陳 燕 曾澤欽 王 杰 鄒湘軍 賈春洋 張 坡

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 廣州 510642；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510642)

0 引言

農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)研究需要大量的野外試驗(yàn)[1]，對(duì)糧食作物及農(nóng)產(chǎn)品收獲機(jī)的研究，需等待收獲季節(jié)，嚴(yán)重影響設(shè)備的研發(fā)周期[2]。虛擬現(xiàn)實(shí)的虛擬設(shè)計(jì)與三維仿真及其人機(jī)交互技術(shù)具有安全可靠的特點(diǎn)，可縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)品質(zhì)[1,3]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)學(xué)和教育等各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域已取得很多研究成果[3-10]。

隨著三維建模技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)趨向成熟，許多研究者采用仿真技術(shù)構(gòu)建作業(yè)環(huán)境，用于農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[11-12]開(kāi)發(fā)了水果采摘機(jī)器人虛擬設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)；文獻(xiàn)[13]開(kāi)發(fā)了交互式聯(lián)合收獲機(jī)仿真系統(tǒng)，用于評(píng)估新型收獲技術(shù)；還有許多研究者通過(guò)Untiy3D虛擬平臺(tái)開(kāi)發(fā)虛擬作業(yè)環(huán)境，用于各類農(nóng)業(yè)裝備試驗(yàn)[14-18]。在開(kāi)發(fā)虛擬環(huán)境仿真平臺(tái)時(shí)，采用有限元分析、面片操作等技術(shù)可模擬出植株變形細(xì)節(jié)[19-23]，但其處理的數(shù)據(jù)量大，不適用于場(chǎng)景展示；采用靜態(tài)模型、圖形處理器等技術(shù)可減少模型數(shù)據(jù)量[11-18]，有利于環(huán)境展示，但缺少動(dòng)態(tài)變化。

本文采用Unity3D虛擬平臺(tái)，以玉米收獲機(jī)為例，構(gòu)建虛擬收獲環(huán)境及其仿真平臺(tái)，試驗(yàn)分析植株收獲期間及其在風(fēng)雨影響下的受力狀態(tài)變化，仿真評(píng)估收獲機(jī)械的作業(yè)性能，為開(kāi)發(fā)交互式收獲機(jī)械仿真平臺(tái)、實(shí)現(xiàn)收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)創(chuàng)新以及整機(jī)作業(yè)行為和性能的仿真試驗(yàn)提供技術(shù)支持。

1 仿真平臺(tái)架構(gòu)與原理

以玉米收獲機(jī)為例，采用Unity3D虛擬平臺(tái)，以C#編程語(yǔ)言構(gòu)建收獲機(jī)械虛擬收獲環(huán)境及其仿真平臺(tái)。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

收獲機(jī)械仿真平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為6個(gè)模塊：①視角控制器：作為控制界面，可以控制視角與其他模塊參數(shù)的輸入輸出。②收獲機(jī)械控制器：具有收獲機(jī)械的各類特性，如割臺(tái)系統(tǒng)、移動(dòng)系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。③植株控制器：具有植株模型的各類特性，如植株數(shù)據(jù)系統(tǒng)、植株生成系統(tǒng)等。④環(huán)境展示控制器：具有風(fēng)、雨效果，可控制風(fēng)雨大小與方向。⑤模型庫(kù)：存儲(chǔ)收獲機(jī)械、植株與地形等模型。⑥數(shù)據(jù)庫(kù)：存儲(chǔ)收獲機(jī)械的運(yùn)動(dòng)參數(shù)、收獲結(jié)果與植株模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)等。

通過(guò)添加Unity3D物理碰撞組件，結(jié)合虛擬物理引擎，可模擬收獲機(jī)械割臺(tái)與植株模型互動(dòng)狀況，以及實(shí)現(xiàn)風(fēng)雨對(duì)植株的影響作用。

圖1 收獲機(jī)械仿真平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure of harvest equipment simulation platform

1.2 視角漫游模式的選擇

視角變化是影響虛擬沉浸度與評(píng)價(jià)虛擬環(huán)境效果的重要部分[15]。一般分兩類視角漫游模式：自動(dòng)漫游與人工漫游。

自動(dòng)漫游即視角沿著設(shè)定好的路徑與角度進(jìn)行平移與旋轉(zhuǎn)，適用于非交互性的展示。本文在展示全景時(shí)使用自動(dòng)漫游模式，其步驟如圖2a所示。先在高處進(jìn)行俯視，展示環(huán)境分布概況；然后，視角高度下降至適合高度“抬頭”——從俯視漸變?yōu)槠揭?，環(huán)視一周展示全景近況；最終視角移動(dòng)至正對(duì)收獲機(jī)械，并將視角中心鎖定為收獲機(jī)械，進(jìn)入人工漫游模式。

