CN114818305B - 一种通用的刚体部件传动仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通用的刚体部件传动仿真方法，包括以下步骤：1）从仿真目标中，建立所有的运动关联树状数据；2）对应用户不同的指令，找到对应的树结构，进行运算逻辑；3）每次指令引起刚体运动，逻辑运算会根据刚体本身的性质，同时记录树形结构中刚体之间连接杆的不同状态，得到每个刚体能做的运动范围量；4）在运动范围量内，采样运动产生的离散数据；5)动态计算刚体两端的实时位置信息；6）整体逻辑方法采用本发明的树形结构。本发明能逼真的实现类似GW4—126D型隔离开关中电控/手控操作引起的系统部件运动，能精确、可控的模拟现实中的任何情况。

Description

一种通用的刚体部件传动仿真方法

技术领域

本发明涉及电力系统仿真领域，特别涉及一种树形联动机构的运动仿真模拟。

背景技术

设计和制作GW4—126D型隔离开关仿真的过程中，发现隔离开关传动部件存在互相制动关联驱动的运动逻辑。紧密之处在于，每个部件现实中的运动或转动或者移动，在仿真中连接器完全作用的情况下，都会驱动其他一个或者多个部件的运动。特别是，由于仿真中可以由固定的电机驱动，也可以通过手动驱动。在第一种情况（固定电机驱动）下，运动的传导（顺序、特征）可以看作是固定的。但由于手动驱动情况的加入，运动传导的始作俑者就会变化。导致仿真要考虑的变量突然激增，如果不找到对应的策略，那么就会出现整体系统不停的运算，停不下来的异常情况。

另外一个问题是，现在的商业3D引擎（常见的如Unity3d、UnrealEngine4）集成的通用物理引擎带有的物理方案通常会提供刚体、铰链这样的组件，来模拟绳索、链条的物理效果。但是在类似GW4—126D型隔离开关仿真刚体运动控制研究中，这些物理引擎因为本身是面向游戏效果的原因，在计算这种互相关联呈树状结构、但又需要保持运动真实的控制系统上，实践下来往往会在莫名其妙的地方表现出奇怪的物理模拟，整个过程完全不可控、出现失控情况。所以，现成的物理引擎并不能完成要求，甚至说完全不可用。

现有的使用物理引擎模拟的3D（2D）刚体连接问题，因为目标不同，导致不适用于类似GW4-126D这种刚体连接、互相传动的机构。而使用一般的计算方式，对于这种机构，是一个N维的机制（对于GW4-126D，至少是6维），计算方式异常复杂甚至很难推算。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在一定的刚体部件连接系统、整体做仿真运动时，任何状态下系统不会出现失控状况的通用的刚体部件传动仿真方法。

本发明的技术解决方案是：

一种通用的刚体部件传动仿真方法，其特征是：具体步骤如下：

（1）从仿真目标中，建立所有的运动关联树状数据；其中，每个树结构记录了每个可能的运动产生时该运行的发起者、从动者、关联者；

（2）建立了树状数据库后，在仿真过程中，用户每个会引起系统运动的操作，都能找到一个作用的点，通过该点，能找到库中对应的一个树结构，这里的点就对应到该树的根；

（3）利用找到的树结构，得到根对应的刚体连接到的其他刚体，而这里的其他刚体在树状结构中的数据，又能解析到它影响的其他刚体，这样就建立了一次运动和运动引起的传动模型；

（4）每次用户操作引起刚体运动，在系统中，是固定的转动起始；有了前面的传动模型，根据刚体本身的性质和刚体与刚体间连接杆的不同状态，得到每个刚体能做的运动范围；

[-180, 180] = { x ∈ R, -180 ≤ x ≤ 180 }

一个节点的每次转动，在一个瞬间，必然在一个小的区间之内，而由此引起的它的直接关联者（直接子节点）的转动，同样如此；这个区间可以通过预先定义成：

[-Fraction，Fraction]

而根据传动节点的转向只有顺时针和逆时针两种可能，结合上面的区间，可以把目标区间分割成两个部分：

[-Fraction, 0)

和

(0, Fraction]

（5）在这个范围之内，利用尽可能多的离散采样数据，在刚体、连杆行程的约束范围之内，快速寻找因传动根运动而引起本身需要运动到达的位置；

采样数据集合：

[P0, P1, P2, ...Pn]

其中

Pn = Pn-1 + F/C ；F = Fraction, C = Count of samples；

在所有的采样点中，根据连杆的长度和驱动点的位置，得到最符合要求的一个采样点，该采样点符合：

Min [Len(Psource, P0),Len(Psource, P1),...,Len(P, Pn)]；

（6）在同一根连杆（也是刚体）两头的刚体都计算出最新的位置信息后，通过系统初始的信息，计算出连杆的应该的朝向信息和位置信息；

连杆长度：

L = Len(P1, P2)

