一种虚拟柔性电缆的混合建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于柔性物体建模的技术领域，具体是虚拟环境下一种柔性电缆的混合建 模方法。
【背景技术】
[0002] 柔性电缆是机电产品中非常重要的组成部件，电缆的合理布局和可靠安装将直接 影响到机电产品的质量和性能。传统电缆布局安装是通过在实物样机上进行的，需通过多 次反复试装来逐步完善，因此导致电缆布局安装的整体效率差。
[0003] 虚拟现实技术的出现为在虚拟环境下柔性电缆建模和仿真提供了新的方法，使得 柔性电缆的建模和仿真问题越来越受到关注。目前针对电缆的建模研究已经取得了一定的 成果。在2000年，Hergenrother等就提出了虚拟电缆的概念，且利用大小相同的圆柱体， 通过球形节点连接来对电缆建模，节点处采用螺旋弹簧表示电缆的抗弯特性，并利用了能 量优化法确定电缆最终形态。中国工程物理研究院总体工程研究所的王峰军、魏发远等在 2008年9月进一步公开了基于能量优化的电缆几何建模的方法；该方法更多的体现的是电 缆姿态的逼真度上的静态效果。北京理工大学的王志斌、刘检华等在2014年2月公开了面 向电缆虚拟装配仿真的多分支弹簧质点模型，对质点弹簧的柔性电缆的建模方法进行了研 究。质点弹簧法在表现电缆运动过程中的姿态逼真度上很有优势。这两种方法只是被单一 运用到电缆建模中。但是，在实际情况下，经常出现对电缆的不同部位的要求不同，有些部 位对电缆的静态的逼真度要求较高，例如在被两个卡箍固定的那部分电缆。而有些部位对 电缆的动态姿态的逼真度要求较高，例如靠近电连接器的部位的电缆，在维修排故过程中 经常需要对其进行插拔。
【发明内容】
[0004] 本发明为了实现电缆在虚拟仿真中能够真实地体现电缆的物理特性和运动特征， 提高电缆模型精确性和逼真度，提供了一种虚拟柔性电缆的混合建模方法。
[0005] 本发明提供的虚拟柔性电缆的混合建模方法，包括如下步骤：
[0006] 步骤1 :构建柔性电缆的混合模型；
[0007] 设将电缆分成了 N段，对要求静态姿态逼真度高的子电缆采用能量优化法建模， 对要求动态实时姿态逼真度高的子电缆采用质点弹簧法建模；设第m段子电缆要求静态姿 态逼真度高，设第m+1段子电缆要求动态实时姿态逼真度高；N、m均为正整数；
[0008] 步骤1. 1，利用能量优化法建立第m段子电缆模型；
[0009] 步骤1. 2,利用质点弹簧法建立第m+1段子电缆模型；
[0010] 步骤1. 3,设Ani为第m段子电缆和第m+1段子电缆的连接点，设置所连接的两个子 电缆段过同一定点的约束，以及在该连接点处所连接的两个子电缆段的切线方向一致的约 束；
[0011] 步骤1. 4,确定柔性电缆的混合模型如下：
[0013] 其中，E_TC表示第m段子电缆的总能量，α为电缆的拉伸系数，β为电缆的弯曲 系数，W表示第m段子电缆拟合的曲线，Wu和W uu分别表示曲线W沿参数方向的一阶导数和 二阶导数，参数u e [0, 1] ;f是单位长度电缆的重量；第m+l段子电缆的表达式表示该段 子电缆段中所用控制点的运动规律，第m+1段子电缆离散为η段，X 0i^ih表示该段子电缆第 i+Ι个控制点在三维空间中的位置，是模型的求解目标，表示该控制点的质量，i = 0, 1，···，!! 表示防止计算过程中质点过度震荡设置的阻尼系数，与质点的运动速度有关， F外表示控制点所受外力，Frt (Xwibt)表示控制点所受内力，它们均随控制点位 置和时间t的变化而变化。
[0014] 在连接点Ani处满足如下约束：
[0015] 所连接的两个子电缆段过同一定点的约束：
[0016]
