JP6416456B2 - 車体剛性試験装置及び車体剛性試験方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車の車体やその部品の剛性を測定する車体剛性試験装置及び車体剛性試験方法に関する。

自動車の車体や部品の開発にあたっては、部品を車体に取り付けた状態で、自動車全体の車体剛性試験を行い、車体や部品の変形状態や、その応力集中部分を特定することが重要である。そのため、このような剛性試験においては、車体や部品の剛性に関する詳細情報の取得が望まれている。

従来の剛性測定方法は、例えば、特許文献１に開示されている。

図４は、従来の車体剛性試験装置の全体構成を示す斜視図である。また、図５は、従来の車体剛性試験装置における荷重位置の配置を示す図である。

図４に示すように、従来の車体剛性試験装置１０は、車体５が、３箇所の支持部材２によってテストベッド１に固定されている。具体的には、支持部材２は、車体５の前方バンパーの幅方向中心と、後輪のリアサスペンション取付部２箇所の計３箇所に設けられている。

車体５の前輪のフロントサスペンション取付部には、アクチュエータ３が設けられている。図４の例では、右側前輪のフロントサスペンション取付部に設けられたアクチュエータ３から上方に荷重を負荷し、左側前輪のフロントサスペンション取付部に設けられたアクチュエータ３から下方に荷重を負荷することで、車体５に捻るような力を与えている。

車体５のサイドシル部には、車体５の前後方向に並ぶ複数の変位計４が設けられている。サイドシル部に点線で示された矢印は、それぞれの変位計４によって計測される測定箇所である。

なお、支持部材２によって固定されている場所を固定点とし、アクチュエータ３が設置されている場所を荷重入力点とすると、固定点と荷重入力点の配置は、図５に示すようになる。

このように構成された車体剛性試験装置では、アクチュエータ３によって車体５に荷重を負荷しながら、車体５の変位をそれぞれの変位計４によって測定していく。

特開２００６−２９２７３７号公報

しかしながら、このように構成された車体剛性試験装置では、変位計４が設置された位置の変位情報しか取得することができず、広範囲において変形情報を得ることはできない。そのため、自動車の車体のような大型の試験体を評価する場合には、試験体の測定範囲を複数のセクションに分割しなければならない。

また、従来の車体剛性試験装置では、変位計４は、１次元的な方向（鉛直方向）しか変位を測定することができず、３次元的な変形情報を得ることはできなかった。そのため、部材の変形や応力集中について詳細に調査するためには、さらに車体全体の数値モデルを準備し、変位量の解析を行う必要がある。しかしながら、１次元的変位量のみから解析を行う場合では、いくつもパラメータを設定しなければならない。また、誤ったパラメータを設定をすると、正しい部材の変形や応力集中を把握することができず、実際の車体全体の剛性を正確に調べることができない。

本発明は、上記のような問題点に対してなされたものであり、実際の車体やその部品の剛性試験を行う車体剛性試験装置及び車体剛性試験方法において、比較的広範囲における試験体の３次元的な変形情報を、簡単に取得することができる車体剛性試験装置及び車体剛性試験方法を提供することを目的とする。

