CN117688706A - 一种基于视觉引导的布线设计方法及*** - Google Patents
一种基于视觉引导的布线设计方法及*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于增强现实技术应用的技术领域，公开了一种基于视觉引导的布线设计方法与***。设计***包括视觉监测模块、增强现实模块、虚实融合模块、线缆建模模块、布线笔、动态碰撞检测模块。本发明设计了增强现实场景构建的方法、通过布线笔来实现线缆布线设计的方法、实时更新的线缆建模方法以及动态碰撞检测方法。本发明适用于布线设计阶段，对布线设计过程进行统一规范化管理降低了布线过程的错误率；其线缆模型精确度高，碰撞检测方法检测准确度高，使得布线质量显著提高；并使得设计过程具有与现实零件匹配的实时性和直观性，降低了用户对于复杂的机电设备布线设计水平、经验要求，节省了布线设计时间。
Description
技术领域
本发明属于增强现实技术应用的技术领域，特别涉及基于视觉引导的布线设计方法及***。
背景技术
随着各种智能设备的发展以及技术的进步，轨道交通装备、航空航天、汽车等设备中的线缆数量不断增加，而装配的复杂性直接影响了产品的生产时间、成本和质量。如何从布线设计方法和布线手段等方面来提高该类产品的布线效率和布线质量，并对布线过程进行统一规范化，是目前需要解决的问题。
现有技术中有采用CAD软件进行平面的布线设计，但其只能设计平面布局且无法对线缆的弯曲和扭转进行很好地模拟；也有如CATIA、Inventor等专门的虚拟环境三维布线与仿真软件，但其仅采用样条曲线来代替线缆，无法对线缆进行精确地模拟，而且设计繁琐对设计人员要求较高，不能实时的对线缆进行操作，无法根据产品进行自由的调整。
数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。现有技术中，有提出将增强现实技术应用在布线领域，大多为将虚拟电缆信息在线与现实场景信息融合在一起，能够通过光学透视式显示设备实时查看虚拟电缆信息，以提高操作者在电缆铺设时查看既定布线设计方案的便捷性。如申请号为201810420281.4基于增强现实的卫星电缆铺设导引***及导引方法，其应用增强现实技术，将现实电缆铺设环境与将设计好的布线流程结合，使得操作人员在面对不同电缆铺设对象其电缆数量与走向差异巨大，铺设位置空间狭小，操作工况复杂的情况下，可以更加直观地引导操作人员按照既定的布线方案进行布线操作，降低电缆实际布线的难度。现有的方法中，也有提出构建线缆模型，但其构建线缆模型通常模拟精度较低。以上方法主要针对于操作人员在电缆实际铺设阶段解决方便查看既定设计方案的问题，并不能解决电缆布线设计阶段的问题。
因此，有必要设计一种针对布线环境复杂，面向设计人员的布线设计方法，可以实现在真实零件环境中实时布线路径的设计，降低设计人员的设计水平要求。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提出了一种基于视觉引导的布线设计***，可视化好、模拟精度高，降低了对用户的设计水平和经验要求，节省了布线设计时间，便于对布线过程进行统一规范化管理。
一种基于视觉引导的布线设计方法，所述方法包括以下步骤：
S1.构建基于视觉引导的布线***；所述***包括视觉监测模块、增强现实模块、虚实融合模块、线缆建模模块、布线笔、动态碰撞检测模块；所述视觉监测模块用来获取待布线的真实零件的位置数据，构建真实世界的位置坐标；所述增强现实模块用于构建虚拟空间坐标系，实时地确定虚拟空间坐标系与真实零件的相对位置关系；所述虚实融合模块用于将虚拟场景与真实零件进行叠加；所述线缆建模模块对线缆进行实时的物理建模，生成虚拟线缆模型，并根据布线笔实时位置信息以及用户手势信息实时改变虚拟线缆形状；所述布线笔用于用户通过指定手势发出布线命令来操作虚拟线缆；所述动态碰撞检测模块在布线过程中实时地进行虚拟线缆模型与真实零件间的动态碰撞检测；
