一种道路划线施工机器人设计方法

本发明涉及计算机辅助设计，尤其涉及一种道路划线施工机器人设计方法。

背景技术：

1、计算机辅助设计技术是利用计算机软硬件平台，对产品、装备及工程对象进行数字化建模、参数化设计、结构分析、性能验证及设计优化的综合性技术。

2、现有计算机辅助设计过程通常围绕数字化建模、参数化设计、结构分析、性能验证及设计优化开展，实际运作时多将几何建模、结构校核及装配检查分阶段处理，各阶段采用的参数来源、空间基准及评价尺度容易彼此分离，导致设计结果能够反映零部件静态位置，却难以完整呈现设备运行期间热源温升、气流方向、电机载流及管线材料弯曲特性之间的耦合影响；在管线布置环节，常见操作侧重于避开三维模型中的可见实体并缩短连接距离，路径选择依据主要来自几何空间余量，管线在弯曲刚度、最小曲率半径及局部弯曲应变方面的差异难以直接参与节点代价比较，容易出现路径长度较短但弯折集中、局部应力增大或装配回弹明显的情况。因此，需要进行改进。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种道路划线施工机器人设计方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案，一种道路划线施工机器人设计方法，包括以下步骤：

3、获取划线机器人三维网格模型中热源部件的表面温度参数、大功率电机的电流强度参数、整机行驶速度参数与冷却风扇转速参数；基于所述整机行驶速度参数与所述冷却风扇转速参数构建流场热尾迹地图；

4、将所述电流强度参数转化为空间电磁场强参数，整合所述流场热尾迹地图内的节点温度参数、风向矢量参数与所述空间电磁场强参数，生成多物理场环境干涉矩阵；

5、提取待布线管线的弯曲刚度参数与最小曲率半径参数，基于空间微元线段的曲率向量与所述弯曲刚度参数生成管线弯曲应变能矩阵；

6、将所述管线弯曲应变能矩阵内的元素数值，与所述多物理场环境干涉矩阵中的所述节点温度参数、所述风向矢量参数及所述空间电磁场强参数相融合，生成空间体素寻路代价矩阵；

7、提取各网格节点对应金属车架表面的法向量参数与平面平整度参数，依据所述平面平整度参数与预设的装配平整度限值筛选贴壁布线网格节点集；

8、对非贴壁网格节点施加距离惩罚函数，在所述贴壁布线网格节点集中基于所述空间体素寻路代价矩阵生成管线三维布线轨迹节点集。

9、较佳地，所述方法还包括：

10、获取所述管线三维布线轨迹节点集中相邻轨迹节点间的节点间距参数，结合待布线管线的线密度参数输入悬链线方程构建管线下垂包络体模型；将所述管线下垂包络体模型与所述划线机器人三维网格模型中的底层零件包络面进行干涉检测，若相交则插入新的固定节点，并迭代执行干涉检测直至无相交状态；匹配所述无相交状态下各固定节点的三维坐标对应的标准卡箍打孔坐标参数与螺纹规格参数，生成固定件装配特征集。

11、较佳地，所述流场热尾迹地图的获取步骤为：

12、按照热源部件标识检索划线机器人三维网格中的对应表面网格节点，逐节点读取节点编号、三维坐标、采样时刻及表面温度数值，按照大功率电机标识读取相同采样时刻对应的电流强度数值，从整机运行记录中提取整机行驶速度参数，从冷却风扇控制记录中提取冷却风扇转速参数，按照统一采样时刻对全部参数进行顺序排列，删除采样时刻缺失、节点编号无法对应或参数记录重复的条目，得到热源部件的表面温度参数、大功率电机的电流强度参数、整机行驶速度参数和冷却风扇转速参数；

