基于中國人體眼橢圓的汽車HMI設(shè)計研究

中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津大學 鞠偉男 劉麗萍 溫泉

關(guān)鍵詞：眼橢圓;中國人體特征;HMI;設(shè)計建議

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展及消費者對舒適性、交互性關(guān)注度的提升，HMI設(shè)計越來越多地被提及。汽車HMI設(shè)計是一個比較特殊的領(lǐng)域，與傳統(tǒng)意義上的HMI（Human Machine Interface）有一定的區(qū)別。汽車是一個復雜的人——機——環(huán)境交互的工具，并且隨著技術(shù)的發(fā)展，汽車正在從一個單純的運載工具，逐漸演變成與人進行復雜交互的載體。

汽車強國均擁有一套符合本國國情的人機體系，例如，美國汽車工程師協(xié)會（SAE）人機體系、日本人機體系、德國人機體系等。統(tǒng)計全球前四大汽車市場銷量數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，除中國外，均是本國品牌占據(jù)銷量榜前三的位置。中國目前人機設(shè)計體系還為空白，企業(yè)設(shè)計大都參考SAE規(guī)范進行簡單修正，是導致中國自主品牌車輛產(chǎn)品力不足的原因之一。

眼橢圓作為人機體系重要組成部分之一，在整車視野設(shè)計、交互設(shè)計中發(fā)揮著重要作用。1975年Ishida等人對日本駕駛員眼橢圓與SAE眼橢圓進行對比研究后發(fā)現(xiàn)，日本人體眼橢圓定位中心比SAE靠后，論文中給出的解釋是可能由于日本駕駛員大都傾向于手臂伸直駕駛，導致乘坐位置靠后。由此可見，眼點位置并非完全由人體基本尺寸決定，與種族、人群的生活習慣、文化差異等也存在一定聯(lián)系。本文將簡述中國人體眼橢圓的構(gòu)建方法，與SAE眼橢圓進行對比分析，最終為汽車HMI設(shè)計提供建議。

1眼橢圓基本概念

眼橢圓是“駕駛員眼睛位置”的一種統(tǒng)計表示法，在車輛三維空間中，不同身高、不同性別的眼點在空間內(nèi)聚合成橢圓狀。經(jīng)統(tǒng)計分析處理，可得到左右各一，分別代表左右眼點的分布圖形，簡稱為“眼橢圓”。

2基于中國人體眼橢圓的汽車HMI設(shè)計流程

2.1數(shù)據(jù)采集

2.1.1試驗樣本

樣本的選擇是眼點數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，樣本選擇的精度將直接決定數(shù)據(jù)采集的準確性。本次試驗運用最新的中國人體數(shù)據(jù)庫。

采用統(tǒng)計學方法，選取500樣本，其中男性258名，女性242名;身高分布在148cm～181cm之間，平均身高162.4cm，符合正態(tài)分布;體重分布在40kg～92kg之間，平均體重65.7kg;年齡分布在17歲～70歲之間，平均年齡43.5周歲。

2.1.2試驗樣車

所選樣車人機參數(shù)范圍覆蓋A類車范圍，涵蓋美系、法系、德系、日韓、國產(chǎn)等多種車系;群眾基礎(chǔ)良好;行駛里程不超過1萬公里。本次試驗共選擇大眾CC、哈弗H9、卡羅拉、帕薩特、福特銳界、逍客、大眾高爾夫、大眾途觀8輛樣車。

2.1.3試驗設(shè)備

試驗對整車坐標系下樣車及被試進行掃描得到點云數(shù)據(jù)，為保證較高的點云質(zhì)量，試驗使用兩種掃描設(shè)備結(jié)合的方式進行掃描。形創(chuàng)HandySCAN 700用于掃描樣車整體結(jié)構(gòu)，精度0.002mm。GO SCAN用于掃描人體駕乘姿態(tài)及車輛內(nèi)外飾，精度0.1mm。

