CN103488810A - 用于为计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的动态模拟定义初始条件的计算机实现方法 - Google Patents

Abstract

一种计算机实现的方法，用于为计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的动态模拟定义初始条件，该方法包括以下步骤：-向对象的集合提供(S1)关于连接该集合的对象的运动关节的信息；-提供(S2)嵌入场景中的操纵工具(M)，包括具有三个轴的参考系，对于每个轴允许平移自由度和旋转自由度；-将所述操纵工具(M)附到(S3)该集合的一个对象；-选择(S4)附到该集合的对象的操纵工具(M)的自由度；-根据已选择的自由度，输入(S5)至少一个初始条件(IC)，初始条件包括初始位置和/或初始速度和/或初始加速度；以及-实时计算(S6)并显示考虑了先前定义的初始条件(IC)的动态模拟。

Description

用于为计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的动态模拟定义初始条件的计算机实现方法

技术领域

本发明涉及计算机程序和系统领域，更具体地，涉及对计算机辅助设计应用中的对象的集合进行设计的领域。

背景技术

己知的计算机辅助技术包括计算机辅助设计(CAD)，其涉及用于创造产品设计的软件解决方案。同样地，CAE是计算机辅助工程的首字母缩写，例如，其涉及用于模拟未来产品的物理行为的软件解决方案。CAM代表计算机辅助制造，并典型地包括用于定义制造过程和操作的软件解决方案。

在市场上提供多种系统和程序用于设计对象(或部件)或对象的集合，形成产品，例如由达索系统提供的商标为CATIA的产品。这些CAD系统允许用户构造并操纵对象或对象的集合的复杂的三维或3D模型。因此，在一些具有表面的情况下，CAD系统使用边或线提供了已建模对象的表示。可以使用多种方式表示线和边，例如，非均匀有理B样条(NURBS)。这些CAD系统管理部件或部件的集合作为建模对象，其通常是几何形状的规范。特别地，CAD文件包括从中生成几何形状的规范，其反过来考虑要生成的表示。几何形状和表示可以存储于单个CAD文件或多个CAD文件中。CAD系统包括用于向设计者表示建模对象的图形工具；这些工具专用于显示复杂对象；在CAD系统中表示对象的文件的典型尺寸是每个部件一兆字节的大小，并且集合可以包括上千个部件。CAD系统管理对象的模型，该模型存储于电子文件中。

在计算机辅助技术中，图形用户界面GUI扮演了考虑该技术的效率的重要角色。操纵和/或导航建模对象所需的大部分操作可以由用户(例如，设计者)在GUI上执行。特别地，用户可以创建、修改和删除形成产品的建模对象，还可以探究产品以便充分了解建模对象是如何相互联系的，例如通过产品结构。传统上，这些操作通过位于GUI的侧边上的专用菜单和图标执行。近来，CAD系统(例如CATIA)允许调用产品表示附近的这些操作。设计者不再需要向菜单和图标移动鼠标。因此，操作在鼠标的范围内是可用的。此外，操作是语义运转的：对于由设计者选择的给定操作，CAD系统可以根据设计者可能选择的之前所选择的操作而向设计者建议依然在鼠标附近的一组新操作。

近年来，例如在汽车和航天工业中所使用的一些计算机软件是基于几何形状的，对于机械工程师而言，能够在空间中或在三维显示中看到他们的工作。

在这个领域中，计算机软件(例如CATIA)允许在三维空间中设计几何形状。这种菜单和工具条包括一组用户可选的图标，每个图标与一个或多个操作或功能相关联。这些图标中的一些与软件工具相关联，适于在3D几何建模产品或产品的部件(例如在图形用户界面GUI上显示的)上编辑和/或工作。在下面的描述中，为了简明起见，术语“产品”、“部件”、“集合”等可以指“部件”。“部件”的概念也能够被归纳为“对象”的概念。对象包括最终数字模型的任意构成，例如，考虑集合，这种集合的对象可以是子集合、部件、运动关节、材料、在电子控制单元(ECU)上执行的嵌入式软件，或描述集合的整个环境所需的任意对象，例如在你想要研究飞机飞行能力的情况下对大气层的建模。

