基于逆向工程的汽車(chē)三維數(shù)據(jù)采集、處理方法及應(yīng)用

季鋒　羅火賢　鄭瑞欣

摘要：使用三維掃描技術(shù)進(jìn)行汽車(chē)三維數(shù)據(jù)的采集，利用Geomagic Studio、CATIA等計(jì)算機(jī)輔助軟件對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行處理分析，可以獲取整車(chē)內(nèi)外型面、總布置尺寸、人機(jī)布置參數(shù)等數(shù)據(jù)，能為汽車(chē)開(kāi)發(fā)和汽車(chē)分析提供數(shù)據(jù)支持及參考。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)；三維數(shù)據(jù)；點(diǎn)云；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)處理

引言

汽車(chē)整車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，在定義整車(chē)內(nèi)外部造型、總布置尺寸、人機(jī)布置參數(shù)等數(shù)據(jù)時(shí)，或在分析自身與競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品之間的優(yōu)劣性時(shí)，通常需要大量的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)來(lái)做支撐。經(jīng)過(guò)多年的研究和實(shí)踐，采用逆向工程技術(shù)進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助工具進(jìn)行處理與分析，是獲取這些數(shù)據(jù)的最佳方法。采用這種方法得到的數(shù)據(jù)三維可視化程度高，便于做各類(lèi)定量分析，且分析結(jié)果較其他方法準(zhǔn)確，通過(guò)數(shù)據(jù)積累與分析反過(guò)來(lái)也能優(yōu)化定義。近幾年隨著逆向工程技術(shù)軟、硬件的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集的速度與質(zhì)量、數(shù)據(jù)處理的效率都有了大幅度的提升，逆向技術(shù)不僅在曲面重構(gòu)等設(shè)計(jì)方面，在結(jié)構(gòu)分析、參數(shù)計(jì)算等質(zhì)量改進(jìn)方面都有應(yīng)用，進(jìn)一步滿(mǎn)足了汽車(chē)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的需求。

本文結(jié)合MAXscan掃描儀和Geomagic Studio、CATIA數(shù)據(jù)處理軟件，在整車(chē)非拆解狀態(tài)下進(jìn)行汽車(chē)三維數(shù)據(jù)采集、處理分析方法的研究。

1.采集項(xiàng)目與方法

1.1車(chē)輛狀態(tài)

逆向工程，也稱(chēng)反求工程，目的是還原初始狀態(tài)。汽車(chē)由于其特性，有多種狀態(tài)和使用工況。在數(shù)據(jù)采集之前，根據(jù)需求工況，對(duì)車(chē)輛狀態(tài)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。一般將車(chē)輛停放至平整的水平地面或平臺(tái)上，調(diào)整到整備質(zhì)量狀態(tài)，并將輪胎氣壓按照氣壓標(biāo)識(shí)調(diào)整至規(guī)定值，保證車(chē)輛狀態(tài)接近廠(chǎng)家定義，便于做數(shù)據(jù)對(duì)比分析。將位置可調(diào)的座椅調(diào)整至規(guī)定位置：如能獲得廠(chǎng)家定義的座椅設(shè)計(jì)基準(zhǔn)點(diǎn)，則將座椅調(diào)整至設(shè)計(jì)R點(diǎn)位置；如不能獲得則調(diào)整至最后最下位置。座椅靠背角度通過(guò)安放三維H點(diǎn)裝置調(diào)整，其中轎車(chē)為25°，SUV和MPV為22°，非連續(xù)可調(diào)的座椅靠背初始角度為其最后位置。

1.2采集項(xiàng)目

通過(guò)多年的實(shí)踐，在汽車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)汽車(chē)三維數(shù)據(jù)需求項(xiàng)目主要有車(chē)身外表面、內(nèi)部非運(yùn)動(dòng)件、內(nèi)部運(yùn)動(dòng)件、三維H點(diǎn)裝置、四門(mén)兩蓋開(kāi)啟件、車(chē)輛底部、儲(chǔ)物空間、整車(chē)姿態(tài)、坐標(biāo)系特征元素等。

