基于Open Inventor的座椅壓力圖形化顯示

周浩杰 高峰 石金繼

摘要 通過壓力傳感器獲取座椅上的壓力值分布數(shù)據(jù)，基于vc++與Open Inventor編寫上位機(jī)軟件，將壓力分布數(shù)據(jù)通過串口通信方式實(shí)時(shí)上傳到上位機(jī)，將獲得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)上，并將數(shù)據(jù)繪制成三維圖像，使設(shè)計(jì)人員不必面對一系列復(fù)雜、抽象、雜亂的數(shù)據(jù)，便于分析座椅壓力分布是否合理，減少設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)座椅的難度。

[關(guān)鍵詞]座椅 Open Inventor圖形化顯示vc++

1 引言

座椅在人們的生活中十分普遍，辦公室工作的人大部分工作時(shí)間是在座椅上度過的。長時(shí)間的坐姿容易使人產(chǎn)生疲勞。大量研究表明，一個(gè)設(shè)計(jì)良好的座椅，可以有效地緩解長時(shí)間工作帶來的疲勞。以往在設(shè)計(jì)座椅的時(shí)候，設(shè)計(jì)師們往往采用傳統(tǒng)的人機(jī)工程學(xué)理論和方法來評價(jià)座椅是否舒適，這種評價(jià)方式的客觀性很容易受到測試者自身的影響，很少考慮到座椅和人體之間的壓力分布情況。通過壓力傳感器獲得人體與座椅之間的壓力分布數(shù)據(jù)，并通過上位機(jī)直觀的展現(xiàn)出來，設(shè)計(jì)人員就能夠了解人體各部位所承受的壓力，進(jìn)而改善座椅的結(jié)構(gòu)。如何有效地表達(dá)和顯示人體對座椅壓力的分布情況將是設(shè)計(jì)人員面臨的一大問題。因此，對于基于Open Inventor的座椅壓力圖形化顯示上位機(jī)軟件的研究就很有必要了。通過該上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)人員可以直觀地觀察人體和座椅接觸面之間的壓力分布情況，從而設(shè)計(jì)出更加人性化、更加舒適的座椅，減輕座椅給人體帶來的不舒適感。

2 0pen Inventor簡介

Open Inventor是一個(gè)面向?qū)ο蟮摹V泛應(yīng)用于三維場景的圖形軟件開發(fā)包。它作為一組組件庫，能夠以最少的代碼編寫出強(qiáng)大的圖形硬件功能的程序。Open Inventor構(gòu)建復(fù)雜三維場景一般比OpenGL方便得多。這是因?yàn)镺pen Inventor構(gòu)建三維場景的方式完全不同于OpenGL，這種構(gòu)建方式類似于“搭積木”的方式。通過對象與對象之間的直接拼接、組合來構(gòu)造復(fù)雜、優(yōu)美的三維場景是十分方便、快捷、直觀的。

3 軟件的功能分析及流程設(shè)計(jì)

3.1 軟件功能分析

上位機(jī)軟件的主要任務(wù)是將一系列抽象而雜亂的數(shù)據(jù)通過一定的處理轉(zhuǎn)化為可視的、直觀的三維圖像，從而實(shí)現(xiàn)對座椅壓力分布情況的監(jiān)測，通過對座椅壓力分布情況的進(jìn)一步分析，從而能夠了解座椅的舒適性。因此，上位機(jī)軟件需具備以下幾項(xiàng)主要功能：

（1）樣本數(shù)據(jù)的顯示。設(shè)計(jì)人員可以清楚的觀察到人體和座椅之間指定位置處的壓力數(shù)據(jù)。

（2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)三維圖形化顯示。設(shè)計(jì)人員可以實(shí)時(shí)且直觀地觀察人體與座椅之間的壓力分布情況。

3.2 軟件開發(fā)流程

根據(jù)實(shí)際功能的需要，對座椅壓力圖形化顯示上位機(jī)軟件的開發(fā)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)在下位機(jī)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸與處理。接收到的數(shù)據(jù)顯示方式有兩種：一種是樣本數(shù)據(jù)在ListCtrl控件上直接顯示，另一種是先在樣本數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上利用MATLAB三次貝塞爾插值函數(shù)獲得新數(shù)據(jù)，再將這些新數(shù)據(jù)經(jīng)過Open Inventor的處理，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)圖形化顯示。

