第1章
数字孪生概述
什么是数字孪生 · 起源与发展 · 核心特征：实时性、高保真、双向映射
概念基础
第2章
运动控制基础
基本组成：控制器、驱动器、执行器、传感器 · 常见算法：PID、前馈、轨迹规划
控制算法
第3章
数字孪生与运动控制的结合
为什么需要孪生加速 · 典型场景：虚拟调试、参数优化、故障预测
融合应用
第4章
建模与仿真环境搭建
常用工具：MATLAB/Simulink、Unity、Unreal · 物理引擎：PhysX、Bullet · 模型降阶
环境仿真
第5章
数据采集与同步
传感器：编码器、IMU、力传感器 · 数据清洗 · 时间戳同步：NTP、PTP
数据同步
第6章
数字孪生模型构建
几何建模(CAD) · 运动学(DH参数) · 动力学：牛顿-欧拉、拉格朗日
建模理论
第7章
模型校准与验证
参数辨识：最小二乘、卡尔曼滤波 · 精度指标：MAE、RMSE · 闭环校准
校准验证
第8章
实时通信与数据接口
OPC UA · MQTT · ROS 2 · 中间件：Kafka、ZeroMQ
通信接口
第9章
虚拟传感器与信号模拟
虚拟编码器、IMU · 噪声注入 · 故障模拟
虚拟传感器
第10章
数字孪生中的可视化技术
3D渲染管线 · 场景管理 · UI交互：Qt、WebGL
可视化UI
第11章
基于数字孪生的PID参数自整定
传统局限 · 迭代学习 · 强化学习辅助整定
PID自整定
第12章
前馈控制与模型预测控制(MPC)
前馈原理 · MPC在孪生中实现 · 约束处理与优化求解
MPC前馈
第13章
轨迹规划与优化
S形曲线 · B样条 · 时间最优(TOPP) · 基于孪生的轨迹验证
轨迹优化
第14章
力控与柔顺控制
阻抗控制 · 导纳控制 · 力位混合 · 孪生仿真验证
力控柔顺
第15章
多轴协同控制
电子齿轮 · 电子凸轮 · 龙门同步 · 孪生协同调试
多轴协同
第16章
故障诊断与预测性维护
残差分析 · LSTM、Autoencoder · 剩余寿命预测
故障预测
第17章
硬件在环(HIL)测试
HIL架构 · 实时仿真机：NI PXI、dSPACE · 接口板卡
HIL测试
第18章
软件在环(SIL)与模型在环(MIL)测试
SIL/MIL概念 · 测试用例生成 · 自动化测试框架
SILMIL
第19章
数字孪生驱动的敏捷开发流程
DevOps for Robotics · CI/CD · Git LFS
敏捷DevOps
第20章
案例：六轴工业机器人数字孪生
运动学正逆解 · 碰撞检测 · 离线编程与虚拟示教
机器人案例
第21章
案例：AGV/AMR数字孪生
激光SLAM仿真 · 路径规划(A*、DWA) · 多车调度
AGV调度
第22章
案例：CNC数控机床数字孪生
进给系统建模 · 主轴热误差补偿 · 加工过程仿真
CNC机床
第23章
案例：无人机飞控数字孪生
姿态控制仿真 · 风场扰动模拟 · 故障注入测试
无人机飞控
第24章
案例：柔性制造产线数字孪生
节拍分析 · 瓶颈识别 · 动态调度仿真
产线柔性
第25章
数字孪生平台选型
商业：Siemens Xcelerator、PTC ThingWorx · 开源：Eclipse Ditto、OpenTwins
平台选型
第26章
边缘计算与云端部署
边缘节点：Jetson、Intel NUC · 云边协同 · 数据压缩与传输优化
边缘云
第27章
安全与隐私
TLS/SSL · RBAC · 模型防篡改 · 数字水印
安全隐私
第28章
性能优化与实时性保障
GPU加速 · 模型轻量化(量化、剪枝) · 实时调度
性能实时
第29章
标准与规范
ISO 23247 · OPC UA Companion · AutomationML
标准规范
第30章
未来趋势与挑战
AI+数字孪生 · 人机共融 · 标准化 · 伦理与法律
趋势挑战