圖2 自動(dòng)漫游流程與人工漫游示意圖Fig.2 Process diagrams of automatic and manual roamings

人工漫游是人機(jī)交互的重要組成部分，主要觀察對(duì)象是收獲機(jī)械與植株，重點(diǎn)是收獲機(jī)械與植株的交互狀況。以收獲機(jī)械為視角中心，利用鼠標(biāo)控制視角旋轉(zhuǎn)與遠(yuǎn)近，鍵盤輔助控制視角平移，如圖2b所示。設(shè)鼠標(biāo)水平方向的移動(dòng)量為D，通過(guò)轉(zhuǎn)換系數(shù)S將鼠標(biāo)的水平移動(dòng)量轉(zhuǎn)換為視角相對(duì)于中心的旋轉(zhuǎn)量θ和視角自身水平旋轉(zhuǎn)角φ，φ與θ定義為

φ=-θ=-DS

(1)

(2)

式中 [xyz]T——視角在空間的平移矩陣，m

r——相機(jī)與中心點(diǎn)間在水平面的投影距離，m

[xkeyboardykeyboardzkeyboard]T——鍵盤控制視角平移的平移矩陣，m

2 虛擬收獲環(huán)境構(gòu)建

對(duì)于虛擬環(huán)境構(gòu)建，三維模型是其重要基礎(chǔ)[9]。研究重點(diǎn)為收獲仿真，需構(gòu)建收獲機(jī)械與植株的仿真模型，同時(shí)還需構(gòu)建行為控制模型實(shí)現(xiàn)兩者的交互。

2.1 收獲機(jī)械模型

以某收獲機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)及其變速箱為設(shè)計(jì)原型，如圖3所示。該聯(lián)合收獲機(jī)可用于多種谷物收獲，且?guī)в袚芎梯喌母钆_(tái)結(jié)構(gòu)有利于觀察收獲狀況；變速箱分慢8擋、快8擋與倒8擋共有24擋變速，可提供多種行進(jìn)速度的選擇。

圖3 仿真原型Fig.3 Model prototype

收獲機(jī)械由大量的部件與零件組成，且每個(gè)部件含大量零件，而在虛擬環(huán)境中，每個(gè)可視對(duì)象均需要網(wǎng)格信息與紋理信息，包括頂點(diǎn)信息、面片索引信息等數(shù)據(jù)。在虛擬環(huán)境中按照收獲機(jī)械實(shí)際的復(fù)雜程度顯示占用的數(shù)據(jù)量太大。因此，去除非觀測(cè)的部件與零件，收獲機(jī)械模型主要分成車體模塊、割臺(tái)模塊與功能模塊。車體模塊包括車體外殼、車輪等外觀部分。割臺(tái)模塊包括撥禾輪、切割刀具等收獲部分。功能模塊包括收獲機(jī)械的物理組件與腳本組件，如剛體組件、碰撞體組件、車體移動(dòng)腳本與割臺(tái)控制腳本等，如圖4所示。

圖4 收獲機(jī)械模型Fig.4 Harvest equipment model

2.2 虛擬植株模型

植株由莖稈、葉子和果實(shí)構(gòu)成，為了模擬植株的收獲狀態(tài)，根據(jù)植株的流變特性，利用虛擬彈簧與虛擬墻構(gòu)建植株模型，使其能夠根據(jù)風(fēng)雨作用力或碰撞發(fā)生相應(yīng)的變化。

2.2.1植株莖稈模型

農(nóng)業(yè)物料可通過(guò)彈性體、黏性體與塑性體的組合模擬其實(shí)際流變特性[23]。本文采用麥克斯韋模型(Maxwell model)模擬植株流變特性，模型由一個(gè)彈簧和一個(gè)粘壺串聯(lián)組成，可表示物料應(yīng)力松弛過(guò)程，如圖5a所示。Unity3D中的彈簧關(guān)節(jié)組件可以設(shè)置彈力組件與阻尼組件，可用彈簧關(guān)節(jié)組件構(gòu)成麥克斯韋模型模擬植株的變形狀況，其定義為

(3)

