高 矚 曹詩瑾 西安理工大學,上海工程技術(shù)大學

隨著自動駕駛汽車的快速發(fā)展,旅游觀光車因交通主體相對固定,行駛路線、路況、網(wǎng)絡環(huán)境相對穩(wěn)定,已最先實現(xiàn)汽車的自動駕駛。自動駕駛技術(shù)使觀光車內(nèi)飾從以駕駛員為中心的單一格局轉(zhuǎn)變?yōu)橐杂脩粜枨鬄橹行牡亩嘣贾肹1]。自動駕駛觀光車伴隨著駕駛位的消失,其內(nèi)部工程布局、操作方式、交互方式較非自動駕駛觀光車發(fā)生了很大的變化[2]。座椅設計、車載顯示、操控顯示臺設計的合理性影響到乘坐的舒適性、安全性與人員操作準確性,亟待加強車內(nèi)艙的人機工程學研究。

系統(tǒng)仿真具有成本低、工期短、可靠性高等優(yōu)點[3],本文使用Jack 軟件對自動駕駛觀光車內(nèi)飾中的人-機環(huán)境系統(tǒng)進行仿真分析,分析座椅、車載顯示、操控臺的設計合理性,操作中的安全性、舒適性,從而指導自動駕駛觀光車內(nèi)飾的設計。

1 自動駕駛觀光車JACK 仿真流程

1.1 自動駕駛觀光車三維模型建立

JACK 是一款集數(shù)字人體建模、三維仿真、人機工效學分析為一體的人機工程仿真軟件,可有效輔助提高作業(yè)和生產(chǎn)效率[4]。JACK 中的中國人體模型可為觀光車內(nèi)飾分析提供有效的支持,分析流程如圖1所示,將自動駕駛觀光車內(nèi)飾使用Rhino 建模,如圖2,導入JCAK 軟件仿真分析。

圖1 Jack 人機工程仿真流程

圖2 自動駕駛觀光車內(nèi)飾模型

1.2 虛擬人體模型建立

使用JACK 軟件內(nèi)的人體模型設置,參數(shù)選擇Chinese,即GB10000-1988《中國成年人體尺寸》尺寸數(shù)據(jù)[5]。觀光車內(nèi)飾空間設計為滿足大多數(shù)乘客,選擇第5 百分位成年女性、第95 百分位成年男性分別代表最小、最大身材尺寸,人體模型尺寸見圖3。將自動駕駛觀光車模型導入JACK 中進行驗證。在軟件中,數(shù)字人體與觀光車為同等比例。Jack 軟件中用于仿真的數(shù)字人體模型見圖3。

圖3 第5 百分位女性及第95 百分位男性模型人體模型尺寸

2 自動駕駛觀光車內(nèi)飾人機功效仿真分析

2.1 H 點確定

H 點又稱跨點,指二維或三維人體模型中人體軀干與大腿的連接點[6],它表示乘員入座后在車內(nèi)的實際位置。H 點與坐姿舒適性與操作方面性密切相關(guān),是內(nèi)飾布置的重要基準點[7]。H 點位置過高部分乘客不能在正常坐姿下踩踏地板,H 點過低約束乘客的操作,降低舒適度。

本文H 點的確認采用SAE 推薦的H 點事宜法[8],以坐姿狀態(tài)下第五百分位成年女性和第95百分位成年男性腳掌為基準面,腿厚分別為108,151 mm,腳掌厚分別為56,67mm,坐姿膝高分別為421,524 mm。X 為H 點距離腳后跟的長度,Z為H 點距離腳掌面的長度,得到滿足第5 百分位女性至第95 百分位男性人群的范圍值為(X,Z)=(403～474,257～306)mm。

2.2 內(nèi)飾座椅分析

2.2.1 座椅尺寸參數(shù)

觀光車座椅分為座椅+底座結(jié)構(gòu),底座在車內(nèi)固定。座椅參照我國成年人尺寸國家標準GB10000-8883 及汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法GB15083-200684 設計。座椅尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 觀光車座椅尺寸

2.2.2 前后排座位腿部空間校核

觀光車腿部空間的校核標準,以第95 百分位的男性人體為測量對象。前后排乘員腿部空間校核的測量對象為乘員小腿與足部夾角保持97°時乘員的腿部空間,如圖4。經(jīng)測量,觀光車第一排座位腿部空間位625 mm,后排座位腿部空間548 mm,符合經(jīng)驗值范圍。