众所周知，在动态模拟中，用户界面能够利用面板设置初始条件，其中必须以数字输入值，例如如图1所示在如dymola的计算机软件中。

通过数字输入进行初始条件设置是痛苦的，因为，在这种情况下，例如对于旋转的初始速度，必须输入向量中的三个自变量(argument)。这样的任务冗长乏味。很容易犯错，需要注意力来进行纠正。

当用户输入与旋转相关的初始条件时，例如，位置(角度)、旋转速度或加速度，必须定义定向系统中的数字输入。为了描述这种旋转，通常使用的系统是基于偏航角、俯仰角和滚转角、欧拉角或不同顺序中的欧拉角。这种数学技巧是非常复杂的。

发明内容

本发明的目标是提供一种计算机实现的方法和系统，其以简单的方式，考虑一个或几个初始条件，为计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合进行动态模拟。

根据本发明的一个方案，提出了一种计算机实现的方法，用于为计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的动态模拟定义初始条件，该方法包括以下步骤：

-为对象的集合提供关于连接该集合的对象的运动关节的信息；

-提供嵌入场景中的操纵工具，包括具有三个轴的参考系，对每个坐标轴允许平移自由度和旋转自由度；

-将所述操纵工具附到集合的一个对象；

-选择附到集合的对象的操纵工具的自由度；

-根据所述选择的自由度输入至少一个初始条件，初始条件包括初始位置和/或初始速度和/或初始加速度；以及

-实时计算并显示考虑了先前定义的初始条件的动态模拟。

换句话说，初始条件包括要应用的位置，和/或初始应用的速度和/或加速度。

因此，这种计算机实现的方法允许用户容易地输入初始条件。

根据实施例，输入下少一个初始条件的步骤包括：

-第一子步骤，用于选择初始条件的值的量级或范围；以及

-第二子步骤，用于在所述量级中确定初始条件的值。

因此，对于用户而言，很容易直接确定对象的集合的初始条件的值。

根据实施例，输入至少一个初始条件的步骤是通过执行操纵工具的移动来执行的，该移动转化为初始条件。

因此，用户能够利用鼠标输入初始条件，例如就如同他在视频游戏中使用操纵杆一样。

执行操纵工具的移动是使用鼠标按下按钮或用手指接触显示屏幕来实现的。

因此，对于用户而言，非常容易输入一个或几个初始条件。

可选地，输入至少一个初始条件的步骤是通过直接键入初始条件的值来执行的。

根据本发明的另一方案，提出了一种具有计算机可执行指令的计算机可读介质，该计算机可执行指令使得计算机系统执行如上所述的方法，该方法用于为计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的动态模拟定义初始条件。

根据本发明的又一方案，提出了一种计算机程序产品，其存储于计算机可读介质，用于为计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合进行动态模拟定义初始条件，包括使系统执行上述步骤的代码模块。

根据本发明的另一方案，提出了一种用于定义初始条件的装置，其用于为计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的动态操纵定义初始条件(IC)，包括用于实施上述方法的步骤的部件。

附图说明

通过研究以非限定实例的方式描述且由附图示出的一些实施例，可以更好的理解本发明，其中：

图1示出了根据背景技术在基本使用的情况下输入计算机辅助设计系统的初始条件的实例：

图2示出了能够在模拟中输入初始条件的必要性；

图3到图9示出了根据本发明的一方案，为计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的动态模拟定义初始条件的实例；

图10到图21根据本发明的一方案示出了显示用户如何输入若干初始条件的分步场景；

图22示出了作为速度、加速度或二者的初始条件IC；以及

图23示出了根据本发明一个方案的方法。

具体实施方式

本方法的步骤能够由执行计算机程序的一个或多个可编程处理器执行，以通过在输入数据上进行操作并生成输出来执行本发明的功能。

可以以任何形式的编程语言来编写计算机程序，包括汇编语言或解释语言；计算机程序可以以任何形式进行配置，包括作为单独的程序或作为子程序，元件或适于在计算环境中使用的其它单元。计算机程序可以被配置为在一个地点或分布于多个地点并由通信网络互联的一个或多个计算机上执行。

