实车碰撞测试中的坐标系建立方法研究

滕刚

摘 要：人们对汽车安全的关注程度日益增加 相关测试法规也日趋加严。三坐标测量是实车碰撞测试中对人员操作要求最高的部分 测量坐标系建立的准确程度 对实车碰撞测试结果的准确度有着直接的影响。为确保建系准确度 文章系统对比了国内外主流实车碰撞法规在建系方面的异同 进一步结合实际测量经验 指出基准平面选取、胎压、配重、调平是决定建系准确度的关键因素。由于当前主流测试法规对调平过程未有明确规定 文章还给出了实际操作层面的建议。

关键词：实车碰撞;三坐标;坐标系;法规对比;关键因素

中图分類号：U467.1+4  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）18-121-04

Abstract： People pay more and more attention to the automobile safety， and the relevant standards are also increasingly strict. Three coordinate measurement is the most important part of collision test. The accuracy of the coordinate system has a direct impact on the accuracy of collision test. In order to ensure the accuracy of coordinate system， this paper systematically compares the similarities and differences of the mainstream collision test standards， combining with experience， this paper points out that the selection of reference plane， tire pressure， counterweight and leveling are the key factors to determine the accuracy of coordinate system. As the collision test standards have no clear provisions on the leveling process， this paper also gives some practical suggestions.

Keywords： Collision test; Coordinate measuring machines; Coordinate system; Standards comparison; Key factors

CLC NO.： U467.1+4  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）18-121-04

引言

随着人们对汽车安全关注程度的不断提高 在过去数十年中 汽车碰撞安全性能不断得到提升 世界主流的汽车碰撞测试法规也日趋加严。与此相对应 相关的实车碰撞测试对于试验人员的理论水平、法规理解能力、操作水平等方面 均提出了不低的要求。

特别在中国保险汽车安全指数C-IASI推出以来 在三坐标测量方面 其侧碰试验在试验前不允许拆除碰撞侧B柱内饰板 而是对非碰撞侧B柱内侧中心线进行测量 进一步通过镜像的方法来得到碰撞侧B柱内侧数据。许多测量人员在实际建系的过程中 出于各种原因 最终发现镜像效果无法达到要求 不得不多次进行返工 动辄浪费数小时时间 耽误了试验进度。

经过分析 此类问题的主要原因在于坐标系建立的不准确 特别是各个轴系的方向与其理想方向发生了一定的转角。这种坐标系建立不准的原因是多方面的 有必要结合测量流程和测试法规进行专门的研究和讨论。业内虽有相关文献从工件测量的角度讨论了三坐标的建系问题[12] 以及从C-NCAP法规的角度讨论了三坐标测量过程中的各类细节[13] 但仍不足以达到当前测量要求下的精度要求 无法完美解决上述问题。

鉴于此 本文对实际测量经验进行了总结 并对比分析了当前常见的四类测试法规在坐标系方面的规定 着重分析了基准平面选取、胎压、配重、调平等关键步骤对正确建立坐标系的意义。

1 典型流程

业内通常使用关节臂式三坐标测量机（CMM）开展静态测量 相比固定式三坐标 它更便携且灵活 但在建立初始坐标系的步骤上也更加复杂。常见有两种方法：3-2-1建系法、拟合建系法。

对于3-2-1建系法来说 我们需要给测量软件提供一个基准平面 通常是基于地面得到的Z平面 或基于车身平面得到的Z平面 这依据法规的不同有所差异;其次 我们需要给定一条直线 该直线与之前给定的基准平面的法向量不能平行 由此测量软件便能利用右手法则确认X-Y-Z轴系的具体方向;最后再确定一个原点 即得到了一个固定下来的基准坐标系 完成了建系步骤。

对于拟合方法 我们可通过三坐标测量软件中的拟合功能来实现。首先需要确认一系列基准点 它们通常位于车辆的特征结构上 譬如座椅螺栓固定点、锁扣螺栓中心点等 它们之间的分布范围应足够宽阔 且在总数量上应该超过4个 建议最好6个以上 以获得更好的拟合精度。三坐标设备记录下这些特征点的机器坐标值之后 再通过最小二乘法等数学方法 将它们的坐标值对齐到所需的坐标系下的坐标值上。由此测量软件反推得到了基准坐标系的位置。

初始坐标系建立完成后 应该根据碰撞类型的不同 对应在车身非碰撞侧标记并测量蛙跳球。由于三坐标测量在试验前、后通常需分多次进行 准确地测量蛙跳球 并在后续测量过程中以较高的蛙跳精度将坐标系对齐到初始坐标系上 同样十分重要。

2 法规对比

不同的测试法规对于基准坐标系的规定存在很大差异 特别在于基准平面的选取 以及原点的选取 包括蛙跳点的分布等方面。下文对国标、C-NCAP、C-IASI、Euro-NCAP中对于坐标系方向、坐标系建立方法、蛙跳点分布等方面问题进行对比分析。

