范媛媛，米西峰

(焦作師范高等專科學(xué)校 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

小麥?zhǔn)崭顧C(jī)虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真研究
———基于離散元虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

范媛媛，米西峰

(焦作師范高等?？茖W(xué)校 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

為了克服傳統(tǒng)小麥?zhǔn)崭顧C(jī)設(shè)計(jì)過程中反復(fù)試驗(yàn)-制造的長周期與低效率的缺點(diǎn)，且達(dá)到降低機(jī)械設(shè)計(jì)成本的目的，提出了一種基于離散元虛擬技術(shù)的小麥?zhǔn)崭顧C(jī)虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了小麥?zhǔn)崭顧C(jī)的虛擬優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用Windows平臺(tái)下VS2010集成了離散元仿真軟件，并使用OpenGL軟件仿真實(shí)現(xiàn)了脫粒過程的三維顯示，利用并行計(jì)算的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后通過保存三維輸出結(jié)果，對(duì)脫粒的性能進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。虛擬仿真測試表明：所提出的小麥植株建模方法和收割機(jī)虛擬樣機(jī)的性能仿真是可行的，通過顆粒捕捉仿真得到了麥粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，并根據(jù)對(duì)脫粒的性能進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，最終得到了小麥?zhǔn)崭顧C(jī)脫粒的損失率、破碎率和脫凈率，對(duì)現(xiàn)代化農(nóng)機(jī)的設(shè)計(jì)制造具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

小麥?zhǔn)崭顧C(jī)；虛擬現(xiàn)實(shí)；并行計(jì)算；OpenGL軟件；離散元

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)的性能得到了大幅度提升，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在小麥?zhǔn)崭顧C(jī)的設(shè)計(jì)過程中，如果通過虛擬技術(shù)來仿真小麥的脫粒過程，可以克服傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)過程中反復(fù)試驗(yàn)-制造的長周期與低效率缺點(diǎn)，從而達(dá)到降低機(jī)械設(shè)計(jì)成本的目的。利用計(jì)算機(jī)離散元虛擬仿真技術(shù)，發(fā)現(xiàn)小麥?zhǔn)崭顧C(jī)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)中存在的問題，然后對(duì)裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過對(duì)不同結(jié)構(gòu)方案的比較，找出存在的問題，以提高小麥?zhǔn)崭顧C(jī)的設(shè)計(jì)質(zhì)量。這種方法既省時(shí)又省力，相對(duì)于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，具有無可比擬的優(yōu)勢，可以為現(xiàn)代化農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)制造提供一種嶄新的方法。

1 小麥?zhǔn)崭顧C(jī)虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)

在小麥?zhǔn)崭顧C(jī)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，利用傳統(tǒng)物理樣機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，只有將真實(shí)的小麥?zhǔn)崭顧C(jī)樣機(jī)制造出來，才能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題和缺陷。但是，樣機(jī)的試制需要較長的時(shí)間，導(dǎo)致設(shè)計(jì)成本也較高。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 小麥?zhǔn)崭顧C(jī)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

在樣機(jī)的試驗(yàn)階段，如果發(fā)現(xiàn)問題，還需要對(duì)樣機(jī)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和加工制造，會(huì)使周期和成本進(jìn)一步加大，浪費(fèi)了大量的人力和物力。

圖2為采用虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方法對(duì)小麥?zhǔn)崭顧C(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。該方法利用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)，發(fā)現(xiàn)小麥?zhǔn)崭顧C(jī)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)中存在的問題，然后對(duì)裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；通過對(duì)不同結(jié)構(gòu)方案的比較，找出存在的問題，以提高小麥?zhǔn)崭顧C(jī)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，既省時(shí)又省力，相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法具有無可比擬的優(yōu)勢。

圖3為小麥?zhǔn)崭顧C(jī)割臺(tái)的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)示意圖。由圖3可以看出：采用虛擬樣機(jī)可以設(shè)計(jì)出和真實(shí)的試制樣機(jī)非常相似的模型。本次設(shè)計(jì)主要是在Windows平臺(tái)下的VS2010中進(jìn)行的，該軟件采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，可以實(shí)現(xiàn)界面的可視化和預(yù)覽功能。采用編程的方法將小麥脫粒仿真軟件集成到離散元軟件中，其總體框架如圖4所示。

圖2 小麥?zhǔn)崭顧C(jī)虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)流程

圖3 小麥?zhǔn)崭顧C(jī)割臺(tái)虛擬樣機(jī)

