事故汽車車身結(jié)構(gòu)掃描的數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：在事故車輛修復(fù)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的目視檢查方法往往難以全面準(zhǔn)確地評(píng)估車輛損傷，容易忽略結(jié)構(gòu)性隱患，從而影響修復(fù)質(zhì)量和車輛性能。提出了一種用于汽車車身數(shù)字化檢測(cè)的分析系統(tǒng)，采用三維掃描的方式讀取事故汽車的車身結(jié)構(gòu)損傷程度，通過(guò)算法的自動(dòng)分析生成事故汽車車身結(jié)構(gòu)的三維數(shù)據(jù)，為事故汽車的定損與維修提供了參考性意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：事故汽車；數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)；三維掃描；修復(fù)

中圖分類號(hào)：U472.9? 收稿日期：2024-04-10

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405033

1 前言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，全球汽車保有量的不斷增加，交通事故的發(fā)生率呈現(xiàn)出直線上升趨勢(shì)，車輛發(fā)生交通事故之后的定損以及維修工作需要大量的人力物力投入，并且事故汽車損傷的復(fù)雜性不斷增加，對(duì)車輛的結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估提出了新的挑戰(zhàn)。事故汽車車身數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展根植于數(shù)字化制造和信息技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的車身?yè)p傷檢測(cè)通常依賴于經(jīng)驗(yàn)和手工測(cè)量，這不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且容易出現(xiàn)人為誤差。

2 車身數(shù)字化的檢測(cè)技術(shù)

21 CCD攝像機(jī)測(cè)量技術(shù)

CCD攝像機(jī)測(cè)量技術(shù)的原理基于CCD（Charge-Coupled Device）圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換原理為核心，通過(guò)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)圖像的采集和傳輸，通過(guò)采集和處理圖像信息來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)車身表面的高精度測(cè)量。

a.確定CCD攝像機(jī)的布局和位置，確保其能夠全面掃描車身表面。

b.通過(guò)激光或光源系統(tǒng)，確保充分照明車身表面，使得CCD攝像機(jī)能夠準(zhǔn)確捕捉到表面的細(xì)微特征。

c.利用圖像處理算法，對(duì)采集到的圖像進(jìn)行校正、配準(zhǔn)和去噪，以提高測(cè)量精度，測(cè)量階段需要考慮光照條件對(duì)圖像質(zhì)量的影響，采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償手段。

d.通過(guò)與模型匹配或其他測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，得到車身表面的數(shù)字化數(shù)據(jù)，用于后續(xù)的分析和修復(fù)。

22 紅外線光幕測(cè)量

通過(guò)在車輛周邊布置紅外線發(fā)射器和接收器組成的光幕系統(tǒng)，確保其能夠完整地覆蓋整個(gè)車身表面。紅外線發(fā)射器產(chǎn)生紅外光束，沿車身表面形成一道光幕，而接收器則接收目標(biāo)物體表面反射的紅外光信號(hào)，并且當(dāng)車身表面發(fā)生形狀或結(jié)構(gòu)的變化時(shí)，反射光的路徑發(fā)生變化，通過(guò)探測(cè)這些變化，可以獲取車身表面的形貌信息。除此之外，通過(guò)測(cè)量反射光的時(shí)間延遲或強(qiáng)度等參數(shù)，確定目標(biāo)物體表面各點(diǎn)的空間坐標(biāo)，該過(guò)程通常需要采用高速的紅外傳感器和精密的時(shí)序控制系統(tǒng)，確保測(cè)量的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

3 事故汽車車身結(jié)構(gòu)掃描的數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

31 整體方案

基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際測(cè)量要求，設(shè)計(jì)了一套事故汽車車身數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)，以確保高精度和系統(tǒng)可靠性。主要采用二維激光掃描測(cè)距儀作為主要測(cè)量?jī)x器，系統(tǒng)由三個(gè)二維激光掃描測(cè)距儀構(gòu)成，分別用于車輛的寬、高和長(zhǎng)度的測(cè)量。

