汽車碰撞試驗測量系統中定標墻的校準方法研究

陸佳艷，許靜，瞿劍蘇，曹鐵澤，甘曉川

(1.中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095;2.一汽-大眾汽車有限公司，吉林長春130011)

0 引言

隨著汽車的不斷普及，人們對汽車安全性能的要求越來越高。汽車碰撞試驗是用于綜合評價汽車碰撞安全性能的最基本、最有效的方法［1-2］，是汽車制造商用于分析碰撞前后試驗車變形及損傷情況的主要依據，以此改善車輛的安全性能，提高交通安全。

中國新車評價規程(C-NCAP)中關于碰撞試驗的規定主要有正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗、正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗、可變形移動壁障側面碰撞試驗等，通過測定車輛各種可能發生碰撞情況下被撞擊部位的結構和形變狀況［3］，給出碰撞前后車體的變形量，并根據變形量的大小判斷車體的剛性是否滿足安全要求。

碰撞車輛變形測量分析系統(DMAS)是用于測量和分析車輛在碰撞試驗后車體形變和部件受損狀況的裝置，其測量標準是布設在定標墻上的固定標識點，這些點的空間坐標需要預先標定。為了解決標識點的標定問題，本文提出了一種基于攝影測量原理的校準方法，利用攝影測量系統與標準尺，通過合理布局實現定標墻的高精度校準，保證汽車碰撞試驗數據準確可靠，為汽車的設計、制造提供可靠的依據，達到進一步提高汽車安全性能的目的。

1 DMAS 中的定標墻

常用的汽車碰撞變形測量技術有固定式三坐標測量技術、關節臂測量技術和DMAS 等。其中固定式三坐標測量技術測量精度較高，但測量成本也比較高;關節臂測量技術由于測量臂形狀受限，多數測量需要通過轉站來完成，測量效率比較低。

DMAS 由定標墻、移動探針和數據處理系統組成，見圖1。該測量系統的優勢在于測量范圍不受限制;用于測量的移動探針只有小型吹風機大小，可以自由地測量車輛的任意部位，目前在各大主要汽車制造企業都得到了廣泛的應用。測量過程中，試驗車輛穩定停放于定標墻空間范圍內，當移動探針接觸到被測試驗車時，探針上的CCD 數碼相機將拍攝到定標墻上當前位置的圖片，通過該圖片里包含的編碼點和標識點數據信息經數據處理系統計算后獲得試驗車上當前探針的坐標，重復該過程最后獲得整車及零部件的所有數據，經數據處理系統圖形化顯示車輛整車和關鍵部位的形狀變化。

圖1 汽車碰撞試驗測量系統

定標墻是DMAS 中的重要組成部分，由10 萬多個編碼點和標識點組成，見圖2。其中，白點是編碼點，用于定標墻的區域識別;黑點是標識點，為計算探針當前位置提供標準值。編碼點和標識點按照均勻交替的分布規律進行設置，組成DMAS 的測量空間基準網，測量基準通過定標墻上已知標識點的空間坐標來復現。所以對于定標墻上標識點位置的校準是保證測量過程數據正確性的重要方面，是正確獲取試驗車碰撞形變的實驗數據和分布的重要保障。

圖2 定標墻編碼點和標識點布局規律

2 DMAS 中定標墻的校準方法

定標墻的空間范圍一般在8 m×10 m×10 m，是一個大尺寸空間測量網絡。組成定標墻的3 面墻體上布設有5 萬多個需要準確測量的標識點，汽車碰撞試驗的誤差要求不大于1 mm，對標識點的空間坐標誤差要求就應該控制在0.1 mm，對于如此大范圍的空間坐標校準，該技術指標要求非常嚴格。

目前，校準定標墻上標識點還沒有有效的方法，能夠識別標識點的方法只有經緯儀瞄準法和攝影測量法。經緯儀法雖然測量精度高但是測量效率低，不適合定標墻上大量標識點的測量;攝影測量法的測量效率相對較高，所以定標墻標識點的坐標校準采用攝影測量法完成。

攝影測量是指利用攝像技術攝取物體的影像、識別物體并精確測定其形狀和位置的方法，數字攝影測量系統如圖3所示。從不同的角度、位置對被測物上的編碼點和標識點進行拍攝，所得相片經過數字處理并通過標準尺的長度約束，最終準確地得到標識點的三維坐標［5-6］。由攝影測量法的原理可知，標準尺的作用是為相片提供比例因子的，理想情況下標準尺和被測量的物體至少在一張圖片中被完全包含，這樣會在很多相匹配的圖片中有多個共同的標識點，可以提高測量精度［6］。當被測量對象比較大時，就要求整個測量過程中盡可能多地包含標準尺的完整信息，但是具體需要多少標準尺的信息，目前沒有一個明確的定義，對于精度的提高也沒有明確的規律，為此，需要進一步研究標準尺的優化布局，以滿足定標墻的高精度校準要求。定標墻校準精度的驗證可通過比較標準尺的測量值和校準值得到，其溯源鏈圖如圖4所示。

