基于VR的花生覆膜播種機仿真試驗平臺開發

劉圣民 尚書旗 王東偉 何曉寧 劉兵 楊文卿

摘要：針對大型農業裝備設計過程中存在參數調節困難、拆裝難度大、設計成本高、工作危險性等問題，以大型農業裝備4壟8行花生覆膜播種機為對象，通過Idea VR創作引擎虛擬現實開發工具，設計開發了集機具虛擬拆裝、虛擬操作演示、參數仿真調節等于一體的仿真試驗平臺。結果表明，該試驗平臺的成功應用可以縮短農業裝備研發設計周期，同時搭建的場景可以用于學生試驗教學和實訓，幫助加深認知，降低試驗教學成本，減少實訓風險。

關鍵詞：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

虛擬現實（VR）技術以計算機技術為核心支持，通過虛擬現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技術的發展步入了快車道，其在3D游戲開發、醫療診斷、科學研究、教育教學等領域的應用不斷深入，并取得了一系列成果[2-6]。而將VR技術應用到農業機械與裝備上，可以幫助涉農專業尤其是農業機械領域大學生加深學習認知，同時可以實現對農機手的培訓和考核，使得VR技術成為現代農業裝備仿真研究發展的重要方向之一。

隨著科學技術的不斷發展進步，農業逐漸與信息行業相互融合，農業裝備數字化設計技術研究需求越來越大。農業作為國民經濟的重要基石，其中種植業是農業的一大支柱，播種則是種植業生產作業的重要一環。播種機作業性能直接影響播種作業質量。青島農業大學研制的2BMF-4/8型花生覆膜機是一種可折疊式的大型花生覆膜聯合作業機械，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，解決了單體運動干涉與仿形問題，實現了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，播后展壓覆膜、膜上覆土等作業，在運輸過程中，可以同時實現兩側播種機框架的平行折疊[8]。該播種機結構復雜，功能多種多樣，選擇該機型作為研究載體意義重大。其整體結構示意見圖1。

1 場景平臺搭建

首先，分析花生覆膜聯合作業播種機的工作原理，獲取相應的技術參數，并利用solid works軟件，構建播種機的三維模型，從而實現播種機整機的裝配;利用3DS Max軟件，進行格式轉化與模型優化。然后，在此基礎上利用VR、3D仿真等虛擬現實開發技術，通過IdeaVR創作引擎等虛擬現實開發工具，將制作好的播種機三維數字模型導入到場景中，并對材質、環境進行虛擬現實引擎所獨有的實時渲染，開發出花生覆膜聯合作業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，對虛擬現實場景搭建中用到的方法、流程步驟和關鍵技術進行研究。最后，完成虛擬仿真實踐系統的設計與開發，通過該系統，用戶能夠學習播種機的基礎知識并且進行虛擬拆裝，同時實現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實試驗平臺開發過程見圖2，搭建完成的場景示意見圖3。

1.1 拆裝區域場景搭建

花生覆膜播種機的基本結構包括懸掛架、種箱、排種器、仿形裝置、地輪、傳動裝置、覆土裝置等。將導入的由SolidWorks繪制的數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，在點擊對應部件時實現布告板同步顯示。

1.3 播前調整區域場景搭建

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

在操作過程中，使用配套手柄切換至播前調整區域，通過手柄射線點擊界面左側“排肥量調整”按鈕，按鈕有凹感，同時鏡頭切向調整界面（圖9）。調整完成后，畫面會自動切換到主界面，按鈕出現凸感，依次點擊剩余按鈕，顯示相應調整界面。后期可以根據不同機具，模擬不同的狀態調整，豐富學生認知。學生操作過程中如遇困難，可以點擊右側一列演示按鈕，點擊后，按鈕呈現凹感，播放對應演示視頻。此處，以排肥量調整為例，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，設定Time與Value值，選擇要切換的畫面，設定開始結束位置，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“排肥量調整”按鈕作為觸發對象，以鼠標作為操作對象，調入任務框、對象框、觸發框及動畫，同時選取邏輯單元中Pyhton腳本中的“觸發節點選項”，任務框中勾選“激活”，輸出端“開始”鏈接觸發框“激活”，選擇對象框“輸出節點”鏈接觸發框“輸入節點”。最后將觸發框“左擊”輸出點與視頻文件“播放”輸入點鏈接，保存，此交互編輯節點便完成。

2 結論

本研究將虛擬現實仿真技術與大型農業裝備——4壟8行花生覆膜播種機相結合，通過SolidWorks軟件進行三維數字建模，利用Idea VR創作引擎完成了花生覆膜播種機虛擬現實仿真試驗平臺開發，可實現裝備虛擬拆裝、模型動態演示、場景漫游等功能的演示和在線模仿真實工作場景、節點操作、參數調整的虛擬操作。該虛擬現實仿真試驗平臺的開發，打破了時間、地點的限制，學生可隨時隨地進行訓練，研發人員可以隨時隨地進行產品設計檢驗，改變了傳統的視頻教學動畫演示、實地操作培訓的實訓模式，利用3D虛擬現實的良好沉浸感和交互性，擺脫學生過于依賴教科書和物體的現實，突破傳統的教學方法，將課堂從“二維”擴展到“三維”，從靜態擴展到動態，學生從被動式學習模式轉變為互動式學習，有效地幫助學生理解教學內容，最大限度地調動學生的學習積極性，培養其動手能力和創新能力，使教學內容更加逼真形象、教學過程更加生動靈活。同時，虛擬現實仿真試驗平臺可以循環使用，損耗少，而且試驗平臺接入數據庫后可以提供更多的仿真場景，解決了如下問題：傳統機械實驗室由于部件體積大、部件笨重造成拆裝不便;由于部件數量較少且部件易損壞造成試驗器具緊缺，可提高學生實驗室操作水平，提升實訓質量。該平臺與教師實驗室教學相互補充，為學生提供開放便利的使用環境，同時緩解試驗設備緊張、減少實驗室設備維護次數，從而節省資金。該虛擬現實仿真試驗平臺已在青島農業大學機電工程學院農業機械制造專業使用，學生對相應的知識接受快、理解深，有利于教師課堂教學;同時該虛擬現實仿真試驗平臺的開發為其他專業特別是大型復雜裝備的設計研發、試驗操作等提供了思路，推廣應用價值高。

參考文獻：

[1]曾建超，俞志和. 虛擬現實的技術及其應用[M]. 北京：清華大學出版社，1996.

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[5]何 偉. Unity虛擬現實開發圣典[M]. 北京：中國鐵道出版社，2016.

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[7]何曉寧，尚書旗，王東偉，等. 2 MB-2/4型夏花生滅茬覆膜播種聯合作業機的研究[J]. 農機化研究，2016（1）：212-216.

[8]王東偉，尚書旗，何曉寧，等. 可折疊式四壟八行大型花生播種機：CN205266167U [P]. 2016-06-01.