合儀表 設(shè)計(jì) HMI

        1 前言

        汽車人機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)相互作用相互依賴的、由“駕駛員”和“汽車”結(jié)合而成,具有特定的乘客或載物功能的運(yùn)動體,它是一個(gè)典型的三要素模型。汽車通過顯示裝置顯示必要的信息,駕駛員通過讀取信息,并做出相應(yīng)的反應(yīng),控制相關(guān)車載設(shè)備,或使汽車按人的意志進(jìn)行動作,這種駕駛員與汽車交互的界面稱之為人機(jī)界面(HMI,如圖1所示)。

        圖1 汽車人機(jī)界面(HMI)

        在汽車的人機(jī)界面中,駕駛員通過“顯示裝置”獲得汽車運(yùn)行的相關(guān)信息,并且經(jīng)過駕駛?cè)藛T大腦的信息加工,快速進(jìn)行決策,最終駕駛員通過人機(jī)界面的操作裝置向汽車發(fā)出指令,從而改變汽車的運(yùn)動形態(tài),實(shí)現(xiàn)從駕駛員到汽車的信息傳遞[1]。而汽車組合儀表無疑是“顯示裝置”中最重要的組成部分,駕駛員會在行駛過程中通過組合儀表獲取車速、轉(zhuǎn)速、剩余油量、水溫等重要信息。為保證汽車儀表能滿足大多數(shù)人的駕駛習(xí)慣,組合儀表應(yīng)在前期設(shè)計(jì)就開始介入,尤其在造型階段做好可行性分析。組合儀表的設(shè)計(jì)一般遵循以下幾方面的原則:

        ?最少顯示界面布局原則,以減少駕駛員信息傳遞和分析時(shí)間,同時(shí)避免產(chǎn)生儀表間的視覺混亂;

        ?最精確的顯示原則,以減少誤讀,提高駕駛員的反應(yīng)能力和降低視覺疲勞[2];

        ?最自然的顯示格式,以便駕駛員用自然、習(xí)慣性的理解和辨識方法去分析和處理信息,減少誤讀率;

        ?最有效的布置技術(shù),以便駕駛員有一個(gè)好的識讀環(huán)境和識讀位置;

        ?優(yōu)化顯示特性,創(chuàng)造出看得見、顯而易見、看的清楚和好理解的特征。

        組合儀表的一般設(shè)計(jì)流程如圖2。

        圖2 組合儀表設(shè)計(jì)流程

        2 組合儀表的設(shè)計(jì)

        2.1 組合儀表表盤的定位

        組合儀表表盤的定位主要從兩方面著手:一是組合儀表表盤中心位置的確定;二是組合儀表表盤角度的確定。

        ◆組合儀表表盤中心位置與眼橢圓之間的距離一般取750±50 mm,最大不能超過850 mm最小不能小于450 mm(如圖3所示);

        ◆由于駕駛員大多通過方向盤上半輪緣去觀察儀表,故為保證儀表盤水平方向上的視野良好,一般要求儀表盤中心與方向盤中心重合[3];

        ◆組合儀表表盤中心X/Z值的確定:人在觀察某一事物時(shí),其頭部自然轉(zhuǎn)動角度范圍上下各為30°,左右各為45°,在此范圍內(nèi)人眼睛自然轉(zhuǎn)動范圍為上下各 15°,左右各15°[4];基于上述角度范圍,儀表盤中心與眼橢圓中心連線與水平面的夾角應(yīng)控制在15~45°范圍之內(nèi)。通過目視距離和組合儀表平面角度的限制,可以得到組合儀表中心的X/Z值(如圖3所示);

        ◆為減小誤差,視線應(yīng)盡量與觀察表面垂直,故儀表盤平面與儀表盤中心與眼橢球中心連線的夾角一般控制在90°左右,允許有上下10°的偏差[3](如圖3所示);