连杆方向：

D = Normalize(P1 - P2)；

（7）因为整体系统采用树状结构，上面的所有步骤在整个树上，只要从根部开始，一层层往下传递，那么系统中所有的刚体，就能在不使用任何物理公式和物理引擎的方式下，实际计算出正确的位置和转向信息。

步骤（4）所述刚体本身的性质，指刚体是转臂还是连杆，同样记录于树状结构。

本发明适用于系统中各个部件互相连接、互相影响的方法的需要，该方法（或者方法集）能解决现有物理系统不能够做到的地方；由刚体组成的整体，在一定的刚体部件连接系统、整体做仿真运动时，任何状态下系统不能够出现失控的状况。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明一个实施例的树状系统示意图。

图2-图8是不同节点树状数据库示意图。

具体实施方式

一种通用的刚体部件传动仿真方法，具体步骤如下：

（1）从仿真目标中，建立所有的运动关联树状数据；其中，每个树结构记录了每个可能的运动产生时该运行的发起者、从动者、关联者；

（2）建立了树状数据库后，在仿真过程中，用户每个会引起系统运动的操作，都能找到一个作用的点，通过该点，能找到库中对应的一个树结构，这里的点就对应到该树的根；

（3）利用找到的树结构，得到根对应的刚体连接到的其他刚体，而这里的其他刚体在树状结构中的数据，又能解析到它影响的其他刚体，这样就建立了一次运动和运动引起的传动模型；

（4）每次用户操作引起刚体运动，在系统中，是固定的转动起始；有了前面的传动模型，根据刚体本身的性质和刚体与刚体间连接杆的不同状态，得到每个刚体能做的运动范围；

[-180, 180] = { x ∈ R, -180 ≤ x ≤ 180 }

一个节点的每次转动，在一个瞬间，必然在一个小的区间之内，而由此引起的它的直接关联者（直接子节点）的转动，同样如此；这个区间可以通过预先定义成：

[-Fraction，Fraction]

而根据传动节点的转向只有顺时针和逆时针两种可能，结合上面的区间，可以把目标区间分割成两个部分：

[-Fraction, 0)

和

(0, Fraction]

（5）在这个范围之内，利用尽可能多的离散采样数据，在刚体、连杆行程的约束范围之内，快速寻找因传动根运动而引起本身需要运动到达的位置；

采样数据集合：

[P0, P1, P2, ...Pn]

其中

Pn = Pn-1 + F/C ；F = Fraction, C = Count of samples；

在所有的采样点中，根据连杆的长度和驱动点的位置，得到最符合要求的一个采样点，该采样点符合：

Min [Len(Psource, P0),Len(Psource, P1),...,Len(P, Pn)]；

（6）在同一根连杆（也是刚体）两头的刚体都计算出最新的位置信息后，通过系统初始的信息，计算出连杆的应该的朝向信息和位置信息；

连杆长度：

L = Len(P1, P2)

连杆方向：

D = Normalize(P1 - P2)；

（7）因为整体系统采用树状结构，上面的所有步骤在整个树上，只要从根部开始，一层层往下传递，那么系统中所有的刚体，就能在不使用任何物理公式和物理引擎的方式下，实际计算出正确的位置和转向信息。

步骤（4）所述刚体本身的性质，指刚体是转臂还是连杆，同样记录于树状结构。

具体实施步骤：

1-1) 建立树状数据库。以一个抽象的GW4-126D系统（图1）示例：

图1所示的系统，P是电动系统，An、Bn、Cn (n = [1..2])，都是系统中可围绕一个轴做正反旋转的节点，连接的线可视作节点间的连杆。并且，An、Bn、Cn都可以被手控操作，而不是只有通过P作用到A1上后进行的传动引起系统运动。

为这样的系统，需要建立树状数据库如下（图2到图8）：

图2中，由P节点作为根节点，驱动它下层的节点（这里是唯一一个）A1运动。A1节点再驱动下层的A2、B1运动。B1节点再驱动下层的B2和C1运动。最后是C1节点驱动C2节点运动。这就是由P点带动系统后所有的运动传导机制。

由A1节点做根节点的运动（GW4-126D中，会由操作者直接手动操作A1节点行程），树状图为图3。

由A2节点带动的树状图为图4。

由B1带动的树状图为图5。

由B2带动的树状图为图6。

由C1带动的树状图为图7。

由C2带动的树状图为图8。

图2到图8，形成整个运动传导机制库。这个库根据不同的系统特点，预先在程序运行的时候编制完成，然后由程序在处理事务中，随时根据需要查询。

2-1) 根据仿真系统操作者的输入，实时查询到合适的树状结构，而后从树的最上层开始，一次以上层节点的位置或者方向为依据，配合连杆的长度，计算下层节点的位置或者方向。