下面的附图更加详细的解释了本发明的功能。

图2示出了能够在模拟中输入初始条件IC的必要性。

在图2的顶部表示了汽车的模拟，使用了已知的计算机实现的方法。在模拟刹车(breaking)阶段之前，第一阶段汽车加速直到达到所需速度。

在图2的底部表示了类似的模拟，由根据本发明一方案的计算机实现的方法实现，其中模拟直接从汽车具有输入作为初始条件IC的速度开始。

在模拟中，初始条件IC允许直接关注运动的一个阶段(在这个例子中是刹车阶段)，而跳过导致该阶段的非兴趣阶段，在这个例子中是加速阶段。

当输入多个初始条件时，如果一些初始条件不相容，则解决者考虑最可能的物理法则。

本发明允许帮助在对象的集合的三维部件上直接定义初始条件，而无需手工输入矢量自变量的数值。

图3到图9示出了根据本发明的一方案，为计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的动态模拟定义初始条件的实例。

在图3中，方法开始于停止的或不运动的3D或三维模型或对象的集合。在这个例子中，对象的集合或3D模型是离心的“飞球”调节器CG，其桅杆(mast)的旋转会分离开集合的两个球体直到达到由牛顿动态基本定律所确定的平衡。

一开始，动态模拟准备从如图3所示的显示的按钮BSTART开始。在步骤1期间，像在已知系统中一样，交互的通常方法是3D操纵器M，其能够改变集合的部件的3D位置。

操纵器是由鼠标(参见US7823085)或触摸屏上的手指控制的图形人工制品。其被置于部件上并提出了不同的操纵方法。操纵器M由具有三个正交轴和提供不同操纵方向的三个圆弧的轴系统组成：沿着三个轴方向中的每一个的三种平移，以及沿着三个弧的三种旋转，或者，换句话说，围绕三个轴的旋转。简而言之，操纵器M包括并提供了六种自由度。

轴上的交互会平移其上置有操纵器的部件，弧上的交互会转动其上置有操纵器的部件。该操纵器能够转动并平移其所在的集合的部件：它是位置操纵器。

用户为了表达他设置初始条件IC的意图，在按下开始按钮BSTART以开始动态模拟之前，用户会拖放他想设置初始条件IC的3D集合的部件上的操纵器M。系统会理解用户的意图并在挂起状态(在time＝0秒时)开始模拟，在该状态中，在再次按下开始按钮BSTART并且考虑IC进行最终的模拟之前，用户会输入初始条件IC。

因此，在步骤1中，如图4所示，用户能够对他想要应用初始条件IC的集合的部件上的操纵器M进行拖放。

随后，在步骤2中，用户按下开始按钮BSTART，并且结果显示在图5中，其中操纵器M显示期待进行操纵，例如操纵器M可闪烁。模拟仍然没有开始，模型CG不会移动。系统期望用户利用操纵器M设置部件上的初始条件。系统仍然处于挂起状态。

例如，在右侧显示初始面板IP。初始面板IP包括初始条件IC的量级的选择器SEL，例如，其有三个图标，每一个都表示了速度或加速度的量级。在当前例子中，显示了三个图标：第一个图标是蜗牛，表不0.1到1m/s的平移速度，0.1到1m/s²的平移加速度，0.1到1rad/s的旋转速度，在0.1到1rad/s²的旋转加速度；第二个图标是兔子，表示1到10m/s的平移速度，1到10m/s²的平移加速度，1到10rad/s的旋转速度，1到10rad/s²的旋转加速度；第三个图标是飞机，表示10到100m/s的平移速度，10到100m/s²的平移加速度，10到100rad/s的旋转速度在，10到100rad/s²的旋转加速度。

初始面板IP包括指示了用户必须选择操纵轴的行L，和监控初始条件IC的值的计量器GAU。此外，初始面板IP包括选择速度、加速度或二者作为初始条件IC。在步骤3中，用户利用鼠标或触摸屏情况下的手指来选择操纵器M的弧。

