CN115358094B - 一种基于数字孪生模型的液压支架控制方法 - Google Patents

一种基于数字孪生模型的液压支架控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请提出的基于数字孪生模型的液压支架控制方法、装置及存储介质中，建立液压支架的三维模型，三维模型中包括液压支架的零部件，零部件包括零件、组件和部件；将三维模型导入到三维模型软件中，通过三维模型软件对三维模型进行渲染，得到渲染后的三维模型；将渲染后的三维模型导入物理引擎，在物理引擎中设置渲染后的三维模型中零部件的约束和/或零部件之间的约束，得到液压支架的数字孪生模型，其中零部件的约束为零部件可移动的预设阈值范围；确定数字孪生模型所处的模式，基于模式对应的参数对数字孪生模型进行控制。由此，本申请使得数字孪生模型可以实时更新并与液压支架的位姿保持同步，丰富了数字孪生模型的控制模式。

Description

一种基于数字孪生模型的液压支架控制方法
技术领域
本公开涉及智能开采技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生模型的液压支架控制方法、装置以及存储介质。
背景技术
液压支架作为综采机械化关键设备，需要对液压支架进行监测以对液压支架进行控制。现有技术中可以建立液压支架的数字孪生模型，然后通过液压支架虚拟的数字孪生模型与液压支架实体进行交互反馈，并通过虚拟的数字孪生模型实现对液压支架的状态监控和运动控制。
相关技术中，通过大量液压支架多角度的图片，然后使用3Ds Max对液压支架外观建立数据孪生模型，或者，通过手持式三维扫描仪对液压支架进行三维扫描后，自动生成三维点云模型，并通过采集液压支架上布设的传感器的实时数据对数字孪生模型进行控制。
但是，相关技术中建立的液压支架的模型未精细到液压支架的零部件，因此无法显示液压支架的零部件，导致不能对液压支架的零部件进行控制，进而使得数字孪生模型不能与液压支架的位姿保持同步。同时，上述相关技术中，仅通过采集液压支架上布设的传感器的实时数据对数字孪生模型进行控制，使得数字孪生模型的控制模式单一。
发明内容
本公开提出了一种基于数字孪生模型的液压支架控制方法、装置以及存储介质，旨在解决相关技术中数字孪生模型不能与液压支架的位姿保持同步，且数字孪生模型的控制模式单一的技术问题。
本公开第一方面实施例提出了一种基于数字孪生模型的液压支架控制方法，包括：
建立液压支架的三维模型，所述三维模型中包括所述液压支架的零部件，所述零部件包括零件、组件和部件；
将所述三维模型导入到三维模型软件中，通过所述三维模型软件对所述三维模型进行渲染，得到所述渲染后的三维模型；
将所述渲染后的三维模型导入物理引擎，在所述物理引擎中设置所述渲染后的三维模型中所述零部件的约束和/或所述零部件之间的约束，得到所述液压支架的数字孪生模型，其中所述零部件的约束为所述零部件可移动的预设阈值范围；
确定所述数字孪生模型所处的模式，基于所述模式对应的参数对所述数字孪生模型进行控制。
本公开第二方面实施例提出了一种基于数字孪生模型的液压支架控制装置，包括：
建立模块，用于建立液压支架的三维模型，所述三维模型中包括所述液压支架的零部件，所述零部件包括零件、组件和部件；
渲染模块，用于将所述三维模型导入到三维模型软件中，通过所述三维模型软件对所述三维模型进行渲染，得到所述渲染后的三维模型；
处理模块，用于将所述渲染后的三维模型导入物理引擎，在所述物理引擎中设置所述渲染后的三维模型中所述零部件的约束和/或所述零部件之间的约束，得到所述液压支架的数字孪生模型，其中所述零部件的约束为所述零部件可移动的预设阈值范围；
控制模块，用于确定所述数字孪生模型所处的模式，基于所述模式对应的参数对所述数字孪生模型进行控制。
本申请第三方面实施例提出的计算机设备，其中，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行所述程序时，能够实现如上第一方面所述的方法。
