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基于逆向工程的汽车三维数据采集、处理方法及应用

2017-06-08154作者：启飞汽车设计

摘要：使用三维扫描技术进行汽车三维数据的采集，利用Geomagic Studio、CATIA等计算机辅助软件对点云进行处理分析，可以获取整车内外型面、总布置尺寸、人机布置参数等数据，能为汽车开发和汽车分析提供数据支持及参考。

　　关键词：汽车；三维数据；点云；数据采集；数据处理
　　引言
　　汽车整车开发过程中，在定义整车内外部造型、总布置尺寸、人机布置参数等数据时，或在分析自身与竞争产品之间的优劣性时，通常需要大量的竞争产品数据来做支撑。经过多年的研究和实践，采用逆向工程技术进行三维数据采集，并通过计算机辅助工具进行处理与分析，是获取这些数据的最佳方法。采用这种方法得到的数据三维可视化程度高，便于做各类定量分析，且分析结果较其他方法准确，通过数据积累与分析反过来也能优化定义。近几年随着逆向工程技术软、硬件的发展，数据采集的速度与质量、数据处理的效率都有了大幅度的提升，逆向技术不仅在曲面重构等设计方面，在结构分析、参数计算等质量改进方面都有应用，进一步满足了汽车开发领域的需求。
　　本文结合MAXscan扫描仪和Geomagic Studio、CATIA数据处理软件，在整车非拆解状态下进行汽车三维数据采集、处理分析方法的研究。
　　1.采集项目与方法
　　1.1车辆状态
　　逆向工程，也称反求工程，目的是还原初始状态。汽车由于其特性，有多种状态和使用工况。在数据采集之前，根据需求工况，对车辆状态进行适当调整。一般将车辆停放至平整的水平地面或平台上，调整到整备质量状态，并将轮胎气压按照气压标识调整至规定值，保证车辆状态接近厂家定义，便于做数据对比分析。将位置可调的座椅调整至规定位置：如能获得厂家定义的座椅设计基准点，则将座椅调整至设计R点位置；如不能获得则调整至最后最下位置。座椅靠背角度通过安放三维H点装置调整，其中轿车为25°，SUV和MPV为22°，非连续可调的座椅靠背初始角度为其最后位置。
　　1.2采集项目
　　通过多年的实践，在汽车开发过程中，对汽车三维数据需求项目主要有车身外表面、内部非运动件、内部运动件、三维H点装置、四门两盖开启件、车辆底部、储物空间、整车姿态、坐标系特征元素等。
　　车身外表面数据用于造型A面、造型特征元素分析，也用于整车外部尺寸分析；内部非运动件主要有仪表板、副仪表板、护板、顶棚、地毯等，用于内型面分析，结合三维H点装置用于内部乘坐空间、人机尺寸、部件布置分析；内部运动件包括座椅、方向盘、踏板、换挡操作手柄、驻车制动手柄、空调出风口、遮陽板等，结合三维H点装置用于人机布置参数、操作方便性分析；三维H点装置采集躯干、大腿、小腿、踵点、H点位置等数据，是做人机相关分析的依据；四门两盖采集各开启角度的特征元素，用于分析开启角度和确定车门开启的旋转轴心；储物空间采集乘客舱和行李舱储物空间的三维几何曲面，用于做储物容积及存取方便性分析；整车姿态采集三种载荷状态，即整备质量、设计质量、满载质量下轮胎及地面相对车身的数据，用于确定地面线、轮心轮眉高度及接近角、离去角等，做整车尺寸和姿态分析；坐标系特征元素用于确定基准平面、建立整车坐标系，是进行所有数据分析的基础。
　　随着汽车开发过程中的分工、指标细化，汽车三维数据采集项目会越来越多，在汽车开发后期，也会利用逆向技术进行实物与数模的对比，便于找出质量问题。未来车辆三维数据采集的项目和方向还将持续扩充。
　　1.3采集设备及原理
　　Maxscan为手持式三维激光扫描仪，精度最高达到0.050mm。它采用激光三角法，通过激光光源发射光线，以固定角度将光线照射到被测物体上，然后通过高精度的CCD镜头与光源之间的位置以及投影和反射光线之间的夹角。换算出被测点所在的位置，通过配套的Vxelements软件构造三角面片，输出stl格式的数据，称之为点云数据文件。