[0017] 其中，Wnil (Uni)表示曲线Wnil (U)通过型值点Ani，曲线在该点的参数值为IV Bji2 (Uni) 为对应的二次B样条基函数，1为用于描述二次B样条曲线的特征多边形顶点；M表示连接 点Ani的质量，F %分别为连接点所受的内力和外力；
[0018] 所连接的两个子电缆段的切线方向一致的约束：
[0019]
[0020] 其中，Wnil(Uni)表示第m段子电缆上第i段曲线W nil(U)通过连接点Ani，且Wnil(U)在该 点的参数值为um;Wmiu(Um)表示曲线Wmi(U m)沿参数方向的一阶导数；1\表示单位向量，为连 接点Ani与相邻控制点X 的切线方向，V η V1+1和V 1+2表示用于描述二次B样条曲线的特 征多边形顶点。
[0021] 步骤2,处理电缆的约束，约束包括端点约束和卡箍约束。
[0022] 针对基于分别针对采用能量优化法所建的子电缆模型，以及采用质点弹簧法所建 的子电缆模型，进行约束处理。
[0023] 本发明的优点与积极效果在于：本发明解决了在实际情况中，对电缆不同部位所 表现的物理特性和运动特性的要求有所偏重的问题。本发明所建立的柔性电缆的混合模 型，还可根据实际的需要选择合适的方法进行电缆建模；使建立的柔性电缆模型，在虚拟环 境下，不仅满足虚拟环境对电缆运动姿态的实时性要求，而且在电缆模型中尽可能多地考 虑了电缆的物理属性，使其形态更加符合物理性质的要求，提高了柔性电缆模型的真实性。 为后续的虚拟电缆布局、装配、总装排故和维修仿真提供支撑。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明柔性电缆的混合模型示例图；
[0025] 图2为线性弹簧受力示意图；
[0026] 图3为卷曲弹簧受力示意图；
[0027] 图4为典型电缆约束情况示意图；
[0028] 图5为某种设备的局部电缆分布示意图；
[0029] 图6为柔性电缆的圆环弹开过程示意图；
[0030] 图7为图6实际情况中的简化图；
[0031] 图8为柔性电缆在重力情况下的下垂情况示意图。
【具体实施方式】
[0032] 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0033] 本发明为了提高电缆仿真的真实性，结合能量优化法和质点弹簧法的特点提出了 一种虚拟柔性电缆的混合建模方法。在电缆仿真中，按照电缆不同部分的要求将电缆分段 处理，并根据能量优化法和质点弹簧法的特点，对静态姿态的逼真度要求较高的那些固定 的子电缆段，采用能量优化法进行柔性电缆建模；而对动态实时姿态逼真度的要求较高的 那些在布线、装配、维修及在总装排故操作中经常涉及到插拔等操作的子电缆段采用质点 弹簧法进行柔性电缆建模，从而使虚拟电缆模型的精确性和逼真度更高。由于两种方法所 建立的模型不同，因此需要考虑如何将两种方法所建立的电缆段模型结合起来，这就要求 在连接点处进行处理，以保证整体电缆模型的精确性和逼真度。
[0034] 下面对本发明虚拟柔性电缆的混合建模方法的具体实现步骤进行详细说明。
[0035] 步骤1 :构建柔性电缆的混合模型。
[0036] 本发明柔性电缆的混合模型是按照不同的要求采取能量优化法和质点弹簧法对 电缆进行分段建模。假设电缆被分成了 N段，N为正整数，Ani记为第m段子电缆和第m+1 段子电缆的连接点，并假设第m段子电缆对静态姿态逼真度要求高，因此采用了能量优化 法对其建模，第m+1段子电缆对实时的运动姿态逼真度要求高，采取了质点弹簧法对其建 模。如图1所示是电缆的第m段和m+1段子电缆的混合模型。图1中，第m+1段子电缆为 质点-弹簧模型，其中 X(m+l)i、