圖4 前后排座位腿部空間示意圖

2.2.3 座椅舒適性校核

Jack 軟件舒適度分析包含人體各主要關(guān)節(jié),是衡量觀光車內(nèi)飾人機功效的的重要指標[9]。觀光車內(nèi)飾座椅尺寸影響成員在乘坐過程中的坐姿舒適度,對座椅進行舒適度分析,選取第5 百分位女性及第95 百分位男性模型,選取人體標準坐姿,對虛擬人體模型坐姿進行定位,乘員小腿與足部夾角保持97°的約束,如圖5。

圖5 男性乘員坐姿模擬

使用JACK 工具中的Comfort Assessment(舒適度評估)中的Porter 指標對觀光車座椅的舒適度進行分析。Porter 分析關(guān)節(jié)的合理彎曲度,分析結(jié)果中綠色表示關(guān)節(jié)彎曲度在舒適范圍內(nèi),黃色表示超過范圍值,橙色線表示關(guān)節(jié)彎曲的限定范圍,絕對值越趨近于0,則舒適度越高,越大,則舒適度越低。分析結(jié)果如圖6。

圖6 座椅舒適度分析結(jié)果

通過分析結(jié)果可以得出,男性和女性乘員人體仿真模型在限定坐姿下的人體關(guān)節(jié)角度均在舒適范圍內(nèi),女性正常坐姿下的H 點位置過高部分能在正常坐姿下踩踏地板。

2.3 內(nèi)飾顯示界面視域分析

自動駕駛觀光車內(nèi)飾中的顯示屏區(qū)別于普通轎車,設計了大尺寸屏幕。利用JACK 軟件中的Visual Fields(視域)工具對人體模型的視域范圍仿真,將第5 百分位女性的人體模型加以約束條件,將視線注視點設為屏幕中心,第一排至第四排的視域長度分別設為80 cm、160 cm、240 cm、320 cm,視域仿真結(jié)果如圖7。乘員注視顯示屏時的視域良好。

圖7 視域仿真分析結(jié)果

使用View Cones(視錐)仿真,分析從乘員眼睛所看到的視域立體,設定圓錐角為50°,圓錐長度分別設為80 cm、160 cm、240 cm、320 cm,分別為仿真結(jié)果如圖8。結(jié)果顯示顯示屏設計的視角范圍合適,乘員對屏幕大適應性良好。

圖8 視錐仿真結(jié)果

2.4 內(nèi)飾控制界面人機分析

2.3.1 可達域分析

觀光車內(nèi)飾控制界面是乘員對觀光車的操控區(qū)域,其控制裝置主要包括屏幕操作、按鈕操作與手勢。合理的界面布置尺寸可以提高乘員的操控效率、操控舒適性與準確性。使用Reach Zones(可達空間)工具對控制界面的可達域分析,設置第5百分位女性與第95 百分位男性人體模型為正常坐姿,描繪出乘員左手最大可觸及范圍,分析結(jié)果為圖9,半圓為乘員右手的可達區(qū)域。圖9左邊結(jié)果顯示,緊靠肩周的活動,女性乘員在正常坐姿下對控制界面的觸碰較為困難,無法覆蓋全部控制界面。圖9右邊顯示,男性乘員在正常坐姿下可達域能夠覆蓋控制界面。

圖9 女性腰部聯(lián)合運動可達域分析結(jié)果

圖9 正常坐姿可達域分析

因控制界面右前方,對女性人體模型進行調(diào)整,在控制中腰部彎曲度調(diào)整為50.3,腰側(cè)角調(diào)整為-18.8 進行仿真,可以判斷乘員在腰部聯(lián)合運動下的可達域范圍。圖10 仿真結(jié)果顯示控制界面的可完全覆蓋在乘員可達范圍內(nèi),操縱適應性較好。

2.3.2 工作姿勢分析

Jack 軟件中Ovako(工作姿勢分析)可評價背部、手臂和腿部工作姿勢的舒適度。分別對第5 百分位女性腰部聯(lián)合運動與第95 百分位男性正常坐姿時操作顯示屏的工作姿勢進行分析,分析結(jié)果為圖11。結(jié)果顯示,女性在腰部運動狀態(tài)下姿勢評價等級為2,控制界面的布置使第5 分位女性人體模型操作時有一定不適,需要進行調(diào)整,避免乘員在操作達到極限時舒適度降低。男性在正常坐姿下操作舒適度評價等級為1,該界面的人機尺度在男性的合理范圍內(nèi)。