通过基于视觉引导的布线***构建布线增强现实场景并输出至显示设备；所述构建布线增强现实场景具体包括步骤：
S11.基于机器视觉获取布线工作台的坐标，以布线工作台中心为原点构建真实世界的全局坐标系；
S12.通过标志物识别来确定待布线的真实零件、布线笔的位置；
S13.进行虚实注册，包括真实零件注册、虚拟零件注册以及布线笔注册，以确定各坐标系之间的关系，计算各坐标系之间的变换矩阵；
S14.进行虚实场景叠加，将生成好的增强现实场景发送至交互显示设备中；
S2.接收布线动作指令，在虚拟场景中生成虚拟线缆模型；所述虚拟线缆模型的生成方法为：采用Cosserat模型对线缆的构形进行描述，根据有限元思想，建立线缆的离散质点模型，并根据牛顿运动定律和欧拉动力学定理推导出线缆的动力学方程；通过能量原理推导各种离散力的求解方法和表达式；半隐式迭代欧拉积分方法求解线缆的动力学方程；
S3.实时地将虚拟线缆模型与真实世界叠加；
S4.通过识别用户指定手势以及对布线笔定位，选择虚拟线缆模型进行布线路径设计操作，生成虚拟线缆；
S5.在布线过程中实时地进行虚拟线缆与真实零件间的碰撞检测。
进一步地，所述步骤S2中所述虚拟线缆模型的生成方法具体包括：
采用Cosserat模型对线缆的构形进行描述，在任意时刻t的构形表示为中心线S上每一个点的位置和方向坐标系/>，使用达布向量来表示线缆模型的弯曲变形和扭转变形的程度，其中/>分别为方向坐标系的三个坐标轴；使用Frenet坐标系，记中心线S在截面处的单位切矢量、法线矢量和副法线矢量分别为/>、/>和/>；主轴坐标系的/>轴与Frenet坐标系的单位切矢量/>重合，设/>为/>与/>或与/>之间的夹角，即方向坐标系相对于Frenet坐标系扭转的角度；通过使用方向坐标系与Frenet坐标系之间的变换矩阵，线缆模型的构形由位置/>和夹角/>来确定；
根据有限元思想，线缆模型的中心线S被离散为n个有序质点，每一个质点在三维空间的位置表示为/>；在每一个质点关联一个方向坐标系/>，通过离散表达Frenet坐标系中的/>、/>和/>，在每一个质点上关联一个角度/>，计算出方向坐标系/>；
根据牛顿运动定律和欧拉动力学方程，线缆模型经过离散以后，其在任意时刻的位姿通过求解如下的常微分方程组得到：
式中，表示质量，/>表示位置r的二阶导，/>表示外力，/>表示内力，/>为截面绕/>轴的转动惯量，/>表示夹角/>的二阶导，/>表示沿/>方向的外力矩大小，/>表示沿/>方向的内力矩大小；
通过能量函数对广义坐标矢量q的偏导推导与该能量相关离散力/>的表达，其中包括拉伸应变、弯曲变形、几何扭转、材料扭转、耗散力以及重力的表达；
最后在得到了位置的二阶导和夹角的二阶导/>的解后通过半隐式欧拉法来进行位置与方向坐标系的更新。
进一步地，所述步骤S4中，所述布线设计操作包括：
在虚实融合场景中，布线笔靠近虚拟线缆模型并通过特定手势与虚拟线缆模型的起点绑定；
控制布线笔运动使虚拟线缆到达真实零件上的指定位置后，通过特定手势将虚拟线缆模型起点固定于用户指定位置；
然后解除布线笔与虚拟线缆起点之间的联系；
在控制布线笔移动来调整中间段线缆模型的位置与形状时，实时计算布线笔笔尖在虚拟空间坐标系下的坐标值，以及与第i个质点之间的距离，当距离小于或者等于设定的距离阈值，通过手势使布线笔笔尖与线缆中间第i个质点绑定；通过移动布线笔实时计算笔尖的坐标值，计算该点因位置变化而引起的外力，在虚拟线缆建模环境中计算离散质点上的力，并根据线缆模型的动力学方程求解出质点新的位置，更新线缆的形状；当得到合适的形状时通过手势施加固定约束固定i点的位置，并解除布线笔笔尖与线缆模型第i个质点的联系；最后当线缆模型的中间段调整完毕后，移动布线笔靠近线缆模型终点位置并与其绑定，将终点移动至真实零件的指定位置通过手势固定，完成后解除布线笔与线缆终点之间的联系。
进一步地，所述步骤S13中，真实零件注册采用真实零件模型，真实零件模型来自于虚实混合模型中的真实零件建模环境，真实零件模型是在碰撞检测模块中的真实零件建模环境通过视觉监测模块初始化时获得的真实零件的位置数据和结构数据，构建待装配零件的局部坐标系并三维重构好真实零件的三维模型；虚拟零件注册中的虚拟线缆模型来自于虚实混合模型中的虚拟线缆建模环境；布线笔注册采用布线笔的影像。