13、将划线机器人周围空间划分为坐标间距一致的流体网格节点，将所述整机行驶速度参数转换为流体网格边界节点的相对来流速度，将所述冷却风扇转速参数转换为风扇出风区域节点的速度增量，将所述热源部件的表面温度参数写入对应表面网格节点，按照各离散迁移方向配置流体网格节点的初始粒子分布，逐轮计算每个流体网格节点的碰撞后粒子分布，将碰撞后粒子分布迁移至对应方向的相邻流体网格节点，累计更新节点密度、节点速度矢量及节点温度，当连续两轮更新所得节点速度差值和节点温度差值均不超过预设收敛限值时停止迭代，按照流体网格节点编号记录节点温度参数及风向矢量参数，生成流场热尾迹地图。

14、较佳地，所述多物理场环境干涉矩阵的获取步骤为：

15、调用所述大功率电机的电流强度参数，按照大功率电机载流导体的空间走向将载流导体划分为连续微元线段，逐一读取每个微元线段的起点坐标、终点坐标、电流方向及电流强度，计算各流体网格节点至每个微元线段的距离参数、方向夹角参数及空间方向参数，按照距离参数的衰减关系累加每个微元线段在对应流体网格节点处产生的场强分量，得到空间电磁场强参数，将所述流场热尾迹地图内的节点温度参数、风向矢量参数及所述空间电磁场强参数转换至同一三维坐标基准，针对坐标未重合的参数记录，按照节点间距离由小到大选取相邻流体网格节点，依据节点间距离倒数占比完成参数分配，按照流体网格节点编号逐行排列节点温度参数、风向矢量参数及所述空间电磁场强参数，生成多物理场环境干涉矩阵。

16、较佳地，所述管线弯曲应变能矩阵的获取步骤为：

17、检索待布线管线对应的管线规格标识，按照管线规格标识读取材料弹性模量、管线外径、管线内径、管壁厚度及允许弯曲等级，依据管线外径和管线内径确定管线横截面的惯性特征数值，将材料弹性模量同惯性特征数值进行乘积运算，获得待布线管线在空间弯曲状态下抵抗曲率变化的弯曲刚度参数，按照管线规格标识读取制造约束记录中的允许弯曲半径下限，剔除小于管线外径对应结构限制值的记录，选取剩余记录中的最小数值，得到待布线管线的弯曲刚度参数与最小曲率半径参数；

18、将待布线空间内相邻体素节点之间的连线划分为空间微元线段，按照所述空间微元线段的前一方向矢量和后一方向矢量确定方向变化量，结合所述空间微元线段长度确定各所述空间微元线段的曲率向量，比较曲率向量对应曲率半径同所述最小曲率半径参数，删除曲率半径小于所述最小曲率半径参数的所述空间微元线段，将剩余所述空间微元线段的曲率向量按照三个坐标方向分解，分别结合所述弯曲刚度参数计算各坐标方向的弯曲应变能数值，按照体素节点编号及所述空间微元线段连接顺序排列弯曲应变能数值，生成管线弯曲应变能矩阵。

19、较佳地，所述空间体素寻路代价矩阵的获取步骤为：

20、按照体素节点编号调用所述多物理场环境干涉矩阵中的节点温度参数、风向矢量参数及空间电磁场强参数，分别统计所述管线弯曲应变能矩阵的元素数值、节点温度参数、风向矢量参数模值及空间电磁场强参数的最大值和最小值，将各项数值减去对应最小值，再除以对应最大值同对应最小值的差值，获得取值范围一致的弯曲应变能归一化数值、节点温度归一化数值、风向矢量归一化数值及空间电磁场强归一化数值，按照预设的弯曲约束权重系数、热环境权重系数、气流扰动权重系数及电磁干涉权重系数，对同一体素节点对应的四项归一化数值进行线性求和，按照体素节点编号排列求和结果，生成空间体素寻路代价矩阵。