　　1.4预处理
　　三维激光扫描仪是基于反射投影原理，在车辆表面易反光或易透光部位进行数据采集时，会出现无法生成面片或出现干扰面片的情况，为了防止这种情况的发生，在玻璃、车灯、组合仪表、镀铬装饰条等部位，采用着色渗透探伤剂一显影剂（DPT-8）做表面均匀着色喷涂处理。
　　为了保证整车扫描精度，在车辆采集部位粘贴定位标点，进行坐标系和定位系统的建立。粘贴定位标点有以下原则可遵循：①各定位标点尽量接近等边三角形，且间距不小于20mm；②在曲率变化不大的表面上，定位标点间距以100～150mm为宜；③在曲率变化较大的曲面上，适当缩短定位标点问距；④定位标点距被测表面边缘12ram以上；⑤定位标点应粘贴牢固，若在采集过程人为或偶然因素引起了定位标点发生位置变化，应揭下此定位标点，重新粘贴新的定位标点。
　　完成定位标点的粘贴后，再布置编码点、标定杆和磁力坐标参考架，利用VXelements中的摄影几何测量定位系统完成所有定位标点的识别定位、定位标点位置和距离的标定、设备坐标系的建立。最终生成一个定位点模型features。
　　为了提高整车定位精度，一台整车一般需要进行3次单独定位，第1次是在车门、机罩、行李箱盖/后背门、车门玻璃都正常关闭状态下，进行车辆外表面定位系统的建立，如图1所示，记为featuresl；第2次是在车门、机罩、行李箱盖/后背门最大开启状态下，进行车辆内表面定位系统的建立，如图2所示，记为features2；第3次车辆在举升机上，进行车辆底部定位系统的建立（图），如图3所示，记为features3；这3个feature分别表征外表面、内表面以及车身底部，由于是分次建立，所以不在同一个坐标下，采集的点云也不在同一坐标下，须在车身粘贴一些形成特殊形状的定位点，这3次定位都必须包含这些共同的定位点，后期在软件中可以很便捷地找到这些共用定位点，利用它们对齐点云。
2.数据采集
　　扫描参数的设置包括表面分辨率、激光参数的设置，直接影响三维点云数据的精度和效果，也影响采集的效率。在VXelements软件的控制面板上，可以设置表面分辨率，即采集点的间距，表面分辨率值设定的越低，采集点的间距越小，构建的三角面片就越多，更精细，但采集速度会变慢，即采集时间、生成面片数与分辨率呈反比。出于对采集精度和采集时间的平衡考虑，经过长时间的摸索，一般在采集汽车外型面数据时，采用1.0mm-1.5mm的分辨率，坐標特征建立元素采用0.5mm的分辨率，其他数据采集用1.6mm～2.0mm的分辨率。
　　依次打开定位点模型featuresl、features2、features3后，分别扫描外表面、内表面以及车身底部，进行三维数据的采集。
　　对于有不同空间位置的活动件，一般可采取两种方法进行扫描：第一种为完整扫描法，第二种为特征法。第一种方法适用于活动件较小的情况，例如踏板、换挡杆等，视部件的大小粘贴定位点，相对较小的部件不粘贴定位点，直接通过其他固定不动的定位点来进行定位扫描，相对较大的部件需要粘贴定位点，每次需要扫描前需从其他定位点过渡，识别当前位置部件上的定位点，在扫描下一个位置时需要重新过渡，并且需要删除前一次的定位点。
　　第二种适用于活动件较大的情况，例如车门、机罩、行李箱盖/后背门，如果将不同位置的车门做完整扫描，会耗费大量的时间。以车门为例，一般只在关闭位置下做完整的扫描，各开启位置只做特征的扫描，如图6所示，将完整的车门点云通过特征对齐到各个状态下即可得到各开启位置完整的点云，如图7所示，这种方法节省了时问，并且数据的一致性好。
　　3.数据处理
　　激光三维扫描测量设备是靠被测物体表面对光的反射接收数据的，易受环境光线及杂散光影响，故测量噪点会较多；由于部件表面的曲率不一样，采集软件会自动计算采集点的密度，即点云是不均匀的，有的区域密，有的区域疏，这些都会加大后续数据处理软件的运算量；同时，由于采集的原始点云文件是在3个不同的坐标系，故在数据采集完成后，还需对点云文件进行对齐。