进一步地，所述步骤S14中，进行虚实场景叠加过程中，采用基于深度图的方法处理叠加过程中的虚实遮挡问题；以深度图为索引逐点判断虚拟场景与真实场景视频中对应像素的深度关系并相互叠加，生成符合光学成像规律的增强现实场景，再将生成好的增强现实场景发送至与用户交互的显示设备中，通过显示设备展示给用户。
进一步地，步骤S5中，所述碰撞检测包括：在虚拟场景融合到真实场景之前，预先在真实零件建模环境中三维重构真实零件的三维模型，并创建好层次包围盒；当进行真实零件注册时将带着层次包围盒的真实零件三维模型叠加在真实零件上面，用户在增强现实场景中交互设计线缆的形状时，通过基于离散质点的层次包围盒构建算法实时地构建虚拟线缆模型的层次包围盒，采用基于柔性线缆模型离散质点的接触处理机制来处理虚拟线缆与外界或自身之间的碰撞接触，实现虚拟线缆与真实零件的碰撞检测。
本发明的另一目的在于提供一种基于视觉引导的布线***，应用于上述布线设计方法，所述***包括：
视觉监测模块，用来获取待布线的真实零件的位置数据，构建真实世界的位置坐标；
增强现实模块，用于构建虚拟空间坐标系，实时地确定虚拟空间坐标系与真实零件的相对位置关系；
虚实融合模块，用于将虚拟场景与真实零件进行叠加；
线缆建模模块，对线缆进行实时的物理建模，生成虚拟线缆模型，并根据布线笔实时位置信息以及用户手势信息实时改变虚拟线缆形状；所述线缆建模模块中，采用Cosserat模型对线缆的构形进行描述：根据有限元思想，建立线缆的离散质点模型，并根据牛顿运动定律和欧拉动力学定理推导出线缆的动力学方程；通过能量原理推导各种离散力的求解方法和表达式；最后采用半隐式迭代欧拉积分方法求解线缆的动力学方程；
布线笔，用于用户通过指定手势发出布线命令来操作虚拟线缆；
动态碰撞检测模块，在布线过程中实时地进行虚拟线缆模型与真实零件间的动态碰撞检测。
进一步地，所述视觉监测模块包括均布在放置待装配电缆的真实零件的工作台上的摄像头，用于获取当前真实世界的位置数据；视觉监测模块以工作台的中心为全局坐标系的原点，通过真实零件上的二维码获取真实零件的位置数据和结构数据，构建真实零件的局部坐标系，并将数据发送给动态碰撞检测模块；获取布线笔的实时位置信息，并发送给线缆建模模块。
进一步地，所述动态碰撞检测模块通过构建虚拟线缆与真实零件的三维模型的层次包围盒，分析不同类型对象之间的接触特点，基于柔性线缆模型离散质点的接触处理机制处理虚拟线缆与外界或自身之间的碰撞接触，实现虚拟线缆与真实零件的碰撞检测。
进一步地，在虚拟场景融合到真实场景之前，预先在真实零件建模环境中三维重构真实零件的三维模型，并创建层次包围盒；当进行真实零件注册时将带着层次包围盒的真实零件三维模型叠加在真实零件上面，用户在增强现实场景中交互设计线缆的形状时，实时构建线缆模型的层次包围盒；采用轴对称包围体用于线缆模型与真实零件之间的动态实时碰撞检测。
与现有技术相比，上述技术方案之一或多个技术方案能达到至少以下有益效果之一：
本发明提出了一种基于视觉引导的布线设计***与方法，包括增强现实场景构建的方法，通过布线笔来实现线缆布线过程的方法，实时更新的线缆建模方法以及动态碰撞检测方法。通过增强现实场景构建的方法，实现布线笔在真实零件上实时虚拟布线；并对布线过程进行统一规范化管理降低了布线过程的错误率；同时，其线缆模型精确度高，碰撞检测方法检测准确度高，使得布线质量显著提高。本发明适用于布线设计阶段，使得设计过程具有与现实零件匹配的实时性和直观性，降低了设计人员对于复杂的机电设备布线设计水平、经验要求，节省了布线设计时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1 为实施例1基于视觉引导的布线设计***示意图。
图2 为实施例1增强现实场景构建工作流程示意图。
图3为实施例1布线笔的结构示意图。