車(chē)身外表面數(shù)據(jù)用于造型A面、造型特征元素分析，也用于整車(chē)外部尺寸分析；內(nèi)部非運(yùn)動(dòng)件主要有儀表板、副儀表板、護(hù)板、頂棚、地毯等，用于內(nèi)型面分析，結(jié)合三維H點(diǎn)裝置用于內(nèi)部乘坐空間、人機(jī)尺寸、部件布置分析；內(nèi)部運(yùn)動(dòng)件包括座椅、方向盤(pán)、踏板、換擋操作手柄、駐車(chē)制動(dòng)手柄、空調(diào)出風(fēng)口、遮陽(yáng)板等，結(jié)合三維H點(diǎn)裝置用于人機(jī)布置參數(shù)、操作方便性分析；三維H點(diǎn)裝置采集軀干、大腿、小腿、踵點(diǎn)、H點(diǎn)位置等數(shù)據(jù)，是做人機(jī)相關(guān)分析的依據(jù)；四門(mén)兩蓋采集各開(kāi)啟角度的特征元素，用于分析開(kāi)啟角度和確定車(chē)門(mén)開(kāi)啟的旋轉(zhuǎn)軸心；儲(chǔ)物空間采集乘客艙和行李艙儲(chǔ)物空間的三維幾何曲面，用于做儲(chǔ)物容積及存取方便性分析；整車(chē)姿態(tài)采集三種載荷狀態(tài)，即整備質(zhì)量、設(shè)計(jì)質(zhì)量、滿(mǎn)載質(zhì)量下輪胎及地面相對(duì)車(chē)身的數(shù)據(jù)，用于確定地面線(xiàn)、輪心輪眉高度及接近角、離去角等，做整車(chē)尺寸和姿態(tài)分析；坐標(biāo)系特征元素用于確定基準(zhǔn)平面、建立整車(chē)坐標(biāo)系，是進(jìn)行所有數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)。

隨著汽車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的分工、指標(biāo)細(xì)化，汽車(chē)三維數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目會(huì)越來(lái)越多，在汽車(chē)開(kāi)發(fā)后期，也會(huì)利用逆向技術(shù)進(jìn)行實(shí)物與數(shù)模的對(duì)比，便于找出質(zhì)量問(wèn)題。未來(lái)車(chē)輛三維數(shù)據(jù)采集的項(xiàng)目和方向還將持續(xù)擴(kuò)充。

1.3采集設(shè)備及原理

Maxscan為手持式三維激光掃描儀，精度最高達(dá)到0.050mm。它采用激光三角法，通過(guò)激光光源發(fā)射光線(xiàn)，以固定角度將光線(xiàn)照射到被測(cè)物體上，然后通過(guò)高精度的CCD鏡頭與光源之間的位置以及投影和反射光線(xiàn)之間的夾角。換算出被測(cè)點(diǎn)所在的位置，通過(guò)配套的Vxelements軟件構(gòu)造三角面片，輸出stl格式的數(shù)據(jù)，稱(chēng)之為點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件。

1.4預(yù)處理

三維激光掃描儀是基于反射投影原理，在車(chē)輛表面易反光或易透光部位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，會(huì)出現(xiàn)無(wú)法生成面片或出現(xiàn)干擾面片的情況，為了防止這種情況的發(fā)生，在玻璃、車(chē)燈、組合儀表、鍍鉻裝飾條等部位，采用著色滲透探傷劑一顯影劑（DPT-8）做表面均勻著色噴涂處理。

為了保證整車(chē)掃描精度，在車(chē)輛采集部位粘貼定位標(biāo)點(diǎn)，進(jìn)行坐標(biāo)系和定位系統(tǒng)的建立。粘貼定位標(biāo)點(diǎn)有以下原則可遵循：①各定位標(biāo)點(diǎn)盡量接近等邊三角形，且間距不小于20mm；②在曲率變化不大的表面上，定位標(biāo)點(diǎn)間距以100～150mm為宜；③在曲率變化較大的曲面上，適當(dāng)縮短定位標(biāo)點(diǎn)問(wèn)距；④定位標(biāo)點(diǎn)距被測(cè)表面邊緣12ram以上；⑤定位標(biāo)點(diǎn)應(yīng)粘貼牢固，若在采集過(guò)程人為或偶然因素引起了定位標(biāo)點(diǎn)發(fā)生位置變化，應(yīng)揭下此定位標(biāo)點(diǎn)，重新粘貼新的定位標(biāo)點(diǎn)。

