一、项目背景

数字孪生工作站（TwinSimulationWorkstation，以下简称“TSW”）是德威科技推出的专属智慧制造领域的仿真/实景融合的工作平台，属于德威二次开发环境SmartAgent的一部分。

按照硬件和系统架构，分为PC（X86）版和ARM版。基于ARM构架的类似产品业界基本见不到，是针对低功耗、低成本、小型化、布应用而专门安排设计的。从产业化和广泛应用的角度看，比PC版有更高的应用价值和潜力。

二、配置与描述

2.1 设计理念

从设计之初，TSW就不是力图去打造一个大而全的产品平台，而是着力于解决智慧制造之柔性制造的现场工程和实施急需解算的相关问题。诸如根据视觉或其它技术获取工件位置和方位，快速获得机器人适宜的免碰撞驱动转角，并提供通讯链路控制机器人定位到工件相应位置进行必要的操作。

工作站融合了德威已有的工业物联网产品技术，广泛采集工作现场的各种工况数据，并提供驱动机器人，数控加工中心和PLC等设备的联网同步工作。

2.2 构架形式

产品分为TSW-PC版本和TSW-ARM版本。通常的应用模式是，二次开发和部署在PC版本上完成，而现场部署和应用则交由ARM完成。虽然PC版本也可以代替ARM版本工作，但无论从价格、功耗、体积等方面看，ARM版本更符合现场工作的需要。

2.3 模块功能

1、 三维渲染：支持各种形式的三维渲染和造型，查看三维实体的组成组件的细节并可任意操控。

2、 多种3D文件兼容：支持assimp插件、Step、IGES、Obj、URDF、STL等三维应用格式文件；

3、 运动学支持：支持运动学意义的正向和逆向计算。

4、 动力学支持：支持Bullet等动力学引擎的工程计算；

5、 机器人正向/逆向解算：根据工件的位置和方位，并可结合速度、加速度、加加速度等参数限制的A-B路径规划，同步支持环境避障，并实时快速计算多轴机器人的转角轴值，有较强的工程应用价值和意义；

6、 模型库：通过建立各种设备的实体模型，逐步丰富应用部件库，为现场实施提供直接支撑；

7、 多通讯协议：通讯协议既向下支持各种设备协议（如法兰克CNC，西门子CNC、海德汉CNC、三菱CNC、马扎克CNC、机器人统一接口驱动、各种PLC等）和工业现场协议（如EtherCat、etherNet/IP、Profinet/Profibus、Modbus、Canopen等），也平行和向上支持应用协议（opcua、mqtt、mtconnect等），为工业物联网提供重要的互通基础。

8、 基础库建设：除了上述内容外，平台还包括其它相关的可以快速实现工程实施设计需求的应用库支撑。

9、 二次开发平台SmartagentIDE：二次开发平台是德威推出配套的“一站式”开发、部署和维护软件环境，支持德威相关产品的快速工程应用。特点包括：

● 支持在Windows、Ubuntu、MacOS桌面环境下搭建开发平台进行应用开发，首选Ubuntu；

● 整个项目系统均使用DW-SmartAgent平台进行开发，使用弱类型语言JavaScript进行应用开发；

● 支持应用“无移植式”一键发布到常见的主流终端平台，包括Windows、Ubuntu、MacOS、Android、iOS、EmbeddedLinux等，能有效解决因应用终端差异而引起的重复开发问题；

● 开发平台支持拖拉式设计UI交互界面，“所见即所得”进行实时调试和预览；

● 支持常见工业现场协议和设备协议：

①      工业现场协议主要包括包括EtherCAT、ProfiBus/Profinet、Ethernet/IP、Modbus、CANopen、DeviceNet等；

②      设备协议支持FANUCCNC、SIEMENS828D/840D、海德汉CNC、三菱CNC、马扎克CNC，以及各种主流PLC设备等；并通过统一接口驱动支持绝大部分机器人的网络监控；

