《機(jī)器人基礎(chǔ)與數(shù)字孿生系統(tǒng)》 課件第6章 數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)及引擎

第6章數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)及引擎第6章數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)及引擎章節(jié)內(nèi)容6.1系統(tǒng)框架及技術(shù)體系

分析了數(shù)字孿生系統(tǒng)主流架構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀和其主要組成部分，并在此基礎(chǔ)上分析了構(gòu)建具有狀態(tài)監(jiān)測功能的數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)的主要組成部分及其關(guān)鍵技術(shù)。6.2數(shù)字孿生引擎

介紹了數(shù)字孿生引擎的一般概念和內(nèi)容，具體分析了各組成部分的內(nèi)涵。設(shè)計(jì)并構(gòu)建了數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)層，完成了數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。同時(shí)設(shè)計(jì)了健康評(píng)估功能，得出機(jī)器人的實(shí)時(shí)健康度水平。6.3可視化應(yīng)用

介紹了VR/AR/MR技術(shù)的概念和一些形式以及Unity軟件的應(yīng)用場景，提供了一個(gè)基礎(chǔ)的Unity練習(xí)題目，具體書寫了實(shí)現(xiàn)步驟，以幫助新手快速入門，并提供了一個(gè)可視化應(yīng)用的實(shí)例。6.1系統(tǒng)架構(gòu)及技術(shù)體系

在MichaelGrieves教授關(guān)于數(shù)字孿生的白皮書中，數(shù)字孿生的概念模型包括三部分：實(shí)體空間中的物理產(chǎn)品、虛擬空間中的虛擬產(chǎn)品以及將虛擬產(chǎn)品和物理產(chǎn)品聯(lián)系在一起的數(shù)據(jù)和信息的連接。五維數(shù)字孿生模型的概念如右圖所示：相較于傳統(tǒng)三維數(shù)字孿生模型增加了功能服務(wù)、數(shù)據(jù)兩個(gè)維度。五維模型主要是指：①物理實(shí)體②虛擬模型③連接④數(shù)據(jù)⑤功能服務(wù)物理實(shí)體虛擬模型數(shù)據(jù)功能服務(wù)映射反饋采集反饋供給存儲(chǔ)供給存儲(chǔ)服務(wù)呈現(xiàn)6.1系統(tǒng)架構(gòu)及技術(shù)體系

物理實(shí)體是現(xiàn)實(shí)世界中客觀存在的實(shí)體，是數(shù)字孿生系統(tǒng)的構(gòu)成基礎(chǔ)，按照物理實(shí)體的復(fù)雜程度不同，物理實(shí)體在構(gòu)成上可以向下細(xì)分為多級(jí)子系統(tǒng)，比如對(duì)于一個(gè)機(jī)器人來說，低一級(jí)為組成機(jī)器人的各個(gè)部件如電機(jī)、減速器、連桿機(jī)構(gòu)等，這些部件組合在一起構(gòu)成了高一級(jí)的機(jī)器人，在構(gòu)建數(shù)字孿生系統(tǒng)時(shí)，需要根據(jù)需求以及管理粒度來劃分物理實(shí)體。物理實(shí)體虛擬模型數(shù)據(jù)功能服務(wù)映射反饋采集反饋供給存儲(chǔ)供給存儲(chǔ)服務(wù)呈現(xiàn)6.1系統(tǒng)架構(gòu)及技術(shù)體系

虛擬模型是針對(duì)物理實(shí)體所建立的數(shù)字模型，數(shù)字模型需要真實(shí)反映物理實(shí)體狀態(tài)，將物理實(shí)體的幾何外形、物理特性、行為及規(guī)則特性等真實(shí)呈現(xiàn)。