式中ε——應(yīng)變

σ——應(yīng)力，Pa

E——物料的彈性模量，Pa

η——物料阻尼系數(shù)，Pa·s

t——時(shí)間，s

有限元分析是物料仿真研究慣用方法[19,21]，細(xì)化模型網(wǎng)格，可將彈性元件散布到微小單元模擬實(shí)際物料變化狀況。因此，效仿有限元仿真方法——離散梁法[19]，采用圓柱體剛性桿與虛擬彈簧連接構(gòu)成植株莖稈模型，如圖5b所示，可通過(guò)圓柱體數(shù)量調(diào)整植株占用數(shù)據(jù)量。

圖5 植株莖稈模型Fig.5 Plant stem model

2.2.2虛擬墻

莖稈模型受力會(huì)出現(xiàn)大間隙，設(shè)置虛擬墻限制莖稈每節(jié)圓柱體的分離。在莖稈每節(jié)圓柱體連接處設(shè)置虛擬墻面，將圓柱體限制在墻面中間。

2.2.3植株模型

將建好的葉子與果實(shí)模型添加在莖稈模型上構(gòu)建出植株模型，利用陣列操作可構(gòu)建成組的植株模型，如圖6所示。

圖6 植株模型構(gòu)建Fig.6 Plant model construction

2.3 收獲機(jī)械、風(fēng)雨與植株的交互

2.3.1收獲機(jī)械與植株作業(yè)行為建模與交互規(guī)則

虛擬對(duì)象的行為表達(dá)可由行為模型與認(rèn)知模型構(gòu)成。行為模型是虛擬對(duì)象對(duì)外部變化的直接反應(yīng)，所模擬的行為應(yīng)符合現(xiàn)實(shí)世界中的基本運(yùn)動(dòng)和行為規(guī)律；認(rèn)知模型是虛擬角色對(duì)獲取的信息進(jìn)行分析、決策執(zhí)行過(guò)程的一種描述。

根據(jù)收獲作業(yè)狀況，將行為控制模型分為不具備認(rèn)知的應(yīng)激行為與基于認(rèn)知的反饋行為。應(yīng)激行為是對(duì)象本身特性的體現(xiàn)，如剛體、碰撞體等特性，可視化結(jié)果為植株與收獲機(jī)械根據(jù)重力系統(tǒng)在環(huán)境平臺(tái)上停留、植株受力后產(chǎn)生偏移等現(xiàn)象；反饋行為是認(rèn)知系統(tǒng)對(duì)外部變化的判斷與推理，根據(jù)推理結(jié)果指導(dǎo)對(duì)象行為表現(xiàn)，可視化結(jié)果為植株被割刀割斷、進(jìn)入收獲口的植株會(huì)消失等現(xiàn)象。一個(gè)外部變化可引起模型多部分的行為表現(xiàn)，多個(gè)行為融合形成作業(yè)現(xiàn)象，如圖7所示。

圖7 行為控制模型Fig.7 Model of behavioral controls

反饋行為可形成行為推理規(guī)則，設(shè)行為推理規(guī)則是規(guī)則R的集合[26]，定義為

R={R1,R2,…,Rn}

(4)

對(duì)任意行為有如下規(guī)則描述：根據(jù)第i個(gè)規(guī)則，對(duì)條件Fi推理并決策，決策結(jié)果傳輸?shù)綀?zhí)行節(jié)點(diǎn)輸出行為Ai，與其他行為產(chǎn)生的可視化現(xiàn)象為Pi，定義為

Ri：IFFiTHENAiSHOW ASPi(i=1,2,…，n)

根據(jù)收獲狀況，收獲機(jī)械與植株的交互行為推理規(guī)則描述如下：

R1：IF 啟動(dòng)割臺(tái) THEN 撥禾輪按照設(shè)定好的扭矩轉(zhuǎn)動(dòng) AND 割刀觸發(fā)器開(kāi)啟 SHOW AS 撥禾輪轉(zhuǎn)動(dòng)可拖拽植株，割刀可切割植株，不會(huì)被植株阻礙前進(jìn)。

R2：IF 植株與割刀接觸 THEN 計(jì)算植株切割處位置 AND 植株切割處圓柱體的連接解除 SHOW AS 植株可被割刀割斷。

R3：IF 植株進(jìn)入收獲口 THEN 計(jì)算進(jìn)入植株中果實(shí)數(shù)量，消滅植株，釋放數(shù)據(jù) SHOW AS 植株消失，收獲量增加。

