基于虛擬人的駕駛艙布局分析*

□ 智睿瑞 □ 劉社明

西北工業(yè)大學(xué) 機電學(xué)院 西安 710072

駕駛艙布局不合理會直接影響到駕駛員的操作安全、操作舒適性，還會引起誤操作及疲勞駕駛?，F(xiàn)有的駕駛艙布局評價方法主要是傳統(tǒng)樣機評價法，這種方法需要實物樣機作基礎(chǔ)，研發(fā)周期長、成本高，評估時是由數(shù)名操作者或者工效學(xué)家親身體會得出評價結(jié)論。由于評價個體之間存在的差異，使分析結(jié)果太過片面，這樣的評價沒有一個完整的體系，在理論研究上缺乏科學(xué)依據(jù)，而且耗費大量的人力、物力、財力。隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)逐漸成熟［1］，尤其是近年虛擬人技術(shù)的發(fā)展，解決以前虛擬制造技術(shù)中缺乏有效的人機交互評價機制的問題。虛擬人技術(shù)被廣泛應(yīng)用到各領(lǐng)域，其中以人體各項參數(shù)為基礎(chǔ)創(chuàng)建的虛擬人模型，通過與虛擬環(huán)境或者虛擬樣機的結(jié)合，模擬各種工作狀態(tài)或流程，使用戶具有更強的沉浸感、交互感、想象力［1-2］，在設(shè)計初期就可展開分析，避免在實物樣機上修改所浪費的巨額成本，這樣做還可以縮短研發(fā)周期。

本文選擇JACK軟件創(chuàng)建駕駛艙布局分析所需符合我國駕駛員的1%、50%、99%的虛擬人。應(yīng)用虛擬人對駕駛艙的布局進行仿真分析，包括舒適度分析、可視域分析、可達(dá)域分析等，為駕駛艙的布局設(shè)計提出改進意見，這樣既可以縮短設(shè)計周期，減少設(shè)計成本，又可以使駕駛艙內(nèi)布局合理，最終提高駕駛員的駕駛安全性、舒適性、高效性。

1 虛擬人技術(shù)概述

早期虛擬人的研究主要集中在如何構(gòu)建外觀真實的靜態(tài)人體模型，后來逐漸發(fā)展為創(chuàng)建、編輯虛擬人的動作以及處理虛擬人在運動過程中的變形。

虛擬人技術(shù)在國外的研究起步較早，經(jīng)過多年的技術(shù)積累，形成了多個著名的虛擬人研究團隊，也取得了 巨 大的研究成果［2］。 由 Magnenat-Thalmann和Thalmann所帶領(lǐng)的研究團隊是比較著名的一支；另一個比較著名的研究團體是美國賓夕法尼亞大學(xué)由Norman Badler領(lǐng)導(dǎo)的人體建模與仿真中心(Human Modeling simulation Center，該中心成功開發(fā)了著名的虛擬人體仿真軟件JACK。另外，斯坦福大學(xué)的虛擬人交互實驗室(virtual Human Interaction Lab）和加利福尼亞大學(xué)的虛擬環(huán)境和行為研究中心 (Research Center for virtual Environments and Behavior)，也在虛擬人研究方面做了大量的研究工作。

國內(nèi)開展虛擬人研究較晚，與國外相比在研究廣度、深度上還有差距［3］。國內(nèi)目前的研究方向主要集中在虛擬人逼真建模表示及行為建模、運動控制等方面［4］。

目前虛擬人技術(shù)的應(yīng)用主要集中在以下幾個領(lǐng)域［5］：軍事仿真、人體工效學(xué)、碰撞分析、產(chǎn)品設(shè)計與工作空間評估、虛擬病人。除此之外，虛擬人技術(shù)還在輔助教育、電子商務(wù)、運動分析、運動表示、數(shù)字媒體和娛樂、虛擬會議、虛擬角色等方面得到廣泛應(yīng)用。

2 虛擬人建模

目前，市場上的虛擬人軟件比較多，在這里簡單介紹幾種典型的虛擬人軟件，國外的 DI-Guy［6］、VL Net、JACK 和國內(nèi)的 Joint Motion［4］，見表 1。

其中，JACK是美國賓夕法尼亞大學(xué)人體仿真與建模中心(Center for Human Modeling and Simulation)研制的［8］，是目前全球范圍內(nèi)最為成熟的一款虛擬人建模建模軟件，基本功能包括虛擬環(huán)境構(gòu)建、虛擬人構(gòu)建、虛擬人尺寸定義、虛擬環(huán)境中的人體定位、虛擬人任務(wù)指派和虛擬人感覺評價。

