基于ATOS数据采集、处理分析确认座椅基准点

张营 朱松

摘 要：整车座椅基准点（R点）是汽车人机工程中涉及人体乘坐姿态、舒适性、操纵性、视野等方面的主要基准点。R点选取的准确与否，直接影响消费者对整车主观品质的第一感受，很大程度上决定着一辆车的设计开发成功与否及其产销量的状况。文章基于三维光学扫描测量系统、SAE HPM II二代假人等设备对整车、人机等进行三维结构点云数据采集、处理分析。同时结合计算机后期的辅助处理分析，总结出竞品车逆向工程中座椅基准点的一种确定方法，为后期的整车总布置正向人机工程设计提供技术参数对标支撑。

关键词：三维光学扫描测量系统 点云数据 计算机辅助分析

1 前言

竞品逆向对标技术已经完全应用于汽车研发领域，但在逆向对标过程中首先要获取的是对标车型的设计R点、因为设计R点是贯串于整车人机工程设计过程中重要的设计基准元素，R点位置决定了整车内部空间尺寸、人体乘坐姿态、舒适性、操纵性、视野等方面[4]。目前国内各大主机厂在竞品车人机工程中确定座椅基准点的过程中，主要面临的问题是数据处理分析方法的多样化，很多是根据设计人员各自的经验方法进行分析。然而设计工程师个人主观经验较强，缺乏数据采集、处理分析的规范化和一致性，使分析结果产生一定的偏差，从一定程度上影响后期的正向开发。基于这一欠缺面，本文描述了借助ATOS扫描仪、SAE HPM II二代假人等设备，通过计算机辅助处理分析总结出竞品车逆向工程中座椅基准点的确定方法。

2 座椅基准点确定工作流程

为保证竞品车逆向工程中R点确定方法的规范化与一致性，其方法工作流程见图1。

竞品车逆向工程中R点的确定具体步骤参考如下：

2.1 数据采集仪器设备以及车辆清洗准备;

2.2 采用Tritop数字式摄影测量系统对外表面进行全局定位摄影测量，得到整车外表面三维空间坐标数据;

2.3 将参考点的三维空间点集，输出到扫描仪，通过光学拍照定位技术和光栅测量原理进行外表面三维点云数据采集，得到整车外表面点云数据;

2.4 通过三维结构设计软件进行坐标转换，确定整车基准坐标系，随后采集整车内饰、玻璃黑边、座椅人机状态等点云数据;

2.5 对采集的三维数据进行预处理，主要包含点云的去噪空洞修补、光顺和过滤等处理;

2.6 借助计算机辅助处理分析，结合法规标准等进行校核，得出座椅基准点，通过该点对总布置进行各方面校核，得出竞品车总布置各项参数。

3 三维结构点云数据采集

3.1 三维光学扫描测量系统

该测量系统主要由整车Tritop数字式摄影测量系统和三维扫描测量仪系统两部分构成。

首先，Tritop数字式摄影测量系统是一种高性能数字式摄影测绘测量、检验测试物体准确的空间坐标值及尺寸测量系统。其主要是为避免后期扫描仪在扫描过程中点云拼合误差的迭代积累，提供测量物体的空间三维坐标值。将所有拍摄的照片导入设备软件，通过软件计算能够自动、准确的测量和记录标记点（参考点、编码点等）空间相对坐标值，从而得到了在同一参考坐标系下被测物体表面参考点的空间坐标[3]，Tritop数字式摄影测量见图2。

其次，三维扫描测量仪系统由左右两个高分辨率的工业级CCD相机、光栅投影单元、图像采集卡、工作站计算机等组成。在扫描时光栅投影装置投影多幅特定编码的结构光到待测物体上，成一定夹角的两个CCD相机同步采集相应的图像，然后对图像进行解码和相位计算，并利用匹配技术、三角形测量原理，计算出两个CCD相机公共视区内像素点的空间三维坐标值。由于各参考点空间位置已定，扫描测量仪根据这些参考点，为所扫描到的点云进行定位，实现前后两次扫描点云的自动拼接，也可随意移动扫描测量仪到被测物体的任何带有之前已定位参考点的位置做高速扫描，避免被扫描物体点云数据拼接偏差问题，减少了冗余、重复数据，保证整体测量精度更高[6]，见图3。

3.2 三维点云数据采集、处理分析

（1）首先標记风窗玻璃黑边，喷涂显影剂，覆盖整车可透光及高反光部件，粘贴参考点，均匀分布编码点（十字叉编码点）、摆好比例尺1、比例尺2。利用特定照相机通过四幅拍照法（上下左右）完成比例尺1的采集，然后遵循上中下连续对整车外表面进行拍照。在拍照过程中，每幅照片至少要出现5个编码参考点，且连续两张照片中有不少于3个共同的编码参考点，然后将所有拍摄照片导入软件中，通过软件计算自动将所有参考点位置准确定位，形成整车外表面三维空间点集;

