一种物料仓位通道及输运体时空耦合的数字孪生建模方法与流程

本发明涉及智能物流控制，更具体地说，本发明涉及一种物料仓位通道及输运体时空耦合的数字孪生建模方法。

背景技术：

1、现有的agv/amr数字孪生技术通常通过采集输运体的运动状态、负载信息及结构响应，建立动力学模型并同步更新数字孪生体，以反映输运体在不同负载和运行状态下的动态变化。

2、例如，公开号为cn122284594a的发明申请了一种融合动态建模的agv/amr数字孪生运维系统，通过视觉语义解析获取货物质量、质心及结构形变等物理属性，并结合多体动力学求解动力学响应，驱动数字孪生体进行姿态和几何形变更新，同时对质量、阻尼等模型参数进行在线辨识和修正。

3、然而，上述现有技术在受限仓位及狭窄通道内输运易形变物料时，存在以下技术问题：

4、1.输运体在加速、减速或转向时，物料受惯性作用会发生动态形变与位置偏移；现有的数字孪生技术通常依赖传感器数据的滞后更新，难以准确反映物料随输运状态实时变化的物理包络边界，导致模型中的几何形态与实际空间占用情况存在偏差。

5、2.在狭窄通道内，物料的形变会导致实际可用空间间隙不断变化，现有模型通常仅能提供被动的状态监测或碰撞预警，难以将这种动态变化的空间干涉风险，转化为执行系统可直接利用的空间约束条件，这导致输运体在通过狭窄空间时难以准确判断安全裕度，容易出现频繁停机或碰撞干涉，影响输运作业的连续性与安全性。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种物料仓位通道及输运体时空耦合的数字孪生建模方法，通过建立形变灵敏度生成包络边界、将间隙转化为碰撞代价并剥离阻尼耗散能闭环更新模型，以解决物料动态边界表征准确性不足、空间干涉难以转化为约束以及参数更新失真的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种物料仓位通道及输运体时空耦合的数字孪生建模方法，包括以下步骤：

4、基于仓位与通道几何数据建立环境边界，结合输运体运动轨迹及能耗辨识物料质量，构建包括环境边界与物料质量的数字孪生模型；

5、依据物料质量计算物料形变及其对输运体加速度的形变灵敏度，修正所述模型中物料初始几何的超二次曲面参数，得到以加速度为变量的包络边界；

6、沿包络边界与环境边界间隙法向，利用形变灵敏度将所述间隙映射为代数约束，并经非负映射与曲面积分构建关于加速度的连续碰撞代价函数，结合所述模型求解输运体控制律；

7、提取执行控制律时的结构阻尼耗散能，修正当前能耗并重新辨识物料质量后，更新数字孪生模型。

8、在一个优选的实施方式中，所述得到以加速度为变量的包络边界，包括：

9、以超二次曲面参数中初始空间位姿矩阵与尺度参数为基准值，并基于形变灵敏度进行关于加速度的一阶泰勒展开，得到齐次变换矩阵修正量与尺度修正量；利用齐次变换矩阵修正量与尺度修正量，分别修正初始空间位姿矩阵与尺度参数，并代入预设超二次曲面方程，生成以加速度为变量的超二次曲面表达式，作为所述包络边界。

10、在一个优选的实施方式中，所述利用形变灵敏度将所述间隙映射为代数约束，包括：计算包络边界与环境边界的最短间隙，并提取沿最短间隙方向指向环境边界的单位法向量；将所述形变灵敏度与输运体加速度相乘得到形变位移增量，将所述形变位移增量投影至所述单位法向量，得到法向侵入量；基于所述法向侵入量、最短间隙及预设安全裕度，建立所述代数约束。

11、在一个优选的实施方式中，所述结合所述模型求解输运体控制律，包括：将输运体当前位姿、速度向量及所述物料形变拼接为增广状态向量；基于数字孪生模型，预测增广状态向量在预设预测时域内的状态变化；将所述连续碰撞代价函数引入预测控制的目标函数，并结合所述状态变化进行滚动优化，求解得到输运体控制律。

