一种基于数字孪生的舱段对接装配过程监控系统及方法与流程

本发明属于航天器装配，尤其涉及一种基于数字孪生的舱段对接装配过程监控系统及方法。

背景技术：

1、舱段类航天器一般具有较大的尺寸，因此对其常采用“部装—总装”的生产制造模式。其中，总装阶段主要完成各舱段之间的对接，属于高精度装配，是航天器制造的核心关键工艺环节之一，其技术水平体现着航天器整体制造技术水平的高低。

2、目前，国内外在舱段类航天器的对接装配方面开展了较为深入的研究，使用自动化对接系统替代传统人工调整，能更高效地完成舱段的对接任务，使舱段的对接质量明显提升同时降低工作人员的劳动强度。然而，现有的系统缺乏对对接装配过程的有效监测，无法实现系统闭环。为此，需要围绕舱段对接装配阶段，研究构建对应的数字孪生模型，通过采集的多源异构数据准确、高效地与舱段及系统进行关联融合。在此基础上，进一步研究如何基于数字孪生实现对舱段状态、设备运行参数、工艺信息等的有效监测，实现数字孪生系统对装配过程的模拟、预测、监控。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于数字孪生的舱段对接装配过程监控方法及系统，用于为舱段的对接装配过程建立数字孪生模型并监测对接过程。

2、一种基于数字孪生的舱段对接装配过程监控系统，其特征在于，包括：

3、系统多维建模模块，用于对舱段对接装配系统进行多角度建模形成其数字孪生模型；

4、装配轨迹仿真与评价模块，用于在离线状态下对舱段的装配轨迹进行仿真计算，并对仿真结果进行评价；

5、装配过程监控与预测模块，用于在实际对接装配过程中对系统的各类信息进行实时监控，并对异常情况及时预警；

6、数据可视化与管理模块，用于在整个数字孪生系统中将数据建模模块的全部信息进行有效的可视化展示，并完成数据存储和管理。

7、所述系统多维建模模块包括：

8、几何建模模块，用于创建舱段对接装配系统设备的硬件资源便于显示；

9、数据建模模块，用于对整个舱段对接装配系统包含及产生的静态、动态信息进行处理、融合与管理；

10、功能建模模块，用于建立数字孪生系统具备的动态逻辑模型。

11、其特征在于所述装配轨迹仿真与评价模块包括：

12、舱段轨迹仿真模块，用于设定舱段的起始位姿和目标位姿后，仿真得到舱段的对接装配轨迹；

13、轨迹仿真评价模块，用于对仿真得到的轨迹数据进行评估，反馈给用户评价结果并给出优化方向。

14、其特征在于所述装配过程监测与预警模块包括：

15、装配过程监控模块，用于监控对接装配过程中舱段的位姿和受力、系统当前工艺流程、装配状态等；

16、装配状态预测及预警模块，用于在监控当前系统装配状态的基础上，对未来一定时间范围内的状态进行预测，并对异常状态提出预警。

17、其特征在于所述数据可视化与管理模块包括：

18、数据可视化模块，用于将系统接收的各类数据信息转换为图表等形式，供用户查看；

19、数据管理模块，用于将离线仿真、实时监测产生的所有数据信息有序地存储、管理，进行结果统计。

20、一种基于数字孪生的舱段对接装配过程监控方法，利用权利要求1所述的一种基于数字孪生的舱段对接装配过程监控系统进行实施，其特征在于，包括下列步骤：

21、步骤一、对舱段对接工艺系统进行分析，从多个维度构建对接工艺系统的数字孪生模型；

22、步骤二、基于所述对接系统的数字孪生模型，进行舱段对接装配的离线轨迹仿真预测与分析；

23、步骤三、基于所述对接系统的数字孪生模型，进行实际对接装配过程中的在线监测与控制；

24、步骤四、基于所述对接系统的数字孪生模型，实现数据可视化及数据的存储与管理。

25、所述步骤一中多维构建对接系统数字孪生模型，具体包括：

26、几何建模，根据舱段工艺信息、对接系统零部件工艺信息等，搭建系统的cad虚拟模型；将对接系统的物理几何信息与虚拟模型进行关联对应，创建舱段对接装配系统设备的硬件虚拟资源；

27、信息建模，获取对接系统工艺过程产生的多源异构数据，对数据信息进行划分和统一表达，对整个舱段对接装配系统包含及产生的静态、动态信息进行格式化处理、融合与管理；

