基于人机工程与视野的后视镜布置设计

曾鑫，陈丰，朱海兵

（1.武汉软件工程职业学院，湖北武汉430205；2.上海汽车商用车技术中心整车集成部，上海 201805）

基于人机工程与视野的后视镜布置设计

曾鑫1，陈丰2，朱海兵2

（1.武汉软件工程职业学院，湖北武汉430205；2.上海汽车商用车技术中心整车集成部，上海 201805）

后视镜是汽车重要的安全附件，给驾驶员提供车身周边视觉细节及环境。本文基于人机工程及视野的要求，介绍了内外后视镜的布置方法，并以某车型后视镜的开发为例，验证了此方法的可行性。

内后视镜；外后视镜；人机工程；视野

后视镜分为外后视镜和内后视镜。外后视镜一般汽车左、右两侧都有，其功用主要是让驾驶员观察到汽车左右两侧后方的行人（包括上、下车人员）、车辆以及其它障碍物的情况，确保行车或倒车的安全。内后视镜的主要功能是供驾驶员观察和注视车室内成员及物品的情况，同时也可以供驾驶员观察车辆正后方情况。按后视镜镜面的形状可分为平面镜、凸面镜及棱形镜等。平面镜可以获得与目视相同大小的成像，常用作内后视镜（出口美国车辆主驾侧外后视镜必须为平面镜）；凸面镜成像较目视小，但视野范围较平面镜大，常用作外后视镜。如何实现后视镜的功能，充分满足驾驶员在驾驶过程中的人机操作舒适度及视野要求，本文将从这两个方面介绍在汽车开发阶段后视镜的布置设计［1］。

1 人机工程及视野要求

人机工程研究的是人、机和环境之间的系统关系。在后视镜布置中，外后视镜涉及到的人机工程包括头部、眼睛的舒适转动范围，后视镜控制按钮的可触及性等；驾驶员在行车过程中通过头部与眼睛的组合运动来扩大视野范围，头部和眼睛的转动范围按舒适与否分为舒适转动范围和勉强转动范围［2］，见表1。

表1 眼睛与头部的转动范围

内后视镜涉及的人机要求包括：内后视镜的可调节范围，可触及性，头部、眼睛的舒适转动范围，内后视镜调节过程中与周边件的关系（如遮阳板、顶棚等）等。

视野是指驾驶员看到其视野线能到达的车辆360°范围内的目标范围。驾驶员的部分视野可能会被车辆结构和部件遮挡，例如立柱、后视镜、仪表板、转向盘、发动机罩、门窗开口或头枕。因此，驾驶员坐在其驾驶位置能看到的视野取决于驾驶员、车辆、目标（例如行人，标示，信号，斑马线）和环境（例如道路形状，天气等）的特征。而视野的需求基于一些取自于能够提供给我们安全驾驶所需的视野范围的理解的信息，这些信息包括目标、驾驶员的能力以及驾驶员对于相关视野的设计特征的反馈等［3］。

一般人看到的实物是由左右眼视线叠加的成像，在后视镜视野的要求中一般要求的是双眼的叠加视野，如有特殊要求，可适当地在部分区域接受单眼视野。双眼总视野见图1。

图1 双眼总视野

法规GB 15084—2013对内外后视镜的视野范围进行了描述。

2 外后视镜布置方法及流程

2.1 外后视镜初步位置的确定

外后视镜的布置分为2种情况：第1种是基于原有平台的改进项目，此情况下一般人机及架构参数变化较小，因此只需对原平台车型的外后视镜镜面结合新的镜壳造型进行视野调整即可；第2种是全新开发平台，这就需要结合Benchmark数据库及新车型的各项架构参数进行综合考虑。本文主要介绍第2种情况的外后视镜布置方法［4］。

在车型开发的前期，外后视镜一般可根据对标车型、Benchmark数据库以及造型来初步确定镜壳尺寸，一般情况下后视镜镜面的尺寸是镜壳尺寸内扩12mm，因此镜壳的尺寸实际上初步界定了镜面的尺寸，但只是初步确定，两者的尺寸都必须考虑视野与造型的因素，开发过程也是基于这几个因素反复调整的过程。

基于初步确定的镜壳及镜面尺寸，来进行外后视镜初步位置的确定。本文主要介绍内外后视镜在车辆坐标系中X、Y、Z 3个方向初步位置及镜面角度的确定方法。

2.1.1 外后视镜X向边界确定

通常外后视镜的X向位置要求考虑人机舒适性及车身结构，一般外后视镜应处于前排H点前方500mm处并且不超过脚踵点的范围内，如图2所示。另需满足GB15084中对于头部旋转角度的要求。汽车驾驶员一侧的外后视镜必须安装在后视镜中心至驾驶员两眼点（两眼点之间的距离为65mm）中心连线的铅垂面与纵向基准平面的夹角不大于55°的范围内。同时车身的A柱及三角窗应对后视镜无遮挡［5］。

