一种基于振动传感器的数字孪生虚拟模型驱动方法技术

本发明专利技术属工业设备数字孪生技术领域，尤其涉及一种基于振动传感器的数字孪生虚拟模型驱动方法，包括：S1、在工业设备的运动轨迹中选取多个时间段进行采样并记录对应的位置信息；S2、对采样的振动信号进行频谱分析，得到系列简谐振动波；将系列简谐振动波的波形要素集合作为对应振动信号的识别标准样本；S3、获取到实时振动信号后，对实时振动信号进行频谱分析得到实时属性特征信息；S4、将实时属性特征信息与识别标准样本进行比对分析，得到对应的位置信息，作为实时位置信息；S5、将实时位置信息输入工业设备的数字孪生体中。本方法可以在控制改造成本及施工周期的基础上，改善老旧设备的数字孪生应用的虚拟模型呈现时位置突变的问题。问题。问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于振动传感器的数字孪生虚拟模型驱动方法


[0001]本专利技术属工业设备数字孪生
，尤其涉及一种基于振动传感器的数字孪生虚拟模型驱动方法。

技术介绍

[0002]数字孪生是以数字虚拟化的形式对某一物理实体的行为或流程进行动态呈现，通过IOT数据驱动模型来实时感知、诊断、预测物理实体对象的状态，通过优化和指令来调控物理实体对象的行为，通过相关联的数字孪生体间的共同学习来进化自身，同时改进在物理实体对象生命周期内的决策。
[0003]在虚拟现实和智能制造领域，数字孪生得到了广泛的应用。为了实现现实世界的物体与虚拟模型空间映射，需对物理世界的物体进行空间位置信息的实时采集，通过数字信号驱动虚拟模型实现空间位置呈现。但是现在很多工厂老旧设备由于硬件设计结构原因，设备不具备数据采集基本条件，不能提供完整的数据信号来连续驱动虚拟模型，限制了这些设备的数字孪生的开发应用。
[0004]为了开发这些设备的数字孪生应用，限于采集条件和改造成本原因，一般通过采集设备的位置信号，作为虚拟模型位置驱动信号，该种驱动方式会造成虚拟模型呈现时的位置突变，特别是当虚拟模型运动位置过大时更加明显，造成虚拟模型运动轨迹与设备运动轨迹失真，严重影响了映射效果。
[0005]为了更好地开发这些老旧设备的数字孪生应用，解决虚拟模型呈现时的位置突变，一般采取人为设定虚拟模型的匀速运动速度值，模仿运动的全过程，但由于不是虚拟和现实的真正运动状态数字映射，呈现效果不理想。而通过大量的硬件改动来解决上述问题，虽然有不错的效果，但改造成本较高、硬件投入大且施工周期较长。
[0006]因此，怎样才能在控制改造成本及施工周期的基础上，改善老旧设备的数字孪生应用的虚拟模型呈现时位置突变的问题，成为目前亟待解决的问题。

