CN104361185A - 电缆虚拟设计用布线空间自动生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明针对三维虚拟环境中电缆布线自动设计的算法需求，公开了一种电缆虚拟设计用布线空间自动生成方法，电缆虚拟设计的布线空间由一系列空间中分布的栅格点组成，每个栅格点使用权重属性来表征布线工艺的优劣。基于改进的八叉树空间分割法来生成空间栅格点并自动设置权重。本发明生成的栅格点靠近几何结构表面，具有布线工艺性好、数据利用率高及搜索空间适中的特点。本发明的实施可提高布线路径规划算法的效率，并改善布线规划结果中电缆的结构性和工艺性。
Description
技术领域
本发明属于计算机图形处理技术领域，涉及的是一种电缆布线设计中的虚拟空间表示技术，尤其是一种在三维CAD虚拟环境下，用于电缆布线路径规划算法的可行空间表示和生成方法，该可行空间更适用于布线路径的规划，可提高布线算法的效率和布线路径的有效性，具体的说是一种电缆虚拟设计用布线空间自动生成方法。
背景技术
虚拟环境下电缆的自动布线设计是根据机电产品的结构和电气端口位置、布线的拓扑结构(电气接线表)及一些布线工艺条件，基于一些空间路径搜索算法对电缆的空间走线路径进行自动规划的过程。其中搜索空间的表达应表示出障碍物(机电产品结构)和自由空间，以及相应空间的布线工艺性能。合理的搜索空间建模才能有利于规划中搜索量的减少，才能有利于布线算法性能的提高和布线结果的优化，而且不同的规划方法是基于各种不同的虚拟环境建模来进行的。现在在路径规划中常用的三维空间表达方法有以下几种：
(1)C空间法。该方法按比例扩大障碍物，而把机器人缩小成一点，然后采用预先定义的凸多边形等基本形状构造自由空间来描述机器人及其周围的环境，并将自由空间表示为连通图。此方法比较灵活，即使起始点和目标点改变，也不必重构连通图。但是如果将工作空间与C空间进行显式的转换，其算法复杂性非常高。详见文献：Zhang L J.Efficientmotion planning using generalized penetration depth computation[Ph.D.Thesis].University ofNorth Carolina,2009.
(2)栅格法。该法将一个一定大小的三维空间平均划分为若干小立方体，对于每个小立方体黑色代表障碍物，在栅格数组中标为1，白色代表自由空间，标为0。然后将这些栅格构成一个显式的连通图，并在图中搜索可行路径。栅格法的特点是简单，易于实现，可应用于不同算法。但是这样的空间划分将是一个数据量超大的工作非常占用系统资源，空间表示效率不高，存在着时空开销与求解精度之间的矛盾，如果区域太大，将使栅格的数量急剧增加，使搜索存在组合爆炸的问题。详见文献：陈立潮,张永梅,刘玉树,等.基于栅格的GIS三维空间数据模型[J].计算机工程,2004,30(8):4～6.
(3)单元树法。该法是把三维空间划分成了几个较大的立方体单元，每个单元具有以下三种情况之一：都为自由空间；都为障碍物空问；混合型空间。对于混合型空间类型的单元按照前面的方法继续进行划分，直到一个预先设定好的精度为止。四叉树法和八叉树法都属于单元树法的范畴。该算法对各种维数的姿态空间原则上都适用，由于只在障碍物(图中的黑色区域)的边缘处，需要分解成小的栅格，从而克服了均匀划分栅格法的缺陷。但它基本上都是盲目的、穷举的方法，对于高维的情况，计算量很大，所找到的自由路径也比较靠近障碍物，并且各单元之间没有考虑实际的工艺信息。详见文献：Chen D Z,Szezerba R J.Using Framed-Octrees to find conditional shortest paths in an unknown 3-Denvironment.IEEE Trans.Robotics and Automation.1995,RA-4(l):15～25.
(4)Roadmap表示法：该法的主要思想是将自由空间连接关系转化为所谓Roadmap的线性曲线网。Roadmap作为规则化的路径集合建立起来之后，路径规划就简化为寻找Roadmap中起始点和终点之间的路线问题。Roadmap法又可以分为可视图法(The VisibilityGraph)、V氏图法(The Voronoi Diagram)。该方法的应用场合有限，且根据三维的CAD模型生成困难。详见文献：Oommen B，Iyengar S,Rao N，et al.Robot navigation in unknownterrains using learned visibility graphs.Part I:The disjoint convex obstacle case.IEEE Journalof Robotics and Automation,1987,3(6):672～681.
