基于VR的花生覆膜播種機仿真試驗平臺開發(fā)

劉圣民 尚書旗 王東偉 何曉寧 劉兵 楊文卿

摘要：針對大型農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計過程中存在參數(shù)調(diào)節(jié)困難、拆裝難度大、設(shè)計成本高、工作危險性等問題，以大型農(nóng)業(yè)裝備4壟8行花生覆膜播種機為對象，通過Idea VR創(chuàng)作引擎虛擬現(xiàn)實開發(fā)工具，設(shè)計開發(fā)了集機具虛擬拆裝、虛擬操作演示、參數(shù)仿真調(diào)節(jié)等于一體的仿真試驗平臺。結(jié)果表明，該試驗平臺的成功應(yīng)用可以縮短農(nóng)業(yè)裝備研發(fā)設(shè)計周期，同時搭建的場景可以用于學(xué)生試驗教學(xué)和實訓(xùn)，幫助加深認知，降低試驗教學(xué)成本，減少實訓(xùn)風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：VR;花生覆膜播種機;仿真;試驗平臺

中圖分類號： S223.2;S223.5 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2021）14-0188-06

虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)以計算機技術(shù)為核心支持，通過虛擬現(xiàn)實軟件工具生成具有逼真的視覺、觸覺、聽覺和其他感官感覺的虛擬環(huán)境[1]。隨著計算機硬件的不斷更新和軟件水平的逐步提高，VR技術(shù)的發(fā)展步入了快車道，其在3D游戲開發(fā)、醫(yī)療診斷、科學(xué)研究、教育教學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深入，并取得了一系列成果[2-6]。而將VR技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機械與裝備上，可以幫助涉農(nóng)專業(yè)尤其是農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域大學(xué)生加深學(xué)習(xí)認知，同時可以實現(xiàn)對農(nóng)機手的培訓(xùn)和考核，使得VR技術(shù)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備仿真研究發(fā)展的重要方向之一。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進步，農(nóng)業(yè)逐漸與信息行業(yè)相互融合，農(nóng)業(yè)裝備數(shù)字化設(shè)計技術(shù)研究需求越來越大。農(nóng)業(yè)作為國民經(jīng)濟的重要基石，其中種植業(yè)是農(nóng)業(yè)的一大支柱，播種則是種植業(yè)生產(chǎn)作業(yè)的重要一環(huán)。播種機作業(yè)性能直接影響播種作業(yè)質(zhì)量。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的2BMF-4/8型花生覆膜機是一種可折疊式的大型花生覆膜聯(lián)合作業(yè)機械，可以對花生進行大寬幅覆膜播種。該播種機突破了1壟2行等小幅播種模式，增加了排種單體和仿形機構(gòu)，解決了單體運動干涉與仿形問題，實現(xiàn)了4壟8行超大寬幅花生播種[7]。同時該機可一次性完成播種前筑壟，過程中施肥、播種，過程中噴藥，滴灌帶鋪設(shè)，播后展壓覆膜、膜上覆土等作業(yè)，在運輸過程中，可以同時實現(xiàn)兩側(cè)播種機框架的平行折疊[8]。該播種機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能多種多樣，選擇該機型作為研究載體意義重大。其整體結(jié)構(gòu)示意見圖1。

1 場景平臺搭建

首先，分析花生覆膜聯(lián)合作業(yè)播種機的工作原理，獲取相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)，并利用solid works軟件，構(gòu)建播種機的三維模型，從而實現(xiàn)播種機整機的裝配;利用3DS Max軟件，進行格式轉(zhuǎn)化與模型優(yōu)化。然后，在此基礎(chǔ)上利用VR、3D仿真等虛擬現(xiàn)實開發(fā)技術(shù)，通過IdeaVR創(chuàng)作引擎等虛擬現(xiàn)實開發(fā)工具，將制作好的播種機三維數(shù)字模型導(dǎo)入到場景中，并對材質(zhì)、環(huán)境進行虛擬現(xiàn)實引擎所獨有的實時渲染，開發(fā)出花生覆膜聯(lián)合作業(yè)播種機虛擬仿真實踐場景，闡述實踐場景的軟硬件平臺組成、搭建流程及功能，對虛擬現(xiàn)實場景搭建中用到的方法、流程步驟和關(guān)鍵技術(shù)進行研究。最后，完成虛擬仿真實踐系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，通過該系統(tǒng)，用戶能夠?qū)W習(xí)播種機的基礎(chǔ)知識并且進行虛擬拆裝，同時實現(xiàn)與花生播種機的虛擬交互。基于VR的花生覆膜播種機虛擬現(xiàn)實試驗平臺開發(fā)過程見圖2，搭建完成的場景示意見圖3。

1.1 拆裝區(qū)域場景搭建

花生覆膜播種機的基本結(jié)構(gòu)包括懸掛架、種箱、排種器、仿形裝置、地輪、傳動裝置、覆土裝置等。將導(dǎo)入的由SolidWorks繪制的數(shù)字三維模型進行模型渲染并利用交互編輯器進行拆裝邏輯制作，同時為平行四邊形折疊梁架、覆土輪、種箱等主要部件增加布告板標識，在點擊對應(yīng)部件時實現(xiàn)布告板同步顯示。