　　第一步，可将采集的整车内外部三维点云数据导人Geomagic Studio中，主要进行修补、特征加强等处理，目的是提高点云文件的光顺质量、特征结构、文件大小的合理性。该软件主要包括Capture、Wrap、Shape、Fashion四个通用模块。打开或导人需处理的点云数据文件，通过点阶段（Capture模块）操作进行点云拼接、数据清理、噪音减少、采样和三角网格化，经过封装就自动进入多边形阶段；在多边形阶段（Wrap模块）进行孔填充、特征处理、修复三角形、修复边界、简化三角形处理。
　　第二步，针对在featuresl、features2、features3三个定位系统下扫描的点云，通过共同的定位点进行对齐合并，使它们都位于featuresl的坐标系下，如图8，9所示：
　　第三步，建立汽车整车坐标系，由于汽车的制造误差以及扫描过程中的误差，导致整车点云不可能与汽车设计时数模完全一致，即Y向不可能完全对称。为了尽量接近设计时的状态，在确定YO面时，一般选取自车身上相对不动的部件作为对称特征，如车门锁扣的对称安装点，门槛梁上的对称孔位、车身底部纵梁上的对称孑L位，在车辆的前、中、后三个区域选择6～8组左右的对称特征，作6～8个对称中心点，通过CATIA中的“平均通过点”命令作Y0面，初步确定Y0面后，将整车点云沿Y0面切割成左侧点云、右侧点云两部分，将左侧点云沿Y0面镜像到右侧，和原采集的右侧点云进行偏差对比，偏差在1mm以内，视为合格；如偏差大于1mm，则继续调整YO面，直至偏差在1mm以内。z面是将车体（白车身）放平的平面，一般选取白车身门槛平面，取之与Y0面的交线，将Y0面绕交线旋转90°即为z面。坐标系原点一般选取设计状态下前轮轮心连线与YO面的交点。建立汽车整车坐标系后，运用轴系转换，将整车点云调整至该坐标系下。
　　4.应用场景
　　在CATIA软件内利用DSE、QSR、GSD等逆向模块进行点、线、面捕捉和曲面重构、封闭等数据处理操作，根据SAE、GB等相关标准完成例如整车尺寸、人体布置、操作方便性、乘坐空间、储物空间、上下车方便性、视野等分析，如图10和图11所示：
　　在所有相关的分析中，人体布置的流程是最复杂的，其中关键步骤是确定驾驶员的R点。在点云采集时，驾驶员座椅的6个不同位置都进行三维H点装置的扫描，分别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个中问位置，其中座椅在最前最上位置时，受空间限制，在大部分的车上95百分位的三维H点装置是无法完全放入的，此位置的H点只供参考，H点行程轨迹通过其他位置H点位置及理论的平行关系来确定，如图12所示。
　　参照SAE标准，通过H点的轨迹行程，首先确定R点的高度线，如果上下行程小于40mm，R点高度线在H点轨迹的中间高度，如果上下行程大于40 mm，R点高度线在最下H点轨迹向上20ram；接着运用95百分位假人2D模型，约束脚角为87。，根据加速踏板平面、压缩地毯平面确定AHP（加速踏板踵点）和BOFRP（跖球参考点），根据X95与H30的函数关系（X95=913.7+0.6723 16xH30-0.00195530xH30）得到曲线，与R点高度线的交点即为R点，如图12所示，其中X95是BOFRP与R点的x向距离，H30是AHP与R点的z向距离。
　　5.结语
　　讲述了利用三维激光扫描设备采集汽车三维数据的方法，包括采集项目、采集前预处理及采集过程，并研究逆向工程软件处理分析点云数据的方法。通过构建整车坐标系、获取点云数据上的特征元素，可以进行整车尺寸、人体布置、操作方便性、乘坐空间、储物空间、上下车方便性、视野等数据分析，为汽车开发和汽车分析提供数据支持及参考。未来随着逆向工程技术的进步，会在汽车领域的其他方面广泛运用。

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