武汉理工大学WUTE车队：寻找最优CATIA人机工程设计

导读：WUTE车队成立于2013年，是隶属于武汉理工大学汽车工程学院的一支学生科研团队，车队成员从16年的77人到18年的89人再到现在的105人，逐年成递增趋势。WUTE车队是FSEC赛事的创始车队，自2013年电车赛开始办赛以来，WUTE车队已经连续七年参加此项赛事，未曾间断并屡创佳绩；车队曾于2015年获得“蔚来杯”中国大学生电动方程式大赛总成绩一等奖，于2014年，2016年，2020年曾获得二等奖，2017，2018，2019年获得三等奖，并于2017年获得最具影响力车队荣誉。

2021年2月8日20时（今晚），2021大学生方程式赛车技术交流月第十一期公开课《赛车与Catia人机工程设计入门》，将由武汉理工大学WUTE电动车方程式车队队长吴思宇主讲。

以下是正文

一、写在前面

人机工程学是研究人-机-环境闭环系统的一门交叉学科。它重点研究人的工作生理状态，人的认知和信息显示设计；以及制造系统、工作生理状态，人的认知和信息显示设计；以及制造系统、工作环境、组织管理中人的因素及其相关的人机协调设计。

汽车人机工程学则以人-机-环境系统为研究对象，以改善驾驶员的驾驶条件为核心，以驾驶员的安全，舒适，高效为目标，使整个系统的性能达到最优。经过多年的研究探索，已经建立起一系列比较成熟的理论，为现代汽车的设计提供了一定的理论指导，设计规范和标准。

作为一项需要车手与操纵赛车的比赛，FSAE赛车在赛场上能取得的成绩与车手的表现息息相关，因此保障车手驾驶时的舒适性，减少车手的驾驶疲劳，提高车手对赛车的操纵感就显得十分重要。优良的人机工程能为大学生方程式车手提供一个安全舒适的驾驶空间，从 而更好地发挥赛车的性能；同时为车身，转向以及其他技术组提供设计参考，优化整车布置的设计流程。

在武汉理工大学电动方程式赛车队的人机工程设计中，核心思想是保证车手具有舒适，高效，反馈精准的驾驶感受，我们将一切与车手驾驶有关的部件都视为本队人机工程设计研究的对象，以达到我们的设计目标。

二、CATIA人体模型建立

1、静态人体尺寸测量

静态人体尺寸测量：被测者静止地站着或坐着进行的测量方式称为静态人体尺寸测量，静态测量的人体尺寸用以设计工作区域的大小。

2、人体数据文件的创建

本文以所采集的静态人体尺寸作为人体建模的依据，在CATIA环境中，要进行自定义人体建模前，首先建立相应的自定义人体模型文件。在CATIA 的HME(Human Measurements Editor)模块中，人体模型文件后缀为.sws (for Safework Statistic)。人体模型文件由分段的数据组成;每个部分必须以关键字开始，并以关键字结束。一个部分的结束关键字是下一个部分的开始关键字，但最后一个部分的结束关键字必须是’END’。文件中所有空行被视为无效的代码，所有以'!'开头的行被视为注释。一个人体模型文件最多可以包含四个部分，关键字如下：

• MEAN_STDEV M
• MEAN_STDEV F
• CORR M

• CORR F

可以根据需求选择需要编辑的相应部分；MEAN_STDEV必须出现在CORR之前。此外，给定的关键字不能在同一个填充文件中出现两次。

‘MEAN_STDEV’段是建立人体模型的基础数据，此部分可以设置反映研究总体的测量值(平均值和标准差)。每个条目必须有一行，且每个条目只能描述一个变量，方式如下:

• <变量><平均数><标准差>

其中，“变量”指的是人体尺寸项目的参考代码，“平均数”指的是样本的平均值，“标准差”指的是样本的标准差。以下是应用于FSC的常用人体参数及代码。

在’CORR’部分中，可以编辑任意一对变量之间的相关系数。两个变量之间的相关系数可以定义为[-1,1]，表示两个变量之间的相关性。相关系数绝对值越高，变量之间的相关性越强。相关系数定义式如下：

式中，Cov(X,Y)为X与Y的协方差，Var[X]为X的方差，Var[Y]为Y的方差。

‘CORR’部分的使用方法与上述使用相同，定义方式如下：

• <变量1><变量2><相关系数>

需要注意的是变量1项目代码数字部分必须小于变量2项目代码的数字部分。在population文件中出现的所有长度值必须以厘米(cm)为单位提供，所有重量值必须以公斤(kg)为单位提供。还要注意，填充文件中的关键字是区分大小写的。以下是数据文件示例：

3、自定人体模型的添加

主菜单中选择“工具”——“选项”，进入Ergonomics Design & Analysis模块，选择Human Measurements Editor，点击添加即可。

三、驾驶姿势修改

1、基于H点的姿势修改

通过手动修改人体关节角度，使其适配驾驶舱。

2、基于座舱的驾驶姿势预测

首先设置座舱的基本参数，然后直接导入人体模型后，软件自动适配出相应的驾驶姿势。以下是Package设置参数

再选择New Occupant Posture Prediction，选择建好的人体模型和Package进行驾驶姿势预测。

3、驾驶员视野校核

四、姿势舒适度评估

人体驾驶的舒适和疲劳程度与设计中选择的人体各关节角度所确定的驾驶姿势有关。下图给出了驾驶员舒适驾驶姿势所要求的人体生理角度范围。

人体各部位的活动主要是通过对应关节的活动表现出来的，驾驶员上下车过程中的舒适性主要反映在人体关节角度上，如果各关节角度在相应的舒适范围之内，说明驾驶员的姿态会感觉舒适，反之亦然。所以人体主要关节活动的最大角度范围以及相对舒适范围的研究对于人体舒适性的评价具有重要的意义。

1、人体测量坐标系

人体测量的基准面主要有矢状面(Sagittal Plane)、冠状面(Coronal Plane)和水平面(Axial Plane)。它们是由互相垂直的三个轴(垂直轴、纵轴和横轴)来定位的。

通过垂直轴和纵轴的平面以及与其平行的所有平面都称为矢状面。在矢状面中，把通过人体正中线的矢状面称为正中矢状平面。正中矢状平面分人体为左、右对称的两个部分。冠状面是将人体分为前、后两部分的平面，它是通过垂直轴和横轴的平面及与其平行的所有平面。与矢状面及冠状面同时垂直的所有平面都称为水平面。水平面将人体分成上、下两部分。

2、建立舒适度评价标准

影响舒适度的因素较为主观，主要由驾驶员的主观评价为依据，需要多次的人机台架实验验证。本文仅提供一个参考样例，不代表所有车队适用。武汉理工大学电动方程式赛车队所建立的评价标准以NASA在太空舱内测得的失重状态下人体姿势为基础，再通过人机实验台架的验证所建立的一套评价标准。

3、舒适度评价

在评分板模块内可以对驾驶姿势进行分析。

四、我的公开课

以上是笔者关于CATIA人机设计流程的介绍，也是我的公开课的部分内容，受仿真秀平台邀请，2月8日（今晚），笔者将在2021大学生方程式赛车技术交流月第（十一）期公开课《赛车与Catia人机工程设计》，与大学生方程式参与者和兴趣爱好者一起聊一聊CATIA人机设计那些事。（点击文尾的阅读原文可永久反复观看）。

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