图4为实施例1基于视觉引导的布线设计方法流程示意图。
图5 为实施例1布线过程工作流程示意图。
附图标号：1.摄像头；2.工作台；3.真实零件；4.虚拟线缆；5.VR眼镜；6.布线笔；7.计算机；8.***头；9.定位块；10.笔尖。
具体实施方式
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种基于视觉引导的布线设计***，包括视觉监测模块、增强现实模块、虚实融合模块、线缆建模模块、动态碰撞检测模块。
作为一种具体的实施方式，如图1所示，视觉监测模块用来获取当前真实世界位置数据，在具体实施时视觉监测模块可以为均布在放置待装配电缆的真实零件3的工作台2上的摄像头1；增强现实模块，构建虚拟空间坐标系，实时确定虚拟坐标系与真实世界的相对位置关系；虚实融合模块，将虚拟场景与真实世界叠加；线缆建模模块，生成虚拟线缆模型，并实时改变线缆形状；布线笔6，用户通过指定手势发出布线命令来操作线缆，以生成虚拟线缆4；动态碰撞检测模块，在布线过程中实时的进行虚拟线缆模型与真实零件间的动态碰撞检测。在具体实施时，通过计算机7进行操作和信息的存储，通过智能穿戴显示设备如VR眼镜5进行显示。
以下对各个模块进行描述。
1、视觉监测模块
视觉监测模块以放置待装配电缆的真实零件3的工作台2的中心为全局坐标系的原点，通过真实零件3上的标志物二维码获取真实零件的位置数据和结构数据，构建待装配电缆的真实零件3的局部坐标系，并将数据提供给动态碰撞检测模块；以及获取布线笔6的实时位置信息、操作者手势信息，主要通过布线笔6上定位块9的四个平面上的二维码来确定当前布线笔6的位置信息以及布线笔笔尖10的位置信息，并将信息发送给线缆建模模块。
2、增强现实模块以及虚实融合模块
其中，增强现实模块主要构建虚拟空间坐标系，实时确定虚拟空间坐标系与真实世界的相对位置关系；虚实融合模块主要将虚拟场景与真实世界进行叠加，增强现实模块与虚实融合模块共同合作完成对增强现实场景的构建。
参见图2，布线设计***的增强现实场景构建方法如下：
通过四个均布在工作台上的摄像头获取的当前真实世界场景位置数据，确定工作台的坐标，以工作台中心为原点构建真实世界的全局坐标系。然后通过标志物识别来确定真实零件的位置、布线笔的位置。本实施例采用基于视觉跟踪技术的标志物注册技术，为了保证***识别的准确性和稳定性，所以选用的标志物必须保证：标志物易于被摄像头采集和快速的识别；以及标志物被旋转以后对方向的识别没有歧义。本实施例采用对比明显且容易被识别的二维码作为标志物。
接下来进行虚实注册，其中包括真实零件注册、虚拟零件注册、以及布线笔注册，用于确定各坐标系之间的关系，计算出各坐标系之间的变换矩阵。
在真实零件注册中的真实零件影像由视觉监测模块获取，真实零件模型来自于虚实混合模型中的真实零件建模环境，真实零件模型是在碰撞检测模块中的真实零件建模环境通过视觉监测模块初始化时获得的真实零件的位置数据和结构数据，构建待装配零件的局部坐标系并三维重构好真实零件的三维模型。虚拟零件注册中的虚拟线缆模型来自于虚实混合模型中的虚拟线缆建模环境，虚拟线缆模型由本发明中的一种基于离散Cosserat模型的方法对线缆进行实时的物理建模。在布线笔注册时，布线笔的影像来自于视觉监测模块，视觉监测模块通过识别布线笔定位块的四个面上的不同二维码来确定布线笔的位置，同时通过数据库将虚实混合模型的位置信息发送给布线笔，令其确定虚实混合模型的位置。
在注册完成后进行虚实场景的叠加，在虚实叠加过程中，本实施例采用了基于深度图的方法处理了叠加过程中的虚实遮挡问题。具体地，以深度图为索引逐点判断虚拟场景与真实场景视频中对应像素的深度关系并相互叠加，生成符合光学成像规律的增强现实场景，再将生成好的增强现实场景发送至与用户交互的显示设备中，通过显示设备展示给用户。
3、线缆建模模块