在系統(tǒng)布局上，左右兩側(cè)各配置一個(gè)激光掃描儀用于寬度和高度的測(cè)量，而一個(gè)激光掃描儀則安裝在車輛行駛方向的正前方，負(fù)責(zé)完成車身長(zhǎng)度的測(cè)量。通過(guò)系統(tǒng)標(biāo)定，左右兩側(cè)的激光掃描儀的掃描平面在理論上相互重疊，形成一個(gè)掃描光幕。

在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將三個(gè)激光掃描測(cè)距儀安裝在前后兩個(gè)龍門架上，其中前方龍門架上安裝一個(gè)激光掃描測(cè)距儀，位于龍門架中間位置，而后方龍門架上則安裝兩個(gè)激光掃描測(cè)距儀，分別位于龍門架的左右兩側(cè)。這樣的布局設(shè)計(jì)充分考慮到車輛的不同部分存在不同的輪廓特征，通過(guò)前后兩個(gè)龍門架的配合，能夠全面覆蓋整個(gè)車身，并確保對(duì)車輛尺寸的全方位測(cè)量。

32 寬度數(shù)據(jù)確認(rèn)

車輛的三維寬度檢測(cè)如圖1所示，通過(guò)激光掃描雷達(dá)來(lái)獲取車身結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，進(jìn)而進(jìn)行寬度數(shù)據(jù)確認(rèn)，以幫助評(píng)估事故車輛的損傷程度和修復(fù)難度。

使用激光掃描雷達(dá)進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)掃描。雷達(dá)通過(guò)發(fā)射激光束并測(cè)量反射回來(lái)的時(shí)間來(lái)獲取車身表面的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以用來(lái)生成車身的三維模型，為后續(xù)分析提供基礎(chǔ)。在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，設(shè)置左右測(cè)距儀以測(cè)量車身左右兩側(cè)的距離，每一幀數(shù)據(jù)中，分析左右測(cè)距儀的數(shù)據(jù)，計(jì)算車輛的寬度，分別記錄左右側(cè)距離車身的最小寬度（WImin和Wrmin），得到的最小寬度可以用來(lái)確定車輛在事故中可能受到的損傷程度，以及需要進(jìn)行的修復(fù)工作。

車輛進(jìn)入監(jiān)測(cè)區(qū)域后，激光掃描雷達(dá)和左右測(cè)距儀開始工作，獲取車身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和左右側(cè)距離數(shù)據(jù)，對(duì)從激光掃描雷達(dá)和左右測(cè)距儀獲取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。這可能包括去噪、濾波和數(shù)據(jù)對(duì)齊等步驟，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。得到的寬度數(shù)據(jù)：

WX=WI-WImin-Wrmin? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，WX為車輛進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)后第X幀時(shí)的寬度；WI表示兩個(gè)激光雷達(dá)掃描中心在X方向上的水平距離；WImin為掃描中左側(cè)激光雷達(dá)距離車身的最小距離；Wrmin為掃描中右側(cè)激光雷達(dá)距離車身的最小距離。

33 高度數(shù)據(jù)確認(rèn)

如圖2所示，在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)設(shè)置激光雷達(dá)，對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行垂直方向的掃描，以獲取車身在不同位置上的高度數(shù)據(jù)，使用激光雷達(dá)掃描技術(shù)獲取車輛車身結(jié)構(gòu)的高度數(shù)據(jù)。激光雷達(dá)通過(guò)發(fā)射激光束并測(cè)量反射回來(lái)的時(shí)間，可以精確地獲取車身表面的高度信息，分析激光雷達(dá)掃描得到的數(shù)據(jù)，計(jì)算車身在不同位置上的最大高度和最小高度，以及高度的變化情況。基于分析結(jié)果，確認(rèn)車輛的高度范圍，并評(píng)估可能存在的損傷或變形情況，有助于確定車輛的整體狀況，為后續(xù)的修復(fù)工作提供依據(jù)。