21、较佳地，所述贴壁布线网格节点集的获取步骤为：

22、从所述划线机器人三维网格模型中逐一读取金属车架表面对应的网格节点编号、网格节点三维坐标及相邻三角网格面，按照相邻三角网格面的顶点排列方向计算各三角网格面的垂直方向，统一垂直方向朝向后，依据三角网格面面积对垂直方向进行加权合成，获得各网格节点对应金属车架表面的法向量参数，选取各网格节点周围连续相邻的三角网格面，将三角网格面的全部顶点投影至依据法向量参数确定的基准平面，统计各顶点至基准平面的垂直距离，计算最大垂直距离同最小垂直距离之间的差值，获得平面平整度参数，将所述平面平整度参数小于或等于预设的装配平整度限值的网格节点予以保留，将对应法向量参数关联至保留的网格节点，生成贴壁布线网格节点集。

23、较佳地，所述管线三维布线轨迹节点集的获取步骤为：

24、按照网格节点编号检索所述划线机器人三维网格模型中的全部网格节点，将未被所述贴壁布线网格节点集记录的网格节点标记为非贴壁网格节点，针对每个非贴壁网格节点计算三维坐标至所述贴壁布线网格节点集中各网格节点三维坐标的空间距离，选取最小空间距离作为对应非贴壁网格节点的贴壁偏离距离，将贴壁偏离距离除以相邻体素节点的标准间距，依据所得距离比例及预设的距离惩罚系数确定距离惩罚值，贴壁布线网格节点的距离惩罚值设置为零，按照网格节点编号读取所述空间体素寻路代价矩阵中的原始代价值，将原始代价值同距离惩罚值相加，按照相加结果由小到大的顺序排列各网格节点，生成体素节点扩展代价序列；

25、将待布线管线起始位置对应的贴壁布线网格节点设为起始网格节点，将待布线管线终止位置对应的贴壁布线网格节点设为终止网格节点，从起始网格节点开始检索具有直接连接关系的相邻网格节点，剔除已经完成扩展的相邻网格节点，读取剩余相邻网格节点在所述体素节点扩展代价序列中的排列位置，计算当前网格节点至各剩余相邻网格节点的连接方向，调用当前网格节点对应金属车架表面的法向量参数，剔除连接方向偏离金属车架表面切向范围的相邻网格节点，从保留的相邻网格节点中选取累计代价值最小的网格节点作为下一扩展网格节点，记录下一扩展网格节点对应的前驱网格节点，循环执行相邻网格节点检索、方向筛选及累计代价值比较，直至终止网格节点被选取，按照前驱网格节点记录从终止网格节点反向追溯至起始网格节点，将追溯获得的网格节点三维坐标按布线方向重新排列，生成管线三维布线轨迹节点集。

26、较佳地，所述固定件装配特征集的获取步骤为：

27、从所述管线三维布线轨迹节点集中按照轨迹节点排列次序读取每个相邻轨迹节点的三维坐标，分别计算三个坐标方向的坐标差值，根据坐标差值确定相邻轨迹节点之间的直线距离，将直线距离记录为节点间距参数，按照待布线管线的规格标识读取待布线管线的线密度参数，针对每段相邻轨迹节点建立以轨迹线段方向为横向轴、以自重方向为纵向轴的局部坐标系，将节点间距参数及待布线管线的线密度参数输入悬链线方程，依据相邻轨迹节点的端点约束逐次调整水平张力参数，直至计算弧长与对应轨迹线段的待布线管线长度之间的差值不超过预设长度偏差限值，取得各轨迹线段的张力参数和下垂曲线坐标，将下垂曲线坐标转换至划线机器人三维网格模型的三维坐标系，按照待布线管线的外径参数对下垂曲线进行径向扩展，连接相邻轨迹线段的径向边界，构建管线下垂包络体模型；

