CN104809309B - 一种基于快速扩展随机树的三维自动布线的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于快速扩展随机树的三维自动布线的方法及装置，其中该方法包括：根据待布局线缆的可用空间、起始点和终止点，得到待布局线缆的初始路径；对初始路径进行细化处理，得到中间路径；通过线缆物理模型对中间路径进行建模，确定出待布局线缆的最终路径。本发明的实施例能简单、快速、精确地完成线缆布局。
Description
技术领域
本发明涉及布线技术领域，特别涉及一种基于快速扩展随机树的三维自动布线的方法及装置。
背景技术
线缆作为复杂机电产品的重要组成部分，其布局设计是一项繁杂而耗时的工作，同时线缆布局设计的质量和效率会直接影响到产品的可靠性和设计周期。
目前针对线缆的自动布局问题，主要有以下几种实现方法。第一种为：利用遗传算法的布线系统，即，将布线问题分为线束构型的生成和线缆路径的生成两个部分，均采用遗传算法来实现，但没有考虑线缆的物理属性。第二种为：基于采样的路径规划算法，该算法首先利用PRM算法的一个变种生成环境的路径图，然后在接触空间进行基于约束的采样，通过自适应前向动力学改善路径。此外还有利用迷宫算法、A*算法等方法实现线缆的自动布局，但这些实现方法中线缆路径的生成都需要对空间进行预处理，同时也没有考虑线缆物理属性，因此导致生成的路径不够精确。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种基于快速扩展随机树的三维自动布线的方法及装置，能简单、快速、精确地完成线缆布局。
为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种基于快速扩展随机树的三维自动布线的方法，该方法包括：
根据待布局线缆的可用空间、起始点和终止点，得到待布局线缆的初始路径；
对初始路径进行细化处理，得到中间路径；
通过线缆物理模型对中间路径进行建模，确定出待布局线缆的最终路径。
其中，在根据待布局线缆的可用空间、起始点和终止点，得到待布局线缆的初始路径之前，方法还包括：
获取待布局线缆的可用空间、起始点和终止点。
其中，获取待布局线缆的可用空间、起始点和终止点，具体包括：
根据待布线的装配体三维结构模型和装配体三维结构模型的电气原理设计信息，配置装配体三维结构模型的电子元器件端口的属性信息；
获取待布局线缆的连通信息；
根据属性信息和连通信息，获取待布局线缆的可用空间、起始点和终止点。
其中，根据待布局线缆的可用空间、起始点和终止点，得到待布局线缆的初始路径，具体包括：
根据快速扩展随机树RRT算法，在可用空间内，分别以起始点和终止点为根节点生成两棵树，其中每棵树在随机扩展一个节点后，会以另一棵树的新节点为采样节点再扩展一个节点；
通过两棵树所扩展的节点，获得一条连接起始点和终止点的路径；
剔除路径中的冗余节点；
通过任意时间算法进行多次路径运算，并从运算结果中选取长度最短的路径作为待布局线缆的初始路径。
其中，对初始路径进行细化处理，得到中间路径，具体为：
将初始路径中的悬空节点移动至装配体三维结构模型的表面，得到中间路径。
其中，将初始路径中的悬空节点移动至装配体三维结构模型的表面，得到中间路径，具体包括：
判断起始点和终止点之间的距离是否大于第一预设步长；
当起始点和终止点之间的距离大于第一预设步长时，确定出与起始点距离为一个第一预设步长的第一节点；
通过碰撞检测得到装配体三维结构模型的表面上距离第一节点最近的点，并计算第一节点与最近的点之间的距离；
当第一节点与最近的点之间的距离小于第一预设值时，则确定第一节点不是悬空节点；
当第一节点与最近的点之间的距离大于第一预设值时，则确定第一节点为悬空节点；
将第一节点移动至最近的点的位置，并以第一预设步长为步长依次判断位于第一节点之后的每一个节点是否为悬空节点，直至被判断的节点与终止点之间的距离小于第一预设步长；
当被判断的节点为悬空节点时，将该节点移动至装配体三维结构模型的表面上距离该节点最近的点的位置；
根据移动后的各节点，得到中间路径。
其中，将初始路径中的悬空节点移动至装配体三维结构模型的表面，得到中间路径，具体包括：
判断起始点和终止点之间的距离是否大于第二预设步长；
当起始点和终止点之间的距离大于第二预设步长时，确定出位于起始点和终止点之间的中点位置处的第二节点；
通过碰撞检测得到装配体三维结构模型的表面上距离第二节点最近的点，并计算第二节点与该最近的点之间的距离；
当第二节点与该最近的点之间的距离小于第二预设值时，则确定第二节点不是悬空节点；
当第二节点与该最近的点之间的距离大于第二预设值时，则确定第二节点为悬空节点；
将第二节点移动至该最近的点的位置，并一直判断位于每两个相邻节点之间的中点位置处的节点是否为悬空节点，直至每两个相邻节点之间的距离小于第二预设步长；
当被判断的节点为悬空节点时，将该节点移动至装配体三维结构模型的表面上距离该节点最近的点的位置；
根据移动后的各节点，得到中间路径。
其中，通过线缆物理模型对中间路径进行建模，确定出待布局线缆的最终路径，具体包括：
根据工艺要求、属性信息以及连通信息，确定出待布局线缆的接插端的安装位置和多个线夹的安装位置；
将接插端的安装位置与线夹的安装位置，或者每两个线夹的安装位置之间的线缆段划分为N个节点；
计算每相邻两个节点之间的线缆段的弹性势能；
根据计算得到的弹性势能，确定出每个节点的空间位置；
根据每个节点的空间位置，确定出待布局线缆的最终路径。
其中，计算每相邻两个节点之间的线缆段的弹性势能，具体包括：
根据公式计算每相邻两个节点之间的拉伸变形的弹性势能，其中V1为拉伸变形的弹性势能，k1为抗拉刚度，s为弧坐标，r(s)为用弧坐标s表示的参考坐标系中的向量；