根據(jù)行為推理規(guī)則，建立收獲機(jī)械與植株的交互規(guī)則，如圖8所示。根據(jù)收獲作業(yè)流程，收獲機(jī)械先利用撥禾輪滾動(dòng)限制植株位移；然后，割刀與植株接觸，解除植株切割處的連接，使植株根部留在地面上，上部被撥禾輪拖拽入割臺(tái)；割臺(tái)螺旋推運(yùn)器帶動(dòng)植株送往收獲口；最后，當(dāng)植株被送入收獲口，計(jì)算其中果實(shí)模型數(shù)量即收獲量數(shù)據(jù)，并將進(jìn)入收獲口的植株消滅以釋放數(shù)據(jù)。

圖8 收獲機(jī)械與植株的交互規(guī)則Fig.8 Interaction rules between harvesting equipment and plants

2.3.2風(fēng)雨與植株的交互行為

為模擬出真實(shí)環(huán)境的復(fù)雜條件，設(shè)計(jì)了風(fēng)雨效果。環(huán)境對(duì)植株主要的影響是風(fēng)雨作用力，風(fēng)作用力是無(wú)形的方向力，雨作用力是液滴碰撞植株產(chǎn)生的力。風(fēng)雨對(duì)植株的影響是植株模型受風(fēng)雨的力產(chǎn)生的應(yīng)激性反應(yīng)，可視化結(jié)果為順著風(fēng)、雨的方向變形。

將風(fēng)、雨兩者均轉(zhuǎn)換為無(wú)形的方向力，且雨的展示效果通過(guò)Unity3D的粒子動(dòng)畫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。設(shè)定風(fēng)的初始方向?yàn)樗较蚯?，雨的方向?yàn)榇怪毕蛳?，風(fēng)雨對(duì)植株的作用力定義為

(5)

式中 [FxFyFz]T——植株莖稈每節(jié)圓柱體的各向受力，N

q——風(fēng)對(duì)植株的均布載荷，N/m

進(jìn)一步激勵(lì)和支持企業(yè)加大研發(fā)投入，以前沿引領(lǐng)技術(shù)、現(xiàn)代工程技術(shù)、顛覆性技術(shù)創(chuàng)新作為突破口，提高知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新能力，把創(chuàng)新型企業(yè)當(dāng)作發(fā)展目標(biāo)，發(fā)展自主核心技術(shù)。同時(shí)，鼓勵(lì)企業(yè)積極在全球產(chǎn)業(yè)鏈中進(jìn)行知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局，可以通過(guò)建立海外代工廠消減加征關(guān)稅影響，或者利用提高技術(shù)許可費(fèi)從而提高海外同類產(chǎn)品價(jià)格的方式有效反擊“301調(diào)查”。

Lsection——植株莖稈每節(jié)圓柱體的均布載荷長(zhǎng)度，m

ψ——風(fēng)力在水平面上與向前矢量的夾角，rad

φ——風(fēng)力在垂直面上與垂直向下矢量的夾角，rad

N——雨的數(shù)量等級(jí)對(duì)應(yīng)的載荷，N

C——植株葉面接觸面積系數(shù)

3 仿真試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

為驗(yàn)證構(gòu)建的植株模型和虛擬收獲環(huán)境符合收獲仿真需求，并可用于收獲機(jī)械作業(yè)行為及性能的仿真試驗(yàn)，首先應(yīng)用所構(gòu)建的收獲機(jī)械仿真平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。驗(yàn)證試驗(yàn)后，進(jìn)行不同條件下的收獲仿真試驗(yàn)，評(píng)估收獲機(jī)械的作業(yè)性能。仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：

(1)風(fēng)雨作用下植株的狀態(tài)變化試驗(yàn)

為驗(yàn)證所構(gòu)建的植株模型可模擬植株受力彈性變化，將風(fēng)、雨作用力均轉(zhuǎn)換為無(wú)形的方向力，選取方向力為1 N，進(jìn)行風(fēng)雨對(duì)植株作用的模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)后，統(tǒng)計(jì)植株不同位置(將植株由下往上分成4段)的變形數(shù)據(jù)，分析植株在風(fēng)雨作用下的狀態(tài)變化和變形特點(diǎn)。每組試驗(yàn)重復(fù)20次。

為模擬玉米的收獲行為過(guò)程，選取收獲機(jī)高低2擋行進(jìn)速度(0.124 m/s和0.939 m/s)進(jìn)行收獲仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程觀察收獲行為、收獲過(guò)程的漏果、漏節(jié)和植株被甩飛的狀況。每組試驗(yàn)重復(fù)5次。