表1 虛擬人軟件的功能及分類

Joint Motion是中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所數(shù)字化技術(shù)研究室開發(fā)的一個虛擬人運動合成系統(tǒng)。在Joint Motion中使用定位跟蹤器和數(shù)據(jù)手套，可以同時測量并計算出人體雙手肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)以及各手指指關(guān)節(jié)的角度、人體頸部關(guān)節(jié)的角度，并以此確定人體上肢(包括頭部)的運動。

人體建模就是建立合適的可視化人體模型，現(xiàn)在的人體建模方法不止一種，而隨著研究的不斷深入還會出現(xiàn)一些新的人體建模方法。如圖1所示，人體建模方法可以簡單劃分為線框建模、實體建模、曲面建模、基于物理的建模等［9］，各種方法有它們各自的優(yōu)缺點，實際進行人體建模時應(yīng)根據(jù)具體情況采用合適的方法。

▲圖1 虛擬人建模方法

▲圖2 1%、5%、99%虛擬人模型

▲圖3 【Body Part Scaling】命令

▲圖5 KRIST舒適度分析結(jié)果

行為建模就是研究虛擬人的姿態(tài)與表情隨時間變化的問題，也就是說虛擬人除了幾何屬性外，還需要有逼真的行為特性［7］。虛擬人的行為特性需要滿足物理力學(xué)規(guī)律，是一種物質(zhì)的運動，同時也是人的一種智能活動，反映了人的智能思維，因此，虛擬人的行為可以分為簡單行為(動作)和智能行為(例如，尋找目標(biāo)，路徑規(guī)劃等)。相應(yīng)的虛擬人行為建模方法可以分為低層方法與高層方法，低層方法在控制虛擬人運動時，直接指定虛擬人運動參數(shù)，如關(guān)節(jié)角度值或每個關(guān)節(jié)的位置，高層運動控制方法則是在低層運動控制方法的基礎(chǔ)上，控制虛擬人的運動，如虛擬人行走，可以指定行走的速度、方向等。虛擬人行為建模方法也可以分為簡單行為建模方法和復(fù)雜行為建模方法，其中復(fù)雜行為建模方法包括：關(guān)鍵幀方法、反向運動學(xué)方法、動力學(xué)方法、運動撲捉方法等。

3 駕駛艙布局分析流程

布局分析需要兩個基本條件：一是用于充當(dāng)駕駛員角色的虛擬人，另一基本條件是分析對象，這里指的是駕駛艙工程模型，當(dāng)具備這兩個基本條件之后，就可以構(gòu)成駕駛員在駕駛艙中工作的虛擬場景。

▲圖4 布局分析流程圖

虛擬人，即分析主體的建立一般是在虛擬人軟件中構(gòu)建，在這里選擇JACK軟件創(chuàng)建用于駕駛艙工效分析的駕駛員虛擬人模型，分別選擇1%、5%、99%數(shù)字人，如圖2所示，本例中創(chuàng)建的是駕駛員的人體模型，需要重點關(guān)注的是【Stature】、【Abdominal Depth】、【Sitting Eye Height】、【Sitting Knee Height】等值，在創(chuàng)建完成虛擬人模型時，需要注意檢查創(chuàng)建的數(shù)字人模型的各部位幾何形態(tài)是否有異常現(xiàn)象，比如頸部太短、手臂太長、臀部太大、大腿太長等問題，可以通過【Body Part Scaling】如圖3命令對存在問題的部位進行調(diào)整。

分析對象的建立一般都是在其它3D軟件中建好之后導(dǎo)入JACK，這里選擇CATIA作為駕駛艙建模平臺。

當(dāng)具備這兩個基本條件之后，將CATIA工程模型通過VRML等格式導(dǎo)入JACK［8］，創(chuàng)建的虛擬人模型和導(dǎo)入的CATIA工程模型共同構(gòu)成駕駛艙虛擬場景。當(dāng)構(gòu)建好仿真環(huán)境之后，就可以利用JACK中的人機工效分析工具進行舒適性、可達(dá)域、可視域、下背部受力分析，整個布局分析流程如圖4所示。

