[发明专利]基于数字孪生与增强现实的结构试验监测预警系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于数字孪生与增强现实的结构试验监测预警系统及方法，所述结构试验监测预警系统包括机器视觉系统、试验控制系统、数字孪生模拟系统、增强现实服务器、增强现实眼镜。本发明采用机器视觉系统与增强现实眼镜协同完成观察者、试验件同时运动中的增强现实坐标构建与试验件位姿轮廓估计，采用试验监控系统与数字孪生系统结合实时分析试验件全场响应和潜在失效区域，通过增强现实服务器融合真实场景和数值分析、试验数据，并通过增强现实眼镜完成数据与真实场景叠加，实现人机交互，对于辅助试验人员进行大型结构试验过程的监控、预警，提高试验效率、安全性，直观理解试验过程和现象具有重要意义。

技术领域

本发明涉及一种用于结构全场监控和预警的系统与方法，具体涉及一种基于数字孪生与增强现实进行大型结构试验过程监测与试验操作预警的系统与方法。

背景技术

在航空航天轨道交通等领域，为验证结构产品设计的可靠性，往往需要开展结构的力学试验或热考核试验，例如对飞机机翼开展全尺寸静力试验、对高速飞行器舱段开展热力联合试验、对热防护结构开展热考核试验等。但是大型结构产品的试验往往非常困难，涉及大量的加载设计、多载荷联动等，试验准备周期长、产品造价高。尤其对于新产品设计，往往因为对结构特性认知不足，一方面试验中可能出现意外失效，造成结构产品和试验设备损失，另一方面试验过程中可能忽略一些关键的试验现象。因此，十分有必要增强对大型结构产品试验过程的实时、全面监控。

以往在结构试验监控中，试验人员需要同时监测多个仪器仪表、传感器读数，由于需要跟踪多个信息并判别信息与试验件的对应关系，这种方式本质上面临较大的滞后性，并且由于传感器数量的限制，难以实现对试验过程全面监控。这些不仅会带来试验过程安全性隐患，而且试验人员缺乏试验过程的直观认识，后续试验分析存在困难。目前，增强现实技术被应用于各类机械设备运行状态的监控，用于运行预警、辅助维护等场景。与这类应用所不同的是，在结构试验采用增强现实进行监控和预警，面临：1）虚实场景叠加困难，存在试验中因变换试验对象和加载方式带来大量的场景变换，虚拟场景叠加对象、即结构试验件大变形，试验人员、也即观察者频繁移动等问题；2）安装在结构上的少数测点，无法提供试验件的全场信息，尤其可能忽略一些事先未考虑到的潜在失效区域，无法直接用于结构全场监控和预警。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于数字孪生与增强现实的结构试验监测预警系统及方法，该系统和方法能够在结构产品试验过程中为试验人员提供虚实结合的试验过程、试验件全场响应信息，辅助试验过程监控和预警。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于数字孪生与增强现实的结构试验监测预警系统，包括机器视觉系统、试验控制系统、数字孪生模拟系统、增强现实服务器、增强现实眼镜，其中：

所述机器视觉系统用于完成真实试验场景与试验结构件的图像采集；

所述试验控制系统用于完成试验载荷加载与安装在试验件上的传感器数据采集；

所述数字孪生模拟模块用于从试验控制系统中获取试验载荷与传感器数据，完成待测试验件在试验载荷下的结构响应的在线仿真；

所述增强现实服务器用于整合来自机器视觉系统、试验控制系统、数字孪生模拟系统的数据，构建真实场景坐标、试验件变形后模型，叠加试验件模型与试验件响应数据构建虚拟场景；

所述增强现实眼镜用于从增强现实服务器获取数据并完成场景渲染输出图像，完成人机交互。

一种采用上述系统实现基于数字孪生与增强现实的结构试验监测预警方法，包括步骤如下：

步骤1）通过机器视觉系统获取真实试验场景的图像，测量试验结构件试验过程中的变形后轮廓并传输到增强现实服务器，增强现实服务器构建真实试验场景对应的坐标和试验结构件轮廓坐标；

步骤2）通过试验控制系统进行试验结构件加载，同步获取试验过程中传感器数据，驱动数字孪生系统进行在线仿真计算，获取试验结构件试验过程中全场温度、变形、应力、应变响应数据，根据破坏判据标记试验件热点区域；