劉　群任金東李樂萌華　猛高振海

（1.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春130022；2.現(xiàn)代汽車研發(fā)中心（中國）有限公司，煙臺(tái)264006）

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基于知識(shí)的汽車后視鏡布置研究

劉群1任金東1李樂萌2華猛2高振海1

（1.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春130022；2.現(xiàn)代汽車研發(fā)中心（中國）有限公司，煙臺(tái)264006）

【摘要】基于人機(jī)工程學(xué)原理論述了汽車外后視野設(shè)計(jì)與分析方法，分析了影響后視野的后視鏡尺寸和布置等因素。利用CATIA二次開發(fā)方法和VB編程語言，結(jié)合CATIA知識(shí)工程模塊，開發(fā)了基于知識(shí)工程的汽車外后視鏡設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了后視野計(jì)算和分析的自動(dòng)化。基于6種典型布置方案對(duì)系統(tǒng)的計(jì)算精度進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算并統(tǒng)計(jì)了最佳視野時(shí)的后視鏡角度和頭部轉(zhuǎn)角，建立了鏡面最佳角度的預(yù)測(cè)模型，研究了鏡面最佳角度隨汽車駕駛室布置參數(shù)的變化規(guī)律。

1　引言

后視鏡是駕駛員間接視野的主要保證，其合理設(shè)計(jì)與布置是改善主動(dòng)安全性的重要措施之一［1］。為在概念設(shè)計(jì)階段快速、科學(xué)地對(duì)后視鏡進(jìn)行設(shè)計(jì)和布置，需要根據(jù)已知布置參數(shù)進(jìn)行反復(fù)地分析和校核，這不僅涉及對(duì)相關(guān)法規(guī)的理解，還需要設(shè)計(jì)人員能夠合理地運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)專業(yè)知識(shí)。而將相關(guān)知識(shí)總結(jié)并開發(fā)出專業(yè)軟件供設(shè)計(jì)人員使用是有效的解決方法［2～5］。以良好視野為目標(biāo)、以知識(shí)工程和參數(shù)化設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)的相關(guān)技術(shù)不僅能提高設(shè)計(jì)效率和精度，對(duì)相關(guān)專業(yè)內(nèi)容的改進(jìn)也具有重要的意義。例如，Volvo公司曾嘗試以滿足良好視野為目標(biāo)驅(qū)動(dòng)相關(guān)立柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［6］。

目前一些車型后視鏡仍然存在很大的盲區(qū)，而曲面鏡雖能擴(kuò)大視野，卻扭曲了物像，使得對(duì)距離和車速的判斷容易失真。如何權(quán)衡駕駛室布置參數(shù)和后視鏡設(shè)計(jì)參數(shù)，減少側(cè)面盲區(qū)仍值得研究［7］。標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)定義了汽車后視野的通用規(guī)范，很多車型在滿足這些規(guī)范的基礎(chǔ)上還存在很大的改進(jìn)空間。同時(shí)，不同駕駛員對(duì)后視鏡有著不同的使用習(xí)慣和偏好，在設(shè)計(jì)階段對(duì)這些因素進(jìn)行充分地分析顯得意義重大。雖然汽車認(rèn)證階段的視野測(cè)量技術(shù)也在不斷發(fā)展［8］，但仿真技術(shù)對(duì)于設(shè)計(jì)早期的意義是顯而易見的。結(jié)合主流CAD軟件，根據(jù)相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用知識(shí)工程的方法，將設(shè)計(jì)原理、規(guī)范等知識(shí)融入CAD設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和分析的自動(dòng)化，可大大提高設(shè)計(jì)效率。同時(shí)，目前國內(nèi)的研究幾乎沒有考慮后視野參數(shù)隨汽車布置參數(shù)的變化規(guī)律，而這對(duì)于方案改進(jìn)和新車型設(shè)計(jì)具有重要意義。

本文總結(jié)了后視鏡布置法規(guī)和視野分析知識(shí)，結(jié)合CATIA V5知識(shí)工程模塊，依據(jù)我國標(biāo)準(zhǔn)要求，以Visual Basic（VB）6.0為工具開發(fā)了汽車外后視鏡布置系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)初步研究了轎車后視鏡傾角隨布置參數(shù)的變化規(guī)律。

