李彥廣,劉愛(ài)軍

（商洛學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系，商洛，726000）

0 引言

運(yùn)用“軟件化”的虛擬檢測(cè)工具進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)是虛擬維修樣機(jī)故障檢修三維視景仿真的重要內(nèi)容，探頭組作為虛擬檢測(cè)工具獲取檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)的關(guān)鍵部件，是剛性部件和柔性線纜的組合體。由于探頭組組成要素的特性和建模方法差異較大，在探頭組運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，既要使整體產(chǎn)生自然的彎曲變形，又要確保各組成要素不發(fā)生脫節(jié)，保持探頭組的完整性，必須對(duì)探頭組進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，增強(qiáng)信號(hào)檢測(cè)過(guò)程仿真的真實(shí)感。為此，本文依托Virtools虛擬仿真平臺(tái)，采用基于離散控制點(diǎn)的柔性線纜建模方法，構(gòu)建探頭組模型，并編輯運(yùn)動(dòng)控制算法和程序，確保探頭組在信號(hào)檢測(cè)仿真中進(jìn)行逼真的運(yùn)動(dòng)。

1 探頭組結(jié)構(gòu)模型

探頭組由固定接頭、柔性線纜和探頭三部分組成，如圖1所示，固定接頭在固定坐標(biāo)上與虛擬檢測(cè)工具主體緊密相連，不可移動(dòng)。探頭由探頭主體和探點(diǎn)組成，探點(diǎn)與檢測(cè)點(diǎn)的碰撞是觸發(fā)顯示信號(hào)波形的信息來(lái)源。柔性線纜是固定接頭和探頭的聯(lián)接體，具備自然彎曲、扭曲、變形等柔性特質(zhì)，其空間位置和姿態(tài)由離散控制點(diǎn)決定，同時(shí)需要為其設(shè)置截面半徑、表面材質(zhì)、總長(zhǎng)度、重量和彈性等基本物理屬性。

圖1 探頭組結(jié)構(gòu)模型

2 基于Virtools的探頭組建模方法

虛擬檢測(cè)工具探頭組的固定接頭和探頭屬于剛性部件，運(yùn)用3DMAX建立三維模型后導(dǎo)入Virtools平臺(tái)可完成建模。通過(guò)3DMAX建立的導(dǎo)線三維模型導(dǎo)入VT平臺(tái)后生成的是剛性物體，在長(zhǎng)度和粗細(xì)固定時(shí)，無(wú)法體現(xiàn)自然扭曲、彎曲等柔性特質(zhì)，因此，只能在VT平臺(tái)下直接建立導(dǎo)線模型，通過(guò)繪制Curve曲線，添加一定數(shù)量的離散控制點(diǎn)，并運(yùn)用行為模塊設(shè)置運(yùn)動(dòng)控制規(guī)則，使導(dǎo)線具備完整的柔性特質(zhì)。建模步驟為：

1)利用3D Layout區(qū)Creation Tools的Create Curve按鈕繪制曲線，通過(guò)調(diào)整離散控制點(diǎn)設(shè)置曲線初始位置和總長(zhǎng)度。

2)在Curve Setup中設(shè)置曲線的平滑開(kāi)放屬性，調(diào)整離散控制點(diǎn)的個(gè)數(shù)，并記錄相鄰控制點(diǎn)間的長(zhǎng)度。

3)在Level Manager中創(chuàng)建離散控制點(diǎn)組，將曲線上的所有控制點(diǎn)發(fā)送至該組。

4)創(chuàng)建曲線仿真腳本，應(yīng)用物理化模塊Physicalize BB使導(dǎo)線具備相應(yīng)的物理學(xué)屬性。

5)通 過(guò) Move To、Object Slider、Keep At Constant Distance等模塊，設(shè)置探頭組的運(yùn)動(dòng)控制程序。

3 探頭組運(yùn)動(dòng)控制

3.1 運(yùn)動(dòng)控制算法

運(yùn)用密集的離散控制點(diǎn)將長(zhǎng)度為L(zhǎng)的導(dǎo)線分為N等份，控制點(diǎn)數(shù)i=N+1，當(dāng)N值取足夠大時(shí)，可使得三個(gè)相鄰的控制點(diǎn)近似處于同一直線上（可根據(jù)實(shí)際導(dǎo)線對(duì)折后彎曲部位的長(zhǎng)度設(shè)定每等份的長(zhǎng)度，依此確定控制點(diǎn)數(shù)），導(dǎo)線末端控制點(diǎn)Curve-Point000N與固定接頭相連，坐標(biāo)為PN(XN，YN，ZN)，在已知所有控制點(diǎn)的初始位置Pi(Xi，Yi，Zi)和第一控制點(diǎn)運(yùn)動(dòng)1幀后所處當(dāng)前位置坐標(biāo)P′0 (X′0，Y′0，Z′0)的前提下，求解所有控制點(diǎn)的當(dāng)前位置坐標(biāo)P′i (X′i，Y′i，Z′i)。

以前三個(gè)控制點(diǎn)為例，由于三個(gè)控制點(diǎn)所處的導(dǎo)線段近似于直線段，在XOY平面和XOZ平面上的投影也為一條直線段（假設(shè)不出現(xiàn)投影為點(diǎn)的情況），如圖2所示，導(dǎo)線段運(yùn)動(dòng)前后在同一平面上的投影線段相似，根據(jù)相似原理可得：

由上式得：

由于采用Keep At Constant Distance模塊使相鄰控制點(diǎn)間的長(zhǎng)度保持L/N不變，且三點(diǎn)間的線段為直線段，則根據(jù)三維