上記のような問題を解決するために、本発明は、以下のような特徴を有している。
［１］車体及び／又はその部品に荷重を与える荷重負荷手段と、
異なる方向から前記車体の画像を取得する２台以上のカメラを備えたステレオカメラと、
前記ステレオカメラで取得された画像から３次元画像データを生成し、前記３次元画像データに基づいて前記車体及び／又はその部品の変位量の測定を行う制御手段と、を備えたことを特徴とする車体剛性試験装置。
［２］前記制御手段は、前記荷重負荷手段によって負荷する荷重と、前記ステレオカメラの撮映タイミングとを同期させて制御することを特徴とする［１］に記載の車体剛性試験装置。
［３］前記制御手段は、前記３次元画像データと、前記荷重負荷手段より前記車体及び／又はその部品に負荷された荷重に関する情報とを対応付けて記憶することを特徴とする［１］又は［２］に記載の車体剛性試験装置。
［４］前記車体、その部品、又は、その周辺の任意の位置の３次元位置情報を取得するデジタイザを備え、
前記制御手段は、前記任意の位置の前記３次元位置情報を用いて、前記３次元画像データの点群データに、３次元座標情報を付与する［１］乃至［３］のうちいずれかに記載の車体剛性試験装置。
［５］前記デジタイザは、多関節アームに取り付けられ、
前記多関節アームに、さらに前記２台以上のカメラが設置され、前記ステレオカメラの前記３次元位置情報を前記デジタイザによって測定し、
前記ステレオカメラの前記３次元位置情報に基づいて、前記３次元画像データの点群データに、３次元座標情報を付与する［４］に記載の車体剛性試験装置。
［６］前記制御手段は、
前記ステレオカメラによって撮映される撮影範囲において、少なくとも３箇所以上に設けられた基準マーカーの３次元位置情報を用いて、前記３次元画像データの点群データに、３次元座標情報を付与する［１］乃至［３］のうちいずれかに記載の車体剛性試験装置。
［７］車体及び／又はその部品に荷重を与え、
異なる方向から前記車体の画像を２台以上のカメラを有するステレオカメラで撮映し、
前記ステレオカメラで取得された画像から３次元画像データを生成し、
前記３次元画像データに基づいて前記車体及び／又はその部品の変位量の測定を行うことを特徴とする車体剛性試験方法。
［８］前記車体及び／又はその部品に負荷する荷重と、前記ステレオカメラの撮映タイミングとを同期させて制御することを特徴とする［７］に記載の車体剛性試験方法。

本発明に係る車体剛性試験装置及び車体剛性試験方法では、実際の車体の剛性試験を行う車体剛性試験装置において、比較的広範囲における試験体の３次元的な変形情報を、簡単に取得することができる。

本発明の実施の形態１に係る車体剛性試験装置の全体構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態２に係る車体剛性試験装置の全体構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態２に係る車体剛性試験装置によって計測することができる車体の一部を示す図である。 従来の車体剛性試験装置の全体構成を示す斜視図である。 従来の車体剛性試験装置の全体構成を示す図であり、図４の車体の平面図である。

以下、添付した図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る車体剛性試験装置の全体構成を示す概略図である。本発明の実施の形態１に係る車体剛性試験装置１０は、テストベッド１、支持部材２、アクチュエータ３、制御手段１２、ステレオカメラ７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、デジタイザ６を備えている。また、制御手段１２は、アクチュエータ制御手段８、データ処理手段９、ステレオカメラ制御／画像データ記録手段１１からなる。

テストベッド１には、車体５が載置される。車体５は、３箇所の支持部材２によってテストベッド１に固定されている。具体的には、支持部材２は、車体５の前方のバンパーの幅方向中心と、左右の後輪のリアサスペンション取付部に計３箇所設けられている。

車体５の前輪のフロントサスペンション取付部には、アクチュエータ３が設けられている。アクチュエータ３は、車体５の左右にそれぞれ異なる荷重を与えることで、車体５に対して、捻じるような負荷を与えることができる。

なお、支持部材２が設けられている場所を固定点とし、アクチュエータ３が設けられている場所を荷重入力点として示す。荷重入力点から、車体５に荷重を与え、この荷重による変位量をステレオカメラ７Ａ、７Ｂ、７Ｃの３次元画像データから計測する。なお、支持部材２やアクチュエータ３の配置は、図１に限られるものではなく、任意の位置に配置することができる。

ステレオカメラ７Ａ、７Ｂ、７Ｃは、それぞれ２台のカメラを備えている。２台のカメラは、車体５やその部品に対して、異なる方向からその画像を撮影する。ステレオカメラ７Ａ、７Ｂ、７Ｃは、多関節アームに設置され、車体５やその部品の画像を任意の方向から撮映することができる。

ステレオカメラ７Ａ、７Ｂ、７Ｃの撮映タイミングは、データ処理手段９が、ステレオカメラ制御／画像データ記録手段１１を用いて制御している。ステレオカメラ７Ａ、７Ｂ、７Ｃによって撮映された画像は、ステレオカメラ制御／画像データ記録手段１１に出力される。

なお、ステレオカメラは、任意の位置に、任意の数だけ設けることができる。図１の例では、３つのステレオカメラ７Ａ、７Ｂ、７Ｃが設けられている。ステレオカメラ７Ａは、車体５の左側に設置され、ステレオカメラ７Ｂは、車体５の後方に設置され、ステレオカメラ７Ｃは、車体５の右側に設置されている。３つのステレオカメラ７Ａ、７Ｂ、７Ｃによって撮映された画像を合成することにより、車体５の剛性を３次元的に測定することができる。

