（机械设计及理论专业论文）汽车驾驶室显控系统的人机界面评价研究.pdf

堕玺堡三堡查堂堡主堂堡丝塞 摘要 传统的汽车驾驶室人机界面评价方法已不适应高速发展的汽车工 业，针对这一新的发展趋势，本文探讨了一种新的人机界面评价方法 及其实现过程。 7 ， 参考汽车人机工程理论及相关标准，根据汽车驾驶室设计理论， 建立了汽车驾驶室显控系统评价指标体系。该体系包括操纵器、仪表 盘、座椅和驾驶室综合评价的主客观评价标准。 将神经网络理论运用到人机界面评价过程中，建立了一种更为合 理的评价模型。既体现了人的主观判断，又大大减少了评价过程中人 为因素的影响，保证了评价过程的客观性。 基于m a t l a b 创建了可以独立运行的评价软件。研究了数据库与 m a t l a b 的连接，将复杂的理论和繁琐的评价过程进行简化，使评价人 员可以方便地得到评价结果。 构建了虚拟场景和虚拟仪表。采用g ls t u d i o 软件创建了虚拟仪表， 并对基于v e g ap r i m e 虚拟场景建立过程中的几个关键性技术进行了分 析讨论。将虚拟仪表嵌入到虚拟场景中的汽车驾驶室内，实现了虚拟 场景下汽车仪表的虚拟显示。 最后，应用本文提出的评价方法，对某车型进行了人机界面的设 计评价。验证了评价方法的有效性，并提出了改进建议。 关键词：人机界面评价；神经网络：虚拟场景；虚拟仪表；m a t l a b 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s tr a c t t h et r a d i t i o n a lm e t h o d so fe v a l u a t i n gh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ( h m i ) o fc a bn ol o n g e ra d a p tt ot h en e wd e v e l o p m e n to fa u t o m o b il ei n d u s t r y an e wm e t h o do fe v a l u a t i n gt h e 咖ii sd i s c u s s e di nt h i st h e s i s a f t e rr e s e a r c h i n gt h et h e o r yo fh u m a n m a c h i n ee n g i n e e r i n g ，n a t i o n a l a n di n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s ，t h ee v a l u a t i o ns y s t e mo fc a bd i s p l a y i n g a n dc o n t r o l l i n gs y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e db a s e do nc a rd e s i g nt h e o r y t h es y s t e mc o n s i s t so fo b j e c t i v ea n ds u b j e c t i v ee v a l u a t i o ni n d i c e so f c o n t r o l l i n gs y s t e m , i n s t r u m e n t p a n e l ， s e a ta n d c o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o no fc a b ， t h ee v a l u a t i o ns o f t w a r ew h i c hc a nb er u ni n d e p e n d e n t l yi sc o m p i l e d b a s e do nm a t l a ba n d t h ec o n n e c t i o nb e t w e e nm a t l a ba n dd a t a b a s ei s r e s e a r c h e dt o o t h ec o m p l i c a t e dt h e o r ya n df u s s ye v a l u a t i o np r o c e s s i ss i m p l i f i e ds ot h a tt h ee v a l u a t o r sc a ng a i nt h er e s u l t so fe v a l u a t i o n e a s i l y t h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) t h e o r yi s a p p l i e di nt h e e v a l u a t i o np r o c e s so f 删i a n dam o r er e a s o n a b l ee v a l u a t i o nm o d e li s e s t a b l i s h e d t h e r e f o r e ，n o to n l yt h es u b j e c t i v ee s t i m a t i o ni s e x p r e s s e d ，b u ta l s ot h eh u m a ni n f l u e n c ei sl i g h t e n e d ，t h eo b j e c t i v i t y o fe v a l u a t i o nc a nb ee n s u r e d t h ev i r t u a lr e a l i t ye n v i r o n m e n ta n dv i r t u a li n s t r u m e n t sa r ec r e a t e d t h ev i r t u a li n s t r u m e n t sa r ec r e a t e dw i t hg ls t u d i oa n ds e v e r a lk e y t e c h n o l o g i e sh a v eb e e nd i s c u s s e di nt h ep r o c e s so fb u i l d i n gv i r t u a l r e a l i t ys c e n eb a s e do nv e g ap r i m e a tl a s t ，t h ev i r t u a li n s t r u m e n t s a r ee m b e d d e di nt h ec a bi nv i r t u a lr e a l i t ys c e n e ，a n dd i s p l a y i n go f t h ev i r t u a li n s t r u m e n t si sa c c o m p l i s h e di nt h ev i r t u a lr e a l i t ys c e n e f i n a l l y ，t h ea p p l i c a t i o no fm e t h o dm e n t i o n e da b o v eb a s e do nac e r t a i n c a rh a sb e e np r e s e n t e d t h ep r a c t i c a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h em e t h o d 堕玺堡三矍查堂雯主堂垡丝塞 i se f f e c t i v e ，a n dt h eb e t t e rd e s i g np l a n sa r ep u tf o r w a r d k e y w o r d s ：h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ee v a l u a t i o n ；a r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k ；v i r t u a le n v i r o n m e n t ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；m a t l a b 哈尔滨工程大学 学位论文原创性说明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已注明引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体 已经公开发表的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：主嚣盐鱼 日期：z 哆年月日 堕签堡三堡奎堂堡主堂垡笙苎 第1 章引言 1 1 汽车人机工程学发展概况 人机工程学作为一门综合性边缘学科，已有6 0 多年的发展历史。 随着对人、机器、环境的进一步认识以及对人体潜力和局限的研究， 人机工程逐步走向了实用阶段。特别是在汽车设计领域，仅汽车驾驶 就包括仪表显示、操纵控制、视野、驾驶舒适性、驾驶环境( 包含振 动、噪声等) 、，驾驶员车辆一一道路交通环境系统等，几乎覆盖了 人机工程学全部主体内容”1 。 ， 在汽车设计流程中，人机工程设计能充分考虑操作者的生理、心 理等完备的人类因素，以及人一一汽车一一环境系统的整体状态和动 态作业过程，是实现汽车人性化设计的重要手段忙1 。人机工程设计使汽 车设计适应于人，保证人的操作简便省力、迅速准确、安全舒适，提 高人机系统的整体和谐性，充分发挥人机效能，获得最佳的经济效益 和社会效益。从某种意义上讲，人机工程设计的好坏直接决定了汽车 人性化设计水平的高低。 汽车的人机设计主要集中于驾驶室。常见的人机问题有：( 1 ) 作业 姿势不合理，驾驶员在作业中的体姿长时间处于扭曲和压迫状态；( 2 ) 作业环境过于狭小，易发生碰撞；( 3 ) 工作台的布置不合理，增加了 驾驶员的作业路径等等”“。 随着计算机技术和网络技术的飞速发展，数字技术开始进入汽车 设计和分析评价过程中，计算机辅助人机工程逐步得以研究和应用。 在计算机辅助人机工程中，首先需要进行虚拟人体建模，然后根据不 同的驾驶任务进行静态和动态驾驶姿势仿真，在此基础上才能进行舒 适性、可乘坐性等人机工程的分析与评价。