汽車后視鏡法規(guī)校核和快捷布置計算方法

摘 要：通過建立汽車后視鏡布置計算和法規(guī)校核的數(shù)學模型，利用excel辦公軟件編制光路的計算系統(tǒng)，采用程序化設計方法，使計算系統(tǒng)文件直接讀取數(shù)學模型中初步方案的信息，并在計算系統(tǒng)中按照設計目標要求，進行初步方案的結構優(yōu)化，使后視鏡反射光線觸地點區(qū)域（視野）完全包含法規(guī)區(qū)域，滿足法規(guī)要求，最后將優(yōu)化后的諸多布置點利用開發(fā)的程序自動導入3D軟件中，形成最終的設計方案。整個過程簡潔、快速、直觀、精確。

關鍵詞：汽車后視鏡；法規(guī)；計算系統(tǒng)；視野；計算優(yōu)化

引言

在汽車正向設計中，后視鏡布置需要進行大量的視野校核和布置設計調整工作，以滿足布置空間需要以及法規(guī)要求[1][2]。在通常情況下，由人工繪制密集的光路圖，耗時長，工作量大，且不易獲得準確的視野區(qū)域。因此，如何合理優(yōu)化后視鏡布置位置？如何程序化繪制視野區(qū)域和法規(guī)區(qū)域？如何實現(xiàn)兩個區(qū)域的可視化對比？是文章研究的對象，最終目的是將研究的結果編制成通用的后視鏡自動校核軟件，一鍵完成全部計算和校核過程，從而達到后視鏡視野快捷設計和校核的目的。

1 建立后視鏡布置數(shù)學模型

如圖1是一個左側后視鏡數(shù)學模型，右側模型原理相同，該圖著重于數(shù)據(jù)狀態(tài)的校核。

圖2是計算部分需要錄入初步數(shù)據(jù)，編制的程序可以一鍵提取3D數(shù)據(jù)中后視鏡鏡面有效輪廓點數(shù)據(jù)至計算文件，具體作法：按照圖3所示要求，提取視點及后視鏡七個關鍵元素，利用開發(fā)的自動執(zhí)行程序，提取鏡面有效輪廓點，圖4所示，鏡面輪廓點的提取，為后續(xù)光路圖制作及計算儲備輸入信息。

如圖5模型結構簡圖所示，依次建立光路系統(tǒng)中各元素的計算關系式，以左視點的一條光線為例說明：左視點發(fā)出的一條光線由后視鏡右側輪廓點，經(jīng)過鏡面反射后形成一條反射光線，該反射光線與地平面存在相交或平行兩種狀態(tài)，相交也存在相交在車身后部和相交在車身前部兩種情況，相交在車身后部是需要的計算結果，依次將左視點和右視點與鏡面輪廓點建立入射光線、反射光線的計算關系并以此計算出他們與地平面的交點，將這些交點依次連成曲線及獲得左視點、右視點對于地平面的視野區(qū)域，并集左視點、右視點視野區(qū)域及獲得駕駛員全部視野區(qū)域。將法規(guī)視野要求區(qū)域與車身寬度及視點位置建立計算關系并將其顯示在地平面內，對比法規(guī)區(qū)域和實際視野區(qū)域，即可實現(xiàn)視野校核目的。

2 編制光路模型系統(tǒng)的計算

具體計算內容：

地面平面方程：在給定的地平面π上任取三點（X1，Y1，Z1）； （X2，Y2，Z2）；（X3，Y3，Z3）其平面方程為：

化簡后：Ax+By+Cz+D=0（2）

圖4提取的后視鏡鏡面有效輪廓點以及鏡面中點、鏡面球心點都是作為初步方案輸入的，這些點隨著后視鏡的各調整軸轉動而發(fā)生改變，坐標繞固定軸旋轉算法：空間任一點圍繞轉軸旋轉θ角度，獲得新的點（X，Y，Z）可通過公式計算獲得[3][4]。

圖5模型結構簡圖中：以左眼點A入射光線求取其反射光線：

第一步：由A、C、D三點坐標求取∠ACE，E是A點到DC直線的垂足：

利用余弦定理可求出：

con∠ACD=（AC^2+CD^2-AD^2）/（2*AC*CD）， AC，CD，AD分別由兩點坐標求得；

∠ACE=180-∠ACD；CE=AC*con∠ACE，設：（Xe-Xd）/（Xc-Xd）=（Ye-Yd）/（Yc-Yd）= （Ze-Zd）/（Zc-Zd）=t

t=（CD+CE）/CE

垂直點E點坐標：

同理可以計算出右眼點反射光線方程。

第二步：求出的左眼點反射光線方程與地平面方程連解即可求出反射光線與地平面的交點：

同理解出左右眼點與所有外后視鏡輪廓點所構成入射線的反射線與地面的交點

第三步：并集左視點、右視點視野區(qū)域及獲得駕駛員全部視野區(qū)域：左右視點的反射線與地面交點坐標為：

（xn；yn；zn）（7）

第四步：外后視鏡中心左右兩端點的反射線在視點后60000處的高度，應與外后視鏡中心的高度相同，定義其高度H1、H4，見圖5，通過將X=60000+Xa（或Xb，指后視鏡中心點X坐標值）帶入反射光線方程（5）來求取。

第五步：由上述第二步所求出的反射光線與地平面的交點坐標的Y坐標值，來建立法規(guī)區(qū)域與車身及視點的函數(shù)關系：

（1）左側后視鏡法規(guī)校核區(qū)域

（2）右側后視鏡法規(guī)校核區(qū)域

式中K表示車身寬度，其數(shù)值與法規(guī)相關，設定值為65000，是希望該值處于無窮遠，計算結果讓法規(guī)區(qū)域直接顯示在實際視野中。

第六步：3D數(shù)據(jù)導入計算文件

計算輸入部分：圖6所示13個結構特征點和37個鏡面有效輪廓點，圖4所示（計算輸入?yún)^(qū)域未顯示），采用自行開發(fā)的程序，將3D數(shù)據(jù)點直接導入excel格式的計算文件對應單元格中。利用上述公式將設計輸入轉化為所需要計算的對象，通過調整外后視鏡鏡面位置來實現(xiàn)滿足法規(guī)要求。

3 布置方案的設計優(yōu)化

設計優(yōu)化[5]是將初步布置的數(shù)據(jù)信息納入系統(tǒng)計算，設定的考核條件：

第一、最近處選擇滿足法規(guī)要求：即視點后4米處的地面在駕駛員視野里，由于視野邊界線是曲線，只能選擇野邊界線在X向距離視點的最大距離來衡量，本案優(yōu)化過程的條件之一就是一定要求不斷改變輸入值，使視野邊界線在法規(guī)要求以外并無線接近2.5米（可以根據(jù)需要設定）。

第二、遠處選測H1和H4作為考核條件，優(yōu)化過程的條件之一就是按一定要求不斷改變輸入值，使H1、H4無線接近后視鏡中心高度。

滿足上述兩個條件后保證法規(guī)區(qū)域都包含在實際視野中，點擊開發(fā)的優(yōu)化程序《后視鏡法規(guī)校核優(yōu)化計算》優(yōu)化快捷按鈕（圖7所示），系統(tǒng)將圍繞設置的“預制值”、“搜索范圍”、“增量”以及考核對象和對應目標值，啟動計算系統(tǒng)，界面首先彈出如圖8所示的對話框，提示輸入計算總量，點擊“總方案數(shù)”所對應的的單元格，即讀入全部方案數(shù)，確定后，優(yōu)化計算將從方案序號1開始計算，每輸入一個序號系統(tǒng)即完成一個方案的計算，當序號從1開始時，計算獲得對應分方案值，同時計算出該方案偏離考核的目標值的“偏離系數(shù)”，當當前序號對應的方案所計算獲得的“偏離系數(shù)”不小于上一個序號對應的偏離系數(shù)時，則繼續(xù)下一序號的方案計算；當當前序號對應的方案所計算獲得的偏離系數(shù)小于上一個序號對應的偏離系數(shù)，則將計算區(qū)域所有值復制并選擇性粘貼到儲備區(qū)域，再繼續(xù)下一序號的方案計算，如此反復，直至完成所有方案的計算，計算結束前計算區(qū)域序號單元格讀取儲備區(qū)域序號單元格的值，使最終顯示的是最接近目標值的方案，在優(yōu)化計算過程，實際視野不斷變化，法規(guī)區(qū)域相對穩(wěn)定，設計者可以直接讀取搜索過程動態(tài)信息。優(yōu)化過程幫助設計者輕松找出最優(yōu)布置方案的具體坐標值，為后期快捷布置做準備。

編制的《外后視鏡法規(guī)校核計算.xls》及優(yōu)化過程的程序代碼，略。

4 3D數(shù)據(jù)實現(xiàn)可視化視野校核

一鍵完成后視鏡視野校核，可以結合優(yōu)化后的最佳布置方案，也可以單獨使用，不同的是優(yōu)化后的最佳布置方案可靠性比沒有經(jīng)過優(yōu)化計算的方案優(yōu)越。

按照圖3要求在新建的part文件中選取七個關鍵元素：鏡面輪廓面（曲面1）、駕駛員右視點（點1）、駕駛員左視點（點2）、鏡面球心點（點3）、鏡面中點（點4）、車身最大寬度點（點5）、地平面（平面1）。基于這七個元素在CATIA軟件中利用其二次開發(fā)平臺開發(fā)出自動實現(xiàn)視野校核結果的軟件。編制的軟件是基于這七個元素繪制法規(guī)區(qū)域和視野區(qū)域光路圖的作圖過程，它是不變的，這七個元素好比是一個函數(shù)的自變量，改變這七個元素，通過軟件即可獲得不同的視野校核結果。

具體編制過程[6]：利用CATIA自帶的“宏錄制”功能，將基于這七個元素繪制法規(guī)區(qū)域和視野區(qū)域光路圖的作圖過程，錄制成“宏”文件，對錄制后的“宏”文件進行編輯和整理，形成固定的執(zhí)行程序《后視鏡七元素視野校核.catvbs》。當面對新定義的七個元素，雙擊運行《后視鏡七元素視野校核.catvbs》程序，執(zhí)行錄制的步驟，卻讀取了新的元素值，最終獲得新的視野校核結果，對定義的七個元素，該程序面具有通用性，設計者面對不同的設計布置不再需要重復復雜的光路圖繪制工作，校核過程瞬間展示。

《后視鏡七元素視野校核.catvbs》中其關鍵代碼：

Language=“VBSCRIPT”

Sub CATMain（）

……

Set sketches1 = body2.Sketches'制作法規(guī)區(qū)域

Set parameters4 = part1.Parameters

Set reference11 = parameters4.Item（“平面.1”）

Set sketch1 = sketches1.Add（reference11）

Dim arrayOfVariantOfDouble1（8）

arrayOfVariantOfDouble1（0） = 0

arrayOfVariantOfDouble1（1） = 0

arrayOfVariantOfDouble1（2） = -200

arrayOfVariantOfDouble1（3） = 1

arrayOfVariantOfDouble1（4） = 0

arrayOfVariantOfDouble1（5） = 0

arrayOfVariantOfDouble1（6） = 0

arrayOfVariantOfDouble1（7） = -1

arrayOfVariantOfDouble1（8） = 0

sketch1.SetAbsoluteAxisData arrayOfVariantOfDouble1

……

Set reference430 = part1.CreateReferenceFromObject（hybridShapeIntersection4） '制作反射光線及實際視野區(qū)域

Set reference431=part1.CreateReferenceFromObject（hybridShapeSymmetry1）

Set hybridShapeDirection3 = hybridShapeFactory1.AddNewDirection（reference434）

Set hybridShapeLinePtDir1 = hybridShapeFactory1.AddNewLinePtDir（reference430， hybridShapeDirection2， 80000， 0， True）

body8.InsertHybridShape hybridShapeLinePtDir1

part1.InWorkObject = hybridShapeLinePtDir1

part1.Update

……

End Sub

圖9上圖是駕駛員處后視野效果圖，下圖是60000處效果圖。

將左后視鏡的鏡面輪廓面（曲面1）、鏡面球心點（點3）、鏡面中點（點4）替換為右后視鏡對應參數(shù)，可以獲得右后視鏡的校核結果。

5 結束語

該設計方法將軟件的二次開發(fā)和程序化設計多次引入設計過程，首先，將數(shù)學模型轉化為具體計算，通過編程使單一方案的計算擴展至無窮方案的計算，對照目標要求在無窮方案中找出最佳方案，使復雜的工程計算輕松的一鍵完成，其次，在3D數(shù)據(jù)布置方面，基于CATIA二次開發(fā)出一鍵完成后視鏡法規(guī)校核全過程，視野邊界與法規(guī)要求清晰可變。在效率方面：更省力；在實用性方面：更便捷；在精益設計方面，更科學。值得汽車正向設計領域借鑒。

參考文獻

[1]GB15084.機動車輛后視鏡的性能和安裝要求[S].

[2]ECE R46.汽車后視鏡及安裝后視鏡的汽車認證的統(tǒng)一規(guī)定[S].

[3]陳良，劉會霞，王霄，等.基于ACTIA的外后視鏡視野校核系統(tǒng)開發(fā)[J].機械設計與研究，2015，31（5）：159-162

[4]薛文風.三維空間坐標的旋轉算法[J].電腦編程技巧與維護，1995，59：59-60.

[5]丁光學，史富強，楊邦安.一種新的汽車尾門氣彈簧輔助支撐系統(tǒng)的快捷計算和設計方法[J].汽車實用技術，2016（1）：4-8.

[6]丁光學.限位器臂桿結構與側門限位能力的計算應用[J].科技創(chuàng)新與應用，2016（9）：11-13.

作者簡介：陳雪琴（1969-），女，大學本科，工程師，從事汽車零部件產(chǎn)品設計與制造工作。