師翊，李思瑩，李媛媛，路陽(yáng)，劉桂陽(yáng)

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，大慶 163319）

基于Unity3D的撒肥機(jī)三維建模與作業(yè)環(huán)境仿真平臺(tái)的搭建

師翊，李思瑩，李媛媛，路陽(yáng)，劉桂陽(yáng)

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，大慶 163319）

以撒肥機(jī)械為例，搭建一個(gè)通用的農(nóng)機(jī)仿真平臺(tái)。使用Pro/E和3DS Max對(duì)撒肥機(jī)進(jìn)行三維建模，將建立好的三維模型完整導(dǎo)入到Unity3D軟件當(dāng)中，建立農(nóng)田、道路、草木等地表環(huán)境的虛擬場(chǎng)景。利用軟件自帶的物理引擎對(duì)撒肥機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)原理和工作狀態(tài)進(jìn)行虛擬仿真，為建立農(nóng)機(jī)虛擬仿真平臺(tái)打下基礎(chǔ)。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；三維建模；仿真平臺(tái)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合成為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，也逐步成為熱點(diǎn)研究課題。

農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究常常伴隨著大量的論證與試驗(yàn)[1-2]，以滿足在不同的作業(yè)環(huán)境下機(jī)械性能、作業(yè)效果等方面的要求。為此，需要建立試驗(yàn)田地，等待必要的農(nóng)時(shí)和營(yíng)造特定的地塊環(huán)境（如土質(zhì)、坡度、地塊形狀等），同時(shí)需要投入大量的儀器設(shè)備和人力獲取試驗(yàn)信息。近年來，計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究提供了新的方法。

農(nóng)機(jī)的仿真研究主要分為農(nóng)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維建模和作業(yè)環(huán)境的仿真模擬[3]兩大部分。采用Pro/E和3DS Max來完成三維建模部分，撒肥機(jī)各個(gè)部件的數(shù)據(jù)全部來自于撒肥機(jī)電子圖紙。將在Pro/E下建立好的整機(jī)模型導(dǎo)入到3DS Max中，調(diào)整坐標(biāo)軸，然后將模型導(dǎo)出為.FBX格式以便于后期在Unity3D軟件里使用。作業(yè)環(huán)境仿真模擬部分主要在Unity3D軟件里完成，Unity3D軟件是一款物理引擎，它真實(shí)模擬了現(xiàn)實(shí)世界中的物理效果，如碰撞、重力、摩擦、地形起伏等，這些是影響農(nóng)機(jī)工作的主要因素。同時(shí)，Unity3D軟件提供了豐富的用戶接口，為搭建農(nóng)機(jī)研究的虛擬仿真平臺(tái)提供了極大方便。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

2FL型撒肥機(jī)主要由地輪機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)架、

支架、開門機(jī)構(gòu)、肥料箱、攪肥機(jī)構(gòu)、拋灑機(jī)構(gòu)和各部分銜接零件構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 撒肥機(jī)整體結(jié)構(gòu)Fig.1The structure of fertilizer applicator

1.2 主要部件結(jié)構(gòu)

1.2.1 鏈輪傳動(dòng)裝置

如圖2所示，此裝置主要由主動(dòng)鏈輪、從動(dòng)鏈輪和傳動(dòng)鏈條組成。主動(dòng)鏈輪30齒，齒輪分度圓直徑156 mm，從動(dòng)鏈輪13齒，分度圓直徑66 mm，鏈條為滾子鏈。鏈輪結(jié)構(gòu)的軸心距為393 mm。

圖2 鏈輪傳動(dòng)裝置Fig.2The chain-wheel mechanism

1.2.2 撒肥箱

如圖3所示，撒肥箱主要由肥料箱、肥量控制盤和拋灑裝置構(gòu)成。為了使肥料能夠平滑地向下滑落，肥料箱設(shè)計(jì)為倒圓錐形，深度612 mm，上錐圓直徑940 mm，下錐圓直徑220 mm，拋灑盤直徑300 mm，撒肥箱滿載肥料容量640 L。