        圖3 組合儀表表盤的定位

        2.2 組合儀表可視區(qū)域的定義

        駕駛員在行車過程中要通過觀察組合儀表獲得發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、車速等重要信息,但是在觀察組合儀表時(shí),駕駛員的視線會被方向盤的輪緣、輪輻和輪轂等障礙物所遮擋,方向盤輪緣、輪輻和輪轂會在組合儀表顯示面上形成相應(yīng)的盲區(qū)[5],影響駕駛員對儀表信息的讀取,降低人機(jī)之間信息的傳遞效率,影響駕駛安全。因此儀表所顯示的重要信息應(yīng)布置在駕駛員雙眼盲區(qū)之外。

        ◆方向盤輪緣造成的雙眼盲區(qū)

        ?首先確定組合儀表的工作平面,將方向盤3D模型調(diào)整到設(shè)計(jì)位置;

        ?參照SAE J941標(biāo)準(zhǔn)[6]構(gòu)建95百分位眼橢圓,并求出左右眼橢圓中心點(diǎn),同時(shí)做出中間眼橢圓;

        ?建立特征盲區(qū)

        ●由左側(cè)眼點(diǎn)向方向盤輪緣內(nèi)外圈做切線,求出切線和組合儀表工作面的交點(diǎn),求出左側(cè)眼點(diǎn)的單眼盲區(qū)(圖4所示);

        圖4 左側(cè)單眼盲區(qū)位置

        ●由右側(cè)眼點(diǎn)向方向盤輪緣內(nèi)外圈做切線,求出切線和組合儀表工作面的交點(diǎn),求出右側(cè)眼點(diǎn)的單眼盲區(qū)(圖5所示);

        圖5 右側(cè)單眼盲區(qū)位置

        ●左右眼點(diǎn)單眼盲區(qū)的交集為雙眼盲區(qū)(圖6所示);

        圖6 雙眼盲區(qū)位置

        ?定義C點(diǎn)和做出封閉曲線

        ●C點(diǎn):求出方向盤輪緣上半部分在過方向盤中心的Y平面內(nèi)的中心點(diǎn),過此點(diǎn)與左右眼點(diǎn)連線的中點(diǎn)作直線,此直線與雙目盲區(qū)的特征區(qū)域的交點(diǎn)即為C點(diǎn);

        ●封閉曲線:以方向盤輪緣上半部分Y平面內(nèi)的中心點(diǎn)作中間眼橢圓上、下、左、右的切線,求出這四條切線與儀表工作平面的交點(diǎn),即可做出一條封閉曲線,一般來說,這條封閉曲線是一個(gè)橢圓。

        ?輪緣雙眼總盲區(qū)的建立

        將特征盲區(qū)從C點(diǎn)依次移到工作平面封閉曲線上各點(diǎn),做這些特征盲區(qū)的包絡(luò)面,即為由方向盤輪緣引起的雙眼盲區(qū)(如圖7所示);

        圖7 雙眼總盲區(qū)

        ◆方向盤輪輻造成的雙眼盲區(qū)

        ?輪轂眼點(diǎn):左右眼點(diǎn)是由通過方向盤輪轂中心與左右眼橢圓底部相切的切點(diǎn)(如圖8所示);

        圖8 輪轂眼點(diǎn)

        ?單眼盲區(qū):過左、右眼點(diǎn)做輪轂上沿的切面,與儀表板工作平面分別相交兩條線,這兩條線以下的區(qū)域?yàn)榉较虮P輪轂的左、右單眼盲區(qū);

        ?雙眼盲區(qū):左、右眼單眼盲區(qū)的相交部分即為輪轂雙眼盲區(qū)(如圖9所示);

        圖9 輪轂雙眼盲區(qū)

        由方向盤輪緣和方向盤輪輻形成的雙眼盲區(qū)之和即為駕駛員的雙眼盲區(qū),一般要求組合儀表顯示的重要內(nèi)容要布置在雙眼盲區(qū)之外,以保證駕駛員在讀取信息時(shí)不受干擾。

        2.3 組合儀表顯示裝置的設(shè)計(jì)

        為使駕駛員能準(zhǔn)確地獲得儀表的顯示信息,必須使儀表的尺寸、指示器、字符、符號和顏色的設(shè)計(jì)要符合人的生理和心里特征,儀表顯示裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)從以下幾個(gè)方面展開[7]:

        ◆組合儀表表盤形狀的選擇

        儀表的刻度盤形狀眾多,一般有圓形、半圓形、扇形、水平式和垂直式等,受車身結(jié)構(gòu)的限制,水平式和垂直式的儀表很少采用,而圓形和半圓形的刻度采用居多數(shù)。并且人眼在感知圓形或者半圓形刻度盤時(shí),眼睛轉(zhuǎn)動的路線比感知直線刻度時(shí)更短,辨認(rèn)速度更快;

        ◆刻度盤的直徑尺寸

        刻度盤的大小與要顯示信息的精密度和駕駛員的視距有關(guān)。尺寸越大,所顯示的信息也越多,清晰度對應(yīng)可提高,但同時(shí)視線的掃描路線變長,認(rèn)讀速度降低,并且容易分散觀察者的精力,安裝面積也隨之增大,布局不緊湊。因此刻度盤的尺寸應(yīng)取使駕駛員認(rèn)讀效果的最佳值,表1給出了視距為500 mm和900 mm時(shí)[7],刻度盤尺寸與刻度數(shù)的關(guān)系:

        表1 刻度盤尺寸與刻度數(shù)的關(guān)系[7]

        ◆文字和符號

        儀表的信息必須配以文字和符號說明,才能夠完整、準(zhǔn)確地表達(dá)所顯示的信息含義。對于文字和符號,基本要求形狀簡單易讀、大小便于辨認(rèn)、顏色清晰醒目。比如在顯示裝置上,利用符號和標(biāo)志代替文字和數(shù)字有助于提高辨認(rèn)速度和準(zhǔn)確度,但應(yīng)該注意這些符號和標(biāo)志不應(yīng)過于復(fù)雜[7];

        ◆指示器

        儀表上的指示器用來表示和指示所顯示的關(guān)鍵信息和狀態(tài),比如儀表的指針。指示器的設(shè)計(jì)要求能夠準(zhǔn)確指示所要表達(dá)的物理量,不出現(xiàn)掩蓋物理量、指示模棱兩可、指示器與背景對比過小的情況[7];

        ◆顏色

        儀表顏色的匹配一方面要考慮人機(jī)系統(tǒng)整體的色彩基調(diào),以確定儀表的背景色調(diào),還要使所顯示的信息清晰、醒目。保證信息醒目的途徑主要是使前景和背景有鮮明的顏色對比。比如要匹配儀表上的數(shù)字和背景顏色,最清晰的配色方案是黑底黃字,最模糊的配色方案是黑底藍(lán)字。在實(shí)際使用中,由于黑白兩種顏色比較容易掌握,常采用黑底白字或白底黑字的配色方案[7]。

        2.4 組合儀表的防炫目設(shè)計(jì)

        透過前風(fēng)窗玻璃、天窗和側(cè)窗的外界光線可能會經(jīng)過組合儀表玻璃罩的反射進(jìn)入駕駛員的眼睛,對駕駛員造成炫目,令駕駛員感覺不適,甚至?xí)?dǎo)致交通事故,影響汽車的行駛安全性。所以在組合儀表玻璃罩的設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)充分考慮這一點(diǎn),通過合理設(shè)計(jì)組合儀表玻璃罩和儀表帽檐高度來盡量減小炫目現(xiàn)象的發(fā)生。

        在日常行駛中,對駕駛員造成炫目的主要因素包括以下幾方面:

        ?透過前風(fēng)窗玻璃的外界光線,經(jīng)組合儀表玻璃罩的反射有可能進(jìn)入駕駛員眼睛,對駕駛員造成炫目;

        ?透過天窗玻璃的外界光線(天窗開啟狀態(tài)),經(jīng)組合儀表玻璃罩的反射可能進(jìn)入駕駛員眼睛,使駕駛員感覺炫目,形成安全風(fēng)險(xiǎn);

        ?透過側(cè)窗玻璃的外界光線,經(jīng)組合儀表玻璃罩的反射有可能進(jìn)入駕駛員眼睛對駕駛員造成炫目;

