玉米收獲機虛擬樣機的仿真作業(yè)研究

鄭思思,王小花

(唐山科技職業(yè)技術(shù)學院,河北 唐山 063000)

0 引言

傳統(tǒng)的玉米收獲機設(shè)計思路為:選定設(shè)計方案→零件計算校核→樣機制造→樣機測試→設(shè)計方案改進。整個設(shè)計流程復雜,特別是樣機測試完成后需要對原設(shè)計方案進行改進,耗時費力[1-2]。隨著計算機性能的提高,虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展越來越成熟。目前,虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)開始應用于大型農(nóng)機的駕駛員培訓[3-4]。如果將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于玉米收獲機的設(shè)計,進行虛擬環(huán)境下的測試與改進,可以顯著提高整個設(shè)計流程效率,顯著降低設(shè)計成本[5-6]。為此,通過對環(huán)境系統(tǒng)和收獲機建模,并根據(jù)真實環(huán)境中收獲機和環(huán)境因素的相互作用方式,建立環(huán)境系統(tǒng)和收獲機交互模型,最終在虛擬環(huán)境中對收獲機的關(guān)鍵參數(shù)爬坡性能和制動性能進行測試,以期為虛擬現(xiàn)實技術(shù)在玉米收獲機設(shè)計中應用提供新思路。

1 系統(tǒng)組成

為了實現(xiàn)玉米收獲機在虛擬環(huán)境中的作業(yè)仿真,提高收獲機設(shè)計及改進效率,設(shè)計了虛擬樣機仿真系統(tǒng),如圖1所示。首先,建立VR虛擬環(huán)境系統(tǒng),實現(xiàn)玉米收獲機工作場地環(huán)境設(shè)置,包括地形模型、地高模型和地物模型;其次,將收獲機運行過程參數(shù)化,包括發(fā)動機驅(qū)動模型、收獲機轉(zhuǎn)向模型和制動模型等;再次,完成收獲機模型和VR虛擬工況環(huán)境模型的交互,基于ODE開源物理引擎[7-8],建立收獲機和虛擬環(huán)境模型的Body組件,采用Hinge()運動約束鉸函數(shù)實現(xiàn)收獲機自身各部分間的相對運動,完成收獲機和VR環(huán)境交互作用設(shè)計流程;最后,對系統(tǒng)進行爬坡測試和制動測試,完成虛擬環(huán)境下對于收獲機性能的測試。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 Structure of system

2 VR環(huán)境設(shè)計

現(xiàn)實環(huán)境中,玉米收獲機會遇到各種路況(包括地形起伏、地壟和排水溝等),也會遇到建筑物及植物等。因此,在虛擬樣機系統(tǒng)中需要還原玉米收獲機的工作環(huán)境。

VR虛擬場景再現(xiàn)是將現(xiàn)實中玉米收獲機工作過程中遇到的各種地形和地物模型化,VR虛擬環(huán)境設(shè)計如圖2所示。其中,地形模型包括障礙、排水溝,地壟;建立地高模型,實現(xiàn)顛簸路面和坡路。地物模型為收獲機運行過程中遇到的植物和建筑物,植物包括樹木,農(nóng)作物等,建筑物包括樓宇、大棚和警示牌等。

圖2 VR虛擬環(huán)境設(shè)計Fig. 2 The design for VR virtual environment

數(shù)字地形通過在Multigen Creator[9-10]環(huán)境下建立地形函數(shù)來完成,地形函數(shù)Kp為

Kp=fk(xp,yp),k=1,2,...,n;p=1,2,...,m

(1)

其中,xp、yp為地圖平面坐標,將所有地圖坐標排列成一維數(shù)列,則xp、yp坐標在該數(shù)列中的序號為p,整個一維數(shù)列中坐標點個數(shù)為m;fk為第k地形的函數(shù),地圖中共含有n中地形函數(shù),包括障礙、排水溝和地壟等。

數(shù)字地形中另外一個重要模型設(shè)置為地高模型,通過地高模型實現(xiàn)顛簸路面和坡度設(shè)置。地高模型函數(shù)為地圖平面坐標(xp,yp)對應的高度為Kzp,即

Kzp=fz(xp,yp)

(2)

將坐標一維化后,可以等到整個地圖的一維地形高度向量{Kzp,p=1,2,...,m},進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)簡化存儲。

地物模型的建立廣泛采用外部引用、實例化和布告板技術(shù)。由于樹木和農(nóng)作物等在VR虛擬場景建設(shè)中應用非常成熟,采用外部引用的方法可以有效降低數(shù)據(jù)量,精簡系統(tǒng)架構(gòu)[11-12]。同時,樹木和農(nóng)作物等還具有多次重復出現(xiàn)的特點,可以引入實例化方案。首先,建立一棵草的引用模型,認為草地為草模型及其副本組成;最后,修改草模型,改變所有副本,進而改變整個草坪,既降低了系統(tǒng)修改難度,又節(jié)約了系統(tǒng)內(nèi)存空間[13]。對于建筑物模型,則采用布告板技術(shù),繪制一個帶貼圖的矩形區(qū)域,并保證每幀矩形都是正對視點,從而實現(xiàn)了立體效果。

