張營 朱松

摘 要：整車座椅基準(zhǔn)點(diǎn)（R點(diǎn)）是汽車人機(jī)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(diǎn)。R點(diǎn)選取的準(zhǔn)確與否，直接影響消費(fèi)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(jī)等進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、處理分析。同時結(jié)合計算機(jī)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(diǎn)的一種確定方法，為后期的整車總布置正向人機(jī)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(diǎn)云數(shù)據(jù) 計算機(jī)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(diǎn)、因為設(shè)計R點(diǎn)是貫串于整車人機(jī)工程設(shè)計過程中重要的設(shè)計基準(zhǔn)元素，R點(diǎn)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(jī)廠在競品車人機(jī)工程中確定座椅基準(zhǔn)點(diǎn)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(jìn)行分析。然而設(shè)計工程師個人主觀經(jīng)驗較強(qiáng)，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(jī)輔助處理分析總結(jié)出競品車逆向工程中座椅基準(zhǔn)點(diǎn)的確定方法。

2 座椅基準(zhǔn)點(diǎn)確定工作流程

為保證競品車逆向工程中R點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)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(diǎn)的三維空間點(diǎn)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(jìn)行外表面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，得到整車外表面點(diǎn)云數(shù)據(jù);

2.4 通過三維結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進(jìn)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(jī)狀態(tài)等點(diǎn)云數(shù)據(jù);

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

2.6 借助計算機(jī)輔助處理分析，結(jié)合法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行校核，得出座椅基準(zhǔn)點(diǎn)，通過該點(diǎn)對總布置進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)（參考點(diǎn)、編碼點(diǎn)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(diǎn)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(jī)、光柵投影單元、圖像采集卡、工作站計算機(jī)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(jī)同步采集相應(yīng)的圖像，然后對圖像進(jìn)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(jī)公共視區(qū)內(nèi)像素點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)值。由于各參考點(diǎn)空間位置已定，掃描測量儀根據(jù)這些參考點(diǎn)，為所掃描到的點(diǎn)云進(jìn)行定位，實現(xiàn)前后兩次掃描點(diǎn)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(diǎn)的位置做高速掃描，避免被掃描物體點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)，均勻分布編碼點(diǎn)（十字叉編碼點(diǎn)）、擺好比例尺1、比例尺2。利用特定照相機(jī)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(jìn)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(diǎn)，且連續(xù)兩張照片中有不少于3個共同的編碼參考點(diǎn)，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(diǎn)位置準(zhǔn)確定位，形成整車外表面三維空間點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、光順等[5];

（3）人機(jī)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(diǎn)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(jī)腰托軸線左右兩側(cè)中心點(diǎn)X向偏差≤5mm）。加載HPM-Ⅱ時應(yīng)松開軀干鉸接機(jī)構(gòu)，從H點(diǎn)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(diǎn)裝置坐墊軸的一端，將鋼板尺豎直置于H點(diǎn)裝置鞋具踵點(diǎn)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(jī)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(diǎn)云數(shù)據(jù)并處理分析。至此，所有涉及確定座椅基準(zhǔn)點(diǎn)的基礎(chǔ)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集完成。

3.3 計算機(jī)輔助分析確定座椅基準(zhǔn)點(diǎn)

計算機(jī)輔助數(shù)據(jù)處理分析主要是依據(jù)已采集的三維點(diǎn)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(jìn)行確定，保證數(shù)據(jù)基準(zhǔn)一致，見圖4。

（1）通過計算機(jī)三維軟件對已采集的外表面點(diǎn)云進(jìn)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(jī)多狀態(tài)點(diǎn)云，根據(jù)三維軟件得出各狀態(tài)人機(jī)H點(diǎn)位置（均投影到三維H點(diǎn)裝置軀干線所在平面上），通過各H點(diǎn)間連接，獲得座椅運(yùn)動軌跡曲線（H點(diǎn)行程）。結(jié)合座椅處在最后最下位置時人機(jī)擺放點(diǎn)云狀態(tài)，以及H點(diǎn)Z向調(diào)節(jié)線（>40mm時，取H點(diǎn)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(diǎn)位置[1];

（3）根據(jù)初步的2D人體模型中的踏點(diǎn)（PRP）、踵點(diǎn)（AHP）、初定R點(diǎn)，輸出座椅適宜線，其中取95%座椅適宜線與H點(diǎn)Z向偏移調(diào)節(jié)線交點(diǎn)來設(shè)定座椅基準(zhǔn)點(diǎn)，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(diǎn)、靠背角等繪圖得出駕駛員眼睛位置V1、V2，通過V1、V2點(diǎn)做直線分別與風(fēng)窗玻璃黑邊點(diǎn)云相交，得出風(fēng)窗玻璃基準(zhǔn)點(diǎn)a，b，c，該基準(zhǔn)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)，通過該R點(diǎn)，來分析校核競品車人機(jī)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(diǎn)的確定主要是借助三維光學(xué)掃描測量系統(tǒng)對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集、處理分析，同時結(jié)合計算機(jī)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(diǎn)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(jī)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(xiàn)：

[1]SAE J1100-2009（R）Motor Vehicle Dimensions.

[2]GB 11562-2014 汽車駕駛員前方視野要求及測量方法.

[3]韓雨萌 大型復(fù)雜零件的三維掃描測量精度研究[D].沈陽工業(yè)大學(xué)，2017.

[4]李江兵 R點(diǎn)在整車設(shè)計中的確立過程詳析[J].南方農(nóng)機(jī)，2015.8.

[5]王麗輝 三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的技術(shù)研究[D].背景交通大學(xué)，2011.

[6]張德海，李艷芹，謝貴重，等 三維光學(xué)掃描技術(shù)逆向工程應(yīng)用研究[J].應(yīng)用光學(xué)，2015，36（4）：519-525.