        ?夜間行車時(shí),組合儀表發(fā)出的光線經(jīng)前風(fēng)擋玻璃的反射有可能進(jìn)入駕駛員眼睛,對駕駛員造成炫目;

        組合儀表玻璃罩和儀表帽檐確定的過程中,應(yīng)充分考慮上面4項(xiàng)因素,下面將詳細(xì)闡述組合儀表罩和儀表板帽檐高度的確定。

        3.2.4 杜絕較難測量出入量項(xiàng)目漏記現(xiàn)象的發(fā)生 避免對汗液、痰液、傷口引流液等較難測量項(xiàng)目的漏記,如果大便、痰液收集器未測量即倒去,應(yīng)該在護(hù)理監(jiān)護(hù)單上實(shí)時(shí)標(biāo)明并估算相應(yīng)的出量,對出汗和滲出液的計(jì)量可分別采用稱量衣服和敷料紗布重量增多的方法,呼吸道的蒸發(fā)等項(xiàng)目可依據(jù)患者的實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)折算或測算,例如正常成人每天呼吸道失水約350 ml,如有氣管插管、切開或上呼吸道感染患者則失水量應(yīng)增多。

        ◆組合儀表玻璃罩的確定

        ?組合儀表玻璃罩形式的選擇

        組合儀表玻璃罩固定在儀表表盤之上,用來保護(hù)表盤不受損壞。通常儀表罩不選用平面玻璃,以避免駕駛員在讀取儀表信息時(shí),在玻璃表面上看到自己的影像,產(chǎn)生日常生活中所謂的“照鏡子”現(xiàn)象。選用適當(dāng)曲率的儀表罩可使入射光形成漫反射,避免面罩反光。組合儀表玻璃罩一般分為上寬下窄(見圖10)和上窄下寬(見圖11)兩種形式,優(yōu)缺點(diǎn)詳見表2;

        圖10 組合儀表玻璃罩(上寬下窄)

        圖11 組合儀表玻璃罩(上窄下寬)

        表2 組合儀表優(yōu)缺點(diǎn)

        ?組合儀表罩曲面玻璃的選擇

        為使面罩工藝簡單、造型美觀,儀表罩曲面玻璃一般采用定曲率單曲面反內(nèi)凹設(shè)計(jì),曲率不易過小,以保證較好的防炫目效果。表3列出了幾款車儀表罩的曲率。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中,可參照對標(biāo)車型并結(jié)合造型確定儀表罩的曲率。

        表3 組合儀表罩曲率

        ◆組合儀表帽檐高度的確定

        儀表帽檐的作用主要是防止從前風(fēng)窗、側(cè)窗和天窗入射的光線經(jīng)儀表罩的反射對駕駛員造成炫目,儀表帽檐的設(shè)計(jì)一般應(yīng)滿足以下幾方面的原則:

        ●儀表帽檐的高度不能影響駕駛員的下視野;

        ●能夠遮擋來自前風(fēng)窗、側(cè)窗和天窗的外界光線,避免對駕駛員造成炫目;

        ●造型美觀,符合大眾的審美要求;

        ●保證儀表板良好的工藝性;

        儀表帽檐的高度確定主要考慮以下幾方面的因素:

        ?考慮從前風(fēng)窗、天窗和側(cè)窗的外界光線來確定儀表帽檐的高度

        儀表帽檐的高度要能夠保證透過前風(fēng)窗的光線經(jīng)儀表罩反射后,反射光線不能進(jìn)入駕駛員的眼睛。如圖12所示,對于上窄下寬式儀表,取儀表對稱面內(nèi)儀表罩上的一點(diǎn)d,過d做眼橢圓上部的切線de,做de經(jīng)組合儀表罩的反射線df,調(diào)整d點(diǎn)的位置,使hg值最大,則df為儀表帽檐高度的最小控制線。超過該線的任意高度都能夠遮蔽來自前風(fēng)窗的外界光線,避免此類光線對駕駛員造成炫目;