1.3 播前調(diào)整區(qū)域場景搭建

播前調(diào)整區(qū)域的主要功能展示4壟8行花生覆膜播種機在播種作業(yè)前的調(diào)整準備工作，主要包括穴距調(diào)整、覆土輪調(diào)整、排肥量調(diào)整、拉伸劃線器等幾個主要狀態(tài)調(diào)整，在此場景中，可以引導(dǎo)學(xué)生進行模擬調(diào)整，并且在調(diào)整界面設(shè)有演示視頻，學(xué)生可以參照進行相應(yīng)操作。顯示狀態(tài)示意見圖8。

在操作過程中，使用配套手柄切換至播前調(diào)整區(qū)域，通過手柄射線點擊界面左側(cè)“排肥量調(diào)整”按鈕，按鈕有凹感，同時鏡頭切向調(diào)整界面（圖9）。調(diào)整完成后，畫面會自動切換到主界面，按鈕出現(xiàn)凸感，依次點擊剩余按鈕，顯示相應(yīng)調(diào)整界面。后期可以根據(jù)不同機具，模擬不同的狀態(tài)調(diào)整，豐富學(xué)生認知。學(xué)生操作過程中如遇困難，可以點擊右側(cè)一列演示按鈕，點擊后，按鈕呈現(xiàn)凹感，播放對應(yīng)演示視頻。此處，以排肥量調(diào)整為例，闡述鏡頭切換交互編輯過程。首先打開動畫編輯器交互界面，設(shè)定Time與Value值，選擇要切換的畫面，設(shè)定開始結(jié)束位置，生成 .track的動畫文件。然后打開交互編輯頁面，選擇邏輯單元，以“排肥量調(diào)整”按鈕作為觸發(fā)對象，以鼠標作為操作對象，調(diào)入任務(wù)框、對象框、觸發(fā)框及動畫，同時選取邏輯單元中Pyhton腳本中的“觸發(fā)節(jié)點選項”，任務(wù)框中勾選“激活”，輸出端“開始”鏈接觸發(fā)框“激活”，選擇對象框“輸出節(jié)點”鏈接觸發(fā)框“輸入節(jié)點”。最后將觸發(fā)框“左擊”輸出點與視頻文件“播放”輸入點鏈接，保存，此交互編輯節(jié)點便完成。

2 結(jié)論

本研究將虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)與大型農(nóng)業(yè)裝備——4壟8行花生覆膜播種機相結(jié)合，通過SolidWorks軟件進行三維數(shù)字建模，利用Idea VR創(chuàng)作引擎完成了花生覆膜播種機虛擬現(xiàn)實仿真試驗平臺開發(fā)，可實現(xiàn)裝備虛擬拆裝、模型動態(tài)演示、場景漫游等功能的演示和在線模仿真實工作場景、節(jié)點操作、參數(shù)調(diào)整的虛擬操作。該虛擬現(xiàn)實仿真試驗平臺的開發(fā)，打破了時間、地點的限制，學(xué)生可隨時隨地進行訓(xùn)練，研發(fā)人員可以隨時隨地進行產(chǎn)品設(shè)計檢驗，改變了傳統(tǒng)的視頻教學(xué)動畫演示、實地操作培訓(xùn)的實訓(xùn)模式，利用3D虛擬現(xiàn)實的良好沉浸感和交互性，擺脫學(xué)生過于依賴教科書和物體的現(xiàn)實，突破傳統(tǒng)的教學(xué)方法，將課堂從“二維”擴展到“三維”，從靜態(tài)擴展到動態(tài)，學(xué)生從被動式學(xué)習(xí)模式轉(zhuǎn)變?yōu)榛邮綄W(xué)習(xí)，有效地幫助學(xué)生理解教學(xué)內(nèi)容，最大限度地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)其動手能力和創(chuàng)新能力，使教學(xué)內(nèi)容更加逼真形象、教學(xué)過程更加生動靈活。同時，虛擬現(xiàn)實仿真試驗平臺可以循環(huán)使用，損耗少，而且試驗平臺接入數(shù)據(jù)庫后可以提供更多的仿真場景，解決了如下問題：傳統(tǒng)機械實驗室由于部件體積大、部件笨重造成拆裝不便;由于部件數(shù)量較少且部件易損壞造成試驗器具緊缺，可提高學(xué)生實驗室操作水平，提升實訓(xùn)質(zhì)量。該平臺與教師實驗室教學(xué)相互補充，為學(xué)生提供開放便利的使用環(huán)境，同時緩解試驗設(shè)備緊張、減少實驗室設(shè)備維護次數(shù)，從而節(jié)省資金。該虛擬現(xiàn)實仿真試驗平臺已在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院農(nóng)業(yè)機械制造專業(yè)使用，學(xué)生對相應(yīng)的知識接受快、理解深，有利于教師課堂教學(xué);同時該虛擬現(xiàn)實仿真試驗平臺的開發(fā)為其他專業(yè)特別是大型復(fù)雜裝備的設(shè)計研發(fā)、試驗操作等提供了思路，推廣應(yīng)用價值高。

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