CAA DMU模块仿真

背景

本人由于项目原因，需要基于CATIA格式文件研究CAM的一些操作，其中就包括仿真功能，而CATIA中适合实现仿真功能的模块就是 DMU (Digital Mock-Up) 模块，本人研究了很长时间，尝试了很多方案，特地记录下来方便后续查看。

CATIA提供的CAA可以为C++编程提供支持，但是CAA编程又与一般的C++编程有所不同，主要是CATIA是基于COM组件架构构建的，CATIA使用C++来实现它的COM架构，在CAA中除了少数的几个数学和几何类可以实例化，其它的类型都是接口。举个简单的例子，例如有一个特征对象，要获取这个特征对象的别名，

// 拿到特征对象
CATISpecObject* piSpecObj = GetSpecObj();
// 获取别名
CATIAlias* piAlias = NULL;
pSpecObj->QueryInterface(IID_CATIAlias, (void**)&piAlias);
if (NULL != piAlias)
	printf("特征名称 %s\n", piAlias->GetAlias().ConvertToChar());

并不是通过访问特征对象的属性实现的，而是通过，CATISpecObject 继承自父类 CATBaseUnknown 的 QueryInterface 方法来查询当前对象是否支持 CATIAlias 接口，从而判断是否能获取它的别名。有关COM架构的内容可以参考《COM技术内幕》这本书，这也是开始的时候最让我困惑的地方（居然几乎没有可以实例化的类型，好不容易拿到了对象我竟然不知道它的具体类型，只有一个模糊的CATISpecObject* 这样的基类指针，有时候甚至是 CATBaseUnknow* 指针，更不知道怎么访问）。

但这也同样是COM架构的优势，它不需要事先知道另一个组件的细节，因此可以置换另一个组件，只要实现相同的接口。

同时它还可以实现像OLE这种在我看来十分神奇的技术，它可以让你通过一段VBA或者Python脚本，拿到正在运行的CATIA应用程序对象，例如下面的VBA脚本

Set CATIA = GetObject(,"CATIA.application");

然后可以访问它的 Documents，Cameras，Windows 这些属性，可以实现类似CAA一样的脚本操作。

DMU模块基础概念

CAA 开发资料最主要是 CATIA 软件下载时自带的一个 百科全书 里面有各种模块的描述还有一些案例（在CATIA软件安装目录下的 CAAV5HomePage.htm 的HTML文件，可以使用浏览器打开）这是它的一个在线版本
还有就是根目录下 intel_a\code\bin 下有一些可执行程序，里面有一个 CNextHelpViewer.exe 是对 百科全书中接口对象的一个整理。
另外我所知道的就是 icax 和 COE 论坛的CAA板块，有时可以找到一些讨论。

在百科全书主页中，点击 site map, 搜索DMU关键字可以找到所有DMU部分的资料

其中ENOVIA模块中的资料是重复的
Kinematics Overview 中可以了解到 构建运动的基本概念（Product， 关节，命令，机制）
Product 是部件，关节是对Product之间运动约束的描述（构造运动副），命令可以为关节的运动约束指定参数，机制是Product和关节的集合，其中的一个Product附着在地面上，被定义为Fix。

Simulation Overview 中可以了解到 仿真操作的基本概念（动画对象，状态，采样，通道，重放）
大概就是，重放是一个场景，里面有很多的动画对象，每一个动画对象包含很多属性，这些属性会随着时间的推移发生变化，使用通道（Channel ）刻画一个属性随着时间的变化，采样是每个时刻对应的属性值，状态是属性值。

DMU模块仿真

使用 DMU 仿真，首先需要定义运动学，之后计算仿真动画（重放）

定义运动学

定义运动学，可以在CATIA中手动操作，也可以使用CAA代码实现，我这演示手动操作的步骤，基本流程如下

• 定义固定部件
• 首先需要定义各个组件之间的运动学关系，定义不同类型的关节（运动副），关于关节的定义可以参考 DMU 运动机构仿真教程、DMU 运动机构分析
• 定义驱动命令