但是由于人体关节众多， 且每个关节都有不同的自由度，造成姿势调节的工作量非常大，操作 复杂。而且现有的工具软件对人体姿势多采用逆向运动学方法进行调 堕玺堡三堡奎堂堡主堂垡堡奎 节，很难保证得到的姿势和现实环境中的一致。 在进行汽车设计时，其相关尺寸是由人体尺寸及其操作姿势或舒 适坐姿的要求来确定的。汽车设计则是要以人( 驾驶员和乘客) 为中 心，从人体生理、心理和人体运动出发，研究布置设备等方面如何适 应人的需要。它主要包括：确定人体h 点、人体模型、眼椭圆、头部 轮廓线、驾驶员手的伸及范围、驾驶的最舒适姿势、座椅的形状、仪 表板的布置、方向盘的形状以及他们之间的相互位置关系、校核操作 轻便性、上下车方便性、视野性、乘坐舒适性等方面内容”，。 驾驶室里控制面板、显示设备和操控系统的理想摆设，取决于不 同驾驶员在该环境中会采取怎样的驾驶姿势。最初，汽车内室设计通 过全尺寸的手绘草图来设计，用百分位的人体模板，在设计图纸的相 关部位上演示、分析操作姿势的变化对驾驶操作空间和操纵装置布置 所产生的影响，从而检验有关驾驶室的空间尺寸、座椅的位景、操纵 装置和显示仪表的位置等设计参数与人体尺寸和操作姿势的配合是否 合理、是否处于最佳状态。常用的有h 点二维模型和h 点三维人体模 型”。对于控制设备和座椅摆设问题的研究主要关注的是如何提高设计 的舒适度，而不是预测或计算人们对特定的汽车和座椅形状会做出怎 样的反应。 ， 6 0 年代，一种面向任务的人体百分位模型开始用于汽车设计，该 模型描述了某项特定任务情况下人体姿势特征的分布情况，可以对特 定的驾驶姿势进行模拟”1 。另外一种面向任务的人体百分位模型则用于 驾驶员选择座椅位置的预测。随后，m e l d r u m 开发了可以预测驾驶员眼 睛位置的眼椭圆，一个基于统计学的构件一”，现在仍然是最重要的汽 车辅助人机工程设计工具之一。 从2 0 世纪末开始，设计师开始使用平面或者三维的人体模型，评 估腿侧的空间和控制设备的可达域。近来，f l a n n a g a n 等人开发了一个 包括座椅高度、方向盘位置、座垫角度和变速器类型等的改进模型， 其中每一项均对驾驶员选择的座椅位置有着独立的、显著的影响1 。 2 堕签塞王堡盔堂堡主堂垡笙塞 1 2 汽车驾驶室人机工程研究状况 1 2 1 国外研究状况 国外的人机工程学在汽车驾驶室上的应用与研究已进入到实用阶 段，人机工程已成了汽车设计是否成功的决定因素。如瑞典的v o l v o 汽车公司，通过使用各种人体模型进行试验，运用人机工程原理对汽 车内部进行大量人机研究，设计出许多非常舒适、安全的汽车。国外 在应用人机工程学原理进行轿车车身及其附件的设计方面也进行了长 期卓有成效的工作，其主要研究成果多集中在提高驾驶舒适性方面”。 但由于涉及到知识产权保护的问题，这些研究成果大都只限于应用在 公司内部，而在引进其成果时费用又比较昂贵。并且，由于国家、使 用人群等的不同，其使用也存在具体差异。 。 长期以来，人们进行了大量的实验室和道路试验两方面的研究活 动，通过分析和处理这些研究活动的数据，并结合人机工程学，确立 了汽车人机工程设计的基本指导原则：利用人体测量统计数据，制订 二维人体模板规范，进而利用它进行汽车内部空间布局和人一一车一 一界面设计活动 ， 这种传统的人机工程设计方式，通常是借助第9 5 百分位和第5 百 分位男性人体模板在车身主视图上进行布置设计。美国汽车工程师协 会( c s a e ) 通常用h 点机，在汽车内饰实物模型中检验汽车内部及其 部件布局是否合理。通过这些方法和手段，检查出人机工程方面不合 理的因素，并反馈到结构设计和造型设计部门，从而进一步改进设计。 由于在早期设计阶段采用二维的人体模板辅助人机工程设计，致使传 统的汽车人机工程设计往往是在车身结构设计、内部造型设计基本完 成后进行的，人机工程方面的设计和考虑严重滞后于车身结构、造型 和空气动力性等方面的设计和考虑。而人机工程方面的评价则多借助 于实物模型，采用试验检测的方法并由测试者来参与完成。 随着以参数化和特征技术为代表的c a d 建模技术的迅速发展 d 3 - 1 ! ，使得运用计算机辅助手段来完成创造性的汽车概念设计成为可能 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ”“”1 。通过建立基于c a d c a m c a e p d m 环境的虚拟数字化人体模型 | t t 2 0 y 运用汽车人机工程虚拟设计和数字化评价手段“”，以期在早期的 设计阶段就可以并行地进行人机工程设计和评价，大大减少了实物模 型的数量，降低了开发成本，尽可能避免了因为人机工程设计方面的 返工，缩短了开发周期。 国外在上世纪八十年代末期，就开始从延用了几十年的二维人体 模板向三维数字化人体模型的转变。如德国各大汽车制造公司共同开 发的，作为c a d 工具使用的r a m s i s 三维计算机人体模型系统8 。“。， 其全称为“用来模拟乘员实际状况的计算机辅助人体数学模型”，其功 能有：真实的人体模型，人体平均生长模型，姿态模拟，执行任务的 动画效果，干涉检查，舒适性分析，视野分析，曲面模型，与c a d 系 统集成化，三维测量系统，数据库系统。该系统可以与多种c a d 系统 相连，也可以单独使用。