一种三维环境下电缆自动敷设方法

技术领域

本发明涉及计算机辅助电缆布局设计技术领域，具体而言，尤其涉及一种三维环境下电缆自动敷设方法。

背景技术

电缆作为电气设备、电气元器件和系统控制装置的连接和控制单元，主要起着传递信号的作用，电缆的布局质量将会对复杂机电产品的性能产生较大影响。然而，电缆种类繁多、形态复杂、可装配空间小在实际的布局设计过程中极易造成布局不合理、错装、漏装以及可靠性不足等现象，影响电缆的产品寿命，进而导致复杂机电产品质心偏移，质量过大以及产品质量问题等。

电缆传统布局设计方式是一种基于人工布线的二维串行方式，主要依靠人工操作完成，效率低、成本高且无法预测电缆的实际安装和使用所面临的问题，在布局过程中往往不能像计算机一样考虑电缆的一系列关键参数(如最小弯曲半径等)，计算机辅助电缆布局设计是解决这些问题的有效途径。但是，目前的计算机辅助电缆布局设计软件通常采用交互式布线方式，且未考虑电缆的柔性变形特性，不具备避障功能，不能保证装配合理性。基于虚拟现实技术的电缆虚拟布局系统开发成为电缆布线设计研究的新方向。

基于虚拟现实技术，根据数字模型样机中的电气约束、干涉约束等要求，按照布线原理图的指导，通过虚拟布线完成电缆布线操作并最终生成可行的布线方案。整个过程，电缆的设计与布局与产品实物试装是完全一致的，从而避免实物样机试装，改变设计理念以及提供电缆装配过程培训。早期虚拟现实技术在电缆的布局设计上的应用为人机交互式布局方式，在虚拟环境下借助人机交互设备，基于工程知识或经验获取无约束碰撞的电缆最优布局路径。当电缆数量庞大、布局环境复杂时，这种方法难以快速有效地完成布局设计任务。

发明内容

根据上述提出的技术问题，本发明提供了一种三维环境下电缆自动敷设方法。旨在按照路径规划和非线性优化机理的指导，充分利用自动路径搜索策略、有限元离散化原理、柔性电缆的物理模型以及最小势能原理，形成一套可操作性强、精度高的复杂机电产品电缆自动敷设机制。

本发明采用的技术手段如下：

一种三维环境下电缆自动敷设方法，包括：

S1、构建三维模型，输入电缆的物理属性信息，电气原理图以及布线规范；

S2、根据布线约束，基于特征体素化提取技术，提取出体素模型；根据体素模型，通过定义栅格节点划分求解空间；

S3、结合优化A*算法，求解电缆布线环境下初始无碰撞路径；结合电缆布线标准，对初始路径节点进行筛选，并完成贴壁处理；

S4、建立电缆静力学方程，求解平衡状态下电缆形态，基于样条曲线拟合得到电缆的最终形态，输出电缆自动敷设结果。

进一步地，所述步骤S2中，基于特征体素化提取技术，提取出体素模型，具体包括：

S21、定义模型最大尺寸和最小尺寸x

S22、以R

S23、利用射线法从Z方向将三角面片投影到X、Y平面，落在三角形内部的坐标点满足x

S24、遍历步骤S23中的所有点，确定三角面片所在的平面，并记录处于平面上的空间点坐标；

S25、重复上述过程，计算所有三角片面表面体素点坐标，基于射线扫描的检测结果，判断是否为封闭模型；应用扫描线种子填充算法计算内部体素，完成模型体素化。

进一步地，所述步骤S2中，根据体素模型，通过定义栅格节点划分求解空间，具体包括：

S26、以体素化后模型坐标系为中心建立坐标系，设电缆的直径为D，选择栅格粒度λ＝D；

S27、确定布线空间的三维尺寸L×H×W，将布线空间转换为L′×H′×W′的离散空间，其中L'＝L/λ、H'＝H/λ、W'＝W/λ，并且L'、H'、W'为向上取整的结果；

S28、按照节点属性对栅格节点进行赋值处理，其中权值为1的视为障碍物节点；而权值为0的节点视为可行节点；

S29、基于“部分即所有”策略，完成布线空间的栅格化分。

进一步地，所述步骤S3中，结合优化A*算法，求解电缆布线环境下初始无碰撞路径，具体包括：

S31、将起点加入Open_List中，完成Open_List和Close_List的初始化；

S32、判断Open_List是否为空，若不为空，则选择其中f值最小的节点n；反之，路径搜索失败；

S33、判断节点n是否为终点，若不是终点，则继续执行下一步，若是终点，则完成搜索；

S34、从Open_List中删除节点n并加入Close_List；筛选节点n周围子节点，若不在Open_List中将该子节点加入Open_List并计算f值；若在Open_List中进行g值的更新步骤；若判断子节点属于障碍物，则将该子节点忽略；

