一种基于数字孪生的agv小车仿真系统
阅读说明：本技术 一种基于数字孪生的agv小车仿真系统 (AGV dolly simulation system based on digital twinning ) 是由 姜跃君 蒋俊杰 于 2021-07-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于数字孪生的AGV小车仿真系统,涉及仓储物流仿真领域。对整个AGV系统进行1:1真实还原,构建出虚拟数字孪生体,为面向AGV的数字孪生仓储仿真系统奠定虚拟映射现实的基础。根据状态传感器和定位传感器获取实时的传感器数据以及相关AGV的电量、位置信息,基于实时通讯技术对AGV的真实运动过程、运动结果进行还原,所见即所得,摆脱了之前模拟表现不细腻,只能依靠结果数据做出推断的缺点。最终根据模拟AGV系统的数据表现结果,可以真实映射真正系统运行结果,从而帮助对可能出现的问题作出预测性推断以及对整个AGV系统进行设计优化。(The invention discloses an AGV (automatic guided vehicle) simulation system based on digital twins, and relates to the field of warehouse logistics simulation. And performing 1:1 real reduction on the whole AGV system to construct a virtual digital twin body, and laying a virtual mapping reality foundation for the AGV-oriented digital twin storage simulation system. The real-time sensor data and the electric quantity and the position information of the related AGV are acquired according to the state sensor and the positioning sensor, the real motion process and the motion result of the AGV are restored based on a real-time communication technology, and the real-time sensor data are obtained. Finally, according to the data expression result of the simulation AGV system, the real system operation result can be truly mapped, so that predictive inference on possible problems and design optimization on the whole AGV system are facilitated.)
技术领域
本发明涉及仓储物流仿真技术领域，具体为一种基于数字孪生的AGV小车仿真系统。
背景技术
数字孪生技术是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为；作为一种充分利用模型、数据、智能并集成多学科的技术，数字孪生面向产品生命周过程，发挥连接物理世界和信息世界的桥梁和纽带作用，提供更加实时、高效、智能的服务，为解决物理世界与信息世界的交互与共融提供有效的解决途径。
经过检索例如专利号为CN110320908B的专利公开了一种AGV实时仿真系统，包括AVG主控子系统、视觉导引子系统及仿真交互子系统；通过视觉导引子系统，拟合出小车本体的行驶轨迹计算出偏转角后，将偏转角传输至ACV主控子系统，由主控子系统的进行处理，获得小车本体实际行驶时的偏转角，作为第二偏转角，紧接着将小车本体实际行驶时的行驶速度和第二偏转角传输至仿真交互子系统。仿真交互子系统根据第二偏转角和小车本体实际的行驶速度，计算小车仿真模型在虚拟道路上，直行行驶时的行驶速度，和转弯行驶的小车中心的旋转角度和行驶速度，实现对小车本体实际行驶状态的仿真；通过实施本发明的实施例，用户可以通过仿真交互子系统监测到小车的行驶状态不用到作业现场，提高了便捷性。
再例如专利号为CN109062080A的专利公开了一种基于AGV的仿真控制方法，包括建立基于拓扑地图的AGV仿真测试轨迹规划路径，并计算获取所述规划路径上所有点坐标并存储；建立AGV底盘的运动模型，通过所述运动模型实时获取AGV的移动状态数据，并根据所述移动状态数据获取相应的AGV控制参考点状态数据；根据预瞄点长度计算获取所述规划路径上的参考点的角度调节量和速度调节量；将所述角度调节量和速度调节量输入所述运动模型以调整所述AGV仿真车辆的移动状态。通过针对虚拟车的轨迹模拟，使得对AGV的轨迹控制参数调试完全基于仿真实现，不受实车或嵌入式控制器的限制，调试方便快速，克服了在参数整定过程中的实车硬件故障干扰。