目前为止，该系统己经广泛地运用于不同汽 车厂家的新产品设计中。法国的m a n 3 d 系统能够在c a d c a m 环境 下工作，用来进行汽车的人机工程评价。其它著名的产品还包括英国 的s a m m i e 系统和美国的j a c k 人体建模系统”。总的来说，这些系 统主要进行的是人体模型的形体外观和运动仿真方面的研究。而在人 的感知活动机制的仿真建模方面，尚缺乏具体的研究和应用。这些系 统主要用于进行辅助分析、预见和评价人一一机一一环境系统的适配 性及协调性。 国外研究人机工程学历史较长的国家，如美国、德国和日本等国的 人机系统各元件的相关位置设计中，虚拟人体模型已成为有效的辅助 设计手段。在初期尤其是一维人体模板运用得较多，但这都不能避免 设计周期长、模拟效果差( 如没有立体感、手不能外展等) 。因此计算 机三维设计中的三维人体模型就成为一种快速实用的方法，比如对相 应的设计绘图软件a u t o c a d ，c a t i a ，u g 等进行二次开发，建立基于 知识系统的工程( k b e ) ，在绘图工具自动生成视野、手脚触及包络面， 对驾驶室内部布置设计予以校核。目前有的设计软件中已经集成了入 机工程的模块，比如著名的三维设计软件c a t i av 5 r 9 就带有 e r g o n o m i c s 的设计模块，具有美国、欧洲、日本人的体形数据，设计 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 时可以直接调用，并且可以根据需要构成不同姿态便于模拟。 1 2 2 国内研究状况 在国内，汽车设计制造的全面数字化起步较晚，开展利用三维c a d 人体模型辅助方法进行人机工程设计和评价的历史较短。在汽车人机 工程设计方面，我国汽车企业主要沿用手工方式，使用二维人体模板 进行设计，而人机工程评价多以图纸或者实物模型的方式进行。两者 之间存在脱节的现象，还不能满足降低成本，缩短开发周期，提高竞 争力的要求。 ， 文献【2 4 】提出了“汽车c a d 中的动态h 点模型”的建立方法，并 将其用于雨刮刮扫率和立柱盲区等问题的研究，该模型数据量较大且 未实现参数化文献 2 5 1 使用平面人体模型在通用图形系统基础上研究 了计算机辅助车身总布置设计。文献【2 6 】研究了基于c a t i a 平台的汽 车视野设计问题，该系统对后视野的校核只考虑了后视镜为球面的情 况，未考虑镜面曲率变化的情况文献【2 7 和【2 8 建立了基于u g 系统 的三维人体模型，用于模拟人体运动姿势和车身的布置设计。 汽车人机工程评价要求综合全面地考虑人机工程所涉及的各个方 面，不同的人对于同样的概念设计结果的判断是不一样的。形成最终 决策依据的评价结论的方法常常有：外部( 顾客) 选择、产品权威经 验判断、投票表决等。到目前为止，运用较多的是采用模糊数学的分 析方法进行多指标的综合评价。文献 2 9 1 利用模糊数学的理论研究了客 车内饰布置设计的综合评价。而在其它领域里利用模糊评价方法进行 综合评价的例子较多”，这说明了只要运用得当，模糊评价方法是进 行综合评价的有力工具。但是在进行人机工程模糊评价的过程中，最 重要的一点是作为评价标准的人机工程原理或者结论是只具有统计学 上的意义，也就是具有一定的模糊性，那么在模糊评价的过程中如何 还原这种模糊性就是一个非常重要的问题，它直接关系到评价的有效 性和可靠性。在评价中这就成为正确确定隶属函数的问题。这是目前 利用模糊数学的分析方法进行人机界面综合评价一个关键问题。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 从相关的国内文献”。”1 可以看到有关人机工程在驾驶室设计方面 得到了一定的应用，已经用到一些与汽车车身设计类似的方法，如操 作的最小空间、操纵的舒适区和可达域、人的可视域与视距以及人的 出力和人承受噪声等。不过，这些都没有谈到人体百分位的问题，只 是简单地说中等身材的情况和设计要求，因此这并不符合针对实际人 群的设计要求。 为了比较和评价车辆驾驶室内部布置合理与否，文献【3 6 】提出以多 元统计分析理论为依据，采用因子分析技术对工程机械驾驶室内部尺 寸的测量值进行分析处理，建立因子模型，最终找出各尺寸变量对手 伸及界面影响的驾驶室尺寸综合因子g 及其得分公式，并以此作为工 程车辆驾驶室内操作舒适性设计的理论依据，同时也是现有车辆室内 布置是否合理的一个标准。由于其采用的是已经设计和制造的工程机 械驾驶室作为分析数据，因此对指导设计和判断有一定误差，尤其是 在国内人机工程设计水平不高的情况下，大多数工程机械驾驶室的设 计都属于测绘国外设计尺寸和老产品尺”“。 ，t 中国著名的人机工程学家丁玉兰编著的人体工程学p ”中，用数 学方法对人体各部分尺寸与相对位置进行人体模型的描述，采用了杆 状人体模型进行分析研究，这也是国内外对人体模型研究的主要方法 之一同时国内的不少高校和研究机构也在开发和研究符合中国人体 的应用设计软件。哈尔滨工业大学在现有软件平台上开展车身布置的 研究，中国农业大学研究了初步立体人体模型，江苏理工大学开发了 计算机辅助车辆人机工程设计系统，北京航空航天大学通过组合人体 棒状模型与曲面建立了三维人体的曲面模型，此外，四川联合大学还 研制了具有形态仿真、化学仿真、结构仿真的“中国虚拟人”等。 