2　汽車外后視野相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

我國參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)制訂了強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)GB 15084《機(jī)動(dòng)車輛后視鏡的性能和安裝要求》，它是國產(chǎn)汽車定型、質(zhì)量檢驗(yàn)及進(jìn)出口商檢的必檢項(xiàng)目。圖1給出了總質(zhì)量小于2 000 kg的M1、N1類汽車外后視野要求。

圖1　M1和N1類汽車外后視野要求

3　影響后視野的后視鏡設(shè)計(jì)因素

3.1后視鏡曲率半徑

曲率半徑是后視鏡的基本參數(shù)之一，直接關(guān)系到后視鏡的視野大小、物像質(zhì)量和距離判斷的準(zhǔn)確性。凸面鏡可以擴(kuò)大視野，視野隨曲率半徑減小而增大。研究表明，考慮正常人觀察視角的鏡面曲率半徑r在900～1 500 mm范圍內(nèi)較合適［9］。GB 15084規(guī)定：對(duì)于II類后視鏡，其反射面的曲率半徑不得小于1 800 mm；對(duì)于I、III類后視鏡，其反射面的曲率半徑不得小于1 200 mm。

3.2后視鏡鏡片尺寸

后視鏡鏡片越大，視野越大，但不需要的景物會(huì)映入鏡中，分散駕駛員的判斷力。大的后視鏡尺寸還會(huì)增加空氣阻力和氣動(dòng)噪聲。對(duì)鏡面尺寸的基本要求是能清楚地反映法規(guī)所規(guī)定的后視野。GB 15084規(guī)定：必須能在外后視鏡反射面上繪出一個(gè)高40 mm、底邊長為a的矩形，以及繪出與該矩形的高平行的b線段。a、b的計(jì)算方法見表1。

表1　GB 15084對(duì)鏡面尺寸的要求　mm

3.3后視鏡布置

汽車后視鏡布置應(yīng)考慮以下2點(diǎn)：

a.保證駕駛員觀察后視鏡的視野。后視鏡布置既要滿足人機(jī)工程學(xué)推薦的布置原則，又要保證駕駛員對(duì)后視鏡有效反射面的觀察。例如，對(duì)于需要從前風(fēng)窗玻璃觀察的后視鏡，觀察其有效反射面的視線應(yīng)該處于風(fēng)窗玻璃刮掃區(qū)域范圍內(nèi)，目前許多長途客車的“兔耳”式后視鏡就不能很好地滿足駕駛員清晰觀察的需要。

b.后視野滿足法規(guī)要求。這需要對(duì)鏡面尺寸、曲率半徑、空間方位、觀察距離、整車布置參數(shù)等因素進(jìn)行綜合匹配才能夠保證。如前所述，很多車型的后視鏡布置在滿足法規(guī)要求的基礎(chǔ)上仍存在很大的提升空間，可以進(jìn)一步優(yōu)化，以保證良好的安全性。

4　后視野的自動(dòng)分析

4.1一般步驟

a.初選眼點(diǎn)

眼點(diǎn)是視野分析中視線的出發(fā)點(diǎn)，是保證分析結(jié)果適應(yīng)度的關(guān)鍵。按照設(shè)計(jì)適應(yīng)度［10］的要求，應(yīng)選取駕駛員人群眼點(diǎn)分布的置信邊界點(diǎn)。GB 15084定義了眼點(diǎn)位置，但缺乏統(tǒng)計(jì)意義。本文采用SAE J941中定義的駕駛員頭部轉(zhuǎn)動(dòng)中心點(diǎn)（P點(diǎn)）計(jì)算眼點(diǎn)（E點(diǎn)）［11］。SAE J941標(biāo)準(zhǔn)定義了頭部轉(zhuǎn)動(dòng)中心點(diǎn)P4和P3，分別用于計(jì)算左、右側(cè)后視野，其相對(duì)于眼橢圓中心的位置參見表2，表中TL23為座椅水平調(diào)節(jié)行程［12］。E點(diǎn)有2個(gè)，分別代表左、右眼睛位置，二者相距65 mm；P點(diǎn)與眼點(diǎn)等高，位于左、右眼點(diǎn)連線中點(diǎn)后方98 mm處。

