CN111077797A - 一种基于plc数据的汽车装配线数字孪生方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PLC数据的汽车装配线数字孪生方法，属于数字孪生技术领域。具体包括以下包括：步骤一、建立与物理设备相一致的3D虚拟模型，导入Unity3D引擎，建立Unity3D引擎和PLC的数据通讯连接；步骤二、将3D虚拟模型根据物理设备的运动方式进行划分，包括：动画方式驱动模型和滑板模型；步骤三、动画方式驱动模型的仿真；步骤四、滑板模型的仿真。本发明根据数字孪生的基本要求，在不增加数据采集传感器的情况下，最大化利用PLC自身数据，并结合物理仿真，使虚拟模型与物理设备的实时状态一致。节约了成本，提高了普适性。基于Unity3D引擎，可进行二次开发，让用户能够实时、快速、准确、直观地掌握现场各设备的运行状态。
Description
技术领域
本发明属于数字孪生技术领域，特别是涉及一种基于PLC数据的汽车装配线数字孪生方法。
背景技术
数字孪生技术以数字化的方式等比构建物理设备的3D虚拟模型，借助实时数据驱动虚拟模型，使虚拟模型与物理设备的实时状态一致。
为了使虚拟模型与物理设备的实时状态一致，传统数字孪生方法需要物理设备各部位的位置、角度等姿态信息。在采集物理设备实时数据时，普遍采用的是传感器数据采集。如果原有传感器无法满足数据采集的要求，就需要对原有设备进行改动。这会导致成本的增加，且普适性不强。
发明内容
本发明为解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明在不增加数据采集传感器的情况下，使用汽车装配线PLC中原有的数据，结合必要的物理仿真，使虚拟模型与物理设备的实时状态一致。
本发明采用以下技术方案来实现：一种基于PLC数据的汽车装配线数字孪生方法，具体包括以下包括：
步骤一、建立与物理设备相一致的3D虚拟模型，导入Unity3D引擎，建立Unity3D引擎和PLC的数据通讯连接；
步骤二、将3D虚拟模型根据物理设备的运动方式进行划分，包括：动画方式驱动模型和滑板模型；
步骤三、动画方式驱动模型的驱动：PLC获得与此类模型一致的物理设备的数据包括：状态值和数据值，根据状态值和数据值计算此类模型所处的位置或角度；
步骤四、滑板模型的驱动：判断滑板是否和驱动设备接触，
若接触，滑板根据驱动设备的运转速度移动；
若不接触，滑板依靠相互作用力推挤移动，结合物理引擎进行仿真。
在进一步的实施例中，所述动画方式驱动模型为根据PLC提供的运动状态和运转速度可以直接计算出位置或角度。
在进一步的实施例中，所述滑板模型为PLC数据中无法直接获得其状态的数据，PLC获取到的数据进行计算分析出其状态。
在进一步的实施例中，所述步骤三中的状态值包括：正向运转、正向到位、反向运转和反向到位；数据值包括：运转速度。
在进一步的实施例中，所述步骤三具体包括以下步骤：
步骤301、如果状态值为正向到位或者反向到位，测量物理设备位于正向到位与反向到位的位置或角度并作为已知参数，立刻对3D虚拟模型进行赋值同步；
步骤302、如果状态值为正向运动或者反向运动，则根据运转方向的不同，则虚拟模型的新的位置或新的角度的计算公式如下：
新的位置＝当前位置+位置变化速度*时间增量；
新的角度＝当前角度+角度变化速度*时间增量，其中，所述位置变化速度和角度变化速度均含方向在内。
在进一步的实施例中，所述滑板与驱动设备之间的关系包括：0和1，0代表不接触，即无占位，1代表接触，即有占位；
当占位状态由0变1时，此时有滑板进入，确定占位信号0≥1变化；
当占位状态由1变0时，此时有滑板离开，确定占位信号1≥0变化，均以滑板所在的位置为校正点，进行滑板模型位置的校正。
在进一步的实施例中，所述滑板模型位置的驱动具体方法如下：
步骤A：所有的滑板重置属性，将移动速度重置为0，且不受物理影响；
步骤B：根据占位的驱动设备的数据进行占位校正；
步骤C：驱动设备给相接触的滑板设置速度，设置速度时，即将对应滑板的速度更新，使该滑板不受物力影响；
步骤D：滑板根据自身属性进行移动，移动时，有速度的根据速度移动且不会被推挤；速度为0的不会根据速度移动，且会被推挤。
在进一步的实施例中，所述步骤B中的占位校正具体包括以下步骤：
在3D虚拟模型中以校正点为中心，滑板模型的尺寸为半径的范围内搜索，如果搜索到滑板模型，取距离校正点最近的滑板模型，将其位置调整为校正点位置；如果未搜索到滑板模型，则新生成一个滑板模型，并将其位置调整为校正点位置。
在进一步的实施例中，所述驱动设备通过转轮的旋转，依靠摩擦力推动滑板沿轨道前进；
驱动设备的运转速度即是转轮的旋转速度，将PLC中获取的角速度转换成线速度，则计算出滑板的移动速度。
在进一步的实施例中，对于每个滑板模型的仿真，每一帧都要进行以下操作：
步骤A1、在占位矫正、驱动处理之前，重置自身属性，重置内容包括：开启物理模拟功能、移动速度设置为0；
步骤A2、接收驱动设备的运转速度设置，接收到驱动速度的滑板模型除了设置运转速度外，还需关闭物理模拟功能；
步骤A3、滑板模型根据当前位置，结合滑板的移动速度和时间增量，计算位置并更新；
步骤A4、位置更新后，开启物理模拟功能的滑板模型，因会受到相接触的其他滑板模型的力的影响进行移动，通过调整物理模拟参数，使开启物理模拟的滑板模型在不和其他装配模型接触时，立刻停止力的作用，并停止移动。
本发明的有益效果：根据数字孪生的基本要求，在不增加数据采集传感器的情况下，最大化利用PLC自身数据，并结合物理仿真，使虚拟模型与物理设备的实时状态一致。节约了成本，提高了普适性。基于Unity3D引擎，可进行二次开发，让用户能够实时、快速、准确、直观地掌握现场各设备的运行状态。
附图说明
图1为本发明的基于PLC数据的汽车装配线数字孪生方法的总流程图。
图2为本发明中的动画方式驱动模型的驱动流程。
图3为本发明中的滑板模型的驱动流程。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。
申请人认为：目前，为了使虚拟模型与物理设备的实时状态一致，传统数字孪生方法需要物理设备各部位的位置、角度等姿态信息。在采集物理设备实时数据时，普遍采用的是传感器数据采集。如果原有传感器无法满足数据采集的要求，就需要对原有设备进行改动。这会导致成本的增加，且普适性不强。
故，申请人为了解决上述技术问题，通过在不增加数据采集传感器的情况下，使用汽车装配线PLC中原有的数据，结合必要的物理仿真，使虚拟模型与物理设备的实时状态一致。
下面通过实施例，并结合3dsmax建模软件、Unity3D软件等实现过程，对本发明的技术方案做进一步具体说明。
种基于PLC数据的汽车装配线数字孪生方法，具体包括以下包括：
步骤一、建立与物理设备相一致的3D虚拟模型，导入Unity3D引擎，建立Unity3D引擎和PLC的数据通讯连接；3D虚拟模型的建立是一句物理设备的实物。
步骤二、将3D虚拟模型根据物理设备的运动方式进行划分，包括：动画方式驱动模型和滑板模型；其中，所述动画方式驱动模型为根据PLC提供的运动状态和运转速度可以直接计算出位置或角度；所述滑板模型为PLC数据中无法直接获得其状态的数据，PLC获取到的数据进行计算分析出其状态。
为何会做这样的划分：为了使虚拟模型与物理设备实时状态一致，数字孪生需要物理设备各部位的实时位置、角度信息。PLC仅提供物理设备当前所处的状态、以及运转速度，如回转台、靠轮则属于动画方式驱动模型，而装配轨道上的滑板，PLC中无法直接获得相关数据，需要通过其他物理设备的数据进行计算分析，滑板的虚拟模型需要使用PLC数据结合物理仿真的方式进行驱动则属于滑板模型。
步骤三、动画方式驱动模型的驱动：PLC获得与此类模型一致的物理设备的数据包括：状态值和数据值，根据状态值和数据值计算此类模型所处的位置或角度；
所述状态值包括：正向运转、正向到位、反向运转和反向到位；数据值包括：运转速度。
所述驱动设备通过转轮的旋转，依靠摩擦力推动滑板沿轨道前进；驱动设备的运转速度即是转轮的旋转速度，将PLC中获取的角速度转换成线速度，则计算出滑板的移动速度。