线缆建模模块采用基于离散Cosserat模型的方法对线缆进行实时的物理建模。具体地，采用Cosserat模型对线缆的构形进行描述，根据有限元思想，建立线缆的离散质点模型，并根据牛顿运动定律和欧拉动力学定理推导出线缆的动力学方程。接着，通过能量原理推导各种离散力的求解方法和表达式。最后采用半隐式迭代欧拉积分方法求解线缆的动力学方程。该方法可以非常逼真的仿真出线缆的弯曲变形和扭转变形，同时该方法的计算效率也非常高，可以很好的满足增强现实布线设计***对实时性的要求。
采用Cosserat模型对线缆的构形进行描述，在任意时刻t的构形表示为中心线S上每一个点的位置和方向坐标系/>，其中使用达布向量来表示线缆模型的弯曲变形和扭转变形的程度，/>分别为方向坐标系的三个坐标轴；使用Frenet坐标系，记中心线S在截面处的单位切矢量、法线矢量和副法线矢量分别为/>、/>和/>；主轴坐标系的/>轴与Frenet坐标系的单位切矢量/>重合，设/>为/>与/>或与/>之间的夹角，即方向坐标系相对于Frenet坐标系扭转的角度；通过使用方向坐标系与Frenet坐标系之间的变换矩阵，线缆模型的构形由位置/>和夹角/>来确定；
根据有限元思想，线缆模型的中心线S被离散为n个有序质点，每一个质点在三维空间的位置表示为/>。为了表示过中心线横截面的方向，在每一个质点关联一个方向坐标系/>，通过离散表达Frenet坐标系中的/>、/>和/>，在每一个质点上关联一个角度/>，计算出方向坐标系/>，采用此方法可以减少模型参数的个数，且相对于弹簧质点***和纯几何方法，该模型可以有效的处理线缆模型的材料扭转和几何扭转物理现象。
根据牛顿运动定律和欧拉动力学方程，线缆模型经过离散以后，其在任意时刻的位姿可以通过求解如下的常微分方程组得到：
式中，表示质量，/>表示位置r的二阶导，/>表示外力，/>表示内力，/>为截面绕/>轴的转动惯量，/>表示夹角/>的二阶导，/>表示沿/>方向的外力矩大小，/>表示沿/>方向的内力矩大小。
通过能量函数对广义坐标矢量q的偏导推导与该能量相关离散力/>的表达，其中包括拉伸应变、弯曲变形、几何扭转、材料扭转、耗散力以及重力的表达。
拉伸应变的能量方程如下：
式中，为抗拉刚度，li为两质点变形前的距离，抗拉刚度/>可以通过材料的弹性模量E和横截面面积A相乘得到；
弯曲能量方程为：
式中，为抗弯刚度，li为两质点变形前的距离。
几何扭转能量方程为：
式中，为抗扭刚度，li为两质点变形前的距离，/>为i点的副法线矢量，计算公式如下：
材料扭转能量方程为：
式中，为抗扭刚度，li为两质点变形前的距离,/>为i点的横截面与i+1点横截面的相对扭转角，/>为i点的横截面与i-1点横截面的相对扭转角。
通过对材料扭转的分析，其因为材料扭转加载在质点i所在横截面的扭矩大小为：
耗散力能量分为平动和转动两部分组成，其中平动耗散能量为：
式中，为滑动摩擦系数；vi为质点i的速度大小。
转动耗散能量为：
式中，为旋转摩擦系数；/>为质点i的角速度大小，其中由于转动i点受到的阻尼力矩/>可求得为：
重力能量方程为
最后在得到了位置的二阶导和夹角的二阶导/>的解后通过半隐式欧拉法来进行位置与方向坐标系的更新。
4、布线笔
布线笔6，用于用户通过指定手势发出布线命令以及控制布线笔笔尖10的位置来操作虚拟线缆。用户通过手执布线笔6在增强现实场景中实时地布线，可视性好。其中，布线笔6的位置信息由视觉监控模块来获取布线笔上定位块9上的二维码来确定。作为一种具体的实施方式，如图3所示，可通过在布线笔6上设置的***头8来识别用户手势。当然，可以理解的是，也可以通过视觉监控模块共同识别手势。
5、动态碰撞检测模块
在虚拟场景融合到真实场景之前，就预先在真实零件建模环境中三维重构好真实零件的三维模型，并创建好层次包围盒，当在进行真实零件注册的时候就将带着层次包围盒的真实零件三维模型叠加在真实零件上面，用户在增强现实场景中交互设计线缆的形状时，本发明采用轴对称包围体用于线缆模型与真实零件之间的动态实时碰撞检测；通过基于离散质点的层次包围盒构建算法实时地构建虚拟线缆模型的层次包围盒，分析不同类型对象之间的接触特点，采用基于柔性线缆模型离散质点的接触处理机制来处理虚拟线缆与外界或自身之间的碰撞接触，实现虚拟线缆与真实零件的碰撞检测。