28、功能建模，对于舱段对接装配过程数字孪生系统涉及的行为程序、算法程序等封装为功能块，将功能块载入数字孪生系统中。

29、所述步骤二基于数字孪生模型进行离线轨迹仿真预测与分析中，具体包括：

30、舱段轨迹仿真，将之前舱段对接装配的历史轨迹数据收集整理，作为历史数据集，建立筒段执行误差的预测模型，用历史数据集做训练；在舱段待对接的离线状态下，指定舱段应调整的理论位移，通过模型对实际执行位移作预测；

31、轨迹仿真评价，基于轨迹仿真的结果，作差得到对接系统的执行误差；依据设定的对接精度判据，判定仿真结果的误差水平；不满足精度要求的较大误差作为补偿值反馈给用户。

32、所述步骤三基于数字孪生模型进行在线监测与控制中，具体包括：

33、装配过程监测，在舱段实际对接过程中，基于测量采集设备，对运行数据、传感器数据等进行实时监测，从几何量、物理量多角度实时感知舱段的对接状态；

34、装配状态预测及控制，基于实测数据的基础上，对舱段接下来的对接状态进行位姿、受力等预测，依据设定的异常状态判据，在预测状态异常时，及时向用户预警；同时基于异常状态更新控制策略，调整舱段对接状态。

35、所述步骤四基于数字孪生模型进行数据可视化、存储与管理中，具体为：

36、数据可视化，基于实测数据和数字孪生几何模型，依据信息与数字模型的关联关系，配置各要素对应的实时数据与状态，驱动更新数字模型；

37、数据管理，基于数字孪生信息模型，处理及封装实测数据信息，采用xml格式进行封装和表达，并建立多类数据库，按需存放数据信息。

38、本发明的有益之处在于：

39、本发明所设计的基于数字孪生的面向舱段对接装配的监控系统原型，支持用户根据现场物理系统实际情况，在软件中对舱段装配系统进行多维建模，并基于此进行舱段对接装配的仿真、评估、实时监控和预警功能。本发明为操作人员提供指导，有效提高了舱段装配质量和过程监控的效率。

技术特征：

1.一种基于数字孪生的舱段对接装配过程监控系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的舱段对接装配过程监控系统，其特征在于，所述系统多维建模模块包括：

3.根据权利要求1或2所述的一种基于数字孪生的舱段对接装配过程监控系统，其特征在于所述装配轨迹仿真与评价模块包括：

4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于数字孪生的舱段对接装配过程监控系统，其特征在于所述装配过程监测与预警模块包括：

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种基于数字孪生的舱段对接装配过程监控系统，其特征在于所述数据可视化与管理模块包括：

6.一种基于数字孪生的舱段对接装配过程监控方法，利用权利要求1所述的一种基于数字孪生的舱段对接装配过程监控系统进行实施，其特征在于，包括下列步骤：

7.根据权利要求6所述的基于数字孪生的舱段对接装配过程监控方法，其特征在于：所述步骤一中多维构建对接系统数字孪生模型，具体包括：

8.根据权利要求6或7所述的基于数字孪生的舱段对接装配过程监控方法，其特征在于：所述步骤二基于数字孪生模型进行离线轨迹仿真预测与分析中，具体包括：

9.根据权利要求6或8所述的基于数字孪生的舱段对接装配过程监控方法，其特征在于：所述步骤三基于数字孪生模型进行在线监测与控制中，具体包括：

10.根据权利要求6或9所述的基于数字孪生的舱段对接装配过程监控方法，其特征在于：所述步骤四基于数字孪生模型进行数据可视化、存储与管理中，具体为：

技术总结
本发明是一种基于数字孪生的舱段对接装配过程监控系统及方法，其特征在于，包括：系统多维建模模块，用于对舱段对接装配系统进行多角度建模形成其数字孪生模型；装配轨迹仿真与评价模块，用于在离线状态下对舱段的装配轨迹进行仿真计算，并对仿真结果进行评价；装配过程监控与预测模块，用于在实际对接装配过程中对系统的各类信息进行实时监控，并对异常情况及时预警；数据可视化与管理模块，用于在整个数字孪生系统中将数据建模模块的全部信息进行有效的可视化展示，并完成数据存储和管理。本发明为操作人员提供指导，有效提高了舱段装配质量和过程监控的效率。

技术研发人员：张洁茹,李适
受保护的技术使用者：北京新风航天装备有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1