幾何外形的體現(xiàn)依賴于對(duì)物理實(shí)體的三維建模，一般在三維建模軟件中實(shí)現(xiàn)；物理特性是指物理實(shí)體的受力、材質(zhì)、約束、結(jié)構(gòu)等信息；行為特征是指物理實(shí)體在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由外部環(huán)境和內(nèi)部因素等綜合作用下表現(xiàn)出來的行為；規(guī)則特征是指物理實(shí)體遵循的客觀規(guī)律。物理實(shí)體虛擬模型數(shù)據(jù)功能服務(wù)映射反饋采集反饋供給存儲(chǔ)供給存儲(chǔ)服務(wù)呈現(xiàn)6.1系統(tǒng)架構(gòu)及技術(shù)體系

數(shù)據(jù)是系統(tǒng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)不僅來源與物理實(shí)體上的各傳感器，還可能來自于系統(tǒng)服務(wù)功能對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、融合之后輸出的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生系統(tǒng)的支撐，也是數(shù)字孿生架構(gòu)的核心。

連接是各個(gè)層次之間的連接，主要是數(shù)據(jù)的流通。系統(tǒng)中各個(gè)層次都需要獲取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的通訊需要依賴通訊協(xié)議和傳輸規(guī)范，以滿足系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性及可靠性的要求。物理實(shí)體虛擬模型數(shù)據(jù)功能服務(wù)映射反饋采集反饋供給存儲(chǔ)供給存儲(chǔ)服務(wù)呈現(xiàn)6.1系統(tǒng)架構(gòu)及技術(shù)體系

功能服務(wù)是系統(tǒng)所帶來的各種功能，按照服務(wù)范圍可以劃分為對(duì)內(nèi)服務(wù)和對(duì)外服務(wù)兩方面。對(duì)內(nèi)服務(wù)是指系統(tǒng)內(nèi)自用的，比如各層級(jí)之間連接的接口、數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)服務(wù)等，對(duì)外服務(wù)是系統(tǒng)使用者能夠使用的功能，比如虛實(shí)隨動(dòng)、健康狀態(tài)評(píng)估、數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)、虛擬員工培訓(xùn)、遠(yuǎn)程指導(dǎo)維修并進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)等沉浸式交互服務(wù)等。物理實(shí)體虛擬模型數(shù)據(jù)功能服務(wù)映射反饋采集反饋供給存儲(chǔ)供給存儲(chǔ)服務(wù)呈現(xiàn)6.1五維架構(gòu)模型示例仿真運(yùn)算數(shù)據(jù)服務(wù)設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)剩余壽命預(yù)測服務(wù)物理構(gòu)件虛擬模型物理數(shù)據(jù)虛擬數(shù)據(jù)特征提取及剔除融合數(shù)據(jù)算法模型訓(xùn)練計(jì)算VR交互服務(wù)Unity建模向預(yù)測算法模型發(fā)送網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求調(diào)用VRTK配置接口，VR交互呈現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)預(yù)測結(jié)果算法模型服務(wù)器部署傳感器數(shù)據(jù)控制指令數(shù)據(jù)傳感器數(shù)據(jù)物理/虛擬/融合數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)處理物理/虛擬/融合數(shù)據(jù)仿真運(yùn)算數(shù)據(jù)特征處理物理/虛擬/融合數(shù)據(jù)服務(wù)數(shù)據(jù)仿真運(yùn)算數(shù)據(jù)校準(zhǔn)策略信息物理融合傳感器數(shù)據(jù)仿真運(yùn)算數(shù)據(jù)故障診斷服務(wù)6.1數(shù)字孿生技術(shù)體系對(duì)于實(shí)體數(shù)字孿生，它的功能是集成不同的信息，例如監(jiān)視信息、感測信息、服務(wù)信息以及有關(guān)物理的行為信息。物理實(shí)體將具有與其狀態(tài)、運(yùn)行軌跡和行為特征完全相同的虛擬雙胞胎。