なお、カメラの解像度や記録速度は、アクチュエータ３の可動範囲、アクチュエータ３の作動速度、応力等の解析に求められる測定範囲及び分解能によって任意に決定すればよい。例えば、解像度が１０Ｍピクセル、記録速度が５．０ｆｐｓ程度のカメラを利用すれば、広範囲の画像データを記録することができる。

デジタイザ６は、車体５やその部品、車体や部品の周辺や、ステレオカメラ７Ａ〜７Ｃの位置など、測定の基準点の３次元位置を検出する。デジタイザ６は、多関節アームに、位置検出部が設けられることにより構成されている。デジタイザ６によって検出された基準点の３次元位置は、データ処理手段９に出力される。なお、デジタイザ６は、非接触式又は接触式のいずれの形式でも良い。

制御手段１２は、演算装置により構成することができる。データ処理手段９は、アクチュエータ制御手段８と、ステレオカメラ制御／画像データ記録手段１１を制御することで、アクチュエータ制御手段８によって負荷する荷重と、カメラの撮映タイミングを同期させて制御している。

アクチュエータ制御手段８は、アクチュエータ３を制御し、車体５に負荷する荷重を調整する。アクチュエータ制御手段８は、荷重を開始した時間、時間に対応付けられた荷重、荷重を負荷した時間、荷重を除去した時間といった荷重に関する情報を記録し、データ処理手段９に出力する。

ステレオカメラ制御／画像データ記録手段１１は、ステレオカメラ７Ａ、７Ｂ、７Ｃの位置や、撮映条件等を制御すると共に、２台１組のカメラを有するステレオカメラ７Ａ、７Ｂ、７Ｃのそれぞれの画像データによって取得された画像データを記録する。なお、画像データは、撮映された時間や、撮映を開始してから経過した時間等の時間情報が対応付けられている。ステレオカメラ７Ａ、７Ｂ、７Ｃによって撮影された画像は、時間情報と共に、データ処理手段９に出力される。

データ処理手段９は、ステレオカメラ７Ａ、７Ｂ、７Ｃによって取得された画像データから、ステレオマッチング法により車体５の奥行き方向の情報を取得し、３次元画像データを生成する。

具体的には、データ処理手段９は、ステレオカメラ７Ａの２台のカメラにより得られた１対の画像の中から、決められた大きさの画像を切り出す。そして、左右の切り出した画像のパターン比較を行って、３次元座標に変換された点群データを定義する。これにより、２台のカメラによって得られた画像データから、３次元画像データを生成する。データ処理手段９は、生成した３次元画像データに、前述した撮影時間、撮影開始からの経過時間等の時間情報を対応付けて記憶する。なお、データ処理手段９は、ステレオカメラ７Ｂ、７Ｃについても同様の処理を行う。

ここで、自動車の車体や部品の表面は、一般的に単調な塗装が施されており、撮映画像のパターン認識が難しい。そのため、ペイントスプレーなどを用いて、測定対象の部材にランダムな模様を付すことが好ましい。

次に、データ処理手段９は、アクチュエータ制御手段８から、荷重を開始した時間、荷重を負荷した時間、荷重を除去した時間や、時間に対応付けられた荷重等といった荷重に関する情報を取得する。データ処理手段９は、得られた３つの３次元画像データの時間情報と、アクチュエータ制御手段８から入力される荷重に関する時間情報を参照することによって、３次元画像データと荷重に関する情報の時間情報を対応付ける。

一方、データ処理手段９には、デジタイザ６によって計測された基準点の３次元位置（空間座標）が入力されている。データ処理手段９は、生成した点群データ（３次元画像データ）の空間座標に、任意の基準点の３次元位置を重畳することにより、３つの３次元画像データに、基準点に基づいた空間座標を与える。

ここで、点群データ（３次元画像データ）と、荷重の負荷状況は、時間情報が対応付けられている。そのため、３次元画像データと荷重の負荷状況の時間情報を参照することにより、点群データの変位を追跡することができる。これにより、点群データの動的な変位を解析することができる。

ここで、複数のステレオカメラ７Ａ、７Ｂ、７Ｃによって生成された３次元画像データは、基準点の３次元位置に基づいた同一の空間座標が与えられている。そのため、車体５全体といった比較的広い範囲の剛性を計測する場合には、複数のステレオカメラ７Ａ、７Ｂ、７Ｃによって生成された同じ座標系の３次元画像データを合成することで、車体５の３次元画像データを取得することができる。