根据公式
计算每相邻两个节点之间的弯曲及扭转变形的弹性势能，其中V2为弯曲及扭转变形的弹性势能，uk为线缆的弯扭度，为一与线缆的原始弯曲和扭转变形相关的常数，kk为抗弯和抗扭刚度，uk以及kk中的下标k都为弯曲及扭转变形的截面局部坐标系三个坐标轴的编号；
根据每相邻两个节点之间的拉伸变形的弹性势能和弯曲及扭转变形的弹性势能的和值，得到每相邻两个节点之间的线缆段的弹性势能。
其中，根据计算得到的弹性势能，确定出每个节点的空间位置，具体包括：
计算各相邻两个节点之间的线缆段的弹性势能的总和；
根据总和的最小值，确定出每个节点的空间位置。
本发明的实施例还提供了一种基于快速扩展随机树的三维自动布线的装置，该装置包括：
第一确定模块，用于根据待布局线缆的可用空间、起始点和终止点，得到待布局线缆的初始路径；
第二确定模块，用于对初始路径进行细化处理，得到中间路径；
第三确定模块，用于通过线缆物理模型对中间路径进行建模，确定出待布局线缆的最终路径。
其中，装置还包括：
获取模块，用于获取待布局线缆的可用空间、起始点和终止点。
其中，获取模块包括：
配置单元，用于根据待布线的装配体三维结构模型和装配体三维结构模型的电气原理设计信息，配置装配体三维结构模型的电子元器件端口的属性信息；
第一获取单元，用于获取待布局线缆的连通信息；
第二获取单元，用于根据属性信息和连通信息，获取待布局线缆的可用空间、起始点和终止点。
其中，第一确定模块包括：
生成单元，用于根据快速扩展随机树RRT算法，在可用空间内，分别以起始点和终止点为根节点生成两棵树，其中每棵树在随机扩展一个节点后，会以另一棵树的新节点为采样节点再扩展一个节点；
第一确定单元，用于通过两棵树所扩展的节点，获得一条连接起始点和终止点的路径；
剔除单元，用于剔除路径中的冗余节点；
运算单元，用于通过任意时间算法进行多次路径运算，并从运算结果中选取长度最短的路径作为待布局线缆的初始路径。
其中，第二确定模块包括：
第二确定单元，用于将初始路径中的悬空节点移动至装配体三维结构模型的表面，得到中间路径。
其中，第二确定单元包括：
第一判断子单元，用于判断起始点和终止点之间的距离是否大于第一预设步长，并当起始点和终止点之间的距离大于第一预设步长时，触发第一确定子单元；
第一确定子单元，用于根据第一判断子单元的触发，确定出与起始点距离为一个第一预设步长的第一节点；
第一计算子单元，用于通过碰撞检测得到装配体三维结构模型的表面上距离第一节点最近的点，并计算第一节点与最近的点之间的距离；
第二确定子单元，用于当第一节点与最近的点之间的距离小于第一预设值时，确定第一节点不是悬空节点；
第三确定子单元，用于当第一节点与最近的点之间的距离大于第一预设值时，确定第一节点为悬空节点；
第一移动子单元，用于将第一节点移动至最近的点的位置，并以第一预设步长为步长依次判断位于第一节点之后的每一个节点是否为悬空节点，直至被判断的节点与终止点之间的距离小于第一预设步长；
第二移动子单元，用于当被判断的节点为悬空节点时，将该节点移动至装配体三维结构模型的表面上距离该节点最近的点的位置；
第四确定子单元，用于根据移动后的各节点，得到中间路径。
其中，第二确定单元包括：
第二判断子单元，用于判断起始点和终止点之间的距离是否大于第二预设步长，并当起始点和终止点之间的距离大于第二预设步长时，触发第五确定子单元；
第五确定子单元，用于根据第二判断子单元的触发，确定出位于起始点和终止点之间的中点位置处的第二节点；
第二计算子单元，用于通过碰撞检测得到装配体三维结构模型的表面上距离第二节点最近的点，并计算第二节点与该最近的点之间的距离；
第六确定子单元，用于当第二节点与该最近的点之间的距离小于第二预设值时，确定第二节点不是悬空节点；
第七确定子单元，用于当第二节点与该最近的点之间的距离大于第二预设值时，确定第二节点为悬空节点；
第三移动子单元，用于将第二节点移动至该最近的点的位置，并一直判断位于每两个相邻节点之间的中点位置处的节点是否为悬空节点，直至每两个相邻节点之间的距离小于第二预设步长；
第四移动子单元，用于当被判断的节点为悬空节点时，将该节点移动至装配体三维结构模型的表面上距离该节点最近的点的位置；
第八确定子单元，用于根据移动后的各节点，得到中间路径。
其中，第三确定模块包括：
第三确定单元，用于根据工艺要求、属性信息以及连通信息，确定出待布局线缆的接插端的安装位置和多个线夹的安装位置；
划分单元，用于将接插端的安装位置与线夹的安装位置，或者每两个线夹的安装位置之间的线缆段划分为N个节点；
计算单元，用于计算每相邻两个节点之间的线缆段的弹性势能；
第四确定单元，用于根据计算得到的弹性势能，确定出每个节点的空间位置；
第五确定单元，用于根据每个节点的空间位置，确定出待布局线缆的最终路径。
其中，计算单元包括：
第三计算子单元，用于根据公式计算每相邻两个节点之间的拉伸变形的弹性势能，其中V1为拉伸变形的弹性势能，k1为抗拉刚度，s为弧坐标，r(s)为用弧坐标s表示的参考坐标系中的向量；
第四计算子单元，用于根据公式
计算每相邻两个节点之间的弯曲及扭转变形的弹性势能，其中V2为弯曲及扭转变形的弹性势能，uk为线缆的弯扭度，为一与线缆的原始弯曲和扭转变形相关的常数，kk为抗弯和抗扭刚度，uk以及kk中的下标k都为弯曲及扭转变形的截面局部坐标系三个坐标轴的编号；
第五计算子单元，用于根据每相邻两个节点之间的拉伸变形的弹性势能和弯曲及扭转变形的弹性势能的和值，得到每相邻两个节点之间的线缆段的弹性势能。
其中，第四确定单元包括：
第六计算子单元，用于计算各相邻两个节点之间的线缆段的弹性势能的总和；
第九确定子单元，用于根据总和的最小值，确定出每个节点的空间位置。
本发明的上述方案至少包括以下有益效果：