3 玉米收獲機運行模型

工作時,玉米收獲機由發(fā)動機提供有效功率和有效轉(zhuǎn)矩,通過方向盤控制轉(zhuǎn)向油缸,進而控制轉(zhuǎn)向機構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎動作,通過制動踏板完成減速和停止;發(fā)動機提供動力,轉(zhuǎn)向機構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向,剎車系統(tǒng)實現(xiàn)減速和停止,進而實現(xiàn)玉米收獲機的基本動作。虛擬系統(tǒng)同樣要實現(xiàn)玉米收獲機的基本動作,則應建立發(fā)動機動力模型、轉(zhuǎn)向模型和制動模型,進而實現(xiàn)玉米收獲機自身控制模型。

3.1 發(fā)動機動力模型

發(fā)動機為玉米收獲機提供動力,其有效轉(zhuǎn)矩決定收獲機輪上扭矩以及克服泥濘路況能力,也決定收獲機加速性能以及收獲機的工作效率和玉米承載能力[14-15]。根據(jù)現(xiàn)實中玉米收獲機發(fā)動機工作狀況,建立發(fā)動機輸出有效功率模型和有效轉(zhuǎn)矩模型,進而將模型數(shù)學表達式引入虛擬運行系統(tǒng)?，F(xiàn)實工況下發(fā)動機有效功率和有效轉(zhuǎn)矩如圖3所示。

圖3 發(fā)動機動力模型Fig.3 The power model for engine

由圖3可知,有效功率隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速呈線性遞增趨勢。對其進行線性擬合,結(jié)果如式(3)所示,擬合決定系數(shù)R2達到0.9833。

y=0.0645x-4.1162

(3)

圖3中,隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升高,有效扭矩為先增加后降低趨勢。對其進行二次多項式擬合,結(jié)果如式(4)所示,擬合決定系數(shù)R2=0.9596。兩模型擬合決定系數(shù)表明:在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為800～1800r/min區(qū)間內(nèi),可以很好地表征發(fā)動機有效功率和有效扭矩。

y=-0.0002x2+0.535x+232.58

(4)

3.2 收獲機轉(zhuǎn)向與制動模型

玉米收獲機轉(zhuǎn)向機構(gòu)工作時,方向盤控制轉(zhuǎn)向油缸長度,轉(zhuǎn)向油缸驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動,進而通過控制方向盤轉(zhuǎn)動角度,實現(xiàn)對于轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向控制。制動系統(tǒng)的制動力矩和制動踏板踩下深度成正比關(guān)系,基于上述原理,建立制動模型。

方向盤的轉(zhuǎn)動角θ范圍為[-532o,532o],對應的油缸伸長量x范圍為[60mm,60mm],二者關(guān)系如圖4所示。

圖4 玉米收獲機轉(zhuǎn)向模型Fig. 4 Steering model for corn harvester

方向盤轉(zhuǎn)向角和油缸伸長量成線性分布,則轉(zhuǎn)動角θ和油缸伸長量x一階微分關(guān)系為

(5)

由圖4可知:油缸一端采用鉸接的方法固定在機架鉸接點D上,伸長端鉸接在轉(zhuǎn)向連桿鉸接點E上;轉(zhuǎn)向連桿鉸接點E到轉(zhuǎn)向輪軸鉸接點O之間的距離為l1,機架鉸接點D到轉(zhuǎn)向輪軸鉸接點O之間的長度為l2,機架鉸接點D到轉(zhuǎn)向連桿鉸接點E之間的距離為l3-x,x為轉(zhuǎn)向油缸伸長量。因此,油缸伸長量x和轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角Φ之間的關(guān)系以及方向盤轉(zhuǎn)動角θ和轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角Φ之間的關(guān)系分別為

(6)

(7)

玉米收獲機制動力矩T和制動踏板踩下行程L成正比關(guān)系,最大制動力為Tmax,制動踏板最大行程為Lmax,則制動力矩T和制動踏板踩下行程L模型為

(8)

4 虛擬現(xiàn)實交互控制系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實的交互控制是將已經(jīng)完成的環(huán)境VR設(shè)計和玉米收獲機數(shù)學模型按照真實環(huán)境中的相互作用,交互完成一個完整的虛擬系統(tǒng)。本系統(tǒng)基于ODE(Open Dynamics Engine) 開源物理引擎進行設(shè)計,需要實現(xiàn)玉米收割機導向輪、驅(qū)動輪和收割部件與機體之間的相互運動,再將已經(jīng)完成的環(huán)境VR設(shè)計和玉米收獲機模型,集成在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中。

4.1 模型物理屬性的實現(xiàn)

玉米收獲機的虛擬交互系統(tǒng)包括收獲機模型和VR虛擬環(huán)境,VR虛擬環(huán)境包括地形模型和地物模型。本虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)基于ODE開源物理引擎進行實現(xiàn),將每個模型的多種特性梳理成 “Body”組合實體,如圖5所示。其中,“Body”組合實體包括固有屬性和變化屬性。固有屬性包括材料、質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量屬性,變化屬性則包括位置、速度和旋轉(zhuǎn)矩陣等。