目前在三维虚拟环境下电缆的自动布线设计中，据申请人所知，目前尚没有一种公开的、可包括布线工艺信息的虚拟布线空间的表示和自动生成方法，且能适用于高效的电缆布线路径规划算法。
发明内容
本发明的目的是针对目前虚拟电缆设计的布线路径规划研究中，由于目前已知的三维布线空间的表示方法数据复杂度高且不易生成、缺少布线工艺信息等缺陷而导致布线路径搜索算法效率低、布线结果结构性和工艺性差的问题，发明一种可包括布线工艺信息的、数据复杂度适中的电缆虚拟设计用布线空间自动生成方法。
本发明的技术方案是：
一种电缆虚拟设计用布线空间自动生成方法，其特征是首先生成一系列空间中分布的栅格点，并计算出各栅格点的权重值，为布线路径优化提供依据，其次，再由栅格点生面所需的布线空间，进而确定各电气端口之间布线所需要经过的栅格点，将这些栅格点顺序连接起来就形成了布线路径，将布线路径经过后续的光顺处理，为设计员布线提供参考。
所述的栅格点生成方法包括以下步骤：
步骤一，输入要进行布线设计的机电装置三维CAD装配几何模型1，利用二次开发接口建立装配几何模型1的AABB包围盒，根据AABB包围盒的中心O和最大边长建立第一个立方体2，第一个立方体的中心为O点，各边与AABB包围盒平行；
步骤二，基于改进的八叉树空间分割法对第一个立方体2进行空间剖分，剖分步骤如下：
第1步，将立方体平均细分为八等分，形成八个子立方体C(i)，顺序存储八个子立方体的中心和边长L，计算每个子立方体C(i)与三维CAD装配几何模型1是否重合，并得到重合体积V；
第2步，如果没有子立方体C(i)与几何模型1重合，则将每个子立方体C(i)都标记为Ⅰ型叶节点；
第3步，否则，将子立方体C(i)与几何模型1重合体积V满足V≥L3-(K×D)3的每个子立方体标记为Ⅱ型叶节点，其中：K为精度系数，它是根据布线电缆的最大直径在数值上表示空间剖分的立方体的密度，取值范围为(0.5～3)；D为待布线的电缆最大直径；
第4步，对其余满足V<L3-(K×D)3的子立方体C(i)重复第1步的细分，直至所有的空间立方体都被标记为Ⅰ型叶节点或Ⅱ型叶节点，剖分的空间立方体用八叉树进行存储；
步骤三，根据CAD二次开发接口获得几何模型1中所有电气端口元件E1(i)的空间位置和矢量方向，建立电气端口元件E1(i)的AABB包围盒，并沿插接矢量方向拉伸10D的长度；建立几何模型1中所有高频电器元件E2(i)的AABB包围盒，并沿三个方向拉伸10D的长度；建立几何模型1中所有发热器件E3(i)的AABB包围盒，并沿三个方向拉伸10D的长度；
步骤四，存储所有的Ⅰ型叶节点的立方体的中心，将其作为布线空间的栅格点；将所有Ⅰ型叶节点的立方体与电气端口元件E1(i)的AABB包围盒进行相交测试，将相交的立方体对应的栅格点的权重属性设置为1；对其余Ⅰ型叶节点的立方体与高频电器元件E2(i)的AABB包围盒进行相交测试，将相交的立方体对应的栅格点的权重属性设置为0.2；对其余Ⅰ型叶节点的立方体与发热器件E3(i)的AABB包围盒进行相交测试，将相交的立方体对应的栅格点的权重属性设置为0.2；将其余的立方体对应的栅格点的权重属性设置为0.6。
本发明的有益效果是：
结合栅格点的空间表示法的优点，加入权重属性来表征布线工艺的优劣，从而使布线路径规划算法可以根据权重属性来优化布线结构和路径。提出基于改进的八叉树空间分割法的空间栅格点生成方法，利用了八叉树空间分割法生成的栅格点靠近物体表面的特性(机电产品中的电缆一般在结构表面走线，便于安装和固定)，还可方便地根据布线工艺得到栅格点权重，本发明既克服了传统栅格点生成方法中存储空间大、数据使用效率不高、规划的布线路径远离结构件表面的问题，又克服了传统八叉树分割空间的盲目性，使其与电缆设计参数相关(直径)。根据本发明的内容，结合适当的布线路径规划算法，可以获得电缆布线路径通过的栅格点位置，并将电缆结构用这些离散的栅格点连接表示。本发明的实施可提高布线路径规划算法的效率，并改善布线规划结果中电缆的结构性和工艺性。
