CN102385762B - 集成Modelica的三维视景仿真系统 - Google Patents

Abstract

一种集成Modelica 的三维视景仿真系统， 其中： Modelica 多学科仿真接口模块连接 Modelica 多学科仿真模块，处理并监控 Modelica 的仿真状态信号和数据输出；消息队列模块建立和 Modelica 仿真接口模块通讯以及视景对象运动控制通讯的消息队列；消息调度模块用来保证系统的实时性；视景对象运动控制模块生成三维仿真场景的运动控制指令以及可视化模块需要的运动参数；三维仿真场景模块根据导入的几何文件建立场景树；可视化模块通过场景图和特效命令，利用三维场景仿真软件进行渲染。本发明利用将三维视景仿真和多学科的仿真有机融合起来，建立了一个基于物理行为仿真的高度逼真仿真环境。

Description

集成Modelica的三维视景仿真系统

技术领域

本发明涉及的是一种系统仿真技术领域的系统，具体是一种面向多学科物理规律的，三维视景仿真系统。

背景技术

视景仿真(Visual Simulation)是21世纪最有前景的高科技技术之一，它是计算机技术，图形图象技术，光学技术，控制技术等多种高科技的结合，是延伸人类感觉器官的一门科学，通过对现实世界或者是人类想象的虚拟世界进行三维建模并实时驱动，通过显示器或者三维投影技术显示出来。视景仿真是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，具体地说，就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生“沉浸”于等同真实环境的感受和体验。其作为计算机技术中最为前沿的应用领域之一，它已经广泛应用于虚拟现实、模拟驾驶、场景再现、城市规划及其它应用领域。计算机仿真又称全数字仿真，是根据相似原理，利用计算机来逼真模仿研究系统中的研究对象，将研究对象进行数学描述，建模编程，并且在计算机中运行实现。作为计算机仿真的组成部分，视景仿真采用计算机图形图像技术，根据仿真的目的。构造仿真对象的三维模型并再现真实的环境，达到非常逼真的仿真效果。目前，视景仿真技术在我国已广泛应用于各种研究领域：军事演练、城市规划仿真、大型工程漫游、名胜古迹虚拟旅游、模拟训练以及交互式娱乐仿真等。视景仿真技术对作战装备的使用效果有很好的实时显示，给人以强烈的视觉上的冲击，对提高武器装备的性能、研制效率有着重要的作用。

目前大多数的视景仿真只是针对单一研究对象建模，根据具体需求对模型进行各种实验分析，很少考虑两个以上模型的视景仿真。现在大部分的机械系统动力学分析与仿真的商业软件如ADAMS、ANSYS等在对机械系统进行运动学、动力学和静平衡分析时对机械系统进行运动学、动力学和静平衡分析时，将机械系统作为一个正向问题进行考虑，外部影响通过作用力和驱动约束等元素施加于系统，其任务是分析系统内部构件之间的关系与作用。利用这类软件进行仿真试验不能考虑多个子系统的耦合，没有从整体来考虑，于是在物理上很难反映出一个复杂系统的多学科任务仿真，同时也无法实现视觉上的真实感。随着虚拟仿真可视化的发展趋势，将虚拟现实引入系统模拟仿真，使人沉浸其中，对所需解决的问题有更清晰的认识，而不再仅局限于从屏幕上观察仿真的结果，可使模型的设计和优化更为方便。