對(duì)于場景數(shù)字孿生，物理場景在虛擬空間中用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息表示。靜態(tài)信息包括空間布局、設(shè)備和地理位置；動(dòng)態(tài)信息涉及環(huán)境、能耗、設(shè)備運(yùn)行、動(dòng)態(tài)過程等。物理場景中的活動(dòng)可以由數(shù)字孿生模擬。6.1數(shù)字孿生技術(shù)體系物理世界、虛擬模型、數(shù)據(jù)和功能服務(wù)不是孤立的。數(shù)字孿生不是一種單一的技術(shù)，而是一系列技術(shù)的綜合應(yīng)用。6.1系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)例根據(jù)數(shù)字孿生五維模型的概念，構(gòu)建協(xié)作臂數(shù)字孿生系統(tǒng)總體技術(shù)框架如下。數(shù)據(jù)持久化技術(shù)：mysql數(shù)據(jù)庫表設(shè)計(jì)索引設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與模型融合：定義模型父子關(guān)系數(shù)據(jù)與模型融合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型物理實(shí)體數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)：多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)數(shù)據(jù)預(yù)處理數(shù)字模型建模技術(shù)：幾何模型建模LOD優(yōu)化算法（模型簡化）模型紋理材質(zhì)添加物理實(shí)體層數(shù)據(jù)層虛擬實(shí)體層功能服務(wù)層數(shù)據(jù)可視化及VR呈現(xiàn)：儀表盤餅圖折線圖VR呈現(xiàn)技術(shù)健康度評(píng)估：建立評(píng)價(jià)因素集建立評(píng)價(jià)結(jié)果集確定評(píng)價(jià)因素權(quán)重建立模糊矩陣6.2數(shù)字孿生引擎一方面是實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)和虛擬系統(tǒng)實(shí)時(shí)連接同步驅(qū)動(dòng)的引擎；另一方面是孿生系統(tǒng)中智能算法和智能計(jì)算的引擎核心。五個(gè)部分：交互驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和管理模塊、模型管理模塊、模型/數(shù)據(jù)融合模塊以及智能計(jì)算模塊。6.2數(shù)字孿生引擎——數(shù)據(jù)層搭建實(shí)例數(shù)據(jù)中心/平臺(tái)：數(shù)據(jù)中心架構(gòu)數(shù)據(jù)流向6.2數(shù)字孿生引擎——數(shù)據(jù)層搭建實(shí)例數(shù)據(jù)分類：非時(shí)變數(shù)據(jù)：設(shè)備類型、設(shè)備編號(hào)、精度、負(fù)載等。時(shí)變數(shù)據(jù)：協(xié)作機(jī)器人控制系統(tǒng)主機(jī)、協(xié)作機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)兩大部分。6.2數(shù)字孿生引擎——數(shù)據(jù)層采集實(shí)例數(shù)據(jù)采集：機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)據(jù)：主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)角、電壓、電流、溫度、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。機(jī)器人控制系統(tǒng)主機(jī)數(shù)據(jù)：主要包括控制系統(tǒng)主機(jī)的CPU使用率、內(nèi)存使用率、SSD使用率、SWAP使用率、網(wǎng)卡速率等數(shù)據(jù)。6.2數(shù)字孿生引擎——數(shù)據(jù)采集實(shí)例電機(jī)數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)據(jù)通過與ESP32開發(fā)板串口通信獲取;主機(jī)數(shù)據(jù)采集主機(jī)數(shù)據(jù)通過主機(jī)命令行代碼獲取外部傳感器通過傳感器上位機(jī)獲取6.2數(shù)字孿生引擎——數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)例數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：數(shù)據(jù)庫表的設(shè)計(jì)遵循面向?qū)ο蟮脑瓌t，大致分為兩個(gè)類，一類是控制系統(tǒng)主機(jī)表，對(duì)應(yīng)主機(jī)狀態(tài)各參數(shù)，主要包括CPU使用率、內(nèi)存使用率、SSD使用率、SWAP使用率、網(wǎng)卡狀態(tài)、網(wǎng)卡流量等字段，另一類是電機(jī)類，分為六個(gè)子類，分別對(duì)應(yīng)六個(gè)自由度的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，每個(gè)子類包含轉(zhuǎn)角、電壓、電流、溫度、轉(zhuǎn)速等字段6.2數(shù)字孿生引擎——數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)例數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：索引添加數(shù)據(jù)庫添加索引，考慮系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行，數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)量會(huì)持續(xù)增加，導(dǎo)致數(shù)據(jù)查詢效率降低，數(shù)據(jù)庫索引就像一本書的目錄，可以顯著加快數(shù)據(jù)查詢速度，實(shí)測表明，在300萬條數(shù)據(jù)的情況下，無索引查詢需要21.3秒，有索引查詢僅需要1.1秒，而且數(shù)據(jù)量越大，速度提升越明顯。6.2數(shù)字孿生引擎——健康監(jiān)測實(shí)例機(jī)器人健康度評(píng)估：①確定評(píng)價(jià)因素集②確定評(píng)價(jià)結(jié)果集③確定評(píng)價(jià)因素權(quán)重④確定模糊關(guān)系矩陣求解利用模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行求解，根據(jù)最大隸屬度原則可以確定機(jī)器人健康狀態(tài)，式中H表示評(píng)價(jià)對(duì)象健康等級(jí)隸屬度矩陣，矩陣H中最大元素所代表的健康等級(jí)就是評(píng)價(jià)對(duì)象的最終健康水平：·為加權(quán)平均算子：權(quán)重：模糊關(guān)系矩陣：6.3可視化應(yīng)用——VR/AR/MR