定义完驱动命令，然后自由度降为0，设置好 fix 部件，提示可以仿真即可。

计算仿真动画

这个步骤是CAA仿真的难点，实现仿真功能其实并不是太难，只需要了解各个部件之间怎么运动，设置对应的层级关系和变换矩阵，使用例如OSG库是非常容易实现的，但是找到CAA中支持的接口来实现确实难上加难，我尝试过一些方案，但是每个方案的实现都遇到了问题，首先我尝试了使用装配树移动的功能，装配树（CATIProduct）有 CATIMovable 接口，可以查询子 CATIProduct 或 CATIPart 的位置，并且可以移动它们的位置，但是当我想计算变换矩阵的时候却遇到了很大的问题， 因为 CATIMovable 接口查询到的位置，并不是 CATIPart 的默认坐标系原点的位置（即Part三个平面的交点位置），而且在CATIPart 坐标系下也找不到 CATIMovable 接口查询到的位置，这让这个变换的链条断掉了，目前还没有找到解决方案，不过在COE论坛上似乎有VBA下的解决方案，但是我尝试后还是无法实现，貌似接口不一样。于是，我又尝试了新建线程 + CATIKinMechanism设置命令参数 的方案，但是找不到CATIA对多线程线程安全的支持，新线程中 CATIKinMechanism设置命令参数 会导致场景更新，如果场景更新没有结束立马有调用 设置命令参数的方法，程序就会崩溃，使用Sleep函数需要设置一个非常大的间隔才能保证安全，但是这已经无法满足连续仿真的要求了。在这之后我找到了教程 Creating a Product’s Motion in a Document 但是我开始的时候直接否定了这个方案，因为CATIReplayChannelProductMove添加Sample要求的参数是变换矩阵，而我知道CAA中计算一个准确的变化矩阵是不可行的。于是我开始尝试 CATIReplayChannelScalarObserver，但是构造的 Replay 无论如何都无法开始播放。

最后，当我遍历并打印 装配树重放结点 想看看程序构建的回放和CATIA DMU模块中操作创建出的回放有什么不同时，发现他是用正是CATIReplayChannelProductMove，再当我回头看 CATIKinMechanim 接口时找到了 GetProductMotion 方法，这才走通了DMU仿真的过程。

简单来说，DMU仿真的过程，假设你已经构造好了运动学，有一组命令了，可以通过 CATIKinMechanism 接口的 SetCmdValues 方法设置命令参数，之后通过 GetProductMotion 方法拿到这组命令参数对特定的Product产生的变换矩阵，下面是通过顶层Product获取CATIKinMechanism 的示例

CATDocument* pDoc = Utils::GetDocumentFromProduct(pTopProduct);

CATIKinMechanismFactory* piMechanismFactoryOnDocument = NULL;
HRESULT HR = pDoc->QueryInterface(IID_CATIKinMechanismFactory,(void**)&piMechanismFactoryOnDocument);
if (!SUCCEEDED(HR)) return;

CATLISTP(CATBaseUnknown) listOfMechanisms;
HR = piMechanismFactoryOnDocument->ListInstances (listOfMechanisms);
if (!SUCCEEDED(HR)) return;

if (listOfMechanisms.Size() < 1)
{
	Utils::DisplaySimpleWindowMsg("提示", "创建机制，没有可仿真的机制");
	return;
}

// 获取第一个机制
CATIKinMechanism* piMechanism = NULL;
listOfMechanisms[1]->QueryInterface(IID_CATIKinMechanism, (void**)&piMechanism);
CATIAlias_var mechanismAlias = piMechanism;
Utils::Log("use mechanism %s", mechanismAlias->GetAlias().ConvertToChar());

之后通过从相应Product对象中获取的 CATIReplayChannelProductMove接口的 AddSample 方法，将时间和 对应的变换矩阵填入即可，下面是一段示例代码。

// 获取 IReplayFactory
CATIReplayFactory* piReplayFactory = NULL;
HRESULT HR = pDoc->QueryInterface(IID_CATIReplayFactory,(void**)&piReplayFactory);
if (!SUCCEEDED(HR)) return;
// 创建一个新的 Replay
CATIReplay* piReplay = NULL;
HR = piReplayFactory->CreateInstance (&piReplay);
if (!SUCCEEDED(HR)) return;
// 获取 ReplayChannelProductMoveFactory
CATIReplayChannelProductMoveFactory* piReplayChannelProductMoveFactory = NULL;
HR = piReplay->QueryInterface(IID_CATIReplayChannelProductMoveFactory,(void**)&piReplayChannelProductMoveFactory);