在本发明的实施例中，首先通过双树RRT算法，根据待布局线缆的可用空间、起始点和终止点得到待布局线缆的初始路径；然后再将初始路径中的悬空节点移动至装配体三维结构模型的表面，得到中间路径；最后在中间路径的基础上，通过线缆物理模型计算待布局线缆的精确姿态，即得到待布局线缆的最终路径。从而简单、精确、快速的完成待布局线缆的布局。
附图说明
图1为本发明实施例中基于快速扩展随机树的三维自动布线的方法的流程图；
图2为本发明实施例中图1中步骤11的具体流程图；
图3为本发明实施例中根据双树RRT算法生成两棵树T1和T2的示意图；
图4为本发明实施例中当前较短路径长度与运算次数的关系图；
图5为本发明实施例中按方式一得到中间路径的过程图；
图6为本发明实施例中按方式二得到中间路径的过程图；
图7为本发明实施例中更新中间路径的示意图之一；
图8为本发明实施例中更新中间路径的示意图之二；
图9为本发明实施例中图1中步骤13的具体流程图；
图10为本发明实施例中接插端的安装位置与线夹的安装位置的示意图；
图11为本发明实施例中基于快速扩展随机树的三维自动布线的装置的示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有技术中布局线缆不够精确的问题，提供了一种基于快速扩展随机树的三维自动布线的方法及装置，能简单、快速、精确地完成线缆布局。
实施例一
如图1所示，本发明的实施例提供了一种基于快速扩展随机树的三维自动布线的方法，该方法包括：
步骤11，根据待布局线缆的可用空间、起始点和终止点，得到待布局线缆的初始路径；
步骤12，对初始路径进行细化处理，得到中间路径；
步骤13，通过线缆物理模型对中间路径进行建模，确定出待布局线缆的最终路径。
在本发明的实施例中，在执行步骤11之前，上述方法还包括：获取待布局线缆的可用空间、起始点和终止点。具体获取待布局线缆的可用空间、起始点和终止点的方式为：首先，根据待布线的装配体三维结构模型和装配体三维结构模型的电气原理设计信息，配置该装配体三维结构模型的电子元器件端口的属性信息，以及获取待布局线缆的连通信息；然后根据得到的属性信息和连通信息，获取待布局线缆的可用空间、起始点和终止点。
其中，待布局线缆的起始点和终止点均为待布局线缆的电连接器端的出线位置。待布局线缆的可用空间是指待布局线缆不与待布线的装配体三维结构模型发生碰撞的所有区域，且该待布局线缆的可用空间包含于待布线的装配体三维结构模型的规划空间内。
在本发明的实施例中，在根据待布局线缆的可用空间、起始点和终止点，得到待布局线缆的初始路径之后，会进一步通过磁吸算法对该初始路径进行细化处理，得到中间路径，然后在中间路径的基础上，通过线缆物理模型计算出待布局线缆的精确姿态，即得到待布局线缆的最终路径。从而简单、精确、快速的完成待布局线缆的布局。
其中，如图2所示，在本发明的上述实施例中，上述步骤11的具体步骤流程为：
步骤21，根据双树快速扩展随机树RRT算法，在可用空间内，分别以起始点和终止点为根节点生成两棵树，其中每棵树在随机扩展一个节点后，会以另一棵树的新节点为采样节点再扩展一个节点；
步骤22，通过两棵树所扩展的节点，获得一条连接起始点和终止点的路径；
步骤23，剔除路径中的冗余节点；
步骤24，通过任意时间算法进行多次路径运算，并从运算结果中选取长度最短的路径作为待布局线缆的初始路径。
在本发明的实施例中，如图3所示，假设以起始点为根节点的树为T1，以终止点为根节点的树为T2，则上述步骤21中扩展节点的具体过程为：
(1)首先定义两棵树T1、T2；
(2)T1按随机采样方式扩展一个新节点q11；
(3)T2以q11为采样点扩展一个新节点q21；
(4)T2按随机采样点扩展一个新节点q22；
(5)T1以q22为采样点扩展一个新节点q12。
然后一直按这样的方式重复扩展节点，直至将起始点和终止点连接起来为止。但是通过上述双树RRT算法得到的路径很有可能存在冗余节点，而为了得到较短的路径，需要去除该路径中的冗余节点，留下关键节点。在此，可采用分段线性拟合的路径优化技术去除路径的冗余节点，从而得到较短的路径。其中分段线性拟合的路径优化技术对于本领域的技术人员而言，属于公知技术，在此不再赘述。
另外，由于双树RRT算法的随机性，剔除冗余节点后的路径或长或短，因此，需要通过任意时间算法进行多次路径运算来得到路径最短的路径，即初始路径。其中，任意时间算法的特点是针对给定的输入，运算会返回对个可能的结果，而在任意时刻被打断，都能给出一个当前为止最好的结果。
而由于不同的线缆的求解复杂程度不同，因此需要通过最初几次的运算结果来估计上述剔除冗余节点后的路径的复杂程度，从而动态地决定任意时间算法的所需运算时间(即运算次数)。为了确定动态情形下路径复杂程度与所需运算次数间的关系，需要进行典型实例的实验，在此选取了四组典型的线缆局部路径规划实例，利用双树吸引RRT方法及分段线性拟合的路径优化，得到了如图4所示的当前较短路径长度与运算次数的关系图，从中可知，当到达一定的运算次数时，可得到一个接近最优的收敛长度值。
在此我们定义三个概念：稳定关键节点数目nstb、最终关键节点数目nfnl和收敛运算次数ncon。稳定关键节点数目为运算开始后关键节点数不发生明显变化时的数目，最终关键节点数目为收敛时的关键节点数目，收敛运算次数为路径长度收敛到可接受范围时已经进行的运算的次数。
在四组实验中，稳定关键节点数目、最终路径关键节点数目及收敛时的运算次数情况如表1所示。从结果中可以看出，稳定关键节点数目与最终路径关键节点数目非常接近，同时收敛运算次数随着关键节点的数目的增加而增加。因此，将稳定关键节点数目的15～20倍作为有限运算次数，可得到可接受的收敛长度值，这样可以平衡运算消耗与结果质量，体现了任意时间算法的思想。这样，根据稳定节点数目动态确定有限运算次数后，收敛长度对应的折线路径即为满足需求的初始路径。