兩個(gè)激光雷達(dá)掃描中心距離地面為HI，應(yīng)用如下公式計(jì)算出車輛的高度：

HX=HI-HXmax? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，Hxmax為車輛在Y軸正方向上在車身上的每一幀中的投影最小值；HI為經(jīng)過(guò)標(biāo)定后激光雷達(dá)掃描位置距離地面的直線距離。

使用激光雷達(dá)對(duì)車輛進(jìn)行垂直方向的掃描，將車身結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為高度數(shù)據(jù)，在激光雷達(dá)掃描的每個(gè)斷面中，分析車身高度數(shù)據(jù)，以確定該斷面中車身的最大高度。此外，通過(guò)對(duì)每個(gè)斷面的車身高度分析，找出其中的最大高度HXmax，即為車輛在左側(cè)激光測(cè)距儀掃描光幕上的最大高度。與此同時(shí)，可以結(jié)合車身高度數(shù)據(jù)與其他維度的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，更全面地評(píng)估車輛的損傷情況和結(jié)構(gòu)變化。具體而言，為了確保在一個(gè)掃描斷面內(nèi)，左右掃描儀在車輛頂部掃描采集的離散點(diǎn)分布，如圖3所示。

34 長(zhǎng)度測(cè)量

如圖4所示，使用激光雷達(dá)對(duì)車身進(jìn)行全方位掃描，獲取車身的三維數(shù)據(jù)。首先，在掃描過(guò)程中，標(biāo)記車身的起始點(diǎn)和終點(diǎn)，以確定車身的長(zhǎng)度測(cè)量范圍，對(duì)激光雷達(dá)掃描得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括去噪、濾波和數(shù)據(jù)對(duì)齊等步驟，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。其次，根據(jù)起始點(diǎn)和終點(diǎn)的位置，計(jì)算車身的長(zhǎng)度，并進(jìn)行必要的單位轉(zhuǎn)換，以得到最終的長(zhǎng)度值，同時(shí)確認(rèn)車身的長(zhǎng)度，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，以確定可能存在的損傷或變形情況。

35 輪廓繪制

當(dāng)車輛進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)之后，左右激光測(cè)距儀固定在龍門架上的掃描光幕將覆蓋整個(gè)車身的頂部和側(cè)身，形成一系列完整的掃描橫斷面。在車身結(jié)構(gòu)三維掃描后上位機(jī)的顯示界面如圖5所示。

車身結(jié)構(gòu)三維掃描的空間坐標(biāo)系如圖6所示。使用激光雷達(dá)對(duì)事故汽車進(jìn)行全方位掃描，獲取車身的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。具體而言，在掃描過(guò)程中，根據(jù)車寬和車高，建立車輛的坐標(biāo)系。X軸沿著車寬方向，Y軸沿著車高方向，Z軸則與地面垂直。

根據(jù)激光雷達(dá)掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在車輛的坐標(biāo)系中繪制車身輪廓。這可以通過(guò)在二維平面上連接點(diǎn)云中的相鄰點(diǎn)，形成車輛的輪廓線。在此基礎(chǔ)上對(duì)繪制得到的輪廓進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和優(yōu)化，去除可能存在的噪點(diǎn)和不必要的細(xì)節(jié)，以獲得更加清晰和準(zhǔn)確的車身輪廓。

通過(guò)車身結(jié)構(gòu)三維掃描空間坐標(biāo)系的選擇，使得整個(gè)車身的三維信息能夠被統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。

a.對(duì)掃描得到的輪廓點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。這包括去除可能存在的噪聲點(diǎn)、平滑處理以消除不必要的波動(dòng)，以及進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)齊以確保所有數(shù)據(jù)點(diǎn)在同一坐標(biāo)系下。

b.使用數(shù)學(xué)曲線擬合技術(shù)，如最小二乘法或Bezier曲線擬合等，對(duì)處理后的輪廓點(diǎn)進(jìn)行擬合，以獲得車身的主要曲線輪廓。這些曲線可以代表車身的側(cè)面、頂部或底部等特征。

c.通過(guò)擬合曲線，可以計(jì)算出車身的一些重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時(shí)可以進(jìn)一步分析車身的特征，如車身的流線型、凹凸部位、突起或變形等。這有助于評(píng)估車身的整體形狀和可能存在的損傷情況。

