基于VSA軟件對ADAS外參角度的研究

戴大力　張興旺　褚雪偉　祝桂榮　田燕

摘 要：ADAS功能的實現基于攝像頭或雷達的探測，安裝在車輛上的攝像頭或雷達因安裝過程、車身尺寸及相關零件的尺寸偏差等原因，其安裝角度會存在誤差。ADAS外參角度超差，將引發誤報、錯報、鬼影等一系列同題，從而直接降低自動駕駛的安全性和可靠性。所以在ADAS開發設計階段，如何保證整車外參角度是功能開發的重點。本文就介紹尺寸工程在ADAS方面的應用，通過尺寸仿真分析軟件對影響ADAS相關攝像頭的外參角度進行分析，給出攝像頭裝配在整車上的最優裝配定位結構，制定相應的尺寸控制策略以滿足ADAS標定的角度要求。

關鍵詞：ADAS 攝像頭 尺寸工程 定位結構 VSA

ADAS即Advanced Driving Assistant System，翻譯過來就是先進駕駛輔助系統， 其原理是通過車上的多個傳感器，配合 GPS 實時對路況和周邊環境進行分析，提前做出危險預判，為行車安全帶來保障。

近年來，隨著新能源汽車的發展，智能化是新能源汽車的主打方向，包括造車新勢力在內的主流車企將發展智能網聯汽車提升為重點戰略，智能網聯汽車將成為汽車產業轉型升級的重點領域，而作為新興的汽車主動安全電子系統的ADAS也正在快速發展，隨著成本的降低，從原有的高端車型逐步進入中低端車型。

本文以ADAS傳感器系統中前雙目攝像頭為例，探討如何根據攝像頭相關功能目標參數（pitch角、roll角、yaw角）正向開發角度尺寸參數，包括布置方式、定位策略、裝配方案、尺寸需求、質量目標等，從而形成較為完善的攝像頭相關尺寸工程開發工作的方法。本文通過VSA軟件對于相關攝像頭進行模擬裝配并分析驗證外參角度的偏差范圍，通過模型中分析的結果給出優化方案，使得攝像頭的角度偏差范圍能夠滿足目標要求。而VSA軟件是一個非常優秀的三維尺寸公差分析和優化的軟件，屬于Teamcenter Visualization Mockup的一個接插件，使用標準的JT輕量化數據。通過模擬現場實際的裝配順序及工藝過程，來模擬實際的裝配制造誤差。

1 ADAS相關傳感器簡介

ADAS相關傳感器主要包括：雷達和攝像頭兩類，按照功能區分雷達又分為超聲波雷達、毫米波雷達、激光雷達等；攝像頭又分為前視攝像頭、環視攝像頭、側視攝像頭、OMS攝像頭等等。

其中攝像頭的工作原理是目標物體通過鏡頭（LENS）生成光學圖像投射到圖像傳感器上，光信號轉變為電信號，再經過A/D（模數轉換）后變為數字圖像信號，最后送到DSP（數字信號處理芯片）中進行加工處理，由DSP將信號處理成特定格式的圖像傳輸到顯示屏上進行顯示。

2 攝像頭的角度目標要求

ADAS標定主要是對攝像頭裝配角度的標定，攝像頭的外參角度是指攝像頭在安裝過程中存在的角度誤差，包括Pitch角 （a） 、Yaw角 （b） 和Roll角（c），如圖1所示。在尺寸校核中主要是針對這三個角度的偏差進行校核。

行業內對于ADAS camera的安裝精度一般要求如圖2所示：

攝像頭安裝角度超差造成盲區增加，布置的時候按照設計進行了嚴格的布置確認，安裝的超差是不能允許的。例如后視攝像頭：攝像頭向下偏，如圖3所示：

后視攝像頭安裝點比較低，離地距離只有0.566m，在車后2m的地方可看到的物體高度僅有1.6m，如果此時攝像頭角度向下偏3°時，2m處能看到的高度降到1.5m，會造成目標圖像不全造成漏檢，超過3°時位置更低，會造成無法檢測到靠近自車的目標。

前視攝像頭也是相同的原理，攝像頭角度偏低或者偏高時會影響整體圖像的范圍，當攝像頭的角度偏低時就是鏡頭的光軸向下偏差，在標定時對應輸出的圖像就是下圖，可以看到超差的圖像中上側的三個黑色的方格最上側已有一部分看不到，而合格的圖像中應該是三個方格要全部在鏡頭的圖像范圍之內。