2.1.4試驗方法

1）信息統(tǒng)計。統(tǒng)計被試性別、年齡、身高、體重等基本信息。

2）掃描前準備。向被試介紹數(shù)據(jù)采集流程及注意事項，要求試驗對象穿著白色緊身衣褲、白色或者灰色等暗色調(diào)鞋子（或套上白色鞋套，建議穿運動鞋），頭戴白色泳帽（頭發(fā)不能露出），身上不能佩戴首飾;并在被試關(guān)鍵特征點位置粘貼標記點，包括肩點、膝蓋、肘部等部位。

3）眼點數(shù)據(jù)掃描。樣本坐在車輛主駕位置，調(diào)整座椅、方向盤至舒適位置，佩戴安全帶，雙手握方向盤，左腳放置于擱腳板，右腳放置于油門踏板（不用力踩油門），目視前方，模擬正常開車狀態(tài)。對樣本駕乘姿態(tài)進行掃描，要求各特征掃描完整，特別是臉部、頭部。

2.1.5眼點數(shù)據(jù)預處理

提取方法如下：（1）擬合眼部點云，以左右、上下最寬處作“十字線”作為輔助參考;（2）同一個人在不同的車中，左右眼距保持一致，誤差在±1mm內(nèi);（3）若眼部點云一側(cè)質(zhì)量較差，則參考較好一側(cè)，并保證第2條規(guī)定。

2.2數(shù)據(jù)處理

2.2.1異常值剔除

異常值的存在會嚴重影響分析結(jié)果的精度。在實際掃描過程中，掃描樣本不僅存在點云缺失、錯位等，還有部分樣本存在駕駛姿態(tài)異常的情況，如人體中線與方向盤中心點Y向存在較大偏差、頭部后仰等。對采集的數(shù)據(jù)進行篩選，剔除不完整數(shù)據(jù)、異常數(shù)據(jù)，最終得到3469組數(shù)據(jù)。

2.2.2正態(tài)分布檢驗

運用單樣本K-S（Kolmogorov-Smirnov）檢驗樣本數(shù)據(jù)推斷總體是否服從某一理論分布。其原假設(shè)是Hn：樣本來自的總體與指定的理論分布無顯著差異。如果檢驗得到的相伴概率值小于或等于用戶心中的顯著性水平a，則應(yīng)拒絕H，認為樣本來自的總體與指定的分布有顯著差異;如果相伴概率值大于用戶心中的顯著性水平a，則不能拒絕Hn，可以認為樣本來自的總體與指定的分布無顯著差異。由表1可以看出，該車X、Y、Z三個方向的眼點數(shù)據(jù)漸近顯著性均大于顯著性水平0.05，因此，不能拒絕原假設(shè)，可以認為各組數(shù)據(jù)均服從正態(tài)分布。

2.2.3數(shù)據(jù)分析

對樣本整體眼點分布狀態(tài)進行分析，結(jié)果如圖1、圖2。

可以看出，男性整體分布范圍較廣，男性位置整體偏高偏后，女性位置整體偏低偏下。對男性和女性眼點分布狀態(tài)分別進行分析，可以發(fā)現(xiàn)，不管是男性還是女性，隨著身高的增大，眼點近似呈S狀分布。

2.3眼橢圓模型構(gòu)建

眼橢圓的形成需確定其軸長、角度、中心點位置，不同人群的眼橢圓形狀及位置有所差異，下面對男女比例為50/50時的眼橢圓模型建立方法進行推導。另從統(tǒng)計學意義上來說，男女眼橢圓傾角大小不一定一樣，也不一定符合相同的正態(tài)分布，應(yīng)該要對男女眼橢圓分別進行處理，得到男性及女性眼橢圓。但為了工程上使用的便利，采用男女眼點混合的方式進行眼橢圓的處理，因此眼橢圓精度會受影響，但在工程上應(yīng)用是足夠的。