圖5 模型物理特性的實現(xiàn)Fig.5 The realization of physical characteristics for model

ODE開源物理引擎提供多種關(guān)節(jié)類型,包括一自由度關(guān)節(jié)Hinge()和兩自由度關(guān)節(jié)Hinge2()函數(shù)等。設(shè)收獲機前進方向為y軸正方向,驅(qū)動軸轉(zhuǎn)軸方向為x軸方向,收獲機垂直向上為z方向。其中,驅(qū)動輪只繞輪軸進行轉(zhuǎn)動可以采用Hinge(Jx)表示;導向輪既繞著x軸方向轉(zhuǎn)動,又繞著z方向轉(zhuǎn)動,因此采用自由度關(guān)節(jié)Hinge2(Jx,Jz)表示;收割臺整體繞x軸轉(zhuǎn)動,可以表示為Hinge(Jx);方向盤則沿著z軸轉(zhuǎn)動,可以表示為Hinge(Jz)。至此,實現(xiàn)玉米收獲機各部分之間相對運動。

4.2 虛擬現(xiàn)實交互控制流程

虛擬現(xiàn)實交互控制是實現(xiàn)玉米收獲機模型和VR環(huán)境模型之間的交互,流程如圖6所示。

圖6 虛擬現(xiàn)實交互系統(tǒng)實現(xiàn)流程Fig. 6 The flow for the achievement of virtual reality interactive system

5 系統(tǒng)測試

基于ODE開源物理引擎實現(xiàn)了玉米收獲機自身相對運動以及和VR環(huán)境模型的交互,進而實現(xiàn)了玉米收獲機的虛擬樣機系統(tǒng)。上坡性能和制動性能是玉米收獲機的兩大關(guān)鍵性能參數(shù),現(xiàn)采用本虛擬樣機系統(tǒng)對玉米收獲機的上坡性能和制動性能進行測試,結(jié)果如圖7所示。

圖7 虛擬樣機系統(tǒng)仿真測試Fig.7 The simulation test for virtual prototype system

由圖7(a)可知:在0～4s區(qū)間內(nèi),發(fā)動機持續(xù)輸出功率,收獲機以0.98m/s2的加速度進行加速,速度曲線為快速上升趨勢,位移曲線持續(xù)上漲;在4～6.5s區(qū)間內(nèi),收獲機處于勻速狀態(tài),速度曲線維持不變,而位移曲線持續(xù)上升;在6.5～12s區(qū)間內(nèi),收獲機受到4800N·m的制動力矩,平均加速度為-0.64m/s2,總制動長度為18m,表明玉米收獲機制動和加速性能良好。

由圖7(b)可知:在0～2s內(nèi)處于上坡路段,測試牽引力不斷上升,豎直方向位移不斷增加,而速度處于下降階段;在2～6s內(nèi)玉米收獲機處于坡頂,此時牽引力開始下降,速度也隨之下降;在3～3.5s內(nèi)牽引力增大,速度隨之增大,在3.5～4.5s內(nèi)牽引力下降,同時速度區(qū)域平穩(wěn);在4.5～6s內(nèi),牽引力處于平穩(wěn)狀態(tài),速度也進入平穩(wěn)狀態(tài);6～8s內(nèi)處于下坡狀態(tài),期初牽引力較低,造成在下坡路段上速度不斷下降;在7～8s內(nèi),牽引力提高,速度開始提高;8～10s區(qū)間,處于坡下平路,牽引力逐步在高位開始下降,而速度逐步升高。虛擬樣機測試結(jié)果表明:玉米收獲機速度響應迅速,且具有良好的爬坡能力。

6 結(jié)論

為了實現(xiàn)玉米收獲機的虛擬設(shè)計與性能測試,設(shè)計了收獲機虛擬樣機系統(tǒng)。首先,進行VR環(huán)境設(shè)計,以及數(shù)字地形模型和地物模型設(shè)計,且數(shù)字地形在Multigen Creator 環(huán)境中通過地形函數(shù)實現(xiàn),地高模型基于地高函數(shù)實現(xiàn),并形成一維地高向量;其次,根據(jù)實際工況完成玉米收獲機模型,有效功率采用線性函數(shù)進行擬合,擬合決定系數(shù)R2=0.9833,有效轉(zhuǎn)矩采用二次多項式函數(shù)進行擬合,擬合決定系數(shù)R2=0.9596,建立收獲機轉(zhuǎn)向模型和制動模型;再次,基于ODE建立虛擬現(xiàn)實交互控制系統(tǒng),收獲機各部件采用鉸鏈函數(shù)Hinge()實現(xiàn)相對運動,進而建立虛擬現(xiàn)實交互系統(tǒng);最后,利用虛擬樣機對玉米收獲機制動性能進程測試,表明玉米收獲機制動和加速性能良好。