本申请第四方面实施例提出的计算机存储介质，其中，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令；所述计算机可执行指令被处理器执行后，能够实现如上第一方面所述的方法。
本申请提出的基于数字孪生模型的液压支架控制方法、装置及存储介质中，建立液压支架的三维模型，三维模型中包括液压支架的零部件，将三维模型导入到三维模型软件中，通过三维模型软件对三维模型进行渲染，得到渲染后的三维模型，将渲染后的三维模型导入物理引擎，在物理引擎中设置渲染后的三维模型中零部件的约束和/或零部件之间的约束，得到液压支架的数字孪生模型，确定数字孪生模型所处的模式，基于模式对应的参数对数字孪生模型进行控制。由此，本申请建立的液压支架的数字孪生模型可以精细到液压支架的零部件，从而使得数字孪生模型可以实时更新并与液压支架的位姿保持同步。同时，本申请可以通过多种模式，如在线模式或者离线模型，对数字孪生模型进行控制，丰富了数字孪生模型的控制模式。
本公开附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
本公开上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本公开一实施例提供的基于数字孪生模型的液压支架控制方法的流程示意图；
图2为本公开一实施例提供的多种传感器的示意图；
图3是根据本公开另一实施例提供的基于数字孪生模型的液压支架控制装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本公开的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本公开，而不能理解为对本公开的限制。相反，本公开的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
实施例一
图1是根据本公开一实施例提供的基于数字孪生模型的液压支架控制方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括：
步骤101、建立液压支架的三维模型。
其中，在本发明的一个实施例中，可以根据上述液压支架的设计结构，使用结构设计软件对液压支架零部件进行三维建模。
以及，在本发明的一个实施例中，上述结构设计软件可以包括solidworks、creo中的至少一种。
进一步地，在本发明的一个实施例中，上述三维模型中包括液压支架的零部件，零部件可以包括零件、组件和部件。示例的，零件可以包括螺钉、螺母，部件可以包括立柱、底座。
步骤102、将三维模型导入到三维模型软件中，通过三维模型软件对三维模型进行渲染，得到渲染后的三维模型。
其中，在本发明的一个实施例之中，可以将步骤101得到的三维模型导入到3DsMax三维模型软件，利用3Ds Max软件对该三维模型进行渲染。以及，在本发明的一个实施例之中，可以对三维模型进行面数调整、渲染优化、光线调整中一种或多种的调整操作，并基于上述液压支架真实的设计制造数据设置不同零部件的材料、纹理、照明，以使得渲染后的三维模型更加真实。
步骤103、将渲染后的三维模型导入物理引擎，在物理引擎中设置渲染后的三维模型中零部件的约束和/或零部件之间的约束，得到液压支架的数字孪生模型。
其中，在本发明的一个实施例之中，上述物理引擎可以为Unreal Engine、Unity3D中的任意一种。
以及，在本发明的一个实施例之中，零部件的约束可以为零部件可移动的预设阈值范围，通过对阈值范围进行均匀切分，使每一个切分后的范围对应一个零部件的位置，从而在程序上可通过分层状态机的方式来实现具有自由度的零部件的运动。示例的，立柱上升的预设阈值范围为0~300mm，并按10mm的间距切分为30段，每段对应一个立柱的位置状态，从而可根据不同的立柱上升值来切换到相应的位置状态，实现液压支架的数据驱动与控制，立柱下降的预设阈值范围为（0~300mm，原理与“立柱上升”相同）。
进一步地，在本发明的一个实施例之中，零部件之间的约束可以为部件与部件之间运动方向约束。示例的，在液压支架中立柱是顶着顶梁进行运行，基于此，立柱和顶梁之间的约束为立柱和顶梁的运动方向一致，即立柱的运动方向为向上时，顶梁的运动方向也为向上。