坐標(biāo)系中點(diǎn)間長(zhǎng)度計(jì)算公式可得：

由（4）～（9）式可求得P′1(X′1，Y′1，Z′1)和P′2(X′2，Y′2，Z′2)，依此方法可算出所有控制點(diǎn)的當(dāng)前位置坐標(biāo)。

3.2 運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程

信號(hào)檢測(cè)過(guò)程中，線纜末端控制點(diǎn)跟隨探頭移動(dòng)，并通過(guò)距離約束牽引前一控制點(diǎn)發(fā)生位移，通過(guò)逐點(diǎn)的牽引使探頭組發(fā)生自然的變形。同時(shí)，探頭組始末兩端一般分置于機(jī)柜內(nèi)外，為避免導(dǎo)線與裝備模型發(fā)生穿透現(xiàn)象，需要在導(dǎo)線和裝備模型間建立碰撞檢測(cè)。導(dǎo)線的空間位置和姿態(tài)由控制點(diǎn)決定，其碰撞檢測(cè)通過(guò)離散控制點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)Object Slider模塊實(shí)現(xiàn)碰撞滑動(dòng)，當(dāng)離散控制點(diǎn)與裝備模型的距離小于某預(yù)設(shè)值（發(fā)生碰撞）時(shí)，離散控制點(diǎn)做出沿著裝備模型表面滑動(dòng)的反應(yīng)，改變位置坐標(biāo)，因此距離保持和碰撞檢測(cè)共同決定離散控制點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)中的位置坐標(biāo)變化。

探頭組運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖3所示，設(shè)導(dǎo)線共有n個(gè)離散控制點(diǎn)，其中，首端控制點(diǎn)1與固定接頭連接，保持位置坐標(biāo)不變，其它控制點(diǎn)的位置坐標(biāo)可變，控制點(diǎn)間長(zhǎng)度為l(n-1)n。探頭組運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程如圖4.4所示，探頭沿路徑每移動(dòng)1幀（約30ms），與裝備模型進(jìn)行碰撞檢測(cè)，若發(fā)生碰撞滑動(dòng)響應(yīng)，探頭坐標(biāo)做出調(diào)整，導(dǎo)線末端控制點(diǎn)n移動(dòng)到探頭位置，若不發(fā)生碰撞，控制點(diǎn)n直接移動(dòng)到探頭位置，與探頭保持相對(duì)位置不變；控制點(diǎn)n發(fā)生位移時(shí)也需進(jìn)行碰撞檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果調(diào)整位置坐標(biāo)，控制點(diǎn)n-1在長(zhǎng)度l(n-1)n的約束下，受控制點(diǎn)n的“牽引”而發(fā)生位置變化，而控制點(diǎn)2即要受控制點(diǎn)3的“牽引”，又要與固定端控制點(diǎn)1保持固定長(zhǎng)度l12。通過(guò)后一控制點(diǎn)對(duì)前一控制點(diǎn)的“牽引”方式，使導(dǎo)線整體發(fā)生形態(tài)變化。

3.3 運(yùn)動(dòng)控制仿真

當(dāng)探頭發(fā)生旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)行為時(shí)，導(dǎo)線應(yīng)根據(jù)探頭的位置變化進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制，以保持探頭組的完整性。在Virtools虛擬仿真平臺(tái)中，設(shè)置探頭與導(dǎo)線連接點(diǎn)為探頭的坐標(biāo)中心，當(dāng)探頭運(yùn)動(dòng)一幀時(shí)，運(yùn)用Move To模塊使導(dǎo)線末端點(diǎn)Curve_piont05移動(dòng)到探頭坐標(biāo)中心，與探頭保持相對(duì)位置不變，同時(shí)，參照探頭導(dǎo)線的控制點(diǎn)間長(zhǎng)度，通過(guò)Keep At Constant Distance模塊使控制點(diǎn)從后往前依次發(fā)生牽引運(yùn)動(dòng)，使導(dǎo)線整體發(fā)生自然的柔性變形。運(yùn)動(dòng)控制仿真程序腳本如圖4所示。

圖2 探頭組導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)分析

圖4 探頭組運(yùn)動(dòng)控制仿真程序腳本

4 結(jié)語(yǔ)

探頭組是信號(hào)檢測(cè)仿真中獲取虛擬裝備輸出信號(hào)的關(guān)鍵部件，建立真實(shí)感強(qiáng)的探頭組模型，對(duì)于確保信號(hào)檢測(cè)仿真過(guò)程的真實(shí)感具有重要作用。本文依托Virtools平臺(tái)，構(gòu)建探頭組結(jié)構(gòu)模型，提出探頭組運(yùn)動(dòng)控制算法，設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程，并基于此編寫仿真程序腳本，使探頭組模型具備柔性特質(zhì)，并通過(guò)信號(hào)檢測(cè)過(guò)程仿真實(shí)例驗(yàn)證了建模方法的可行性。

圖3 碰撞檢測(cè)條件下探頭組運(yùn)動(dòng)控制

[1]劉檢華，萬(wàn)畢樂(lè)，寧汝新.虛擬環(huán)境下基于離散控制點(diǎn)的線纜裝配規(guī)劃技術(shù)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2006，42(8)：125-130.

[2]萬(wàn)畢樂(lè)，寧汝新，劉檢華，熊珍琦.虛擬環(huán)境下的線纜裝配建模技術(shù)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，18(1)：267-274.

[3]魏發(fā)遠(yuǎn)，王峰軍，陳新發(fā).含有柔性電纜的復(fù)雜系統(tǒng)裝配仿真[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2007，14(1):25-30.