車輛人機(jī)交互視覺參數(shù)測量方法研究

劉智光， 郝劍虹， 劉 寧

（1.天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，天津300072；2.中汽研 （天津）汽車工程研究院有限公司，天津300339；3.中汽研汽車檢驗(yàn)中心 （天津）有限公司，天津300300）

0 引言

隨著汽車各項(xiàng)性能的不斷提升，當(dāng)前消費(fèi)者除了對汽車的安全、動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)等性能提出要求外，對車輛駕乘舒適性的關(guān)注正在逐漸增強(qiáng)，期望車輛發(fā)揮交通工具作用的同時(shí)，能夠給駕乘人員更舒適和更人性化的使用體驗(yàn)［1］。而我國汽車產(chǎn)品在駕乘體驗(yàn)方面較國際先進(jìn)車企存在較大差距，這也是制約我國汽車走向高端市場的重要因素之一［2-4］。車輛駕乘體驗(yàn)的開發(fā)離不開車輛人機(jī)交互技術(shù)的研究與發(fā)展，大量學(xué)者從自身領(lǐng)域?qū)θ藱C(jī)交互進(jìn)行了研究，研究方法和評價(jià)手段涉及心理學(xué)、生理學(xué)、醫(yī)學(xué)、人體測量學(xué)、美學(xué)、設(shè)計(jì)學(xué)和工程技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域［5-9］。智能汽車人機(jī)交互技術(shù)包括視覺交互、語音交互、觸覺交互、嗅覺交互等，其中，視覺交互是最為重要的人車交互方式，占到總體人車交互的80%以上［10-13］。車輛的視覺交互性能一直備受車輛研發(fā)領(lǐng)域人員的重視，因?yàn)樵撔阅苤苯佑绊懴M(fèi)者對車輛品質(zhì)定位，從而影響車企品牌價(jià)值觀念的形成和車輛的銷售業(yè)績。然而，我國車企對視覺性能的測量和評價(jià)缺乏科學(xué)性與普適性方法［14］，造成該問題的主要原因之一為缺少高精度、重復(fù)性好的測量工具和科學(xué)的測量方法［15］，不能獲取準(zhǔn)確測試數(shù)據(jù)，無法進(jìn)行合理分析，導(dǎo)致整車企業(yè)難以形成行之有效的企業(yè)規(guī)范與把控方法［16-18］。

為了實(shí)現(xiàn)視覺人機(jī)交互參數(shù)測量，本文作者將機(jī)器人作為運(yùn)動(dòng)載體，通過搭載視覺測量模塊，提出一套全新完整的多項(xiàng)視覺參數(shù)測量方法。該方法利用多自由度機(jī)器人靈活性好、精度高、擬人程度高等特點(diǎn)，結(jié)合高精度工業(yè)視覺測量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了前方視野、左右視野、儀表視野、駕駛員信息娛樂系統(tǒng)轉(zhuǎn)頭角、HUD等多項(xiàng)人機(jī)交互參數(shù)測量。為了驗(yàn)證所提方法有效性，針對不同參數(shù)分別設(shè)置了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該方法在多項(xiàng)視野參數(shù)測量中誤差均小于5%，具有高精度特點(diǎn)。本文作者提出的車輛人機(jī)交互視覺參數(shù)測量方法可為整車、零部件企業(yè)在人機(jī)交互對標(biāo)研究、性能開發(fā)、質(zhì)量管控、主客觀評價(jià)等領(lǐng)域提供重要的理論支撐和科學(xué)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，對我國車企在研發(fā)車輛人機(jī)交互性能提升方面具有重要意義。

1 視覺性能參數(shù)測量方法建立

文中車輛視覺性能測試主要是指視野可見性測量，主要包括駕駛員前方視野測量，駕駛員左、右前窗視野測量，儀表視野測量，信息娛樂系統(tǒng)駕駛員頭轉(zhuǎn)角和HUD可視角測量。分析駕駛員前方、左右側(cè)和儀表視野可見性需依據(jù)駕駛員眼橢圓位置，研究視線從該位置出發(fā)在駕駛室內(nèi)對外界和內(nèi)飾環(huán)境的視線范圍，而信息娛樂系統(tǒng)駕駛員頭轉(zhuǎn)角和HUD可視角測量則需視角變化后計(jì)算相應(yīng)夾角值。