如图6所表示的那样，用户选择对应于第一量级值的SEL的第一个图标(蜗牛)，并选择自由度，如行L所示，z轴旋转。在这种情况下，z轴对应于垂直轴。如选择CH上所示，用户选择将初始条件IC应用为速度。

显示的结果在图7上表示，其中，计量器GAU实时指示了初始条件IC的即刻测量值。在步骤5中，用户停止使用速度。

在图8，结果，因为不再有操纵，所以计量器GAU的箭头指示0，且在计量器GAU的底部显示的值是在操纵序列期间计算出的平均值。在这种情况下，指示符--包括单词“保持”的箭头KP出现在初始面板IP的后面，以指示用户能够保持他已经定义的初始条件，随后，通过选择操纵操纵器M的另一个轴来定义另外一个初始条件，且可选地，将操纵器置于另一部件之上。在这种情况下，在步骤6中，将值0.85重写为0.8，值0.8是在操纵序列期间计算出的平均值。

随后，用户按下开始按钮BSTART以最终开始考虑到输入初始条件IC的模拟。

结果，如图9所示，模拟开始并运行。通过按下暂停按钮PAU，可以暂停该模拟。模型CG在运动中，并且模拟开始时的旋转速度是0.8rad/s，值在初始条件IC中是固定的。在这种情况下，动态操纵器DM出现，其能够用于在模拟期间与模型CG交互。

图10至图21示出了显示用户如何输入若干初始条件的分步场景。

在图10中，方法从停止的或不运动的3D或三维模型或对象的集合开始。在这个例子中，对象的集合或3D模型是桌子TAB上的球BALL。

在步骤1中，用户能够对部件上的操纵器M进行拖放，在这个例子中，用户想要在集合的球BALL上应用初始条件IC。该操作的结果在图11显示。

随后，在步骤2中，用户会按下按钮BSTART.结果如图12所示。系统捕获到用户意图定义球BALL上的初始条件IC，并将模拟保持在time＝0秒时的挂起模式。在这个模式下，用户输入初始条件IC。

在图12，作为步骤2的结果，初始面板IP出现并完成了，特别地，选择操纵轴。在步骤3中，用户选择Y轴作为平移轴，并选择对应于第一量级值的SEL的第一个图标(蜗牛)。如选择CH所示，用户选择将第一初始条件IC1应用为速度或平移速度。

随后，在步骤4中，如图13所示，用户利用鼠标或触摸屏情况下的手指来应用平移速度。

在图14上表示显示的结果，其中计量器GAU实时指示了第一初始条件IC1的即刻测量值，在这个例子中是0.85m/s。

在步骤5中，用户停止应用平移速度。

在图15，结果，因为不再有操纵，所以计量器GAU的箭头指向0，且计量器GAU后面显示的值是在操纵序列期间计算出的平均值，在这个例子中是0.56m/s。在这个例子中，指示符--包括单词“保持”的箭头KP出现于初始面板IP的后面，以指示用户他能够保持他已经定义的第一初始条件IC1。

在步骤6中，用户按下箭头KP。

结果，在图16中，保留着后面的行LR以提示第一初始条件IC1：在Y轴，初始平移速度是0.56m/s。

在步骤7中，用户选择操纵器M的弧以定义围绕X轴旋转的第二初始条件IC2。系统理解用户的意图，并如图17所示在计量器下方显示从0.1到1rad/s的可能值的量级。

因此，在步骤8中，用户利用鼠标或在触摸屏情况下的手指来应用速度或旋转。

在图18表示显示的结果，其中计量器GAU实时指示了第二初始条件IC2的即刻测量值，在这个例子中是0.56rad/s。

在步骤9中，用户停止应用旋转速度。

在图19，结果，因为不再有操作，所以计量器GAU的箭头指向0.且在计量器GAU后面显示的值是在操纵序列期间计算出的平均值，在这个例子中是0.42rad/s。

因此，用户能够定义并保持若干初始条件IC。

在这个例子中，在步骤10中，用户按下保持按钮KP，结果，如图20所示，显示了第二行以提醒用户刚刚添加第二初始条件IC。按下用于最后一次输入的初始条件IC的按钮KP是可选的。