次に、車体剛性試験装置１０の動作について説明する。

アクチュエータ制御手段８は、アクチュエータ３を制御し、車体５やその部品に荷重を負荷する。このとき、アクチュエータ制御手段８は、荷重開始の時間、時間に対応付けられた荷重、荷重を除去した時間等の荷重に関する情報をデータ処理手段９に出力する。

デジタイザ６は、車体５やその周辺で基準点となる任意の点の３次元位置を検出し、データ処理手段９に出力する。

ステレオカメラ７Ａ、７Ｂ、７Ｃによって、荷重前後の測定対象の画像を撮映する。ステレオカメラ制御／画像データ記録手段１１は、ステレオカメラ７Ａ、７Ｂ、７Ｃによって撮映された画像を記録する。ステレオカメラ制御／画像データ記録手段１１は、ステレオカメラ７Ａ、７Ｂ、７Ｃによって撮映された画像を、データ処理手段９に出力する。

データ処理手段９は、ステレオカメラ７Ａ、７Ｂ、７Ｃの左右のカメラにより得られた１対の画像の中から、決められた大きさの画像を抽出し、左右の画像のパターン比較を行って、３次元座標に変換された点群データを定義し、３次元画像データを生成する。

データ処理手段９は、生成した３次元画像データの空間座標を、デジタイザ６によって検出された基準点の空間位置を基準とした空間座標に変換する。

データ処理手段９は、３次元画像データの時間情報と、アクチュエータ制御手段８から入力される時間情報を参照することで、３次元画像データと荷重に関する情報を対応付ける。

これにより、３次元画像データと荷重情報が対応付けられ、測定範囲に含まれる車体５や部品の変形を、動的に追跡することができる。

このように、本実施の形態１に係る車体剛性試験装置１０によれば、ステレオカメラ７Ａ、７Ｂ、７Ｃによって、測定したい任意の範囲を撮映するだけで、計測範囲を容易に広げることができる。

また、本実施の形態１に係る車体剛性試験装置１０によれば、ステレオカメラ７Ａ、７Ｂ、７Ｃによって撮映された画像データから３次元画像データを生成することで、変形情報を３次元画像データとして取得することができる。

また、本実施の形態１に係る車体剛性試験装置１０によれば、生成した点群データの空間座標を、デジタイザ６によって計測された基準点の空間座標に基づいた空間座標に変換することで、複数のステレオカメラによって取得された画像から生成された３次元画像データを、簡単に合成することができる。

さらに、本実施の形態１に係る車体剛性試験装置１０によれば、測定結果として３次元画像データが得られるため、３次元画像データをコンピュータに入力すれば、さらにコンピュータによる応力等の数値解析を行うことができる。なお、本車体剛性試験装置１０から得られる測定結果は、実際の車体を用いて得られた実験結果であるため、数値解析だけで車体の剛性解析を行うよりも、解析精度を高めることができる。

さらに、本実施の形態１に係る車体剛性試験装置１０によれば、制御手段１２によって、変形情報を示す３次元画像データと、荷重に関する情報とを対応付けることができるため、アクチュエータ３の負荷状況と変位データを同期させて記録することができる。そのため、荷重の負荷に応じた各点の動きを追跡することが容易となり、剛性解析に要する作業負担を軽減することができる。

なお、ステレオカメラ７Ａ、７Ｂ、７Ｃは、それぞれ２台のカメラを備えているとして説明したが、２台以上のカメラを設置してもよい。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２に係る車体剛性試験装置１３について説明する。図２は、本発明の実施の形態２に係る車体剛性試験装置１３の全体構成を示す概略図である。この車体剛性試験装置１３の特徴は、デジタイザ６とステレオカメラ７が一体化されている点にある。デジタイザ６は、ステレオカメラ７の２台のカメラの間に設けられている。なお、他の構成については、実施の形態１と同様であるため、同一符号を付すことによりその説明を省略する。