完成定位標(biāo)點(diǎn)的粘貼后，再布置編碼點(diǎn)、標(biāo)定桿和磁力坐標(biāo)參考架，利用VXelements中的攝影幾何測(cè)量定位系統(tǒng)完成所有定位標(biāo)點(diǎn)的識(shí)別定位、定位標(biāo)點(diǎn)位置和距離的標(biāo)定、設(shè)備坐標(biāo)系的建立。最終生成一個(gè)定位點(diǎn)模型features。

為了提高整車(chē)定位精度，一臺(tái)整車(chē)一般需要進(jìn)行3次單獨(dú)定位，第1次是在車(chē)門(mén)、機(jī)罩、行李箱蓋/后背門(mén)、車(chē)門(mén)玻璃都正常關(guān)閉狀態(tài)下，進(jìn)行車(chē)輛外表面定位系統(tǒng)的建立，如圖1所示，記為featuresl；第2次是在車(chē)門(mén)、機(jī)罩、行李箱蓋/后背門(mén)最大開(kāi)啟狀態(tài)下，進(jìn)行車(chē)輛內(nèi)表面定位系統(tǒng)的建立，如圖2所示，記為features2；第3次車(chē)輛在舉升機(jī)上，進(jìn)行車(chē)輛底部定位系統(tǒng)的建立（圖），如圖3所示，記為features3；這3個(gè)feature分別表征外表面、內(nèi)表面以及車(chē)身底部，由于是分次建立，所以不在同一個(gè)坐標(biāo)下，采集的點(diǎn)云也不在同一坐標(biāo)下，須在車(chē)身粘貼一些形成特殊形狀的定位點(diǎn)，這3次定位都必須包含這些共同的定位點(diǎn)，后期在軟件中可以很便捷地找到這些共用定位點(diǎn)，利用它們對(duì)齊點(diǎn)云。

2.數(shù)據(jù)采集

掃描參數(shù)的設(shè)置包括表面分辨率、激光參數(shù)的設(shè)置，直接影響三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度和效果，也影響采集的效率。在VXelements軟件的控制面板上，可以設(shè)置表面分辨率，即采集點(diǎn)的間距，表面分辨率值設(shè)定的越低，采集點(diǎn)的間距越小，構(gòu)建的三角面片就越多，更精細(xì)，但采集速度會(huì)變慢，即采集時(shí)間、生成面片數(shù)與分辨率呈反比。出于對(duì)采集精度和采集時(shí)間的平衡考慮，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的摸索，一般在采集汽車(chē)外型面數(shù)據(jù)時(shí)，采用1.0mm-1.5mm的分辨率，坐標(biāo)特征建立元素采用0.5mm的分辨率，其他數(shù)據(jù)采集用1.6mm～2.0mm的分辨率。

依次打開(kāi)定位點(diǎn)模型featuresl、features2、features3后，分別掃描外表面、內(nèi)表面以及車(chē)身底部，進(jìn)行三維數(shù)據(jù)的采集。

對(duì)于有不同空間位置的活動(dòng)件，一般可采取兩種方法進(jìn)行掃描：第一種為完整掃描法，第二種為特征法。第一種方法適用于活動(dòng)件較小的情況，例如踏板、換擋桿等，視部件的大小粘貼定位點(diǎn)，相對(duì)較小的部件不粘貼定位點(diǎn)，直接通過(guò)其他固定不動(dòng)的定位點(diǎn)來(lái)進(jìn)行定位掃描，相對(duì)較大的部件需要粘貼定位點(diǎn)，每次需要掃描前需從其他定位點(diǎn)過(guò)渡，識(shí)別當(dāng)前位置部件上的定位點(diǎn)，在掃描下一個(gè)位置時(shí)需要重新過(guò)渡，并且需要?jiǎng)h除前一次的定位點(diǎn)。

