CN117248593A - 一种装载机数字孪生体的驱动方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种装载机数字孪生体的驱动方法、装置及系统，所述驱动方法包括：获取装载机数字孪生模型；以与装载机物理样机同步为目标，基于获取到的装载机的动臂角度、摇臂角度、前后车架转向角度、车辆航向角度、车辆经度、车辆纬度，驱动所述数字孪生模型运动，完成数字孪生模型与装载机物理样机的实时映射。本发明能够实现装载机数字孪生模型与物理样机同步，对物理样机的工作状态进行实时映射，从而实现对物理样机的监测。

Description

一种装载机数字孪生体的驱动方法、装置及系统

技术领域

本发明属于数字孪生技术领域，具体涉及一种装载机数字孪生体的驱动方法、装置及系统。

背景技术

装载机是一种铲装运输机械，具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等特点，应用场景广泛，如港口码头、建筑工地、矿场等，用于铲装或运输煤炭、矿石、松土、玉米等物料，或者进行平整地面、倒垛堆装等作业。

数字孪生作为一种新型的智能制造技术，通过物理样机与数字模型之间的实时映射，实现信息可视化，对智能制造具备重要价值。但是，现有技术中的装载机数字孪生体无法与物理样机同步，导致不能实现对物理样机的监测。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种装载机数字孪生体的驱动方法、装置及系统，能够实现与物理样机同步，对物理样机的工作状态进行实时映射，从而实现对物理样机的监测。

为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

第一方面，本发明提供了一种装载机数字孪生体的驱动方法，包括：

获取装载机数字孪生模型；

以与装载机物理样机同步为目标，基于获取到的装载机的动臂角度、摇臂角度、前后车架转向角度、车辆航向角度、车辆经度、车辆纬度，驱动所述数字孪生模型运动，完成数字孪生模型与装载机物理样机的实时映射。