随后，在步骤11中，用户最终按下BSTART按钮，结果，如图21所示，球BALL在桌子TAB上弹回并升高，这是由于初始条件的以下两种效果：

-平移速度将球BALL发射到右侧方向

-由于球BALL上的旋转初始条件IC引起的旋转效果

如图22所示，初始条件IC可以是速度、加速度或二者。

此外，利用鼠标或触摸屏情况下的手指定义初始条件IC的值，取决于选择器SEL所选的量级值或范围。

可选地，可以直接输入初始条件IC的值。

为了总结以上，根据本发明的一方案的方法包括图23所示的步骤。

在第一步骤S1中，该方法向对象的集合提供关于连接集合的对象的运动关节的信息。

随后，在第二步骤S2中，该方法提供嵌入于场景中的操纵工具M，包括具有三个轴的参考系，对于每个轴而言，都具有平移自由度和旋转自由度，在第三步骤S3中，该方法将操纵工具M附到集合的一个对象。

因此，在第四步骤S4中，该方法选择附到集合的对象上的操纵工具M的自由度，在第五步骤S5中，该方法根据所述选择的自由度而输入至少一个初始条件IC，初始条件IC包括初始位置以及初始速度和/或初始加速度。

随后，在步骤S5之后，用户能够输入另一初始条件IC，该方法返回到第三步骤S3，或者用户能够开始模拟，该方法在第六步骤S6中实时计算并实时显示动态模拟的结果。

因此，本发明提供了一种计算机实现的方法和系统，其用于考虑到初始条件而对计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合进行动态模拟。

Claims (8)

1.一种计算机实现的方法，用于为计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的动态模拟定义初始条件，所述方法包括以下步骤：

-向对象的集合提供(S1)关于连接所述集合的对象的运动关节的信息；

-提供(S2)嵌入场景中的操纵工具(M)，包括具有三个轴的参考系，对于每个轴允许平移自由度和旋转自由度；

-将所述操纵工具(M)附到(S3)所述集合的一个对象上；

-选择(S4)附到所述集合的对象的所述操纵工具(M)的自由度；

-根据所选择的自由度，输入(S5)至少一个初始条件(IC)，初始条件包括初始位置和/或初始速度和/或初始加速度；

-实时计算并显示(S6)考虑了先前定义的所述初始条件(IC)的动态模拟。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，输入(S5)至少一个初始条件(IC)的步骤包括：

-第一子步骤(S5a)，用于选择初始条件(IC)的值的量级；以及

-第二子步骤(S5b)，用于在所述量级中确定初始条件(IC)的值。

3.根据权利要求1或2所述的计算机实现的方法，其中，输入(S5)至少一个初始条件(IC)的步骤是通过执行所述操纵工具(M)的移动来执行的，所述移动被转化为初始条件。

4.根据权利要求3所述的计算机实现的方法，其中，执行所述操纵工具(M)的移动是通过鼠标按下按钮或用手指接触显示屏来完成的。

5.根据权利要求1到4中任意一项所述的方法，其中，输入(S5)至少一个初始条件(IC)的步骤是通过直接提供所述初始条件(IC)的值来执行的。

6.具有计算机可执行指令的计算机可读介质，所述计算机可执行指令使得计算机系统执行根据权利要求1到5中任一项所述的方法，所述方法用于为计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的动态模拟定义初始条件(IC)。

7.一种计算机程序产品，其存储于计算机可读介质中，用于为计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的动态模拟定义初始条件(IC)，包括使得所述系统执行权利要求1到5中任意一项的步骤的代码模块。

8.一种用于为计算机辅助设计系统的三维场景中的对象的集合的动态模拟定义初始条件(IC)的装置，包括用于实现权利要求1到5中任一项方法的步骤的部件。

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