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汽车碰撞试验测量系统研究

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《计测技术杂志》2015年第二期

1DMAS中定标墙的校准方法

定标墙的空间范围一般在8m×10m×10m,是一个大尺寸空间测量网络。组成定标墙的3面墙体上布设有5万多个需要准确测量的标识点,汽车碰撞试验的误差要求不大于1mm,对标识点的空间坐标误差要求就应该控制在0.1mm,对于如此大范围的空间坐标校准,该技术指标要求非常严格。目前,校准定标墙上标识点还没有有效的方法,能够识别标识点的方法只有经纬仪瞄准法和摄影测量法。经纬仪法虽然测量精度高但是测量效率低,不适合定标墙上大量标识点的测量;摄影测量法的测量效率相对较高,所以定标墙标识点的坐标校准采用摄影测量法完成。

摄影测量是指利用摄像技术摄取物体的影像、识别物体并精确测定其形状和位置的方法,数字摄影测量系统如图3所示。从不同的角度、位置对被测物上的编码点和标识点进行拍摄,所得相片经过数字处理并通过标准尺的长度约束,最终准确地得到标识点的三维坐标。由摄影测量法的原理可知,标准尺的作用是为相片提供比例因子的,理想情况下标准尺和被测量的物体至少在一张图片中被完全包含,这样会在很多相匹配的图片中有多个共同的标识点,可以提高测量精度。当被测量对象比较大时,就要求整个测量过程中尽可能多地包含标准尺的完整信息,但是具体需要多少标准尺的信息,目前没有一个明确的定义,对于精度的提高也没有明确的规律,为此,需要进一步研究标准尺的优化布局,以满足定标墙的高精度校准要求。定标墙校准精度的验证可通过比较标准尺的测量值和校准值得到,其溯源链图如图4所示。

2标准尺优化布局

标准尺的优化布局包括标准尺的位置、数量和姿态的布局,本文针对定标墙的其中一面墙,在一系列实验的基础上总结出适合于定标墙的校准方法,并通过标准尺向干涉仪溯源,保证了定标墙的测量结果量值准确、溯源有据。理论上只要在摄影测量系统视场内布设一个标准尺就可以为系统本身提供比例因子,但在大空间测量中,由于标尺的长度受限,用短标尺为大空间进行比例标定,会放大比例误差;另外标尺的摆放方向决定了所提供的测量比例因子只能对视场内该方向上的测量结果提供同比修正,而对其它方向上的测量结果存在修正误差。

为了满足定标墙的校准需求(定位测量不确定度0.05mm),设计了六组比对试验,每组布设的标准尺的位置和数量各不相同,通过求解已知两目标点之间距离的偏差值来判断标准尺的布局的合理性。图5为定标墙对比试验示意图,表1为六组比对试验设置,表2为六组对比试验结果的偏差。表2中,标称值为用干涉仪校准两目标点间的校准值,此时作为标准值使用;偏差值为用摄影测量法测量相应目标点获得的距离值与标称值的差值。由表2的试验数据绘制观测距离的长度偏差变化趋势,如图6所示。由此可以看出第四组、第五组、第六组测量结果基本保持一致,测量重复性在0.005mm以内,说明这几组标准尺的优化布局能有效提供定标墙上各方向的比例因子,为各方向提供偏差修正,使得每组观测结果的标准偏差均不超过0.04mm,满足了定标墙的校准需求。综合考虑校准条件、校准效率等因素,第四组的优化布局是最合适的。通过上述试验,结合第四组的布局特点可以归纳出如下几点校准原则:1)校准时,需要有一根横向的标准尺,放置于测量区域的中间位置,其长度控制在1~2m,且保持固定不动;)校准时,标准尺的摆放应该考虑测量空间的分布方向,如水平、垂直、倾斜和纵深等,标准尺并不是越多越好,对一个平面而言,4根标准尺完全满足要求;3)校准时,标准尺应尽量涵盖整个测量区域,即:在校准区域的两端和中间各放置一根标准尺,但不要太靠近边缘。依据上述原则,对8m×10m×10m空间的三个定标墙给出了如图7所示的校准方案:方案中每面定标墙摆放4个标准尺,为了保持数据闭合,在墙1、墙3之间又增加了一个标准尺,标准尺总共摆放了13个位置。经实验验证,该方案与每面定标墙只摆放一个标准尺相比,校准精度大大提高了,完全满足0.05mm的校准要求。

3总结

本文提出了一种汽车碰撞试验定标墙的现场校准方法,利用摄影测量系统与标准尺,通过合理布局实现了定标墙的高精度校准。上述现场校准方法已应用于长春一汽—大众汽车有限公司的定标墙的校准,通过对标准尺的位置、数量及姿态的优化,采用常用的摄影测量系统对DMAS的定标墙进行校准,定标墙现场校准误差小于0.05mm,完全满足0.1mm+1×10-4L的测量要求,由此进一步证明该校准方案切实可行。

作者:陆佳艳许静瞿剑苏曹铁泽甘晓川单位:中航工业北京长城计量测试技术研究所一汽-大众汽车有限公司

计测技术杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次