基于Unity 3D 的農業機械虛擬拆裝駕駛仿真平臺開發

摘 要： 為實現農業機械學課程農業機械結構虛擬拆裝與駕駛教學，應用Solidworks 和3Ds Max 創建與農業機械學課程教學內容匹配的農業機械三維模型，基于Unity 3D、結合X Dreamer 可視化編程與C#腳本編程，開發人機實時交互農業機械拆裝駕駛虛擬仿真開源平臺。構建了平臺總體框架與界面層級，闡釋了平臺操作頁面、虛擬拆裝模塊、虛擬駕駛模塊的設計流程與主要程序代碼。用戶可以在該仿真平臺上進行虛擬拆裝、虛擬駕駛和場景漫游，直觀深入地掌握農業機械的復雜結構和運行原理等核心知識點，實現理論知識與實踐知識的高度融合。該研究為虛擬拆裝與駕駛教學仿真平臺的開發提供參考。

關鍵詞：Unity 3D；三維建模；虛擬拆裝；虛擬駕駛；農業機械學

中圖分類號：S24 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）11-0023-07

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.202411304

0 引言

農業機械結構認知、拆裝與駕駛是農林類高校農業機械化及其自動化專業（以下簡稱農機專業）農業機械課程設計課程、農業機械駕駛實習課程和農業機械綜合實驗課程等實踐的主要內容，多采用實物觀摩、拆裝駕駛實習等方式實現。拆裝、駕駛不僅能夠加強學生對機械結構與裝配關系的理解，還有助于提升實踐技能，對提高教學效果具有顯著作用。但農業機械裝備種類繁多、結構復雜，農業機械拆裝與駕駛危險系數高、受場地限制大、費時費力及成本高，難以實現學生人人動手實踐[1]。區別于傳統試驗，虛擬仿真技術通過計算機模擬產生一個多源信息融合、交互式的三維動態空間，為用戶提供視覺、聽覺等感官的沉浸式模擬體驗，使用戶能夠突破物理空間與實物空間的限制，以經濟實用、安全高效且可視化的方式完成試驗并獲取相關知識，被廣泛應用于實驗教學，虛擬仿真平臺的作用和效果日益顯現[2-6]。

虛擬仿真技術發源于美國，國外虛擬仿真應用于拆裝教學的時間較早，并向交互式與虛擬現實方向發展。德國比勒費爾德大學建立了CVC（CODY VirtualConstructor）虛擬仿真裝配系統，通過簡單的語言命令交互或者直接通過虛擬的三維操作進行交互[7]。加拿大溫莎大學結合虛擬裝配和仿生智能，通過仿生的神經網絡對裝配序列進行評估和優化。希臘帕特雷大學的克里斯索魯里斯等開發了嵌入人機工程模型和分析功能的虛擬裝配單元[8]。MITROUCHEV P 等[9]、ABIDI M H 等[10] 對鼓風機外殼裝配的案例進行分析，研究了一種使用桌面觸覺虛擬環境作為裝配操作的設計工具。

國外虛擬仿真平臺多應用于工業領域。在農業機械裝備虛擬仿真領域，我國研究人員應用虛擬仿真技術開發了各類農業機械虛擬仿真平臺。中國農業大學建立了機械與農業工程虛擬仿真實驗教學中心，山東建筑大學雷文等[11] 研發了農業機械學仿真教學系統，這兩個系統功能全面，涵蓋了耕整地、播種、植保和收獲等農業機械拆裝與設備維修保養及工作原理展示，還可以實現虛擬農場場景作業。華南農業大學開發了水稻生產全程機械化關鍵環節虛擬仿真試驗系統[12]，華中農業大學開發了油菜全程機械化作業虛擬仿真試驗教學平臺，河南農業大學何勛等[13] 圍繞黃淮海地區主要農作物生產機械開發了試驗實習教學平臺，這3個虛擬仿真教學平臺，實現了某一作物生產全程機械化機械裝備的虛擬拆裝與駕駛。江蘇大學開發了大型高地隙噴桿噴霧機參數調控虛擬仿真實驗平臺，實現了植物保護機械的拆裝與虛擬駕駛。上述虛擬仿真試驗平臺突破了線下實踐實習的場地和裝備限制，實現了虛擬拆裝駕駛。