第二種適用于活動(dòng)件較大的情況，例如車(chē)門(mén)、機(jī)罩、行李箱蓋/后背門(mén)，如果將不同位置的車(chē)門(mén)做完整掃描，會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間。以車(chē)門(mén)為例，一般只在關(guān)閉位置下做完整的掃描，各開(kāi)啟位置只做特征的掃描，如圖6所示，將完整的車(chē)門(mén)點(diǎn)云通過(guò)特征對(duì)齊到各個(gè)狀態(tài)下即可得到各開(kāi)啟位置完整的點(diǎn)云，如圖7所示，這種方法節(jié)省了時(shí)問(wèn)，并且數(shù)據(jù)的一致性好。

3.數(shù)據(jù)處理

激光三維掃描測(cè)量設(shè)備是靠被測(cè)物體表面對(duì)光的反射接收數(shù)據(jù)的，易受環(huán)境光線(xiàn)及雜散光影響，故測(cè)量噪點(diǎn)會(huì)較多；由于部件表面的曲率不一樣，采集軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算采集點(diǎn)的密度，即點(diǎn)云是不均勻的，有的區(qū)域密，有的區(qū)域疏，這些都會(huì)加大后續(xù)數(shù)據(jù)處理軟件的運(yùn)算量；同時(shí)，由于采集的原始點(diǎn)云文件是在3個(gè)不同的坐標(biāo)系，故在數(shù)據(jù)采集完成后，還需對(duì)點(diǎn)云文件進(jìn)行對(duì)齊。

第一步，可將采集的整車(chē)內(nèi)外部三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)人Geomagic Studio中，主要進(jìn)行修補(bǔ)、特征加強(qiáng)等處理，目的是提高點(diǎn)云文件的光順質(zhì)量、特征結(jié)構(gòu)、文件大小的合理性。該軟件主要包括Capture、Wrap、Shape、Fashion四個(gè)通用模塊。打開(kāi)或?qū)诵杼幚淼狞c(diǎn)云數(shù)據(jù)文件，通過(guò)點(diǎn)階段（Capture模塊）操作進(jìn)行點(diǎn)云拼接、數(shù)據(jù)清理、噪音減少、采樣和三角網(wǎng)格化，經(jīng)過(guò)封裝就自動(dòng)進(jìn)入多邊形階段；在多邊形階段（Wrap模塊）進(jìn)行孔填充、特征處理、修復(fù)三角形、修復(fù)邊界、簡(jiǎn)化三角形處理。

第二步，針對(duì)在featuresl、features2、features3三個(gè)定位系統(tǒng)下掃描的點(diǎn)云，通過(guò)共同的定位點(diǎn)進(jìn)行對(duì)齊合并，使它們都位于featuresl的坐標(biāo)系下，如圖8，9所示：

第三步，建立汽車(chē)整車(chē)坐標(biāo)系，由于汽車(chē)的制造誤差以及掃描過(guò)程中的誤差，導(dǎo)致整車(chē)點(diǎn)云不可能與汽車(chē)設(shè)計(jì)時(shí)數(shù)模完全一致，即Y向不可能完全對(duì)稱(chēng)。為了盡量接近設(shè)計(jì)時(shí)的狀態(tài)，在確定YO面時(shí)，一般選取自車(chē)身上相對(duì)不動(dòng)的部件作為對(duì)稱(chēng)特征，如車(chē)門(mén)鎖扣的對(duì)稱(chēng)安裝點(diǎn)，門(mén)檻梁上的對(duì)稱(chēng)孔位、車(chē)身底部縱梁上的對(duì)稱(chēng)孑L位，在車(chē)輛的前、中、后三個(gè)區(qū)域選擇6～8組左右的對(duì)稱(chēng)特征，作6～8個(gè)對(duì)稱(chēng)中心點(diǎn)，通過(guò)CATIA中的“平均通過(guò)點(diǎn)”命令作Y0面，初步確定Y0面后，將整車(chē)點(diǎn)云沿Y0面切割成左側(cè)點(diǎn)云、右側(cè)點(diǎn)云兩部分，將左側(cè)點(diǎn)云沿Y0面鏡像到右側(cè)，和原采集的右側(cè)點(diǎn)云進(jìn)行偏差對(duì)比，偏差在1mm以?xún)?nèi)，視為合格；如偏差大于1mm，則繼續(xù)調(diào)整YO面，直至偏差在1mm以?xún)?nèi)。z面是將車(chē)體（白車(chē)身）放平的平面，一般選取白車(chē)身門(mén)檻平面，取之與Y0面的交線(xiàn)，將Y0面繞交線(xiàn)旋轉(zhuǎn)90°即為z面。坐標(biāo)系原點(diǎn)一般選取設(shè)計(jì)狀態(tài)下前輪輪心連線(xiàn)與YO面的交點(diǎn)。建立汽車(chē)整車(chē)坐標(biāo)系后，運(yùn)用軸系轉(zhuǎn)換，將整車(chē)點(diǎn)云調(diào)整至該坐標(biāo)系下。