2.3.1眼橢圓傾角

眼橢圓各軸長的方向即眼點各主成分方向，眼橢圓傾角即眼點各主成分方向在整車坐標系平面內(nèi)與X、Y和Z軸的夾角。對夾角與車輛總布置參數(shù)進行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，車輛布置參數(shù)與夾角均不顯著相關(guān)，因此該夾角為常數(shù)。將八輛車眼點按照性別50/50比例中心化后進行數(shù)據(jù)合并進行主成分分析，即可得出眼橢圓傾角。由于男女樣本數(shù)不同，隨機采樣分析時傾角略有波動。經(jīng)十次隨機采樣分析，傾角均值為29.951°，標準差為0.383°，為簡化計算將眼橢圓在XOZ平面內(nèi)的傾角設(shè)置為30°。

2.3.2眼橢圓軸長

將八輛車眼點坐標沿主成分方向（眼橢圓各軸向）進行坐標變換，計算得出各車輛眼橢圓各向軸長，經(jīng)相關(guān)性分析顯示眼橢圓x軸、Y軸和車輛布置參數(shù)均不顯著相關(guān)，z軸長度和A19顯著負相關(guān)。采用A19預測z軸長度時，R2僅為0.511，為簡化計算同時考慮使用方便性，Z軸長度設(shè)置為常數(shù)。

1）確定X軸長與Z軸長。由于男、女性的眼點分布在側(cè)視圖上存在較大差異，因此在側(cè)視圖方向上計算軸長時需考慮性別的影響。研究發(fā)現(xiàn)男、女性眼點沿X、Z軸方向呈正態(tài)分布，上、下分位點的距離即該百分位眼橢圓軸長，如圖3、圖4。

以眼橢圓參考中心點為坐標原點，上、下分位點的計算公式如下：

式中：PM——男性在人口中的比例;XM——沿眼橢圓x軸方向，男、女眼點的上1-P分位點;XF——沿眼橢圓x軸方向，男、女眼點的下1-P分位點;M——沿眼橢圓x軸方向，男性眼點均值;F——沿眼橢圓x軸方向，女性眼點均值;sdM——沿眼橢圓x軸方向，男性眼點的標準差;SdF——沿眼橢圓X軸方向，女性眼點的標準差;P——眼橢圓的百分位值;中——標準正態(tài)分布。

由于P為眼橢圓的百分位值，根據(jù)公式（3）和（4）可以計算出XM和XF的值，則眼橢圓x軸軸長為：x軸長=XM-XF（3）

同理：z軸長=ZM—zF

（4）

式中：ZM——沿眼橢圓z軸方向，男、女眼點的上1-P分位點;ZF——沿眼橢圓z軸方向，男、女眼點的下1-P分位點。

2）確定Y軸長。研究發(fā)現(xiàn)，眼橢圓Y軸長度不受性別和車輛布置參數(shù)的影響，因此Y軸軸長計算方式如下

Y軸長=13.632（中一1（P）一中一1（1一P））

（5）

式中：P——眼橢圓的百分位值;中一卜一標準正態(tài)分布的反函數(shù)。

2.3.3眼橢圓中心點

針對八輛車眼點按照性別50/50比例采樣分別計算中心點坐標，對眼橢圓中心點坐標和車輛布置參數(shù)進行相關(guān)l生=分析。眼橢圓中心點位置如公式（6）至公式（9）：

式中：L1——BOFRP點x坐標值;H30

AHP點到SgRP點z向的距離;H8

AHP點z坐標值;W20

SgRP點的Y坐標值;t——有離合器踏板時取1，沒有離合器踏板時取O;Xc——眼橢圓中心點的x坐標值;Ycl、Ycr——左、右眼橢圓中心點的Y坐標值;Zc——眼橢圓中心點的z坐標值;Ycycl——左右眼橢圓中心連線的中點;Ax、Az——眼橢圓中心點的修正值;‘注：中國人體瞳距參考國家相關(guān)標準。

說明：BOFRP——跖球參考點：滿足一定條件時，與BOF（鞋部中心線上距鞋跟203mm的一點）重合;AHP——加速踏板踵點：踝角為87度時，并且鞋底部與未壓下加速踏板接觸，鞋跟與受壓地毯的交點;SgRP——座椅參考點：生產(chǎn)廠家指定唯一的H點。