2.1 国标

目前 实车碰撞测试的基准坐标系均为笛卡尔坐标系 对于国标来说 其X、Y、Z轴的方向如图2所示：

可以看到 国标首选通过拟合方法得到的厂家坐标系进行测量 当我们通过拟合方法去建立坐标系时 车辆的姿态问题可无需考虑 它能通过软件计算自动补偿。拟合方法可以得到相对准确的厂家坐标系 但其精度受限于拟合过程的准确程度。

如果厂家未给定坐标值 则只能通过3-2-1建系法来得到基准坐标系 但国标法规中并未明确指明具体的建系要求 测量人员通常会根据情况酌情进行考虑。

2.2 C-NCAP

C-NCAP中明确指出 车辆在建立坐标系前应处于安装完仪器设备、对质量进行了调配 但未上假人的状态。对于某个特定的车辆来说 由此也就确定了车身各个部分的唯一载荷关系 产生了一个唯一的车身姿态。特别在于 四个车轮的轮眉高度将能用唯一的一组序列进行描述。在此基础上 依据法规再将车身调到“水平状态” 并基于车身平面选定基准平面 建立初始坐标系。如表2所示。

2.3 C-IASI

与C-NCAP明显不同 C-IASI规程要求使用空载的车辆进行建系 且XOY基准平面定义为水平地面 车顶中线在水平地面上的投影定义为X轴方向 车辆左前锁扣表面中心（通常通过凿孔的方式来控制位置误差）定义为原点。如表3所示：

车辆建系前 通常还默认需要进行胎压的调节 以及车辆侧倾角的调平。如引言所述 特别对于C-IASI侧碰来说 这一步是尤为重要的。在这里需指出的是 C-IASI与C-NCAP的调平方式是不同的 前者只要求进行车身侧向倾角的调平 而后者在侧向和纵向都需要调平（也就是把车身平面调到和水平地面平行）。

2.4 Euro-NCAP

与C-NCAP和C-IASI均不同 Euro-NCAP要求车辆在建立坐标系之前应处于试验质量状态（包含假人及试验设备的重量）下 且不对车辆进行任何侧倾角、纵倾角的调节。通常来说 在车辆配重完毕之后 马上测量一组车辆在该状态下的、四个车轮的轮眉高度值（或左、右门槛的角度值）。在拆卸掉配重之后 再运用四个千斤顶（或其它设备）对车体的四个轮眉高度值（或左、右门槛角度值）进行调节 使其恢复到之前调配完试验质量时的状态下。

另一方面 运用3-2-1建系法建立Euro-NCAP坐标系时 应选取车辆前门槛平面（左、右）作为基准XOY平面。应指出 该平面实际上不是水平的 此时车辆的纵倾角、侧倾角分别对应到试验质量状态（含假人及试验设备的重量）下的纵倾角、侧倾角上。

在Euro-NCAP正面碰撞（全宽正碰及MPDB）中 通常需要测量基于门槛基准在Z向上升高100mm的一组基准点 该组基准点在主副驾均存在 正确测取门槛平面对于该组基准点的测量具有重要意义。事实上 如果门槛平面测取不佳 那么该组基准点在主、副驾两侧的实际车体结构上 将无法实现良好的对称 特别是对于Z方向而言。

车辆发生正面碰撞（全宽正碰、MPDB等）之后 通常来说 车体前部可能发生下陷或抬升。当这种下陷或抬升较为明显时 固定在车体前端的假想轴系相对于固定在车体后端的假想轴系实质上绕着Y轴发生了一个细微的旋转 可用θ角来描述这个旋转。当我们通过车辆后端的基准点来还原坐标系的时候 实质上得到的是固定在车辆后端的假想轴系 而测量点通常都是位于车辆前端变形区域内的 因此这种下陷或抬升导致的转角将导致一定程度的误差。为解决该问题 Euro-NCAP法规通过假定乘员侧B柱点在碰撞过程中Z向、Y向未发生变化 来求得前述的θ角度。再运用绕Y轴旋转θ角度的坐标变换矩阵来修正所有测量点的值。基于笔者实际测量经验 在Euro-NCAP当前正面碰撞测试工况下 该θ值通常十分微小 在零点几度的水平上。

3 关键因素分析

如前所述 我们明确了不同的法规与坐标系相关的各个项目上的具体要求 特别是在于建系过程中的具体步骤。事实上 建系时我们无法避开的两个问题就是基准平面选取（地面、车身平面）和车身姿態保持（侧倾角、纵倾角）的问题 下文我们将对这些关键因素进行分析。