经过对现有技术的检索发现，国内对视景仿真技术的研究非常多，浙江大学的王总辉，熊华，姜晓红，石教英提出了支持HLA仿真和并行绘制的统一对象模型研究，针对现有HLA仿真应用中大规模复杂场景的视景仿真实时性较差、仿真实体对象管理与绘制对象管理是分离的等问题，提出了统一对象模型，包含异质实体对象树、操作记录列表和统一访问接口，实现了仿真实体对象和绘制对象的高效组织和统一管理。该统一对象模型在HLA仿真平台和并行绘制平台之间建立了高效的数据交换桥梁，减轻了两者集成的开发工作量，并有效地支持了大规模复杂场景和大量仿真实体对象的实时绘制，有助于提高仿真的实时性[王总辉，熊华，姜晓红，石教英,支持HLA仿真和并行绘制的统一对象模型研究,计算机研究与发展，第45卷，第2期，329-336，2008]；西北工业大学的杜晓旭，宋保维，潘光等提出了基于DWK的AUV分布交互视景仿真，在建立远程低速回转体AUV的六自由度运动模型的基础上,设计了AUV六自由度视景仿真系统的总体结构,并基于国产分布式交互仿真软件平台DWK对远程低速回转体AUV的六自由度运动进行了视景仿真.结果表明本仿真系统很好地模拟了AUV的六自由度水下运动情况,可以在短时间内使设计人员对AUV的六自由度运动有系统直观的认识[杜晓旭，宋保维，潘光,基于DWK的AUV分布交互视景仿真，测控技术，第29卷，12期，2010]；哈尔滨工程大学的赵新华等，提出了利用虚拟现实技术对潜艇的六自由度模型进行视景仿真，可以实时的对潜艇运动模型的运动效果进行修正。对潜艇的运动模型进行了合理的简化，确立了设计模型,然后利用多边形建模软件Creator及视景驱动软件Vega建立虚拟海洋地理环境及潜艇的几何模型，并在API应用程序中对潜艇的六自由度运动进行实时控制[赵新华,孙尧，虚拟海洋环境中潜艇六自由度运动的视景仿真，系统仿真学报，18卷Z1,226-229，90-92，2006]。然而目前的文献都没有提出如何对视景中的多种不同学科的仿真对象进行实时控制和仿真。

多学科仿真研究目前的热点是统一建模语言，其具有领域无关的通用模型描述能力，由于采用统一的模型描述形式，因此基于统一建模语言的方法能够实现复杂系统的不同领域子系统模型间的无缝集成。欧洲仿真协会EUROSIM于1996年组织了瑞典等6个国家建模与仿真领域的14位专家，针对多领域物理统一建模技术展开研究，提出通过国际开放合作，研究设计下一代多领域统一建模语言Modelica。该语言开源，免费兼容的学科多，受到目前国际普遍的认可。如果既考虑到视景仿真的直观和可视化，又能集成多学科仿真，那么视景仿真的用途将大大提高。目前国内对Modelica和视景仿真的集成还没有文献报道，瑞典的Anders Sandholm等提出了基于Modelica的柔性训练仿真平台，采用Modelica来建立多个自由度的控制器[ASandholm,P Fritzson,G Nilson,Towards A Flexible General Training Simulator PlatformBased On Modelica,SIMS06,Sep,2006]；德国的Martin Otter等提出了半实物仿真环境下的建模和仿真方法，利用Modelica建立多个变量方程来控制仿真[Martin Otter,ClemensSchlegel etc.,Modeling And Realtime Simulation Of An Automatic Gearbox UsingModelica,Proceedings of ESS'97-European Simulation Symposium,115-121,1997]；瑞典的Vadim Engelson在其博士论文“Tools for Design,Interactive Simulation,andVisualization of Object-Oriented Models in Scientific Computing”提出了基于modelica的科学计算建模和仿真方法，用面向对象的建模来实现科学计算可视化，该方法具备了本发明的提出的面向对象的建模方法，然而该方法的只是抽象给出介绍，没有像本发明提出的将Modelica融入到视景仿真中，并考虑多学科的系统仿真，不具备通用性、沉浸性和实际效果。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种融合Modelica的视景仿真系统，它是基于虚拟现实技术提供真实感、融入Modelica来反映多学科物理规律的仿真平台。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：Modelica多学科仿真接口模块、消息队列模块、消息调度模块，视景对象运动控制模块、三维仿真场景模块、可视化模块，其中：

