劉 軍（哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院,哈爾濱 150081）

淺談汽車后視鏡視野測(cè)試方法

劉 軍
（哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院,哈爾濱 150081）

本文從交通安全角度出發(fā)，探討了車輛駕駛過程中的后視鏡性能的局限性，提出了通過三維數(shù)字技術(shù)建模分析駕駛視野的研究思路。并根據(jù)研究結(jié)果提出了了系統(tǒng)與常規(guī)車輛匹配安裝的思路?？商岣哕囕v和行人的安全性，獲得一定的社會(huì)效益。因此車輛行駛視野擴(kuò)展技術(shù)的研究在車輛安全保障方面有存在的必要性。

盲區(qū);駕駛視野;交通安全

在上世紀(jì)90年代前全國大多數(shù)城市增容效果還未凸顯，我國城鎮(zhèn)化剛剛起步不久，主要街路不多，且路面較窄，路面上行駛車輛也少，大多數(shù)時(shí)間里整條街路上在視野范圍內(nèi)只有幾輛車，在此情況下行人的避讓和采取安全措施相對(duì)容易，車輛的駕駛過程中與其他車輛發(fā)生碰撞的幾率較低。路面承載能力亦可滿足車輛的需求。車輛上的盲區(qū)存在的危害在當(dāng)時(shí)未能凸顯并引起重視。

隨著車保有量迅猛發(fā)展，道路情況變得日益復(fù)雜，道路上的車輛間距和人與車輛間距愈加縮小?，F(xiàn)階段，無論在正常行車還是泊車過程中由于盲區(qū)存在已經(jīng)極大危害到路上行人和車輛的安全。尤其在一些特殊情況下，如車輛通過狹窄路口時(shí)，前后車距可縮短至1m，左右車距可縮短至0.5m甚至更小的距離。在此情況下駕駛員掌握車輛周圍的情況已非常重要，視野范圍需進(jìn)一步擴(kuò)大才可能進(jìn)一步保證交通安全。因此，需要從車輛出廠的國家標(biāo)準(zhǔn)、車輛上道的相關(guān)管理規(guī)定層面提出進(jìn)一步消除盲區(qū)的概念。另一方面，應(yīng)該從技術(shù)層面考慮消除盲區(qū)，也是一個(gè)應(yīng)投入精力研究的重要方向。

1 現(xiàn)有的汽車駕駛盲區(qū)測(cè)量方法

1.1 目視法

目視法是在眼點(diǎn)的位置設(shè)置眼點(diǎn)的標(biāo)記裝置，后視鏡視野測(cè)試人員于眼點(diǎn)標(biāo)記位置通過內(nèi)、外后視鏡觀察目標(biāo)物來進(jìn)行測(cè)試的方法。由于眼點(diǎn)的位置是測(cè)試的基準(zhǔn)，因此該測(cè)試方法要求眼點(diǎn)位置準(zhǔn)確。期中眼點(diǎn)的位置可通過幾種方法獲得：三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、三維掃描儀、三維H點(diǎn)人體模型。需要觀察的目標(biāo)置于后視野范圍要求的地面上。要求目標(biāo)高度不低于車上相關(guān)后視鏡的高度。優(yōu)點(diǎn)是易行、簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是人為因素的影響較大。

1.2 攝影法

攝影法是通過相機(jī)拍攝車外的物體在后視鏡中影像的方法。測(cè)試時(shí)，需要先確定眼點(diǎn)的位置，再將照相機(jī)的膠卷中心布置在的眼點(diǎn)位置上拍攝。是利用照相機(jī)來代替人眼的檢測(cè)視野方法。其優(yōu)點(diǎn)是較適合單眼的情況，對(duì)所得的成像的比較相對(duì)直觀。缺點(diǎn)是難以確定照相機(jī)的位置，得到雙眼的測(cè)試結(jié)果，需要將兩個(gè)照片進(jìn)行合成，而且這個(gè)過程易產(chǎn)生誤差。

1.3 燈光投影法

燈光投影法是在確定的眼點(diǎn)位置上放置模擬眼睛的點(diǎn)光源，通過后視鏡的反射光照到屏幕上，通過測(cè)量、計(jì)算對(duì)后視野進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法。

1.4 觀察法

觀察法是由燈光投影法發(fā)展來的。燈光投影法需要屏幕等裝置，測(cè)試結(jié)果需要作圖、計(jì)算，比較繁瑣，觀察法可省去部分步驟。觀察法是在眼點(diǎn)位置布置模擬眼睛的點(diǎn)光源。燈光通過左右外后視鏡反射到地面，在地面相關(guān)位置上放反射鏡，再通過反射鏡進(jìn)行觀察。如果在反射鏡中看到點(diǎn)光源，則說明反射鏡在可視區(qū)域，否則不在可視區(qū)。對(duì)于整個(gè)后視野的狀況不能掌握；觀察法適合單眼和雙眼。直觀、簡(jiǎn)單、易行；需要場(chǎng)地較大。

2 使用仿真軟件建立車輛三維空間模型并對(duì)形成的盲區(qū)進(jìn)行分析

由于上述測(cè)試視野范圍的方法都受到場(chǎng)地設(shè)備等限制，在對(duì)與車輛駕駛視野相關(guān)的參數(shù)如后視鏡視野范圍、車身輪廓參數(shù)、后視鏡安裝角度、座椅調(diào)節(jié)范圍等進(jìn)行研究時(shí)并不方便和快捷。因此將整個(gè)車輛外形參數(shù)和視野范圍制作成三維數(shù)據(jù)模型。產(chǎn)生了輔助設(shè)計(jì)，并使設(shè)計(jì)更加快捷和高效的效果。另外，方便更加直觀的進(jìn)行與交通安全相關(guān)的研究。

2.1 建模軟件的簡(jiǎn)介

SolidWorks為達(dá)索系統(tǒng)（Dassault Systemes S.A）下的子公司，專門負(fù)責(zé)研發(fā)與銷售機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的視窗產(chǎn)品。使用了直觀式設(shè)計(jì)技術(shù)、Windows OLE技術(shù)以及先進(jìn)的parasolid內(nèi)核還有良好的與第三方軟件的集成技術(shù)。

2.2 理論依據(jù)和數(shù)學(xué)工具

按照反求工程為指導(dǎo)思想，即“計(jì)算機(jī)三維造型技術(shù)和測(cè)量技術(shù)的支撐，工程技術(shù)人員可以通過實(shí)物樣件快速獲取工程設(shè)計(jì)概念和設(shè)計(jì)模型。再通過模型進(jìn)行形體尺寸、布局和結(jié)構(gòu)材料的選擇等的結(jié)構(gòu)分析。再進(jìn)行包括裝配工藝、加工工藝等制造工藝的分析”。通過空間點(diǎn)測(cè)量確定數(shù)據(jù)模型，逐步增加選取點(diǎn)滴密度，從而實(shí)現(xiàn)提高精度控制。

使用過的數(shù)學(xué)工具包括：

（1）坐標(biāo)矩陣變換

新坐標(biāo)軸在舊坐標(biāo)系中的方向余弦：

九個(gè)方向余弦，實(shí)際上只有三個(gè)獨(dú)立參數(shù)。

矩陣表示法：

實(shí)際上就是空間向量的正交分解合成法。

反過來，求舊坐標(biāo)軸在新坐標(biāo)系中的方向余弦，只需求原方向矩陣A的逆矩陣A-1即可。

｜A｜=±1：｜A｜=1為同手系變換，｜A｜=-1為異手系變換。｜A｜表示矩陣A的行列式。

[x、y、z]=[x'、y'、z']×A

[x'、y'、z']=[x、y、z]×A-1.

當(dāng)｜A｜=1時(shí)，A-1=AT（轉(zhuǎn)置矩陣），即A為正交矩陣。

（2）三維直角坐標(biāo)系下法線平面、切平面確定

空間上一點(diǎn)（x0，y0，z0）的切平面方程為：

（3）使用matlab插值形成曲面和最小二乘法擬合曲面方法

插值和擬合都是數(shù)據(jù)優(yōu)化的方法之一，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不夠多時(shí)常要用到這些方法來畫圖。在matlab中都有一些特定的函數(shù)來完成這些功能。這兩種方法的區(qū)別在于：測(cè)量值沒有誤差是準(zhǔn)確的時(shí)，用插值法；測(cè)量值與真實(shí)值有誤差時(shí)用數(shù)據(jù)擬合法。一維曲線的插值，一般用函數(shù)yi=interp1（X,Y,xi,method） ，其中的method包括linear，nearst，cubic，spline。對(duì)二維曲面的插值，一般用函數(shù)zi=interp2（X,Y,Z,xi,yi,method），其中method常用的是cubic。對(duì)于一維曲線的擬合，一般用函數(shù)p=polyfi t（x,y,n）和yi=polyval（p,xi），是常用的最小二乘法的擬合方法。對(duì)二維曲面的擬合，可用Spline Toolbox里面的函數(shù)功能。

2.3 建模的方法和步驟

（1）坐標(biāo)系的選取。依據(jù)ISO4130-1978《道路車輛三維參考系統(tǒng)和基準(zhǔn)符號(hào)定義》和SAEJ182-2005《汽車基準(zhǔn)符號(hào)和三維參考系統(tǒng)》確定坐標(biāo)系。如圖1

圖1 坐標(biāo)系建立示意圖

在圖1中，使X為汽車的長(zhǎng)度方向，Y為寬度方向，Z為高度方向 。

Z方向坐標(biāo)零線——有車架的車，一般取沿車架縱梁上緣上表面平直且較長(zhǎng)一段所在平面作為高度方向坐標(biāo)的零平面；無車架的車輛可沿車身地板下表面平直且較長(zhǎng)一段所在平面作為高度方向坐標(biāo)的零平面。 當(dāng)車身無較長(zhǎng)直線段（多為曲線時(shí)），取前輪理論中心線的水平線。零平面上方為正，零平面下方為負(fù)。

X方向坐標(biāo)零線——將通過汽車前輪理論中心線并垂直于高度方向零平面的平面作為長(zhǎng)度方向坐標(biāo)的零平面。零平面前方為負(fù)，零平面后方為正。

Y方向坐標(biāo)零線——把汽車的縱向?qū)ΨQ中心平面作為寬度方向坐標(biāo)的零平面。 零平面左側(cè)為正，零平面右側(cè)為負(fù)。

（2）通過三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的獲得車輛在不同水平界面上沿車身外輪廓x軸方向選取15個(gè)點(diǎn)，y軸方向選取10個(gè)點(diǎn)，按照50mm長(zhǎng)度在z軸上升高獲得不同層的數(shù)據(jù)直到車輛頂部。輸入完成車輛外部輪廓的曲面的建立。

（3）駕駛員眼點(diǎn)確定。根據(jù)總體布置的要求所確定的駕駛員設(shè)計(jì)乘坐位置中心，作一平行于汽車縱向基準(zhǔn)面的平面。從該平面內(nèi)的駕駛員 R 點(diǎn)垂直向上 635 mm，作垂直于該平面的一條直線段。在直線段與該平面交點(diǎn)的兩側(cè)各 32.5 mm 處（總距離 65 mm）作兩個(gè)點(diǎn)，這兩點(diǎn)即為駕駛員的眼點(diǎn)。

（4）在裝配變曲率后視鏡時(shí)通過將使用點(diǎn)陣最小二乘法擬合的后視鏡鏡面進(jìn)行構(gòu)造和裝配。通過實(shí)體的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)完成與三維直角坐標(biāo)的矩陣變換的等效動(dòng)作。

（5）通過放樣和延伸命令形成椎體與地面或屏幕相交確定駕駛視野范圍 。

（6）通過眼點(diǎn)向變曲率后視鏡做連線，確定視線的入射點(diǎn)，再通過入射點(diǎn)做后視鏡曲面的法線，通過鏡像命令構(gòu)造反射光線。再將反射光線延長(zhǎng)到投影屏幕中。形成視野范圍上的一點(diǎn)。

（7）通過在后視鏡輪廓線選取20樣本點(diǎn)，按照上一步驟做法，在投影區(qū)域內(nèi)形成20點(diǎn)，再通平面上樣條曲線連接個(gè)點(diǎn)，完成投影區(qū)域輪廓。當(dāng)樣本數(shù)量逐漸增大時(shí)，投影區(qū)域內(nèi)個(gè)點(diǎn)連線形成的面接近真實(shí)投影面積。再通過曲面工具里的平面工具和測(cè)量命令可直接獲得投影面積具體數(shù)值。