28、按照统一的三维坐标基准读取划线机器人三维网格模型中位于所述管线下垂包络体模型下方的底层零件包络面，逐一判断所述管线下垂包络体模型的表面网格是否穿过底层零件包络面，计算穿过区域对应的重叠体积，若重叠体积大于预设干涉体积限值，则提取重叠区域的空间中心坐标，将空间中心坐标投影至距离最小的轨迹线段，确定发生干涉位置对应的轨迹线段，在发生干涉位置对应的轨迹线段中点处插入新的固定节点，按照新的固定节点重新划分相邻轨迹节点，更新节点间距参数，重新执行张力参数求解、下垂曲线坐标转换及表面网格穿越判断，直至全部重叠体积均不大于预设干涉体积限值，按照固定节点排列次序读取各固定节点的三维坐标，得到无相交状态下的固定节点三维坐标；

29、基于所述无相交状态下的固定节点三维坐标，逐一检索每个固定节点距离最小的金属车架表面网格，读取金属车架表面网格的法向量参数、表面厚度参数及可打孔边界坐标，将固定节点三维坐标沿对应法向量参数投影至金属车架表面网格，获得固定节点对应的安装投影坐标，判断安装投影坐标至可打孔边界坐标的最小距离是否大于预设边缘安全限值，保留满足边缘安全限值的安装投影坐标，按照待布线管线的外径参数检索标准卡箍的夹持直径范围，选取夹持直径范围覆盖待布线管线外径参数的标准卡箍，读取标准卡箍的孔距参数及孔位方向参数，以安装投影坐标为中心，依据孔距参数和孔位方向参数确定标准卡箍打孔坐标参数，按照金属车架表面网格的表面厚度参数及标准卡箍的连接孔径参数匹配螺纹公称直径、螺距参数及有效旋合长度，将固定节点三维坐标、标准卡箍打孔坐标参数和螺纹规格参数按照固定节点排列次序进行关联，生成固定件装配特征集。

30、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

31、本发明通过同步获取热源部件的表面温度参数、大功率电机的电流强度参数、整机行驶速度参数及冷却风扇转速参数，将设备内部热源状态、载流状态、整机运动状态及主动散热状态纳入统一设计过程，使划线机器人三维网格模型中的环境约束不再停留于静态几何关系，而能够反映运行工况变化对管线布置空间产生的影响；依据整机行驶速度参数及冷却风扇转速参数构建流场热尾迹地图，可获得不同网格节点处的节点温度参数及风向矢量参数，再将电流强度参数转换为空间电磁场强参数，并按照网格节点进行对应整合，使温度影响、气流扰动及电磁干涉形成具备空间位置对应关系的多物理场环境干涉矩阵，从而提升环境风险识别的完整性；进一步依据待布线管线的弯曲刚度参数、最小曲率半径参数及空间微元线段的曲率向量生成管线弯曲应变能矩阵，可将管线材料属性、弯曲承载能力及空间转向程度转换为可比较的代价值，再同节点温度参数、风向矢量参数及空间电磁场强参数融合，形成兼顾机械弯曲约束及环境干涉约束的空间体素寻路代价矩阵，使管线轨迹选择不再单纯追求距离缩短，而能够同步规避过度弯折、局部温升、气流冲击及电磁干涉区域；通过金属车架表面的法向量参数及平面平整度参数筛选贴壁布线网格节点集，并对非贴壁网格节点施加距离惩罚，可使节点扩展方向更加贴合金属车架表面，减少管线悬空跨度及无效绕行；结合节点间距参数、线密度参数及自重作用构建管线下垂包络体模型，再依据底层零件包络面持续检测相交状态并插入新的固定节点，可在设计阶段提前校核管线自重下垂造成的空间侵入风险，直至获得无相交状态；按照无相交状态下各固定节点的三维坐标匹配标准卡箍打孔坐标参数及螺纹规格参数，可直接形成固定件装配特征集，使管线布线路径、固定节点设置及紧固件装配参数保持连续对应关系，进而提升道路划线施工机器人内部管线设计的可制造性。