（2）ATOS扫描仪通过18步校准法来校验设备的扫描精度，随后将获取的整车外表面的三维空间点集导入扫描仪软件中，在其基础上系统能精确的自动将单幅扫描拼接到统一坐标系中。完成外表面、玻璃黑边点云数据采集、预处理、光顺等[5];

（3）人机摆放前，利用激光水平仪保证车辆底盘处于水平状态。将主驾座椅调至最后最下位置（座垫最下），将三维H点装置（HPM-Ⅱ）的座板至于座椅上，推至最后位置，左右移动调整直至气泡水平仪的气泡居中（确保人机腰托轴线左右两侧中心点X向偏差≤5mm）。加载HPM-Ⅱ时应松开躯干铰接机构，从H点向外和向上加载配重块，防止HPM-Ⅱ倾倒、脱离座椅。使HPM-Ⅱ在加载过程中与座椅完全紧密接触，在加载过程中要检查HPM-Ⅱ是否水平，加载重块的次序如表1：

在踏板不被压下的前提下，依次摆放HPM-Ⅱ的腿部和鞋具，将水平激光线打在H点装置坐垫轴的一端，将钢板尺竖直置于H点装置鞋具踵点旁地毯上，通过水平激光线在钢板尺上面读数（H30值），来确定座椅靠背角度。

根据整车主驾座椅配置的不同，得出主驾座椅数据采集状态如表2：

总布置人机数据采集完成，将座椅调为最后最下状态，并保持靠背角度不变，通过三维光学扫描测量系统来采集内饰点云数据并处理分析。至此，所有涉及确定座椅基准点的基础三维点云数据采集完成。

3.3 计算机辅助分析确定座椅基准点

计算机辅助数据处理分析主要是依据已采集的三维点云数据，同时参照相关标准，借助三维软件的处理分析对整车坐标系进行确定，保证数据基准一致，见图4。

（1）通过计算机三维软件对已采集的外表面点云进行分析，依据坐标转换原理，限制六向自由度来确定整车基准坐标系（以汽车纵向对称平面为Y基准平面，通过前轮中心且垂直于Y平面作为X基准平面，通过前轮中心且垂直于X和Y基准平面的水平面为Z基准平面），保证所有车型坐标系基准一致;

（2）在已确定的基准坐标系下调入座椅人机多状态点云，根据三维软件得出各状态人机H点位置（均投影到三维H点装置躯干线所在平面上），通过各H点间连接，获得座椅运动轨迹曲线（H点行程）。结合座椅处在最后最下位置时人机摆放点云状态，以及H点Z向调节线（>40mm时，取H点行程路径最低轨迹线Z向向上偏移20mm线;≤40mm时，取Z向调节平分线）来初步确定2D人体模型摆放，即初定R点位置[1];

（3）根据初步的2D人体模型中的踏点（PRP）、踵点（AHP）、初定R点，输出座椅适宜线，其中取95%座椅适宜线与H点Z向偏移调节线交点来设定座椅基准点，根据视野相关法规等标准、设定座椅基准点、靠背角等绘图得出驾驶员眼睛位置V1、V2，通过V1、V2点做直线分别与风窗玻璃黑边点云相交，得出风窗玻璃基准点a，b，c，该基准点都需在风窗玻璃透明区内，根据该要求对座椅基准点逐步修正，以满足法规标准要求。此时得到逆向工程中确定的座椅基准点，通过该R点，来分析校核竞品车人机工程参数[2]。

4 结论

综上所述，目前逆向工程中座椅基准点的确定主要是借助三维光学扫描测量系统对点云数据的采集、处理分析，同时结合计算机辅助数据处理分析及参照相关标准法规等方式得出。通过该方式方法，为竞品车逆向工程中座椅基准点的确定提供了一种规范及标准的工作流程。同时也可以保证竞品车数据采集、處理分析的规范化、一致性，确保人机工程分析输出参数的基准一致，完善对标车型之间总布置数据的横向对比性，为企业逆向对标、正向设计提供技术支持。

参考文献：

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

[2]GB 11562-2014 汽车驾驶员前方视野要求及测量方法.

[3]韩雨萌 大型复杂零件的三维扫描测量精度研究[D].沈阳工业大学，2017.

[4]李江兵 R点在整车设计中的确立过程详析[J].南方农机，2015.8.

[5]王丽辉 三维点云数据处理的技术研究[D].背景交通大学，2011.

[6]张德海，李艳芹，谢贵重，等 三维光学扫描技术逆向工程应用研究[J].应用光学，2015，36（4）：519-525.