圖3 撒肥箱Fig.3The fertilizer box

1.3 動(dòng)力傳遞原理

如圖4所示，撒肥機(jī)為牽引式撒肥機(jī)，當(dāng)機(jī)車牽引撒肥機(jī)向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，撒肥機(jī)地輪帶動(dòng)鏈輪結(jié)構(gòu)的主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)輪通過鏈子帶動(dòng)從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)輪帶動(dòng)兩個(gè)互為90度的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到轉(zhuǎn)動(dòng)方向的轉(zhuǎn)化，最后帶動(dòng)撒肥盤的轉(zhuǎn)動(dòng)。撒肥盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速度決定了撒肥機(jī)的工作幅寬，撒肥圓盤如果轉(zhuǎn)速過大，作業(yè)時(shí)粉狀或小顆粒肥料易漂移，造成肥料的損失而且污染環(huán)境，本仿真設(shè)計(jì)中將撒肥圓盤轉(zhuǎn)速確定在8.5×102r·min-1左右，相對(duì)應(yīng)的撒肥機(jī)機(jī)車行進(jìn)速度為10 km·h-1，工作幅寬12 m。

圖4 傳動(dòng)原理Fig.4The principle of motion transfer

2 三維模型的建立

2.1 主要部件三維建模

撒肥機(jī)是一個(gè)比較復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，包括地輪、傳動(dòng)鏈輪、撒肥盤、齒輪箱、拋灑機(jī)構(gòu)、攪肥機(jī)構(gòu)、機(jī)架等部件，如果按照實(shí)際構(gòu)造進(jìn)行建模，工作量非常巨大。因此根據(jù)研究目的，在建模時(shí)對(duì)撒肥機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)某橄蟆⒑?jiǎn)化。需要注意的是，為保證仿真結(jié)果與實(shí)際接近，應(yīng)保證各部件總質(zhì)量應(yīng)與撒肥機(jī)實(shí)際質(zhì)量接近。這一點(diǎn)可以在Unity3D軟件中得到解決，軟件中自帶的物理引擎很好地模擬了真實(shí)世界中重力、質(zhì)量、摩擦等物理參數(shù)。

建模時(shí)主要在三維建模平臺(tái)Pro/E中建立各零件的實(shí)體模型，由于整機(jī)有非常詳細(xì)的電子版圖，電子版圖為我們提供了詳細(xì)的數(shù)據(jù)參數(shù)，根據(jù)電子圖紙?zhí)峁┑臄?shù)據(jù)，直接在Pro/E中進(jìn)行裝配，焊接，完成實(shí)體模型的建立。

三維建模的具體步驟是，將電子圖紙導(dǎo)入到三維軟件當(dāng)中，選擇點(diǎn)模式，將距離近的散點(diǎn)焊接到一起，然后選擇線模式，轉(zhuǎn)換為可編輯多邊形，在線模式下模型會(huì)自動(dòng)封閉，然后使用擠出工具在面模式下根據(jù)圖紙上的數(shù)據(jù)擠出相應(yīng)的高度，使用縮放工具輸入模型的截面邊長(zhǎng)、面積等數(shù)據(jù)，最后調(diào)整模型的坐標(biāo)軸，一般將坐標(biāo)軸居中至模型的幾何中心，調(diào)整完畢后將模型存為FBX格式放入工程文件根目錄下。

2.2 坐標(biāo)和軸的調(diào)整

模型坐標(biāo)[4]的調(diào)整主要在3DS Max軟件里完成。在Pro/E里面完成的模型不能直接導(dǎo)入到Unity3D軟件當(dāng)中，需要用3DS Max進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化，當(dāng)模型導(dǎo)入到3DS Max中時(shí)，原本的坐標(biāo)會(huì)發(fā)生變化，需要在3DS Max中重新對(duì)正。并且需要根據(jù)實(shí)際的運(yùn)動(dòng)情況，重新調(diào)整模型軸的位置，調(diào)整完畢后，保存為FBX格式，最后將完成的模型直接拷貝到Unity3D工程文件根目錄下。

3 仿真平臺(tái)的搭建

3.1 地形信息的獲取

地形信息的獲取主要通過谷歌地球來實(shí)現(xiàn)。需要安裝軟件谷歌地球和Sketch Up Pro版。首先通過谷歌地球定位農(nóng)場(chǎng)的位置，將高度拉到500 m，接著打開Sketch Up軟件，選擇工具：谷歌地球：獲取當(dāng)前視圖，然后選擇工具：谷歌地球：綁定地形。此時(shí)可以獲得一些地形的網(wǎng)格模型，但是模型重疊在一起，需要重新校對(duì)位置。返回谷歌地球，選擇文件：保存：保存圖片，保存下來的圖片用來后期的貼圖使用。將獲取到的三維網(wǎng)格地形保存為3ds格式，導(dǎo)入到3DS Max里將分散的網(wǎng)格一一組合，繪制出完整地形。將前面保存的貼圖文件用Photoshop打開，將重疊的部分分開，最終合并為一張大圖。將調(diào)整好的地形三維模型導(dǎo)入到Unity3D軟件當(dāng)中，在地形上加上mesh collider（網(wǎng)格碰撞），在腳本編輯窗口下運(yùn)行terrainData.GetHeights和terrainData.SetHeights方法，獲取和設(shè)置地形的起伏，最后將材質(zhì)賦給地形，將材質(zhì)的大小和地形的解析度設(shè)為一致即可。