| 算例 | nstb | nfnl | ncon |
| 路径1 | 6 | 7 | 8 |
| 路径2 | 7 | 7 | 51 |
| 路径3 | 8 | 9 | 104 |
| 路径4 | 7 | 7 | 43 |
表1
在本发明的实施例中，通过双树RRT算法和任意时间算法能快速、精确地得到一条长度最短的初始路径。
其中，在本发明的上述实施例中，上述步骤12的具体步骤为：将初始路径中的悬空节点移动至装配体三维结构模型的表面，得到中间路径。而将悬空节点移动至装配体三维结构模型的表面的实现方式有以下几种。
方式一、判断起始点和终止点之间的距离是否大于第一预设步长；当起始点和终止点之间的距离大于第一预设步长时，确定出与起始点距离为一个第一预设步长的第一节点；通过碰撞检测得到装配体三维结构模型的表面上距离第一节点最近的点，并计算第一节点与最近的点之间的距离；当第一节点与最近的点之间的距离小于第一预设值时，则确定第一节点不是悬空节点；当第一节点与最近的点之间的距离大于第一预设值时，则确定第一节点为悬空节点；将第一节点移动至最近的点的位置，并以第一预设步长为步长依次判断位于第一节点之后的每一个节点是否为悬空节点，直至被判断的节点与终止点之间的距离小于第一预设步长；当被判断的节点为悬空节点时，将该节点移动至装配体三维结构模型的表面上距离该节点最近的点的位置；根据移动后的各节点，得到中间路径。
在此结合如图5所示的移动过程对上述方式一进行举例说明，假设起始点为A，终止点为B，从A端开始，经过判断AB间距大于第一预设步长，以第一预设步长为步长得到第一个进行处理的划分节点P1，通过碰撞检测得到装配体三维结构模型的表面上距离P1最近的碰撞点P1'，然后计算P1与P1'之间的距离，当计算得到的距离大于第一预设值时，认为P1为悬空节点，将P1移动至P1'，路径更新为A P1'B。接着继续在P1'B上以第一预设步长为步长划分各节点，并依次判断各节点是否为悬空节点，直至被判断的节点与终止点之间的距离小于与第一预设步第一预设步长为止，且当被判断的节点为悬空节点时，将该节点移动至装配体三维结构模型的表面上距离该节点最近的点的位置，最后依次连接移动后的各节点，得到中间路径。其中上述方式一实现的伪代码如下所示：
方式二、判断起始点和终止点之间的距离是否大于第二预设步长；当起始点和终止点之间的距离大于第二预设步长时，确定出位于起始点和终止点之间的中点位置处的第二节点；通过碰撞检测得到装配体三维结构模型的表面上距离第二节点最近的点，并计算第二节点与该最近的点之间的距离；当第二节点与该最近的点之间的距离小于第二预设值时，则确定第二节点不是悬空节点；当第二节点与该最近的点之间的距离大于第二预设值时，则确定第二节点为悬空节点；将第二节点移动至该最近的点的位置，并一直判断位于每两个相邻节点之间的中点位置处的节点是否为悬空节点，直至每两个相邻节点之间的距离小于第二预设步长；当被判断的节点为悬空节点时，将该节点移动至装配体三维结构模型的表面上距离该节点最近的点的位置；根据移动后的各节点，得到中间路径。
在此结合如图6所示的移动过程对上述方式二进行举例说明，假设起始点为A，终止点为B，从A端开始，经过判断AB间距大于第二预设步长，取AB的中点P1，通过碰撞检测得到装配体三维结构模型的表面上距离P1最近的点P1'，然后计算P1与P1'之间的距离，当计算得到的距离大于第二预设值时，认为P1为悬空节点，将P1移动至P1'，路径更新为A P1'B。接着继续判断位于每两相邻节点之间的中点位置处的节点是否为悬空节点，直至每两个相邻节点之间的距离小于第二预设步长，且当被判断的节点为悬空节点时，将该节点移动至装配体三维结构模型的表面上距离该节点最近的点的位置，最后依次连接移动后的各节点，得到中间路径。其中上述方式二实现的伪代码如下所示：
其中，在上述方式一和方式二得到中间路径的过程中，有可能存在与装配体三维结构模型发生碰撞的线缆段(如图7中所示的虚线)，针对于这些线缆段的检测和处理方法为：检测中间路径的每两个相邻节点之间的线缆段是否与装配体三维结构模型发生碰撞；当有线缆段与装配体三维结构模型发生碰撞时，在与该线缆段(如图7中所示的虚线)对应的两个节点(如图7中的A和C，以及C和E)之间添加一个节点(如图7中的B和D)，使该线缆段不会与装配体三维结构模型发生碰撞；根据添加后的各节点，更新中间路径。
其中，在上述方式一得到中间路径的过程中，有可能会出现间距大于第一预设步长的两相邻节点(如图8中的M和N)，针对于这些节点的检测和处理方法为：检测中间路径中是否存在间距大于第一预设步长的两相邻节点；当有间距大于第一预设步长的两相邻节点(如图8中的M和N)时，确定出与其中一个节点(如图8中的M)距离为一个第一预设步长的第三节点(如图8中的O)；通过碰撞检测，得到在装配体三维结构模型的表面和与间距大于第一预设步长的两相邻节点所在线段垂直的平面的相交位置处，距离第三节点最近的点(如图8中的P)，并计算第三节点与最近的点的距离；将第三节点移动至最近的点的位置，并根据移动后的各节点，更新中间路径。
同理，在上述方式二得到中间路径的过程中，也有可能会出现间距大于第一预设步长的两相邻节点(如图8中的M和N)，针对于这些节点的检测和处理方法为：检测中间路径中是否存在间距大于第二预设步长的两相邻节点；当有间距大于第二预设步长的两相邻节点(如图8中的M和N)时，确定出位于该两相邻节点的中点位置处的第四节点(如图8中的O)；通过碰撞检测，得到在装配体三维结构模型的表面和与间距大于第一预设步长的两相邻节点所在线段垂直的平面的相交位置处，距离第四节点最近的点(如图8中的P)，并计算第四节点与该最近的点的距离；将第四节点移动至该最近的点的位置，并根据移动后的各节点，更新中间路径。