以操作A1节点为例：

判断到A1节点被手动操控，那么从库中提取以A1节点为根的树。

A1节点下层由两个节点，A2和B1。其中，B1可以视为一棵子树，更新它的下层节点只要把B1视作是根节点，往下传递信息即可，下面不赘述。这里只以更新A2节点的信息为例，相应算法：

由于A1节点的转动，导致A1角度变化。而A2因为使用刚体连杆和A1连接，并且只能由转动适应A1节点的变化，因此要能够在既有条件下寻找A2节点的最终转动角度。根据A2节点的自由度，它能转动的范围：

[-180, 180] = { x ∈ R, -180 ≤ x ≤ 180 }

由于现在的计算机算力有限，在这个连续区间内存在无数个可能。因此必须简化该计算。

2-2) A1的每次转动，在一个瞬间，必然在一个小的区间之内，而由此引起的A2的转动，同样如此。这个区间可以通过预先定义成：

[-Fraction，Fraction]

而根据A1的转向只有顺时针和逆时针两种可能，结合上面的区间，可以把目标区间分割成两个部分：

[-Fraction, 0)

和

(0, Fraction]

根据A1和A2的连杆，即可以确定一次A1的驱动导致A2转向必定属于上面两个区间中的一个。

2-3) 确定某个区间后，结果依然是连续的。为了满足计算的需要，必须进行离散数据的采样，以当前的位置为P0，每个采样点根据上面的区间和可配置的采样数量C，采样数据集合：

[P0, P1, P2, ...Pn]

其中

Pn = Pn-1 + F/C

这里，F是上面提到的某个区间的范围长度。

3-1) 在所有的采样点中，根据连杆的长度和驱动点的位置，得到最符合要求的一个采样点

该采样点符合：

Min [Len(Psource, P0),Len(Psource, P1),...,Len(Psource, Pn)]

4-1) 有了两个点后，相应的连杆更新数据就有了。

连杆长度：

L = Len(P1, P2)

连杆方向：

D = Normalize(P1 - P2)

5-1) 遍历树状图中每个没有计算过的节点，所有更新过后，系统则变成最新的状态。

Claims (2)

1.一种通用的刚体部件传动仿真方法，其特征是：具体步骤如下：

（1）从仿真目标中，建立所有的运动关联树状数据；其中，每个树结构记录了每个可能的运动产生时该运动的发起者、从动者、关联者；

（2）建立了树状数据库后，在仿真过程中，用户每个会引起系统运动的操作，都能找到一个作用的点，通过该点，能找到库中对应的一个树结构，这里的点就对应到该树的根；

（3）利用找到的树结构，得到根对应的刚体连接到的其他刚体，而这里的其他刚体在树状结构中的数据，又能解析到它影响的其他刚体，这样就建立了一次运动和运动引起的传动模型；

（4）每次用户操作引起刚体运动，在系统中，是固定的转动起始；有了前面的传动模型，根据刚体本身的性质和刚体与刚体间连接杆的不同状态，得到每个刚体能做的运动范围；

一个节点的每次转动，在一个瞬间，必然在一个小的区间之内，而由此引起的它的直接关联者的转动，同样如此；这个区间可以通过预先定义成：

[-Fraction，Fraction] ；

而根据传动节点的转向只有顺时针和逆时针两种可能，结合上面的区间，把目标区间分割成两个部分：

[-Fraction, 0) 和(0, Fraction]

（5）在这个范围之内，利用尽可能多的离散采样数据，在刚体、连杆行程的约束范围之内，快速寻找因传动根运动而引起本身需要运动到达的位置；

采样数据集合：[P0, P1, P2, ...，Pn]

其中Pn = Pn-1 + F/C ；F = Fraction, C 为采样量；

在所有的采样点中，根据连杆的长度和驱动点的位置，得到最符合要求的一个采样点，该最符合要求的一个采样点符合以下条件：

Min [Len(Psource, P0),Len(Psource, P1),...,Len(P, Pn)]；

（6）在同一根连杆两头的刚体都计算出最新的位置信息后，通过系统初始的信息，计算出连杆的应该的朝向信息和位置信息；

连杆长度：L = Len(P1, P2)

连杆方向：D = Normalize(P1 - P2)；

（7）因为整体系统采用树状结构，上面的所有步骤在整个树上，只要从根部开始，一层层往下传递，那么系统中所有的刚体，就能在不使用任何物理公式和物理引擎的方式下，实际计算出正确的位置和转向信息。

2.根据权利要求1所述的通用的刚体部件传动仿真方法，其特征是：步骤（4）所述刚体本身的性质，指刚体是转臂或刚体是连杆，刚体本身的性质同样记录于树状结构。

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