所述的Modelica多学科仿真接口模块连接Modelica多学科仿真模块。基于Modelica多学科仿真建模可以按照用户的需要建立任意模型，其模型和本系统没有直接关系，本系统只需要处理并监控Modelica的仿真状态信号和数据输出。接口模块包括两个方面内容，Modelica仿真状态监控和Modelica数据结果集处理。其中Modelica的仿真状态监控通过监控Modelica运行进程，开发仿真循环接口（ModelicaStatusMont）来获得四种状态：0、1、99、-1，其中0表示仿真接口正常，1表示正在运行，99表示已经结束，-1表示接口没有连接；Modelica数据结果集处理通过Modelica输出的结果文件（ASCII格式文本文件）进行解析，解析方法采用标准流的方法来实现；

所述的消息队列模块建立和Modelica仿真接口模块通讯以及视景对象运动控制通讯的消息队列，Modelica产生的消息是随机的，没有时间戳。该队列是先进先出的环形队列，在队列上设有两个指针，一个指向队列的开始，一个指向队列的结束；该模块的输入是Modelica多学科仿真接口模块中的仿真状态和视景对象运动控制模块的仿真运动状态，当监控到仿真状态是99的时候，将结果文件中对象模型ID号，对象状态加入添加到队列的结尾，并将结尾指针指向该ID；当视景对象运动控制模块给出对象运动状态为99，将队列中对象删除，并将指针指向上个ID；

所述的消息调度模块是对Modelica仿真接口模块以及视景对象运动控制产生的消息进行调度和控制，用来保证系统的实时性。由于Modelica仿真和视景仿真是不同的仿真循环，相对独立的系统，Modelica多学科仿真产生的消息队列是随机的、乱序，而视景仿真的任务队列严格顺序执行。这两个队列在本质上是串行的。三维视景仿真要求非常高的实时性，本发明给出了消息调度模块来保证实时性，主要实现流程是首先监控消息队列的长度、视景对象运动的状态、对象运动的生命周期（起始运动时间），将三维视景仿真的一帧中（1/24秒）分为三个子帧，每个子帧长度为（1/72s）。消息调度模块就是在一个子帧的周期中，根据ID值进行匹配检查消息队列中是否有三维视景仿真中对象运动需要的数据，如果有，解析结果数据，将结果列表输出给视景对象运动控制模块；如果没有等到，加入新的对象ID查询，一直循环，直到视景对象运动控制模块给出99状态，将消息队列中该对象删除。其中将一帧分为三个固定帧，在一帧的周期中可以加入3个并行消息调度，分为三个子帧的策略是经过大量的实际实验获取的经验值。

所述的视景对象运动控制模块接收消息队列模块、消息调度模块输入的ID值，通过ID值解析Modelica多学科仿真接口模块的结果数据集，生成三维仿真场景的运动控制指令以及可视化模块需要的运动参数。同时该模块根据三维仿真场景模块和可视化模块反馈的对象运动状态，给出三个返回值，0，1，99。0表示对象没有激活，1表示对象激活正在运动，99对象运动结束，可以从消息队列将对象删除。

所述的三维仿真场景模块根据导入的几何文件建立场景树，几何文件可以是任意三维面片模型，模型的运动需要定义约束关系和运动路径。该模型的不同节点挂在一个场景树上不同节点上。运动部件挂在场景树的moveable节点上，不运动的部件挂在场景树的unmoveable节点上。节点ID命名按照多学科仿真对象ID命名一致，最终形成一个或几个场景图，输出给可视化模块一个顶点列表，法向列表，纹理坐标和光照节点。

所述的可视化模块和视景对象运动控制模块、三维仿真场景模块相连，该模块接收视景对象运动控制模块输出的对象运动特效，同时该模块接收三维仿真场景模块输出的几何场景图，通过这些场景图和特效命令，利用OpenGL或者其他三维场景仿真软件进行渲染。

本发明与现有技术相比，本发明将三维视景仿真和多学科的仿真有机融合起来，建立了一个基于物理行为仿真的高度逼真仿真环境。该系统能够融合Modelica支持的任意学科仿真，能够将Modelica仿真计算的结果来动态驱动三维视景的对象，从而使得三维视景的对象运动具备多学科仿真的物理行为。由于Modelica的可扩展性，使得本系统的视景仿真也具备了扩展性，能够驱动视景系统中不同对象以不同的物理规律进行并发运动。同时本发明提出关键帧的控制，使得融合多学科仿真的三维视景仿真能够满足实时性要求。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图。

图2为本发明系统的程序流程图。

图3为本发明系统的消息调度示意图

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1-2所示，本实施例包括：Modelica多学科仿真接口模块、消息队列模块、消息调度模块，视景对象运动控制模块、三维仿真场景模块、可视化模块，其中：Modelica多学科仿真接口模块建立多学科仿真的接口，获取多学科仿真对象的各种参数，并输出给消息队列模块、消息调度模块；消息队列模块建立来自多学科仿真的对象消息队列，维护消息队列数据结构；消息调度模块对Modelica仿真接口模块以及视景对象运动控制产生的消息进行调度和控制，用来保证系统的实时性；视景对象运动控制模块接收消息队列模块、消息调度模块的输入，解析Modelica多学科仿真接口模块的结果数据集，生成三维仿真场景的运动控制指令以及可视化模块需要的运动参数，同时根据三维仿真场景模块和可视化模块将对象的运动状态反馈给消息队列模块；三维仿真场景模块建立场景图，输出给可视化模块一个顶点列表，法向列表，纹理坐标和光照节点。可视化模块接收视景对象运动控制模块输出的对象运动特效，同时接收三维仿真场景模块输出的几何场景图，利用OpenGL或者其他三维场景仿真软件进行渲染。

本实施例中，所述Modelica多学科仿真接口模块连接了Modelica多学科建模系统。接口模块处理两块内容：Modelica仿真状态监控和Modelica数据结果集处理。具体过程如下：

第一步：通过对Modelica的运行进程的阈值（内存使用、CPU使用、交互空间以及线程数目）进行分析，编写状态监控函数（ModelicaStatusMont）来获得Modelica的四种状态：0、1、99、-1，其中0表示仿真接口正常，1表示正在运行，99表示已经结束，-1表示接口没有连接；

第二步：分析Modelica输出的结果文件格式，采用标准流的方法来编写结果文件解析模块，将结果文件转储在XML格式中，同时在内存中保存一份结果集的类；

第三步：按照固定的循环（1/72秒）来刷新状态监控函数，如果返回参数99，解析Modelica数据结果集，返回结果集的类指针；

第四步：获取结果集的类中对象ID值。

本实施例中，所述消息队列模块建立与Modelica仿真接口模块通讯以及视景对象运动控制通讯的消息队列，该队列是先进先出的环形队列，在队列上设有两个指针，一个指向队列的开始，一个指向队列的结束。具体过程如下：

第一步：初始化消息队列，建立空的环形队列；

第二步：当Modelica仿真接口模块获得多学科仿真状态为99，将结果文件中对象模型ID号，对象状态加入添加到队列的结尾，并将结尾指针指向该ID；

第三步：当视景对象运动控制模块给出对象运动状态为99，将队列中对象删除，并将指针指向上个ID；

第四步：当消息调度模块给出Next指令时，将指针指向下个对象。如果下个对象为空，返回空。

如图3所示，本实施例中，所述消息调度模块是对Modelica仿真接口模块以及视景对象运动控制产生的消息进行调度和控制，用来保证系统的实时性。由于Modelica仿真和视景仿真是不同的仿真循环，相对独立的系统，在本质上是串行的。三维视景仿真要求非常高的实时性，本专利给出了消息调度模块来保证实时性，主要实现流程是首先监控消息队列的长度、视景对象运动的状态、对象运动的生命周期（起始运动时间），将三维视景仿真的一帧中（1/24秒）分为三个子帧，每个子帧长度为（1/72s）。消息调度模块就是在一个子帧的周期中，根据ID值进行匹配检查消息队列中是否有三维视景仿真中对象运动需要的数据，如果有，解析结果数据，将结果列表输出给视景对象运动控制模块；如果没有等到，加入新的对象ID查询，一直循环，直到视景对象运动控制模块给出99状态，将消息队列中该对象删除。其中将一帧分为三个固定帧，在一帧的周期中可以加入3个并行消息调度，分为三个子帧的策略是经过大量的实际实验获取的经验值。具体过程如下：

