劉圣民 尚書(shū)旗 王東偉 何曉寧 劉兵 楊文卿

摘要：針對(duì)大型農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)過(guò)程中存在參數(shù)調(diào)節(jié)困難、拆裝難度大、設(shè)計(jì)成本高、工作危險(xiǎn)性等問(wèn)題，以大型農(nóng)業(yè)裝備4壟8行花生覆膜播種機(jī)為對(duì)象，通過(guò)Idea VR創(chuàng)作引擎虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)工具，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了集機(jī)具虛擬拆裝、虛擬操作演示、參數(shù)仿真調(diào)節(jié)等于一體的仿真試驗(yàn)平臺(tái)。結(jié)果表明，該試驗(yàn)平臺(tái)的成功應(yīng)用可以縮短農(nóng)業(yè)裝備研發(fā)設(shè)計(jì)周期，同時(shí)搭建的場(chǎng)景可以用于學(xué)生試驗(yàn)教學(xué)和實(shí)訓(xùn)，幫助加深認(rèn)知，降低試驗(yàn)教學(xué)成本，減少實(shí)訓(xùn)風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：VR;花生覆膜播種機(jī);仿真;試驗(yàn)平臺(tái)

中圖分類(lèi)號(hào)： S223.2;S223.5 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2021）14-0188-06

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心支持，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件工具生成具有逼真的視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和其他感官感覺(jué)的虛擬環(huán)境[1]。隨著計(jì)算機(jī)硬件的不斷更新和軟件水平的逐步提高，VR技術(shù)的發(fā)展步入了快車(chē)道，其在3D游戲開(kāi)發(fā)、醫(yī)療診斷、科學(xué)研究、教育教學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深入，并取得了一系列成果[2-6]。而將VR技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備上，可以幫助涉農(nóng)專(zhuān)業(yè)尤其是農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域大學(xué)生加深學(xué)習(xí)認(rèn)知，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)手的培訓(xùn)和考核，使得VR技術(shù)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備仿真研究發(fā)展的重要方向之一。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，農(nóng)業(yè)逐漸與信息行業(yè)相互融合，農(nóng)業(yè)裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)研究需求越來(lái)越大。農(nóng)業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基石，其中種植業(yè)是農(nóng)業(yè)的一大支柱，播種則是種植業(yè)生產(chǎn)作業(yè)的重要一環(huán)。播種機(jī)作業(yè)性能直接影響播種作業(yè)質(zhì)量。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的2BMF-4/8型花生覆膜機(jī)是一種可折疊式的大型花生覆膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)械，可以對(duì)花生進(jìn)行大寬幅覆膜播種。該播種機(jī)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(jī)構(gòu)，解決了單體運(yùn)動(dòng)干涉與仿形問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了4壟8行超大寬幅花生播種[7]。同時(shí)該機(jī)可一次性完成播種前筑壟，過(guò)程中施肥、播種，過(guò)程中噴藥，滴灌帶鋪設(shè)，播后展壓覆膜、膜上覆土等作業(yè)，在運(yùn)輸過(guò)程中，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩側(cè)播種機(jī)框架的平行折疊[8]。該播種機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能多種多樣，選擇該機(jī)型作為研究載體意義重大。其整體結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

1 場(chǎng)景平臺(tái)搭建

首先，分析花生覆膜聯(lián)合作業(yè)播種機(jī)的工作原理，獲取相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)，并利用solid works軟件，構(gòu)建播種機(jī)的三維模型，從而實(shí)現(xiàn)播種機(jī)整機(jī)的裝配;利用3DS Max軟件，進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化與模型優(yōu)化。然后，在此基礎(chǔ)上利用VR、3D仿真等虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)技術(shù)，通過(guò)IdeaVR創(chuàng)作引擎等虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)工具，將制作好的播種機(jī)三維數(shù)字模型導(dǎo)入到場(chǎng)景中，并對(duì)材質(zhì)、環(huán)境進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)引擎所獨(dú)有的實(shí)時(shí)渲染，開(kāi)發(fā)出花生覆膜聯(lián)合作業(yè)播種機(jī)虛擬仿真實(shí)踐場(chǎng)景，闡述實(shí)踐場(chǎng)景的軟硬件平臺(tái)組成、搭建流程及功能，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景搭建中用到的方法、流程步驟和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。最后，完成虛擬仿真實(shí)踐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，通過(guò)該系統(tǒng)，用戶(hù)能夠?qū)W習(xí)播種機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)并且進(jìn)行虛擬拆裝，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與花生播種機(jī)的虛擬交互?；赩R的花生覆膜播種機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)過(guò)程見(jiàn)圖2，搭建完成的場(chǎng)景示意見(jiàn)圖3。

1.1 拆裝區(qū)域場(chǎng)景搭建

花生覆膜播種機(jī)的基本結(jié)構(gòu)包括懸掛架、種箱、排種器、仿形裝置、地輪、傳動(dòng)裝置、覆土裝置等。將導(dǎo)入的由SolidWorks繪制的數(shù)字三維模型進(jìn)行模型渲染并利用交互編輯器進(jìn)行拆裝邏輯制作，同時(shí)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(biāo)識(shí)，在點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)部件時(shí)實(shí)現(xiàn)布告板同步顯示。

1.3 播前調(diào)整區(qū)域場(chǎng)景搭建

播前調(diào)整區(qū)域的主要功能展示4壟8行花生覆膜播種機(jī)在播種作業(yè)前的調(diào)整準(zhǔn)備工作，主要包括穴距調(diào)整、覆土輪調(diào)整、排肥量調(diào)整、拉伸劃線(xiàn)器等幾個(gè)主要狀態(tài)調(diào)整，在此場(chǎng)景中，可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模擬調(diào)整，并且在調(diào)整界面設(shè)有演示視頻，學(xué)生可以參照進(jìn)行相應(yīng)操作。顯示狀態(tài)示意見(jiàn)圖8。

在操作過(guò)程中，使用配套手柄切換至播前調(diào)整區(qū)域，通過(guò)手柄射線(xiàn)點(diǎn)擊界面左側(cè)“排肥量調(diào)整”按鈕，按鈕有凹感，同時(shí)鏡頭切向調(diào)整界面（圖9）。調(diào)整完成后，畫(huà)面會(huì)自動(dòng)切換到主界面，按鈕出現(xiàn)凸感，依次點(diǎn)擊剩余按鈕，顯示相應(yīng)調(diào)整界面。后期可以根據(jù)不同機(jī)具，模擬不同的狀態(tài)調(diào)整，豐富學(xué)生認(rèn)知。學(xué)生操作過(guò)程中如遇困難，可以點(diǎn)擊右側(cè)一列演示按鈕，點(diǎn)擊后，按鈕呈現(xiàn)凹感，播放對(duì)應(yīng)演示視頻。此處，以排肥量調(diào)整為例，闡述鏡頭切換交互編輯過(guò)程。首先打開(kāi)動(dòng)畫(huà)編輯器交互界面，設(shè)定Time與Value值，選擇要切換的畫(huà)面，設(shè)定開(kāi)始結(jié)束位置，生成 .track的動(dòng)畫(huà)文件。然后打開(kāi)交互編輯頁(yè)面，選擇邏輯單元，以“排肥量調(diào)整”按鈕作為觸發(fā)對(duì)象，以鼠標(biāo)作為操作對(duì)象，調(diào)入任務(wù)框、對(duì)象框、觸發(fā)框及動(dòng)畫(huà)，同時(shí)選取邏輯單元中Pyhton腳本中的“觸發(fā)節(jié)點(diǎn)選項(xiàng)”，任務(wù)框中勾選“激活”，輸出端“開(kāi)始”鏈接觸發(fā)框“激活”，選擇對(duì)象框“輸出節(jié)點(diǎn)”鏈接觸發(fā)框“輸入節(jié)點(diǎn)”。最后將觸發(fā)框“左擊”輸出點(diǎn)與視頻文件“播放”輸入點(diǎn)鏈接，保存，此交互編輯節(jié)點(diǎn)便完成。

2 結(jié)論

本研究將虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)與大型農(nóng)業(yè)裝備——4壟8行花生覆膜播種機(jī)相結(jié)合，通過(guò)SolidWorks軟件進(jìn)行三維數(shù)字建模，利用Idea VR創(chuàng)作引擎完成了花生覆膜播種機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真試驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)，可實(shí)現(xiàn)裝備虛擬拆裝、模型動(dòng)態(tài)演示、場(chǎng)景漫游等功能的演示和在線(xiàn)模仿真實(shí)工作場(chǎng)景、節(jié)點(diǎn)操作、參數(shù)調(diào)整的虛擬操作。該虛擬現(xiàn)實(shí)仿真試驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，打破了時(shí)間、地點(diǎn)的限制，學(xué)生可隨時(shí)隨地進(jìn)行訓(xùn)練，研發(fā)人員可以隨時(shí)隨地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)檢驗(yàn)，改變了傳統(tǒng)的視頻教學(xué)動(dòng)畫(huà)演示、實(shí)地操作培訓(xùn)的實(shí)訓(xùn)模式，利用3D虛擬現(xiàn)實(shí)的良好沉浸感和交互性，擺脫學(xué)生過(guò)于依賴(lài)教科書(shū)和物體的現(xiàn)實(shí)，突破傳統(tǒng)的教學(xué)方法，將課堂從“二維”擴(kuò)展到“三維”，從靜態(tài)擴(kuò)展到動(dòng)態(tài)，學(xué)生從被動(dòng)式學(xué)習(xí)模式轉(zhuǎn)變?yōu)榛?dòng)式學(xué)習(xí)，有效地幫助學(xué)生理解教學(xué)內(nèi)容，最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)其動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，使教學(xué)內(nèi)容更加逼真形象、教學(xué)過(guò)程更加生動(dòng)靈活。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)仿真試驗(yàn)平臺(tái)可以循環(huán)使用，損耗少，而且試驗(yàn)平臺(tái)接入數(shù)據(jù)庫(kù)后可以提供更多的仿真場(chǎng)景，解決了如下問(wèn)題：傳統(tǒng)機(jī)械實(shí)驗(yàn)室由于部件體積大、部件笨重造成拆裝不便;由于部件數(shù)量較少且部件易損壞造成試驗(yàn)器具緊缺，可提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)室操作水平，提升實(shí)訓(xùn)質(zhì)量。該平臺(tái)與教師實(shí)驗(yàn)室教學(xué)相互補(bǔ)充，為學(xué)生提供開(kāi)放便利的使用環(huán)境，同時(shí)緩解試驗(yàn)設(shè)備緊張、減少實(shí)驗(yàn)室設(shè)備維護(hù)次數(shù)，從而節(jié)省資金。該虛擬現(xiàn)實(shí)仿真試驗(yàn)平臺(tái)已在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械制造專(zhuān)業(yè)使用，學(xué)生對(duì)相應(yīng)的知識(shí)接受快、理解深，有利于教師課堂教學(xué);同時(shí)該虛擬現(xiàn)實(shí)仿真試驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)為其他專(zhuān)業(yè)特別是大型復(fù)雜裝備的設(shè)計(jì)研發(fā)、試驗(yàn)操作等提供了思路，推廣應(yīng)用價(jià)值高。

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