在本发明的实施例中，通过上述方式一和方式二两种方式将初始路径中的悬空节点移动至装配体三维结构模型的表面，这样便于安装待布局线缆的接插端和线夹。
其中，如图9所示，在本发明的上述实施例中，上述步骤13是通过Cosserat模型对中间路径进行建模，确定出待布局线缆的最终路径的。其具体步骤为：
步骤91，根据工艺要求、属性信息以及连通信息，确定出待布局线缆的接插端的安装位置和多个线夹的安装位置。即，确定出接插端的安装位置和多个线夹的安装位置的空间坐标、接插端的安装位置和多个线夹的安装位置的线缆伸出端切向量，以及每两个相邻安装位置(即接插端的安装位置与线夹的安装位置，或者每两个线夹的安装位置)之间的线缆长度。
步骤92，将接插端的安装位置与线夹的安装位置，或者每两个线夹的安装位置之间的线缆段划分为N个节点。
步骤93，计算每相邻两个节点之间的线缆段的弹性势能。
步骤94，根据计算得到的弹性势能，确定出每个节点的空间位置。
步骤95，根据每个节点的空间位置，确定出待布局线缆的最终路径。
在本发明的实施例中，通过Frenet坐标系和主轴坐标系来表达线缆截面的扭转变形，从而上述步骤93的具体计算过程为：根据公式计算每相邻两个节点之间的拉伸变形的弹性势能，其中V1为拉伸变形的弹性势能，k1为抗拉刚度，s为弧坐标，r(s)为用弧坐标s表示的参考坐标系中的向量；
根据公式
计算每相邻两个节点之间的弯曲及扭转变形的弹性势能，其中V2为弯曲及扭转变形的弹性势能，uk为线缆的弯扭度，为一与线缆的原始弯曲和扭转变形相关的常数，kk为抗弯和抗扭刚度，uk以及kk中的下标k都为弯曲及扭转变形的截面局部坐标系三个坐标轴的编号；
根据每相邻两个节点之间的拉伸变形的弹性势能和弯曲及扭转变形的弹性势能的和值，得到每相邻两个节点之间的线缆段的弹性势能。
在本发明的实施例中，将接插端的安装位置(如图10中的Fs)与线夹的安装位置(如图10中的Fc1)，或者每两个线夹的安装位置之间的线缆段划分为N个节点，即相当于将每两个相邻安装位置划分为N-1段，然后计算每一段(即每相邻两个节点之间的线缆段)的弹性势能。
上述步骤94的具体步骤为：计算各相邻两个节点之间的线缆段的弹性势能的总和；根据总和的最小值，确定出每个节点的空间位置。具体的，针对于每两个相邻安装位置之间的N个节点的空间位置的确定方式为：首先计算两个相邻安装位置之间的N-1段的弹性势能的总和，然后通过求解该总和最小值的方法来得到任意时刻约束下N个节点的空间位置。
其中，在通过两个相邻安装位置之间的N-1段的弹性势能的总和，得到N个节点的空间位置的过程中，所需的约束条件包括：两安装位置的空间坐标、两安装位置的线缆伸出端切向量(如图10中的Ts和Tc1)以及两安装位置之间的线缆长度。其中两安装位置之间的线缆长度是根据两安装位置的空间坐标和两安装位置的线缆伸出端切向量按照最小弯曲半径的工艺要求构造出的几何曲线的积分长度得到的。因此，针对每两个相邻安装位置之间N个节点的空间位置的确定，都可以通过将对应的两安装位置的空间坐标、对应的两安装位置的线缆伸出端切向量以及对应的两安装位置之间的线缆长度，代入上述V1和V2的公式中，并根据对应的两个相邻安装位置之间的N-1段的弹性势能的总和，确定出对应的两安装位置之间的N个节点的空间位置。
实施例二
如图11所示，本发明的实施例还提供了一种基于快速扩展随机树的三维自动布线的装置，该装置包括：
第一确定模块111，用于根据待布局线缆的可用空间、起始点和终止点，得到待布局线缆的初始路径；
第二确定模块112，用于对初始路径进行细化处理，得到中间路径；
第三确定模块113，用于通过线缆物理模型对中间路径进行建模，确定出待布局线缆的最终路径。
其中，装置还包括：
获取模块，用于获取待布局线缆的可用空间、起始点和终止点。
其中，获取模块包括：
配置单元，用于根据待布线的装配体三维结构模型和装配体三维结构模型的电气原理设计信息，配置装配体三维结构模型的电子元器件端口的属性信息；
第一获取单元，用于获取待布局线缆的连通信息；
第二获取单元，用于根据属性信息和连通信息，获取待布局线缆的可用空间、起始点和终止点。
其中，第一确定模块111包括：
生成单元，用于根据双树快速扩展随机树RRT算法，在可用空间内，分别以起始点和终止点为根节点生成两棵树，其中每棵树在随机扩展一个节点后，会以另一棵树的新节点为采样节点再扩展一个节点；
第一确定单元，用于通过两棵树所扩展的节点，获得一条连接起始点和终止点的路径；
剔除单元，用于剔除路径中的冗余节点；
运算单元，用于通过任意时间算法进行多次路径运算，并从运算结果中选取长度最短的路径作为待布局线缆的初始路径。
其中，第二确定模块112包括：
第二确定单元，用于将初始路径中的悬空节点移动至装配体三维结构模型的表面，得到中间路径。
其中，第二确定单元包括：
第一判断子单元，用于判断起始点和终止点之间的距离是否大于第一预设步长，并当起始点和终止点之间的距离大于第一预设步长时，触发第一确定子单元；
第一确定子单元，用于根据第一判断子单元的触发，确定出与起始点距离为一个第一预设步长的第一节点；
第一计算子单元，用于通过碰撞检测得到装配体三维结构模型的表面上距离第一节点最近的点，并计算第一节点与最近的点之间的距离；
第二确定子单元，用于当第一节点与最近的点之间的距离小于第一预设值时，确定第一节点不是悬空节点；
第三确定子单元，用于当第一节点与最近的点之间的距离大于第一预设值时，确定第一节点为悬空节点；
第一移动子单元，用于将第一节点移动至最近的点的位置，并以第一预设步长为步长依次判断位于第一节点之后的每一个节点是否为悬空节点，直至被判断的节点与终止点之间的距离小于第一预设步长；