（8）通過眼點(diǎn)與車輛擋風(fēng)玻璃和側(cè)車窗進(jìn)行放樣曲面操作，直接獲得駕駛員視野區(qū)域。

2.4 汽車駕駛視野范圍和盲區(qū)的確定

如圖2、3所示，根據(jù)生成的三維數(shù)據(jù)模型，通過觀察可知。車輛盲區(qū)的范圍主要分布在車輛下部的裙?fàn)畈灰?guī)則區(qū)域和車頭、車尾以及A、B柱方向上。

圖2所示錐狀區(qū)域?yàn)檐囕v尾部的間接駕駛視野范圍和盲區(qū)范圍，其中尾部駕駛視野盲區(qū)是指車輛輪廓后部到車輛后視野與地平面相交線之間的一片立體區(qū)域與C柱盲區(qū)連為一體。

如圖3所示呈喇叭狀區(qū)域?yàn)檐囕v頭部直接視野范圍。車頭盲區(qū)是指前下方駕駛員視野與地平面相交的部分。車輛頭部盲區(qū)為車輛前下方駕駛員視線與地面交線之間圍成的區(qū)域。

可按照車輛不同的行駛狀態(tài)，劃分盲區(qū)的重要性。并針對(duì)該狀態(tài)下的重點(diǎn)隱患盲區(qū)選取排除方案。

圖2 車輛尾部盲區(qū)范圍

圖3 車輛頭部盲區(qū)范圍

2.5 駕駛視野的分布和測(cè)量

通過數(shù)據(jù)生成駕駛視野立體區(qū)域，并向車輛前部、側(cè)面和車輛尾部方向上一定距離上投影，并對(duì)投影區(qū)域面積進(jìn)行計(jì)算，并選取不同的角度按照不同的步長(zhǎng)輸入系統(tǒng)進(jìn)行表投影面積的大小。獲得最佳的布置角度。

使用曲面鏡外后視鏡駕駛視野分布。如圖4、5，后視鏡為曲面的前提下，在按照要求調(diào)整后視鏡角度后，獲得的視野區(qū)域?yàn)椋鹤髠?cè)車輛10m處視野寬度為5290mm，大于國家標(biāo)準(zhǔn)的2500mm。右側(cè)30m處寬度為9013.4mm大于3500mm的國家標(biāo)準(zhǔn)。通過模型的分析測(cè)量功能，可直接測(cè)量不同后視鏡加裝后的使用效果。

3 結(jié)論

本文的主要工作為，介紹在已有理論基礎(chǔ)上建立三維數(shù)據(jù)模型的方法和步驟，并將經(jīng)過校驗(yàn)的后視鏡成型曲面構(gòu)造到三維模型中。并驗(yàn)證通過三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行測(cè)量和指導(dǎo)設(shè)備選取的功能。經(jīng)過與以往的測(cè)試方法比較，使用仿真軟件建模的方法可以直觀測(cè)量不同后視鏡在車身后10m、20m等投影幕上的視野范圍。可以量化觀測(cè)到的路面寬度的具體數(shù)值，甚至可直接得出投影幕上的視野面積。

另外，從數(shù)據(jù)模型中可以看到視野范圍的三維形狀，通過調(diào)整后視鏡角度參數(shù)即可直接得出不同的視野范圍，具有直觀、方便的特點(diǎn)。有利于車身設(shè)計(jì)和安全分析。相對(duì)于傳統(tǒng)的后視野測(cè)試方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

[1]趙云,唐如亞,陳華杰.后視鏡布置與視野安全性分析[J].機(jī)電技術(shù),2012,28（05）:90-109.

[2]GB15084-2006,機(jī)動(dòng)車輛后視鏡的性能和安裝要求[S].

[3]黃天澤,黃金陵.汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

劉軍（1977-）,男,東北林業(yè)大學(xué),載運(yùn)工具運(yùn)用工程專業(yè),哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院講師。