虛擬仿真教學平臺在理論教學中具有廣泛應用潛力。農業機械學課程是農機專業核心專業課，講授的是主要糧食作物與經濟作物在耕整、播種、田間管理和收獲全程機械化環節中主要農業機械的農藝要求、結構組成、工作原理、理論分析、試驗手段和設計方法，將虛擬仿真試驗教學融合到該課程的理論教學中，以降低理論知識的理解難度，增加學生課堂體驗感，提升學習興趣，對提升農業機械學課程教學質量具有重要作用[14]。

本研究運用虛擬仿真技術，開發人機實時交互的農業機械拆裝使用虛擬仿真平臺，實現農業機械學課程講授的農業機械的虛擬拆裝與虛擬駕駛。

1 平臺總體設計方案

1.1 平臺組成框架

為保證仿真平臺具備較強的擴展性、獨立性和交互性，將整個平臺的運行框架分為5 層，分別為數據層、支撐層、通用服務層、業務邏輯層和應用層，每一層為上一層提供支撐，層層相扣，共同完成整個仿真平臺的搭建，仿真平臺總體組成框架如圖1 所示。

數據層主要包括整個農業機械拆裝使用虛擬仿真試驗平臺用到的虛擬仿真試驗的模型及模型數據、虛擬仿真試驗來訪的用戶信息數據、試驗所用到的課程知識數據、規則數據、操作打分數據和基本元件數據等，平臺通過對數據的調用及管理存儲。

支撐層是支持農業機械拆裝使用虛擬仿真試驗運行的大腦部分，也是平臺運行的基礎部分，承擔著整個平臺的基礎正常運行和維護管理，支撐層主要包括安全管理、服務管理、數據管理和資源管理。

通用服務層包括為農業機械拆裝使用虛擬仿真試驗平臺提供服務的一些通用支撐組件，以便學生或者用戶能快速地完成虛擬仿真試驗，系統的通用服務包括有實驗教學管理、實驗教務管理、理論知識學習管理、實驗資源管理、互動交互管理、實驗報告管理、教學效果評估管理及項目開放與共享管理等。

業務邏輯層是平臺主要內容部分，包括模型化、可視化和功能化模塊，如圖2 所示。其中，模型化內容是最基礎也是最重要的內容，與農業機械學課程知識內容相匹配，包括耕整地、播種和收獲3 個主要機械化環節對應的3 類9 種不同的農業機械，每種農業機械又包含了10 余個部件與100 多個零件。每一種農業機械包含了各零件的裝配、運動信息，為展示機具的組成與工作原理及駕駛操作提供了模型支撐?？梢暬瘍热萦杀尘皟热莺吞摂M漫游組成，主要是畫面的背景、模型及用戶查看結構等的內容。功能化內容由運行原理、手動拆裝及拆裝動畫內容組成，還有一個駕駛模塊，用戶可以查看到農機工作的狀態。

應用層是在其他層的服務上，農業機械拆裝使用虛擬仿真試驗平臺的開放教學與共享。利用了仿真層提供的實驗模型及相應的仿真功能，服務層提供的過程記錄與考核評價等功能，最后形成一個完整的農業機械拆裝使用虛擬仿真試驗平臺，學生或者其他用戶可以通過下載對應名稱的軟件，進入到試驗學習中。

1.2 平臺界面層級

Unity 3D 是一款匯集三維視頻游戲、模型可視化、實時三維動畫等類型互動內容的多平臺綜合型游戲開發工具?？梢暬Ｊ娇梢允归_發者輕松構建互動體驗，其參數可以在系統運行時更改[15-17]。本仿真平臺利用Unity 3D 內置的強大的GUI 系統及可視化編程插件XDreamer 進行了交互界面設計。

平臺共設計了3 個層級的界面，由若干個場景組成，如圖3 所示。第1 層級為主界面即平臺的初始界面；第2 層級界面有3 個頁面，分別為微型手扶式耕地機、復式切根補播機和手扶式花生收獲機的整機及零部件位置展示；第3 層級界面分別為3 種農業機械的零部件展示頁面和虛擬駕駛頁面。零部件展示包括零部件的運行原理展示、手動拆裝及自動拆裝動畫。駕駛模塊包括了3 種農業機械的出庫?啟動?工作?停止?入庫的整個工作流程。

