机器人基础与数字孪生系统 第6章 数字孪生系统架构及引擎.ppt

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《机器人基础与数字孪生系统》第6章数字孪生系统架构及引擎第6章数字孪生系统架构及引擎章节内容6.1系统框架及技术体系分析了数字孪生系统主流架构的发展现状和其主要组成部分,并在此基础上分析了构建具有状态监测功能的数字孪生系统架构的主要组成部分及其关键技术。6.2数字孪生引擎介绍了数字孪生引擎的一般概念和内容,具体分析了各组成部分的内涵。设计并构建了数字孪生的数据层,完成了数据的采集、数据的存储。同时设计了健康评估功能,得出机器人的实时健康度水平。6.3可视化应用介绍了VR/AR/MR技术的概念和一些形式以及Unity软件的应用场景,提供了一个基础的Unity练习题目,具体书写了实现步骤,以帮助新手快速入门,并提供了一个可视化应用的实例。6.1系统架构及技术体系在MichaelGrieves教授关于数字孪生的白皮书中,数字孪生的概念模型包括三部分:实体空间中的物理产品、虚拟空间中的虚拟产品以及将虚拟产品和物理产品联系在一起的数据和信息的连接。五维数字孪生模型的概念如右图所示:相较于传统三维数字孪生模型增加了功能服务、数据两个维度。五维模型主要是指:①物理实体②虚拟模型③连接④数据⑤功能服务物理实体虚拟模型数据功能服务映射反馈采集反馈供给存储供给存储服务呈现6.1系统架构及技术体系物理实体是现实世界中客观存在的实体,是数字孪生系统的构成基础,按照物理实体的复杂程度不同,物理实体在构成上可以向下细分为多级子系统,比如对于一个机器人来说,低一级为组成机器人的各个部件如电机、减速器、连杆机构等,这些部件组合在一起构成了高一级的机器人,在构建数字孪生系统时,需要根据需求以及管理粒度来划分物理实体。物理实体虚拟模型数据功能服务映射反馈采集反馈供给存储供给存储服务呈现6.1系统架构及技术体系虚拟模型是针对物理实体所建立的数字模型,数字模型需要真实反映物理实体状态,将物理实体的几何外形、物理特性、行为及规则特性等真实呈现。几何外形的体现依赖于对物理实体的三维建模,一般在三维建模软件中实现;物理特性是指物理实体的受力、材质、约束、结构等信息;行为特征是指物理实体在实际运转过程中,由外部环境和内部因素等综合作用下表现出来的行为;规则特征是指物理实体遵循的客观规律。物理实体虚拟模型数据功能服务映射反馈采集反馈供给存储供给存储服务呈现6.1系统架构及技术体系数据是系统中传输的数据。数据不仅来源与物理实体上的各传感器,还可能来自于系统服务功能对原始数据进行加工、融合之后输出的数据。数据是数字孪生系统的支撑,也是数字孪生架构的核心。连接是各个层次之间的连接,主要是数据的流通。系统中各个层次都需要获取数据,数据的通讯需要依赖通讯协议和传输规范,以满足系统对于数据实时性及可靠性的要求。物理实体虚拟模型数据功能服务映射反馈采集反馈供给存储供给存储服务呈现6.1系统架构及技术体系功能服务是系统所带来的各种功能,按照服务范围可以划分为对内服务和对外服务两方面。对内服务是指系统内自用的,比如各层级之间连接的接口、数据传输与存储服务等,对外服务是系统使用者能够使用的功能,比如虚实随动、健康状态评估、数据可视化呈现、虚拟员工培训、远程指导维修并进行虚拟现实等沉浸式交互服务等。物理实体虚拟模型数据功能服务映射反馈采集反馈供给存储供给存储服务呈现6.1五维架构模型示例仿真运算数据服务设备数据监控服务剩余寿命预测服务物理构件虚拟模型物理数据虚拟数据特征提取及剔除融合数据算法模型训练计算VR交互服务Unity建模向预测算法模型发送网络请求调用VRTK配置接口,VR交互呈现设备状态预测结果算法模型服务器部署传感器数据控制指令数据传感器数据物理/虚拟/融合数据数据预处理物理/虚拟/融合数据仿真运算数据特征处理物理/虚拟/融合数据服务数据仿真运算数据校准策略信息物理融合传感器数据仿真运算数据故障诊断服务6.1数字孪生技术体系对于实体数字孪生,它的功能是集成不同的信息,例如监视信息、感测信息、服务信息以及有关物理的行为信息。物理实体将具有与其状态、运行轨迹和行为特征完全相同的虚拟双胞胎。对于场景数字孪生,物理场景在虚拟空间中用静态和动态信息表示。静态信息包括空间布局、

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