需要说明的是，在本公开的一个实施例中，当获取到液压支架中的零部件的数据时，可以通过设置的零部件的约束和/或零部件之间的约束判断当前液压支架的零部件的数据是否正常，从而能够更好的判断液压支架所处的状态。
步骤104、确定数字孪生模型所处的模式，基于模式对应的参数对数字孪生模型进行控制。
其中，在本发明的一个实施例之中，确定数字孪生模型的所处模式的方法可以包括以下步骤：
步骤a、获取数字孪生模型的模式信息。
步骤b、根据模式信息确定数字孪生模型所处的模式。
其中，在本发明的一个实施例之中，上述模式可以包括：在线模式，或者，离线模式。
以及，在本发明的一个实施例之中，可以根据模式信息的数值确定数字孪生模型所处的模式。具体的，在本发明的一个实施例之中，当模式信息为第一数值时，确定数字孪生模型所处的模式为在线模式；当模式信息为第二数值时，确定数字孪生模型所处的模式为离线模式。其中，在本发明的一个实施例之中，上述第一数值可以为0，第二数值可以为1。
进一步地，在本发明的一个实施例之中，当数字孪生模型所处的模式不同时，基于模式对应的参数对数字孪生模型进行控制的方法也有所不同。
具体的，在本发明的一个实施例之中，当数字孪生模型所处的模式为在线模式，基于模式对应的参数对数字孪生模型进行控制的方法可以包括：获取设置于液压支架上传感器的数据，并基于数据和动力学方程控制数字孪生体模型的位姿。
其中，在本发明的一个实施例之中，当数字孪生模型处于在线模式时，液压支架和该液压支架对应的数字孪生模型可以进行交互，即数字孪生模型可以读取和存储其对应真实液压支架多种传感器的实时数据，并通过动力学方程对可以运行的零部件的位姿参数进行动态求解，利用求解出的位姿参数对数字孪生体的位姿进行更新，使得数字孪生体的位姿与对应液压支架的体位姿保持同步。
以及，在本发明的一个实施例之中，上述多种传感器可以包括倾角传感器，和/或，压力传感器。图2为本公开实施例提供的多种传感器的示意图。如图2所示，液压支架的多种传感器包括压力传感器1、压力传感器2、以及倾角传感器3。
在本发明的一个实施例之中，上述获取的多种传感器的实时数据可以通过柱状图、饼状图、折线图等多种方式显示。
在本发明的一个实施例之中，当数字孪生模型所处的模式为离线模式，基于模式对应的参数对数字孪生模型进行控制的方法可以包括：获取数字孪生模型的控制参数，基于控制参数对数字孪生模型进行控制。
其中，在本发明的一个实施例之中，数字孪生模型可以连接多种外联设备（例如，电脑，或者平板，或者AR眼镜），当数字孪生模型处于离线模式时，可以获取外联设备输入的控制参数，并基于控制参数对数字孪生模型进行控制。
示例的，在本发明的一个实施例之中，当上述数字孪生模型与AR眼镜连接，可以获取佩戴AR眼镜用户的手势指令，通过空间定位技术与手势识别算法对其进行相应的控制（如放大、缩小、旋转）。以及，在本公开的另一个实施例之中，当上述数字孪生模型与电脑连接，用户通过点击虚拟按钮，通过数字孪生模型查看液压支架的零部件的爆炸图，从而使得用户可以了解液压支架的内部构造。以及，当上述数字孪生模型处于离线模式可应用于液压支架设计、模拟培训等多种场景中。
以及，在本发明的一个实施例之中，还可以采集设置于液压支架上的传感器的数据，基于该液压支架的设计数据、物理定律和采集到的传感器数据，利用受力分析方法对液压支架的整体和/或局部受力状态进行实时分析，得到受力分析结果。
具体的，在本发明的一个实施例之中，上述受力分析可以包括应用有限元方法和数值分析方法。
以及，在本发明的一个实施例之中，设置于液压支架上的传感器有限，并不能采集到液压支架的所有数据，基于此，可以通过上述受力分析方法得到液压支架的整体和/或局部受力状态，从而可以准确模拟和演绎真实液压支架的运动和受力状态。
进一步地，在本发明的一个实施例之中，还可以采集设置于液压支架上的传感器的数据，将采集到的传感器数据输入至故障预测诊断模型中，得到液压支架的故障诊断结果。
其中，在本发明的一个实施例之中，可以基于液压支架的设计参数、材料力学规律和历史传感器的数据，通过训练得到故障预测诊断模型。
