基于数字孪生的二维球台教学辅助系统

基于数字孪生的二维球台教学辅助系统

西南民族大学大学生创新创业训练计划项目（项目编号X202310656255）资助

郭涛 艾塞提·卡合尔 彭湘宁 刘皓 杨文昌 谢辉

西南民族大学 四川成都 610000

摘要:基于数字孪生技术与传统教学实验装置结合的自动控制系统平台。通过API接口和网关实现了服务器对传感器的数据传输，以此实现虚拟体与实物数据的同步交互。采用双闭环串级PID控制算法，以提高系统性能和稳定性。同步实时观测到数据传输,实现人机交互。

关键词:数字孪生；实验装置；双闭环PID控制算法；同步交互；

引言：

随着国家“新工科”建设的战略行动不断深入，数字孪生技术作为一项关键的数字化转型共性技术备受关注。为了契合这一战略目标，本项目旨在基于数字孪生技术研发一套具有辅助教学功能的二自由度球台控制系统。该系统将允许学生通过实体映射在数字世界的虚拟体来实时了解小球的状态，并通过人机交互实现对小球位置、轨迹方向和速度等功能的实时控制。

该项目将搭建一个基于数字孪生的教学系统，包括设备层、采集层、边缘层、接口层、数据传输层和软件服务层。该系统可应用于日常课堂教学，使用者可在多设备上通过查看物理实体精准映射在数字世界的虚拟体，清晰明了地了解其工作状态与各项数据，并由交互指令反馈至设备层控制物理设备，从而进行精准的人机交互。其中，包括对设备进行故障管理、智能统计分析、生命周期管理等功能的实现。

国内外研究现状：

1.1数字孪生辅助教学系统开发的相关研究

随着近年来世界向着数字化的方向发展，数字孪生与智慧运维技术将反哺传统制造业大趋势[1]。国家发改委发布的《关于推进“上云用数赋智”行动，培育新经济发展实施方案》提出了数字孪生技术在企业数字化转型中的重要性。数字孪生首要是建立虚拟模型 [2]，并通过通讯技术，将虚拟世界和物理世界状态同步。这样可以实现实时数据分析以及系统控制 [3]从而达到对物理模型的监测与控制的效果，还可以通 过仿真模拟对实物运行效果作预测 [4]结合物联网，数字孪生技术产生的大量数据被物联网云平台管理，并提供API接口供服务器应用。故然这种将数字孪生技术与传统教学实验装置相结合的 想法，不仅能够展示新的技术，又能够传授传统的工程思想 [5]。

1.2球台系统的运动控制算法的相关研究

在球台系统的运动控制算法研究中，传统的PID控制算法在启动、结束或大幅度增减设定值时容易引起系统较大的超调，虽然微分的引入可改善系统的动态特性，但却容易引进高频干扰 [6]。通过前期调查串级双环 PID 相较于传统 PID，它拥有响应迅速、稳定性高等优点 [7]，因此我们考虑采用双闭环串级PID算法对舵机进行控制，该算法的基本思路是当被控量与设定值偏差较大时，取消积分作用，当被控量接近给定值时，引入积分控制，以消除静差，提高精度；引入不完全微分，以消除动差，提高精度[8]。

1.3球体运动控制视觉定位的相关研究

在球体运动控制视觉定位的研究中，几何图形的识别是模式识别系统中最基本和最重要的任务之一 [9]。本项目以二维球-面运动平台为研究对象,主要探讨解决机器视觉追踪定位功能上的问题。包括针对动态场景小球的拖影问题，如何对图像帧进行采样处理或基于卷积神经网络对图像进行去模糊操作，以及通过坐标变换来获取小球在平板上的位置信息。

研究目标：

本研究具体目标是设计与开发一套基于物联网技术的数字孪生的二维球台教学系统，主要开展球台教学、物联网与数据传输、基于数字孪生技术的智慧运维系统等方面的研究。

在物联网层，将采集到的多项数据传输至物联网云平台。实现实物和虚拟体的精准连接和同步交互并在在网页端显示小球轨迹图和物理知识反馈，增加实验的趣味性和教育意义。在设备层，将连接并搭建一套半实物仿真系统，以降低研发成本，提高系统测试效率。在应用层，形成可视化的球台系统的模型，数据库存储有数据，并且通过多个设备终端的图标、图表来显示数据与工作状态。