可选地，以动臂角度和摇臂角度，确定装载机工作装置姿态，并基于所述装载机工作装置姿态，驱动所述数字孪生模型中的装载机工作装置运动；

所述装载机工作装置姿态的确定方法包括：

将动臂举升至最高位，读取动臂角度传感器数值，记录为A，作为动臂角度标定值；

在动臂举升至最高位时，将铲斗放至卸料位置，读取摇臂角度传感器数值，记录为B，作为摇臂角度标定值；

读取当前动臂角度及摇臂角度测量数据，与动臂角度标定值和摇臂角度标定值做差，即为动臂旋转角度及摇臂旋转角度，从而确定动臂及摇臂位置。

可选地，以前后车架转向角度确定前车架与后车架之间转动姿态，并基于所述前车架与后车架之间转动姿态，驱动所述数字孪生模型中的前、后车架转向运动；

所述以前后车架转向角度确定前车架与后车架之间转动姿态的确定方法包括：

将装载机原地向左转向至限位位置，读取此时转向角度传感器数值，记录为C，作为转向角度标定值；

读取当前转向角度测量数据，与转向角度标定值做差，即为前车架相对后车架转向角度，由此确定前车架与后车架的相对位置。

可选地，以车辆航向角度确定整车前进方向的朝向，并基于所述整车前进方向的朝向，驱动所述数字孪生模型中的整车前进方向运动；

所述整车前进方向的朝向的确定方法包括：

以地球正北方向为航向角度0°方向，顺时针为正，读取当前航向角度，即可确定后车架前进方向朝向。

可选地，以车辆经度和车辆纬度确定整车前进、后退距离，并基于所述整车前进、后退距离，驱动所述数字孪生模型中的装载机前进、后退运动；

所述整车前进、后退距离的确定方法包括：

以地球正北方向为X轴正向，以地球正东方向为Y轴正向，建立坐标系；

读取当前时刻及上一时刻车辆经度和车辆纬度数值，并做差处理，将差值换算为车辆X、Y方向行驶距离，实现装载机移动。

第二方面，本发明提供了一种装载机数字孪生体的驱动装置，包括相连的传感器单元、网络通讯设备和3D图形引擎软件；

所述传感器单元采集装载机的动臂角度、摇臂角度、前后车架转向角度、车辆航向角度、车辆经度和车辆纬度，并发送至网络通讯设备；

所述网络通讯设备通讯接收传感器单元发送的数据，同时将数据通过网络发送至3D图形引擎软件；

所述3D图形引擎包括：

获取模块，用于获取模块获取装载机数字孪生模型；

以与装载机物理样机同步为目标，基于获取到的装载机的动臂角度、摇臂角度、前后车架转向角度、车辆航向角度、车辆经度、车辆纬度，驱动所述数字孪生模型运动，完成数字孪生模型与装载机物理样机的实时映射。

可选地，所述驱动装置还包括可视化模块，所述可视化模块与3D图形引擎相连，用于以可视化形式呈现整车性能。

可选地，所述传感器单元包括动臂角度传感器、摇臂角度传感器、转向角度传感器和GPS设备；所述动臂角度传感器固定在动臂上；所述摇臂角度传感器固定在摇臂上；所述转向角度传感器固定在后车架上；所述GPS设备固定在驾驶室上。

可选地，所述网络通讯设备与传感器单元之间通过CAN总线进行通讯，获取所需数据，并将数据通过网络发送至3D图形引擎软件。

第三方面，本发明提供了一种装载机数字孪生体的驱动系统，包括存储介质和处理器；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据第一方面中任一项所述的方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提供的一种装载机数字孪生体的驱动方法、装置及系统，能够实现数字孪生体可以与装载机物理样机同步，对装载机物理样机工作状态进行实时映射，从而实现对物理样机的实时监测，进而可以实现对整车工作效率、油耗、故障等性能的动态预测，并以可视化形式呈现，辅助用户进行合理决策。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：

图1是本发明一种实施例的提供的一种装载机数字孪生体的驱动方法流程图；

图2是本发明一种实施例的提供的一种装载机数字孪生体的驱动装置的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例1

一种装载机数字孪生体的驱动方法，具体包括以下步骤：

(1)获取装载机数字孪生模型；

(2)以与装载机物理样机同步为目标，基于获取到的装载机的动臂角度、摇臂角度、前后车架转向角度、车辆航向角度、车辆经度和车辆纬度，驱动所述数字孪生模型运动，完成数字孪生模型与装载机物理样机的实时映射。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述装载机数字孪生模型通过以下步骤建立：

根据装载机三维模型(铲斗、拉杆、摇臂、动臂、动臂缸、摇臂缸、前车架、后车架、前桥、后桥、配重、轮胎、驾驶室、油箱、机罩、台架等部件)及各部件实际连接关系(铲斗与拉杆、动臂铰接；拉杆与铲斗、摇臂铰接；摇臂与拉杆、动臂、摇臂缸铰接；动臂与铲斗、摇臂、前车架、动臂缸铰接；动臂缸与动臂、前车架铰接；摇臂缸与摇臂、前车架铰接；前车架与动臂、后车架、摇臂缸、动臂缸铰接，与前桥固定；后车架与前车架铰接，与后桥、配重、驾驶室、油箱、机罩、台架等部件固定)，在3D图形引擎软件中搭建装载机数字孪生模型。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，以动臂角度和摇臂角度，确定装载机工作装置姿态，并基于所述装载机工作装置姿态，驱动所述数字孪生模型中的装载机工作装置运动；

所述装载机工作装置姿态的确定方法包括：

将动臂举升至最高位，读取动臂角度传感器数值，记录为A，作为动臂角度标定值；

在动臂举升至最高位时，将铲斗放至卸料位置，读取摇臂角度传感器数值，记录为B，作为摇臂角度标定值；

读取当前动臂角度及摇臂角度测量数据，与动臂角度标定值和摇臂角度标定值做差，即为动臂旋转角度及摇臂旋转角度，从而确定动臂及摇臂位置。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，以前后车架转向角度确定前车架与后车架之间转动姿态，并基于所述前车架与后车架之间转动姿态，驱动所述数字孪生模型中的前、后车架转向运动；