第二移动子单元，用于当被判断的节点为悬空节点时，将该节点移动至装配体三维结构模型的表面上距离该节点最近的点的位置；
第四确定子单元，用于根据移动后的各节点，得到中间路径。
其中，第二确定单元包括：
第二判断子单元，用于判断起始点和终止点之间的距离是否大于第二预设步长，并当起始点和终止点之间的距离大于第二预设步长时，触发第五确定子单元；
第五确定子单元，用于根据第二判断子单元的触发，确定出位于起始点和终止点之间的中点位置处的第二节点；
第二计算子单元，用于通过碰撞检测得到装配体三维结构模型的表面上距离第二节点最近的点，并计算第二节点与该最近的点之间的距离；
第六确定子单元，用于当第二节点与该最近的点之间的距离小于第二预设值时，确定第二节点不是悬空节点；
第七确定子单元，用于当第二节点与该最近的点之间的距离大于第二预设值时，确定第二节点为悬空节点；
第三移动子单元，用于将第二节点移动至该最近的点的位置，并一直判断位于每两个相邻节点之间的中点位置处的节点是否为悬空节点，直至每两个相邻节点之间的距离小于第二预设步长；
第四移动子单元，用于当被判断的节点为悬空节点时，将该节点移动至装配体三维结构模型的表面上距离该节点最近的点的位置；
第八确定子单元，用于根据移动后的各节点，得到中间路径。
其中，装置还包括：
第一检测模块，用于检测中间路径的每两个相邻节点之间的线缆段是否与装配体三维结构模型发生碰撞，并当有线缆段与装配体三维结构模型发生碰撞时，触发添加模块；
添加模块，用于根据检测模块的触发，在与该线缆段对应的两个节点之间添加一个节点，使该线缆段不会与装配体三维结构模型发生碰撞；
第一更新模块，用于根据添加后的各节点，更新中间路径。
其中，装置还包括：
第二检测模块，用于检测中间路径中是否存在间距大于第一预设步长的两相邻节点，并当有间距大于第一预设步长的两相邻节点时，触发第四确定模块；
第四确定模块，用于根据第二检测模块的触发，确定出与其中一个节点距离为一个第一预设步长的第三节点；
第一计算模块，用于通过碰撞检测，得到在装配体三维结构模型的表面和与间距大于第一预设步长的两相邻节点所在线段垂直的平面的相交位置处，距离第三节点最近的点，并计算第三节点与最近的点的距离；
第二更新模块，用于将第三节点移动至最近的点的位置，并根据移动后的各节点，更新中间路径。
其中，装置还包括：
第三检测模块，用于检测中间路径中是否存在间距大于第二预设步长的两相邻节点，并当有间距大于第二预设步长的两相邻节点时，触发第五确定模块；
第五确定模块，用于根据第三检测模块的触发，确定出位于该两相邻节点的中点位置处的第四节点；
第二计算模块，用于通过碰撞检测，得到在装配体三维结构模型的表面和与间距大于第一预设步长的两相邻节点所在线段垂直的平面的相交位置处，距离第四节点最近的点，并计算第四节点与该最近的点的距离；
第三更新模块，用于将第四节点移动至该最近的点的位置，并根据移动后的各节点，更新中间路径。
其中，第三确定模块113包括：
第三确定单元，用于根据工艺要求、属性信息以及连通信息，确定出待布局线缆的接插端的安装位置和多个线夹的安装位置；
划分单元，用于将接插端的安装位置与线夹的安装位置，或者每两个线夹的安装位置之间的线缆段划分为N个节点；
计算单元，用于计算每相邻两个节点之间的线缆段的弹性势能；
第四确定单元，用于根据计算得到的弹性势能，确定出每个节点的空间位置；
第五确定单元，用于根据每个节点的空间位置，确定出待布局线缆的最终路径。
其中，计算单元包括：
第三计算子单元，用于根据公式计算每相邻两个节点之间的拉伸变形的弹性势能，其中V1为拉伸变形的弹性势能，k1为抗拉刚度，s为弧坐标，r(s)为用弧坐标s表示的参考坐标系中的向量；
第四计算子单元，用于根据公式
计算每相邻两个节点之间的弯曲及扭转变形的弹性势能，其中V2为弯曲及扭转变形的弹性势能，uk为线缆的弯扭度，为一与线缆的原始弯曲和扭转变形相关的常数，kk为抗弯和抗扭刚度，uk以及kk中的下标k都为弯曲及扭转变形的截面局部坐标系三个坐标轴的编号；
第五计算子单元，用于根据每相邻两个节点之间的拉伸变形的弹性势能和弯曲及扭转变形的弹性势能的和值，得到每相邻两个节点之间的线缆段的弹性势能。
其中，第四确定单元包括：
第六计算子单元，用于计算各相邻两个节点之间的线缆段的弹性势能的总和；
第九确定子单元，用于根据总和的最小值，确定出每个节点的空间位置。
需要说明的是，本发明实施例提供的基于快速扩展随机树的三维自动布线的装置是应用上述方法的装置，即上述方法的所有实施例均适用于该装置，且均能达到相同或相似的有益效果。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种基于快速扩展随机树的三维自动布线的方法，其特征在于，包括：
获取待布局线缆的可用空间、起始点和终止点；
根据待布局线缆的可用空间、起始点和终止点，得到待布局线缆的初始路径；
对所述初始路径进行细化处理，得到中间路径；
通过线缆物理模型对所述中间路径进行建模，确定出待布局线缆的最终路径；
其中，所述获取待布局线缆的可用空间、起始点和终止点，具体包括：
根据待布线的装配体三维结构模型和所述装配体三维结构模型的电气原理设计信息，配置所述装配体三维结构模型的电子元器件端口的属性信息；
获取待布局线缆的连通信息；
根据所述属性信息和连通信息，获取待布局线缆的可用空间、起始点和终止点；
所述对所述初始路径进行细化处理，得到中间路径，具体为：
将所述初始路径中的悬空节点移动至所述装配体三维结构模型的表面，得到中间路径；
所述将所述初始路径中的悬空节点移动至所述装配体三维结构模型的表面，得到中间路径，具体包括：
判断所述起始点和终止点之间的距离是否大于第一预设步长；
当所述起始点和终止点之间的距离大于第一预设步长时，确定出与所述起始点距离为一个第一预设步长的第一节点；