附图说明
图1是本发明的基于栅格点的布线空间表示法示意图。
图2是构建机电装置AABB包围盒的示意图。
图3是构建空间待剖分立方体的示意图。
图4是利用八叉树进行空间剖分示意图。
图5是改进八叉树的空间剖分流程。
图6是构建电气端口元件模型AABB包围盒的示意图。
图7是AABB包围盒与立方体之间的相交测试示意图。
图8是利用栅格点生成布线路径的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-8所示。
一种电缆虚拟设计用布线空间自动生成方法，首先获取机电产品自由空间结构中的能供布线的空间的格栅点，再由所获得的栅格点形成供布线用的空间。栅格点分布在机电装置结构的自由空间中，且分布密度随结构的复杂情况变化，如图1所示，图中黑点表示栅格点，根据接线表要求，顺序连接电气端口和合适的栅格点即获得电缆的布线路径。布线路径应尽量靠近结构体表面，以方便安装固定电缆，但应尽量远离高频器件、发热器件和运动结构。每个栅格点具有权重属性，表示栅格点所在的空间位置作为布线路径时布线工艺的优劣。
布线空间S可表示为：
S＝{p1,p2,…,pi,…,pn}，pi＝w(xi,yi,zi)
其中pi为空间栅格点，x,y,z表示pi的空间坐标，w()表示pi的权重值。
所述的栅格点的生成方法及权重值的计算方法如下：
首先，输入要进行布线设计的机电装置三维CAD装配几何模型1，利用二次开发接口建立装配模型的AABB包围盒2，如图2所示，边长最大的为L1，根据AABB包围盒的中心O和最大边长L1建立第一个立方体3，第一个立方体2的中心为O点，各边与AABB包围盒平行，如图3所示；
第二，基于改进的八叉树空间分割法对第一个立方体3进行空间剖分，根据下面的准则获得Ⅰ型叶节点和Ⅱ型叶节点的空间立方体树，其中Ⅰ型叶节点的立方体表示可以进行布线的空间，其立方体的中心点可以作为可行的布线路径点，Ⅱ型叶节点的立方体表示不能进行布线的空间，如图4所示。空间剖分流程如图5所示，其思想是根据电缆的体积设定临界值，不断递归操作对空间进行八叉树的剖分，并将八叉树的空间分为2种类型的立方体。具体的剖分步骤如下：
步骤1：将立方体平均细分为八等分，形成八个子立方体C(i)，顺序存储八个子立方体的中心和边长L，计算每个子立方体C(i)与三维CAD装配几何模型1是否重合，并得到重合体积V；
步骤2：如果没有子立方体C(i)与几何模型1重合，则将每个子立方体C(i)都标记为Ⅰ型叶节点；
步骤3：否则，将子立方体C(i)与几何模型1重合体积V满足V≥L3-(K×D)3的每个子立方体标记为Ⅱ型叶节点，其中K为精度系数，D为待布线的电缆最大直径；本步骤的思想是认为与机电产品几何模型重合体积较多的子立方体空间无法用于布线。
步骤4：对其余满足V<L3-(K×D)3的子立方体C(i)重复步骤1的细分，直至所有的空间立方体都被标记为Ⅰ型叶节点或Ⅱ型叶节点，剖分的空间立方体用八叉树进行存储。
第三，根据CAD二次开发接口获得几何模型1中所有电气端口元件E1(i)的空间位置和矢量方向，建立电气端口元件E1(i)的AABB包围盒，并沿插接矢量方向拉伸10D的长度，如图6所示。建立几何模型1中所有高频电器元件E2(i)的AABB包围盒，并沿三个方向拉伸10D的长度。建立几何模型1中所有发热器件E3(i)的AABB包围盒，并沿三个方向拉伸10D的长度。
