[发明专利]基于构件机械原理的机构运动虚拟实验仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种机械动力实验教学的仿真方法，尤其是涉及一种基于构件机械原理的机构运动虚拟实验仿真方法。

背景技术

多领域通用建模仿真Modelica(MO)是为解决复杂物理系统多领域统一建模与仿真问题，而提出的一种面向对象基于方程的陈述式建模语言。

OpenSceneGraph是一款高性能的3D图形开发库。广泛应用在可视化仿真、游戏、虚拟现实、高端技术研发以及建模等领域。

传统的实验教学需要提供给学生动手操作的硬件环境与软件环境，这需要占用大量的教学资源。近年来，由于学生人数的增加，给实验教学造成了一定的压力，而虚拟实验教学平台在提高学生创新能力方面可以起到重要作用。

目前的虚拟实验大多面向特定学科，而现在还没有虚拟实验通用开发平台，虚拟实验的开发基本上属于单件开发，这限制了虚拟实验在实验教育上的普及。

国内虚拟实验领域处于起步阶段：吉林大学的基于Virtools的大学物理网络三维虚拟实验，四川师范大学的基于Jini技术的虚拟实验平台，太原理工大学基于LabView的远程虚拟实验室，郑州大学的基于VRML和MATLAB的智能控制虚拟实验室。国外虚拟实验领域起步较早，取得了不少成果如：哥伦比亚州立大学的信息安全保障教学虚拟实验室，东加利福尼亚大学的信息技术教学虚拟实验实，瑞士联邦理工学院的多媒体电子虚拟实验室，普渡大学e-Learning虚拟实验室等。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于构件机械原理的机构运动虚拟实验仿真方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于构件机械原理的机构运动虚拟实验仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在分析机械原理机构运动实验的各个构件之间的逻辑关系基础上，从机构构件中抽象出基本构件，以统一建模语言Modelica的方式建立这些基本构件的逻辑模型，统一存放到Modelica模型库，同时通过三维建模软件建立构件的三维几何模型，将构件的三维几何模型与构件的逻辑模型进行整合，建立以XML描述的完整实验构件模型，建立实验构件列表；

2)从实验构件列表中选取需要的构件，并定义各个构件的连接关系，搭建出虚拟实验的实验场景Modelica模型；根据实验所需的构件，读入对应的构件文件，选择构件的三维模型，对构件之间需要连接的接口进行组装；

3)组装完成后，获得实验场景模型的Modelica描述文件，设置仿真的参数，开始场景模型的编译求解仿真；

4)对求解结果文件进行数据处理，获得构件模型几何运动数据文件，从而驱动虚拟实验装配仿真环境中机构三维模型的可视化，实现机械原理实验的三维搭建和可视化仿真。

所述的步骤1)中的XML描述的完整实验构件模型信息包括：

(1)构件基本信息：构件ID、构件名称、构件类型、学科信息、创建者信息、创建日期，所述的构件ID与Modelica库中的构件一一对应；

(2)构件接口列表：用于构件与构件之间连接的接口；

(3)构件属性列表：构件内部用数学表达式表述的参数；

(4)构件在Modelica库中的逻辑位置；

(5)几何构件的可视化模型信息和坐标系转换矩阵。

所述的构件内部用数学表达式表述的参数包括参数的ID、名称、符号、值、单位、最小值、最大值、是否在建模环境显示和是否可修改；所述的是否可修改用于表明可供用户输入值的参数，所述的是否在建模环境显示定义了需要返回到建模环境的结果参数。

所述的Modelica库为树状结构，逻辑位置存放的是该构件从根节点到其子节点的路径。

所述的步骤3)中的场景模型的编译求解仿真步骤如下：

实验场景的Modelica描述文件传入求解模块，求解器求解时先调入各学科Modelica基本构件库和各学科Modelica组合构件库，获取仿真时间设置，调用编译求解器求解实验场景Modelica文件，获得各运动构件的plt格式输出数据格式的结果，求解结果通过求解数据解析工具转换成结果描述文件返回到建模环境。

所述的编译求解器求解实验场景Modelica文件具体如下：

将实验场景Modelica模型转换成用系列方程组描述的平坦模型，通过OpenModelica编译器，将平坦模型转换成C语言源代码，再通过GCC编译器将C语言程序编译成可执行文件，实现对实验场景模型的计算求解。