以及，在本发明的一个实施例之中，将采集到的传感器数据输入至故障预测诊断模型中，还可以得到液压支架的某些零部件的疲劳寿命，以便可以及时对液压支架的零部件进行查看或检修。在本发明的一个实施例之中，可以通过采集到的传感器数据不断迭代训练上述故障预测诊断模型，以使得该故障预测诊断模型的预测诊断准确度不断提升，进而为液压支架的管理（例如控制、运行、检修）提供依据。
本申请提出的基于数字孪生模型的液压支架控制方法中，建立液压支架的三维模型，三维模型中包括液压支架的零部件，将三维模型导入到三维模型软件中，通过三维模型软件对三维模型进行渲染，得到渲染后的三维模型，将渲染后的三维模型导入物理引擎，在物理引擎中设置渲染后的三维模型中零部件的约束和/或零部件之间的约束，得到液压支架的数字孪生模型，确定数字孪生模型所处的模式，基于模式对应的参数对数字孪生模型进行控制。由此，本申请建立的液压支架的数字孪生模型可以精细到液压支架的零部件，从而使得数字孪生模型可以实时更新并与液压支架的位姿保持同步。同时，本申请可以通过多种模式，如在线模式或者离线模型，对数字孪生模型进行控制，丰富了数字孪生模型的控制模式。
图3是根据本公开另一实施例提供的基于数字孪生模型的液压支架控制装置的结构示意图，如图3所示，该装置包括：
建立模块301，用于建立液压支架的三维模型，三维模型中包括液压支架的零部件，零部件包括零件和部件；
渲染模块302，用于将三维模型导入到三维模型软件中，通过三维模型软件对三维模型进行渲染，得到渲染后的三维模型；
处理模块303，用于将渲染后的三维模型导入物理引擎，在物理引擎中设置渲染后的三维模型中零部件的约束和/或零部件之间的约束，得到液压支架的数字孪生模型，其中零部件的约束为零部件可移动的预设阈值范围；
控制模块304，用于确定数字孪生模型所处的模式，基于模式对应的参数对数字孪生模型进行控制。
本申请提出的基于数字孪生模型的液压支架控制装置中，建立液压支架的三维模型，三维模型中包括液压支架的零部件，将三维模型导入到三维模型软件中，通过三维模型软件对三维模型进行渲染，得到渲染后的三维模型，将渲染后的三维模型导入物理引擎，在物理引擎中设置渲染后的三维模型中零部件的约束和/或零部件之间的约束，得到液压支架的数字孪生模型，确定数字孪生模型所处的模式，基于模式对应的参数对数字孪生模型进行控制。由此，本申请建立的液压支架的数字孪生模型可以精细到液压支架的零部件，从而使得数字孪生模型可以实时更新并与液压支架的位姿保持同步。同时，本申请可以通过多种模式，如在线模式或者离线模型，对数字孪生模型进行控制，丰富了数字孪生模型的控制模式。
为了实现上述实施例，本公开还提出一种计算机存储介质。
本公开实施例提供的计算机存储介质，存储有可执行程序；所述可执行程序被处理器执行后，能够实现如图1任一所示的方法。
为了实现上述实施例，本公开还提出一种计算机设备。
本公开实施例提供的计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序；所述处理器执行所述程序时，能够实现如图1任一所示的方法。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种基于数字孪生模型的液压支架控制方法，其特征在于，包括：
建立液压支架的三维模型，所述三维模型中包括所述液压支架的零部件，所述零部件包括零件、组件和部件，其中，包括：根据液压支架的设计结构，使用结构设计软件对液压支架零部件进行三维建模；
将所述三维模型导入到三维模型软件中，通过所述三维模型软件对所述三维模型进行渲染，得到所述渲染后的三维模型，对三维模型进行面数调整、渲染优化、光线调整中一种或多种的调整操作，并基于液压支架真实的设计制造数据设置不同零部件的材料、纹理、照明；
将所述渲染后的三维模型导入物理引擎，在所述物理引擎中设置所述渲染后的三维模型中所述零部件的约束和/或所述零部件之间的约束，得到所述液压支架的数字孪生模型，其中所述零部件的约束为所述零部件可移动的预设阈值范围，通过对阈值范围进行均匀切分，使每一个切分后的范围对应一个零部件的位置，通过分层状态机的方式来实现具有自由度的零部件的运动；