掃描得到的車身每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)為[xij，yij，zi]，則實(shí)體車身[R]的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：

[R=x11，y11，z1x12，y12，z2…x1n，y1n，znx21，y21，z1x22，y22，z2…x2n，y2n，zn?xn1，yn1，z1xt2，yt2，z2…xqn，yan，zn]? ? ? ? ?（3）

每個(gè)車身掃描斷面可以表示為：

[Li=x1i，y1j，zjx2i，y2i，zi?xnij，yni，zi]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

綜上，車身實(shí)體[R]可以用所有斷面的集合來(lái)表示：

[R=L1 L2… Ln]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

36 損傷評(píng)估

基于車身數(shù)字化檢測(cè)的損傷評(píng)估方法如下：

步驟1：點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取。

表征車身表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以表示為集合[P]，其中每個(gè)點(diǎn)[p（i）]具有三維坐標(biāo)[（x（i），y（i）]，[z（i））]。

步驟2：表面形貌變化計(jì)算。

通過(guò)計(jì)算相鄰點(diǎn)之間的距離或曲率等指標(biāo)，表征表面形貌的變化。對(duì)于點(diǎn)云中的兩個(gè)相鄰點(diǎn)[p（i）]和[p（j）]，其表面形貌變化可用以下公式表示：

[D（p（i），p（j））=]

[（x（i）?x（j））2+（y（i）?y（j））2+（z（i）?z（j））2]? ? ?（6）

步驟3：損傷程度計(jì)算。

利用表面形貌變化計(jì)算損傷程度，可以采用相鄰點(diǎn)之間距離的變化率等指標(biāo)，對(duì)于點(diǎn)云中的三個(gè)相鄰點(diǎn)[p（i?1）、p（i）、p（i+1）]，損傷程度可以表示為：

[Dm（p（i））=D（p（i?1），p（i））+D（p（i），p（i+1））2]? ? ?（7）

步驟4：整體損傷評(píng)估。

對(duì)整個(gè)車身進(jìn)行損傷評(píng)估，可以采用各點(diǎn)損傷程度的平均值或加權(quán)平均值。整體損傷評(píng)估可表示為：

TDm[=1Ni=1NDm（p（i）） ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

式中，[N]為點(diǎn)云數(shù)據(jù)中點(diǎn)的總數(shù)。

步驟5：結(jié)構(gòu)性損傷檢測(cè)。

通過(guò)分析點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的區(qū)域性密集損傷，可以檢測(cè)出結(jié)構(gòu)性損傷，可以通過(guò)聚類算法或密度分析確定點(diǎn)云中聚集的損傷點(diǎn)，識(shí)別結(jié)構(gòu)性損傷區(qū)域。

4 結(jié)語(yǔ)

本文深入探討了數(shù)字化檢測(cè)在車身?yè)p傷評(píng)估的技術(shù)方案，通過(guò)對(duì)車身三維掃描數(shù)據(jù)的損傷評(píng)估，為車輛損傷提供了可量化、結(jié)構(gòu)化的信息。該評(píng)估方法不僅直觀地呈現(xiàn)了損傷部位的具體情況，而且通過(guò)數(shù)字化輔助設(shè)計(jì)，為修復(fù)過(guò)程提供了科學(xué)、精準(zhǔn)的方案。

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作者簡(jiǎn)介：

張家忠，男，1984年生，一級(jí)實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師，研究方向?yàn)槠囓嚿硇迯?fù)技術(shù)。