圖4 小麥?zhǔn)崭顧C(jī)虛擬樣機(jī)總體設(shè)計(jì)框架

小麥?zhǔn)崭顧C(jī)虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)的總體框架主要分為3部分，包括離散建模、仿真計(jì)算和結(jié)果處理等。使用Open GL軟件仿真實(shí)現(xiàn)了脫粒過程的三維顯示，最后通過保存三維輸出結(jié)果，對(duì)脫粒的性能進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。

2 小麥離散元建模和力學(xué)虛擬仿真

利用小麥自身的結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建小麥的三維離散元模型。由小麥的植株的實(shí)體特征發(fā)現(xiàn)：在每個(gè)秸稈的鄰節(jié)之間，有一個(gè)凸出的部分將多個(gè)小麥秸稈節(jié)連接在一起，每個(gè)節(jié)的尺寸不相同。為了虛擬仿真方便，將小麥節(jié)間進(jìn)行編號(hào)，根據(jù)當(dāng)?shù)匦←湹某叽缣卣?，在生成小麥?jié)間時(shí)，結(jié)合節(jié)間的長度L、節(jié)間球的最大和最小尺寸Rmax和Rmin、相鄰節(jié)間球的重合度C，以及節(jié)間的密度ρ進(jìn)行離散元建模。設(shè)節(jié)間球的數(shù)量為n，則可以得到n的近似量為

(1)

利用該方法建立的離散元模型，其兩個(gè)相鄰接的小球半徑R1、R2的差值公式為

R1-R2=a-C

(2)

其中，α為一個(gè)常數(shù)，該值表示相鄰的鄰接球的半徑的差值。節(jié)間或相鄰節(jié)間球也是符合上述規(guī)律的，在進(jìn)行質(zhì)量求解時(shí)，可以將節(jié)間看成是圓柱體來進(jìn)行處理，于是節(jié)間的質(zhì)量公式為

(3)

(4)

其中，P為莖稈在外力的作用下產(chǎn)生的沿著該方向上的變形；YD為虛擬仿真體到地面的垂直距離；b為P到地面的距離；E為小麥秸稈的彈性模量；d為秸稈的內(nèi)徑；l為小麥的秸稈在地面以上的長度距離。將小麥的植株看作是空心的圓柱體，則

(5)

建立完成小麥植株的離散元模型后，需要通過力學(xué)分析來仿真模擬小麥?zhǔn)崭顧C(jī)的運(yùn)動(dòng)性能，其流程如圖5所示。

圖5 離散元力學(xué)并行虛擬計(jì)算流程

考慮到在實(shí)際仿真過程中小麥植株的顆數(shù)較多，因此采用并行計(jì)算的方法，將小麥植株離散成多個(gè)部分，將力學(xué)分析賦予給每個(gè)離散單元體。通過多線程的方法計(jì)算線程的受力，并將多線程的受力賦給小麥植株，每次計(jì)算后將臨時(shí)保存的力數(shù)據(jù)進(jìn)行清空，從而完成多植株的離散元虛擬仿真。

3 小麥?zhǔn)崭顧C(jī)虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真

小麥?zhǔn)崭顧C(jī)虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真平臺(tái)可以使用Windows平臺(tái)下的VS2010軟件，采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM(jìn)行開發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)小麥?zhǔn)崭顧C(jī)虛擬樣機(jī)脫粒仿真和脫粒性能的統(tǒng)計(jì)。為了提高離散元虛擬仿真的計(jì)算速度，可以采用OpenMP把串行程序改成并行程序，由32位向64位進(jìn)行拓展，最后通過編程的方式將小麥脫粒的仿真程序集成到離散元仿真軟件中。

圖6為本次小麥?zhǔn)崭顧C(jī)樣機(jī)運(yùn)動(dòng)虛擬仿真建立的離散元模型。通過虛擬仿真可以得到模型的三維動(dòng)畫演示，將計(jì)算輸出的結(jié)果文件進(jìn)行保存，最后利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)其性能進(jìn)行分析。

根據(jù)三維仿真得到的數(shù)據(jù)結(jié)果可對(duì)單個(gè)的離散單元顆粒進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡的捕捉。圖7為通過顆粒捕捉仿真得到的麥粒運(yùn)動(dòng)軌跡，由此軌跡可以實(shí)現(xiàn)麥粒最終脫落位置的標(biāo)記，根據(jù)脫落位置可以統(tǒng)計(jì)脫粒得到的個(gè)數(shù)及是否破碎，最終得到小麥?zhǔn)崭顧C(jī)脫粒的損失率，進(jìn)而驗(yàn)證小麥?zhǔn)崭顧C(jī)的性能指標(biāo)。