3 前視攝像頭的角度分析

3.1 布置位置及定位方式

前視攝像頭一般是布置在前風窗玻璃上或者在車頂位置，目前大多數車企是將前視攝像頭布置于駕駛艙內，靠近前風窗玻璃頂端車身中軸附近，如圖５。

在此也是以裝配在前風窗玻璃上的前雙目攝像頭為例進行角度的尺寸公差校核。前雙目攝像頭在前風窗玻璃上的裝配形式如下圖6，前雙目攝像頭通過兩個定位孔和兩個安裝孔通過螺栓裝配定位在前風擋玻璃上的安裝底座上，然后作為一個總成裝配在整車上。玻璃在整車上的安裝定位即采用傳統的定位銷自定位裝配在整車上。

3.2 三維仿真分析

基于現有的裝配定位方式，通過VSA軟件進行仿真分析，按照實際的裝配定位方式，在軟件上進行裝配，以攝像頭的光軸中心建立三個面，用以測量角度偏差，三維仿真計算結果如圖7。

通過模型分析發現Pitch角存在2.5%的概率超差，對應的Pitch角主要影響因素如下表1：

從影響因素中可以看出，前風窗玻璃上攝像頭的安裝面的輪廓度是對Pitch角影響占比最大的，由于Pitch角度超差2.5%，需要將這個超差率降低到0.1%之內，所以在尋找方案時主要就是考慮降低這個影響因素對于超差的影響占比，通過模型仿真將攝像頭支架的寬度增加可以明顯降低這個影響占比，在模型中將攝像頭支架的寬度由10mm增加到14mm，影響因素占比變化如下表2，超差概率也從2.5%變化到0.08%，可以滿足公差要求。

通過影響占比也可以看出后續需要重點控制的影響因素就是前風窗玻璃上攝像頭安裝面的輪廓度，需要在實物階段重點檢測控制此處的尺寸公差。

在模型分析中Yaw角和Roll角的主要影響因素分別如表3和表4中所示，在分析中Yaw角和Roll角都可以做到要求的公差范圍之內，但Yaw角需要重點關注前風窗玻璃總成上攝像頭安裝面輪廓度，Roll角需要重點關注前風窗玻璃總成上攝像頭的主副定位銷的位置度。

4 結構設計要點及總結

4.1 結構設計要點

其他攝像頭的裝配安裝結構與前雙目攝像頭基本一致，分析結果和影響因素也大致相同就不在此進行詳細的解析。從前雙目攝像頭案例可以看出在結構設計上對于攝像頭角度的影響點。

對于Pitch角影響最大的是攝像頭與對手件安裝時安裝面的輪廓度或者平面度，相同公差標準下搭接平面越大對于Pitch角的偏差影響就越小，攝像頭的鏡頭中心越靠近安裝面的中心線對于Pitch角的影響就越小。對于Yaw角和Roll角基本的結構都可以滿足角度的公差要求，但還是要注意對于關鍵點影響點的質量控制。在處理分析相關攝像頭角度的是否對于結構有一下幾點供參考：

a、對于螺絲固定形式，推薦使用三支腳安裝。采用三支腳安裝形式，可以有效增加安裝面積，減少因為安裝面的偏差導致的攝像頭的旋轉。定位可以在安裝腳面（固定面）處開銷孔配合或在攝像頭前蓋處采用限位筋進行前部定位。

b、若無法滿足三支腳安裝，采用兩支腳安裝點，則安裝與定位應等效三支腳形式，定位有效，預安裝時有穩定基面放置，兩支腳安裝又要注意一下兩點：

1）兩個安裝面（中心點）連線的垂直方向尺寸應≥產品同向方向尺寸2/3，保證覆蓋零件質心，提供穩定基面放置；此可等效視同三支腳形式，定位可以在安裝腳面（固定面）處開銷孔配合或在攝像頭前蓋處采用限位筋進行前部定位。

2）若安裝面較小，無法滿足2/3零件尺寸覆蓋，則必須至少有兩處定位面，固定面定位+攝像頭的前部定位。定位間隙要求：單邊間隙0.1mm。

4.2 總結

設計階段：首先尺寸工程與相關部門一起明確項目中攝像頭或其他有角度要求的零部件，形成校核的清單；其次在數據出來之后進行三維仿真分析，形成分析報告，對于不合格的角度給出改進建議；最后根據報告形成完備的控制要點，對于影響零件角度的重要影響因素要在產品圖樣上標注清楚，在檢具方案上要重點關注，保證在檢具上相關控制點的可以檢測到。

實物驗證階段：首先需要重點關注在校核分析報告中影響因素比較大的零件的狀態，作為關鍵零件進行檢測確認；其次結合現場實車標定報告，根據前期校核的關鍵點協助分析實物標定問題反向進行驗證前期的設計。

5 結論

本文重點針對ADAS標定中的攝像頭的相關角度進行分析，以前雙目攝像頭為例闡述了從前期設計階段的攝像頭相關的角度要求，到尺寸目標的分解、結構分析、方案驗證、尺寸策略制定，再到后期質量目標監控策略等，詳細說明了ADAS系統中攝像頭在尺寸工程開發過程的工作方法。

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