2.4 SAE眼橢圓與中國眼橢圓對比

2.4.1眼橢圓中心點

SAE眼橢圓中心點定位方程：

對比發(fā)現(xiàn)，中國眼橢圓中心點定位方程與SAE有如下差異：（1）中國眼橢圓中心點與SAE中心點相比，X方向中心點定位取消了與L6的相關(guān)性;（2）X、Z方向中心點定位方程中的H30相關(guān)性系數(shù)及常數(shù)項均有不同;（3）X、Z方向中心點定位方程中增加不同百分位修正量值;（4）中國人體瞳距與SAE數(shù)值不一致。

2.4.2眼橢圓軸長

將中國人體眼橢圓軸長與SAE進行對比，中國人體眼橢圓x、Y軸長均比SAE小，Z軸長比SAE大。

2.4.3眼橢圓傾角

中國眼橢圓傾角比SAE大18°。

2.5眼橢圓數(shù)據(jù)驗證

使用中國眼橢圓數(shù)據(jù)，進行實車眼橢圓驗證，檢驗?zāi)Ｐ途取?/p>

結(jié)論：（1）中國駕駛員眼橢圓比SAE眼橢圓包含的眼點更多。（2）中國駕駛員與SAE視切線內(nèi)包含眼點情況差異較小。（3）眼橢圓精度滿足要求。

3車輛HMI中控大屏設(shè)計建議

中控大屏是HMl人機交互重要載體，隨著技術(shù)的發(fā)展，消費者對中控大屏的要求也越來越高。但屏幕尺寸過大或者布置不合理，會引起嚴重的眩目問題，影響行駛安全性。通常通過眼橢圓模型可對儀表反光眩目進行校核，來檢驗中控大屏布置及大小是否合理。特斯拉作為中控大屏的引領(lǐng)者，具有一定代表性。對Model 3中控大屏按中國眼橢圓和SAE眼橢圓進行校核對比，如圖5所示。

駕駛員在夜間行車時，中控大屏發(fā)出的光會經(jīng)前風擋反射后形成的反射光線?？梢钥吹绞褂弥袊蹤E圓校核下，自發(fā)光在前風窗透明區(qū)形成虛像，反射到眼橢圓內(nèi)，引發(fā)反光眩目，影響駕駛安全;而采用SAE眼橢圓位置校核時，前風窗玻璃反射區(qū)域剛剛在玻璃黑邊透明區(qū)的上方，不會影響到駕駛安全性。

右側(cè)窗玻璃的入射光線經(jīng)過中控大屏反射后，會形成反射光線?？梢钥闯鼍胁糠謧?cè)窗入射光線照射到中控大屏上，將光反射到眼橢球，并且采用中國眼橢圓校核情況下，產(chǎn)生屏幕眩目區(qū)域要遠大于SAE眼橢圓校核結(jié)果。

綜上所述，由于中外人體尺寸的差異性，眼橢圓也存在較大的差異。對于同一款車輛，使用中國眼橢圓和SAE眼橢圓進行防眩目校核后發(fā)現(xiàn)，由于眼橢圓的差異性，導致眩目現(xiàn)象的發(fā)生。有必要對基于中國市場研發(fā)車輛結(jié)合中國眼橢圓進行驗證，保證車輛的安全性。

4結(jié)語

本文簡述了基于中國人體特征的眼橢圓構(gòu)建方法，并且與SAE眼橢圓進行定量的對比分析，最后闡述了HMI相關(guān)設(shè)計建議?？梢钥吹街袊梭w眼橢圓與SAE相比差異較大，但當前國內(nèi)汽車設(shè)計仍采用SAE眼橢圓，不符合中國人體實際的視野范圍，對汽車的視野安全性、交互性會造成較大的影響。因此，使用中國人體眼橢圓進行汽車研發(fā)設(shè)計對提高汽車的舒適性與安全性具有重要意義。