国内以上研究虽然没有真正提出设计适合中国人体的驾驶室尺寸 指导方针，但是对车辆驾驶室人机工程的理论研究都起到了很大的推 动作用。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 课题的提出 由于车辆的驾驶自由度比较高，不合适的驾驶室人机界面设计很 容易让驾驶员感到不舒适和疲劳，诱发操作失误，甚至导致重大事故 发生。因此，如何改进和完善汽车驾驶室人机界面设计，使驾驶员在 驾驶过程中能够获得合理舒适的驾驶姿势，最大限度的降低驾驶员疲 劳度，提高驾驶员工作效率，以满足不断发展的用户使用需求和健康 安全需要，己成为当今汽车驾驶室人机界面设计的重要研究课题之一。 汽车驾驶室显控系统是一种由驾驶员参与的反馈控制系统，其人 机界面的特点是机器通过显示器( 主要是视觉和听觉显示器) 将汽车 的运转信息传递给驾驶员，驾驶员通过汽车上的操纵装置对汽车传达 控制指令，使汽车按驾驶员所规定的状态运行。 ， 驾驶操纵是汽车驾驶员最基本、最频繁、最重要的操作，所以驾 驶室显控系统人机界面设计的合理程度，对车辆行驶的安全性、驾驶 员的身心健康、驾驶操作的舒适度以及在正常工作时间内持续驾驶车 辆所能保持的工作效率，都有重大影响“。当前处理驾驶室人机界面的 几何位置关系，主要是依靠设计人员的经验”。由于驾驶室人机界面设 计和评价需要查询大量的数据，繁琐复杂，造成现有的一些理论工具 很难在实践中得到应用。 随着计算机技术的发展，静态匹配的设计方法在驾驶室设计领域 已被打破，但这些方法多只局限于某一特殊领域，评价手段和过程不 具有通用性而且，对汽车驾驶室人机界面也没有合适的、可操作的 评价指标和评价方法，设计人员无法对汽车驾驶室的人机界面进行定 量的分析与评价，不能够准确区分设计的优劣。 因此，本课题以某车型驾驶室的显控系统为研究模型，将神经网 络理论和虚拟现实技术引入到对该车驾驶室显控系统的人机界面综合 评价与设计中，编制了一个可操作、定量化驾驶室显控系统人机界面 评价软件，使设计人员可以方便、准确地进行评价和分析。并基于虚 拟现实技术，提出了一种新的仪表设计方案，验证了评价结果。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 4 主要研究内容 本文的研究分几个层次来进行，如图1 1 第一步根据人机工程理 论和汽车驾驶室内部设计相关方面的知识和标准，确定出评价所用的 各元件评价指标和评价分值的转折点，作为人机界面评价的依据；第 二步建立a c c e s s 和m a t l a b 数据库，用于储存评价数据和学习样本， 提高评价效率；第三步基于m a t l a b 环境和神经网络编制评价软件；最 后依据仪表盘的评价结果，基于虚拟现实技术设计出改进后的仪表盘 方案，并在虚拟场景中实现其动态显示。 ? 。1 ；回匝至委亟固l l 7 r1 【评价指标及评价转折点的建立) l 各指标数据j l - l 艾套 竺 jj | r a c c e s s 数据库 m a r l a b 数据库、 l 评价指标数据j 评价转折点数据 r l 评价结果良好 基于m a t l a b 评价软件界面设计 基于g l s t u d i o 、 固 创建改进后的 虚拟仪表 l l 童于g l s t u d i 。创建改1f 基于v e g a p r i m e 虚颤 。进前的虚拟仪表j 7 【现实场景的建立 图1 1 研究内容及流程 8 评价结果差 堕玺堡王堡盔堂堡主堂垡丝壅 第2 章汽车人机界面评价指标体系的研究 2 1 汽车人机界面评价指标体系的建立 人机界面是指人与机之间能相互施加影响的区域，包含三类：控 制系统人机界面，工具性人机界面，环境性人机界面。汽车人机界面 设计必须解决好人控制机器和人接受信息这两个问题，其核心就是人 机匹配一一包含显示器与人的信息的匹配，控制器与人体运动特性的 匹配，显示器与控制器之间的匹配，环境与操作者适应性的匹配，人、 机、环境要素与作业之间的匹配等”。汽车驾驶室显控系统的人机界面 主要由仪表盘、座椅、操纵器组成，本文的人机界面的评价指标体系 的确立也主要从这三个方面展开 评价方法包括主观评价和客观评价，评价指标体系的建立主要从 以下几方面考虑： ( 1 ) 人是否舒适地进行作业； ( 2 )机器各元件的分布是否按重要性原则合理布置； ( 3 ) 手脚负荷分配是否合理； ( 4 )手操纵时，手的动作距离和顺序是否合理； ( 5 ) 操作范围的尺度按人体百分位设计； ( 6 )从人体生理特征出发考虑各元件的设计是否合理； ( 7 )是否有防误操作的设计措施； ( 8 ) 环境条件是否有利作业进行，机器是否满足该环境工况。 2 2 评价指标的研究 2 2 1 座椅评价指标 驾驶员座椅设计的好坏直接关系到驾驶疲劳度，一方面座椅自身 9 堕签堡王堡盔堂堕主堂垡丝兰 结构和形式的设计对驾驶员乘坐疲劳度有着至关重要的作用；另一方 面在驾驶室狭小的空间内，合理布置座椅位置，使人以正确的姿势驾 驶操作也是非常重要的。 一 以下是利用9 5 和5 人体尺寸作为座椅尺寸设计基准，并根据人 机工程理论及( q c t6 3 3 2 0 0 0 客车座椅确定的座椅客观评价指标。 l 、椅面高度：椅面高度应使驾驶员大腿接近水平、小腿自然放置， 即保证不因椅面过高而使大腿肌肉受压。