汽車碰撞試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)中定標(biāo)墻的校準(zhǔn)方法研究

陸佳艷，許靜，瞿劍蘇，曹鐵澤，甘曉川

(1.中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095;2.一汽-大眾汽車有限公司，吉林長(zhǎng)春130011)

0 引言

隨著汽車的不斷普及，人們對(duì)汽車安全性能的要求越來越高。汽車碰撞試驗(yàn)是用于綜合評(píng)價(jià)汽車碰撞安全性能的最基本、最有效的方法［1-2］，是汽車制造商用于分析碰撞前后試驗(yàn)車變形及損傷情況的主要依據(jù)，以此改善車輛的安全性能，提高交通安全。

中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程(C-NCAP)中關(guān)于碰撞試驗(yàn)的規(guī)定主要有正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)、正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗(yàn)、可變形移動(dòng)壁障側(cè)面碰撞試驗(yàn)等，通過測(cè)定車輛各種可能發(fā)生碰撞情況下被撞擊部位的結(jié)構(gòu)和形變狀況［3］，給出碰撞前后車體的變形量，并根據(jù)變形量的大小判斷車體的剛性是否滿足安全要求。

碰撞車輛變形測(cè)量分析系統(tǒng)(DMAS)是用于測(cè)量和分析車輛在碰撞試驗(yàn)后車體形變和部件受損狀況的裝置，其測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)是布設(shè)在定標(biāo)墻上的固定標(biāo)識(shí)點(diǎn)，這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)需要預(yù)先標(biāo)定。為了解決標(biāo)識(shí)點(diǎn)的標(biāo)定問題，本文提出了一種基于攝影測(cè)量原理的校準(zhǔn)方法，利用攝影測(cè)量系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)尺，通過合理布局實(shí)現(xiàn)定標(biāo)墻的高精度校準(zhǔn)，保證汽車碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，為汽車的設(shè)計(jì)、制造提供可靠的依據(jù)，達(dá)到進(jìn)一步提高汽車安全性能的目的。

1 DMAS 中的定標(biāo)墻

常用的汽車碰撞變形測(cè)量技術(shù)有固定式三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)、關(guān)節(jié)臂測(cè)量技術(shù)和DMAS 等。其中固定式三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)測(cè)量精度較高，但測(cè)量成本也比較高;關(guān)節(jié)臂測(cè)量技術(shù)由于測(cè)量臂形狀受限，多數(shù)測(cè)量需要通過轉(zhuǎn)站來完成，測(cè)量效率比較低。

DMAS 由定標(biāo)墻、移動(dòng)探針和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，見圖1。該測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于測(cè)量范圍不受限制;用于測(cè)量的移動(dòng)探針只有小型吹風(fēng)機(jī)大小，可以自由地測(cè)量車輛的任意部位，目前在各大主要汽車制造企業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。測(cè)量過程中，試驗(yàn)車輛穩(wěn)定停放于定標(biāo)墻空間范圍內(nèi)，當(dāng)移動(dòng)探針接觸到被測(cè)試驗(yàn)車時(shí)，探針上的CCD 數(shù)碼相機(jī)將拍攝到定標(biāo)墻上當(dāng)前位置的圖片，通過該圖片里包含的編碼點(diǎn)和標(biāo)識(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計(jì)算后獲得試驗(yàn)車上當(dāng)前探針的坐標(biāo)，重復(fù)該過程最后獲得整車及零部件的所有數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)圖形化顯示車輛整車和關(guān)鍵部位的形狀變化。

圖1 汽車碰撞試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)

定標(biāo)墻是DMAS 中的重要組成部分，由10 萬多個(gè)編碼點(diǎn)和標(biāo)識(shí)點(diǎn)組成，見圖2。其中，白點(diǎn)是編碼點(diǎn)，用于定標(biāo)墻的區(qū)域識(shí)別;黑點(diǎn)是標(biāo)識(shí)點(diǎn)，為計(jì)算探針當(dāng)前位置提供標(biāo)準(zhǔn)值。編碼點(diǎn)和標(biāo)識(shí)點(diǎn)按照均勻交替的分布規(guī)律進(jìn)行設(shè)置，組成DMAS 的測(cè)量空間基準(zhǔn)網(wǎng)，測(cè)量基準(zhǔn)通過定標(biāo)墻上已知標(biāo)識(shí)點(diǎn)的空間坐標(biāo)來復(fù)現(xiàn)。所以對(duì)于定標(biāo)墻上標(biāo)識(shí)點(diǎn)位置的校準(zhǔn)是保證測(cè)量過程數(shù)據(jù)正確性的重要方面，是正確獲取試驗(yàn)車碰撞形變的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分布的重要保障。