技术实现思路

[0007]针对上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于振动传感器的数字孪生虚拟模型驱动方法，可以在控制改造成本及施工周期的基础上，改善老旧设备的数字孪生应用的虚拟模型呈现时位置突变的问题。
[0008]为了解决上述技术问题，本专利技术采用了如下的技术方案：
[0009]一种基于振动传感器的数字孪生虚拟模型驱动方法，包括以下步骤：
[0010]S1、根据数字孪生体的位置映射精度需求设置采样周期后，在工业设备的运动轨迹中选取多个时间段进行采样，并记录采样到的各段振动信号对应的位置信息；所述振动信号为复杂周期振动信号；
[0011]S2、对S1采样的各段振动信号进行频谱分析，分别得到对应的系列简谐振动波；将系列简谐振动波的波形要素集合作为对应振动信号的识别标准样本，并将各段振动信号的
识别标准样本及位置信息存入特征数据库；
[0012]S3、获取到实时振动信号后，对实时振动信号进行频谱分析得到系列简谐振动波，并将系列简谐振动波的波形要素集合作为实时属性特征信息；所述实时振动信号为复杂周期振动信号；
[0013]S4、将实时属性特征信息与特征数据库中的识别标准样本进行比对分析，得到对应的位置信息，作为实时位置信息；
[0014]S5、将实时位置信息输入工业设备的数字孪生体中，实现设备位置信息的数字化属性映射。
[0015]优选地，S2及S3中，简谐振动波的波形要素包括振幅A、频率f、周期T、相位及速度V
t
；波形要素满足以下关系式：
[0016]χ＝Asin(ωt+ψ)＝A sin(2πf t+ψ)；
[0017]V
t
＝χ＇＝2πf A cos(2πf t+ψ)；
[0018]f＝1/T；
[0019]式中，χ表示位移，ψ表示初始相位，x
′
表示χ的一阶导数。
[0020]优选地，S5中，还根据实时位置信息得到移动距离S，再结合运动时间，对工业设备的运动驱动特征属性变量进行计算更新后，作为运动驱动变量输入数字孪生体；其中，运动特征属性变量包括速度v及加速度a。
[0021]优选地，频谱分析的过程包括：
[0022]通过傅里叶级数分析将振动信号或实时振动信号的周期函数分解为一个收敛的无穷三角级数，且分解的每一项都是一个正弦三角函数，数学表达式为：
[0023][0024][0025][0026]式中，T表示简谐振动波的周期，t表示时间。
[0027]优选地，S2中，进行频谱分析的过程中，还通过人工标注的方式，对非近些震动进行标注识别。
[0028]优选地，S1中，通过在设备运动部件刚性连接体上安装振动传感器，或者通过安装设备边缘振动监测计算器终端的方式，获取振动信号。
[0029]本专利技术与现有技术相比，具有如下有益效果：
[0030]1.使用本方法，在根据精度需求设置采样周期后，在工业设备的运动轨迹中进行振动信号的采样，并记录对应的位置信息。之后，通过现代频谱分析技术，对每段采集的振动信号进行频谱分析，这样，可以得到每一段振动信号的系列简谐振动波，即，将复杂周期振动信号分解为不同频率的简谐分量。并将系列简谐振动波的波形要素集合作为对应振动信号的识别标准样本，并将各段振动信号的识别标准样本及位置信息存入特征数据库。再然后，在对数字孪生体进行实时映射时，获取到实时振动信号后用同样的方法对其进行频谱分析，并将得到的波形要素集合作为实时属性特征信息。再将实时属性特征信息与特征数据库中的识别标准样本进行比对分析，通过波形要素集合的分析，再加上特征数据库中
还有识别标准样本对应的位置信息，便可以分析得到实时属性特征信息对应的位置信息，即，当前的实时位置信息。再然后，将实时位置信息输入工业设备的数字孪生体中，便可以实现设备位置信息的数字化属性映射。
[0031]本方法通过对设备运动轨迹中进行振动信号的采样，对振动波形进行频谱分析，智能分析运动过程波形的频率、振幅、周期要素变化特征与运动位置的关系，从而实现虚拟模型移动过程的连续智能数字驱动，达到虚拟模型与设备运动轨迹的实时映射。本方法不仅能够达到准确的实时映射的效果，且对于硬件的改动需求很小，施工简单且成本很低。
[0032]综上，本方法可以在控制改造成本及施工周期的基础上，改善老旧设备的数字孪生应用的虚拟模型呈现时位置突变的问题。
[0033]2.老旧设备数据采集困难，投入成本高，结合虚拟模型的可视化呈现并不需要很高的模型位置再现精度的特点。因此，其运动特征的投射精度只需要满足使用需求即可，而使用本方法，则可以根据其具体的投射精度，进行对应的设置以及采样分析，从而保证数字孪生体的映射数据的精度适应性，在保证精度适用性的同时尽可能的节约成本。
[0034]3.本方法中，通过傅里叶级数分析对振动信号或实时振动信号的周期函数进行分析，可以将其分解为一个收敛的无穷三角级数，分解的每一项都是一个正弦三角函数，该复杂周期振动信号是由系列不同频率和振幅的简谐波合成。由于每一项简谐波的特征均可以便捷且准确的获取，则对应的复杂周期振动信号便可以通过这些简本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于振动传感器的数字孪生虚拟模型驱动方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据数字孪生体的位置映射精度需求设置采样周期后，在工业设备的运动轨迹中选取多个时间段进行采样，并记录采样到的各段振动信号对应的位置信息；所述振动信号为复杂周期振动信号；S2、对S1采样的各段振动信号进行频谱分析，分别得到对应的系列简谐振动波；将系列简谐振动波的波形要素集合作为对应振动信号的识别标准样本，并将各段振动信号的识别标准样本及位置信息存入特征数据库；S3、获取到实时振动信号后，对实时振动信号进行频谱分析得到系列简谐振动波，并将系列简谐振动波的波形要素集合作为实时属性特征信息；所述实时振动信号为复杂周期振动信号；S4、将实时属性特征信息与特征数据库中的识别标准样本进行比对分析，得到对应的位置信息，作为实时位置信息；S5、将实时位置信息输入工业设备的数字孪生体中，实现设备位置信息的数字化属性映射。2.如权利要求1所述的基于振动传感器的数字孪生虚拟模型驱动方法，其特征在于：S2及S3中，简谐振动波的波形要素包括振幅A、频率f、周期T、相位及速度V
t
；波形要素满足以下关系式：χ＝Asin(ωt+ψ)＝Asin(2πft+ψ)；V
t
＝χ＇＝2πfA cos(2πft+ψ...

【专利技术属性】
技术研发人员：巩书凯，江虹锋，罗林，梁先黎，卢仁谦，
申请(专利权)人：重庆忽米网络科技有限公司，
类型：发明
国别省市：