又保证不因椅面过低而增加 背部肌肉负荷。主要根据g b l 4 7 7 4 - - 9 3 表1 和g b l 0 0 0 0 - - - 8 8 表 5 来确定5 、5 0 、9 5 三种情况下的座高，取3 8 0 - - - 4 6 0 m m 。 2 、座垫宽度：座垫宽度必须能容纳身材粗壮的人。参考尺寸为臀 宽，以5 女性群体尺寸上限为设计依据。为使驾驶员能调整坐姿，座 垫宽度取适当大于臀宽。座垫宽度亦不能太大，否则肘部必须向两侧 伸展以寻取支承，这样会引起肩部疲劳，另外座垫宽度也受车宽的限 制。本文取4 5 0 5 5 0 m m 。 3 、座椅深度：坐垫前端至靠背表面之间的距离。该尺寸不能太大， 一般为4 0 0 - 4 6 0 m m ，正确的座深应使靠背方便地支持腰椎部位。如座 深大于身材矮小者的大腿长( 臀部至膝窝距) ，座面前缘将压迫膝窝处 压力敏感部位，这样若要得到靠背的支持，则必须改变腰部正常曲线； 否则坐者必须向前缘处移动以避免压迫膝窝，却得不到靠背的支持， 这两种坐姿都是不舒适的。为适应绝大多数驾驶员，座深应当按照5 的群体设计，这样身材矮小者坐着舒适，身材高大的人只要小腿能得 到稳定的支持，也不会在大腿部位引起压力疲劳。 4 、座面倾角：指座面与水平面所夹角度。座面后倾的作用有两点： 一是由于重力，躯干后移，使背部抵住靠背，获得支持，可以降低背 肌静压；二是防止驾驶员从坐缘滑出座面，这对于经常处于震动颠簸 环境中的驾驶员座椅非常重要。但是如果座面过分后倾，进行驾驶操 作时，脊椎因身体前屈而会被拉直，破坏正常的腰椎曲线，形成一种 费力的姿势，同时还会压迫腹部，长期驾驶会造成生理上的伤害。因 此倾角不能太大，一般为5 0 1 5 。坐垫表面最好是和臀部形态相适应 的曲面。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 5 、靠背倾角：指座面与靠背的夹角。从保持人体正常自然形态的 脊柱、增加舒适感角度看，靠背倾角取为1 1 5 。左右较为合适。但考虑 到驾驶是一个较长时间的作业，过分舒适会使驾驶员放松注意力而引 发事故，所以在保证一定舒适性的前提下，最大靠背倾角范围应适当 减小，故取9 0 0 1 0 5 0 以保证驾驶的安全。 6 、靠背高度：靠背的功用是保持脊柱具有一种轻松的姿势。由于 每个人的脊柱长度不同，身材也不完全相同，每个人的脊柱曲度变化 存在着一定的差异，使靠背高度与其形状之间出现了复杂的关系。靠 背的尺寸主要与腰部、肩部、头部的高度( 决定靠背高) 和宽度( 决 定靠背宽) 有关，确定高度时还应计入坐椅的有效厚度。本文取 4 5 0 8 5 0 m m 。 7 、靠背宽度：要满足人坐上去以后能够舒适。此外靠背不能太宽， 应不妨碍驾驶员手肘部的运动，以免在驾驶过程中出现干扰而引起事 故。合理的靠背宽度值为4 4 0 4 8 0 r a m 。 综上所述，座椅外观尺寸设计依据如图2 i 所示 图2 1 座椅尺寸设计依据 人体处于坐姿状态时，体重的7 5 左右由坐骨周围大约2 5 c m 2 的 部位来支承，因此久坐之后会产生压力疲劳，导致臀部痛楚麻木感”1 。 因此，座椅表面的软硬程度对人的乘坐舒适性有较大影响。软硬适度 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的椅垫有利于保持舒适的驾驶过程，因为过硬的椅垫会影响乘坐的舒 适性。而太软又会使身体陷入其中，无法得到应有的支持，造成坐姿 不稳，使得身体为了维持一定的姿势，致使肌肉紧张，很快就产生疲 劳。而座面上加上软硬适度的座垫后，可使臀部压力值大为降低。因 此，座垫材料要透气，且不易打滑，同时还要有一定的柔韧性，从而 增加乘坐舒适感。座椅合理的色彩运用与良好的结构设计不仅可以给 驾驶员提供一个舒适的驾驶环境，对驾驶员的安全也起着重要的作用。 2 2 2 操纵器评价指标 在人一一机环境系统中，操纵装置是指运用人的力量来开动 机器设备或改变其运行状态的装置和部件。汽车驾驶室内，操纵装置 分为手控操作和脚控操作两部分，手控操纵器主要有手刹杆、变速杆 和方向盘等；脚控操纵器主要有加速踏板、离合器、制动踏板。在确 定评价指标时，除了要考虑各操纵件的几何尺寸，还应考虑将操纵装 置设置在人体舒适的操纵范围内，图2 2 给出了人体肢体活动范围。 图2 2 人体肢体活动范围 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 方向盘 方向盘是驾驶员操作最频繁的手控操纵器，合理布置方向盘的位 置和倾斜角度，选择适宜的方向盘直径，可以降低驾驶员手的操纵疲 劳。图2 3 ”所示为手施加于方向盘上的力和力矩与方向盘的布置、转 速、直径之间的关系。显然，方向盘倾角越大，驾驶员可能施加的力 越大：反之，方向盘的转速越小。一般将方向盘倾角选在手容易控制、 活动的1 5 0 一7 0 0 范围内：另一方面，方向盘倾角的选择还应考虑到车 身总体布置方案和车型的不同。方向盘直径一般在1 8 0 - 5 2 0 m m 之间。 随着方向盘直径的增加，施加在方间盘上的力矩增加，但方向盘的转 速会减小。所以，从转向轻便的角度出发，载重货车和大客车采用大 直径的方向盘，倾斜角6 0 0 左右。从转向灵活性出发，轿车和小型汽 车采用较小直径的方向盘，且倾斜角多在2 0 0 3 0 0 范围内。 