このように構成された車体剛性試験装置１３では、デジタイザ６とステレオカメラ７が一体化されているため、検出部の省スペース化を図ることができる。そのため、例えば、図３に示すような、車内の一部を評価したい場合、一体化されたデジタイザ６とステレオカメラ７を評価部に向けることで、容易に剛性を評価することができる。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について説明する。実施の形態１及び２では、デジタイザ６によって基準点の３次元位置を計測し、この基準点の３次元位置に基づいて、生成された３次元画像データに空間座標を与えていたが、剛性の解析対象となる部位が特定の限られた部分である場合には、１つのカメラで取得される撮映範囲に、少なくとも３箇所以上の基準マーカーを設け、各基準マーカーに予め定義された３次元位置座標を使用して、測定された点群データの各点に３次元座標を与えるように構成することもできる。なお、基準マーカーは、同一形状で、車体５とのコントラストが明確となるものを用いるとよい。

１ テストベッド
２ 支持部材
３ アクチュエータ
４ 変位計
５ 車体
６ デジタイザ
７Ａ、７Ｂ、７Ｃ ステレオカメラ
８ アクチュエータ制御装置
９ データ処理手段
１０、１３ 車体剛性試験装置
１１ ステレオカメラ制御／画像データ記録手段
１２ 制御手段

Claims (6)

1. 車体及び／又はその部品にアクチュエータにより荷重を与える荷重負荷手段と、
   前記アクチュエータを制御し、車体及び／又はその部品に負荷する荷重を調整するアクチュエータ制御手段と、
   異なる方向から前記車体の画像を取得する２台以上のカメラを備えた３組のステレオカメラと、
   当該３組のステレオカメラで取得された画像データを記録しデータ処理手段に出力するステレオカメラ制御／画像データ記録手段と、
   前記アクチュエータ制御手段により負荷する荷重と前記３組のステレオカメラの撮映タイミングを同期させ、前記３組のステレオカメラで取得された画像データの時間情報と前記アクチュエータ制御手段から入力される時間情報を対応付け、前記ステレオカメラ制御／画像データ記録手段からの前記３組のステレオカメラで取得された画像データを合成して車体の３次元画像データを生成し、前記荷重の負荷に応じた前記車体及び／又はその部品の変形を前記３次元画像データに基づき動的に追跡し、前記アクチュエータの負荷状況と変位データを同期させて記録して、前記車体及び／又はその部品の動的な変位量の測定を行うデータ処理手段と、
   を備えたことを特徴とする車体剛性試験装置。
2. 前記データ処理手段は、前記３次元画像データと、前記荷重負荷手段より前記車体及び／又はその部品に負荷された荷重に関する情報とを対応付けて記憶することを特徴とする請求項１に記載の車体剛性試験装置。
3. 前記車体、その部品、又は、その周辺の任意の位置の３次元位置情報を取得するデジタイザを備え、
   前記データ処理手段は、前記任意の位置の前記３次元位置情報を用いて、前記３次元画像データの点群データに、３次元座標情報を付与する請求項１又は２に記載の車体剛性試験装置。
4. 前記デジタイザは、多関節アームに取り付けられ、
   前記多関節アームに、さらに前記２台以上のカメラが設置され、前記ステレオカメラの前記３次元位置情報を前記デジタイザによって測定し、
   前記ステレオカメラの前記３次元位置情報に基づいて、前記３次元画像データの点群データに、３次元座標情報を付与する請求項３に記載の車体剛性試験装置。
5. 前記データ処理手段は、
   前記ステレオカメラによって撮映される撮影範囲において、少なくとも３箇所以上に設けられた基準マーカーの３次元位置情報を用いて、前記３次元画像データの点群データに、３次元座標情報を付与する請求項１又は２に記載の車体剛性試験装置。
6. 車体及び／又はその部品に、アクチュエータ制御手段により制御されるアクチュエータにより負荷する荷重を与え、
   異なる方向から画像を撮影する２台以上のカメラを有する３組のステレオカメラで、前記アクチュエータ制御手段により負荷する荷重と撮影タイミングを同期させて前記車体を撮映し、
   前記３組のステレオカメラで取得された画像を合成して３次元画像データを生成し、
   前記３次元画像データの時間情報と前記アクチュエータ制御手段から入力される時間情報を対応付けて、前記荷重の負荷に応じた前記車体及び／又はその部品の変形を前記３次元画像データに基づき動的に追跡し、前記アクチュエータの負荷状況と変位データを同期させて記録して、前記車体及び／又はその部品の動的な変位量の測定を行うことを特徴とする車体剛性試験方法。