一种基于数据驱动的普洱茶生产原料运动仿真方法与流程

1.本发明涉及普洱茶智能制造技术领域，具体涉及一种基于数据驱动的普洱茶生产原料运动仿真方法。


背景技术：

2.计算机图形学拥有丰厚的科学理论基础，伴随着计算机动画使用技术的快速更新，计算机动画成为了计算机图形学科研领域的重要分支，与建模、渲染技术合称为计算机图形学中并驾前行的三驾马车。在计算机动画中，仿真模拟自然界中的运动物体需要考虑许多因素，其中最重要的是找到准确描述物体在自然界运动的物理定律。而计算机动画基于物理定律仿真模拟的客观物体运动的优势在于其可以正确反映现实世界物体运动的规律，并能够达到使用者对真实感方面的需求。
3.目前基于物理流体动画的研究，主要集中于单一的流体模拟，比如标准条件下的空气、水、火焰、烟雾，但与此形成鲜明对比的是，在工业生产过程中，存在多种多样的流体需要模拟计算，不再局限于单一的流体模拟，也就是说，普遍存在的是多样化的流体模拟需求，而单一的流体模拟只是满足一定条件下的特殊存在。
4.普洱茶柔性智能制造产线是复杂的生产系统，在数字孪生仿真中，有多样化的流体模拟需求，但是现在还未有多样化的流体模拟，特别基于流体仿真的普洱茶生产原料运动仿真，现有普洱茶产线的仿真还是采用传统的仿真方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于数据驱动的普洱茶生产原料运动仿真方法，把条索状的原料茶叶片当作粒子，将模拟流体看成由若干粒子单元组成的整体；通过纳维斯托克斯方程来得到每个粒子受到的外力以及粒子之间的相互作用力，使用时间积分来计算粒子位置的变化量，从而描述出流体在该时间段内的运动轨迹。
6.本发明是通过如下步骤来实现的：
7.本发明一种基于数据驱动的普洱茶生产原料运动仿真方法，包括如下步骤：
8.步骤一：获取普洱茶产线加工过程数据；
9.步骤二：把条索状的原料茶叶片作为粒子；初始化粒子属性；
10.步骤三：计算茶叶粒子的密度，并进行粒子范围划分、确定边界层粒子和更新边界层粒子；
11.步骤四：计算粒子压力和粘滞力；
12.步骤五：根据计算的压力和粘滞力，得到粒子加速度；
13.步骤六：根据计算的粒子加速度，计算粒子位置和速度；对粒子表面进行构建，并进行渲染；
14.步骤七：返回步骤三，迭代计算，得到模拟流体粒子运动效果，即普洱茶生产原料运动仿真。
15.作为优选，所述步骤一具体包括：通过车间plc网络获取客户订单、生产计划、生产批次、产线传送设备参数，以及驱动设备运行的电机状态数据、设定频率数据和模拟量数值。
16.作为优选，所述步骤二中，初始化粒子属性包括流体粒子初始化和模拟流体属性确定；所述流体粒子初始化的计算参数包括流体初始密度、流体模拟粒子数、边界粒子数、粒子影响半径r；所述模拟流体属性包括属性因子m的值和密度光滑核函数。
17.作为优选，所述步骤三中，计算茶叶粒子的密度的公式，如下：
[0018][0019]
其中，h为核半径，为半径内的j位置的粒子与圆心的距离，m为决定流体的属性因子，k为粒子间距离倍数。
[0020]
作为优选：根据如下公式进行粒子范围划分：
[0021][0022]
其中，δ表示边界层厚度，边界层厚度是指壁面到流速与粒子流速v
∞
相差小于1％的流体层厚度，表示运动粘度，v
∞
表示粒子流速，l表示边界层在x轴方向的特性长度，运动粘度的公式如下所示：
[0023][0024]
其中μ表示流体的动力粘度，ρ表示粒子密度。
[0025]
作为优选：根据以下公式求解待更新粒子密度，并更新边界层粒子：
[0026][0027]
其中，ρ
outer
表示流体表面边界层中的粒子关于位置和时间t的波强度的一个测量，为振幅，振幅的计算公式如下所示：
[0028][0029]
其中，γ是表面张力，是波数，ρ0是待更新粒子密度。
[0030]
作为优选：所述步骤四：根据spiky光滑核函数公式，计算粒子的压力
[0031]
其中，w
spiky
(k,h)是spiky光滑核函数，mj是粒子质量，pj是粒子密度；spiky光滑核函数的公式如下：
[0032][0033]
其中，h表示spiky光滑核函数影响区域的半径，r表示粒子半径。
[0034]
作为优选：所述步骤四：根据viscosity光滑核函数公式，计算粒子的粘滞力
[0035]
其中，w
viscosity
(r,h)是viscosity光滑核函数，mj是粒子质量，pj是粒子密度，μ是粒子的粘滞度系数，是粒子的相对速度；viscosity光滑核函数的公式如下：
[0036][0037]
其中，h表示viscosity光滑核函数影响区域的半径，r表示粒子半径。
[0038]
作为优选：所述步骤五：粒子总受力除以粒子密度，得到粒子的加速度，其中f
pressure
为压力，f
viscosity
为粘滞力，f
external
为外力，一般为重力。
[0039]