其中，所述正向到位和反向到位是两个固定的状态，即物理设备所处的位置或角度是可以根据测量作为已知参数；所述正向运转是指物理设备处于从反向到位状态向正向到位状态的运转过程，所述反向运转是指物理设备处于从正向到位装套向反向到位状态的运转过程，运转速度即物理设备位移、旋转的速度。
动画方式驱动模型的驱动流程：步骤301、如果状态值为正向到位或者反向到位，测量物理设备位于正向到位与反向到位的位置或角度并作为已知参数，立刻对3D虚拟模型进行赋值同步；
步骤302、如果状态值为正向运动或者反向运动，则根据运转方向的不同，则虚拟模型的新的位置或新的角度的计算公式如下：
新的位置＝当前位置+位置变化速度*时间增量；
新的角度＝当前角度+角度变化速度*时间增量，其中，所述位置变化速度和角度变化速度均含方向在内。
首次接收到PLC数据时，如果物理设备正处于运转状态，那么在该次运转到位前，虚拟模型的位置或角度将会不准确，当设备状态变为到位时会对此进行校正。
步骤四、滑板模型的驱动：判断滑板是否和驱动设备接触，
若接触，滑板根据驱动设备的运转速度移动；
若不接触，滑板依靠相互作用力推挤移动，结合物理引擎进行仿真。
所述滑板与驱动设备之间的关系包括：0和1，0代表不接触，即无占位，1代表接触，即有占位；
当占位状态由0变1时，此时有滑板进入，确定占位信号0≥1变化；
当占位状态由1变0时，此时有滑板离开，确定占位信号1≥0变化，均以滑板所在的位置为校正点，进行滑板模型位置的校正。
所述滑板模型位置的驱动具体方法如下：
步骤A：所有的滑板重置属性，将移动速度重置为0，且不受物理影响；
步骤B：根据占位的驱动设备的数据进行占位校正；
步骤C：驱动设备给相接触的滑板设置速度，设置速度时，即将对应滑板的速度更新，使该滑板不受物力影响；
步骤D：滑板根据自身属性进行移动，移动时，有速度的根据速度移动且不会被推挤；速度为0的不会根据速度移动，且会被推挤。
所述步骤B中的占位校正具体包括以下步骤：在3D虚拟模型中以校正点为中心，滑板模型的尺寸为半径的范围内搜索，如果搜索到滑板模型，取距离校正点最近的滑板模型，将其位置调整为校正点位置；如果未搜索到滑板模型，则新生成一个滑板模型，并将其位置调整为校正点位置。
需要注意的是，对于每个滑板模型的仿真，每一帧都要进行以下操作：
步骤A1、在占位矫正、驱动处理之前，重置自身属性，重置内容包括：开启物理模拟功能、移动速度设置为0；
步骤A2、接收驱动设备的运转速度设置，接收到驱动速度的滑板模型除了设置运转速度外，还需关闭物理模拟功能；
步骤A3、滑板模型根据当前位置，结合滑板的移动速度和时间增量，计算位置并更新；
步骤A4、位置更新后，开启物理模拟功能的滑板模型，因会受到相接触的其他滑板模型的力的影响进行移动，通过调整物理模拟参数，使开启物理模拟的滑板模型在不和其他装配模型接触时，立刻停止力的作用，并停止移动。
具体的，驱动设备是通过转轮的旋转，依靠摩擦力推动滑板沿轨道行进，行进方向唯一。驱动设备一组两个，分别位于轨道的两侧，滑板的尺寸刚好可以卡在两个转轮之间。驱动设备的运转速度即转轮的旋转速度，将PLC中的角速度转换为线速度，即可作为滑板的移动速度。使用驱动数据驱动滑板模型行进的方法如下：虚拟模型中，在驱动模型处检测是否有滑板模型与其接触，由于一组驱动设备中的两个转轮速度一致，这里仅处理其中一边即可；如果有，则将此接触的滑板模型速度设置为驱动线速度。
Claims (10)
1.一种基于PLC数据的汽车装配线数字孪生方法，其特征在于，具体包括以下包括：
步骤一、建立与物理设备相一致的3D虚拟模型，导入Unity3D引擎，建立Unity3D引擎和PLC的数据通讯连接；
步骤二、将3D虚拟模型根据物理设备的运动方式进行划分，包括：动画方式驱动模型和滑板模型；
步骤三、动画方式驱动模型的驱动：PLC获得与此类模型一致的物理设备的数据包括：状态值和数据值，根据状态值和数据值计算此类模型所处的位置或角度；
步骤四、滑板模型的驱动：判断滑板是否和驱动设备接触，
若接触，滑板根据驱动设备的运转速度移动；