(3)收獲機(jī)械對(duì)植株的收獲性能試驗(yàn)

選取收獲機(jī)械行進(jìn)速度和植株密度為試驗(yàn)因子分別進(jìn)行單因素收獲試驗(yàn)，考慮試驗(yàn)因子對(duì)收獲機(jī)械的收獲性能影響，行進(jìn)速度按照1204型變速箱設(shè)置5個(gè)擋位，分別為0.124、0.156、0.231、0.358、0.939 m/s；植株密度設(shè)置3個(gè)水平，分別為4.6、9.2、18.4株/m2。每組試驗(yàn)重復(fù)20次，試驗(yàn)后統(tǒng)計(jì)收獲個(gè)數(shù)，計(jì)算漏果率。漏果率計(jì)算式為

(6)

式中ωf——漏果率

qT——果實(shí)總數(shù)量

qS——收獲果實(shí)數(shù)量

3.2 結(jié)果分析

3.2.1風(fēng)雨作用下植株的變化

風(fēng)雨作用下同一排植株的位移和速度隨時(shí)間變化的曲線具有相似性，圖9是中間位置植株的位移和速度曲線。

圖9 風(fēng)雨作用下植株變化曲線Fig.9 Variation curves of plants under influence of wind and rain

由圖9可見(jiàn)，在風(fēng)雨作用下，植株各段向力方向偏移，節(jié)點(diǎn)越高偏移幅度越大，而且偏移速度越大；偏移值達(dá)到最大后(此時(shí)速度為0)發(fā)生彈復(fù)現(xiàn)象，植株逐漸恢復(fù)原態(tài)；整個(gè)偏移過(guò)程，植株的速度變化趨勢(shì)類似于正弦曲線。因此，本文所構(gòu)建的植株模型可模擬植株受力彈性變化。

3.2.2收獲過(guò)程中的植株?duì)顟B(tài)

圖10 虛擬收獲仿真Fig.10 Simulation of virtual harvest situation

植株收獲行為觀察試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，其仿真收獲過(guò)程符合收獲作業(yè)流程：首先撥禾輪先限制植株，然后割刀割斷植株，接著植株被撥禾輪拽入割臺(tái)由螺旋推運(yùn)器送往收獲口。正常收獲狀態(tài)如圖10c所示，期間會(huì)出現(xiàn)漏果、漏節(jié)的情況(圖10f)。收獲機(jī)行進(jìn)速度過(guò)高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)植株被甩飛的狀況(圖10d)。試驗(yàn)表明，植株模型符合收獲仿真需求，可用于收獲機(jī)械作業(yè)行為及性能的仿真試驗(yàn)。

3.2.3收獲機(jī)行進(jìn)速度和植株密度對(duì)漏果率的影響

圖11為不同植株密度下收獲機(jī)行進(jìn)速度對(duì)漏果率的影響曲線。由圖可見(jiàn)，漏果率隨著行進(jìn)速度的提高而快速下降，但速度超過(guò)0.385 m/s時(shí)下降緩慢，而且植株密度越高，漏果率下降越緩慢。仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[28-30]的結(jié)論一致。進(jìn)一步方差分析表明，行進(jìn)速度和植株密度均對(duì)收獲機(jī)械的收獲性能影響顯著(P<0.01)。

4 結(jié)論

(1)借鑒有限元仿真分析方法，將植株莖稈分成多個(gè)圓柱體，利用虛擬彈簧和虛擬墻構(gòu)建植株模型，模擬其受力狀態(tài)；同時(shí)，根據(jù)作業(yè)狀況建立行為控制模型，分為不具備認(rèn)知的應(yīng)激行為與基于認(rèn)知的反饋行為，根據(jù)行為推理規(guī)則形成交互規(guī)則，實(shí)現(xiàn)收獲機(jī)械與植株之間的交互。

圖11 不同行進(jìn)速度下收獲漏果率Fig.11 Harvesting fruit loss rate at different travel speeds

(2)多組收獲仿真試驗(yàn)表明，虛擬環(huán)境建模可靠，農(nóng)業(yè)裝備模型運(yùn)行正常，與植株交互效果真實(shí)；所構(gòu)建仿真平臺(tái)有效，漏果率隨著收獲機(jī)行進(jìn)速度的提高而快速減小，植株密度越高，漏果率下降越緩慢，符合實(shí)際收獲規(guī)律。

(3)構(gòu)建的收獲仿真平臺(tái)可進(jìn)行收獲機(jī)械作業(yè)性能評(píng)估。