石 超，梁建國

基于PolyWorks的車身點云整車坐標系建立方法

石 超，梁建國

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

在整車逆向?qū)说倪^程中，車身點云整車坐標系的構建是整車逆向?qū)酥惺种匾牟襟E，它是整車數(shù)據(jù)逆向設計數(shù)字化模型的基礎，也是對汽車零部件的結(jié)構特性進行研究的重要基礎。文章結(jié)合工程實例，使用PolyWorks軟件構建坐標系的相應模塊，可以迅速精確地構建出車身點云的整車坐標系，驗證了該方法的有效性。

整車坐標系；PolyWorks；車身點云；逆向?qū)?/p>

在汽車的逆向?qū)诉^程中，一般包括點云數(shù)據(jù)采集、點云預處理、曲面重建以及三維建模等步驟。其中一般使用拍照式掃描設備（如ATOS）或激光式掃描設備（如Faro）采集點云，輸出的點云數(shù)據(jù)的坐標系為設備坐標系，不符合整車逆向的相關要求，需要根據(jù)整車設計標準重新調(diào)整車身點云的坐標系，該基準將直接影響后期整車點云的逆向數(shù)據(jù)處理和三維建模的質(zhì)量。

PolyWorks是InnovMetric公司發(fā)布的測量軟件產(chǎn)品，它能兼容多種類型的掃描設備，可以實現(xiàn)快速和高品質(zhì)的處理由各種類型三維掃描設備生成的點云數(shù)據(jù)，同時可轉(zhuǎn)化為多種通用的標準格式數(shù)據(jù)，并輸出報告[1]。PolyWorks的主要功能分為兩大模塊：檢測模塊和逆向模塊。其中檢測模塊包含點云掃描、處理功能，完整的對齊擬合功能及豐富的點云檢測工具；逆向模塊更加側(cè)重于點云編輯功能和逆向建模功能。

1 整車坐標系定義和標準

1.整車三維坐標系

整車三維坐標系為汽車生產(chǎn)廠家在設計研發(fā)階段定義的，由三個平面相互垂直構成的坐標體系（見圖1），這三個基準平面分別為

1）平面：車輛的縱向左、右對稱的平面；

2）平面：垂直于平面，并通過設計載荷狀態(tài)的下前輪中心點連線與平面交點的垂直平面；

3）平面：垂直于、平面，并通過車身底盤縱梁的水平面。

圖1 整車三維坐標系及零平面示意圖

圖1中，規(guī)定+為車頭指向車尾，+為右側(cè)指向左側(cè)，+為垂直于水平面，其反方向為負值[2]。

2.設計載荷

一般以整車半載姿態(tài)測量為準（圖1為汽車的整車坐標系及坐標方向）。

2 建坐標系的常用方法介紹

2.1 面-線-點法的原理及應用

所謂“面-線-點”法通常也稱之為“3-2-1”法，是三坐標測量中常用的建坐標系的方法，其基本原理為：先測定三個點建立一個平面，以該平面的法向矢量為第一軸的方向；測定2個點并連成一條直線，并用該直線方向（起始點指向終止點）為第二軸的方向；然后再測定一個點，通過所測定的平面、直線、點的相互垂直的關系，確定了該坐標系原點。

2.2 最佳擬合法原理及應用

最佳擬合法建坐標系是指以實際測量數(shù)據(jù)與理論值相互比較，為偏差最小的建立坐標系的方法。最佳擬合法的取點一般為圓心、球心點，圓柱、圓錐與平面的交點、圓柱端點，三軸封閉的點，曲面的角點等。通常用在以下兩種情況：1）工件上有比較重要的復雜曲面或者關鍵特征組，在建立完常規(guī)坐標系后，在重要的曲面上采點或者測量關鍵的局部特征組，并基于這些點或特征組重新建立最佳擬合坐標系，由此調(diào)整、優(yōu)化坐標系；2）工件為全曲面零件，找不到用來建立3-2-1或迭代法坐標系的常規(guī)基準特征，如純曲面工件。

3 整車點云坐標系建立的操作步驟

整車點云坐標系建立的操作步驟主要分為以下六步，如圖2所示，具體操作過程如下：

圖2 整車點云坐標系建立的流程圖

1.點云數(shù)據(jù)導入

首先將半載狀態(tài)的底盤點云、整車外表面點云導入PolyWoks軟件的IMInspect模塊。點云要求底盤點云和外表面點云要在同一個坐標系下。

2.特征元素提取

如圖3所示，使用測量工具欄在底盤點云中的左右門檻位置或前地板縱梁平直面選取4個點，取點位置盡量保證左右對稱，以4個點為基礎創(chuàng)建平面1，為車身的平面；在左右縱梁上選擇對稱的四個基準孔，將基準孔投影到創(chuàng)建的平面1上并提取圓心，分別以相對應的四個孔的中心點，構造出相對應的兩孔之間的中點，則得到中點1、中點2，再由中點1、中點2構造出一條直線，則得到直線1，為車身的軸；提取半載狀態(tài)下的左、右前車輪的圓心，將兩圓心構造出一個中點，得到中點3，為車身的原點。