        圖12 儀表帽檐高度的確定

        對于上寬下窄式儀表,如圖13所示,從眼橢圓發(fā)出的光線經(jīng)組合儀表罩的反射后均向下,對儀表帽檐的高度沒有具體要求;

        圖13 儀表帽檐的高度的確定

        同理,根據(jù)側(cè)窗入射光線可以確定儀表帽檐兩側(cè)的高度,如圖14所示。

        圖14 儀表帽檐兩側(cè)的高度

        ?考慮從夜間儀表發(fā)光來確定儀表帽檐的高度將夜間發(fā)光的儀表作為光源,如圖15所示,若從儀表最下邊緣發(fā)出的光線經(jīng)前風(fēng)窗反射后不進(jìn)入駕駛員眼睛,則儀表其他部位發(fā)生的光線經(jīng)前風(fēng)窗反射后也不會進(jìn)入駕駛員眼睛

        根據(jù)這一理論,運(yùn)用光學(xué)成像原理,從儀表對稱中心面最下緣點(diǎn)a做前風(fēng)窗的反射點(diǎn)b,做直線ab經(jīng)前風(fēng)擋玻璃的反射線bc,調(diào)整b點(diǎn)在前風(fēng)窗玻璃的位置,使bc與眼橢圓上部相切。則ab為此狀態(tài)下確定儀表帽檐的最小高度,超過該線的任意高度都能保證儀表的發(fā)光不會對駕駛員造成炫目。

        圖15 從夜間儀表發(fā)光來確定儀表帽檐的高度

        夜間儀表發(fā)出的燈光會入射到側(cè)窗玻璃內(nèi)表面上,經(jīng)側(cè)窗玻璃內(nèi)表面反射后進(jìn)入到駕駛員眼睛里,這可能會引起眩目,增加了安全駕駛風(fēng)險(xiǎn)。按照上述原理可以確定儀表罩帽檐的兩側(cè)高度,如圖16所示:

        圖16 儀表罩帽檐的兩側(cè)高度確定原則

        綜合考慮上述幾方面因素,在確定組合儀表帽檐的高度后需校對方向盤與帽檐之間的距離,確認(rèn)方向盤與帽檐之間的最小距離是否滿足60 mm的間隙要求。

        3 模型驗(yàn)證及主觀評價(jià)

        當(dāng)組合儀表布置完成后,應(yīng)制作模型進(jìn)行驗(yàn)證,并組織不同百分位的人群進(jìn)行主觀評價(jià),確認(rèn)儀表的布置能否滿足絕大多數(shù)駕駛員的舒適度要求。

        ◆評價(jià)人員選擇

        ?評價(jià)人員應(yīng)至少具備兩年及兩年以上駕齡,且對汽車結(jié)構(gòu)有一定的了解,保證能夠?qū)υu價(jià)項(xiàng)目給出合理性的建議;

        ?評價(jià)人員應(yīng)盡量與開發(fā)車型的目標(biāo)用戶一致,身高范圍應(yīng)盡量包含低、中和高等各種身材,且同一身材人員數(shù)量不少于三名;

        ◆評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

        所有評價(jià)人員評分標(biāo)準(zhǔn)一致,評分標(biāo)準(zhǔn)采用“五分制”,評價(jià)前應(yīng)對評價(jià)人員進(jìn)行培訓(xùn),以確保在相同條件下,對同一項(xiàng)目不同人員給出的評價(jià)分?jǐn)?shù)應(yīng)盡量一致,評分標(biāo)準(zhǔn)見表4。

        表4 評分標(biāo)準(zhǔn)

        4 結(jié)論與展望

        本文基于人機(jī)工程學(xué)詳細(xì)闡述了組合儀表的設(shè)計(jì),針對儀表的布置尤其是儀表初期的布置進(jìn)行了較為詳細(xì)的描述,能夠?yàn)榭偛贾萌藛T在前期布置組合儀表時(shí)提供較好的參考。

        對于本文的研究內(nèi)容,尚有許多問題仍待完善,比如儀表字體大小的規(guī)定及儀表背景顏色的搭配,涉及很多造型的東西需要后續(xù)完善和補(bǔ)充。

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