4 駕駛艙布局分析

4.1 駕駛舒適度評價

▲圖6 反光鏡是否在向上視野范圍

▲圖7 儀表盤視野

▲圖8 95%坐姿可達(dá)域

座椅設(shè)計好壞與否直接關(guān)系到駕駛者操作是否方便、高效、舒適、安全，以及是否容易產(chǎn)生疲勞。

為了滿足不同身材駕駛員的視野要求和操作時的舒適性，座椅的前后方向和上下方向均設(shè)計成可調(diào)。座椅的標(biāo)準(zhǔn)位置滿足中等身材駕駛員的乘坐要求，向上向前調(diào)節(jié)座椅應(yīng)該滿足小身材駕駛員，最上最前應(yīng)滿足5%駕駛員要求，同樣向下向后調(diào)節(jié)座椅應(yīng)該滿足大身材駕駛員，最下最后應(yīng)該滿足95%駕駛員要求。

舒適度分析主要有單關(guān)節(jié)舒適度分析和多關(guān)節(jié)度舒適度分析［9］，在這里選擇 JACK 中的【KRIST】［10］工具對駕駛姿勢的數(shù)字人模型在座椅上的全身舒適度進行分析，所謂的多關(guān)節(jié)舒適度分析是對整體姿勢的舒適度分析而不是某個關(guān)節(jié)。舒適度的判斷是通過對某個百分位虛擬人模型的被測試姿勢分析得到的，KRIST對舒適的分析結(jié)果是通過0～80之間的一個數(shù)字來評價，數(shù)字越少表示舒適度越大，此數(shù)據(jù)中涉及的身體部位包括頸部、背部、臀部、左右手臂、左右腿部等。圖5為KRIST對駕駛姿勢時95%的虛擬人模型的舒適度分析，結(jié)果表明，駕駛姿勢時駕駛員虛擬人模型坐在座椅上的舒適度是符合生理要求。如果顯示出現(xiàn)黃色，甚至是紅色直方圖，說明在該狀態(tài)下舒適性差，【KRIST】的分析結(jié)果中會給出改進意見。

4.2 可視域評價

視野在駕駛員操作工程中起到極其重要的作用，它包括反光鏡是否在向上視野內(nèi)、左右儀表面板視野。顯示面板是人機交互中的重要部分，通過顯示面板可以了解運動狀態(tài)、設(shè)備的各項運行參數(shù)，進而快速、準(zhǔn)確的完成操作。顯示面板的設(shè)計應(yīng)當(dāng)符合人眼睛的觀察習(xí)慣，以便減少差錯概率。

通過JACK的【Vision Analysis】工具對這些視野進行分析，過程如圖6、7所示。

從圖6分析可以看出，該反光鏡上部不在視野范圍內(nèi)，需將反光鏡向下調(diào)節(jié)25 mm。圖7左右儀表位置合理，能滿足視野要求。儀表盤設(shè)計符合視野要求。

4.3 可達(dá)域評價

JACK中的【Reach Zones】工具可以分析駕駛員手部可觸及范圍，這里主要分析儀表板及內(nèi)后視鏡是否可以在駕駛員坐姿狀態(tài)下進行調(diào)整。

控制臺屬于駕駛艙中的核心部件，它直接關(guān)系到駕駛的速度、安全、高效等問題；內(nèi)后視鏡在行車過程中也發(fā)揮著重要的作用。選擇95%的虛擬人進行分析，如圖8所示，可以看出控制臺和后視鏡均在坐姿狀態(tài)下可達(dá)范圍之內(nèi)。

5 結(jié)論

本文將虛擬人技術(shù)應(yīng)用于駕駛艙布局評價中，提出了一種基于虛擬人的駕駛艙布局分析方法，通過JACK軟件中的工效分析工具對駕駛艙的駕駛舒適性、可視性、可達(dá)域等方面做了深入的評價分析，提出修改意見，使駕駛艙在打樣前就到達(dá)較高的品質(zhì)，這樣即縮短了開發(fā)周期，又降低了開發(fā)費用和返工率。提出的基于虛擬人的駕駛艙布局分析方法對提高駕駛艙安全、舒適、高效具有一定的理論參考價值，而且具有一定的經(jīng)濟效益。但是本例僅對仿真駕駛艙內(nèi)的部分部件進行了工效分析，以后還應(yīng)該對艙內(nèi)的其它部件：腳踏板的舒適性、艙內(nèi)燈光布局等進行深入研究，這樣才能使人機工效真的融入駕駛艙設(shè)計。

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