12、在一个优选的实施方式中，所述提取执行控制律时的结构阻尼耗散能，包括：获取输运体执行所述控制律时物料相对于输运体的瞬时相对速度；结合预设阻尼系数与所述瞬时相对速度进行阻尼功率积分，得到所述结构阻尼耗散能。

13、在一个优选的实施方式中，所述结合输运体运动轨迹及能耗辨识物料质量，包括：依据输运体空载标称质量与标称阻力参数，建立表征驱动功率与运动状态映射关系的标称功率方程，并结合运动轨迹中的速度与加速度积分得到理论能耗；计算理论能耗与所述能耗间残差关于待辨识物料质量的梯度，沿所述梯度的负方向迭代更新物料质量估计值，得到所述物料质量。

14、在一个优选的实施方式中，所述物料形变包括物料相对于输运体的相对位移与姿态偏转量，所述依据物料质量计算物料形变，包括：根据物料质量与输运体加速度计算物料所受惯性载荷，并与物料重力共同作为外部激励输入预设结构动力学方程，求解所述相对位移与姿态偏转量。

15、在一个优选的实施方式中，所述基于仓位与通道几何数据建立环境边界，包括：从仓位与通道的点云数据中，提取包括仓位纵深尺寸、通道净空边界及侧壁轮廓的空间几何特征；对所述空间几何特征进行曲面拟合与布尔运算，生成环境隐式约束函数，作为所述环境边界。

16、在一个优选的实施方式中，所述构建包括环境边界与物料质量的数字孪生模型，包括：在预设统一空间坐标系下，以所述环境边界为环境边界约束条件，以所述物料质量为实体参数，以输运体初始运动状态与物料初始几何为实体初始化参数，构建联合状态空间及其状态演化方程，作为所述数字孪生模型。

17、一种物料仓位通道及输运体时空耦合的数字孪生建模系统，包括以下模块：孪生建模模块，用于基于仓位与通道几何数据建立环境边界，结合输运体运动轨迹及能耗辨识物料质量，构建包括环境边界与物料质量的数字孪生模型；包络更新模块，用于依据物料质量计算物料形变及其对输运体加速度的形变灵敏度，修正所述模型中物料初始几何的超二次曲面参数，得到以加速度为变量的包络边界；控制求解模块，用于沿包络边界与环境边界间隙法向，利用形变灵敏度将所述间隙映射为代数约束，并经非负映射与曲面积分构建关于加速度的连续碰撞代价函数，结合所述模型求解输运体控制律；闭环更新模块，用于提取执行控制律时的结构阻尼耗散能，修正当前能耗并重新辨识物料质量后，更新数字孪生模型。

18、本发明一种物料仓位通道及输运体时空耦合的数字孪生建模方法的技术效果和优点：

19、本发明通过计算物料形变状态对输运体加速度的形变灵敏度，并将物料初始几何更新为以加速度为变量的包络边界，使数字孪生模型能够根据输运体加速度动态表征物料空间边界，提高模型中物料形变状态的表征准确性；通过结合形变灵敏度，将包络边界与环境边界之间的间隙距离转化为关于加速度的代数约束，并进一步构建连续碰撞代价函数，使物料动态边界与环境边界之间的空间关系能够以数学约束形式纳入控制求解，从而使数字孪生模型能够反映加速度变化对应的碰撞风险，为受限仓位及通道内的输运控制提供动态空间约束；同时，通过提取输运体执行控制律时产生的结构阻尼耗散能，并据此修正当前能耗后重新辨识物料质量，降低物料形变及相对运动对能耗辨识结果的影响，提高数字孪生模型中物料质量参数的更新准确性，使模型参数能够随实际输运状态进行调整。