第一步：将三维视景仿真的一帧中（1/24秒）分为三个子帧，每个子帧长度为（1/72s）。

第二步：在一个子帧的周期中，消息调度模块监控消息队列、视景对象运动的状态、对象运动的生命周期（起始运动时间）。

第三步：消息调度模块根据ID值进行匹配检查消息队列中是否有三维视景仿真中对象运动需要的数据，如果有，解析结果数据，将结果列表输出给视景对象运动控制模块；如果没有等到，加入新的对象ID查询，一直循环，直到视景对象运动控制模块给出99状态，转入下一步。

第四步：将消息队列中该对象删除。

本实施例中，所述视景对象运动控制模块接收消息队列模块、消息调度模块输入的ID值，通过ID值解析Modelica多学科仿真接口模块的结果数据集，生成三维仿真场景的运动控制指令以及可视化模块需要的运动参数。同时该模块根据三维仿真场景模块和可视化模块反馈的对象运动状态，给出三个返回值，0，1，99。0表示对象没有激活，1表示对象激活正在运动，99对象运动结束，可以从消息队列将对象删除。具体过程如下：

第一步：检查消息队列模块、消息调度模块输入的ID值；

第二步：通过ID值解析Modelica多学科仿真接口模块的结果数据集，生成三维仿真场景的运动控制指令以及可视化模块需要的运动参数；

第三步：根据三维仿真场景模块和可视化模块反馈的对象运动状态，给出三个返回值，0，1，99；

第四步：根据返回值进一步处理，如果为0则表示对象没有激活，为1表示对象激活正在运动，为99对象运动结束，则可以从消息队列将对象删除。

本实施例中，所述三维仿真场景模块根据导入的几何文件建立场景树，几何文件可以是任意三维面片模型，模型的运动需要定义约束关系和运动路径。该模型的不同节点挂在一个场景树上不同节点上。运动部件挂在场景树的moveable节点上，不运动的部件挂在场景树的unmoveable节点上。节点ID命名按照多学科仿真对象ID命名一致，最终形成一个或几个场景图，输出给可视化模块一个顶点列表，法向列表，纹理坐标和光照节点。具体过程如下：

第一步：根据导入的几何文件建立场景树；

第二步：模型的不同节点挂在一个场景树上不同节点上，运动部件挂在场景树的moveable节点上，不运动的部件挂在场景树的unmoveable节点上；

第三步：定义模型运动的约束关系和运动路径；

第四步：节点ID命名按照多学科仿真对象ID命名一致，最终形成一个或几个场景图，输出给可视化模块一个顶点列表，法向列表，纹理坐标和光照节点。

本实施例中，所述可视化模块和视景对象运动控制模块、三维仿真场景模块相连，该模块接收视景对象运动控制模块输出的对象运动特效，同时该模块接收三维仿真场景模块输出的几何场景图，通过这些场景图和特效命令，利用OpenGL或者其他三维场景仿真软件进行渲染。具体过程如下：

第一步：接收视景对象运动控制模块输出的对象运动特效；

第二步：接收三维仿真场景模块输出的几何场景图；

第三步：初始化OpenGL；

第四步：根据场景图和特效命令，利用OpenGL或者其他三维场景仿真软件进行渲染。

本实施例系统构架可扩展，提供的视景仿真逼真度高，能够考虑到多学科物理规律仿真，在仿真过程中反应了物理规律，在本质上超越了现有的其他类似系统。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种集成Modelica的三维视景仿真系统，其特征在于包括Modelica多学科仿真接口模块、消息队列模块、消息调度模块，视景对象运动控制模块、三维仿真场景模块、可视化模块，其中：