通过这种替代方式，虚拟线缆与真实零件的碰撞检测就可以变换为虚拟线缆与虚拟三维模型之间的碰撞检测。
如图4所示，基于视觉引导的布线设计***，本实施例提供一种基于视觉引导的布线设计方法，包括以下步骤：
S1.构建上述基于视觉引导的布线设计***；构建布线增强现实场景并输出至显示设备；所述构建布线增强现实场景具体包括步骤：
S11.基于机器视觉获取真实世界的位置数据，构建真实世界的位置坐标：确定布线工作台的坐标，以布线工作台中心为原点构建真实世界的全局坐标系；
S12.通过标志物识别来确定待布线的真实零件、布线笔的位置；
S13.进行虚实注册，包括真实零件注册、虚拟零件注册以及布线笔注册，以确定各坐标系之间的关系，计算各坐标系之间的变换矩阵；
S14.进行虚实场景叠加，将生成好的增强现实场景发送至交互显示设备中。
S2.接收布线动作指令，在虚拟场景中生成虚拟线缆模型；所述虚拟线缆模型为采用离散Cosserat模型的方法对线缆进行实时的物理建模；采用Cosserat模型对线缆的构形进行描述，根据有限元思想，建立线缆的离散质点模型，并根据牛顿运动定律和欧拉动力学定理推导出线缆的动力学方程；通过能量原理推导各种离散力的求解方法和表达式；半隐式迭代欧拉积分方法求解线缆的动力学方程；
S3.实时地将虚拟线缆模型与真实世界叠加。
S4.通过识别指定手势以及对布线笔定位，进行布线路径设计操作，生成虚拟线缆。
如图5所示，初始化增强现实场景之后，由视觉监测模块通过识别布线笔上定位块表面的二维码来动态追踪布线笔笔尖在整个增强现实场景中的位置。当***识别到用户发出的指定布线手势指令后，就在增强现实场景中生成指定的单根线缆或线束物理模型，布线笔的笔尖缓慢靠近线缆模型并通过特定手势与线缆模型起点绑定，此时用户通过控制布线笔笔尖运动使线缆达到自己想要的模型后，通过指定手势将线缆模型起点固定在真实零件上的用户指定位置，然后解除布线笔与线缆起点之间的联系。在控制布线笔移动来调整中间段线缆模型的位置与形状时，实时计算布线笔笔尖在虚拟空间坐标系下的坐标值，以及与第i个质点之间的距离；当距离小于或者等于设定的距离阈值，通过手势使布线笔笔尖与线缆中间第i个质点绑定，通过移动布线笔实时计算笔尖的坐标值，计算该点因位置变化而引起的外力，在虚拟线缆建模环境中计算离散质点上的力，并根据线缆模型的动力学方程求解出所以质点新的位置，更新线缆的形状；当得到合适的形状时通过手势施加固定约束固定i点的位置，并解除布线笔笔尖与线缆模型第i个质点的联系。最后当线缆模型的中间段调整完毕后，移动布线笔靠近线缆模型终点位置并与其绑定，将终点移动至真实零件的指定位置通过手势固定，完成后解除布线笔与线缆终点之间的联系。用户移动布线笔至线缆中间段的合适位置，通过指定手势生成线夹或者线扣来约束线缆中间段，保存虚实场景中的相关数据结束布线过程。
S5.在布线过程中实时地进行虚拟线缆与真实零件间的碰撞检测。
本发明模拟精度高、布线过程可视化好，降低了对用户的布线设计水平和经验要求，节省了布线时间，便于对布线过程进行统一规范化管理。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护之内。
Claims (10)
1.一种基于视觉引导的布线设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1.构建基于视觉引导的布线***；所述***包括视觉监测模块、增强现实模块、虚实融合模块、线缆建模模块、布线笔、动态碰撞检测模块；所述视觉监测模块用来获取待布线的真实零件的位置数据，构建真实世界的位置坐标；所述增强现实模块用于构建虚拟空间坐标系，实时地确定虚拟空间坐标系与真实零件的相对位置关系；所述虚实融合模块用于将虚拟场景与真实零件进行叠加；所述线缆建模模块对线缆进行实时的物理建模，生成虚拟线缆模型，并根据布线笔实时位置信息以及用户手势信息实时改变虚拟线缆形状；所述布线笔用于用户通过指定手势发出布线命令来操作虚拟线缆；所述动态碰撞检测模块在布线过程中实时地进行虚拟线缆模型与真实零件间的动态碰撞检测；