表2　P點(diǎn)相對(duì)于中央眼橢圓中心偏移量　mm

b.計(jì)算駕駛員頭部轉(zhuǎn)動(dòng)角度

在人眼自然轉(zhuǎn)動(dòng)條件下，有時(shí)無法看到后視鏡的完整鏡面，必須考慮轉(zhuǎn)動(dòng)頭部去觀察，這時(shí)需要計(jì)算頭部轉(zhuǎn)動(dòng)角ω：

式中，XP、YP為頭部轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)的x、y坐標(biāo)；XM、YM為距眼點(diǎn)最遠(yuǎn)的鏡面點(diǎn)的x、y坐標(biāo)為頭部轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)到距眼點(diǎn)最遠(yuǎn)鏡面點(diǎn)的距離。

c.確定駕駛員眼點(diǎn)在鏡中的成像點(diǎn)

根據(jù)凸面鏡光學(xué)成像原理（圖2），從B點(diǎn)出發(fā)，平行于主光軸的光線經(jīng)過凸面鏡后通過焦點(diǎn)F，從B點(diǎn)出發(fā)，通過曲率中心O的光線經(jīng)過凸面鏡后方向不變。2條光線的交點(diǎn)即為B點(diǎn)的成像點(diǎn)B′。根據(jù)這個(gè)原理即可確定眼點(diǎn)在鏡中的成像點(diǎn)。

圖2　凸面鏡成像原理

d.后視野區(qū)域的確定

分別以左、右眼點(diǎn)EL、ER的成像點(diǎn)IL、IR為頂點(diǎn)，作鏡面邊界的射線，得到左、右眼點(diǎn)借助后視鏡看到的空間范圍，并可求出左、右單眼視角φ1、φ2，雙眼視角φ3，以及左、右單眼總視角φ4，參見圖3。

圖3　后視野角度的確定原理

e.計(jì)算鏡面的最佳角度

校核后視野必須將鏡面調(diào)整到使視野指向法規(guī)要求的位置［13］：從俯視圖上看，使視野區(qū)域靠近汽車一側(cè)的邊界與縱向基準(zhǔn)面基本平行；在側(cè)視圖上看，使視野區(qū)域最上邊界與水平面平行。此時(shí)的視野區(qū)域?yàn)樽罴褏^(qū)域。此外，對(duì)于帶有外殼（支架）的后視鏡，鏡面最佳角度對(duì)設(shè)計(jì)殼體相關(guān)傾斜角度具有重要參照作用，可使不同身材駕駛員以最小的鏡面調(diào)節(jié)量獲得最佳視野，從而減小外殼厚度。

f.重新計(jì)算頭部轉(zhuǎn)動(dòng)角度

由于鏡面位置已經(jīng)變動(dòng)，駕駛員頭部轉(zhuǎn)動(dòng)角度還需要重新計(jì)算。

重復(fù)步驟b～步驟f，直到獲得最佳鏡面位置。此時(shí)，如果地面上的后視野區(qū)域?qū)⒎ㄒ?guī)區(qū)域完全包括在內(nèi)，就表明視野合格；否則說明此后視鏡的尺寸或布置不合理。

4.2汽車外后視鏡布置系統(tǒng)

基于CATIA二次開發(fā)接口，運(yùn)用VB開發(fā)了后視鏡布置系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，輸入不同的設(shè)計(jì)參數(shù)即可快速獲得不同曲率半徑、不同鏡面尺寸的后視鏡模型，同時(shí)實(shí)現(xiàn)后視鏡的定位，并且自動(dòng)調(diào)節(jié)鏡面角度獲得最佳視野，從而方便進(jìn)行后視野的計(jì)算和校核。

a.關(guān)鍵參數(shù)的定義

用CATIA知識(shí)工程模塊創(chuàng)建了后視鏡設(shè)計(jì)參數(shù)（表3），以實(shí)現(xiàn)對(duì)后視鏡模型的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)。在VB中創(chuàng)建人機(jī)交互窗口，在窗口中輸入相應(yīng)參數(shù)值即可快速生成符合條件的后視鏡概念模型。