圖3 特征元素提取示意圖

3.建立臨時坐標系

使用“面-線-點”對齊模塊，將創(chuàng)建的平面1、直線1、點3對應匹配“平面、軸、原點”（見圖4）。用“面-線-點”法來限定空間物體、、的六個自由度，從而確定車身點云的整車坐標系（六個自由度，即沿笛卡爾直角坐標系、、軸移動的自由度以及繞、、軸的旋轉(zhuǎn)自由度）。

4.對稱性是否符合要求

建立臨時坐標系后，需要對車身的點云進行對稱性檢查。因為車身在正向設計時，外觀、底盤內(nèi)飾等通常采用對稱式設計，逆向建坐標系要盡可能還原這一狀態(tài)，對后續(xù)點云逆向建模，車身逆向分析工作起奠基性作用。首先，以平面為基準將車身點云鏡像，生成一個鏡像數(shù)據(jù)，然后以原點云作為基準，利用軟件的曲面點測量工具或數(shù)據(jù)彩圖功能模塊評價出原點云與鏡像點云的偏差，檢查車身各部位的對稱情況。

圖4 建立整車坐標系

以圖5為例，用曲面點工具欄在車身點云的前蓋、側(cè)圍A柱、頂蓋、側(cè)圍C柱等多組對稱位置取點，軟件會自動生成以原車身點云為名義值，以鏡像點云為測量值的對比數(shù)據(jù)，并顯示出對比偏差值（將參數(shù)設置為顯示曲面最大偏差和單一方向最大偏差）。通過鏡像前后點云偏差的數(shù)據(jù)對比，以車身左側(cè)與右側(cè)的點云偏差分析出平面的對稱度，以車身頂蓋與底盤縱梁對稱部分的點云偏差分析出平面的對稱度。對稱度偏差小于±1 mm，則可判定臨時坐標系符合要求；若對稱度偏差大于±1 mm，則需要對點云進行微調(diào)，使其盡可能符合要求。

5.對稱性調(diào)整

當車身點云對稱度不符合要求時，需要根據(jù)車身點云的傾斜情況，利用手動對齊工具，對臨時坐標系下的點云數(shù)據(jù)執(zhí)行旋轉(zhuǎn)、平移、偏置等操作。多次微調(diào)后，使整車點云的對稱度達到一個比較理想的狀態(tài)，即原車身點云與鏡像后的點云大多數(shù)區(qū)域的偏差小于±1 mm（見圖6），以符合后續(xù)逆向?qū)嗽O計的要求。

圖6 對稱性檢查示意圖

6.對稱性調(diào)整的評判標準

車身在研發(fā)時通常采用左右對稱式設計，其中底盤縱梁和側(cè)圍外板的定位孔、定位面是車身焊接的基準，車身點云對稱性調(diào)整的過程中要優(yōu)先確定底盤縱梁和側(cè)圍外板對稱度偏差小于±1 mm，同時兼顧車身整體的對稱情況。以本文中的車身點云為例，經(jīng)多次調(diào)整后，鏡像后的點云和原車身點云誤差控制在90%以上的區(qū)域±1 mm以內(nèi)，四門、保險杠等活動件和裝配件的誤差稍大，經(jīng)分析這些偏差是由裝配誤差或零部件變形引起。雖然以上偏差導致了整車坐標系原點與理論數(shù)模的原點存在一定的偏差，但在保證車身點云左右、前后對正的前提下，該坐標系的偏差不會對下一步的逆向建模產(chǎn)生影響，可判定該整車坐標系符合要求。

7.輸出整車坐標系

輸出已建好坐標系的底盤點云、整車外表面點云，這兩個文件為車身零部件點云回調(diào)整車坐標系的基礎。

8.整車坐標系誤差說明及改善方法

1）車身點云的左、右前輪中心點不對稱通常是由以下情況構成：一是掃描點云時，因為轉(zhuǎn)向盤沒有打正引起的誤差；二是左、右輪胎氣壓讀數(shù)不同、左右輪載荷不同引起的誤差；三是車輪制造、懸架裝配引起的誤差等。改善方法為掃描底盤點云前要確保車身狀態(tài)符合設計載荷（一般以整車半載姿態(tài)測量為準）。

2）掃描設備都有一定的單次最大掃描范圍，針對尺寸較大的車身通常需要分塊多次掃描，掃描的次數(shù)、數(shù)據(jù)的拼接對點云數(shù)據(jù)存在一定的影響，累積拼接誤差[3]。改善方法為盡量選取掃描范圍大的設備，或者掃描前做好分區(qū)規(guī)劃，盡量減少掃描次數(shù)。

3）車身的地板、縱梁、左右側(cè)圍在生產(chǎn)過程中存在一定的焊接變形或長期使用造成的變形，確定和平面時，對稱偏差大于±1 mm。改善方法為多次微調(diào)比對后選出誤差最小、狀態(tài)最好的方案。

4 零部件最佳擬合建坐標系

PolyWorks的IMInspect模塊中的“最佳擬合數(shù)據(jù)至參考對象”工具欄，可用來快速、高精度的對齊零部件點云數(shù)據(jù)。使用“最佳擬合數(shù)據(jù)至參考對象”的點云數(shù)據(jù)應滿足兩個條件：一是參考數(shù)據(jù)必須在整車坐標系下；二是參考數(shù)據(jù)與被擬合數(shù)據(jù)必須有公共的點云部分，且至少要有3個公共特征點。

根據(jù)最佳擬合坐標系的原理，在參考數(shù)據(jù)與被擬合數(shù)據(jù)上的公共特征部位各取至少3點，取點原則最好是圓心點、直線與直線的交點、曲面特征的角點等，取點時要保證參考數(shù)據(jù)與被擬合數(shù)據(jù)特征點的選擇順序要相同。通過3點對應關系，把被擬合點云數(shù)據(jù)的坐標系回調(diào)至參考數(shù)據(jù)坐標系下，從而實現(xiàn)2個坐標系的對大致對齊[4]，然后軟件會根據(jù)兩個點云公共部分的特征進行多次擬合計算，給出最佳擬合的結(jié)果。

以圖7中的車輪最佳擬合整車坐標系為例，在參考數(shù)據(jù)（左）取3點“1、2、3”，然后在被擬合數(shù)據(jù)（右）取3點“1'、2'、3'”，其中點“1、2、3”應與點“1'、2'、3'”在公共點云特征位置大致相等，且選擇順序要保持一致，軟件會自動變換兩個坐標系，并進行多次擬合運算，最終給出最佳匹配結(jié)果。

圖7 零部件回調(diào)整車坐標系示意圖

本方法還可用于批量調(diào)整多個點云的坐標系，點云數(shù)據(jù)應滿足兩個條件：一是被擬合的多個點云數(shù)據(jù)要在統(tǒng)一的坐標系下；二是參考數(shù)據(jù)與被擬合數(shù)據(jù)中具有代表性的數(shù)據(jù)必須有公共的點云部分，且至少要有3個公共特征點。操作方法同上，執(zhí)行此方法可以一次性將多個點云回調(diào)至整車坐標系，可大幅提高點云處理的效率。

5 總結(jié)

本文以逆向掃描的車身點云數(shù)據(jù)為研究對象，基于PolyWorks的各種功能模塊，開發(fā)了一套車身點云建立整車坐標系的方法。該方法通過在點云上取點構造特征元素，使用“面-線-點”法建立整車坐標系，然后通過鏡像點云，將鏡像后點云與原車身點云做數(shù)據(jù)對比分析，并在此基礎上進行微調(diào)，使整車各個位置誤差均控制在較好的范圍內(nèi)，也保證點云左右、前后對正。同時使用“最佳擬合建坐標系”法，實現(xiàn)零部件點云、拆解過程點云批量回調(diào)整車坐標系。本方法建立的整車坐標系滿足逆向要求，為后續(xù)車身逆向?qū)朔治觥⒔ＴO計等工作奠定了基礎。

[1] 楊軍,曾翠華,鄭榮霞.PolyWorks在逆向工程點云數(shù)據(jù)處理中的應用[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2008 (11):55-57.

[2] 黃英豪,黎兆宇.汽車坐標系和車身姿態(tài)角的確定方法[J].裝備制造技術,2012(10):113-115.

[3] 趙艷平,高明,羅大兵.基于PolyWorks的逆向工程數(shù)據(jù)處理[J].機械,2005(10):47-49.

[4] 高尚鵬,徐家川,李迪.基于UG的車身點云數(shù)據(jù)快速對齊方法[J].汽車技術,2010(5):55-57,61.

Method for Establishing Vehicle Coordinate Systemof Body Point Cloud Based on PolyWorks

SHI Chao, LIANG Jianguo

( Automotive Engineering Research Institute, Guangzhou Automobile Group Company Limited, Guangzhou 511434, China )

In the process of vehicle reverse alignment, the construction of vehicle coordinate system of body point cloud is a very important step in vehicle reverse alignment, which is the foundation of digital model of vehicle data reverse design, it is also an important basis for the study of the structural characteristics of automobile parts. Based on an engineering example, this paper uses PolyWorks software to construct the corresponding module of coordinate system, which can quickly and accurately construct the whole vehicle coordinate system of body point cloud, and proves the validity of this method.

Vehicle coordinate system;PolyWorks;Body point cloud; Reverse alignment

U462

A

1671-7988(2023)22-99-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.022.018

石超（1989－），男，助理工程師，研究方向為汽車測量技術，E-mail:849319572@qq.com。