開發(fā)流程如圖1所示。

該流程分為三個(gè)步驟。第一步，STM32通過壓力傳感器獲取人體對座椅的壓力數(shù)據(jù)并傳入到串口內(nèi)存中。第二步，通過通信協(xié)議將上位機(jī)和下位機(jī)連接在一起，并將測得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳送給上位機(jī)軟件。第三步，上位機(jī)軟件完成數(shù)據(jù)的接收、數(shù)據(jù)的顯示和數(shù)據(jù)三維圖形的繪制。

4 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

4.1 窗口視圖靜態(tài)分割程序設(shè)計(jì)

在MFC的SDI視圖中，默認(rèn)情況下一個(gè)文檔只能對應(yīng)于一個(gè)視圖，這樣不能很好的完成數(shù)據(jù)的顯示功能。為了更好的顯示樣本數(shù)據(jù)和座椅壓力圖形化的分布視圖，這就需要有兩個(gè)視圖類，可以利用CSplitterWnd：：CreateStatic對視圖進(jìn)行靜態(tài)分割，同時(shí)使用CreateView函數(shù)添加新視圖。將原始視圖分割為兩個(gè)視圖，CFormView視圖類用來顯示樣本數(shù)據(jù)，CView視圖類用來繪制數(shù)據(jù)壓力分布的三維圖形。

4.2 MATLAB插值程序設(shè)計(jì)

基于樣本數(shù)據(jù)不足以繪制出平滑、精致的三維曲面，因此，需要利用某種插值函數(shù)對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。Visual C++ 2008本身并沒有直接用來進(jìn)行插值的函數(shù)，而MATLAB是一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)和圖像處理工具。為了使Visual C++ 2008能使用MATLAB中的功能函數(shù)，需要對其進(jìn)行一定的處理。它的基本思想是：把MATLAB中的功能模塊作為一個(gè)函數(shù)，再通過MATLAB的某些指令，將函數(shù)轉(zhuǎn)化成動(dòng)態(tài)鏈接庫（dll）文件，Visual C++2008便可直接調(diào)用特定的接口函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)用MATLAB中的功能函數(shù)的目的。

4.3 樣本數(shù)據(jù)顯示程序設(shè)計(jì)

在類向?qū)е刑砑覥SplitterWndView類，基類選擇為CFormView，該視圖顯示樣本數(shù)據(jù)。為了更直觀、條理的顯示樣本數(shù)據(jù)，這里使用ListCtrl控件。

4.4 座椅圖形化顯示程序設(shè)計(jì)

在類向?qū)е刑砑覥PaintOIV類，基類選擇為CView，該視圖顯示樣本數(shù)據(jù)。文檔視圖框架將數(shù)據(jù)處理和視圖顯示聯(lián)系在一起，當(dāng)文檔數(shù)據(jù)改變時(shí)，在視圖類中調(diào)用文檔UpdataAllViews成員函數(shù)即可以更新視圖。

5 運(yùn)行效果

上位機(jī)軟件運(yùn)行界面如圖2所示。

該上位機(jī)軟件可以實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）通信端口可選：可以從COM1、COM2. COM3. COM4. COM5、COM6.COM7中選擇合適的通信端口。默認(rèn)端口為COMl;

（2）實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地將下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)顯示出來;

（3）將接收到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維圖形繪制，顯示數(shù)據(jù)的大小和分布。

6 結(jié)論

通過獲取人體對座椅的壓力數(shù)據(jù)，并以直觀的三維圖像顯示，座椅設(shè)計(jì)人員可以很好地了解座椅設(shè)計(jì)的是否合理，從而對座椅進(jìn)一步改良，設(shè)計(jì)出更加舒適的座椅。本文對座椅壓力分布的圖形化顯示展開了研究，取得如下成果：

（1）使用C++語言和Visual C++ 2008開發(fā)平臺(tái)開發(fā)軟件，并進(jìn)一步完成和OpenInventor的混合編程。

（2）使用Visual C++ 2008的可視化界面，根據(jù)功能需求設(shè)計(jì)出座椅壓力圖形化顯示上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)了對座椅壓力數(shù)據(jù)的直觀、形象的三維圖形實(shí)時(shí)顯示等功能。

（3）對上位機(jī)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)測試，運(yùn)行狀態(tài)良好。

參考文獻(xiàn)

[1]葉佳桐，譚研.汽車駕駛員座椅舒適性仿真方法…，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，8 （04）：35-37.

[2]王琨，基于CAN總線老人服務(wù)機(jī)器人通信方法的實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)在制造工程，2016，23 （02）： 45-48.

[3]蔡磊，基于Open Inventor產(chǎn)品三維可視化系統(tǒng)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2012.

[4]張立科.Window API函數(shù)參考手冊[M]，北京：人民郵電出版社，2002.