通过基于视觉引导的布线***构建布线增强现实场景并输出至显示设备；所述构建布线增强现实场景具体包括步骤：
S11.基于机器视觉获取布线工作台的坐标，以布线工作台中心为原点构建真实世界的全局坐标系；
S12.通过标志物识别来确定待布线的真实零件、布线笔的位置；
S13.进行虚实注册，包括真实零件注册、虚拟零件注册以及布线笔注册，以确定各坐标系之间的关系，计算各坐标系之间的变换矩阵；
S14.进行虚实场景叠加，将生成好的增强现实场景发送至交互显示设备中；
S2.接收布线动作指令，在虚拟场景中生成虚拟线缆模型；所述虚拟线缆模型的生成方法为：采用Cosserat模型对线缆的构形进行描述，根据有限元思想，建立线缆的离散质点模型，并根据牛顿运动定律和欧拉动力学定理推导出线缆的动力学方程；通过能量原理推导各种离散力的求解方法和表达式；半隐式迭代欧拉积分方法求解线缆的动力学方程；
S3.实时地将虚拟线缆模型与真实世界叠加；
S4.通过识别用户指定手势以及对布线笔定位，选择虚拟线缆模型进行布线路径设计操作，生成虚拟线缆；
S5.在布线过程中实时地进行虚拟线缆与真实零件间的碰撞检测。
2.根据权利要求1所述的基于视觉引导的布线设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述虚拟线缆模型的生成方法具体包括：
采用Cosserat模型对线缆的构形进行描述，在任意时刻t的构形表示为中心线S上每一个点的位置和方向坐标系/>，使用达布向量来表示线缆模型的弯曲变形和扭转变形的程度，其中/>分别为方向坐标系的三个坐标轴；使用Frenet坐标系，记中心线S在截面处的单位切矢量、法线矢量和副法线矢量分别为/>、/>和/>；主轴坐标系的/>轴与Frenet坐标系的单位切矢量/>重合，设/>为/>与/>或与/>之间的夹角，即方向坐标系相对于Frenet坐标系扭转的角度；通过使用方向坐标系与Frenet坐标系之间的变换矩阵，线缆模型的构形由位置/>和夹角/>来确定；
根据有限元思想，线缆模型的中心线S被离散为n个有序质点，每一个质点在三维空间的位置表示为/>；在每一个质点关联一个方向坐标系/>，通过离散表达Frenet坐标系中的/>、/>和/>，在每一个质点上关联一个角度/>，计算出方向坐标系；
根据牛顿运动定律和欧拉动力学方程，线缆模型经过离散以后，其在任意时刻的位姿通过求解如下的常微分方程组得到：
式中，表示质量，/>表示位置r的二阶导，/>表示外力，/>表示内力，/>为截面绕/>轴的转动惯量，/>表示夹角/>的二阶导，/>表示沿/>方向的外力矩大小，/>表示沿/>方向的内力矩大小；
通过能量函数对广义坐标矢量q的偏导推导与该能量相关离散力/>的表达，其中包括拉伸应变、弯曲变形、几何扭转、材料扭转、耗散力以及重力的表达；
最后在得到了位置的二阶导和夹角的二阶导/>的解后通过半隐式欧拉法来进行位置与方向坐标系的更新。
3.根据权利要求1所述的基于视觉引导的布线设计方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述布线设计操作包括：
在虚实融合场景中，布线笔靠近虚拟线缆模型并通过特定手势与虚拟线缆模型的起点绑定；
控制布线笔运动使虚拟线缆到达真实零件上的指定位置后，通过特定手势将虚拟线缆模型起点固定于用户指定位置；
然后解除布线笔与虚拟线缆起点之间的联系；
在控制布线笔移动来调整中间段线缆模型的位置与形状时，实时计算布线笔笔尖在虚拟空间坐标系下的坐标值，以及与第i个质点之间的距离，当距离小于或者等于设定的距离阈值，通过手势使布线笔笔尖与线缆中间第i个质点绑定；通过移动布线笔实时计算笔尖的坐标值，计算该点因位置变化而引起的外力，在虚拟线缆建模环境中计算离散质点上的力，并根据线缆模型的动力学方程求解出质点新的位置，更新线缆的形状；当得到合适的形状时通过手势施加固定约束固定i点的位置，并解除布线笔笔尖与线缆模型第i个质点的联系；最后当线缆模型的中间段调整完毕后，移动布线笔靠近线缆模型终点位置并与其绑定，将终点移动至真实零件的指定位置通过手势固定，完成后解除布线笔与线缆终点之间的联系。
