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。
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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。
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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
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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。
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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;

	}
}