所述以前后车架转向角度确定前车架与后车架之间转动姿态的确定方法包括：

将装载机原地向左转向至限位位置，读取此时转向角度传感器数值，记录为C，作为转向角度标定值；

读取当前转向角度测量数据，与转向角度标定值做差，即为前车架相对后车架转向角度，由此确定前车架与后车架的相对位置。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，以车辆航向角度确定整车前进方向的朝向，并基于所述整车前进方向的朝向，驱动所述数字孪生模型中的整车前进方向运动；

所述整车前进方向的朝向的确定方法包括：

以地球正北方向为航向角度0°方向，顺时针为正，读取当前航向角度，即可确定后车架前进方向朝向。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，以车辆经度和车辆纬度确定整车前进、后退距离，并基于所述整车前进、后退距离，驱动所述数字孪生模型中的装载机前进、后退运动；

所述整车前进、后退距离的确定方法包括：

以地球正北方向为X轴正向，以地球正东方向为Y轴正向，建立坐标系；

读取当前时刻及上一时刻车辆经度和车辆纬度数值，并做差处理，将差值换算为车辆X、Y方向行驶距离，实现装载机移动。

实施例2

在本发明实施例中，提供了一种装载机数字孪生体的驱动装置，包括相连的传感器单元、网络通讯设备和3D图形引擎软件；

所述传感器单元采集装载机的动臂角度、摇臂角度、前后车架转向角度、车辆航向角度、车辆经度和车辆纬度，并发送至网络通讯设备；

所述网络通讯设备通讯接收传感器单元发送的数据，同时将数据通过网络发送至3D图形引擎软件；

所述3D图形引擎包括：

获取模块，用于获取模块获取装载机数字孪生模型；

以与装载机物理样机同步为目标，基于获取到的装载机的动臂角度、摇臂角度、前后车架转向角度、车辆航向角度、车辆经度、车辆纬度，驱动所述数字孪生模型运动，完成数字孪生模型与装载机物理样机的实时映射。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述驱动装置还包括可视化模块，所述可视化模块与3D图形引擎相连，用于以可视化形式呈现整车性能。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述传感器单元包括动臂角度传感器、摇臂角度传感器、转向角度传感器、GPS设备；所述动臂角度传感器固定在动臂上，所述摇臂角度传感器固定在摇臂上，所述转向角度传感器固定在后车架上，所述GPS设备固定在驾驶室上。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述网络通讯设备与传感器单元之间通过CAN总线进行通讯，获取所需数据，并将数据通过网络发送至3D图形引擎软件。

下面结合图1-2，以及一个具体实施方式对本发明实施例中的装载机数字孪生体的驱动装置的工作过程进行详细说明。

根据装载机三维模型，在3D图形引擎软件中构建装载机数字孪生模型；所述装载机三维模型包括：铲斗、拉杆、摇臂、动臂、动臂缸、摇臂缸、前车架、后车架、前桥、后桥、配重、轮胎、驾驶室、油箱、机罩、台架等部件；根据装载机各部件的实际连接关系，在3D图形引擎软件中设置装载机数字孪生模型的各部件之间的连接关系；所述连接关系包括：铲斗与拉杆、动臂铰接；拉杆与铲斗、摇臂铰接；摇臂与拉杆、动臂、摇臂缸铰接；动臂与铲斗、摇臂、前车架、动臂缸铰接；动臂缸与动臂、前车架铰接；摇臂缸与摇臂、前车架铰接；前车架与动臂、后车架、摇臂缸、动臂缸铰接，与前桥固定；后车架与前车架铰接，与后桥、配重、驾驶室、油箱、机罩、台架等部件固定。

利用传感器单元采集装载机的工作状态数据；所述工作状态数据至少包括动臂角度、摇臂角度、前后车架转向角度、车辆航向角度、车辆经度和车辆纬度六个数据；所述传感器单元包括若干个传感器，至少包括动臂角度传感器、摇臂角度传感器、转向角度传感器、高精度GPS设备；其中，所述动臂角度传感器固定在动臂上，摇臂角度传感器固定在摇臂上，转向角度传感器固定在后车架上，高精度GPS设备固定在驾驶室上。

