基于ATOS數據采集、處理分析確認座椅基準點

張營 朱松

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

關鍵詞：三維光學掃描測量系統 點云數據 計算機輔助分析

1 前言

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

2 座椅基準點確定工作流程

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 數據采集儀器設備以及車輛清洗準備;

2.2 采用Tritop數字式攝影測量系統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數據;

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

2.4 通過三維結構設計軟件進行坐標轉換，確定整車基準坐標系，隨后采集整車內飾、玻璃黑邊、座椅人機狀態等點云數據;

2.5 對采集的三維數據進行預處理，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，結合法規標準等進行校核，得出座椅基準點，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。

3 三維結構點云數據采集

3.1 三維光學掃描測量系統

該測量系統主要由整車Tritop數字式攝影測量系統和三維掃描測量儀系統兩部分構成。

首先，Tritop數字式攝影測量系統是一種高性能數字式攝影測繪測量、檢驗測試物體準確的空間坐標值及尺寸測量系統。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值。將所有拍攝的照片導入設備軟件，通過軟件計算能夠自動、準確的測量和記錄標記點（參考點、編碼點等）空間相對坐標值，從而得到了在同一參考坐標系下被測物體表面參考點的空間坐標[3]，Tritop數字式攝影測量見圖2。

其次，三維掃描測量儀系統由左右兩個高分辨率的工業級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構光到待測物體上，成一定夾角的兩個CCD相機同步采集相應的圖像，然后對圖像進行解碼和相位計算，并利用匹配技術、三角形測量原理，計算出兩個CCD相機公共視區內像素點的空間三維坐標值。由于各參考點空間位置已定，掃描測量儀根據這些參考點，為所掃描到的點云進行定位，實現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據拼接偏差問題，減少了冗余、重復數據，保證整體測量精度更高[6]，見圖3。

3.2 三維點云數據采集、處理分析

（1）首先標記風窗玻璃黑邊，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5個編碼參考點，且連續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入軟件中，通過軟件計算自動將所有參考點位置準確定位，形成整車外表面三維空間點集;

（2）ATOS掃描儀通過18步校準法來校驗設備的掃描精度，隨后將獲取的整車外表面的三維空間點集導入掃描儀軟件中，在其基礎上系統能精確的自動將單幅掃描拼接到統一坐標系中。完成外表面、玻璃黑邊點云數據采集、預處理、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。將主駕座椅調至最后最下位置（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中心點X向偏差≤5mm）。加載HPM-Ⅱ時應松開軀干鉸接機構，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（H30值），來確定座椅靠背角度。

根據整車主駕座椅配置的不同，得出主駕座椅數據采集狀態如表2：

總布置人機數據采集完成，將座椅調為最后最下狀態，并保持靠背角度不變，通過三維光學掃描測量系統來采集內飾點云數據并處理分析。至此，所有涉及確定座椅基準點的基礎三維點云數據采集完成。

3.3 計算機輔助分析確定座椅基準點

計算機輔助數據處理分析主要是依據已采集的三維點云數據，同時參照相關標準，借助三維軟件的處理分析對整車坐標系進行確定，保證數據基準一致，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，依據坐標轉換原理，限制六向自由度來確定整車基準坐標系（以汽車縱向對稱平面為Y基準平面，通過前輪中心且垂直于Y平面作為X基準平面，通過前輪中心且垂直于X和Y基準平面的水平面為Z基準平面），保證所有車型坐標系基準一致;

（2）在已確定的基準坐標系下調入座椅人機多狀態點云，根據三維軟件得出各狀態人機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）。結合座椅處在最后最下位置時人機擺放點云狀態，以及H點Z向調節線（>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向調節平分線）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向偏移調節線交點來設定座椅基準點，根據視野相關法規等標準、設定座椅基準點、靠背角等繪圖得出駕駛員眼睛位置V1、V2，通過V1、V2點做直線分別與風窗玻璃黑邊點云相交，得出風窗玻璃基準點a，b，c，該基準點都需在風窗玻璃透明區內，根據該要求對座椅基準點逐步修正，以滿足法規標準要求。此時得到逆向工程中確定的座椅基準點，通過該R點，來分析校核競品車人機工程參數[2]。

4 結論

綜上所述，目前逆向工程中座椅基準點的確定主要是借助三維光學掃描測量系統對點云數據的采集、處理分析，同時結合計算機輔助數據處理分析及參照相關標準法規等方式得出。通過該方式方法，為競品車逆向工程中座椅基準點的確定提供了一種規范及標準的工作流程。同時也可以保證競品車數據采集、處理分析的規范化、一致性，確保人機工程分析輸出參數的基準一致，完善對標車型之間總布置數據的橫向對比性，為企業逆向對標、正向設計提供技術支持。

參考文獻：

[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 大型復雜零件的三維掃描測量精度研究[D].沈陽工業大學，2017.

[4]李江兵 R點在整車設計中的確立過程詳析[J].南方農機，2015.8.

[5]王麗輝 三維點云數據處理的技術研究[D].背景交通大學，2011.

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