基于ATOS數(shù)據(jù)采集、處理分析確認(rèn)座椅基準(zhǔn)點

張營 朱松

摘 要：整車座椅基準(zhǔn)點（R點）是汽車人機工程中涉及人體乘坐姿態(tài)、舒適性、操縱性、視野等方面的主要基準(zhǔn)點。R點選取的準(zhǔn)確與否，直接影響消費者對整車主觀品質(zhì)的第一感受，很大程度上決定著一輛車的設(shè)計開發(fā)成功與否及其產(chǎn)銷量的狀況。文章基于三維光學(xué)掃描測量系統(tǒng)、SAE HPM II二代假人等設(shè)備對整車、人機等進行三維結(jié)構(gòu)點云數(shù)據(jù)采集、處理分析。同時結(jié)合計算機后期的輔助處理分析，總結(jié)出競品車逆向工程中座椅基準(zhǔn)點的一種確定方法，為后期的整車總布置正向人機工程設(shè)計提供技術(shù)參數(shù)對標(biāo)支撐。

關(guān)鍵詞：三維光學(xué)掃描測量系統(tǒng) 點云數(shù)據(jù) 計算機輔助分析

1 前言

競品逆向?qū)?biāo)技術(shù)已經(jīng)完全應(yīng)用于汽車研發(fā)領(lǐng)域，但在逆向?qū)?biāo)過程中首先要獲取的是對標(biāo)車型的設(shè)計R點、因為設(shè)計R點是貫串于整車人機工程設(shè)計過程中重要的設(shè)計基準(zhǔn)元素，R點位置決定了整車內(nèi)部空間尺寸、人體乘坐姿態(tài)、舒適性、操縱性、視野等方面[4]。目前國內(nèi)各大主機廠在競品車人機工程中確定座椅基準(zhǔn)點的過程中，主要面臨的問題是數(shù)據(jù)處理分析方法的多樣化，很多是根據(jù)設(shè)計人員各自的經(jīng)驗方法進行分析。然而設(shè)計工程師個人主觀經(jīng)驗較強，缺乏數(shù)據(jù)采集、處理分析的規(guī)范化和一致性，使分析結(jié)果產(chǎn)生一定的偏差，從一定程度上影響后期的正向開發(fā)?；谶@一欠缺面，本文描述了借助ATOS掃描儀、SAE HPM II二代假人等設(shè)備，通過計算機輔助處理分析總結(jié)出競品車逆向工程中座椅基準(zhǔn)點的確定方法。

2 座椅基準(zhǔn)點確定工作流程

為保證競品車逆向工程中R點確定方法的規(guī)范化與一致性，其方法工作流程見圖1。

競品車逆向工程中R點的確定具體步驟參考如下：

2.1 數(shù)據(jù)采集儀器設(shè)備以及車輛清洗準(zhǔn)備;

2.2 采用Tritop數(shù)字式攝影測量系統(tǒng)對外表面進行全局定位攝影測量，得到整車外表面三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù);

2.3 將參考點的三維空間點集，輸出到掃描儀，通過光學(xué)拍照定位技術(shù)和光柵測量原理進行外表面三維點云數(shù)據(jù)采集，得到整車外表面點云數(shù)據(jù);

2.4 通過三維結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，確定整車基準(zhǔn)坐標(biāo)系，隨后采集整車內(nèi)飾、玻璃黑邊、座椅人機狀態(tài)等點云數(shù)據(jù);

2.5 對采集的三維數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，主要包含點云的去噪空洞修補、光順和過濾等處理;

2.6 借助計算機輔助處理分析，結(jié)合法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)等進行校核，得出座椅基準(zhǔn)點，通過該點對總布置進行各方面校核，得出競品車總布置各項參數(shù)。

3 三維結(jié)構(gòu)點云數(shù)據(jù)采集

3.1 三維光學(xué)掃描測量系統(tǒng)

該測量系統(tǒng)主要由整車Tritop數(shù)字式攝影測量系統(tǒng)和三維掃描測量儀系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。