确定所述数字孪生模型所处的模式，基于所述模式对应的参数对所述数字孪生模型进行控制；采集设置于所述液压支架上的传感器的数据；
基于所述液压支架的设计数据、物理定律和采集到的传感器数据，利用受力分析方法对所述液压支架的整体和/或局部受力状态进行实时分析，得到受力分析结果，模拟真实液压支架的运动和受力状态。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述确定所述数字孪生模型所处的模式，包括：
获取所述数字孪生模型的模式信息；
根据所述模式信息确定所述数字孪生模型所处的模式。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述模式包括：在线模式，或者，离线模式。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，当所述数字孪生模型所处的模式为在线模式，所述基于所述模式对应的参数对所述数字孪生模型进行控制，包括：
获取设置于所述液压支架上传感器的数据，并基于所述数据和动力学方程控制所述数字孪生体模型的位姿。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，当所述数字孪生模型所处的模式为离线模式，所述基于所述模式对应的参数对所述数字孪生模型进行控制，包括：
获取所述数字孪生模型的控制参数，基于所述控制参数对所述数字孪生模型进行控制。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
采集设置于所述液压支架上的传感器的数据；
将采集到的传感器数据输入至故障预测诊断模型中，得到所述液压支架的故障诊断结果。
7.一种基于数字孪生模型的液压支架控制装置，其特征在于，包括：
建立模块，用于建立液压支架的三维模型，所述三维模型中包括所述液压支架的零部件，所述零部件包括零件和部件，其中，包括：根据液压支架的设计结构，使用结构设计软件对液压支架零部件进行三维建模；
渲染模块，用于将所述三维模型导入到三维模型软件中，通过所述三维模型软件对所述三维模型进行渲染，得到所述渲染后的三维模型，其中，对三维模型进行面数调整、渲染优化、光线调整中一种或多种的调整操作，并基于液压支架真实的设计制造数据设置不同零部件的材料、纹理、照明；
处理模块，用于将所述渲染后的三维模型导入物理引擎，在所述物理引擎中设置所述渲染后的三维模型中所述零部件的约束和/或所述零部件之间的约束，得到所述液压支架的数字孪生模型，其中所述零部件的约束为所述零部件可移动的预设阈值范围，通过对阈值范围进行均匀切分，使每一个切分后的范围对应一个零部件的位置，通过分层状态机的方式来实现具有自由度的零部件的运动；
控制模块，用于确定所述数字孪生模型所处的模式，基于所述模式对应的参数对所述数字孪生模型进行控制；
所述控制模块：还用于获取设置于所述液压支架上的传感器的数据；
基于所述液压支架的设计数据、物理定律和采集到的传感器数据，利用受力分析方法对所述液压支架的整体和/或局部受力状态进行实时分析，得到受力分析结果，模拟真实液压支架的运动和受力状态。
8.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时，实现如权利要求1-6中任一所述的方法。
9.一种计算机存储介质，其中，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令；所述计算机可执行指令被处理器执行后，能够实现权利要求1-6中任一所述的方法。
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CN202211272831.5A Active CN115358094B (zh) 2022-10-18 2022-10-18 一种基于数字孪生模型的液压支架控制方法

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