3.2 物理引擎內(nèi)具體參數(shù)的設(shè)置

在本仿真設(shè)計(jì)中，影響仿真結(jié)果的主要因素是零件的尺寸、質(zhì)量和摩擦力，零件的尺寸主要依靠圖紙中的數(shù)據(jù)來約束，質(zhì)量和摩擦需要依靠Unity3D軟件里的自帶的物理引擎[5]來實(shí)現(xiàn)。將建立好的撒肥機(jī)模型導(dǎo)入到軟件當(dāng)中，給所有零件附加剛體屬性，如圖5，Mass是指物體的質(zhì)量，單位為KG，每個(gè)零件具體的重量需要查閱圖紙獲得。Drag是動(dòng)摩擦因數(shù)，此參數(shù)實(shí)現(xiàn)摩擦力效果，一般設(shè)為0.1。Angular Drag是指轉(zhuǎn)角阻力[6]，用來模擬空氣阻力，默認(rèn)設(shè)為0.05即可。

圖5 剛體屬性Fig.5The rigidbody attribute

將上述設(shè)置完成后，影響仿真結(jié)果的主要參數(shù)設(shè)置完畢。

4 結(jié)論

研究主要介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在農(nóng)機(jī)仿真中的應(yīng)用，把用到的主要技術(shù)和需要設(shè)置的參數(shù)做了扼要說明。通過計(jì)算機(jī)技術(shù)和農(nóng)機(jī)學(xué)科相結(jié)合的方法，將農(nóng)機(jī)研究信息化，極大推動(dòng)了農(nóng)機(jī)的發(fā)展，同時(shí)運(yùn)用主流的三維軟件和物理引擎[7]，搭建出一個(gè)仿真平臺(tái)，用平臺(tái)自帶的物理效果和腳本編輯功能實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械的動(dòng)態(tài)控制，使仿真結(jié)果更加接近實(shí)際情況，為搭建交互式集成化農(nóng)機(jī)仿真平臺(tái)奠定了基礎(chǔ)。

［1］謝秋菊，劉桂陽(yáng)，馬鐵民，等.基于Eon的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)虛擬仿真研究［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，21（3）：84-86.

［2］閻楚良，楊方飛，張書明.數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2004，35（6）：211-214.

［3］藏宇，朱忠祥，宋正河，等.農(nóng)業(yè)裝備虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)的建立［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41（9）：70-74.［4］李杰，閻楚良，楊方飛.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的聯(lián)合收割機(jī)切割機(jī)構(gòu)的仿真［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37（10）：74-76.

［5］王乘，周均清，劉利軍.Creator可視化仿真建模技術(shù)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006.

［6］李佳，閆清東，王一拙.基于ADAMS和Vega的地面機(jī)動(dòng)武器仿真系統(tǒng)的研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2006，23（2）：236.

［7］劉金明，劉桂陽(yáng).基于GPU光線投射算法的心臟體數(shù)據(jù)可視化［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，25（6）：78-81.

Implementation of Agricultural Machine 3D Modeling and Simulation Platform Based on Unity3D

Shi Yi，Li Siying，Li Yuanyuan，Lu Yang，Liu Guiyang
（College of Information and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

The fertilizer distributor was selected as the example to built a common agricultural simulation platform.Pro/E and 3DS Max were used to complete 3D models，which imported the models into Unity3D and built virtual scene such as road，grass and trees. The physics engine software was used to complete the virtual simulation of mechanical transmission principle and the work state，which provided the foundation for the establishment of agricultural virtual simulation platform.

agricultural machine；3D modeling；simulation platform

TP391.9

A

1002-2090（2015）02-0097-03

10.3969/j.issn.1002-2090.2015.02.022

2014-06-28

黑龍江省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（F201428）；黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)研究生創(chuàng)新科研項(xiàng)目（2014）；黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目（黑教高函2013-351號(hào)文件項(xiàng)目號(hào)365）。

師翊（1990-），男，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院2012級(jí)碩士研究生。

劉桂陽(yáng)，男，教授，碩士研究生導(dǎo)師，E-mail：guiyangliu@126.com。