CATIProduct* topProduct = Utils::GetTopProduct();
CATListValCATBaseUnknown_var* pProductList = topProduct->GetChildren("CATIProduct");
if (NULL == pProductList) 
{
	Utils::DisplaySimpleWindowMsg("提示", "没有找到仿真部件");
	return;
}

// 遍历相关的Product，将它们对应的 ReplayChannelProductMove 存入 channelProductMoves 中
int nProducts = pProductList->Size();
CATIProduct* targetProduct = Utils::GetTargetProduct();
std::vector<CATIProduct*> childProducts;
std::vector<CATIReplayChannelProductMove*> channelProductMoves;
for(int i=1; i <= nProducts; i++)
{
	CATIProduct* pProduct = NULL;
	(*pProductList)[i]->QueryInterface(IID_CATIProduct, (void**)&pProduct);
	if ( pProduct != targetProduct && pProduct)
	{
		childProducts.push_back(pProduct);

		CATIReplayChannelProductMove* pChannelProductMove = NULL;
		piReplayChannelProductMoveFactory->CreateInstance((CATBaseUnknown **)&pProduct, &pChannelProductMove);
		if (pChannelProductMove != NULL)
		{
			channelProductMoves.push_back(pChannelProductMove);
		}

	}
}

下面是我的AddReplayFrame 函数的定义，供大家参考

void SimulationCmd2::ApplyFrame(CATIKinMechanism* piMechanism, const Utils::Frame& frame)
{
	CATLISTP(CATBaseUnknown)* listOfCmds = NULL;
	piMechanism->GetCmdList(&listOfCmds);

	int size = listOfCmds->Size();
	double *cmdValues = new double[size];


	std::vector<std::pair<CATUnicodeString, double>> vec;
	vec.push_back(std::pair<CATUnicodeString, double>("X", frame.x));
	vec.push_back(std::pair<CATUnicodeString, double>("Y", frame.y));
	vec.push_back(std::pair<CATUnicodeString, double>("Z1", frame.z1));
	vec.push_back(std::pair<CATUnicodeString, double>("Z2", frame.z2));
	vec.push_back(std::pair<CATUnicodeString, double>("A", frame.a));
	vec.push_back(std::pair<CATUnicodeString, double>("B", frame.b));

	for(std::vector<std::pair<CATUnicodeString, double>>::iterator iterVec = vec.begin(); iterVec != vec.end();iterVec++)
	{
		std::map<CATUnicodeString,int>::iterator iter = m_commandFieldMap.find(iterVec->first);
		if (iter != m_commandFieldMap.end())
		{
			if (iter->second >= 0 && iter->second < size)
			{
				cmdValues[iter->second] = iterVec->second;
			}
		}
	}

	static int index = 0;
	Utils::Log("apply cmd values index %d", ++index);
	for(int i=0; i < size; i++)
		Utils::Log("index %d %f", i, cmdValues[i]);
	Utils::Log("end ");
	piMechanism->SetCmdValues(size, cmdValues);
	
	
	delete[] cmdValues;
}

void SimulationCmd2::AddReplayFrame(CATIKinMechanism* piMechanism, 
					const std::vector<CATIProduct*>& products, 
					const std::vector<CATIReplayChannelProductMove*>& channelProductMoves,
					const Utils::Frame& frame, double timeMillSec)
{
	ApplyFrame(piMechanism, frame);
	Utils::Log("ApplyFrame, x=%f,y=%f,z1=%f, z2=%f,a=%f,b=%f, time=%f", frame.x, frame.y, frame.z1, frame.z2, frame.a, frame.b, timeMillSec);

	int nProducts = products.size();
	assert(products.size() == channelProductMoves.size());

	for(int j=0; j < nProducts; j++)
	{
		CATIProduct* pProduct = products.at(j);
		double *motion = NULL;
		piMechanism->GetProductMotion(pProduct, &motion);

		channelProductMoves.at(j)->AddSample(timeMillSec, motion);

		delete motion;

	}
}