研究内容 ：

考虑到本实验需要稳定与灵活的平台底座与传动装置，采用SOLDWORKS软件搭建基本机械结构以及利用 ADAMS 软件对结构进行仿真模拟，以确定系统的机械结构所需的材料和舵机型号。

项目开发流程包括：设备方面设计和搭建球台控制系统的机械结构，软件方面编写控制算法并实现串级双闭环 PID 控制，物联网方面用立创制作硬件部分，通过板载物联网操作系统，利用联网功能，使用通信协议，接入物联网云平台。物联网云平台便于用户通过网页使用数字孪生辅助教学系统。最后开发数据传输模块将实时跟踪小球位置数据上传至上位机和数字孪生体，以及在网页端显示小球轨迹图和物理知识反馈等。

采用三维图像图形软件制作相应的数字孪生虚拟体，制作球台控制系统的数字孪生虚拟体。通过数字孪生技术，将实物与虚拟体进行精准连接和同步交互，实现实时数据传输和可视化展示，以增加实验的趣味性和教育意义。

技术路线：

4.1 球台系统机械化结构设计与控制的研究：

设计嵌入式控制模块，板球系统的设计使用串级双闭环 pid 控制算法，区别于传统单闭环 pid，串级双闭环 PID 相比与普通的单闭环 PID 超调量更小、上升时间更短并且误差更小，更适用制作的实物模型，建立系统数学分析模型，分析控制器的阶跃响应。球台系统的机械结构设计，有两个数字舵机分别对 X、Y 轴两个方向进行控制，通过控制平板的倾斜角度使小球达到预设位置。实现舵机与平板之间的连接，使舵机旋转的角度转化为平板的倾斜程度。用支架固定摄像头并将摄像头置于板球系统平板的中间正上方，

4.2 物联网云平台的研究：

设备层通过RS485接口发送或接收数据，经Zigbee节点和网关上传至物联网云平台并在其上进行数据的储存管理，并显示到应用层的服务器。用户可以通过控制显示出来的模型，将数据向下传输至设备层的控制器，从而改变实物的运动状态，达到人机交互的效果。根据半实物仿真系统进行物联网采集系统的传感器选型，确保传感器接口与输网之间能进行通信。

结语：

在本次研究中，通过对物联网采集系统传感器选型、硬件设计、软件开发以及数字孪生辅助教学系统的开发等方面展开讨论，我们深刻理解了这些技术对于实物模型数据采集、沉浸式体验和系统运行状态监测的重要意义。这些技术的应用为教育和工程领域带来了前所未有的便利和创新，为人机交互提供了全新的可能性。通过不断的研究和实践，我们相信物联网和数字孪生技术将在未来发挥更加重要的作用，推动教育和工程领域迈向新的发展高度。我们期待着进一步的探索和应用，以期将这些技术发展得更加成熟和完善，为社会进步和人类福祉作出更大的贡献。

参考文献:

[1] 杨林瑶,陈思远,王晓,张俊,王成红.数字孪生与平行系统:发展现状、对比及展望[J].自动化学报,2019,45(11):2001-2031.

[2] 王 巍 , 刘 永 生 , 廖 军 , 蔡 一 欣 . 数 字 孪 生 关 键 技 术 及 体 系 架 构 [J]. 邮 电 设 计 技术,2021(08):10-14.

[3] 王译晨.面向制造单元的数字孪生体建模与管控技术研究[D].北京交大学,2020.

[4] 郭 亮 , 张 煜 . 数 字 孪生在制造中的应用进展综述 [J]. 机 械 科 学 与 技术,2020,39(4):590-598.

[5] 张天瀛,姬杭. 数字孪生综述[C]//2019 中国系统仿真与虚拟现实技术高层论坛论文集,2019:77-82.

[6] 许聪，陈思遥，杨梦雅，彭治强，韦朴. 基于机器视觉的串级 PID 板球系统. 信息与电脑，2021(15).

[7] 李玉衡，徐夏怡，宫瑶等.基于串级 PID 和复合滤波算法板球控制系统设计 [J]. 软件 ,2020,41(2).

[8] 佟远，张莎. 基于 PID 双闭环的旋转倒立摆控制系统.测控技术， 2016,35(08).

[9] 陈令刚. 圆形目标识别方法研究[D].安徽理工大学,2018.李越.OpenCV 应用