作为优选：所述步骤六：根据步骤五中求到的粒子加速度，计算出下一时间段中粒子的速度和所在位置，同时使用marching cubes算法对粒子表面进行构建，并进行渲染。
[0040]
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
[0041]
1、本发明区别于现有普洱茶产线的仿真，实现普洱茶生产原料运动仿真，把条索状的原料茶叶片当作粒子，采用拉格朗日粒子法对普洱茶生产过程中，对茶原料在产线输送设备上的运动形态进行流体仿真。
[0042]
2、本发明满足多样化的流体模拟需求，不再局限于单一的流体模拟。
[0043]
3、本发明是流体仿真技术应用在水、火、气物体仿真之外，在固态物体领域仿真的技术尝试及创新。
[0044]
4、本发明能支撑普洱茶生产过程中茶原料机械转动、振动式转动和皮带式传动的数字孪生仿真需求。
[0045]
5、本发明适用于普洱茶柔性智能制造产线数字孪生智能制造。
附图说明
[0046]
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
[0047]
图1为本发明一种基于数据驱动的普洱茶生产原料运动仿真方法的实施流程图。
[0048]
图2本发明的实施效果图。
具体实施方式
[0049]
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0050]
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
[0051]
下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
[0052]
如图1所示，本发明公开了一种基于数据驱动的普洱茶生产原料运动仿真方法，包括：获取产线加工过程数据、流体粒子初始化、确定模拟的流体属性、计算粒子的密度、粒子范围划分、确定边界层粒子、更新边界层粒子、计算粒子压强、计算粒子粘滞力、计算粒子加速度、计算粒子位置和速度。其中：
[0053]
步骤1：获取产线加工过程数据，通过车间plc网络获取客户订单、生产计划、生产批次、产线传送设备参数及驱动设备运行的电机状态数据、设定频率数据、模拟量数值(如：电机转速、皮带振幅)；
[0054]
步骤2：进行流体粒子初始化，优选的计算参数包括流体初始密度为25kg/m3，流体模拟粒子数为6500个，边界粒子数为430个，粒子影响半径
[0055]
步骤3：确定模拟的流体属性，选择属性因子m的值和密度光滑核函数；
[0056]
步骤4：计算粒子的密度，公式如下：
[0057][0058]
式中为核半径，为半径内的j位置的粒子与圆心的距离，m为决定流体的属性因子，为粒子间距离倍数；
[0059]
步骤5:根据如下公式进行粒子范围划分；
[0060][0061]
该公式表示布拉修斯对平板层流边界层求得的精确解，其中表示运动粘度v
∞
表示的是粒子流速，δ表示的是边界层厚度，边界层厚度指的就是壁面到流速与粒子流速v
∞
相差不到1％的流体层厚度，的具体表述如下公式所示：
[0062][0063]
其中μ表示流体的动力粘度(粘性的度量，也称粘性系数)，ρ表示粒子密度。
[0064]
步骤6:根据公式求解待更新粒子密度，并更新边界层粒子；
[0065][0066]
其中，ρ
outer
表示流体表面边界层中的粒子关于位置和时间t的波强度的一个测量，为振幅，具体描述为公式如下所示：
[0067][0068]
其中，γ是表面张力，是波数，ρ0是粒子密度。
[0069]
步骤7：根据spiky光滑核函数公式，计算粒子的压力f
pressure
；spiky光滑核函数如下：
[0070][0071]
其中，h表示光滑核函数影响区域的半径，r表示粒子半径。
[0072]
步骤8：根据viscosity光滑核函数公式，计算粒子的粘滞力f
viscosity
；viscosity光滑核函数如下：
[0073][0074]
步骤9：累加压力f
pressure
、粘滞力f
viscosity
和外力f
external
得到粒子总受力，除以粒子密度，可以得到粒子的加速度；粒子总受力：
[0075][0076]
步骤10：根据步骤9中求到的粒子加速度，计算出下一时间段中粒子的速度和所在位置，同时使用marching cubes算法对粒子表面进行构建，并进行渲染；
[0077]
步骤11：计算出粒子的速度和所在位置，更新粒子的速度和位置；并判断是否超出预设的模拟时间，若超出预设的模拟时间，结束；若没有超出预设的模拟时间，返回步骤4，迭代计算，得到模拟流体粒子运动效果。
[0078]
如图2所示，采用本发明基于数据驱动的普洱茶生产原料运动仿真方法，可以更加真实反映普洱茶生产原料运动，仿真效果很好。
[0079]
以上所述实施例仅表达了本技术的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。