圖2 定標(biāo)墻編碼點(diǎn)和標(biāo)識(shí)點(diǎn)布局規(guī)律

2 DMAS 中定標(biāo)墻的校準(zhǔn)方法

定標(biāo)墻的空間范圍一般在8 m×10 m×10 m，是一個(gè)大尺寸空間測(cè)量網(wǎng)絡(luò)。組成定標(biāo)墻的3 面墻體上布設(shè)有5 萬多個(gè)需要準(zhǔn)確測(cè)量的標(biāo)識(shí)點(diǎn)，汽車碰撞試驗(yàn)的誤差要求不大于1 mm，對(duì)標(biāo)識(shí)點(diǎn)的空間坐標(biāo)誤差要求就應(yīng)該控制在0.1 mm，對(duì)于如此大范圍的空間坐標(biāo)校準(zhǔn)，該技術(shù)指標(biāo)要求非常嚴(yán)格。

目前，校準(zhǔn)定標(biāo)墻上標(biāo)識(shí)點(diǎn)還沒有有效的方法，能夠識(shí)別標(biāo)識(shí)點(diǎn)的方法只有經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)法和攝影測(cè)量法。經(jīng)緯儀法雖然測(cè)量精度高但是測(cè)量效率低，不適合定標(biāo)墻上大量標(biāo)識(shí)點(diǎn)的測(cè)量;攝影測(cè)量法的測(cè)量效率相對(duì)較高，所以定標(biāo)墻標(biāo)識(shí)點(diǎn)的坐標(biāo)校準(zhǔn)采用攝影測(cè)量法完成。

攝影測(cè)量是指利用攝像技術(shù)攝取物體的影像、識(shí)別物體并精確測(cè)定其形狀和位置的方法，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)如圖3所示。從不同的角度、位置對(duì)被測(cè)物上的編碼點(diǎn)和標(biāo)識(shí)點(diǎn)進(jìn)行拍攝，所得相片經(jīng)過數(shù)字處理并通過標(biāo)準(zhǔn)尺的長(zhǎng)度約束，最終準(zhǔn)確地得到標(biāo)識(shí)點(diǎn)的三維坐標(biāo)［5-6］。由攝影測(cè)量法的原理可知，標(biāo)準(zhǔn)尺的作用是為相片提供比例因子的，理想情況下標(biāo)準(zhǔn)尺和被測(cè)量的物體至少在一張圖片中被完全包含，這樣會(huì)在很多相匹配的圖片中有多個(gè)共同的標(biāo)識(shí)點(diǎn)，可以提高測(cè)量精度［6］。當(dāng)被測(cè)量對(duì)象比較大時(shí)，就要求整個(gè)測(cè)量過程中盡可能多地包含標(biāo)準(zhǔn)尺的完整信息，但是具體需要多少標(biāo)準(zhǔn)尺的信息，目前沒有一個(gè)明確的定義，對(duì)于精度的提高也沒有明確的規(guī)律，為此，需要進(jìn)一步研究標(biāo)準(zhǔn)尺的優(yōu)化布局，以滿足定標(biāo)墻的高精度校準(zhǔn)要求。定標(biāo)墻校準(zhǔn)精度的驗(yàn)證可通過比較標(biāo)準(zhǔn)尺的測(cè)量值和校準(zhǔn)值得到，其溯源鏈圖如圖4所示。

圖3 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)示意圖

圖4 定標(biāo)墻的溯源鏈圖

3 標(biāo)準(zhǔn)尺優(yōu)化布局

標(biāo)準(zhǔn)尺的優(yōu)化布局包括標(biāo)準(zhǔn)尺的位置、數(shù)量和姿態(tài)的布局，本文針對(duì)定標(biāo)墻的其中一面墻，在一系列實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)出適合于定標(biāo)墻的校準(zhǔn)方法，并通過標(biāo)準(zhǔn)尺向干涉儀溯源，保證了定標(biāo)墻的測(cè)量結(jié)果量值準(zhǔn)確、溯源有據(jù)。

理論上只要在攝影測(cè)量系統(tǒng)視場(chǎng)內(nèi)布設(shè)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺就可以為系統(tǒng)本身提供比例因子，但在大空間測(cè)量中，由于標(biāo)尺的長(zhǎng)度受限，用短標(biāo)尺為大空間進(jìn)行比例標(biāo)定，會(huì)放大比例誤差;另外標(biāo)尺的擺放方向決定了所提供的測(cè)量比例因子只能對(duì)視場(chǎng)內(nèi)該方向上的測(cè)量結(jié)果提供同比修正，而對(duì)其它方向上的測(cè)量結(jié)果存在修正誤差。