圖3 數字攝影測量系統示意圖

圖4 定標墻的溯源鏈圖

3 標準尺優化布局

標準尺的優化布局包括標準尺的位置、數量和姿態的布局，本文針對定標墻的其中一面墻，在一系列實驗的基礎上總結出適合于定標墻的校準方法，并通過標準尺向干涉儀溯源，保證了定標墻的測量結果量值準確、溯源有據。

理論上只要在攝影測量系統視場內布設一個標準尺就可以為系統本身提供比例因子，但在大空間測量中，由于標尺的長度受限，用短標尺為大空間進行比例標定，會放大比例誤差;另外標尺的擺放方向決定了所提供的測量比例因子只能對視場內該方向上的測量結果提供同比修正，而對其它方向上的測量結果存在修正誤差。

為了滿足定標墻的校準需求(定位測量不確定度0.05 mm)，設計了六組比對試驗，每組布設的標準尺的位置和數量各不相同，通過求解已知兩目標點之間距離的偏差值來判斷標準尺的布局的合理性。圖5 為定標墻對比試驗示意圖，表1 為六組比對試驗設置，表2 為六組對比試驗結果的偏差。表2 中，標稱值為用干涉儀校準兩目標點間的校準值，此時作為標準值使用;偏差值為用攝影測量法測量相應目標點獲得的距離值與標稱值的差值。

圖5 定標墻對比試驗示意圖

表1 六組對比試驗設置

表2 六組對比試驗結果偏差值

由表2 的試驗數據繪制觀測距離的長度偏差變化趨勢，如圖6所示。由此可以看出第四組、第五組、第六組測量結果基本保持一致，測量重復性在0.005 mm 以內，說明這幾組標準尺的優化布局能有效提供定標墻上各方向的比例因子，為各方向提供偏差修正，使得每組觀測結果的標準偏差均不超過0.04 mm，滿足了定標墻的校準需求。綜合考慮校準條件、校準效率等因素，第四組的優化布局是最合適的。

圖6 觀測距離的長度偏差變化趨勢

通過上述試驗，結合第四組的布局特點可以歸納出如下幾點校準原則:

1)校準時，需要有一根橫向的標準尺，放置于測量區域的中間位置，其長度控制在1 ～2 m，且保持固定不動;

2)校準時，標準尺的擺放應該考慮測量空間的分布方向，如水平、垂直、傾斜和縱深等，標準尺并不是越多越好，對一個平面而言，4 根標準尺完全滿足要求;

3)校準時，標準尺應盡量涵蓋整個測量區域，即:在校準區域的兩端和中間各放置一根標準尺，但不要太靠近邊緣。

依據上述原則，對8 m×10 m×10 m 空間的三個定標墻給出了如圖7所示的校準方案:方案中每面定標墻擺放4 個標準尺，為了保持數據閉合，在墻1、墻3 之間又增加了一個標準尺，標準尺總共擺放了13 個位置。經實驗驗證，該方案與每面定標墻只擺放一個標準尺相比，校準精度大大提高了，完全滿足0.05 mm的校準要求。

圖7 標準尺的擺放方案

4 總結

本文提出了一種汽車碰撞試驗定標墻的現場校準方法，利用攝影測量系統與標準尺，通過合理布局實現了定標墻的高精度校準。上述現場校準方法已應用于長春一汽—大眾汽車有限公司的定標墻的校準，通過對標準尺的位置、數量及姿態的優化，采用常用的攝影測量系統對DMAS 的定標墻進行校準，定標墻現場校準誤差小于0.05 mm，完全滿足0.1 mm+1×10-4L 的測量要求，由此進一步證明該校準方案切實可行。

［1］顏燕.汽車碰撞試驗及數據處理方法研究［D］.長春:吉林大學，2008.

［2］黃虎，常健，何稚樺，等.汽車側面碰撞試驗探討［J］.上海工程技術大學學報，2002，16(2):105-109.

［3］鄭祖丹，胡偉強，吳斌，等.汽車碰撞測力墻的研制［J］.上海汽車，2014，11(2):105-109.

［4］王占強.碰撞史話—揭秘汽車實車碰撞試驗的前世今生［J］.世界汽車，2014(10):116-121.

［5］鄭建冬.基于單數碼相機的三維攝影測量理論與關鍵技術研究［D］.南京:南京航空航天大學，2013.

［6］肖振中.基于工業攝影和機器視覺的三維形貌與變形測量關鍵技術研究［D］.西安:西安交通大學，2010.