圖6 離散元虛擬仿真模型

圖7 麥粒運(yùn)動(dòng)軌跡捕捉

小麥?zhǔn)崭顧C(jī)性能指標(biāo)的分析主要包括小麥植株的顆粒損失率、顆粒破碎率和小麥植株的脫凈率，下面分別通過公式來說明性能分析的指標(biāo)。

1)脫凈率。小麥?zhǔn)崭顧C(jī)虛擬樣機(jī)的脫凈率表示在虛擬仿真過程中小麥顆粒脫落的數(shù)目和仿真小麥顆粒的總數(shù)目比值。脫凈率越高，表示小麥脫粒機(jī)的性能和效果越好。其計(jì)算公式為

(6)

2)破碎率。小麥?zhǔn)崭顧C(jī)虛擬樣機(jī)的破碎率為虛擬仿真過程中小麥顆粒破碎的數(shù)目和仿真小麥顆粒的總數(shù)目比值。破碎率越高，表示小麥脫粒機(jī)的性能和效果越差。其計(jì)算公式為

(7)

3)籽粒損失率。籽粒損失率為小麥顆?？倲?shù)去掉脫落小麥的顆粒個(gè)數(shù)最后與總的仿真小麥顆粒數(shù)目的比值。其計(jì)算公式為

(8)

根據(jù)這3項(xiàng)指標(biāo)的定量，對(duì)離散元仿真的三維模擬結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，然后對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后再次統(tǒng)計(jì)性能數(shù)據(jù)，得到了如表1所示的性能測試結(jié)果。

表1 模型優(yōu)化前后虛擬樣機(jī)的性能數(shù)據(jù) %

由表1可以看出：優(yōu)化后的虛擬樣機(jī)性能數(shù)據(jù)要優(yōu)于優(yōu)化之前。這表明，采用離散單元方法對(duì)小麥?zhǔn)崭顧C(jī)虛擬樣機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法可行。

4 結(jié)論

針對(duì)小麥?zhǔn)崭顧C(jī)設(shè)計(jì)過程中存在的設(shè)計(jì)周期長和成本高的缺點(diǎn)，提出了一種基于離散元虛擬仿真技術(shù)的小麥?zhǔn)崭顧C(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，并建立了小麥植株的離散元虛擬仿真模型，最后對(duì)小麥?zhǔn)崭顧C(jī)的性能進(jìn)行了虛擬仿真計(jì)算。通過虛擬仿真計(jì)算得到了模型的三維動(dòng)畫演示，將計(jì)算輸出的結(jié)果文件進(jìn)行保存，利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)其性能進(jìn)行了分析，捕捉到了單個(gè)麥粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，并由大量麥粒的運(yùn)動(dòng)軌跡的統(tǒng)計(jì)得到了小麥?zhǔn)崭顧C(jī)的損失率、破碎率和脫凈率等性能指標(biāo)。最后，對(duì)優(yōu)化前后的小麥?zhǔn)崭顧C(jī)的性能指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明：采用離散單元方法對(duì)小麥?zhǔn)崭顧C(jī)虛擬樣機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法可行，能夠有效地提高收割機(jī)的脫凈率指標(biāo)，從而降低損失率和破碎率，提高小麥?zhǔn)崭顧C(jī)的設(shè)計(jì)效率。

[1] 雷曉俊,湯亮,張永會(huì).小麥麥穗幾何模型構(gòu)建與可視化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(3):179-184.

[2] 于亞軍,周海玲,付宏,等.基于顆粒聚合體的玉米果穗建模方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(8):167-174.

[3] 劉凌霞,宋強(qiáng).基于簡化的質(zhì)點(diǎn)-彈簧模型織物變形仿真研究[J].計(jì)算機(jī)仿真,2011,28(7):406-409.

[4] 許紅,許浩然.彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型中彈簧力計(jì)算問題[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,26(4):82-83.

[5] 青克樂其其格,郭新宇.基于脈序骨架的小麥葉精細(xì)建模研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(5):53-57.

[6] 孔曉莉,蔣宇翔,劉樹東,等.基于Bezier曲線的卷曲水草模擬[J].蘇州大學(xué)學(xué)報(bào),2011,31(6):1-5.

[7] 郝小忠,AHMEDA.A.D,陳文亮.Bezier曲面建模方法研究與實(shí)現(xiàn)[J].中國制造業(yè)信息化,2011,40(23): 42-45.

[8] 程飛.基于OpenGL的雙三次Bezier曲面的繪制[J].安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2010,46(9): 33-34.

[9] 王振華,王德成,劉貴林,等.方草捆壓捆機(jī)撿拾器參數(shù)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010,41(S1):107-109.