类似于上述申请仿真系统还存在以下几点不足：
第一，AGV任务执行的过程中存在观察不足的情况，控制效果不足，不便通过可视控制便捷的灵活调整；第二，AGV控制系统的开发成本高昂，开发周期缓慢，不利于快速的建造使用。
因此，不满足现有的需求，对此我们提出了一种基于数字孪生的AGV小车仿真系统。
发明内容
(一)技术问题
本发明的目的在于提供一种基于数字孪生的AGV小车仿真系统，以解决上述背景技术中提出的AGV任务执行的过程中存在观察不足的情况，控制效果不足，不便通过可视控制便捷的灵活调整；AGV控制系统的开发成本高昂，开发周期缓慢，不利于快速的建造使用的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于数字孪生的AGV小车仿真系统，包括与AGV真实物理实体向对应的虚拟数字孪生体，其中所述AGV包括用于获取AGV设备启停以及其他状态数据的状态传感器，以及用于获取AGV设备位置和角度等位置数据的定位传感器；
所述虚拟数字孪生体在AGV的仿真调试期间基于状态传感器和定位传感器获取的数据进行更新；
三维引擎，所述三维引擎基于所述数字孪生体进行初始化，并配置成基于AGV的数字孪生仿真系统；
通讯系统，所述通讯系统基于所述数孪生体进行参数更新，并实时保持握手同步操作；
AGV仿真数字孪生体，所述AGV仿真数字孪生体基于数字孪生体生成，并在AGV的仿真调试期间基于状态传感器和定位传感器获取的数据进行相应的更新。
优选的，所述数字孪生体基于所述AGV按照1:1的等比例构建而成，数字孪生体与AGV具有相同的集合结构、尺寸形状和材质表现。
优选的，所述AGV系统还包括：地面定位二维码和需求搬运的物料货架。
优选的，所述三维引擎基于FlexSim引擎构建。
优选的，所述通讯系统基于Modbus协议构建。
优选的，一种基于数字孪生的AGV小车仿真系统，包括如下步骤：
1)、构建与AGV小车系统相对应的数字孪生体，通过将数字孪生体导入三维引擎中完成面向AGV小车的数字孪生仿真系统的初始化；
2)、获取AGV小车的实时数据并通过通讯系统上传握手激活仿真系统中的数字孪生体；
3)、获取所述状态传感器和定位传感器采集到的数据，对数字孪生体进行更新；
4)、在仿真系统中输入搬运目标货架的位置坐标A、搬运目的地的位置B，由仿真引擎通过A*算法计算出AGV小车的行走路径P；小车的初始点为O，即路径P为O点至A点再到B点的路径；
5)、将计算好的路径P根据转向次数切割成P1.P2.P3…Pn；并在路径任务中插入A点的装载任务L1，B点的卸载任务L2，即路径P的切割数组为[P1.P2.P3.L1…Pn.L2]；
6)、将任务P1通过通讯系统发送至真实的AGV小车中，指引小车执行任务，小车接受到信号后通过通讯系统回传握手成功信号；
7)、真实小车执行任务，并通过实时通讯更新小车状态参数及位置参数。同步至数字孪生系统中进行相同操作；
8)、真实小车执行完成接受到的任务后，通过通讯系统发送任务完成信号至仿真端，此时仿真端的数字孪生体也更新完成了虚拟端的任务，完成握手同步；
9)、仿真端将下一步任务P2发送至真实的AGV小车中，重复S6～S8；
10)、如果执行完最后一个任务L2，表示当前一组任务执行完成，真实AGV小车与虚拟数字孪生实体在整个执行过程中任务都是同步执行的；
11)、通过获得AGV小车的数字孪生，可以针对多AGV小车的路径协同做出运筹优化以及对系统的整体搬运效率优化设计。
优选的，步骤3)具体的包括：
基于动态获取的小车位置信息，通过通讯系统实时同步仿真系统中小车的坐标位置，移动方向，目标位置。
基于动态获取的小车状态信息，通过通讯系统实时同步仿真系统中小车的当前速度，加速度，偏转角度，实时电量。
优选的，步骤11)中所述的优化设计为根据系统中小车的任务路径，利用运筹学方法进行多目标路径算法优化，减少整体AGV小车系统的路径距离。
(三)有益效果
本发明提供了一种基于数字孪生的AGV小车仿真系统，其优点如下：
1.本发明通过AGV系统仿真与真实AGV硬件通讯实现了AGV系统的数字孪生功能，实现了AGV任务执行的全程可视化与实际控制，大大便利了实际中AGV作业的实际控制。
2.本发明大大降低了AGV控制系统的开发成本和开发周期，由于是模块化功能，所以可复制性及灵活性也相对较高。
3.本发明对AGV系统的设计提供经验，有助于形成该运作方式设计的标准化。
附图说明
图1为该数字孪生系统的运行逻辑；
图2为数字孪生系统中通讯系统的运行逻辑；
具体实施方式