基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的視覺測量，可充分利用機(jī)器人靈活、精度高等特點(diǎn)，結(jié)合車輛模型數(shù)據(jù)，機(jī)器人底座、機(jī)器人本體、傳感器等尺寸信息，針對不同測量需求進(jìn)行靈活編程，精確地將視覺相機(jī)置于眼橢圓中心、正視信息娛樂系統(tǒng)等需要位置，快速實(shí)現(xiàn)車輛視覺交互多項(xiàng)參數(shù)測量?；跈C(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的汽車視覺測量示意圖如圖1所示。

圖1 基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的汽車視覺測量示意

2 視覺性能參數(shù)測量

2.1 駕駛員前方視野測量

駕駛員前方視野的測量是汽車視野設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容，相關(guān)參數(shù)對車輛駕駛安全性至關(guān)重要。采用基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的視覺測量方法可實(shí)現(xiàn)駕駛員前方視野投影測量，分析遮擋域輪廓線位置和長度，從而可計(jì)算視野面積等。駕駛員前視野測量參數(shù)示意圖如圖2所示，測量方法為：計(jì)算眼橢圓中心位置，機(jī)器人末端搭載視覺相機(jī)運(yùn)動(dòng)，使其成像中點(diǎn)位于眼橢圓中心位置，視覺相機(jī)成像中心軸水平正對車輛正前方，調(diào)整焦距，使其圖像左右覆蓋整個(gè)前擋風(fēng)玻璃與上頂棚和下儀表臺(tái)的所有交界處，工業(yè)相機(jī)進(jìn)行測量，獲取數(shù)據(jù)后可進(jìn)行面積計(jì)算等。

圖2 駕駛員前視野測量示意

2.2 駕駛員左、右前窗視野測量

駕駛員左、右前車窗視野測量主要測量車窗透明區(qū)域投影輪廓，視覺相機(jī)成像中點(diǎn)位于駕駛員眼橢圓中心位置，機(jī)器人搭載相機(jī)運(yùn)動(dòng)，使相機(jī)成像中心軸分別水平正對左側(cè)和右側(cè)車窗，調(diào)整焦距，使其圖像覆蓋整個(gè)側(cè)窗玻璃與窗框的所有交界處，進(jìn)行投影輪廓測量。左、右前車窗測量參數(shù)示意圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 駕駛員左側(cè)前窗測量參數(shù)示意

圖4 駕駛員右側(cè)前窗測量參數(shù)示意

2.3 儀表視野測量

儀表視野直接關(guān)系駕駛員對儀表內(nèi)容的可視性和易讀性，從而對駕駛員行車安全性和便利性產(chǎn)生很大影響。儀表視野測量主要考察儀表可視范圍和方向盤、儀表周圍遮光板等部件對儀表可視區(qū)域的遮擋情況。基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的視覺測量系統(tǒng)在儀表視野范圍測量過程中，首先使視覺相機(jī)成像中點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到眼橢圓中心，調(diào)整相機(jī)角度，使視覺相機(jī)成像中心軸正對儀表輪廓中心位置，調(diào)整焦距，使其圖像覆蓋整個(gè)儀表盤邊緣，進(jìn)行輪廓測量。儀表輪廓測量參數(shù)示意圖如圖5所示。

圖5 儀表視野范圍示意

2.4 信息娛樂系統(tǒng)駕駛員頭轉(zhuǎn)角測量

信息娛樂系統(tǒng)駕駛員轉(zhuǎn)頭角測量主要是量化駕駛員在行車過程中視線從正前方轉(zhuǎn)移到信息娛樂系統(tǒng)中心過程中頭和眼球共同偏轉(zhuǎn)的角度，該角度示意圖如圖6所示。信息娛樂系統(tǒng)駕駛員轉(zhuǎn)頭角的測量可為評價(jià)駕駛負(fù)荷、安全性、便利性等提供重要參數(shù)，從而為信息娛樂系統(tǒng)人機(jī)工程、界面分布、交互形式及邏輯設(shè)計(jì)與優(yōu)化等提供指導(dǎo)。