通过碰撞检测得到所述装配体三维结构模型的表面上距离所述第一节点最近的点，并计算所述第一节点与最近的点之间的距离；
当所述第一节点与最近的点之间的距离小于第一预设值时，则确定所述第一节点不是悬空节点；
当所述第一节点与最近的点之间的距离大于第一预设值时，则确定所述第一节点为悬空节点；
将所述第一节点移动至最近的点的位置，并以所述第一预设步长为步长依次判断位于所述第一节点之后的每一个节点是否为悬空节点，直至被判断的节点与所述终止点之间的距离小于第一预设步长；
当被判断的节点为悬空节点时，将该节点移动至所述装配体三维结构模型的表面上距离该节点最近的点的位置；
根据移动后的各节点，得到中间路径。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据待布局线缆的可用空间、起始点和终止点，得到待布局线缆的初始路径，具体包括：
根据快速扩展随机树RRT算法，在所述可用空间内，分别以所述起始点和终止点为根节点生成两棵树，其中每棵树在随机扩展一个节点后，会以另一棵树的新节点为采样节点再扩展一个节点；
通过两棵树所扩展的节点，获得一条连接所述起始点和终止点的路径；
剔除所述路径中的冗余节点；
通过任意时间算法进行多次路径运算，并从运算结果中选取长度最短的路径作为待布局线缆的初始路径。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述初始路径中的悬空节点移动至所述装配体三维结构模型的表面，得到中间路径，具体包括：
判断所述起始点和终止点之间的距离是否大于第二预设步长；
当所述起始点和终止点之间的距离大于第二预设步长时，确定出位于所述起始点和终止点之间的中点位置处的第二节点；
通过碰撞检测得到所述装配体三维结构模型的表面上距离所述第二节点最近的点，并计算所述第二节点与该最近的点之间的距离；
当所述第二节点与该最近的点之间的距离小于第二预设值时，则确定所述第二节点不是悬空节点；
当所述第二节点与该最近的点之间的距离大于第二预设值时，则确定所述第二节点为悬空节点；
将所述第二节点移动至该最近的点的位置，并一直判断位于每两个相邻节点之间的中点位置处的节点是否为悬空节点，直至每两个相邻节点之间的距离小于所述第二预设步长；
当被判断的节点为悬空节点时，将该节点移动至所述装配体三维结构模型的表面上距离该节点最近的点的位置；
根据移动后的各节点，得到中间路径。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过线缆物理模型对所述中间路径进行建模，确定出待布局线缆的最终路径，具体包括：
根据工艺要求、所述属性信息以及所述连通信息，确定出待布局线缆的接插端的安装位置和多个线夹的安装位置；
将所述接插端的安装位置与线夹的安装位置，或者每两个线夹的安装位置之间的线缆段划分为N个节点；
计算每相邻两个节点之间的线缆段的弹性势能；
根据计算得到的弹性势能，确定出每个节点的空间位置；
根据每个节点的空间位置，确定出待布局线缆的最终路径。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述计算每相邻两个节点之间的线缆段的弹性势能，具体包括：
根据公式计算每相邻两个节点之间的拉伸变形的弹性势能，其中V1为拉伸变形的弹性势能，k1为抗拉刚度，s为弧坐标，r(s)为用弧坐标s表示的参考坐标系中的向量；
根据公式
<mrow>
<msub>
<mi>V</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
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<mn>2</mn>
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</munderover>
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<mi>k</mi>
</msub>
<msup>
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<mi>k</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
<mi>d</mi>
<mi>s</mi>
</mrow>
计算每相邻两个节点之间的弯曲及扭转变形的弹性势能，其中V2为弯曲及扭转变形的弹性势能，uk为线缆的弯扭度，为一与线缆的原始弯曲和扭转变形相关的常数，kk为抗弯和抗扭刚度，uk以及kk中的下标k都为弯曲及扭转变形的截面局部坐标系三个坐标轴的编号；
根据每相邻两个节点之间的拉伸变形的弹性势能和弯曲及扭转变形的弹性势能的和值，得到每相邻两个节点之间的线缆段的弹性势能。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据计算得到的弹性势能，确定出每个节点的空间位置，具体包括：
计算各相邻两个节点之间的线缆段的弹性势能的总和；
根据所述总和的最小值，确定出每个节点的空间位置。
7.一种基于快速扩展随机树的三维自动布线的装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取待布局线缆的可用空间、起始点和终止点；
第一确定模块，用于根据待布局线缆的可用空间、起始点和终止点，得到待布局线缆的初始路径；
第二确定模块，用于对所述初始路径进行细化处理，得到中间路径；
第三确定模块，用于通过线缆物理模型对所述中间路径进行建模，确定出待布局线缆的最终路径；
所述获取模块包括：