4.應(yīng)用場(chǎng)景

在CATIA軟件內(nèi)利用DSE、QSR、GSD等逆向模塊進(jìn)行點(diǎn)、線(xiàn)、面捕捉和曲面重構(gòu)、封閉等數(shù)據(jù)處理操作，根據(jù)SAE、GB等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)完成例如整車(chē)尺寸、人體布置、操作方便性、乘坐空間、儲(chǔ)物空間、上下車(chē)方便性、視野等分析，如圖10和圖11所示：

在所有相關(guān)的分析中，人體布置的流程是最復(fù)雜的，其中關(guān)鍵步驟是確定駕駛員的R點(diǎn)。在點(diǎn)云采集時(shí)，駕駛員座椅的6個(gè)不同位置都進(jìn)行三維H點(diǎn)裝置的掃描，分別是座椅最后最下位置、最后最上位置、最前最下位置、最前最上位置以及2個(gè)中問(wèn)位置，其中座椅在最前最上位置時(shí)，受空間限制，在大部分的車(chē)上95百分位的三維H點(diǎn)裝置是無(wú)法完全放入的，此位置的H點(diǎn)只供參考，H點(diǎn)行程軌跡通過(guò)其他位置H點(diǎn)位置及理論的平行關(guān)系來(lái)確定，如圖12所示。

參照SAE標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)H點(diǎn)的軌跡行程，首先確定R點(diǎn)的高度線(xiàn)，如果上下行程小于40mm，R點(diǎn)高度線(xiàn)在H點(diǎn)軌跡的中間高度，如果上下行程大于40 mm，R點(diǎn)高度線(xiàn)在最下H點(diǎn)軌跡向上20ram；接著運(yùn)用95百分位假人2D模型，約束腳角為87。，根據(jù)加速踏板平面、壓縮地毯平面確定AHP（加速踏板踵點(diǎn)）和BOFRP（跖球參考點(diǎn)），根據(jù)X95與H30的函數(shù)關(guān)系（X95=913.7+0.6723 16xH30-0.00195530xH30）得到曲線(xiàn)，與R點(diǎn)高度線(xiàn)的交點(diǎn)即為R點(diǎn)，如圖12所示，其中X95是BOFRP與R點(diǎn)的x向距離，H30是AHP與R點(diǎn)的z向距離。

5.結(jié)語(yǔ)

講述了利用三維激光掃描設(shè)備采集汽車(chē)三維數(shù)據(jù)的方法，包括采集項(xiàng)目、采集前預(yù)處理及采集過(guò)程，并研究逆向工程軟件處理分析點(diǎn)云數(shù)據(jù)的方法。通過(guò)構(gòu)建整車(chē)坐標(biāo)系、獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)上的特征元素，可以進(jìn)行整車(chē)尺寸、人體布置、操作方便性、乘坐空間、儲(chǔ)物空間、上下車(chē)方便性、視野等數(shù)據(jù)分析，為汽車(chē)開(kāi)發(fā)和汽車(chē)分析提供數(shù)據(jù)支持及參考。未來(lái)隨著逆向工程技術(shù)的進(jìn)步，會(huì)在汽車(chē)領(lǐng)域的其他方面廣泛運(yùn)用。