将传感器单元采集到的装载机的工作状态数据接入整车CAN总线；

整车控制器(整车VCU)从整车CAN总线中获取到装载机的工作状态数据，并利用网络通讯设备以UDP或TCP等方式发送至服务器；

服务器将接收到的数据存储至数据库供后续分析使用，同时将数据以UDP或TCP等方式发送至3D图形引擎；

3D图形引擎接收服务器发送的数据，对动臂角度、摇臂角度、前后车架转向角度、车辆航向角度、车辆经度、车辆纬度六个数据进行处理，具体为：

由装载机连接关系可知，当动臂角度和摇臂角度确定后，整车工作装置姿态唯一，因此，以动臂角度、摇臂角度确定装载机工作装置姿态，具体为：

首先对动臂角度、摇臂角度进行标定，具体为：将动臂举升至最高位，读取当前动臂角度传感器数值，记录为A，作为动臂角度标定值；在动臂举升至最高位时，将铲斗放至卸料位置，读取当前摇臂角度传感器数值，记录为B，作为摇臂角度标定值；

读取当前动臂角度及摇臂角度测量数据，与动臂角度标定值和摇臂角度标定值做差，即为动臂旋转角度及摇臂旋转角度，从而确定动臂及摇臂位置；

以转向角度确定前车架与后车架之间转动姿态，具体为：

首先对转向角度进行标定，具体为：将装载机原地向左转向至限位位置，读取此时转向角度传感器数值，记录为C，作为转向角度标定值；

读取当前转向角度测量数据，与转向角度标定值做差，即为前车架相对后车架转向角度，由此确定前车架与后车架的相对位置；

以车辆航向角度确定整车前进方向的朝向，具体为：

以地球正北方向为航向角度0°方向，顺时针为正，读取当前航向角度，即可确定后车架前进方向朝向；

对车辆经度、车辆纬度数据进行处理，确定整车前进、后退距离，具体为：

以地球正北方向为X轴正向，以地球正东方向为Y轴正向，建立坐标系；

读取当前时刻及上一时刻车辆经度、车辆纬度数值并做差处理，将差值换算为车辆X、Y方向行驶距离，实现车辆移动；

根据上述过程，驱动数字孪生模型运动，实现与物理样机的实时映射。

在具体应用过程中，所述3D图形引擎还接收除上述6个数据之外的其它采集数据，如发动机转速、发动机油耗、当前档位、油缸压力等数据，对数据进行处理，并采用相关算法进行深入分析，实现对整车工作效率、油耗、故障等性能的动态预测，并以Python/C++等编程语言开发显示界面，将预测结果以可视化形式呈现，辅助用户进行合理决策。

以Python/C++等编程语言进行显示界面程序开发，形成可视化模块，所述可视化模块与3D图形引擎相连，用于以可视化形式呈现整车性能，供用户进行合理决策。

本实例中的装载机数字孪生体的应用系统，可以对物理样机工作状态进行实时映射，从而实现对物理样机的实时监测，同时实现对整车工作效率、油耗、故障等性能的动态预测，并以可视化形式呈现，辅助用户进行合理决策。

实施例3

一种装载机数字孪生体的驱动系统，包括存储介质和处理器；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据实施例1中任一项所述的方法。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种装载机数字孪生体的驱动方法，其特征在于，包括：

获取装载机数字孪生模型；

以与装载机物理样机同步为目标，基于获取到的装载机的动臂角度、摇臂角度、前后车架转向角度、车辆航向角度、车辆经度和车辆纬度，驱动所述数字孪生模型运动，完成数字孪生模型与装载机物理样机的实时映射。

2.根据权利要求1所述的一种装载机数字孪生体的驱动方法，其特征在于：以动臂角度和摇臂角度，确定装载机工作装置姿态，并基于所述装载机工作装置姿态，驱动所述数字孪生模型中的装载机工作装置运动；