请参阅图1至图2，本发明提供的一种实施例：一种基于数字孪生的AGV小车仿真系统，包括与AGV真实物理实体向对应的虚拟数字孪生体，其中AGV包括用于获取AGV设备启停以及其他状态数据的状态传感器，以及用于获取AGV设备位置和角度等位置数据的定位传感器；虚拟数字孪生体在AGV的仿真调试期间基于状态传感器和定位传感器获取的数据进行更新；三维引擎，三维引擎基于数字孪生体进行初始化，并配置成基于AGV的数字孪生仿真系统；通讯系统，通讯系统基于数孪生体进行参数更新，并实时保持握手同步操作；AGV仿真数字孪生体，AGV仿真数字孪生体基于数字孪生体生成，并在AGV的仿真调试期间基于状态传感器和定位传感器获取的数据进行相应的更新。
其中，数字孪生体基于AGV按照1:1的等比例构建而成，数字孪生体与AGV具有相同的集合结构、尺寸形状和材质表现。
其中，AGV系统还包括：地面定位二维码和需求搬运的物料货架等。
其中，三维引擎基于FlexSim引擎构建，FlexSim是一个基于Windows的，面向对象的仿真环境，用于建立离散事件流程过程。
其中，通讯系统基于Modbus协议构建，Modbus是一种串行通信协议。
其中，一种基于数字孪生的AGV小车仿真系统，包括如下步骤：
1)、构建与AGV小车系统相对应的数字孪生体，通过将数字孪生体导入三维引擎中完成面向AGV小车的数字孪生仿真系统的初始化；
2)、获取AGV小车的实时数据并通过通讯系统上传握手激活仿真系统中的数字孪生体；
3)、获取状态传感器和定位传感器采集到的数据，对数字孪生体进行更新；具体的包括：
基于动态获取的小车位置信息，通过通讯系统实时同步仿真系统中小车的坐标位置，移动方向，目标位置；
基于动态获取的小车状态信息，通过通讯系统实时同步仿真系统中小车的当前速度，加速度，偏转角度，实时电量；
4)、在仿真系统中输入搬运目标货架的位置坐标A、搬运目的地的位置B，由仿真引擎通过A*算法计算出AGV小车的行走路径P；小车的初始点为O，即路径P为O点至A点再到B点的路径；
5)、将计算好的路径P根据转向次数切割成P1.P2.P3…Pn；并在路径任务中插入A点的装载任务L1，B点的卸载任务L2，即路径P的切割数组为[P1.P2.P3.L1…Pn.L2]；
6)、将任务P1通过通讯系统发送至真实的AGV小车中，指引小车执行任务，小车接受到信号后通过通讯系统回传握手成功信号；
7)、真实小车执行任务，并通过实时通讯更新小车状态参数及位置参数。同步至数字孪生系统中进行相同操作；
8)、真实小车执行完成接受到的任务后，通过通讯系统发送任务完成信号至仿真端，此时仿真端的数字孪生体也更新完成了虚拟端的任务，完成握手同步；
9)、仿真端将下一步任务P2发送至真实的AGV小车中，重复S6～S8；
10)、如果执行完最后一个任务L2，表示当前一组任务执行完成，真实AGV小车与虚拟数字孪生实体在整个执行过程中任务都是同步执行的；
11)、通过获得AGV小车的数字孪生，可以针对多AGV小车的路径协同做出运筹优化以及对系统的整体搬运效率优化设计，为根据系统中小车的任务路径，利用运筹学方法进行多目标路径算法优化，减少整体AGV小车系统的路径距离。
数字孪生最为重要的启发意义在于，它实现了现实物理系统向虚拟空间数字化模型的反馈，这是一次工业领域中，逆向思维的壮举，人们试图将物理世界发生的一切，塞回到数字空间中，只有带有回路反馈的全生命跟踪，才是真正的全生命周期概念。这样，就可以真正在全生命周期范围内，保证数字与物理世界的协调一致。各种基于数字化模型进行的各类仿真、分析、数据积累、挖掘，甚至人工智能的应用，都能确保它与现实物理系统的适用性，这就是数组孪生对智慧物流的意义所在。
工作原理：构建与AGV小车系统相对应的数字孪生体，通过将数字孪生体导入三维引擎中完成面向AGV小车的数字孪生仿真系统的初始化；获取AGV小车的实时数据并通过通讯系统上传握手激活仿真系统中的数字孪生体；获取状态传感器和定位传感器采集到的数据，对数字孪生体进行更新；在仿真系统中输入搬运目标货架的位置坐标A、搬运目的地的位置B，由仿真引擎通过A*算法计算出AGV小车的行走路径P；小车的初始点为O，即路径P为O点至A点再到B点的路径；将计算好的路径P根据转向次数切割成P1.P2.P3…Pn；并在路径任务中插入A点的装载任务L1，B点的卸载任务L2，即路径P的切割数组为[P1.P2.P3.L1…Pn.L2]；将任务P1通过通讯系统发送至真实的AGV小车中，指引小车执行任务，小车接受到信号后通过通讯系统回传握手成功信号；真实小车执行任务，并通过实时通讯更新小车状态参数及位置参数。同步至数字孪生系统中进行相同操作；真实小车执行完成接受到的任务后，通过通讯系统发送任务完成信号至仿真端，此时仿真端的数字孪生体也更新完成了虚拟端的任务，完成握手同步；仿真端将下一步任务P2发送至真实的AGV小车中，重复S6～S8；如果执行完最后一个任务L2，表示当前一组任务执行完成，真实AGV小车与虚拟数字孪生实体在整个执行过程中任务都是同步执行的；通过获得AGV小车的数字孪生，可以针对多AGV小车的路径协同做出运筹优化以及对系统的整体搬运效率优化设计。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
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