1.3 平臺開發技術流程

農業機械虛擬拆裝駕駛仿真試驗平臺以Unity 3D引擎作為開發平臺，應用Solidworks 建模軟件來進行農業機械的建模，在3Ds Max 中進行了模型的文件中轉、零件軸點矯正及貼圖渲染。然后將.fbx 格式的模型文件導入Unity 中進行場景搭建，并結合X Dreamer 可視化編程與C#腳本編程，完成相關指令UI、平臺界面設計及動畫制作等，實現仿真平臺的開發，其開發技術流程如圖4 所示。

2 平臺操作頁面設計

2.1 UI 界面創建

可視化模塊是仿真平臺的重要組成部分，因此系統界面UI 的設計尤為重要。UI 即user interface，是一種用戶操作界面，UI 界面要能夠傳遞簡潔清晰的信息，交互操作需設計得簡易直觀，使用戶能夠快捷地獲取重要信息，其色彩搭配也需要保證美感。

以第1 層級頁面設計為例，采用Unity GUI 界面與X Dreamer 可視化編程相結合的方法設計。首先是Unity 中UI 的創建。一是創建一個用于放置農業機械的廠房場景，并創建相關按鈕、畫板等；二是將微型手扶式耕地機、切根施肥補播復式機、手扶式花生收獲機、拖拉機、聯合耕作機、D9-3000 型條播機和旋耕機6 種農業機械模型導入并放置于合適的位置；三是創建5 個相機，分別為1 個定點相機、3 個平移繞物相機，1 個跟隨相機。其次是X Dreamer 中文狀態機的編輯，設置其中的按鈕，以及將按鈕鏈接到對應的畫板中，實現第1 層級界面的交互。第1 層級交互界面如圖5 所示。

2.2 相機創建

不同場景需要從不同角度獲取不同畫面，相機是Unity 中提供捕獲畫面作用的組件。為使不同界面中的內容得到充分的展現，每個界面的相機選擇尤為關鍵。本仿真平臺開發過程中未直接采用Unity 3D 中默認的主相機來顯示設計的場景，而是根據不同界面的功能要求，設置多種相機對象或者相機轉換來渲染界面所需展示的農機部分，達到虛擬漫游、虛擬駕駛的功能。

第1 層級使用了1 個用于獲取界面畫面的定點注視相機、3 個用于獲取主要農機模型的平移繞物相機和1 個實現場景虛擬漫游的跟隨相機。第2 層級與第3 層級界面需要展示整機模型及零部件細節，通過在XDreamer 檢查器內設置相機的剪切平面、移動速度、旋轉速度、XY 軸旋轉限定和距離限定范圍變量的值等參數，完成平移繞物相機的設置。

以第3 層級中虛擬駕駛模塊為例，此模塊使用了一個限制相機轉動角度的平移繞物相機和一個以第三人稱跟隨對象移動的跟隨相機。以下是平移繞物相機限制角度的部分代碼：

cameraAngle=newVector3（ cameraAngle.x+（ MouseInput.y*Time.deltaTime*cameraRotateSpeed）， camera Angle. y + （Mouse Input. x *Time. Delta Time *camera Rotate Speed）， 0）;

camera Angle.x = Mathf. Clamp（ camera Angle.x， clamp Angle.y，clamp Angle.x）;

camera Point. Local Euler Angles = camera Angle;

該相機的角度只需要設置X、Y 兩個變量就可以完成平移繞物的功能。另外設置相機的旋轉速度參數，設定一個最大的旋轉角度參數clamp Angle.x 和clampAngle.y，使得相機在超過了最大的旋轉角度就返回到最大的旋轉角度，并讓相機跟隨部件運動。