图2 后视镜X向区域

2.1.2 外后视镜Y向边界确定

一般NVH要求外后视镜镜壳距离底座不小于40mm，因此外后视镜镜壳最内侧边界设定为距离车身基座40mm的区域；外侧边界由法规确定，见图3。GB 15084要求：

1）将后视镜连接到车辆上的连接件应按下述方法设计，即以保证后视镜顺着撞击方向偏移的转动轴或旋转中心，或两者之一为轴线，作一半径为70mm的圆柱体（L类车辆为50mm），该圆柱体至少应切到连接件所连接的表面部分。

2）当车辆满载，且外后视镜的底边距地面高度小于1.8m时，其单侧外伸量不得大于车辆未装后视镜时测得的最大宽度250mm。

3）汽车驾驶员一侧的外后视镜必须安装在车辆垂直纵向中心平面与通过视镜中心和连接驾驶员两眼点65mm线段中心的垂直平面之间的夹角不大于55°的范围内。

图3 后视镜Y向边界

2.1.3 外后视镜Z向边界的确定

外后视镜的高度尺寸一般通过对标车型和Benchmark数据库来初步确定，所以在这里只需要确定后视镜下边界就可以把后视镜的Z向位置确定，通过给造型输入的硬点断面可作眼点与水切处连线，取与Y轴夹角最小的连线作为后视镜下边界。见图4。

图4 后视镜镜面Z向边界

2.1.4 外后视镜镜面角度的确定

通常外后视镜与Y轴都是有一定的夹角，通常左右侧外后视镜与Y轴的夹角也不一样。通过对标车型的测量：左侧后视镜与Y轴的夹角一般为：13°～30°；右侧后视镜与Y轴的夹角一般为：13°～40°。商用车由于包括M1、M2及N1等，法规要求视野不一样，因此外后视镜夹角区间也比较大；而且商用车批量少，车型较多，且包括出口车型，需考虑左右舵通用性，因此左右后视镜与Y轴的夹角最好一致。视镜镜面设计角度见图5。

图5 视镜镜面设计角度

2.2 镜面位置及尺寸的确定

镜面尺寸首先要满足法规的要求，同时还需结合造型的镜壳考虑镜面尺寸。通过上述方法确定了外后视镜初步的位置边界，但边界范围较大，需通过法规GB 15084的视野要求来进一步确定镜面的区域。由国标及欧标视野法规可知，通常国标及欧标对右侧后视镜的视野区域要求更大一些，故在确定两个区域的外后视镜位置时只针对于右侧。

2.2.1 镜面位置的确定

视镜镜面设计见图6。下面以某车型的外后视镜开发为例，介绍确定镜面位置与尺寸的基本步骤。

1）由外后视镜X向边界确定方法，作一驾驶员H点前方500mm，不超过踵点，并与Z轴平行的平面，根据镜面角度确定的方法，初步确定该平面与Y轴的角度。根据经验，一般可先定义镜面角度为13°。此角度越小，视野偏离车身；角度越大，视野偏向车身，外侧视野减小。

图6 视镜镜面设计图例

2）由法规及NVH要求确定Y向内外边界，内侧以40mm为界（结合50mm的圆柱体要求），外侧边界为车辆未装后视镜时测得的最大宽度200mm内。

3）眼点与水切的连线作为外后视镜镜面的下边界，上边界由对标车型和数据库确定。

2.2.2 基本尺寸的确定

由上述3点确定一个平面区域，并与对标车和数据库车型的镜面位置和尺寸比较，初步确定此区域的中心（Y向先以内侧边界为基准），以中心点的法线作一个1 400mm半径的球，以中心点法线向球内侧偏移7mm作为镜面的旋转中心。在该球面上应可绘出以a为底边，高为40mm的矩形；与矩形高平行的线段，其长度为b。表2中给出了a和b的最小值。

表2 外后视镜基本尺寸要求

2.2.3 上顶点位置的确定

根据GB 15084、ECE R46等法规要求，对上述界定的区域进行视野校核。根据法规要求的视野区域校核可知，反应在镜面上的区域为2个或4个三角形区域，三角形的上定点为水平视野延伸要求，底边2个点为法规要求看到的最近的2个区域顶点。

因此可首先确定上顶点位置，方法如下：由确定的镜面旋转点，作垂直于中心点法线的线，以此线作为旋转轴，通过旋转镜面，使眼点视线过镜面左上部的反射线达到水平，或者反射线通过法规要求区域内点处向上与镜面中心同高的点，此时镜面上下角度即可满足视野要求的水平视野延伸，见图7。

图7 视镜镜面上极限点要求

2.2.4 视野三角形的底边点

用上顶点确定后的镜面，根据法规视野要求的地面边界来确定视野三角形的底边2点。视镜镜面视野三角形与初定区域对比见图8。此校核的过程是反复的过程，方法如下。

1）若在初定的角度不满足视野要求（在镜面上下角度调整好后，一般是三角形在左右方向的差异），则可通过上下调整后的旋转轴的垂直线作为旋转轴，来调整左右角度，使镜面适应法规要求。若调整后视野三角形在上下区域有变动，则需重复上下调整，调整范围上下不超过3°，调整的范围不应超过上述的区域。