● 支持OpenCV4.0，支持多数Tensorflow、Caffe人工智能模型的编译和应用发布；

● 平台支持常用的应用层国际标准协议，包括OPCUA架构、MQTT服务、CoAP、MTConnect等；

● 直接对接MySQL、PostgreSQL、SQLServer数据库，无需开发后台连接池服务；

● 支持对DW系列设备的GPIO/COM/485/CAN/TCP/UDP/直接编程操作；

三、应用场景

采用数字孪生进行仿真，用途很多。例如，通过对现场设备的当前状态建模，将属性映射到虚拟空间中，进行数据分析，用以预测产品在当前状态下的工作性能及可能出现的意外情况，提高操作人员对物理实体的了解，极大的降低了运营成本，提高操作安全。然而，TSW的一个非常有价值的地方在于它对于实际项目有较强的指导甚至直接实施的工程意义。

3.1 视觉定位工件

    

TSW提供视觉识别需要的绝大部分功能和函数。这些内容已经模块化和函数化，简单易用，用户根据情况直接调用集成即可。

模块内容包括相机内标定、2点或9点坐标变换外标定、相机配置和图像捕获、图像处理等众多功能。图像处理基于优化的最新版OpenCV，封装格式与OpenCV函数功能一致，方便学习和借鉴使用。

本实例中，至少可以有三种不同的配置，分别是：

a） 全仿真：

全仿真场景中，所有的元素都是虚拟仿真的。包括采样工件，相机等。

b） 半仿真：

可以选择工件，或者相机是实景件。例如，可以考虑工件是拍照或其它渠道模拟获得的图片，相机是实景件，相机获取图片是以数字文件加载的方式；也可以工件是实景件，而相机是模拟的。此时，可以直接拍照获得图片，相机的算法计算获得工件的偏移位置和方位，用于验证计算结果的正确与否。

c） 全实景：

全实景则表示所有的元素都是实景的。相机现场获得工件实时图像并送到相机处理单元进行计算获得所需信息。

3.2 机器人末端匹配

    

实践当中，我们通常在知道工件的空间位置后，需要操控机器人的末端到达工件适宜位置，以抓举或放置工件。

平台提供了快速的逆向工程算法，根据目标工件的位置和方位，根据路径规划结果，计算出机器人到达工件适宜位置的各轴的回转角度，结果送到平台集成的控制器对机器人进行操控。

3.3 四轮小车路径仿真规划

这里的AGV小车的仿真使用了动力学引擎算法。算法根据四轮的不同速差/扭力，模拟场景中的行走轨迹和位置走向。

实际上，由于TSW支持实景的操控，例如，对于车道识别和行走控制，分别提供磁迹法、二维码法、视觉识别法和人工智能方法，并通过PID等驱动控制算法控制小车的实际行走。

TSW配套的控制器提供多种外围接口和设备，包括CAN接口、毫米波/超声波雷达、RTK高精度GPS定位、语音播报系统等。

3.4 四轮小车+Robot仿真

作为AGV的另外一个实例，除了小车外，车载机器人的随车配套也是较有前途的方向。

同样，TSW提供机器人的虚拟仿真和实景控制的同步解算。并且，TWS的视觉和多轴逆向解算包，为工件的定位和机器人抓举和放置工件的快速作业提供简单易用的支持。

3.5 车间作业

车间作业集成了更多的虚拟设备和装置。通常，会包括CNC加工设备、机器人、小车和仓储等，实际也可以包括更多的其它特定和辅助设备。所有的设备都可以仿真运行，种类和数量并没有限制。

另外，TSW集成了德威特有的工业物联网支持部分，可以很容易与实景中的实物进行同步互动。例如，TSW支持法兰克、西门子、海德汉、三菱等CNC，支持基于统一接口驱动控制机器人（理论上与机器人品牌无关），支持基于485、CAN、Modbus、Ethercat、Ethernet/ip、Probus/Profinet、Canopen、Devicenet、GPIO、A/D、D/A等等进行采集和控制。