2.3 場景跳轉及退出

場景跳轉及退出也是平臺界面切換不可缺少的部分。本仿真平臺采用兩種方法來完成其設計。退出功能使用X Dreamer 可視化編程，場景跳轉采用創建腳本的方法。

退出功能的實現首先在X Dreamer 狀態機中創建狀態機控制器，再在控制器中進行退出的設計。退出功能需要在狀態庫里點擊輸入鍵碼、生命周期事件簡版添加，在輸入鍵碼的檢查器中找到鍵碼→元素一欄，設置Escape 鍵為退出鍵，在生命周期事件簡版的檢查器中進入編輯里找到退出程序，再在狀態機里把開始?輸入鍵碼?生命周期簡版系數?退出連接起來，即可實現退出功能。

場景跳轉采用創建腳本的方法，在按鈕的位置、大小等被設置好后，將要切換的場景添加到文件的Build Settings 下的Scenes In Build 下面，把腳本添加到切換場景按鈕上面的OnClick。具體腳本代碼如下：

using System. Collections;

using System. Collections. Generic;

using Unity Engine;

using Unity Engine. Scene Management;//首先要記得引用命名空間

public class Change Scene Test ： Mono Behavior

{ public void On Click（）

{ Scene Manager. Load Scene（\"Scene Name\"）;//要切換到的場景名 }}

3 虛擬拆裝模塊

本仿真平臺的虛擬拆裝模塊可以分為手動拆裝和自動拆裝，兩部分均含有虛擬拆卸和虛擬裝配的內容。虛擬拆卸就是一個整體機械按照其正確的順序進行拆卸的過程，虛擬裝配就是零件按照其規定的約束關系進行重新組裝與配合的過程。

3.1 模型材質優化處理

在創建虛擬拆裝模塊前，首先需要對模型材質進行優化處理。農業機械的三維模型作為拆裝模塊的基礎，模型越細致逼真，材質越形象擬實，用戶的沉浸感越強，體驗感越好。因此，采用材質烘焙和貼圖技術，使農機模型的特征更為凸顯，其光感更加細膩真實。當模型轉換到Unity 后，由于文件轉換中模型材質會遺失，故需要重新創建材質，調節材質的顏色、金屬度和平滑度，使得模型具有一定的金屬質感。如果導入到場景內的模型光線較暗影響到模型展示，可以直接調節燈光的檢查器，或添加一個反射探測器，在反射探測器檢查器中將“類型已烘焙”改為自定義，然后添加一個紋理的立方體貼圖，從而增強場景的亮度和模型的金屬光澤度。

3.2 手動拆裝功能

在手動拆裝功能中，用戶可以通過鼠標點擊任意零件使其呈高亮狀態，然后通過拖拽鼠標移動零件，進而實現了對零件的手動拆裝。

手動拆裝功能的實現通過以下步驟。首先，手動拆裝界面的面板和UI 元素設計完成后，在X Dreamer中創建一個與主頁相關聯的手動拆裝的子狀態機，打開子狀態機，在狀態庫里面選擇按鈕點擊和游戲激活對象。給按鈕點擊附加手動拆裝界面的返回按鈕，給游戲激活對象附加手動拆裝的面板。其次，在Unity的component-gt;physics 中選擇碰撞體，physics 中共有6 種碰撞體，選擇采用網格資源并基于該網格構建的網格碰撞體（Mesh Collider）與剛體一起添加到游戲對象里面，進而實現剛體的碰撞，否則零部件在拆裝過程中會出現直接互相穿過的情況。最后，利用X Dreamer工具庫選擇集里的一鍵拖拽功能（具有修改、拖拽和輪廓線渲染3 個關鍵子功能），分別完成更改對整機中某零部件的選擇、拖拽時出現拖拽光標、選擇和識別零件并使其在選中時呈現高亮的綠色。

3.3 自動拆裝功能

自動拆裝功能的設計是為了使用戶明白相關零件正確的拆裝順序并觀察到機具內部結構與組成。因此該項功能的實現主要是通過動畫繪制中關鍵幀的設置來進行相應動畫展示的控制，最終使用戶能夠觀看以正確順序進行的拆裝演示。

