一种基于数字孪生的茎秆弯折动态过程多参数测试平台制造技术

一种基于数字孪生的茎秆弯折动态过程多参数测试平台属农业物料性质检测技术领域，本发明专利技术由茎秆及测试装置、物理空间数据采集层、仿真系统、虚拟映射空间和上位机组成，包括以下几个实现步骤：搭建茎秆弯折动态过程多参数测试平台；B.利用数字孪生技术实现测试过程虚拟映射。本发明专利技术能实现进行茎秆弯折动态过程多参数检测，能直观地获得茎秆的参数数据和弯折影像。同时将数字孪生技术应用于茎秆弯折过程多参数测试，在数字孪生技术的驱动下，通过虚拟映射空间和物理空间实体设备的双向真实映射和实时信息交互，实物虚拟静态模型和动态采集数据的信息融合，完成茎秆弯折动态过程的模拟。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字孪生的茎秆弯折动态过程多参数测试平台
本专利技术属农业物料性质检测
，具体涉及一种基于数字孪生的茎秆弯折动态过程多参数测试平台。
技术介绍
大多数农作物茎秆具有材质不均、易变形、不规则的特性，对作物茎秆弯折特性分析检测比较困难，但是对作物茎秆弯折特性进行检测对选育优种，提高作物的抗倒伏能力进而提高作物产量具有十分重要的意义。目前并没有对作物茎秆弯折过程动态参数检测的专用平台，而对茎秆物理特性精选检测的装置及方法存在两方面的问题，一是设备仪器的精度有待提高，二是难以实现茎秆参数的动态检测。为了获得较为准确的检测数据，研究作物茎秆的弯折特性，本专利技术设计一种茎秆弯折过程动态测试平台，运用自行设计检测平台进行茎秆弯折动态过程多参数检测，通过前端传感器和数据传输接口，在上位机上进行数据处理，显示茎秆的参数数据和弯折影像。本专利技术将数字孪生技术创新性的应用于茎秆弯折过程多参数测试平台，在数字孪生技术的驱动下，通过虚拟映射空间和物理空间实体设备的双向真实映射和实时信息交互，实物虚拟静态模型和动态采集数据的信息融合，完成茎秆弯折动态全过程的模拟。
技术实现思路
本专利技术旨在解决上述问题，提供一种基于数字孪生的茎秆弯折动态过程多参数测试平台。本专利技术的基于数字孪生的茎秆弯折动态过程多参数测试平台，由茎秆及测试装置A、物理空间数据采集层B、仿真系统C、虚拟映射空间D和上位机E组成，其中茎秆及测试装置A的信号输出端与物理空间采集层B的信号输入端连接；物理空间数据采集层B、仿真系统C和虚拟映射空间D之间构建虚实联动双向信号传输通道，双向通信连接；物理空间数据采集层B的信号输出端与上位机E的信号输入端连接；上位机E的信号输出端与茎秆及测试装置A的信号输入端连接。所述物理空间数据采集层B由高速影像采集单元1、光学影像采集单元2、三维激光扫描单元3、无线传输单元4、弯折信息采集单元5、串口传输单元6、碰撞信息采集单元7和模型构建单元8组成，其中：高速影像采集单元1、光学影像采集单元2、三维激光扫描单元3、无线传输单元4的信号输出端连接串口传输单元6；高速影像采集单元1、光学影像采集单元2、三维激光扫描单元3、弯折信息采集单元5、串口传输单元6、碰撞信息采集单元7和模型构建单元8与无线传输单元4通信连接；所述的高速影像采集单元1由高速摄像机Ⅰ9、高速摄像机Ⅱ10和高速摄像机Ⅲ11组成，高速摄像机Ⅰ9安装在测试平台的左侧，检测茎秆弯曲部位的局部高速影像信息；高速摄像机Ⅱ10安装在测试平台的正前方；高速摄像机Ⅲ11安装在测试平台的右侧，高速摄像机Ⅱ11和高速摄像机Ⅲ12记录茎秆弯曲的整体影像信息；所述光学影像采集单元2由光学照相机Ⅰ12、光学摄像机13和光学照相机Ⅱ14组成，光学摄像机13安装在测试平台的正前方，记录茎秆弯曲全过程的光学影像；光学照相机Ⅰ12安装在测试平台的左侧，记录茎秆碰撞前的影像信息；光学照相机Ⅱ14安装在测试平台右侧，记录茎秆碰撞后的影像信息；所述碰撞信息采集单元7由加速度传感器15和速度传感器16组成，速度传感器16检测执行装置的移动速度；加速度传感器15检测茎秆与执行装置部位接触部位的瞬时加速度；速度传感器16为线速度传感器，加速度传感器15为广泛用于碰撞试验的压阻式加速度传感器；所述弯折信息采集单元5由第一分区压电薄膜片17、第二分区压电薄膜片18和第三分区压电薄膜片19组成；第一分区压电薄膜片17、第二分区压电薄膜片18和第三分区压电薄膜片19自上而下贴于茎秆不同位置，第一分区压电薄膜片17、第二分区压电薄膜片18和第三分区压电薄膜片19间距H为：2/3L≤H≤4/5L，其中，L为茎秆总长；第二分区压电薄膜片18由1个PVDF压电薄膜纵向贴至茎秆碰撞部位；第一分区压电薄膜片17由1个PVDF压电薄膜横向贴至第二分区压电薄膜18上方，距第二分区压电薄膜片距离H；第三分区压电薄膜片19由1个PVDF压电薄膜横向贴至第二分区压电薄膜18下方，距第二分区压电薄膜片距离H；所述三维激光扫描单元3为FARO三维激光扫描仪和FAROSCENE处理软件，FARO三维激光扫描仪实时扫描茎秆及测试装置A的三维点云数据；FAROSCENE软件接收来自三维激光扫描仪的三维点云数据，1：1实时重构实体模型；所述模型构建单元9为三维建模软件，模拟建立茎秆及测试装置A的虚拟形态；所述无线传输单元4利用Zigbee、Bluetooth、LAN、WIFI、NB-IoT中的一种或者多种传输协议，与高速影像采集单元1、光学影像采集单元2、三维激光扫描单元3、弯折信息采集单元5、碰撞信息采集单元7和模型构建单元8无线连接；所述串口传输单元6利用串口数据通信的方式，与高速影像采集单元1、光学影像采集单元2、弯折信息采集单元5、碰撞信息采集单元7的串口连接。所述的上位机E由数据处理系统F、数据分析单元20、脚本执行单元21和数据库22组成；所述数据处理系统F由信号放大器23、A/D转换器24、调制解调器25和滤波器26，信号放大器23、A/D转换器24、调制解调器25和滤波器26依次连接，物理空间数据采集层的模拟信号经数据处理系统F预处理后转化为计算机可识别处理的数字信号；所述数据分析单元20安装一种图像处理软件，弯折信息采集单元5采集到的压力数据和碰撞信息采集单元7采集到的速度和加速度数据经过数据处理系统F处理后传递至数据分析单元20，形成速度-时间曲线，加速度-时间曲线，压力-速度曲线；所述数据库22为2个1T的存储硬盘，外接于上位机E，存储来自虚拟映射空间D和物理空间数据采集层B的测试数据；所述脚本执行单元21与茎秆及测试装置A通信连接，操作者编译脚本指令代码，实现对茎秆及测试装置A的控制。所述的仿真系统C由数据采集卡27、数据处理单元28、数据映射字典29、API服务组件30组成；所述数据采集卡27设置无线数据接收端和无线数据发射端，无线数据接收端与物理空间数据采集层B的信息输出端通信连接；所述数据处理单元28与数据采集卡27的无线数据发射端通信连接，根据来自数据采集卡27的数据进行预处理；所述数据映射字典29的数据输入端与数据处理单元28通信连接，数据映射字典29接收来自数据处理单元28的数据，将其转化为虚拟映射空间D可识别的数据类型，传输所用的接口为OPC-UA信号接口；所述API服务组件30采用API数据传输协议，通信连接于数据映射字典29和虚拟映射空间D，形成仿真系统C和虚拟映射空间D的信息双向流通，建立测试数据上行信息通道和控制指令下行信息通道。所述的虚拟映射空间D由物理信息融合单元31、仿真数据存储单元32、三维可视化引擎33、多视角可视化展示34组成；所述物理信息融合单元31与物理空间数据采集层B通信连接，将物理空间数据采集层B获得的不通过类型的信息进行融合，形成模型的动态数据；所述三维可视化引擎33，通过数据融合单元31和API服务组件30与数据映射字典29通信连接，在数据映射字典29获得的实时数据的驱动下，渲染虚拟茎秆及测试装置A模型，驱动三维影像合成单元；所述多视角可视化展示34与三维可视化引擎本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于数字孪生的茎秆弯折动态过程多参数测试平台，其特征在于，由茎秆及测试装置(A)、物理空间数据采集层(B)、仿真系统(C)、虚拟映射空间(D)和上位机(E)组成，其中茎秆及测试装置(A)的信号输出端与物理空间采集层(B)的信号输入端连接；物理空间数据采集层(B)、仿真系统(C)和虚拟映射空间(D)之间构建虚实联动双向信号传输通道，双向通信连接；物理空间数据采集层(B)的信号输出端与上位机(E)的信号输入端连接；上位机(E)的信号输出端与茎秆及测试装置(A)的信号输入端连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的茎秆弯折动态过程多参数测试平台，其特征在于，由茎秆及测试装置(A)、物理空间数据采集层(B)、仿真系统(C)、虚拟映射空间(D)和上位机(E)组成，其中茎秆及测试装置(A)的信号输出端与物理空间采集层(B)的信号输入端连接；物理空间数据采集层(B)、仿真系统(C)和虚拟映射空间(D)之间构建虚实联动双向信号传输通道，双向通信连接；物理空间数据采集层(B)的信号输出端与上位机(E)的信号输入端连接；上位机(E)的信号输出端与茎秆及测试装置(A)的信号输入端连接。


2.按权利要求1所述的基于数字孪生的茎秆弯折动态过程多参数测试平台，其特征在于，所述的物理空间数据采集层(B)由高速影像采集单元(1)、光学影像采集单元(2)、三维激光扫描单元(3)、无线传输单元(4)、弯折信息采集单元(5)、串口传输单元(6)、碰撞信息采集单元(7)和模型构建单元(8)组成，其中：高速影像采集单元(1)、光学影像采集单元(2)、三维激光扫描单元(3)、无线传输单元(4)的信号输出端连接串口传输单元(6)；高速影像采集单元(1)、光学影像采集单元(2)、三维激光扫描单元(3)、弯折信息采集单元(5)、碰撞信息采集单元(7)和模型构建单元(8)与无线传输单元(4)通信连接；所述高速影像采集单元(1)由高速摄像机Ⅰ(9)、高速摄像机Ⅱ(10)和高速摄像机Ⅲ(11)组成，高速摄像机Ⅰ(9)安装在测试平台的左侧，检测茎秆弯曲部位的局部高速影像信息；高速摄像机Ⅱ(10)安装在测试平台的正前方；高速摄像机Ⅲ(11)安装在测试平台的右侧，高速摄像机Ⅱ(11)和高速摄像机Ⅲ(12)记录茎秆弯曲的整体影像信息；所述光学影像采集单元(2)由光学照相机Ⅰ(12)、光学摄像机(13)和光学照相机Ⅱ(14)组成，光学摄像机(13)安装在测试平台的正前方，记录茎秆弯曲全过程的光学影像；光学照相机Ⅰ(12)安装在测试平台的左侧，记录茎秆碰撞前的影像信息；光学照相机Ⅱ(14)安装在测试平台右侧，记录茎秆碰撞后的影像信息；所述碰撞信息采集单元(7)由加速度传感器(15)和速度传感器(16)组成，速度传感器(16)检测执行装置的移动速度；加速度传感器(15)检测茎秆与执行装置部位接触部位的瞬时加速度；速度传感器(16)为线速度传感器，加速度传感器(15)为广泛用于碰撞试验的压阻式加速度传感器；所述弯折信息采集单元(5)由第一分区压电薄膜片(17)、第二分区压电薄膜片(18)和第三分区压电薄膜片(19)组成；第一分区压电薄膜片(17)、第二分区压电薄膜片(18)和第三分区压电薄膜片(19)自上而下贴于茎秆不同位置，第一分区压电薄膜片(17)、第二分区压电薄膜片(18)和第三分区压电薄膜片(19)间距H为：2/3L≤H≤4/5L，其中，L为茎秆总长；第二分区压电薄膜片(18)由1个PVDF压电薄膜纵向贴至茎秆碰撞部位；第一分区压电薄膜片(17)由1个PVDF压电薄膜横向贴至第二分区压电薄膜(18)上方，距第二分区压电薄膜片距离H；第三分区压电薄膜片(19)由1个PVDF压电薄膜横向贴至第二分区压电薄膜(18)下方，距第二分区压电薄膜片距离H；所述三维激光扫描单元(3)为FARO三维激光扫描仪和FAROSCENE处理软件，FARO三维激光扫描仪实时扫描茎秆及测试装置(A)的三维点云数据；FAROSCENE软件接收来自三维激光扫描仪的三维点云数据，1：1实时重构实体模型；所述模型构建单元(9)为三维建模软件，模拟建立茎秆及测试装置(A)的虚拟形态；所述无线传输单元(4)利用Zigbee、Bluetooth、LAN、WIFI、NB-IoT中的一种或者多种传输协议，与高速影像采集单元(1)、光学影像采集单元(2)、三维激光扫描单元(3)、弯折信息采集单元(5)、碰撞信息采集单元(7)和模型构建单元(8)无线连接；所述串口传输单元(6)利用串口数据通信的方式，与高速影像采集单元(1)、光学影像采集单元(2)、弯折信息采集单元(5)、碰撞信息采集单元(7)的串口连接。


3.按权利要求1所述的基于数字孪生的茎秆弯折动态过程多参数测试平台，其特征在于，所述的上位机(E)由数据处理系统(F)、数据分析单元(20)、脚本执行单元(21)和数据库(22)组成；所述数据处理系统(F)由信号放大器(23)、A/D转换器(24)、调制解调器(25)和滤波器(26)，信号放大器(23)、A/D转换器(24)、调制解调器(25)和滤波器(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐江涛，丛旭，张志辉，左文杰，田辛亮，李茂，刘凯，孙会彬，包志远，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22