4.根据权利要求1所述的基于视觉引导的布线设计方法，其特征在于，所述步骤S13中，真实零件注册采用真实零件模型，真实零件模型来自于虚实混合模型中的真实零件建模环境，真实零件模型是在碰撞检测模块中的真实零件建模环境通过视觉监测模块初始化时获得的真实零件的位置数据和结构数据，构建待装配零件的局部坐标系并三维重构好真实零件的三维模型；虚拟零件注册中的虚拟线缆模型来自于虚实混合模型中的虚拟线缆建模环境；布线笔注册采用布线笔的影像。
5.根据权利要求1所述的基于视觉引导的布线设计方法，其特征在于，所述步骤S14中，进行虚实场景叠加过程中，采用基于深度图的方法处理叠加过程中的虚实遮挡问题；以深度图为索引逐点判断虚拟场景与真实场景视频中对应像素的深度关系并相互叠加，生成符合光学成像规律的增强现实场景，再将生成好的增强现实场景发送至与用户交互的显示设备中，通过显示设备展示给用户。
6.根据权利要求1所述的基于视觉引导的布线设计方法，其特征在于，步骤S5中，所述碰撞检测包括：在虚拟场景融合到真实场景之前，预先在真实零件建模环境中三维重构真实零件的三维模型，并创建好层次包围盒；当进行真实零件注册时将带着层次包围盒的真实零件三维模型叠加在真实零件上面，用户在增强现实场景中交互设计线缆的形状时，通过基于离散质点的层次包围盒构建算法实时地构建虚拟线缆模型的层次包围盒，采用基于柔性线缆模型离散质点的接触处理机制来处理虚拟线缆与外界或自身之间的碰撞接触，实现虚拟线缆与真实零件的碰撞检测。
7.一种基于视觉引导的布线设计***，其特征在于，应用于权利要求1至6任一项所述基于视觉引导的布线设计方法，所述***包括：
视觉监测模块，用来获取待布线的真实零件的位置数据，构建真实世界的位置坐标；
增强现实模块，用于构建虚拟空间坐标系，实时地确定虚拟空间坐标系与真实零件的相对位置关系；
虚实融合模块，用于将虚拟场景与真实零件进行叠加；
线缆建模模块，对线缆进行实时的物理建模，生成虚拟线缆模型，并根据布线笔实时位置信息以及用户手势信息实时改变虚拟线缆形状；所述线缆建模模块中，采用Cosserat模型对线缆的构形进行描述：根据有限元思想，建立线缆的离散质点模型，并根据牛顿运动定律和欧拉动力学定理推导出线缆的动力学方程；通过能量原理推导各种离散力的求解方法和表达式；最后采用半隐式迭代欧拉积分方法求解线缆的动力学方程；
布线笔，用于用户通过指定手势发出布线命令来操作虚拟线缆；
动态碰撞检测模块，在布线过程中实时地进行虚拟线缆模型与真实零件间的动态碰撞检测。
8.根据权利要求7所述的基于视觉引导的布线设计***，其特征在于，所述视觉监测模块包括均布在放置待装配电缆的真实零件的工作台上的摄像头，用于获取当前真实世界的位置数据；视觉监测模块以工作台的中心为全局坐标系的原点，通过真实零件上的二维码获取真实零件的位置数据和结构数据，构建真实零件的局部坐标系，并将数据发送给动态碰撞检测模块；获取布线笔的实时位置信息，并发送给线缆建模模块。
9.根据权利要求7或8所述的基于视觉引导的布线设计***，其特征在于，所述动态碰撞检测模块通过构建虚拟线缆与真实零件的三维模型的层次包围盒，分析不同类型对象之间的接触特点，基于柔性线缆模型离散质点的接触处理机制处理虚拟线缆与外界或自身之间的碰撞接触，实现虚拟线缆与真实零件的碰撞检测。
10.根据权利要求9所述的基于视觉引导的布线设计***，其特征在于，在虚拟场景融合到真实场景之前，预先在真实零件建模环境中三维重构真实零件的三维模型，并创建层次包围盒；当进行真实零件注册时将带着层次包围盒的真实零件三维模型叠加在真实零件上面，用户在增强现实场景中交互设计线缆的形状时，实时构建线缆模型的层次包围盒；采用轴对称包围体用于线缆模型与真实零件之间的动态实时碰撞检测。
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