《机器人基础与数字孪生系统》 课件第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、设备和地理位置；动态信息涉及环境、能耗、设备运行、动态过程等。物理场景中的活动可以由数字孪生模拟。6.1数字孪生技术体系物理世界、虚拟模型、数据和功能服务不是孤立的。数字孪生不是一种单一的技术，而是一系列技术的综合应用。6.1系统架构实例根据数字孪生五维模型的概念，构建协作臂数字孪生系统总体技术框架如下。数据持久化技术：mysql数据库表设计索引设计数据与模型融合：定义模型父子关系数据与模型融合数据驱动模型物理实体数据采集处理技术：多传感器数据融合技术数据预处理数字模型建模技术：几何模型建模LOD优化算法（模型简化）模型纹理材质添加物理实体层数据层虚拟实体层功能服务层数据可视化及VR呈现：仪表盘饼图折线图VR呈现技术健康度评估：建立评价因素集建立评价结果集确定评价因素权重建立模糊矩阵6.2数字孪生引擎一方面是实现物理系统和虚拟系统实时连接同步驱动的引擎；另一方面是孪生系统中智能算法和智能计算的引擎核心。五个部分：交互驱动模块、数据储存和管理模块、模型管理模块、模型/数据融合模块以及智能计算模块。6.2数字孪生引擎——数据层搭建实例数据中心/平台：数据中心架构数据流向6.2数字孪生引擎——数据层搭建实例数据分类：非时变数据：设备类型、设备编号、精度、负载等。时变数据：协作机器人控制系统主机、协作机器人驱动电机两大部分。6.2数字孪生引擎——数据层采集实例数据采集：机器人驱动电机数据：主要包括驱动电机的转角、电压、电流、温度、转速数据。机器人控制系统主机数据：主要包括控制系统主机的CPU使用率、内存使用率、SSD使用率、SWAP使用率、网卡速率等数据。6.2数字孪生引擎——数据采集实例电机数据采集驱动电机数据通过与ESP32开发板串口通信获取;主机数据采集主机数据通过主机命令行代码获取外部传感器通过传感器上位机获取6.2数字孪生引擎——数据存储实例数据存储：数据库表的设计遵循面向对象的原则，大致分为两个类，一类是控制系统主机表，对应主机状态各参数，主要包括CPU使用率、内存使用率、SSD使用率、SWAP使用率、网卡状态、网卡流量等字段，另一类是电机类，分为六个子类，分别对应六个自由度的驱动电机，每个子类包含转角、电压、电流、温度、转速等字段6.2数字孪生引擎——数据存储实例数据存储：索引添加数据库添加索引，考虑系统长时间运行，数据库中数据量会持续增加，导致数据查询效率降低，数据库索引就像一本书的目录，可以显著加快数据查询速度，实测表明，在300万条数据的情况下，无索引查询需要21.3秒，有索引查询仅需要1.1秒，而且数据量越大，速度提升越明显。6.2数字孪生引擎——健康监测实例机器人健康度评估：①确定评价因素集②确定评价结果集③确定评价因素权重④确定模糊关系矩阵求解利用模糊综合评价法进行求解，根据最大隶属度原则可以确定机器人健康状态，式中H表示评价对象健康等级隶属度矩阵，矩阵H中最大元素所代表的健康等级就是评价对象的最终健康水平：·为加权平均算子：权重：模糊关系矩阵：6.3可视化应用——VR/AR/MR

虚拟现实（VR）是利用计算机图形学技术生成一个三维空间的虚拟世界，用户借助头盔显示器等必要设备，与数字化环境中的对象进行交互，产生亲临环境的感受和体验。

增强现实（AR）是在VR技术的基础上将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的技术，目标是虚拟世界套在现实世界并进行互动，是虚拟空间与物理空间之间的融合。

混合现实技术（MR）是通过在现实世界、虚拟世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，增强用户体验的真实感。6.3可视化应用——Unity简介

Unity是一种优秀的2D/3D游戏引擎，使用Unity开发的国内外游戏大作层出不穷，例如王者荣耀、原神、炉石传说等。Unity是一款非常适合开发虚拟仿真应用、虚拟现实作品、电子游戏、实时三维影片等多种可交互内容的跨平台、综合型开发工具。6.3可视化应用——Unity简介若想安装并方便管理各种不同版本的Unity软件，可以登陆官网，下载安装UnityHub，支持多种系统。由于Unity属于正版软件，公司等单位使用需要购买许可证来激活，使用个人版本许可证，只需获取激活，无需购买。6.3可视化应用——Unity简介创建一个Unity工程，可以在Unity启动后出现的对话框中单击“New”，输入项目名称和选择保存位置，选择项目类型。左上角“Hierarchy（层级）”窗口显示的是当前场景中所有游戏对象的列表；“Scene（场景）”窗口为场景编辑界面，可以在这个窗口中观察和编辑当前场景中的所有游戏对象；“Game（游戏）”窗口是预览界面，可以在这个窗口中以玩家的视角观察场景的实时画面；“Inspector（检视）”窗口用于展示场景中某个被选中的对象的所有组件及其属性。6.3可视化应用——Unity简介一个Unity项目离不开各种资源。对于Unity来说，“资源”就是指可以运用在游戏或者虚拟现实项目中的一切文件。资源可以是外部软件创建的文件；也可以是Unity中创建的特有文件。由于需要对挂载在物品上的C#脚本进行编辑以实现功能设计，需要安装VisualStudi