二： “ 莹” 姜： 螽* 僵“ 椒 ： 矿 口-2 0 *o e t o * o o 方向盘额角( 方向柱与水平面夹角) 图2 3 方向盘转速、转力与倾角的关系 方向盘的布置也要考虑座椅的调节量和驾驶员上下车的方便性， 图2 4 所示的方向盘与座椅之间的位置关系用数值a 和b 表示。有关 标准中规定当座椅调节至最后时，对于高级车型、中级车型和普通车 型其数值a 和b 分别不得小于：3 6 0 - 3 8 0 m m ，1 8 0 - 2 0 0 r a m ：3 5 0 3 7 0 m m ， 1 8 0 2 0 0 r a m ；3 3 0 3 5 0 m m ，1 8 0 2 0 0 m m 。由于驾驶员长时间把握方向 盘，会引起臂部和手的疲劳。因此方向盘要对驾驶员的臂部有良好的 支撑性，轮缘直径应符合手的生理结构并按照国家相关标准设计。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 4 方向盘与座椅之间的位置关系 2 变速杆和手刹杆 变速杆和手刹杆通常需要驾驶员使用较大的力来操纵，而人体所 发出的力是有限的，并且随操纵方向、操纵位置和驾驶姿势的不同而 各异。图2 5 h ”所示为手臂操纵力与操纵姿势和操纵位置的关系。由图 a 可知上臂角在1 3 0 0 1 7 0 0 范围内有较大的操纵力，属于舒适的手操纵 施力姿势。其中图b 所示上臂角为1 5 0 0 时，操纵手柄的最佳布置位置 在距座椅靠背面4 9 0 , - - 6 6 0 r a m 的范围内。一 对于交速杆，握柄向后移动时驾驶员的右臂肘部不得超出通过驾 驶员肩部的垂直横向平面，否则驾驶员作用于操纵杆上的力将明显减 小，操纵杆摆动角度应小于3 0 0 为佳。 e a 上臂角与手臂最大操纵力之间的关系 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 善3 0 囊2 0 蜡1 0 距椅背的距离( m m ) l 2 0 03 4 0 0 s 0 06 7 0 0 j ? ? ，一。 ； t i 芊掺 最佳区域 ： 0 l o 2 03 04 05 06 07 0 9 01 0 0 最大到达距离的百分比( t ) b 操纵位置与手臂最大操纵力之间的关系 图2 5 手臂操纵力与操纵姿势和操纵位置的关系 驾驶员在使用手刹杆时，一般是眼睛注意前方而进行操作，所以 手刹杆应设置在驾驶员肘部斜下方，使人仅凭触觉就能迅速准确进行 操作。此外，还应考虑操纵杆的握柄形状及大小是否符合人手的尺寸， 位置布置是否与其它元件在操纵时发生干涉现象。 3 离合器、制动踏板和加速踏板 脚操纵器的空间位置直接影响脚的旖力和操作效率因此，在进 行脚踏板的设计时，需要对脚踏板的空间位置进行考虑，应尽量考虑 到人在施力过程中的方便性。在汽车驾驶过程中，驾驶员通过调整坐 姿状态来进行对脚踏板的控制。因此，在考虑汽车脚踏板的空间位置 时，也主要就是考虑脚踏板与座椅的位置关系。 由于加速踏板所需的踏力和行程较小，影响驾驶员疲劳的主要因 素是频繁的踩踏，因此加速踏板的布置应使人体处于舒适的驾驶姿势， 并且在整个踩踏行程中也应使驾驶员保持舒适的驾驶姿势。一般加速 踏板在初始位置时，右腿与小腿的夹角应在8 7 0 9 0 0 之问，而踏板达到 极限位置时也不应超过1 1 0 0 。同样，在离合踏板和制动踏板的整个踩 踏行程中，人体躯干与大腿的关节角不应比初始位置时的角度大 9 0 1 0 。，膝关节角度不应超过1 7 0 。，小腿与脚的关节角度应为 哈尔滨工程大学硕士学位论文 9 0 。l i o o 为了保持人体的舒适驾驶姿势，可以通过调节座椅的位置 来保持最佳姿势。 驾驶员在驾驶过程中，需要在加速踏板和制动踏板之间来回频繁 踩踏，因此除了考虑踏板与座椅之间的距离，还应考虑它们之间的相 互位置关系。踏板布置时，应保证驾驶员能以最短的距离快速准确地 进行操作。 在踏板横向位置关系上，主要分析合理的间距使驾驶员在操作时 不会发生干涉现象。一般情况下，加速踏板比制动踏板更靠近驾驶员 座椅。刹车时，驾驶员需将脚从加速踏板上抬起来，做侧向动作，然 后去刹车，这一动作需要一定的时间。在驾驶过程中，往往需要驾驶 员做出准确迅速的反应。研究表明”若制动踏板和加速踏板处在同一 距离时，脚从加速踏板移到制动踏板上的时间就要短一些，试验又发 现，制动踏板在加速踏板后2 5 5 r a m 之间效果最佳。从脚踏板的纵向 位置来看，制动踏板和离合器踏板比加速踏板离驾驶员更近些，但制 动踏板与加速踏板相对水平距离不应大于3 0 r a m 。由于脚移到离合器踏 板上的时间允许长一些，离合器踏板与加速踏板在相对水平距离可达 到5 0 m m 。图2 6 为踏板布置示意图，其推荐尺寸为a = 1 3 0 m m ，b = 6 0 m m ， c = 7 0 m m ，d = 2 6 0 r a m ，e = 2 0 0 m m ，f - 1 7 0 m m 。 此外，除了考虑踏板的位置关系，还应考虑踏板的形状、大小等 因素。踏板的形状有正方形、长方形和椭圆形；表面必须有花纹，以 免踩踏时滑脱；大小合适，保证与脚掌充分接触。 图2 6 踏板布置位置关系 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 3 仪表盘评价指标 理想的仪表除了要准确地反映车辆运行状况外，还应根据人体感 觉器官的生理特征来确定其结构，两者必须要达到充分的协调。显示 器的形状、大小、颜色、分度，标记、空间布置、强度、亮度、照明、 背景等因素，都必须适合人的信息接受和认识过程；而且显示器所显 示的信息要辨认速度快、可靠性高、误读率小，并减轻驾驶员的精神 紧张和身体疲劳卜“”1 。 1 色彩 汽车仪表的可辨性是色彩设计时要首先考虑的因素。仪表盘是仪 表的重要功能部件，它是仪表运行结果的指示部分，它的颜色选择对 于仪表的可辨性影响很大。 ，： 为使指针、刻度等清晰易辨，运用人机工程学提供的清晰色彩搭 配方法来进行设计。由于人眼对不同色彩的辨认能力不同，而且不同 色彩的搭配也影响辨认的准确性。研究表明，人可以准确辨认的色彩 不超过l o 1 2 种，光谱的中波区( 橙、黄、绿) 对眼睛的感受性具有 最高的锐化作用。这些颜色也不易引起眼睛的疲劳，认读速度和准确 性较高。表2 1 列出了人眼对不同色彩搭配进行辨认的误读率。为了使 整个仪表盘色彩协调、明快、稳定、统一，仪表盘上各仪表最好采用 统一的色彩搭配。 表2 1 刻度盘底色及刻度线颜色与误差的关系 底色 墨绿淡黄天蓝灰黄 深蓝浅绿 推荐选用墨 绿色底色、 刻度色白 黑黑白白黑 白色刻度线 仪表 误读率 1 7 1 7 1 8 2 5 2 l 2 1 2 仪表的布置与排列 多个仪表进行排列时应按重要性原则和它们的功能分区排列，表 哈尔滨工程大学硕士学位论文 与表之间应尽量紧密布置，以缩小视野范围。重要仪表应布置在人的 中心视野偏左的位置，以使驾驶员头部不用转动就可以准确认读仪表。 当人眼偏离视中心时，在偏距相等情况下，人眼对左上限仪表的偏转 感知最快，其次是右上限，左下限，右下限。因此一般情况下油量指 示表、水温指示表和电流指示表等，排列于左侧更为适宜。指示灯一 般有以下3 种排列方式，如图2 7 所示。研究表明，正方形的排列辨认率 最低；圆形排列辨认较困难；直线形优于圆形排列汽车仪表板上的 指示灯，如刹车灯、远光灯、近光灯及转向灯等一般为直线排列。 图2 7 指示灯排列形式 此外还应考虑人眼视觉特征的影响，对仪表盘的布置作相应的调 整。主要考虑以下几个因素h 1 ”1 ： ( 1 ) 眼睛沿水平方向运动比沿垂直方向运动快，而且不易疲劳。 ( 2 ) 视线的变化习惯从左到右，从上到下和顺时针运动。 ( 3 ) 人眼对水平方向尺寸和比例的估计比对垂直方向尺寸和比例 的估计要准确得多，因而水平式仪表的误读率( 2 8 ) 比垂直式仪 表的误读率( 3 5 ) 低。 3 刻度盘形状 。 刻度盘的形状主要取决于它的功能和入的视觉运动规律，不同形 状的刻度盘的误读率也不同。其形状目前主要有水平直线形、圆周性、 半圆形、1 4 圆形和扇形五种形式。研究表明，圆形刻度盘认读范围小， 视线集中，误读率较低。但这种刻度盘最大刻度与最小刻度重合在一 起，或距离很近。由于驾驶员的认读时间很短，容易发生误读，所以 采用半圆形刻度盘可以有效地避免误读的发生。半圆形刻度盘给出了 较好的准确率与显示位置，但在汽车某些仪表中由于刻度范围较大， 墙 哈尔滨工程大学硕士学位论文 半圆形刻度盘无法满足刻度布置需要，如时速表，就有0 、2 0 、1 6 0 、 1 8 0 等多个刻度。这时若选择半圆形刻度盘就会因刻度线之间过于拥挤 而发生误读。 综合以上因素考虑，应将刻度盘设计成略大于半圆形，这样既满 足了刻度盘最大刻度与最小刻度之间有一定的距离，又增大了刻度线 之间的间距。表2 2 阐述了仪表形状和适用范围的关系。 表2 2 仪表形状及其适用范围的关系 识别任务 显示装置 评语 跟踪测量值2 - 4 项任务的 类别 读出测量值 定向识别 的变化混台形式 水平直线刻很适用( 尤其有条件地不适用( 不有条件地适 所占空间很 度盘对宽量程)适用能把握测量用( 若测量值 小，因此可使 值的快速变的变化很慢) 用大号数字， 冈 化)数字体系可使 1 j 用彩色数码 圆周刻度盘适用( 尤其对 根适用很适用( 尤很适用( 尤其成系列安捧时 宽量程) 其对宽量对宽量程)指针的方向可 程)以相同，刻度 盘基线可以很 长，可选择零 点位置 半圆刻度盘 适用很适用适用适用( 主要在 损容易满足协 一、 第1 和第2 象 调性韵要求， 确、 主要使用第i 和第2 象限内的刻度，其它 限内)如果显示测量 值的标志会部 位置会使识别困难，并且扩大误差 分地失去角度 信息。应按角 1 4 圆刻度盘 适用很适用适用适用( 尤其对 度信息损失的 窄的量程) 情况降低适用 k 主要使用向上指示的或在第2 象限内的刻 等级 度，刻度的其它位置会使识别困难，并且 扩大误差 扇形刻度盘有条件地适用有条件地不适用( 指有条件地适 乃、 ( 扇形面很大 适用( 扇形示范围太用 的)面很大的)小) 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 刻度与宇符 刻度线和字符的类型、方向、长短和宽度也影响认读的准确性和 认读速度。好的刻度与字符的设计不仅可以使仪表美观大方，而且也 可以提高驾驶员的认读效率。 最小刻度线之间的距离称为刻度的大小。根据人机工程学原理， 最小刻度尺寸一般在1 2 5 m m 之间选取。刻度线的宽度取决于刻度线 的大小，当刻度线的宽度为刻度大小的1 左右时，误读