[10] 王建政.4GL-1.80型多功能小雜糧收割機(jī)的研制[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,14(2):103-106.

[11] 鄭浩,馮毅雄,譚建榮,等.一類制造資源的協(xié)同建模、優(yōu)化與求解技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2012(7):1387-1395.

[12] 尹超,黃必清,劉飛,等.中小企業(yè)云制造服務(wù)平臺(tái)共性關(guān)鍵技術(shù)體系[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2011,17(3): 495-503.

[13] 戰(zhàn)德臣,趙曦濱,王順強(qiáng),等.面向制造及管理的集團(tuán)企業(yè)云制造服務(wù)平臺(tái)[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2011,17(3): 487-494.

[14] 馬志欣,譚峰,侯召龍.基于 Android 的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014,36(10):226-229.

[15] 高偉,康倩.淺談嵌入式系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用,2014,14(8):69-70.

[16] 王崴,張宇紅,徐曉東，等.面向中小企業(yè)的零部件資源云端化封裝技術(shù)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2012(8):260-262.

[17] 賀瑤, 王文慶, 薛飛.基于云計(jì)算的海量數(shù)據(jù)挖掘研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展, 2013, 23(2): 69-72.

[18] 丁巖, 楊慶平, 錢煜明. 基于云計(jì)算的數(shù)據(jù)挖掘平臺(tái)架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 中興通訊技術(shù), 2013,19(1): 53-60.

[19] 錢建平,楊信廷,吳曉明,等.自然場景下基于混合顏色空間的成熟期蘋果識(shí)別方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(17):137-142.

[20] 顧寶興,姬長英,王海青,等.智能移動(dòng)水果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012,43(6):153- 160.

[21] 王海青,姬長英,顧寶興,等.基于機(jī)器視覺和支持向量機(jī)的溫室黃瓜識(shí)別[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012,43(3): 163-167.

[22] 王輝,毛文華,劉剛,等.基于視覺組合的蘋果作業(yè)機(jī)器人識(shí)別與定位[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012,43(12):165-170.

[23] 魏澤鼎,賈俊國,王占永.基于視覺傳感器的棉花果實(shí)定位方法[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(6):66-68,112.

[24] 李立君,李昕,高自成,等.基于偏好免疫網(wǎng)絡(luò)的油茶果采摘機(jī)器人圖像識(shí)別算法[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012,43(11):209-213.

[25] 王輝,毛文華,劉剛,等.基于視覺組合的蘋果作業(yè)機(jī)器人識(shí)別與定位[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012,43(12): 165-170.

[26] 袁挺,紀(jì)超,陳英,等.基于光譜成像技術(shù)的溫室黃瓜識(shí)別方法[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011,42(S1):172-176.

[27] 熊俊濤,鄒湘軍,陳麗娟,等.采摘機(jī)械手對(duì)擾動(dòng)荔枝的視覺定位[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(14):36-41.

[28] 呂繼東,趙德安,姬偉,等.采摘機(jī)器人振蕩果實(shí)動(dòng)態(tài)識(shí)別[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012,43(5):173-196.

Motion Simulation of Wheat Harvester Virtual Prototype—Based on Reality Technology of Discrete Element Virtual

Fan Yuanyuan, Mi Xifeng

(School of Computer and Information Engineering, Jiaozuo Teachers College ,Jiaozuo 454000, China)

In order to overcome the disadvantages of long period and low efficiency shortcomings in traditional wheat harvester design process of repeated experiments - manufacture, save the cost of the mechanical design, it put forward a wheat harvester virtual prototype design of discrete element method based on virtual technology, the virtual design and optimization of wheat harvester. The use of Windows platform VS2010 integrated discrete element simulation software, and use the Open GL software simulation to achieve a three-dimensional display of threshing process by using parallel computing method, data processing, and finally through the preservation of the three-dimensional output, the threshing performance of data statistics and calculation. Through the simulation test shows that the performance simulation of the proposed modeling method and wheat harvester virtual prototype is feasible, the particle capture are simulated trajectories of wheat, and the track performance of threshing were collected, finally got the wheat threshing loss rate, broken rate and off the net rate of design of modern agricultural machinery manufacturing,which has important practical significance.

wheat harvester; virtual reality; parallel computing; Open GL software; discrete element

2016-12-11

河南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015GZC133)

范媛媛(1976-)，女，河南焦作人，副教授，碩士。

米西峰(1976-)，男，河南南陽人，副教授，碩士，(E-mail)mixifeng@163.com。

S225.3；TS112.2

A

1003-188X(2018)02-0024-05