2）若通过上述调整仍不满足视野要求，则可调整镜面的Y向位置，因前面规定Y向的边界以内侧边界为基准，因此此时可将镜面向外侧移动，移动的范围不得超过Y向外侧边界；若还不满足，则可根据视野的情况来沿X方向移动，前不超过脚踵点的X坐标值，后不超过H点往前500mm，或是调整Z向位置，同样不应超过Z向边界。

图8 视镜镜面视野三角形与初定区域对比

3）反复调整直到能满足视野要求为止。

视野三角形确定了镜片的最小区域，考虑设计、制造及验证误差，一般要求镜面范围在视野三角形外扩5mm以外。

3 内后视镜布置方法及流程

内后视镜位置应满足如下几方面要求。

1）一般内后视镜是安装在纵向对称面上的，所以其Y向位置固定。

2）现只对其高度位置作要求。确定其高度位置的主要依据是不影响驾驶员前方视野，要求内后视镜的后端球铰应当设定到它的向下于反射面垂直的设计位置（22°），风窗端的球铰应当调整到与安装轨道对齐。在这个位置下，后视镜镜框的最下端不能低于与95%眼椭圆的顶部相切且与水平面向上成3°的横向平面；但不能低于距95%眼椭圆上端13mm的水平面［1-3］。详见图9。

图9 后视镜Z向要求

3）内后视镜视野要求95%眼椭圆在设计状态下可以满足GB 15084视野要求。

4）根据不同人群对内后视镜的调整，要求内后视镜与顶棚保持间隙30mm以上，参见图10。内后视镜与前风挡、前风挡安装件（如雨量传感器、装饰罩盖等）的间隙以保证使用工况及调整过程中不干涉，及调整的操作空间。

5）内后视镜与遮阳板间隙，保证内后视镜与遮阳板间隙大于12mm（图11）；内后视镜的手操作界面，保证内后视镜在三指手操界面内（图12）；内后视镜应安装在驾驶员和副驾驶乘客的头部摆动区域内（前碰过程）。

图10 后视镜与顶棚间隙要求

图11 后视镜与遮阳板间隙要求

4 结论

本文从人机工程及视野的要求出发，介绍了内外后视镜的布置策略与方法，并通过上汽大通V80的后视镜布置实例，验证了本文后视镜布置方法的可行性及正确性。

［1］刘群，任金东，李乐萌，等.基于知识的汽车后视镜布置研究［J］.汽车技术，2016（4）：5-8+41.

图12 后视镜与手操作界面要求

［2］李浩.基于眼椭圆的汽车后视野分析研究［D］.沈阳：沈阳工业大学，2013.

［3］赵治国，钟一鸣，赵楚豪，等.乘用车随动后视镜视野范围测量及转角分析［J］.同济大学学报（自然科学版），2014，42（9）：1 408-1 414.

［4］Sundin A.Visibility driven design of new modularized Volvo car tophat structure［Z］.2008.

［5］刘志刚，潘菲.后视镜布置及校核方法的研究［J］.汽车电器，2009（6）：19-21.

（编辑 陈程）

图6 逻辑环稳定性测试-加入模拟节点网络建环

4 总结

本文在研究OSEK NM标准的基础上，提出了整车CAN网络管理设计方法，并将其应用到实际的网络设计中，而且提出了一套用于验证网络管理性能的测试方法，验证设计方法的有效性，对整车网络研究及后续车型开发具有很好的指导意义。

参考文献：

［1］黄东，孙晓民.车用分布式OSEK系统实时诊断平台研究［J］.计算机应用研究，2006，6（12）：199-204.

［2］熊毅，郭杏荣，张倪.基于OSEK规范的网络管理研究与改进［J］.计算机应用研究，2007，24（9）：217-220.

［3］李芳，方运舟，等.基于OSEK COM规范的车身控制平台的实现［J］.计算机工程与应用，2008，44（11）：94-96.

［4］张利.OSEK网络管理在汽车CAN系统中的研究与实现［J］.电子测量与仪器学报，2011，25（6）：522-527.

（编辑 杨景）

Design of Rear-view M irror Layout Based on Ergonom ics and Vision

ZENG Xin1，CHEN Feng2，ZHU Hai-bing2
（1.Wuhan Polytechnic College of Software and Engineering，Wuhan 430205，China；2.Commercial Vehicle Technology Centre of SAIC Motor，Shanghai 201805，China）

Rear-view mirror is an important safety accessory for vehicles，which provides all of visual detail and surroundings for safety driving.The paper introduces the layout method of rear-view mirror based on ergonomics and vision，and verifies the method with a real development example.

Inside rear-view mirror；outside rear-view mirror；ergonomics；view

U463.82

A

1003－8639（2016）08－0045－05

2016-05-13；

2016-05-23

曾鑫（1977-），男，硕士，副教授，国家精品课程负责人，全国职业院校技能大赛专家、裁判，主要研究方向为汽车检测与诊断技术，已发表专业论文20余篇。