若不接触，滑板依靠相互作用力推挤移动，结合物理引擎进行仿真。
2.根据权利要求1所述的一种基于PLC数据的汽车装配线数字孪生方法，其特征在于，所述动画方式驱动模型为根据PLC提供的运动状态和运转速度可以直接计算出位置或角度。
3.根据权利要求1所述的一种基于PLC数据的汽车装配线数字孪生方法，其特征在于，所述滑板模型为PLC数据中无法直接获得其状态的数据，PLC获取到的数据进行计算分析出其状态。
4.根据权利要求1所述的一种基于PLC数据的汽车装配线数字孪生方法，其特征在于，所述步骤三中的状态值包括：正向运转、正向到位、反向运转和反向到位；数据值包括：运转速度。
5.根据权利要求1所述的一种基于PLC数据的汽车装配线数字孪生方法，其特征在于，所述步骤三具体包括以下步骤：
步骤301、如果状态值为正向到位或者反向到位，测量物理设备位于正向到位与反向到位的位置或角度并作为已知参数，立刻对3D虚拟模型进行赋值同步；
步骤302、如果状态值为正向运动或者反向运动，则根据运转方向的不同，则虚拟模型的新的位置或新的角度的计算公式如下：
新的位置＝当前位置+位置变化速度*时间增量；
新的角度＝当前角度+角度变化速度*时间增量，其中，所述位置变化速度和角度变化速度均含方向在内。
6.根据权利要求1所述的一种基于PLC数据的汽车装配线数字孪生方法，其特征在于，所述滑板与驱动设备之间的关系包括：0和1，0代表不接触，即无占位，1代表接触，即有占位；
当占位状态由0变1时，此时有滑板进入，确定占位信号0≥1变化；
当占位状态由1变0时，此时有滑板离开，确定占位信号1≥0变化，均以滑板所在的位置为校正点，进行滑板模型位置的校正。
7.根据权利要求6所述的一种基于PLC数据的汽车装配线数字孪生方法，其特征在于，所述滑板模型位置的驱动具体方法如下：
步骤A：所有的滑板重置属性，将移动速度重置为0，且不受物理影响；
步骤B：根据占位的驱动设备的数据进行占位校正；
步骤C：驱动设备给相接触的滑板设置速度，设置速度时，即将对应滑板的速度更新，使该滑板不受物力影响；
步骤D：滑板根据自身属性进行移动，移动时，有速度的根据速度移动且不会被推挤；速度为0的不会根据速度移动，且会被推挤。
8.根据权利要求7所述的一种基于PLC数据的汽车装配线数字孪生方法，其特征在于，所述步骤B中的占位校正具体包括以下步骤：
在3D虚拟模型中以校正点为中心，滑板模型的尺寸为半径的范围内搜索，如果搜索到滑板模型，取距离校正点最近的滑板模型，将其位置调整为校正点位置；如果未搜索到滑板模型，则新生成一个滑板模型，并将其位置调整为校正点位置。
9.根据权利要求1所述的一种基于PLC数据的汽车装配线数字孪生方法，其特征在于，所述驱动设备通过转轮的旋转，依靠摩擦力推动滑板沿轨道前进；
驱动设备的运转速度即是转轮的旋转速度，将PLC中获取的角速度转换成线速度，则计算出滑板的移动速度。
10.根据权利要求1所述的一种基于PLC数据的汽车装配线数字孪生方法，其特征在于，对于每个滑板模型的仿真，每一帧都要进行以下操作：
步骤A1、在占位矫正、驱动处理之前，重置自身属性，重置内容包括：开启物理模拟功能、移动速度设置为0；
步骤A2、接收驱动设备的运转速度设置，接收到驱动速度的滑板模型除了设置运转速度外，还需关闭物理模拟功能；
步骤A3、滑板模型根据当前位置，结合滑板的移动速度和时间增量，计算位置并更新；
步骤A4、位置更新后，开启物理模拟功能的滑板模型，因会受到相接触的其他滑板模型的力的影响进行移动，通过调整物理模拟参数，使开启物理模拟的滑板模型在不和其他装配模型接触时，立刻停止力的作用，并停止移动。
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| CN114095549A (zh) * | 2022-01-11 | 2022-02-25 | 长沙理工大学 | 基于ZigBee的Web3D虚拟单片机数字孪生系统 |
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