為了滿足定標(biāo)墻的校準(zhǔn)需求(定位測(cè)量不確定度0.05 mm)，設(shè)計(jì)了六組比對(duì)試驗(yàn)，每組布設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)尺的位置和數(shù)量各不相同，通過求解已知兩目標(biāo)點(diǎn)之間距離的偏差值來判斷標(biāo)準(zhǔn)尺的布局的合理性。圖5 為定標(biāo)墻對(duì)比試驗(yàn)示意圖，表1 為六組比對(duì)試驗(yàn)設(shè)置，表2 為六組對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果的偏差。表2 中，標(biāo)稱值為用干涉儀校準(zhǔn)兩目標(biāo)點(diǎn)間的校準(zhǔn)值，此時(shí)作為標(biāo)準(zhǔn)值使用;偏差值為用攝影測(cè)量法測(cè)量相應(yīng)目標(biāo)點(diǎn)獲得的距離值與標(biāo)稱值的差值。

圖5 定標(biāo)墻對(duì)比試驗(yàn)示意圖

表1 六組對(duì)比試驗(yàn)設(shè)置

表2 六組對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果偏差值

由表2 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制觀測(cè)距離的長(zhǎng)度偏差變化趨勢(shì)，如圖6所示。由此可以看出第四組、第五組、第六組測(cè)量結(jié)果基本保持一致，測(cè)量重復(fù)性在0.005 mm 以內(nèi)，說明這幾組標(biāo)準(zhǔn)尺的優(yōu)化布局能有效提供定標(biāo)墻上各方向的比例因子，為各方向提供偏差修正，使得每組觀測(cè)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差均不超過0.04 mm，滿足了定標(biāo)墻的校準(zhǔn)需求。綜合考慮校準(zhǔn)條件、校準(zhǔn)效率等因素，第四組的優(yōu)化布局是最合適的。

圖6 觀測(cè)距離的長(zhǎng)度偏差變化趨勢(shì)

通過上述試驗(yàn)，結(jié)合第四組的布局特點(diǎn)可以歸納出如下幾點(diǎn)校準(zhǔn)原則:

1)校準(zhǔn)時(shí)，需要有一根橫向的標(biāo)準(zhǔn)尺，放置于測(cè)量區(qū)域的中間位置，其長(zhǎng)度控制在1 ～2 m，且保持固定不動(dòng);

2)校準(zhǔn)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)尺的擺放應(yīng)該考慮測(cè)量空間的分布方向，如水平、垂直、傾斜和縱深等，標(biāo)準(zhǔn)尺并不是越多越好，對(duì)一個(gè)平面而言，4 根標(biāo)準(zhǔn)尺完全滿足要求;

3)校準(zhǔn)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)尺應(yīng)盡量涵蓋整個(gè)測(cè)量區(qū)域，即:在校準(zhǔn)區(qū)域的兩端和中間各放置一根標(biāo)準(zhǔn)尺，但不要太靠近邊緣。

依據(jù)上述原則，對(duì)8 m×10 m×10 m 空間的三個(gè)定標(biāo)墻給出了如圖7所示的校準(zhǔn)方案:方案中每面定標(biāo)墻擺放4 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺，為了保持?jǐn)?shù)據(jù)閉合，在墻1、墻3 之間又增加了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺，標(biāo)準(zhǔn)尺總共擺放了13 個(gè)位置。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方案與每面定標(biāo)墻只擺放一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺相比，校準(zhǔn)精度大大提高了，完全滿足0.05 mm的校準(zhǔn)要求。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)尺的擺放方案

4 總結(jié)

本文提出了一種汽車碰撞試驗(yàn)定標(biāo)墻的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法，利用攝影測(cè)量系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)尺，通過合理布局實(shí)現(xiàn)了定標(biāo)墻的高精度校準(zhǔn)。上述現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法已應(yīng)用于長(zhǎng)春一汽—大眾汽車有限公司的定標(biāo)墻的校準(zhǔn)，通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)尺的位置、數(shù)量及姿態(tài)的優(yōu)化，采用常用的攝影測(cè)量系統(tǒng)對(duì)DMAS 的定標(biāo)墻進(jìn)行校準(zhǔn)，定標(biāo)墻現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)誤差小于0.05 mm，完全滿足0.1 mm+1×10-4L 的測(cè)量要求，由此進(jìn)一步證明該校準(zhǔn)方案切實(shí)可行。

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