首先，Tritop數(shù)字式攝影測量系統(tǒng)是一種高性能數(shù)字式攝影測繪測量、檢驗測試物體準(zhǔn)確的空間坐標(biāo)值及尺寸測量系統(tǒng)。其主要是為避免后期掃描儀在掃描過程中點云拼合誤差的迭代積累，提供測量物體的空間三維坐標(biāo)值。將所有拍攝的照片導(dǎo)入設(shè)備軟件，通過軟件計算能夠自動、準(zhǔn)確的測量和記錄標(biāo)記點（參考點、編碼點等）空間相對坐標(biāo)值，從而得到了在同一參考坐標(biāo)系下被測物體表面參考點的空間坐標(biāo)[3]，Tritop數(shù)字式攝影測量見圖2。

其次，三維掃描測量儀系統(tǒng)由左右兩個高分辨率的工業(yè)級CCD相機、光柵投影單元、圖像采集卡、工作站計算機等組成。在掃描時光柵投影裝置投影多幅特定編碼的結(jié)構(gòu)光到待測物體上，成一定夾角的兩個CCD相機同步采集相應(yīng)的圖像，然后對圖像進行解碼和相位計算，并利用匹配技術(shù)、三角形測量原理，計算出兩個CCD相機公共視區(qū)內(nèi)像素點的空間三維坐標(biāo)值。由于各參考點空間位置已定，掃描測量儀根據(jù)這些參考點，為所掃描到的點云進行定位，實現(xiàn)前后兩次掃描點云的自動拼接，也可隨意移動掃描測量儀到被測物體的任何帶有之前已定位參考點的位置做高速掃描，避免被掃描物體點云數(shù)據(jù)拼接偏差問題，減少了冗余、重復(fù)數(shù)據(jù)，保證整體測量精度更高[6]，見圖3。

3.2 三維點云數(shù)據(jù)采集、處理分析

（1）首先標(biāo)記風(fēng)窗玻璃黑邊，噴涂顯影劑，覆蓋整車可透光及高反光部件，粘貼參考點，均勻分布編碼點（十字叉編碼點）、擺好比例尺1、比例尺2。利用特定照相機通過四幅拍照法（上下左右）完成比例尺1的采集，然后遵循上中下連續(xù)對整車外表面進行拍照。在拍照過程中，每幅照片至少要出現(xiàn)5個編碼參考點，且連續(xù)兩張照片中有不少于3個共同的編碼參考點，然后將所有拍攝照片導(dǎo)入軟件中，通過軟件計算自動將所有參考點位置準(zhǔn)確定位，形成整車外表面三維空間點集;

（2）ATOS掃描儀通過18步校準(zhǔn)法來校驗設(shè)備的掃描精度，隨后將獲取的整車外表面的三維空間點集導(dǎo)入掃描儀軟件中，在其基礎(chǔ)上系統(tǒng)能精確的自動將單幅掃描拼接到統(tǒng)一坐標(biāo)系中。完成外表面、玻璃黑邊點云數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、光順等[5];

（3）人機擺放前，利用激光水平儀保證車輛底盤處于水平狀態(tài)。將主駕座椅調(diào)至最后最下位置（座墊最下），將三維H點裝置（HPM-Ⅱ）的座板至于座椅上，推至最后位置，左右移動調(diào)整直至氣泡水平儀的氣泡居中（確保人機腰托軸線左右兩側(cè)中心點X向偏差≤5mm）。加載HPM-Ⅱ時應(yīng)松開軀干鉸接機構(gòu)，從H點向外和向上加載配重塊，防止HPM-Ⅱ傾倒、脫離座椅。使HPM-Ⅱ在加載過程中與座椅完全緊密接觸，在加載過程中要檢查HPM-Ⅱ是否水平，加載重塊的次序如表1：

在踏板不被壓下的前提下，依次擺放HPM-Ⅱ的腿部和鞋具，將水平激光線打在H點裝置坐墊軸的一端，將鋼板尺豎直置于H點裝置鞋具踵點旁地毯上，通過水平激光線在鋼板尺上面讀數(shù)（H30值），來確定座椅靠背角度。

根據(jù)整車主駕座椅配置的不同，得出主駕座椅數(shù)據(jù)采集狀態(tài)如表2：

總布置人機數(shù)據(jù)采集完成，將座椅調(diào)為最后最下狀態(tài)，并保持靠背角度不變，通過三維光學(xué)掃描測量系統(tǒng)來采集內(nèi)飾點云數(shù)據(jù)并處理分析。至此，所有涉及確定座椅基準(zhǔn)點的基礎(chǔ)三維點云數(shù)據(jù)采集完成。

3.3 計算機輔助分析確定座椅基準(zhǔn)點

計算機輔助數(shù)據(jù)處理分析主要是依據(jù)已采集的三維點云數(shù)據(jù)，同時參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，借助三維軟件的處理分析對整車坐標(biāo)系進行確定，保證數(shù)據(jù)基準(zhǔn)一致，見圖4。

（1）通過計算機三維軟件對已采集的外表面點云進行分析，依據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理，限制六向自由度來確定整車基準(zhǔn)坐標(biāo)系（以汽車縱向?qū)ΨQ平面為Y基準(zhǔn)平面，通過前輪中心且垂直于Y平面作為X基準(zhǔn)平面，通過前輪中心且垂直于X和Y基準(zhǔn)平面的水平面為Z基準(zhǔn)平面），保證所有車型坐標(biāo)系基準(zhǔn)一致;

（2）在已確定的基準(zhǔn)坐標(biāo)系下調(diào)入座椅人機多狀態(tài)點云，根據(jù)三維軟件得出各狀態(tài)人機H點位置（均投影到三維H點裝置軀干線所在平面上），通過各H點間連接，獲得座椅運動軌跡曲線（H點行程）。結(jié)合座椅處在最后最下位置時人機擺放點云狀態(tài)，以及H點Z向調(diào)節(jié)線（>40mm時，取H點行程路徑最低軌跡線Z向向上偏移20mm線;≤40mm時，取Z向調(diào)節(jié)平分線）來初步確定2D人體模型擺放，即初定R點位置[1];

（3）根據(jù)初步的2D人體模型中的踏點（PRP）、踵點（AHP）、初定R點，輸出座椅適宜線，其中取95%座椅適宜線與H點Z向偏移調(diào)節(jié)線交點來設(shè)定座椅基準(zhǔn)點，根據(jù)視野相關(guān)法規(guī)等標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)定座椅基準(zhǔn)點、靠背角等繪圖得出駕駛員眼睛位置V1、V2，通過V1、V2點做直線分別與風(fēng)窗玻璃黑邊點云相交，得出風(fēng)窗玻璃基準(zhǔn)點a，b，c，該基準(zhǔn)點都需在風(fēng)窗玻璃透明區(qū)內(nèi)，根據(jù)該要求對座椅基準(zhǔn)點逐步修正，以滿足法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求。此時得到逆向工程中確定的座椅基準(zhǔn)點，通過該R點，來分析校核競品車人機工程參數(shù)[2]。

4 結(jié)論

綜上所述，目前逆向工程中座椅基準(zhǔn)點的確定主要是借助三維光學(xué)掃描測量系統(tǒng)對點云數(shù)據(jù)的采集、處理分析，同時結(jié)合計算機輔助數(shù)據(jù)處理分析及參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)等方式得出。通過該方式方法，為競品車逆向工程中座椅基準(zhǔn)點的確定提供了一種規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)的工作流程。同時也可以保證競品車數(shù)據(jù)采集、處理分析的規(guī)范化、一致性，確保人機工程分析輸出參數(shù)的基準(zhǔn)一致，完善對標(biāo)車型之間總布置數(shù)據(jù)的橫向?qū)Ρ刃?，為企業(yè)逆向?qū)?biāo)、正向設(shè)計提供技術(shù)支持。

參考文獻：

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