S35、重复上述过程，直至搜索到终点；当搜索到终点时，回溯路径节点集，整体代价最小的路径点集，即为所求最优路径。

进一步地，所述步骤S3中，结合电缆布线标准，对初始路径节点进行筛选，并完成贴壁处理，具体包括：

S36、设置贴壁的参照平面，以参照平面为范围设置吸引区；

S37、判断节点是否为起点或终点，是则忽略该点，否则执行步骤S38；

S38、判断节点是否处于该吸引区，若处于该吸引区范围内则将节点移动至参照平面表面，将移动后的节点代替原路径节点；

S39、重复上述步骤直至所有路径节点都吸引至参照平面。

进一步地，所述步骤S4，具体包括：

S41、基于Cosserat弹性杆理论，建立电缆静力学模型；

S42、基于最小势能原理结合最优化理论，求解电缆静平衡形态；

S43、基于三次样条曲线拟合思想，生成电缆中心线形态。

进一步地，所述步骤S41，具体包括：

S411、根据弹性杆理论，将电缆被视作细长杆，其轴向尺寸远大于径向尺寸；电缆中心线为二阶以上光滑曲线，穿过截面中心；电缆无剪切变形，其截面在变形前后尺寸不变，始终为刚性截面；忽略电缆拉伸变形和初始变形；不考虑电缆各层影响，将其视为各向均质的弹性杆；

S412、基于弹性杆理论，电缆的空间形态由中心线位置和截面形态组成；电缆中心线位置由向量r(s)表示；截面p'和截面p之间的位置关系包括延中心线的移动和截面间转动；当移动距离s足够小时，两截面间关系可视为绕固定点的转动，由方向余弦矩阵表示；

S413、采用欧拉参数来表示截面姿态，由欧拉参数表示方向余弦矩阵，表达如下：

S414、基于有限元的思想将电缆划分为n个节点，连接相邻节点为一个单元，采用欧拉参数在单元内线性插值，得到离散后第i个节点的位置、方向余弦矩阵，表示如下：

进一步地，所述步骤S42，具体包括：

S421、建立电缆的势能方程

S422、以电缆离散点势能方程作为目标函数，以欧拉参数为变量，以边界条件位置以及欧拉参数为约束，建立电缆模型优化模型，表达式如下：

S423、选择初始点x

S424、构造点x

S425、从x

S426、令x

进一步地，所述步骤S43，具体包括：

S431、数据点为电缆布线过程中必须的空间经过点，基于相邻数据点P

S432、空间中有n个数据点，基于相邻数据点进行分段拟合，依次构建相邻两点间的参数三次样条曲线，一共可以构建出n-1条曲线，由P

S433、求解切矢量，利用相邻两条曲线段之间的连接具有C

S434、建立的切矢量方程组为线性方程组，方程组的系数矩阵为三对角矩阵，使用追赶法求解线性方程组，追赶法首先对系数矩阵进行LU分解，将系数矩阵分解为下三角矩阵L和上三角矩阵U的乘积，最后通过两次回代完成方程组的求解。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的三维环境下电缆自动敷设方法，考虑电缆敷设环境的准确获取，基于体素化特征提取技术完成电缆三维布线环境特征的准确获取，基于栅格空间法完成布线空间预处理，包括空间划分及空间节点定义。

2、本发明提供的三维环境下电缆自动敷设方法，面向电缆自动敷设要求，基于改进A*算法考虑电缆布局无碰撞约束、贴壁约束、柔性特性以及经济性约束要求，计算三维环境下电缆的初始路径。

3、本发明提供的三维环境下电缆自动敷设方法，考虑电缆物理参数影响，基于Cosserat弹性杆理论完成电缆物理建模，基于最小势能原理和有限元思想，求解电缆静平衡形态。基于三次样条曲线拟合完成对电缆初始路径的形态优化。

综上，与传统计算机辅助电缆布局设计模块相比，本发明提出的基于物理建模的电缆自动优化敷设方法兼顾了电缆的布线约束、物理约束以及经济性约束，可以有效降低电缆的设计长度，提高电缆的布线效率，对电缆的实际布线有着较强的指导意义。

基于上述理由本发明可在计算机辅助电缆敷设等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明电缆自动敷设流程图。

图2为本发明空间特征提取与预处理示意图。

图3为本发明A*算法执行流程图。

图4为本发明贴壁约束流程图。

图5为本发明建模与解算流程图。

图6为本发明布线结果示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1所示，本发明提供了一种三维环境下电缆自动敷设方法，该方法首先需要输入电缆敷设信息报表，对数字样机进行特征提取并完成栅格划分，如图2所示。根据改进A*算法生成电缆初始路径，根据贴壁约束规则完成路径点节点筛选与贴壁约束处理。以最终路径点为输入，根据弹性杆模型求解离散点的静平衡位置，基于样条曲线拟合最终生成电缆物理形态，完成电缆自动敷设。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图3所示，本发明通过改进A*算法生成电缆的初始路径。改进方式包括考虑电缆柔性特性对启发函数的优化以及考虑经济性约束对搜索方向的拓展。根据获取的数字样机栅格模型，进行起止点间无碰撞初始路径的计算。以生成的初始路径为输入，本发明根据布线标准，通过设置吸引区，将处于吸引区内的路径点吸附到障碍物表面，完成贴壁约束处理，如图4所示。根据布线标准对路径点进行节点筛选，选择关键点间距为300mm～600mm。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图5所示，本发明通过建立电缆的静力学模型，以Cosserat弹性杆理论表达出电缆弯曲、扭转以及重力影响下的变形情况。根据最小势能原理列出电缆的势能方程，以总势能为目标函数，以欧拉参数为变量建立优化方程求解电缆势能最小时的欧拉参数进而拟合出离散点坐标。基于三次样条曲线拟合技术生成电缆的最终形态。如图6所示，为本发明通过设计案例完成某航天产品的内部电缆的敷设结果。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。