表3　后視鏡參數(shù)

b.后視野的自動(dòng)計(jì)算和分析

根據(jù)上述分析，在CATIA中作出后視野法規(guī)區(qū)域。根據(jù)凸面鏡成像原理計(jì)算駕駛員眼點(diǎn)在鏡面中的成像點(diǎn)，再以該點(diǎn)為起點(diǎn)，過鏡面邊界點(diǎn)作射線即確定駕駛員后視野。根據(jù)空間幾何關(guān)系構(gòu)造中央眼橢圓中心和鏡面旋轉(zhuǎn)中心，根據(jù)鏡面曲率半徑、鏡面尺寸建立鏡面邊界點(diǎn)坐標(biāo)和眼點(diǎn)成像點(diǎn)。利用VB循環(huán)語句進(jìn)行迭代計(jì)算，得到鏡面在最佳位置時(shí)的水平角度α、垂直角度β和頭部轉(zhuǎn)動(dòng)角ω，系統(tǒng)流程如圖4所示。

利用VB開發(fā)環(huán)境在進(jìn)程外調(diào)用CATIA Automation API函數(shù)［14］，將系統(tǒng)算得的α、β、ω自動(dòng)賦給前面定義的CATIA相關(guān)參數(shù)，以參數(shù)驅(qū)動(dòng)后視鏡模型，并實(shí)現(xiàn)后視野的自動(dòng)更新。比較后視野與法規(guī)區(qū)域的包含關(guān)系，即可判斷后視鏡的設(shè)計(jì)和布置是否符合要求。

圖4　后視野計(jì)算分析流程

c.系統(tǒng)驗(yàn)證

為驗(yàn)證系統(tǒng)計(jì)算效率和精度，選取了6種布置方案數(shù)據(jù)，根據(jù)它們計(jì)算得到各布置方案最佳鏡面位置時(shí)的鏡面角度和頭部轉(zhuǎn)動(dòng)角，并與手動(dòng)計(jì)算得到的最佳鏡面位置時(shí)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表4。通過對(duì)比可以看出，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算的結(jié)果與手動(dòng)計(jì)算結(jié)果相差不大（α相差小于3°，β相差小于1°，ω相差不超過1.4°）。

表4　系統(tǒng)計(jì)算精度分析結(jié)果?。ā悖?/p>

5　駕駛室布置參數(shù)對(duì)后視鏡布置的影響

汽車后視鏡傾角的設(shè)計(jì)與駕駛室（乃至整車）的布置有密切的關(guān)系，所確定的傾角必須得到保證。明確這種匹配關(guān)系對(duì)后視鏡布置很有意義。本文以乘用車駕駛員側(cè)后視野為例，選取駕駛室的25種布置方案，將布置參數(shù)輸入系統(tǒng)后自動(dòng)計(jì)算出鏡面最佳角度和頭部水平轉(zhuǎn)動(dòng)角，部分結(jié)果見表5。在此基礎(chǔ)上，分析了后視野隨布置參數(shù)的變化關(guān)系。表5中，H30為駕駛座椅高度，L6為轉(zhuǎn)向盤中心到踏板基準(zhǔn)點(diǎn)的前后方向距離，A40為座椅靠背角［12］。對(duì)25組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，提取布置參數(shù)中的主成分作為預(yù)測(cè)因子，建立了后視鏡最佳鏡面角度的預(yù)測(cè)模型。為能夠直觀地反映駕駛室布置參數(shù)對(duì)因變量的影響，將初始自變量帶回預(yù)測(cè)模型中，得到的預(yù)測(cè)模型見表6（模型顯著性Sig.＜0.01）。表7為α的25組預(yù)測(cè)值和樣本值的對(duì)比，它們之間的絕對(duì)誤差不超過1°，相對(duì)誤差在6％內(nèi)，說明模型的預(yù)測(cè)效果很好。

表5　不同布置方案最佳視野時(shí)的后視鏡參數(shù)