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)生成一個(gè)三維空間的虛擬世界，用戶借助頭盔顯示器等必要設(shè)備，與數(shù)字化環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互，產(chǎn)生親臨環(huán)境的感受和體驗(yàn)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）是在VR技術(shù)的基礎(chǔ)上將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的技術(shù)，目標(biāo)是虛擬世界套在現(xiàn)實(shí)世界并進(jìn)行互動(dòng)，是虛擬空間與物理空間之間的融合。

混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（MR）是通過在現(xiàn)實(shí)世界、虛擬世界和用戶之間搭起一個(gè)交互反饋的信息回路，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的真實(shí)感。6.3可視化應(yīng)用——Unity簡介

Unity是一種優(yōu)秀的2D/3D游戲引擎，使用Unity開發(fā)的國內(nèi)外游戲大作層出不窮，例如王者榮耀、原神、爐石傳說等。Unity是一款非常適合開發(fā)虛擬仿真應(yīng)用、虛擬現(xiàn)實(shí)作品、電子游戲、實(shí)時(shí)三維影片等多種可交互內(nèi)容的跨平臺(tái)、綜合型開發(fā)工具。6.3可視化應(yīng)用——Unity簡介若想安裝并方便管理各種不同版本的Unity軟件，可以登陸官網(wǎng)，下載安裝UnityHub，支持多種系統(tǒng)。由于Unity屬于正版軟件，公司等單位使用需要購買許可證來激活，使用個(gè)人版本許可證，只需獲取激活，無需購買。6.3可視化應(yīng)用——Unity簡介創(chuàng)建一個(gè)Unity工程，可以在Unity啟動(dòng)后出現(xiàn)的對(duì)話框中單擊“New”，輸入項(xiàng)目名稱和選擇保存位置，選擇項(xiàng)目類型。左上角“Hierarchy（層級(jí)）”窗口顯示的是當(dāng)前場景中所有游戲?qū)ο蟮牧斜?；“Scene（場景）”窗口為場景編輯界面，可以在這個(gè)窗口中觀察和編輯當(dāng)前場景中的所有游戲?qū)ο?；“Game（游戲）”窗口是預(yù)覽界面，可以在這個(gè)窗口中以玩家的視角觀察場景的實(shí)時(shí)畫面；“Inspector（檢視）”窗口用于展示場景中某個(gè)被選中的對(duì)象的所有組件及其屬性。6.3可視化應(yīng)用——Unity簡介一個(gè)Unity項(xiàng)目離不開各種資源。對(duì)于Unity來說，“資源”就是指可以運(yùn)用在游戲或者虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目中的一切文件。資源可以是外部軟件創(chuàng)建的文件；也可以是Unity中創(chuàng)建的特有文件。由于需要對(duì)掛載在物品上的C#腳本進(jìn)行編輯以實(shí)現(xiàn)功能設(shè)計(jì)，需要安裝VisualStudi