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基于虚拟人的汽车人机工程评价关键技术研究

作　者: 滕俊章
导　师: 李焱
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 人机工程虚拟人运动合成舒适度模糊综合评价商用车
分类号: TB18
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

“以人为中心的设计”理念在汽车工程领域已被普遍接受,汽车人机工程设计水平已成为影响汽车产品质量的重要因素。近年来,虚拟现实与虚拟制造技术在工程制造领域取得了广泛的应用,虚拟人作为虚拟现实领域的一个新兴研究方向,在数字化产品开发过程中表现了良好的应用前景。将虚拟人技术用于人机工程分析与评价,对于提高汽车设计水平具有重要意义。本文面向重型商用车驾驶室设计应用,对基于虚拟人的汽车人机工程评价关键技术进行了深入研究,主要包括：虚拟人运动合成技术、驾驶舒适度评估方法,重型商用车人机工程模糊综合评价系统开发。本文的创新点如下：(1)提出了一种新的基于运动捕获数据的虚拟人运动合成方法。该方法的特点在于将连续运动轨迹合成问题归结为离散的运动基元的拼接问题,通过隐马尔科夫模型(HMM)实现运动基元的描述。该方法可概括为分割、检索、合成三个步骤：首先通过聚类将连续运动捕获数据分割为运动基元；然后利用HMM对运动基元进行建模,通过HMM概率距离实现运动基元相似性的度量,构建了分层结构的运动基元检索方法；最后,通过平滑算法对相邻运动片段进行拼接,实现了连续运动轨迹的合成。本文通过对行走和上下楼梯运动的仿真实验,验证了该方法的有效性。(2)提出了一种基于关节力矩的驾驶员踏板操作舒适度评估方法。通过建立下肢的生物力学模型,解决了踏板操作过程中人体下肢关节力矩的解算问题；建立了力矩舒适度评估模型,并结合现有的姿势舒适度评估方法,形成了一种综合考虑关节受力和关节角度因素的舒适度评估方法,实现了单关节的舒适度评估；建立了下肢舒适度模糊综合评价模型,最终完成了驾驶员踏板操作过程中下肢综合舒适度的评估。通过针对典型车型的实验,对该方法的有效性进行了验证。(3)针对重型商用车设计应用,建立了一套商用车人机工程评价指标体系模型,并在该模型基础上完成了对重型商用车人机工程模糊综合评价系统的设计和实现。

全文目录

摘要  11-12
ABSTRACT  12-14
第一章绪论  14-26
  1.1 课题的研究背景及意义  14-15
  1.2 国内外研究概况  15-24
    1.2.1 虚拟人技术研究现状  15-17
    1.2.2 运动捕获与虚拟人运动合成技术综述  17-21
    1.2.3 驾驶舒适度评估的研究现状  21-24
  1.3 本文的主要研究工作  24-26
    1.3.1 论文的主要成果  24-25
    1.3.2 论文的组织结构  25-26
第二章基于运动基元的虚拟人运动合成技术研究  26-49
  2.1 系统总体框架  26-27
  2.2 基于运动捕获数据的运动基元划分  27-34
    2.2.1 运动捕获数据分割技术简介  27-28
    2.2.2 人体运动数据的表示  28-29
    2.2.3 运动捕获数据预处理  29-30
    2.2.4 基于PCA方法的运动捕获数据降维  30-32
    2.2.5 基于K均值聚类的运动基元划分方法  32-34
  2.3 运动基元类的隐马尔科夫模型描述  34-40
    2.3.1 隐马尔科夫模型介绍  35-36
    2.3.2 HMM的三个问题及对应的求解算法  36-37
    2.3.3 运动基元类的HMM描述  37-38
    2.3.4 运动基元间的HMM概率距离  38-39
    2.3.5 试验结果和讨论  39-40
  2.4 基于内容的运动基元检索技术  40-47
    2.4.1 运动数据检索技术简介  40-41
    2.4.2 动态时间变形(DTW)算法  41-42
    2.4.3 基于分层结构的运动基元检索技术  42-44
    2.4.4 运动序列相似度度量方法  44-45
    2.4.5 运动片段的平滑处理  45-47
  2.5 本章小结  47-49
第三章驾驶舒适度评估方法研究  49-74
  3.1 舒适度评估系统总体框架  49-50
  3.2 面向舒适度分析的人体动力学建模  50-57
    3.2.1 多刚体动力学建模方法简介  50-51
    3.2.2 人体模型的简化及坐标系的建立  51-52
    3.2.3 人体动力学模型的创建  52-55
    3.2.4 仿真试验  55-57
  3.3 单关节舒适度评估方法  57-62
    3.3.1 关节力矩舒适度评估函数  58
    3.3.2 关节角度舒适度评估函数  58-60
    3.3.3 单关节舒适度评估函数  60
    3.3.4 仿真试验  60-62
  3.4 基于模糊综合评价方法的人体综合舒适度评估  62-67
    3.4.1 综合舒适度评价模型  62-63
    3.4.2 舒适度评估评价集的确定  63
    3.4.3 层次分析法(AHP)  63
    3.4.4 基于AHP法的关节权重计算  63-67
    3.4.5 舒适度模糊综合评价  67
  3.5 舒适度评估实例  67-73
    3.5.1 构建虚拟驾驶环境  68-69
    3.5.2 驾驶姿势预测  69-71
    3.5.3 关节力矩解算  71-72
    3.5.4 单关节单自由度舒适度评估  72
    3.5.5 下肢综合舒适度评估  72-73
  3.6 本章小结  73-74
第四章商用车人机工程模糊综合评价系统设计与实现  74-81
  4.1 商用车人机工程评价体系  74-76
    4.1.1 总体框架  74-75
    4.1.2 评价指标定义  75-76
  4.2 人机工程模糊综合评价系统的设计与实现  76-80
    4.2.1 系统总体设计  76-78
    4.2.2 系统流程  78
    4.2.3 系统界面演示  78-80
  4.3 本章小结  80-81
第五章总结与展望  81-83
  5.1 全文总结  81-82
  5.2 展望  82-83
致谢  83-84
参考文献  84-90
作者在攻读硕士学位期间完成和发表的论文  90

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