表6　預(yù)測(cè)模型系數(shù)

表7　鏡面角度α預(yù)測(cè)模型誤差分析?。ā悖?/p>

由預(yù)測(cè)模型可知，以α和β為0時(shí)為初始位置，如圖5a，隨著L6、H30和A40的增加，鏡面水平角度α減小，鏡面繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖5b所示。而L6、H30和A40的增加會(huì)使鏡面垂直角度β增加，鏡面繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖5c、圖5d所示。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)：隨著L6的增大（轉(zhuǎn)向盤位置后移），駕駛員眼睛位置向后移動(dòng)，為滿足后視野的要求，

需要繞z軸向外旋轉(zhuǎn)鏡面；而隨著H30的增加，眼睛位置上移，為滿足后視野的要求，需要向上旋轉(zhuǎn)鏡面。分析發(fā)現(xiàn)，隨著L6、H30和A40的增加，頭部轉(zhuǎn)動(dòng)角ω的絕對(duì)值減小，這對(duì)于改善駕駛員頭部舒適性有一定幫助。此外，研究表明，若觀察視線偏離正前方30°以上，則對(duì)前方物體的觀察就非常不理想，存在很大的安全隱患［15］。可以根據(jù)汽車布置的約束條件協(xié)調(diào)布置參數(shù)（如對(duì)車輛高度的限制較大，而對(duì)于車長的限制較小時(shí)，可適當(dāng)減小H30），得到只需較小頭部轉(zhuǎn)動(dòng)角即可滿足視野要求的布置參數(shù)組合。

圖5　鏡面角度隨布置參數(shù)的變化

6　結(jié)束語

本文總結(jié)了影響后視野的后視鏡設(shè)計(jì)和布置因素，利用CATIA知識(shí)工程模塊和二次開發(fā)技術(shù)開發(fā)了后視鏡設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)分析的自動(dòng)化、智能化。根據(jù)實(shí)車布置數(shù)據(jù)計(jì)算了后視鏡角度和駕駛員頭部轉(zhuǎn)動(dòng)角，并借助統(tǒng)計(jì)分析方法建立其預(yù)測(cè)模型，分析了它們隨布置參數(shù)的變化規(guī)律，對(duì)后視鏡布置設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。本文雖然以轎車為例進(jìn)行研究，但采用的方法對(duì)其它車型均適用，因此具有普遍的應(yīng)用價(jià)值。

本文在后視鏡尺寸、安裝位置不變的情況下探討了內(nèi)部布置參數(shù)對(duì)后視野的影響，未來可考慮更多的設(shè)計(jì)因素對(duì)后視野的影響。另外，本文在布置參數(shù)的選擇上直接采用了與眼橢圓定位相關(guān)的參數(shù)，其它布置參數(shù)對(duì)后視野的影響還有待研究。

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（責(zé)任編輯斛畔）

修改稿收到日期為2015年12月15日。

主題詞:知識(shí)工程后視鏡布置校核回歸分析

Research on Automobile Rearview Mirror Packaging Based on Knowledge

Liu Qun1, Ren Jindong1, Li Lemeng2, Hua Meng2, Gao Zhenhai1
（1. State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130022; 2. Hyundai Motor Research & Development Center（China）Co., Ltd., Yantai 264006）

【Abstract】Based on the principles of ergonomics, the design and analysis method of vehicle rear vision are discussed in this paper, and factors, i.e. rearview mirror size and packaging, etc., which affect the rear field of view of driver are analyzed. Based on CATIA secondary development techniques, CATIA knowledge engineering modules and VB programming language, a knowledge-based vehicle exterior mirror design & analysis system is developed, and the automatic computation and analysis of rear field of view are realized. The system has been validated using six typical packaging plans. Using this system, the rearview mirror angle and head turning angles of best rear vision are calculated, and a prediction model of optimal rearview mirror packaging angles is established. The rule which the optimal angle of mirror changes with cab packaging data is studied.

Key words:Knowledge engineering, Rearview mirror, Packaging, Validation, Regression analysis

中圖分類號(hào):U463.82

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000-3703（2016）04-0005-05