所述的Modelica多学科仿真接口模块连接Modelica多学科仿真模块，处理并监控Modelica的仿真状态信号和数据输出，接口模块包括两个方面内容，Modelica仿真状态监控和Modelica数据结果集处理；

所述的消息队列模块接收Modelica多学科仿真接口模块的仿真状态和视景对象运动控制模块的仿真运动状态，建立和Modelica仿真接口模块通讯以及视景对象运动控制通讯的消息队列，Modelica产生的消息是随机的，没有时间戳，该队列是先进先出的环形队列，在队列上设有两个指针，一个指向队列的开始，一个指向队列的结束；

所述的消息调度模块是对Modelica仿真接口模块以及视景对象运动控制产生的消息进行调度和控制，用来保证系统的实时性；

所述的视景对象运动控制模块接收消息队列模块、消息调度模块输入的ID值，通过ID值解析Modelica多学科仿真接口模块的结果数据集，生成三维仿真场景的运动控制指令以及可视化模块需要的运动参数；

所述的三维仿真场景模块根据导入的几何文件建立场景树，几何文件是任意三维面片模型，模型的运动需要定义约束关系和运动路径；

所述的可视化模块和视景对象运动控制模块、三维仿真场景模块相连，该模块接收视景对象运动控制模块输出的对象运动特效，同时该模块接收三维仿真场景模块输出的几何场景图，通过这些场景图和特效命令，利用三维场景仿真软件进行渲染。

2.根据权利要求1所述的集成Modelica的三维视景仿真系统，其特征在于：所述Modelica多学科仿真接口模块，其中Modelica的仿真状态监控通过监控Modelica运行进程，开发仿真循环接口ModelicaStatusMont来获得四种状态：0、1、99、-1，其中0表示仿真接口正常，1表示正在运行，99表示已经结束，-1表示接口没有连接；Modelica数据结果集处理通过Modelica输出的结果文件进行解析，解析方法采用标准流的方法来实现。

3.根据权利要求2所述的集成Modelica的三维视景仿真系统，其特征在于：所述消息队列模块，当监控到仿真状态是99的时候，将结果文件中对象模型ID号，对象状态加入添加到队列的结尾，并将结尾指针指向该ID；当视景对象运动控制模块给出对象运动状态为99，99表示对象运动结束，将队列中对象删除，并将指针指向上个ID。

4.根据权利要求1或2所述的集成Modelica的三维视景仿真系统，其特征在于：所述的消息调度模块，首先监控消息队列的长度、视景对象运动的状态、对象运动的生命周期，将三维视景仿真的一帧中分为三个子帧，每个子帧长度为1/72s；消息调度模块就是在一个子帧的周期中，根据ID值进行匹配检查消息队列中是否有三维视景仿真中对象运动需要的数据，如果有，解析结果数据，将结果列表输出给视景对象运动控制模块；如果没有等到，加入新的对象ID查询，一直循环，直到视景对象运动控制模块给出99状态，99表示对象运动结束，将消息队列中该对象删除。

5.根据权利要求1或2所述的集成Modelica的三维视景仿真系统，其特征在于：所述的视景对象运动控制模块根据三维仿真场景模块和可视化模块反馈的对象运动状态，给出三个返回值，0，1，99；0表示对象没有激活，1表示对象激活正在运动，99对象运动结束，从消息队列将对象删除。

6.根据权利要求1所述的集成Modelica的三维视景仿真系统，其特征在于：所述的三维仿真场景模块，其中模型的不同节点挂在一个场景树上不同节点上，运动部件挂在场景树的moveable节点上，不运动的部件挂在场景树的unmoveable节点上，节点ID命名按照多学科仿真对象ID命名一致，最终形成一个或几个场景图，输出给可视化模块一个顶点列表，法向列表，纹理坐标和光照节点。

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