圖11 工作姿勢分析結(jié)果

2.3.3 下背部受力分析

Lower Back Analysis(下背部分析)是Jack 軟件重要的分析工具之一,對特定情況下人體模型L4/L5 脊椎處的壓力分析,并與NOISH 推薦壓力極限(3400N)對比仿真任務是否超過壓力極限,否則會增加對乘員下背部受傷概率,進而優(yōu)化工作姿勢。

在分析乘員操控行為時,由于乘員會對控制界面出力,因此給人體模型右手添加25N 的力進行下背部受力仿真分析,得出L4/L5 脊椎處的拉力、扭矩與肌肉受力,分析結(jié)果如圖12 所示。由分析可知,第5 百分位女性模型在操作過程中下背部受力為950N,第95 百分位男性模型下背部受力1050N,均小于NOISH 的3400N 壓力極限。乘員肌肉之間拉力、L4/L5 脊椎處的受力較小,乘員為較舒適姿勢。

圖12 下背部受力分析結(jié)果

2.3.4 舒適度分析

利用Jack 工具中Porter 的舒適度分析參數(shù)對人體模型操控時給定約束的姿勢進行仿真分析。分析結(jié)果為圖13,結(jié)果表明女性人體模型操作控制界面時的上肢以及頭部舒適度對比男性均較低。

圖13 舒適度分析結(jié)果

3 設計優(yōu)化

3.1 座椅與控制界面的優(yōu)化

通過Jack 軟件人機功效分析中可以得出,本文自動駕駛觀光車內(nèi)飾設計存在兩點必須優(yōu)化的問題:

1.座椅高度尺寸不滿足低百分位乘員的使用需求,需要增加座椅調(diào)控機械裝置,調(diào)節(jié)佐以高度,能夠更大范圍內(nèi)符合5%～95%之間的人體尺寸。

2.內(nèi)飾控制界面的屏幕距離乘員較遠,不滿足低百分位乘員右臂可達域范圍,操作時在腰部聯(lián)合運動狀態(tài)下舒適度較低,上肢舒適度結(jié)果較低。對于這部分的操作屏,可對操作屏的位置做出調(diào)整,使其更靠近乘員,滿足5%分為的人體尺寸,并增加控制界面的調(diào)節(jié)裝置,乘員可調(diào)節(jié)到自己舒適度控制角度。根據(jù)分析結(jié)果對自動駕駛觀光車內(nèi)飾進行優(yōu)化,得到下圖14 的最終優(yōu)化方案。

圖14 優(yōu)化結(jié)果

3.2 優(yōu)化結(jié)果對比

將優(yōu)化后的模型導入JACK 軟件仿真分析,如圖15。測得第五百分位女性模型H 點X 值在適宜范圍內(nèi),乘坐舒適度提升。

圖15 優(yōu)化模型分析

設置第5 百分位女性為正常坐姿,描繪乘員右手可達區(qū)域,圖16 可達域分析結(jié)果表示優(yōu)化后女性可在正常坐姿下使用控制界面。對第5 百分位女性正常坐姿時操作顯示屏的工作姿勢進行分析,分析結(jié)果為圖17。結(jié)果顯示該狀態(tài)下人機尺度在合理范圍內(nèi)

圖16 可達域優(yōu)化結(jié)果

圖17 優(yōu)化工作姿勢分析

女性正常坐姿下操作任務進行Porter 分析,優(yōu)化后的分析結(jié)果如圖18,Porter 數(shù)值絕對值有一定量減小,整體舒適度得到改善,優(yōu)化前后舒適度對比如表2。

表2 Porter 舒適度分析對比

4 結(jié)論

在自動駕駛模式下,觀光車內(nèi)飾布置設計有所改變,為找到滿足于此情況下乘客活動的最佳狀態(tài),提高乘坐的舒適性、安全性與操作準確性,本文運用Jack 人機工程學軟件分析自動駕駛觀光車內(nèi)飾布局。對座椅、顯示界面、控制界面進行仿真,尋求自動駕駛觀光車內(nèi)飾設計的不足,依照仿真結(jié)果進行問題分析,并設計優(yōu)化。對優(yōu)化后的模型再次進行仿真檢驗,驗證了結(jié)果的有效性。