3.1 基准平面选取

如前所述 必须严格按照法规中的要求 选取正确的XOY基准平面（车身平面、水平地面） 否则车身姿态带来的车身平面与水平地面的倾角将会被带入轴系 使得所建立的轴系与理想轴系发生多重转角 导致建系失败。

3.2 车身姿态保持

不同车型在额定胎压、发动机位置、车身造型设计等方面均有所不同 车辆的车身平面（车架平面、门槛平面）相对于水平地面来说 是存在侧倾角和纵倾角的。通常来说 这种倾角还十分显著 如果建系过程中不加以区分 测量结果相比于正确结果的误差甚至可以达到厘米级。

3.2.1 胎压

建系之前通常必须将胎压调到额定胎压上 因为胎压影响车辆对于配重的承载能力（刚度） 对应将会影响车身姿态。

3.2.2 配重

在碰撞试验过程中 附加安装的车载数采、车载相机、备用电源、车载紧急制动、假人等设备 将对车辆的配重发生影响 亦能改变车身平面的姿态。空载情况下的车辆侧倾角、纵倾角 相比装好测试设备后试验质量状态下的车辆侧倾角、纵倾角明显不同。为此 必须严格按照法规的要求 在正确的被试车辆质量状态（空载、参考质量、试验质量）下建立坐标系。

3.2.3 调平

如前所述 通常在建系之前需要进行调平操作。然而 图4展示了当前主流法规所述的“调平状态”是不唯一的。

根据空间几何的知识我们知道 与某个平面平行的平面有无数个。譬如在C-NCAP中 当我们已经对车体进行了调平（也就是使其与水平地面平行） 如果我们再次利用千斤顶或其它设备 对车体进行一个整体升降 那么它仍然可以视为法规中所述的“调平”状态。而这种“调平”状态的不唯一性 从实质上在一定程度上导致了建系误差的产生。

进一步分析 对于C-NCAP来说 所建立的坐标系的原点是基于车身的 车体上的所有坐标值均相对于车体上的原点进行计算。从坐标值的大小上来说 上述“调平状态”不唯一的问题对车体结构上的点将不会产生影响。但是 当我们基于该坐标系对除车体结构以外的外部特征（譬如地面Z值）进行测量或标记的时候 所得到的坐标值将是存在差异的 这也就引入了测量误差。

对于C-IASI和Euro-NCAP来说 虽然并非将车体平面调到与水平地面完全平行 但是上述问题同样存在 只不过与之对应的不再是水平地面 而是某个假想的初始“调平”平面而已。

基于此 笔者建议在建系完成后 撤掉所有对车体的支撑（千斤顶、举升机） 使车体及其携带的测量坐标系与客观世界的相对位置恢复至正常情况 以避免测量误差的产生。同时 建议在调平过程中 运用唯一的一组四个车轮的轮眉高度来衡量车体平面的具体位置 以彻底解决此问题。

4 结论

建立准确的坐标系是开展实车碰撞测试三坐标测量工作的关键 为此 必须严格按照法规对于基准平面选取、胎压、配重、调平的规定进行操作。同时 鉴于当前主流的法规对于车辆“调平”状态不唯一问题未有明确的阐述 笔者对应给出了两个操作层面上的建议。

参考文献

[1] C-NCAP管理规则（2018年版）.

[2] GB 11551-2014汽车正面碰撞的乘员保护.

[3] GB/T 20913-2007乘用车正面偏置碰撞的乘员保护.

[4] GB 20071-2006汽车侧面碰撞的乘员保护.

[5] GB/T 37337-2019汽车侧面柱碰撞的乘员保护.

[6] C-IASI-SM.PI.SOT-A0第2部分：车内乘员安全指数正面25%偏置碰撞试验规程.

[7] C-IASI-SM.PI.SIT-A0第2部分：车内乘员安全指数侧面碰撞试验规程.

[8] European New Car Assessment Programme （Euro-NCAP）-Full Wid -th Frontal Impact Testing Protocol-Version 1.2-June 2019.

[9] European New Car Assessment Programme （Euro-NCAP）–Mpdb Frontal Impact Testing Protocol -Implementation 1st January 2020- Version 1.1.1-October 2019.

[10] European New Car Assessment Programme （Euro-NCAP） - Side Impact Mobile Deformable Barrier Testing Protocol-For 2020 Implementation - Version 8.1.1 - November 2019.

[11] European New Car Assessment Programme（Euro-NCAP）–Oblique Pole Side Impact Testing Protocol–For 2020 Implementation- Version 7.1.1 - November 2019.

[12] 苑國英，陈祖安，周清芬.坐标测量机上建立测量坐标系的理论与方法[J].现代计量测试，1995，5：11-15.

[13] 龙海靖，吕恒绪.用三坐标测量汽车碰撞变形量的方法研究[A]，见：中国汽车工程学会，2007中国汽车工程学会年会论文集[C].中国天津：机械工业出版社，2007：293-296.