自動拆裝功能通過X Dreamer 中的路徑編輯器來實現。X Dreamer 路徑編輯器中，點擊零部件并在狀態機中添加對象和完成路徑規劃后，能夠直接與狀態機鏈接關系，因此用于平臺零部件的自動拆裝模塊。以切根施肥補播復式機的變速箱為例，首先，在X Dreamer狀態機中的自動拆裝子狀態機中創建時間軸播放器，在時間軸播放器的檢查器一欄附加時間軸播放內容的中文腳本。其次，進行路徑動畫的創建，進入時間軸播放內容，點開路徑編輯器，將所有要拆裝的零件都添加至游戲路徑對象，點擊開始錄制，按照正確的拆裝順序依次將零件的拆裝路徑創建，設置完成后連接起來。最后，進入時間軸播放器檢查器點擊界面?時間軸播放器界面，完成進度條的添加，進而可以控制自動拆裝動畫的快慢、暫停。

4 虛擬駕駛模塊

虛擬駕駛主要內容包括微型手扶式耕地機、切根施肥補播復式作業機械和小型手扶式花生收獲機3 部農業機具的駕駛。以切根施肥補播復式作業機械為例，其虛擬駕駛過程包括拖拉機與切根機的連接、出廠房、切根刀旋轉、切根施肥補播復式作業機械懸掛裝置的下移、運行移動開始耕地、停止耕地、旋耕刀停止轉動、切根機懸掛裝置上移及入庫。其流程如圖6 所示。

切根施肥補播復式作業機械虛擬駕駛中包括旋耕機的向前運動與拖拉機的向前運動，其中拖拉機車輪的轉向和轉動通過向前速度（move speed）、車輪旋轉速度（rotate speed） 及車輪旋轉的最大角度（ rotateangle）定義。前置旋轉車輪的旋轉角度代碼如下：

All Wheel Transform[0]. Local Euler Angles = new Vector3（ 0，Key Input. x * rotate Angle - 90， all Wheel Transform[0]. Local EulerAngles. z）;

All Wheel Transform[1]. Local Euler Angles = newVector3（ 0，KeyInput.x* rotate Angle + 90， all Wheel Transform[1].Local Euler Angles. z）;

車輪的旋轉采用數學定義法，分別給4 個車輪賦值了不同的速度以保證拖拉機的正常行駛。該方法代碼如下：

All Wheel Transform[0]. Rotate（Vector3.forward * radius * -move Speed * Key Input. y * Time. Delta Time）;

All Wheel Transform[1]. Rotate（Vector3.forward * radius * move Speed * Key Input. y * Time. Delta Time）;

All Wheel Transform[2]. Rotate（ Vector3.forward * radius * big radius * move Speed * Key Input. y * Time. Delta Time）;

All Wheel Transform[3].Rotate（ Vector3.forward * radius * big radius * -move Speed * Key Input. y * Time. Delta Time）;

懸掛裝置的上升與下降首先是要獲得Unity 中連桿的位置，rotate point. Look At （look point. position）；然后采用開始耕地時為下降，停止耕地時為上升的設置編寫代碼腳本。

5 結束語

本研究基于Unity 3D 開發了一個與農業機械學課程理論學習內容相匹配的農業機械拆裝駕駛虛擬仿真試驗平臺，構建了平臺總體框架與界面層級，給出了平臺操作頁面、虛擬拆裝模塊、虛擬駕駛模塊的設計流程與主要程序代碼。由Solidworks 構建的農業機械模型經過3Ds MAX 和PS 模型轉換與渲染導入本仿真平臺后，可以實現農業機械裝備模型的虛擬拆裝與駕駛。

本仿真平臺綠色免安裝，使用方便，可以在手機端與PC 端直接點擊使用，占用內存小，模型可視化拆裝、駕駛和調整方便。用戶既可以通過本仿真平臺進入虛擬環境中查閱農業機械的整機模型、零部件運行原理和零部件自動拆裝動畫，并進行手動拆裝、場景漫游和虛擬駕駛作業。平臺與農業機械學課程內容高度融合，理論講授的同時，學生可以自主觀看，有助于提升農業機械學課程的理論學習效果。同時，本仿真平臺是一個開源系統，用戶還可以根據課程學習需要自主開發增加農業機械裝備模型或者其他機械模型，加深對機械結構和工作原理類課程理論知識的理解。

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基金項目： 2022 年湖北省高校省級教學研究項目（2022164）