所述装载机工作装置姿态的确定方法包括：

将动臂举升至最高位，读取动臂角度传感器数值，记录为A，作为动臂角度标定值；在动臂举升至最高位时，将铲斗放至卸料位置，读取摇臂角度传感器数值，记录为B，作为摇臂角度标定值；

读取当前动臂角度及摇臂角度测量数据，与动臂角度标定值和摇臂角度标定值做差，即为动臂旋转角度及摇臂旋转角度，从而确定动臂及摇臂位置。

3.根据权利要求1所述的一种装载机数字孪生体的驱动方法，其特征在于：以前后车架转向角度确定前车架与后车架之间转动姿态，并基于所述前车架与后车架之间转动姿态，驱动所述数字孪生模型中的前、后车架转向运动；

所述以前后车架转向角度确定前车架与后车架之间转动姿态的确定方法包括：

将装载机原地向左转向至限位位置，读取此时转向角度传感器数值，记录为C，作为转向角度标定值；

读取当前转向角度测量数据，与转向角度标定值做差，即为前车架相对后车架转向角度，由此确定前车架与后车架的相对位置。

4.根据权利要求1所述的一种装载机数字孪生体的驱动方法，其特征在于：以车辆航向角度确定整车前进方向的朝向，并基于所述整车前进方向的朝向，驱动所述数字孪生模型中的整车前进方向运动；

所述整车前进方向的朝向的确定方法包括：

以地球正北方向为航向角度0°方向，顺时针为正，读取当前航向角度，即可确定后车架前进方向朝向。

5.根据权利要求1所述的一种装载机数字孪生体的驱动方法，其特征在于：以车辆经度和车辆纬度确定整车前进、后退距离，并基于所述整车前进、后退距离，驱动所述数字孪生模型中装载机的前进、后退运动；

所述整车前进、后退距离的确定方法包括：

以地球正北方向为X轴正向，以地球正东方向为Y轴正向，建立坐标系；

读取当前时刻及上一时刻车辆经度和车辆纬度数值，并做差处理，将差值换算为车辆X、Y方向行驶距离，实现装载机移动。

6.一种装载机数字孪生体的驱动装置，其特征在于，包括相连的传感器单元、网络通讯设备和3D图形引擎软件；

所述传感器单元采集装载机的动臂角度、摇臂角度、前后车架转向角度、车辆航向角度、车辆经度和车辆纬度，并发送至网络通讯设备；

所述网络通讯设备通讯接收传感器单元发送的数据，同时将数据通过网络发送至3D图形引擎软件；

所述3D图形引擎包括：

获取模块，用于获取模块获取装载机数字孪生模型；

以与装载机物理样机同步为目标，基于获取到的装载机的动臂角度、摇臂角度、前后车架转向角度、车辆航向角度、车辆经度、车辆纬度，驱动所述数字孪生模型运动，完成数字孪生模型与装载机物理样机的实时映射。

7.根据权利要求6所述的一种装载机数字孪生体的驱动装置，其特征在于，所述驱动装置还包括可视化模块，所述可视化模块与3D图形引擎相连，用于以可视化形式呈现整车性能。

8.根据权利要求6所述的一种装载机数字孪生体的驱动装置，其特征在于，所述传感器单元包括动臂角度传感器、摇臂角度传感器、转向角度传感器和GPS设备；所述动臂角度传感器固定在动臂上；所述摇臂角度传感器固定在摇臂上；所述转向角度传感器固定在后车架上；所述GPS设备固定在驾驶室上。

9.根据权利要求6所述的一种装载机数字孪生体的驱动装置，其特征在于，所述网络通讯设备与传感器单元之间通过CAN总线进行通讯，获取所需数据，并将数据通过网络发送至3D图形引擎软件。

10.一种装载机数字孪生体的驱动系统，其特征在于，包括存储介质和处理器；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1-5中任一项所述的方法。