配置单元，用于根据待布线的装配体三维结构模型和所述装配体三维结构模型的电气原理设计信息，配置所述装配体三维结构模型的电子元器件端口的属性信息；
第一获取单元，用于获取待布局线缆的连通信息；
第二获取单元，用于根据所述属性信息和连通信息，获取待布局线缆的可用空间、起始点和终止点；
所述第二确定模块包括：
第二确定单元，用于将所述初始路径中的悬空节点移动至所述装配体三维结构模型的表面，得到中间路径；
所述第二确定单元包括：
第一判断子单元，用于判断所述起始点和终止点之间的距离是否大于第一预设步长，并当所述起始点和终止点之间的距离大于第一预设步长时，触发第一确定子单元；
第一确定子单元，用于根据所述第一判断子单元的触发，确定出与所述起始点距离为一个第一预设步长的第一节点；
第一计算子单元，用于通过碰撞检测得到所述装配体三维结构模型的表面上距离所述第一节点最近的点，并计算所述第一节点与最近的点之间的距离；
第二确定子单元，用于当所述第一节点与最近的点之间的距离小于第一预设值时，确定所述第一节点不是悬空节点；
第三确定子单元，用于当所述第一节点与最近的点之间的距离大于第一预设值时，确定所述第一节点为悬空节点；
第一移动子单元，用于将所述第一节点移动至最近的点的位置，并以所述第一预设步长为步长依次判断位于所述第一节点之后的每一个节点是否为悬空节点，直至被判断的节点与所述终止点之间的距离小于第一预设步长；
第二移动子单元，用于当被判断的节点为悬空节点时，将该节点移动至所述装配体三维结构模型的表面上距离该节点最近的点的位置；
第四确定子单元，用于根据移动后的各节点，得到中间路径。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一确定模块包括：
生成单元，用于根据快速扩展随机树RRT算法，在所述可用空间内，分别以所述起始点和终止点为根节点生成两棵树，其中每棵树在随机扩展一个节点后，会以另一棵树的新节点为采样节点再扩展一个节点；
第一确定单元，用于通过两棵树所扩展的节点，获得一条连接所述起始点和终止点的路径；
剔除单元，用于剔除所述路径中的冗余节点；
运算单元，用于通过任意时间算法进行多次路径运算，并从运算结果中选取长度最短的路径作为待布局线缆的初始路径。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二确定单元包括：
第二判断子单元，用于判断所述起始点和终止点之间的距离是否大于第二预设步长，并当所述起始点和终止点之间的距离大于第二预设步长时，触发第五确定子单元；
第五确定子单元，用于根据所述第二判断子单元的触发，确定出位于所述起始点和终止点之间的中点位置处的第二节点；
第二计算子单元，用于通过碰撞检测得到所述装配体三维结构模型的表面上距离所述第二节点最近的点，并计算所述第二节点与该最近的点之间的距离；
第六确定子单元，用于当所述第二节点与该最近的点之间的距离小于第二预设值时，确定所述第二节点不是悬空节点；
第七确定子单元，用于当所述第二节点与该最近的点之间的距离大于第二预设值时，确定所述第二节点为悬空节点；
第三移动子单元，用于将所述第二节点移动至该最近的点的位置，并一直判断位于每两个相邻节点之间的中点位置处的节点是否为悬空节点，直至每两个相邻节点之间的距离小于所述第二预设步长；
第四移动子单元，用于当被判断的节点为悬空节点时，将该节点移动至所述装配体三维结构模型的表面上距离该节点最近的点的位置；
第八确定子单元，用于根据移动后的各节点，得到中间路径。
10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第三确定模块包括：
第三确定单元，用于根据工艺要求、所述属性信息以及所述连通信息，确定出待布局线缆的接插端的安装位置和多个线夹的安装位置；
划分单元，用于将所述接插端的安装位置与线夹的安装位置，或者每两个线夹的安装位置之间的线缆段划分为N个节点；
计算单元，用于计算每相邻两个节点之间的线缆段的弹性势能；
第四确定单元，用于根据计算得到的弹性势能，确定出每个节点的空间位置；
第五确定单元，用于根据每个节点的空间位置，确定出待布局线缆的最终路径。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述计算单元包括：
第三计算子单元，用于根据公式计算每相邻两个节点之间的拉伸变形的弹性势能，其中V1为拉伸变形的弹性势能，k1为抗拉刚度，s为弧坐标，r(s)为用弧坐标s表示的参考坐标系中的向量；
第四计算子单元，用于根据公式
<mrow>
<msub>
<mi>V</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mn>2</mn>
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计算每相邻两个节点之间的弯曲及扭转变形的弹性势能，其中V2为弯曲及扭转变形的弹性势能，uk为线缆的弯扭度，为一与线缆的原始弯曲和扭转变形相关的常数，kk为抗弯和抗扭刚度，uk以及kk中的下标k都为弯曲及扭转变形的截面局部坐标系三个坐标轴的编号；
第五计算子单元，用于根据每相邻两个节点之间的拉伸变形的弹性势能和弯曲及扭转变形的弹性势能的和值，得到每相邻两个节点之间的线缆段的弹性势能。
12.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述第四确定单元包括：
第六计算子单元，用于计算各相邻两个节点之间的线缆段的弹性势能的总和；
第九确定子单元，用于根据所述总和的最小值，确定出每个节点的空间位置。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |