[發(fā)明專利]智能挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)性能數(shù)字孿生體構(gòu)建方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110017331.6
• 申請日: 2021-01-07
• 公開（公告）號: CN112836404B
• 公開（公告）日: 2023-09-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 宋學(xué)官;鄒亞男;來孝楠;王鑫;何西旺
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: G06Q50/02
• 分類號: G06Q50/02;H04L67/125;H04W4/38;H04W4/70;H04W4/80;E02F9/20;E02F9/24;E02F9/26;G06F30/23;G06F30/27;G06N3/08;G06T19/00;G06T15/00;G06T17/00
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

一種智能挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)性能數(shù)字孿生體構(gòu)建方法，通過對智能挖掘機(jī)挖掘過程中關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析，得到相關(guān)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能；采集智能挖掘機(jī)關(guān)鍵零部件在挖掘過程中的重要運行狀態(tài)，通過數(shù)據(jù)處理計算得等到關(guān)鍵運行數(shù)據(jù)；將傳感器數(shù)據(jù)與人工智能算法融合，利用預(yù)測模型對多種未知工況下智能挖掘機(jī)零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能預(yù)測；最后利用計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)將性能數(shù)據(jù)信息建模渲染，得到智能挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)性能顯示的數(shù)字孿生體，實現(xiàn)智能挖掘機(jī)在挖掘過程中關(guān)鍵零部件性能信息的數(shù)字孿生映射。本發(fā)明在多種運行工況下，利用傳感器以及人工智能算法實時計算智能挖掘機(jī)關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，實現(xiàn)性能信息的實時顯示監(jiān)測、挖掘軌跡顯示、反饋控制、故障預(yù)警等實用性功能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于數(shù)字孿生領(lǐng)域，具體為一種智能挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)性能數(shù)字孿生體構(gòu)建方法。

背景技術(shù)

智能挖掘機(jī)是露天礦開采的關(guān)鍵設(shè)備，在礦產(chǎn)資源的開采中占據(jù)著重要地位。由于礦產(chǎn)開采時的工作環(huán)境惡劣、工作強(qiáng)度大、作業(yè)時間長，存在潛在的結(jié)構(gòu)失效風(fēng)險。且一旦發(fā)生結(jié)構(gòu)失效，將帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失甚至是人員傷亡。因此為保障智能挖掘機(jī)能夠安全連續(xù)穩(wěn)定作業(yè)，需要對智能挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行實時監(jiān)測。隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代信息與通信技術(shù)的快速普及與應(yīng)用，數(shù)字孿生技術(shù)的真實落地應(yīng)用得到了技術(shù)保障。數(shù)字孿生是一種虛實結(jié)合的概念，通常包含物理實體，虛擬實體以及它們之間的連接。使用數(shù)字孿生的理念，可以構(gòu)建一種能夠在多維度、多時間尺度上對物理實體進(jìn)行高保真度描述的系統(tǒng)。能夠?qū)崟r模擬、監(jiān)控、診斷物理實體在真實環(huán)境中的狀態(tài)和行為，表征一些無法直接觀察得到的信息。為融合真實動態(tài)運行數(shù)據(jù)與虛擬性能分析數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對智能挖掘機(jī)運行期間工作狀態(tài)監(jiān)測，需要發(fā)明一種用于智能挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)性能信息實時監(jiān)測的數(shù)字孿生系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容

在智能挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測需求日益提高的背景下，綜合分析現(xiàn)有結(jié)構(gòu)性能實時計算方法的缺陷和不足，本發(fā)明提出一種基于數(shù)字孿生的智能挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測方法；通過對智能挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測數(shù)字孿生體的構(gòu)建，集成物理幾何模塊、通信模塊、算法模塊與實時虛擬顯示模塊實現(xiàn)對智能挖掘機(jī)挖掘過程中零部件性能的實時監(jiān)測顯示。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種智能挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)性能數(shù)字孿生體構(gòu)建方法，該方法基于數(shù)字孿生系統(tǒng)結(jié)合物理幾何模塊、通信模塊、算法模塊以及實時虛擬顯示模塊四個模塊實現(xiàn)：首先，在物理幾何模塊針對真實智能挖掘機(jī)幾何體，規(guī)劃挖掘動作的各個動作單元，關(guān)注零件的空間幾何位置及相互配合關(guān)系，并在重點監(jiān)測的零件上安裝工業(yè)傳感器，提取輸入變量，確保挖掘動作的實時捕捉。其次，通過通信模塊的解碼系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與融合，將實時運動數(shù)據(jù)進(jìn)行輕量準(zhǔn)確存儲與傳輸。再次，將數(shù)據(jù)傳入算法模塊進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的搭建，構(gòu)建物理運動信息與結(jié)構(gòu)性能信息的對應(yīng)數(shù)學(xué)關(guān)系。最后，將可供渲染的結(jié)構(gòu)性能信息，傳入實時虛擬顯示模塊，可在多種終端平臺進(jìn)行虛擬孿生體內(nèi)在結(jié)構(gòu)性能與外在運動行為的展現(xiàn)。借助數(shù)據(jù)存儲與管理，將運行數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，用于對所述算法模塊中數(shù)學(xué)模型的不斷修正，保證數(shù)字孿生體的高度保真。具體包括以下步驟：

第一步，針對智能挖掘機(jī)，首先借助所述物理幾何模塊構(gòu)造數(shù)字孿生系統(tǒng)中物理實體部分，所述物理幾何模塊中包含感知單元、控制單元、驅(qū)動單元、以及動作實現(xiàn)單元。具體為：

首先，需對智能挖掘機(jī)的工作環(huán)境進(jìn)行實時采集。通過感知單元中3D掃描儀實現(xiàn)對挖掘料堆的三維實體建模，便于實時觀察挖掘作業(yè)進(jìn)度。通過對智能挖掘機(jī)各關(guān)鍵零部件如鏟斗、大臂、齒輪，進(jìn)行靜力學(xué)分析，確定影響智能挖掘機(jī)零部件結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵因素。以提取挖掘機(jī)挖掘過程的運行工況輸入變量以及需求解的性能信息。因此在關(guān)鍵零部件上布置相應(yīng)工業(yè)傳感器，采集實時運行工況信息。

其次，針對挖掘料堆的具體形狀，規(guī)劃挖掘動作。向控制單元中的單片機(jī)輸入相應(yīng)的運動指令，該運動指定規(guī)劃了驅(qū)動單元中的步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)編碼器的行程，可控制所述動作實現(xiàn)單元中相關(guān)零部件按照指定的挖掘軌跡進(jìn)行挖掘作業(yè)。使智能挖掘機(jī)以較小功率消耗、較大滿斗率進(jìn)行挖掘。