智能挖掘机的结构性能数字孪生体构建方法技术

一种智能挖掘机的结构性能数字孪生体构建方法，通过对智能挖掘机挖掘过程中关键零部件进行有限元分析，得到相关结构力学性能；采集智能挖掘机关键零部件在挖掘过程中的重要运行状态，通过数据处理计算得等到关键运行数据；将传感器数据与人工智能算法融合，利用预测模型对多种未知工况下智能挖掘机零部件进行结构性能预测；最后利用计算机图形学技术将性能数据信息建模渲染，得到智能挖掘机结构性能显示的数字孪生体，实现智能挖掘机在挖掘过程中关键零部件性能信息的数字孪生映射。本发明专利技术在多种运行工况下，利用传感器以及人工智能算法实时计算智能挖掘机关键零部件结构力学性能，实现性能信息的实时显示监测、挖掘轨迹显示、反馈控制、故障预警等实用性功能。

【技术实现步骤摘要】
智能挖掘机的结构性能数字孪生体构建方法
本专利技术属于数字孪生领域，具体为一种智能挖掘机的结构性能数字孪生体构建方法。
技术介绍
智能挖掘机是露天矿开采的关键设备，在矿产资源的开采中占据着重要地位。由于矿产开采时的工作环境恶劣、工作强度大、作业时间长，存在潜在的结构失效风险。且一旦发生结构失效，将带来重大的经济损失甚至是人员伤亡。因此为保障智能挖掘机能够安全连续稳定作业，需要对智能挖掘机的结构性能进行实时监测。随着大数据、物联网、云计算等新一代信息与通信技术的快速普及与应用，数字孪生技术的真实落地应用得到了技术保障。数字孪生是一种虚实结合的概念，通常包含物理实体，虚拟实体以及它们之间的连接。使用数字孪生的理念，可以构建一种能够在多维度、多时间尺度上对物理实体进行高保真度描述的系统。能够实时模拟、监控、诊断物理实体在真实环境中的状态和行为，表征一些无法直接观察得到的信息。为融合真实动态运行数据与虚拟性能分析数据，实现对智能挖掘机运行期间工作状态监测，需要专利技术一种用于智能挖掘机结构性能信息实时监测的数字孪生系统。r>
技术实现思路
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【技术保护点】
1.一种智能挖掘机的结构性能数字孪生体构建方法，其特征在于，所述方法基于数字孪生系统结合物理几何模块、通信模块、算法模块以及实时虚拟显示模块四个模块实现，包括以下步骤：/n第一步，针对智能挖掘机，通过所述物理几何模块构造数字孪生系统中物理实体部分，所述物理几何模块中包含感知单元、控制单元、驱动单元、以及动作实现单元；具体为：/n首先，需对智能挖掘机的工作环境进行实时采集；通过感知单元中3D扫描仪实现对挖掘料堆的三维实体建模，用于实时观察挖掘作业进度；对智能挖掘机各关键零部件进行静力学分析，确定影响智能挖掘机零部件结构性能的关键因素；以提取挖掘机挖掘过程的运行工况输入变量以及需求解的性能信息；关...

【技术特征摘要】
1.一种智能挖掘机的结构性能数字孪生体构建方法，其特征在于，所述方法基于数字孪生系统结合物理几何模块、通信模块、算法模块以及实时虚拟显示模块四个模块实现，包括以下步骤：
第一步，针对智能挖掘机，通过所述物理几何模块构造数字孪生系统中物理实体部分，所述物理几何模块中包含感知单元、控制单元、驱动单元、以及动作实现单元；具体为：
首先，需对智能挖掘机的工作环境进行实时采集；通过感知单元中3D扫描仪实现对挖掘料堆的三维实体建模，用于实时观察挖掘作业进度；对智能挖掘机各关键零部件进行静力学分析，确定影响智能挖掘机零部件结构性能的关键因素；以提取挖掘机挖掘过程的运行工况输入变量以及需求解的性能信息；关键零部件上布置相应工业传感器，采集实时运行工况信息；
其次，针对挖掘料堆的具体形状，规划挖掘动作；向控制单元中的单片机输入相应的运动指令，该运动指定规划驱动单元中的步进电机旋转编码器的行程，可控制所述动作实现单元中相关零部件按照指定的挖掘轨迹进行挖掘作业；
最后，实现智能挖掘机挖掘作业过程中各关键零部件实体模型的三维空间位置与运动配合关系监测；为后续实时监控显示模块中模型的搭建提供数据信息；
第二步，将上述物理几何模块中工业传感器采集的关键零部件的实时运行工况信息输入通信模块，通过通信模块将工业传感器实时采集的数据进行分类与分发；智能挖掘机中装有具备数据存储、数据处理与无线通信功能的上位工控机；所述物理几何模块中的感知单元、控制单元与驱动单元通过USB接口与上位工控机进行有线连接，用于将历史运行数据与工业传感器实时采集数据存储在上位工控机中；通过PC端与上位工控机无线连接，读取上述数据后进行处理，并将处理后的数据传输至不同终端；
第三步，通过深度神经网络方法建立实际运行工况与零件内部结构性能信息的对应关系；首先选取构建算法所需的训练集与测试集，分别用于深度神经网络模...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋学官，邹亚男，来孝楠，王鑫，何西旺，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21