圖6 信息娛樂系統(tǒng)駕駛員頭轉(zhuǎn)角參數(shù)示意

2.5 HUD可視角測量

HUD技術(shù)是汽車市場最大的增長領(lǐng)域之一，各大整車企業(yè)加大研發(fā)力度，加快HUD配置與優(yōu)化工作。當(dāng)前HUD的測量存在方法缺失問題較明顯，尤其在整車環(huán)境下的HUD測量理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)嚴(yán)重不足。本文作者提出采用基于機(jī)器人視覺測量系統(tǒng)精確、快速實(shí)現(xiàn)HUD可視角測量。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)使視覺相機(jī)成像中點(diǎn)線與HUD圖像中心水平線重合，機(jī)器人搭載相機(jī)分別向上、下、左、右方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)相機(jī)旋轉(zhuǎn)使中心線穿過HUD成像中心，通過軟件檢測HUD圖像質(zhì)量，直到圖像消失，記錄視覺相機(jī)轉(zhuǎn)角，作為相應(yīng)方向的可視角。HUD可視角參數(shù)示意圖如圖7所示。

圖7 HUD可視角參數(shù)示意

3 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證文中所提方法的有效性，設(shè)計(jì)了視覺參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)，采用數(shù)據(jù)模型分析和獲取的研發(fā)數(shù)據(jù)與實(shí)際測量結(jié)果對比的方法進(jìn)行驗(yàn)證。

為了驗(yàn)證基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的視覺測量方法的有效性，對某臺(tái)已知數(shù)據(jù)模型的乘用車進(jìn)行駕駛員前方視野測量，駕駛員左、右前窗視野測量和儀表視野測量，對測量數(shù)據(jù)與模型計(jì)算數(shù)據(jù)之間的誤差進(jìn)行對比分析，從而驗(yàn)證此測量方法在上述視野參數(shù)測量方面的有效性。基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的視覺參數(shù)測量實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的視野測量實(shí)物

對于HUD視野范圍，由模型數(shù)據(jù)無法獲得，需要單獨(dú)進(jìn)行驗(yàn)證。采用的驗(yàn)證方法為：首先需獲得HUD各方向可視角，由HUD研發(fā)企業(yè)提供。實(shí)驗(yàn)中搭建了專用HUD測量車架，將HUD和基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的測量系統(tǒng)安裝于該特定車架，測量實(shí)物如圖9所示；其次，通過機(jī)器人搭載視覺相機(jī)運(yùn)動(dòng)的方法分別對上下左右4個(gè)方向進(jìn)行可視角測量；最后，將從研發(fā)企業(yè)獲得的可視角值作為準(zhǔn)確值，與上述測量值進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證文中所提方法在HUD視野范圍測量方面的有效性。

圖9 基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的HUD視野測量實(shí)物

通過以上實(shí)驗(yàn)，獲得了采用基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的視覺交互參數(shù)測量值，如表1所示。

表1 準(zhǔn)確值與基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的視覺測量值

由以上數(shù)據(jù)可知，駕駛員前方視野，左、右前窗視野和儀表視野區(qū)域面積誤差最大值為3.24%，信息娛樂系統(tǒng)駕駛員頭轉(zhuǎn)角誤差為0.95%，HUD四個(gè)方向的可視角誤差最大值為2.13%，以上各項(xiàng)誤差較小，可以接受?；谝陨戏治?，驗(yàn)證了基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的視覺參數(shù)測量的有效性。

4 結(jié)論

針對當(dāng)前存在的視覺參數(shù)測量問題，提出一種對車輛人機(jī)交互視覺多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測量的方法，該方法采用機(jī)器人為運(yùn)動(dòng)載體，以分別搭載不同測量模塊的形式實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)視野參數(shù)測量，具有精度高、靈活性好、測量范圍廣、測量效率高和擬人程度高等優(yōu)點(diǎn)，是一種全新的適應(yīng)車輛人機(jī)交互性能參數(shù)高效、高精度的測量方法。通過分別設(shè)置前車窗、前側(cè)車窗視野范圍、信息娛樂系統(tǒng)駕駛員頭轉(zhuǎn)角和HUD視野范圍實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的視覺參數(shù)測量誤差不大于3.24%，驗(yàn)證了該方法的有效性。采用基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的人機(jī)交互視覺測量方法的研究，可為整車、零部件企業(yè)在人機(jī)交互對標(biāo)研究、性能開發(fā)、質(zhì)量管控、主客觀結(jié)合評價(jià)等領(lǐng)域提供重要的理論支撐和科學(xué)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，對我國車企在車輛人機(jī)交互性能提升方面具有重要意義。