智能設備數(shù)字孿生應用 課件 19、數(shù)字孿生的實驗平臺-開源平臺

智能設備的數(shù)字孿生授課教師：卞化梅開源平臺商業(yè)平臺課堂小結5.15.25.3第五章

數(shù)字孿生的實驗平臺開源平臺5.1培養(yǎng)學生對知識的聯(lián)想能力培養(yǎng)學生自學的方法與途徑學習目標能力目標：知識目標：素養(yǎng)目標：掌握數(shù)字孿生實現(xiàn)的幾個階段了解數(shù)字孿生常見的開源平臺能正確說出數(shù)字孿生實現(xiàn)的幾個階段能根據(jù)具體業(yè)務需要選擇對應的數(shù)字孿生的開源平臺課前思考請同學們思考：實現(xiàn)數(shù)字孿生需要幾個階段？5.1開源平臺數(shù)字孿生實現(xiàn)的階段通過高精度的3D掃描技術，將實物模型數(shù)字化。利用相應軟件處理和優(yōu)化數(shù)據(jù)，得到高精度的三維重建模型，準確地反映實物的幾何形態(tài)和屬性信息。數(shù)字化的過程在保證數(shù)據(jù)精度的同時，兼顧數(shù)據(jù)處理速度和成本效益?；谝褦?shù)字化的物理模型，利用仿真軟件進行建模和分析，建立數(shù)字孿生的對應模型，并對系統(tǒng)進行仿真，考慮其中的各種物理因素、器件和參數(shù)等，模擬系統(tǒng)運行的行為規(guī)律，以預測實際系統(tǒng)的性能和行為。建模仿真的結果可以為實際系統(tǒng)的設計、調(diào)試、優(yōu)化提供重要的理論指導和預測結果。建模仿真階段是數(shù)字孿生制作的第二步：數(shù)字化階段是數(shù)字孿生制作的第一步：優(yōu)化階段是數(shù)字孿生制作的第三步：5.1開源平臺數(shù)字孿生實現(xiàn)的階段通過對建模仿真結果的分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的局限和問題，從而針對性地進行優(yōu)化和改進，提升系統(tǒng)性能和效率。在優(yōu)化階段，不僅要考慮技術上的可行性和實驗結果的統(tǒng)計學意義，還要考慮各個優(yōu)化方案對成本、質(zhì)量以及環(huán)境等因素的影響，尋找最佳的綜合方案。5.1開源平臺

感知層數(shù)據(jù)采集層計算層應用層數(shù)字孿生平臺基本組成部分5.1開源平臺

即機器人操作系統(tǒng)，是一個面向機器人的開源元操作系統(tǒng)。它能夠提供類似傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的諸多功能，如硬件抽象、底層設備控制、進程間消息傳遞和程序包管理等。5.1.1ROS機器人軟件開發(fā)次級操作系統(tǒng)ROS（RobotOperatingSystem）5.1.1ROS機器人軟件開發(fā)次級操作系統(tǒng)

ROS是管道（消息傳遞）、開發(fā)工具、應用功能和生態(tài)系統(tǒng)的組合。ROS中有強大的開發(fā)工具，可以調(diào)試和可視化機器人數(shù)據(jù)。ROS具有內(nèi)置的機器人應用功能，如機器人導航、定位、繪圖、操作等。它們有助于創(chuàng)建強大的機器人應用程序。5.1.1ROS機器人軟件開發(fā)次級操作系統(tǒng)ROS的組成ROS的主要功能消息傳遞接口、硬件抽象、軟件包管理、第三方軟件庫集成、底層設備控制、分布式計算、代碼復用、語言獨立性、測試簡單、開源等。5.1開源平臺

ROS框架主要分成三個層級，分別是ROS文件系統(tǒng)、ROS計算圖和ROS社區(qū)。ROS的文件系統(tǒng)：主要介紹了硬盤上ROS文件的組織形式，包括軟件包、軟件包清單、消息類型、服務類型。ROS的計算圖：ROS處理數(shù)據(jù)的一種點對點的網(wǎng)絡形式。它的基本功能包括節(jié)點、ROS控制器、參數(shù)服務器、消息和服務。ROS社區(qū)：ROS機器人開發(fā)者社區(qū)。5.1.1ROS機器人軟件開發(fā)次級操作系統(tǒng)ROS框架ROS的文件系統(tǒng)：主要介紹了硬盤上ROS文件的組織形式，包括軟件包、軟件包清單、消息類型、服務類型。ROS的計算圖：ROS處理數(shù)據(jù)的一種點對點的網(wǎng)絡形式。它的基本功能包括節(jié)點、ROS控制器、參數(shù)服務器、消息和服務。ROS社區(qū)：ROS機器人開發(fā)者社區(qū)。5.1開源平臺5.1.1ROS機器人軟件開發(fā)次級操作系統(tǒng)ros框架5.1開源平臺

ROS應用與開源5.1.1ROS機器人軟件開發(fā)次級操作系統(tǒng)ROS廣泛應用于機器人研發(fā)、教育、工業(yè)領域，已成為機器人如那件開發(fā)的實時標準之一。ROS是機器人領域開源的軟件平臺，它是基于Linux系統(tǒng)上開發(fā)，提供了一系列的功能庫和工具，能夠大大簡化機器人軟件開發(fā)流程，ROS可以運行在各種的硬件平臺上，支持多種編程語言，提供一系列機器人領域的基本功能和服務，如導航、運動控制、感知、視覺處理等。5.1開源平臺

Gazebo仿真平臺是一個廣泛應用于機器人研發(fā)、測試和教育等領域的開源軟件。它可以模擬機器人的運動、感知和控制等行為，并提供了豐富的物理引擎、傳感器模擬和ROS集成等功能，使得使用者可以高效地進行機器人仿真和開發(fā).5.1.2Gazebo三維多機器人動力學仿真平臺Gazebo仿真平臺的特點：高度可定制化高度靈活性高度可視化Gazebo仿真平臺簡介5.1開源平臺

5.1.2Gazebo三維多機器人動力學仿真平臺分布式仿真、動態(tài)資源加載、可調(diào)性能等內(nèi)容（見教材）Gazebo仿真平臺使用仿真模型來描述機器人的物理特性和結構。仿真模型包括機器人的幾何形狀、質(zhì)量、慣性、運動學、動力學等屬性，可以通過簡單的文本格式（如URDF、SDF等）進行描述和創(chuàng)建。Gazebo仿真平臺提供了多種傳感器模擬，包括激光雷達、攝像頭、IMU等，可以模擬機器人的感知能力。Gazebo仿真平臺提供了多種控制器，包括關節(jié)控制器、力控制器、軌跡控制器等，可以控制機器人的運動。用戶可以通過編寫控制器插件來實現(xiàn)自定義的控制算法。物理引擎（PhysicsEngineGazebo）仿真平臺使用物理引擎來模