第四，存储所有的Ⅰ型叶节点的立方体的中心，将其作为布线空间的栅格点。将所有Ⅰ型叶节点的立方体与电气端口元件E1(i)的AABB包围盒进行相交测试，将相交的立方体对应的栅格点的权重属性设置为1；对其余Ⅰ型叶节点的立方体与高频电器元件E2(i)的AABB包围盒进行相交测试，将相交的立方体对应的栅格点的权重属性设置为0.2；对其余Ⅰ型叶节点的立方体与发热器件E3(i)的AABB包围盒进行相交测试，将相交的立方体对应的栅格点的权重属性设置为0.2；将其余的立方体对应的栅格点的权重属性设置为0.6。图7为AABB包围盒与立方体之间的相交测试示意图。
所述的精度系数K，其特征是它根据布线电缆的最大直径在数值上表示空间剖分的立方体的密度，建议取值范围为(0.5～3)。
根据本发明生成的栅格点，通过一定的布线算法，可以充分利用栅格点的权重来进行布线路径的优化，从而获得从电气端口之间布线所需要经过的栅格点，将这些栅格点顺序连接起来就形成了布线路径，所找到的布线路径经过后续的光顺处理，可提供给设计员进行布线参考，如图8所示。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (2)
1.一种电缆虚拟设计用布线空间自动生成方法，其特征是首先生成一系列空间中分布的栅格点，并计算出各栅格点的权重值，为布线路径优化提供依据，其次，再由栅格点生面所需的布线空间，进而确定各电气端口之间布线所需要经过的栅格点，将这些栅格点顺序连接起来就形成了布线路径，将布线路径经过后续的光顺处理，为设计员布线提供参考。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的栅格点生成方法包括以下步骤：
步骤一，输入要进行布线设计的机电装置三维CAD装配几何模型(1)，利用二次开发接口建立装配几何模型(1)的AABB包围盒，根据AABB包围盒的中心O和最大边长建立第一个立方体(2)，第一个立方体的中心为O点，各边与AABB包围盒平行；
步骤二，基于改进的八叉树空间分割法对第一个立方体(2)进行空间剖分，剖分步骤如下：
第1步，将立方体平均细分为八等分，形成八个子立方体C(i)，顺序存储八个子立方体的中心和边长L，计算每个子立方体C(i)与三维CAD装配几何模型(1)是否重合，并得到重合体积V；
第2步，如果没有子立方体C(i)与几何模型(1)重合，则将每个子立方体C(i)都标记为Ⅰ型叶节点；
第3步，否则，将子立方体C(i)与几何模型(1)重合体积V满足V≥L3-(K×D)3的每个子立方体标记为Ⅱ型叶节点，其中：K为精度系数，它是根据布线电缆的最大直径在数值上表示空间剖分的立方体的密度，取值范围为(0.5～3)；D为待布线的电缆最大直径；
第4步，对其余满足V<L3-(K×D)3的子立方体C(i)重复第1步的细分，直至所有的空间立方体都被标记为Ⅰ型叶节点或Ⅱ型叶节点，剖分的空间立方体用八叉树进行存储；
步骤三，根据CAD二次开发接口获得几何模型(1)中所有电气端口元件E1(i)的空间位置和矢量方向，建立电气端口元件E1(i)的AABB包围盒，并沿插接矢量方向拉伸10D的长度；建立几何模型(1)中所有高频电器元件E2(i)的AABB包围盒，并沿三个方向拉伸10D的长度；建立几何模型(1)中所有发热器件E3(i)的AABB包围盒，并沿三个方向拉伸10D的长度；
步骤四，存储所有的Ⅰ型叶节点的立方体的中心，将其作为布线空间的栅格点；将所有Ⅰ型叶节点的立方体与电气端口元件E1(i)的AABB包围盒进行相交测试，将相交的立方体对应的栅格点的权重属性设置为1；对其余Ⅰ型叶节点的立方体与高频电器元件E2(i)的AABB包围盒进行相交测试，将相交的立方体对应的栅格点的权重属性设置为0.2；对其余Ⅰ型叶节点的立方体与发热器件E3(i)的AABB包围盒进行相交测试，将相交的立方体对应的栅格点的权重属性设置为0.2；将其余的立方体对应的栅格点的权重属性设置为0.6。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |