王建祥，慈翠榮，劉賢喜, 3，張開(kāi)興

(1. 山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，濟(jì)南市，250100； 2. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東泰安，271018；3. 山東省農(nóng)業(yè)裝備智能化工程試驗(yàn)室，山東泰安，271018)

0 引言

玉米收獲機(jī)械化的快速發(fā)展，提高了收獲效率，節(jié)省了勞動(dòng)力，有效地解決了搶收玉米和搶種小麥的矛盾[1-3]。近年來(lái)，隨著虛擬現(xiàn)試技術(shù)迅速興起和農(nóng)業(yè)機(jī)械化的不斷推進(jìn)，虛擬現(xiàn)試技術(shù)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)發(fā)展生產(chǎn)，是建設(shè)新農(nóng)村和農(nóng)業(yè)的有效手段[4-8]。在玉米收獲裝備試驗(yàn)和研發(fā)的過(guò)程中，還面臨著玉米收獲試驗(yàn)受季節(jié)限制、玉米收獲裝備研發(fā)需要在田間進(jìn)行大量試驗(yàn)、虛擬現(xiàn)試技術(shù)在玉米收獲裝備研發(fā)方面的研究較少等問(wèn)題[9]。因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠模擬玉米收獲機(jī)收獲作業(yè)并進(jìn)行性能評(píng)估的平臺(tái)，來(lái)縮短玉米果穗收獲機(jī)械的研發(fā)周期。

Bourhim等[10]通過(guò)虛擬現(xiàn)試技術(shù)與Unity 3D環(huán)境建模相結(jié)合，驗(yàn)證了虛擬仿真所提供的信息的有效性。位于京都的高級(jí)電子與通信研究所(ATR)開(kāi)發(fā)了一種系統(tǒng)來(lái)識(shí)別手勢(shì)和面部表情，并將它們作為系統(tǒng)輸入[11]。陳亞龍等[12]提出虛擬現(xiàn)實(shí)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域——果樹(shù)修剪技術(shù)推廣中應(yīng)用的可能性，介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)的基本概念和應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了“虛擬果樹(shù)修建系統(tǒng)”的初步構(gòu)想和基本思路。羅錫文等[13]利用人工智能和虛擬現(xiàn)試技術(shù)，研究了移動(dòng)機(jī)器人的復(fù)雜行為，建立了多主體行為決策系統(tǒng)，定義了six-element結(jié)構(gòu)的函數(shù)，建立了消息和事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)式機(jī)器人的果穗采收行為及其虛擬仿真環(huán)境建模。

以上分析對(duì)本文的研究提供了一定的借鑒，盡管我國(guó)的眾多學(xué)者和專(zhuān)家對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，但均未針對(duì)玉米果穗收獲進(jìn)行試驗(yàn)分析，我國(guó)還面臨著玉米果穗收獲機(jī)械研發(fā)需要在田間進(jìn)行大量試驗(yàn)，受季節(jié)限制等問(wèn)題?；诖?，本文開(kāi)展了基于Unity3D的玉米果穗收獲機(jī)虛擬仿真設(shè)計(jì)與收獲試驗(yàn)，能夠真實(shí)地模擬玉米果穗收獲機(jī)的收獲作業(yè)，并對(duì)玉米果穗收獲機(jī)進(jìn)行仿真試驗(yàn)和性能評(píng)估。

1 玉米果穗收獲機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

玉米果穗收獲機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由6部分組成：界面與視角觀察器、玉米果穗收獲機(jī)生成系統(tǒng)、玉米植株生成系統(tǒng)、整體環(huán)境觀察器、模型包、數(shù)據(jù)包。

界面與視角觀察器：主要用來(lái)獲取觀察視角與設(shè)置相機(jī)跟隨。玉米果穗收獲機(jī)生成系統(tǒng)：包括玉米果穗收獲機(jī)模型的構(gòu)建、簡(jiǎn)化、渲染、材質(zhì)添加、格式轉(zhuǎn)化及模型的導(dǎo)入導(dǎo)出。玉米植株生成系統(tǒng)：包括玉米植株模型的構(gòu)建、渲染、模型導(dǎo)入及單位轉(zhuǎn)換。整體環(huán)境觀察器：展示了包括了環(huán)境光、虛擬天空、田地環(huán)境和虛擬收獲環(huán)境等。模型包：包括玉米果穗收獲機(jī)模型、玉米植株模型和地塊等主要模型。數(shù)據(jù)包：包括玉米果穗收獲機(jī)的各種特性及運(yùn)動(dòng)參數(shù)、收獲數(shù)據(jù)，玉米植株的各種特性、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與參數(shù)。

圖1 玉米收獲環(huán)境仿真系統(tǒng)整機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of maize harvest environment simulation system

1.2 仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)流程

仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)流程如下：首先，獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)玉米果穗收獲機(jī)、植株和虛擬收獲場(chǎng)景，并進(jìn)行單位尺寸和格式轉(zhuǎn)換；其次，通過(guò)設(shè)計(jì)組件和編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)收獲機(jī)的相關(guān)功能和收獲作業(yè)；最后，對(duì)玉米果穗收獲機(jī)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 虛擬仿真系統(tǒng)關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

2.1 玉米果穗收獲機(jī)設(shè)計(jì)

玉米果穗收獲機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)包括由割臺(tái)、駕駛室、車(chē)輪、清選裝置、秸稈還田裝置、輸送裝置、剝皮裝置、糧箱和機(jī)架等裝置。該玉米果穗收獲機(jī)可一次性完成三行玉米的摘穗、輸送、剝皮和莖稈粉碎還田等工作。通過(guò)查閱相關(guān)資料和收集尺寸可以設(shè)計(jì)出各零部件的三維模型，進(jìn)而設(shè)計(jì)出完整的玉米果穗收獲機(jī)。通過(guò)構(gòu)建玉米果穗收獲機(jī)各個(gè)零部件[14]，并將零部件在軟件內(nèi)進(jìn)行裝配，最終形成完整的玉米果穗收獲機(jī)如圖2所示。

圖2 玉米果穗收獲機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig. 2 Structure design of corn ear harvester

2.2 玉米植株模型設(shè)計(jì)

玉米植株作為收獲目標(biāo)，其模型的構(gòu)建是非常重要的一步。玉米植株模型由葉片、莖稈和玉米果穗組成。根據(jù)對(duì)現(xiàn)實(shí)玉米形態(tài)的觀察和形態(tài)分析，獲取玉米植株的模型數(shù)據(jù)。玉米植株的幾何結(jié)構(gòu)特征可以通過(guò)建立具有真實(shí)感和立體性的植株虛擬模型進(jìn)行三維再現(xiàn)，玉米植株的設(shè)計(jì)采用3D Max建模軟件完成。

對(duì)于葉片模型，采用NURBS的面片建模方式；玉米莖稈模型在Unity3D中利用彈簧關(guān)節(jié)組件進(jìn)行分段設(shè)計(jì)，可以使莖稈在受力的過(guò)程中彎曲，顯現(xiàn)出更真實(shí)地物理特性；玉米田地則根據(jù)玉米果穗收獲機(jī)的作業(yè)行數(shù)和仿真需要，通過(guò)陣列的方式構(gòu)建出合適的玉米田地。設(shè)計(jì)的玉米植株及田地部分模型如圖3所示。

(a) 葉片

(b) 莖稈

(c) 玉米植株

(d) 玉米田地圖3 玉米植株及田地模型Fig. 3 Corn plant and field model

2.3 虛擬收獲環(huán)境設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)完玉米果穗收獲機(jī)和玉米植株后，還需設(shè)計(jì)收獲場(chǎng)景。場(chǎng)景的設(shè)計(jì)主要包括地形、玉米果穗收獲機(jī)模型和植株模型的導(dǎo)入、貼圖和紋理、環(huán)境光、天空盒、渲染設(shè)計(jì)和小地圖導(dǎo)航等。

虛擬環(huán)境的真實(shí)效果影響著整個(gè)系統(tǒng)的真實(shí)感和用戶(hù)的沉浸感。場(chǎng)景包括的物體模型較多且復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)考慮了結(jié)構(gòu)的合理性以及系統(tǒng)運(yùn)行的可行性，并設(shè)計(jì)材質(zhì)、紋理貼圖、光照等。玉米果穗收獲機(jī)虛擬收獲環(huán)境如圖4所示。

圖4 玉米果穗收獲機(jī)虛擬收獲環(huán)境Fig. 4 Virtual harvest environment of corn ear harvester

3 仿真系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 物理組件設(shè)計(jì)

為了使環(huán)境內(nèi)的物體獲得真實(shí)地物理特性，為玉米果穗收獲機(jī)設(shè)計(jì)剛體特性。擁有剛體特性的收獲機(jī)會(huì)獲得重力，由于不進(jìn)行碰撞交互，收獲機(jī)會(huì)穿過(guò)地塊并掉落，因此還需要為場(chǎng)景內(nèi)的物體及地塊設(shè)計(jì)碰撞器。Box Collider的誤差與高度成正比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)算量小、運(yùn)行速度快，可以為車(chē)體設(shè)計(jì)此碰撞器，使碰撞器輪廓和車(chē)體輪廓接近并將車(chē)體完整包裹。Mesh Collider的精度比較高，網(wǎng)格劃分比較細(xì)，可為割臺(tái)設(shè)計(jì)添加此碰撞器，使碰撞器幾乎完全按照割臺(tái)輪廓進(jìn)行包裹。Wheel Collider是為陸地上的交通工具專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的碰撞器，它內(nèi)設(shè)了碰撞檢測(cè)、車(chē)輪物理和基于滑動(dòng)的輪胎摩擦力模型等，因此，可以為玉米果穗收獲機(jī)車(chē)輪設(shè)計(jì)此碰撞器。設(shè)計(jì)完碰撞器的收獲機(jī)如圖5所示。

(a) Box Collider

(b) Mesh Collider

(c) Wheel Collider圖5 設(shè)計(jì)完碰撞器的收獲機(jī)Fig. 5 Harvester of the collider has been designed

3.2 第一人稱(chēng)漫游及視角控制

視角漫游與控制功能的實(shí)現(xiàn)是設(shè)計(jì)玉米果穗收獲機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)非常關(guān)鍵的一步[15]，該功能可以使使用者在場(chǎng)景內(nèi)自由移動(dòng)并轉(zhuǎn)換視角。虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)視角擺放初始位置如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)視角擺放初始位置Fig. 6 Initial placement of system perspective

3.3 系統(tǒng)相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)

在對(duì)地塊、玉米果穗收獲機(jī)等進(jìn)行組件和參數(shù)設(shè)計(jì)之后，還要針對(duì)玉米果穗收獲機(jī)虛擬收獲仿真相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)編寫(xiě)程序控制。本論文腳本程序的編寫(xiě)利用了Visual Studio 2017軟件，使用C#開(kāi)發(fā)和編寫(xiě)相關(guān)功能代碼。實(shí)現(xiàn)了相機(jī)跟隨、車(chē)輪與割臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)、系統(tǒng)交互、顯示玉米收獲數(shù)量等功能。

4 虛擬仿真試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)條件及過(guò)程

本文首先設(shè)計(jì)了觀察試驗(yàn)，驗(yàn)證了虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下玉米果穗收獲機(jī)仿真平臺(tái)的可行性。然后設(shè)計(jì)不同的條件對(duì)收獲作業(yè)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，并分析玉米果穗收獲機(jī)的收獲性能。仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下。

4.1.1 玉米果穗收獲機(jī)的收獲作業(yè)觀察試驗(yàn)

觀察試驗(yàn)主要包括觀察玉米果穗收獲機(jī)的收獲過(guò)程、收獲過(guò)程中玉米果穗收獲數(shù)量、漏果狀況以及玉米植株飛出等狀況。為了更好地觀察試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)低擋0.833 m/s和高擋4.723 m/s對(duì)玉米果穗收獲機(jī)進(jìn)行仿真試驗(yàn)觀察，低擋和高擋每組重復(fù)10次。

4.1.2 玉米果穗收獲機(jī)的收獲仿真試驗(yàn)

為研究不同因素對(duì)玉米果穗收獲機(jī)漏果率的影響，設(shè)計(jì)了單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，通過(guò)兩種試驗(yàn)結(jié)果確定影響漏果率的最優(yōu)參數(shù)。試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)果率計(jì)算方法如式(1)所示[16]。

(1)

式中：ωf——漏果率，%；

qT——玉米果穗總數(shù)量，棵；

qs——實(shí)際收獲的玉米果穗數(shù)量，棵。

4.2 觀察試驗(yàn)

觀察試驗(yàn)的具體收獲狀況及觀察試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)玉米果穗收獲機(jī)行進(jìn)速度較低時(shí)，收獲果穗的速度較慢，植株飛出和漏果漏節(jié)狀況也較少；而當(dāng)速度較高時(shí)，收獲的玉米果穗數(shù)量多，但植株飛出、漏果漏節(jié)現(xiàn)象也較為明顯。

(a) 玉米植株未割

(b) 割斷后的玉米植株

4.3 單因素試驗(yàn)

4.3.1 收獲機(jī)行進(jìn)速度對(duì)漏果率的影響

為探究收獲機(jī)行進(jìn)速度對(duì)漏果率的影響，確定合理的收獲機(jī)行進(jìn)速度，設(shè)計(jì)0.833 m/s、1.611 m/s、2.389 m/s、3.167 m/s、3.945 m/s、4.723 m/s這6個(gè)行進(jìn)速度作為試驗(yàn)變量開(kāi)展收獲機(jī)行進(jìn)速度單因素試驗(yàn)。此時(shí)玉米種植密度設(shè)置為6.7棵/m2，割臺(tái)高度設(shè)置為0.42 m。行進(jìn)速度單因素試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。根據(jù)漏果率曲線(xiàn)變化分析可知，當(dāng)速度小于3.167 m/s，漏果率隨行進(jìn)速度的增加下降較快，反之，漏果率有逐漸升高的趨勢(shì)，行進(jìn)速度在2.389～3.945 m/s時(shí)處于最優(yōu)區(qū)間。

圖8 行進(jìn)速度對(duì)漏果率的影響Fig. 8 Effect of walking speed on fruit leakage rate

4.3.2 玉米種植密度對(duì)漏果率的影響

玉米種植密度是影響漏果率的另一重要因素。本文設(shè)計(jì)了5.2棵/m2、6.0棵/m2、6.7棵/m2、7.5棵/m2、8.2棵/m2這5個(gè)種植密度進(jìn)行單因素試驗(yàn)，收獲機(jī)行進(jìn)速度設(shè)置為3.167 m/s，割臺(tái)高度設(shè)置為0.42 m。玉米種植密度單因素試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，漏果率隨玉米種植密度的增大呈先下降后增大的趨勢(shì)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，玉米種植密度的最優(yōu)區(qū)間為6.0～7.5棵/m2[17-19]。

圖9 玉米種植密度對(duì)漏果率的影響Fig. 9 Effect of planting density on leakage rate of maize

4.3.3 割臺(tái)高度對(duì)漏果率的影響

根據(jù)玉米植株高度和結(jié)穗高度的不同，本文設(shè)置了0.26 m、0.34 m、0.42 m、0.50 m、0.58 m這5個(gè)割臺(tái)高度進(jìn)行單因素試驗(yàn)，收獲機(jī)行進(jìn)速度設(shè)置為3.167 m/s，玉米種植密度設(shè)置為6.7棵/m2。割臺(tái)高度單因素試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

從圖10可以看出，隨著割臺(tái)高度的增加漏果率呈先降低后增大的趨勢(shì)。割臺(tái)高度在0.34～0.50 m時(shí)處于最優(yōu)區(qū)間。

圖10 漏果率隨割臺(tái)高度變化Fig. 10 Effect of cutting height on leakage rate

4.4 正交試驗(yàn)與響應(yīng)面分析

4.4.1 正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，利用Design-Expert統(tǒng)計(jì)軟件設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平表如表1所示。由Box-Behnken design(BBD)試驗(yàn)原理設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)共17個(gè)試驗(yàn)組，每組試驗(yàn)重復(fù)5次，正交試驗(yàn)分組和試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 試驗(yàn)因素水平Tab. 1 Test factor levels

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab. 2 Results of orthogonal test

4.4.2 響應(yīng)面分析

為進(jìn)一步分析收獲機(jī)行進(jìn)速度、玉米種植密度、割臺(tái)高度對(duì)響應(yīng)優(yōu)化量(漏果率)的影響，對(duì)漏果率進(jìn)行響應(yīng)面分析。影響漏果率的3個(gè)因素兩兩相互作用的響應(yīng)曲面及等高線(xiàn)如圖11所示。

(a) 行進(jìn)速度和種植密度交互作用

(b) 行進(jìn)速度和割臺(tái)高度交互作用

(c) 割臺(tái)高度和種植密度交互作用圖11 漏果率的響應(yīng)曲面及等高線(xiàn)Fig. 11 Response surface and contour of fruit loss rate

通過(guò)響應(yīng)面分析可以得到漏果率關(guān)于收獲機(jī)行進(jìn)速度、玉米種植密度、割臺(tái)高度的二次三項(xiàng)回歸模型如式(2)所示。

ωf=2.26+0.151 7×A-0.176 3×B-0.078 8×C+0.013 9×AB-0.182 5×AC-0.265 1×BC+0.308 5×A2+0.477 4×B2+0.731 0×C2

(2)

式中：A——收獲機(jī)行進(jìn)速度，m/s；

B——玉米種植密度，棵/m2；

C——割臺(tái)高度，m。

為進(jìn)一步確定響應(yīng)模型的可行性，對(duì)響應(yīng)模型進(jìn)行方差分析，響應(yīng)模型方差分析結(jié)果如表3所示。

表3 方差分析Tab. 3 Analysis of variance

由表3可知，模型P值為0.005 8，說(shuō)明響應(yīng)模型是極顯著的。根據(jù)P值的大小可以分析收獲機(jī)行進(jìn)速度、玉米種植密度、割臺(tái)高度三個(gè)因素分別漏果率的顯著性影響，其中對(duì)漏果率影響最顯著的因素是B(種植密度)。根據(jù)模型中F值可以看出各因素對(duì)漏果率影響的顯著性為B>A>C。

4.4.3 最優(yōu)參數(shù)組合的確定

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果和響應(yīng)面法對(duì)收獲機(jī)行進(jìn)速度、玉米種植密度、割臺(tái)高度進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，根據(jù)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，得到的最優(yōu)參數(shù)組合為收獲機(jī)行進(jìn)速度2.986 m/s，玉米種植密度6.7棵/m2，割臺(tái)高度0.42 m。對(duì)上述最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行5次基于Unity3D的玉米果穗收獲機(jī)虛擬仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示平均漏果率為2.17%，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的玉米果穗收獲機(jī)仿真試驗(yàn)的合理性。

4.5 田間試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證基于Unity3D的玉米果穗收獲機(jī)虛擬仿真試驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果的實(shí)際作業(yè)性能，根據(jù)虛擬仿真試驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，對(duì)最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行樣機(jī)田間試驗(yàn)驗(yàn)證。以GB/T21961-2008《玉米收獲機(jī)械試驗(yàn)方法》作為驗(yàn)證依據(jù)，以收獲機(jī)行進(jìn)速度2.986 m/s，玉米種植密度6.7棵/m2，割臺(tái)高度0.42 m為試驗(yàn)條件。在田間進(jìn)行分段試驗(yàn)，每段50 m，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，得到漏果率的均值為2.36%，與仿真試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果基本一致。

表4 田間試驗(yàn)結(jié)果Tab. 4 Results of field test

5 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)了玉米果穗收獲機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)、虛擬仿真系統(tǒng)關(guān)鍵模塊以及玉米果穗收獲機(jī)和植株的物理組件等，建立了完整的玉米果穗收獲機(jī)虛擬收獲環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了收獲機(jī)與玉米植株的交互。

2) 以漏果率為響應(yīng)指標(biāo)，玉米收獲機(jī)行進(jìn)速度、割臺(tái)高度和玉米種植密度為響應(yīng)因素進(jìn)行虛擬的單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，利用響應(yīng)面法得到了影響玉米收獲機(jī)漏果率的最優(yōu)參數(shù)組合為收獲機(jī)行進(jìn)速度2.986 m/s，玉米種植密度6.7棵/m2，割臺(tái)高度0.42 m，此時(shí)平均漏果率最低為2.17%。根據(jù)虛擬仿真試驗(yàn)得到的最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行實(shí)際田間試驗(yàn)，得到田間實(shí)際試驗(yàn)漏果率的均值為 2.36%，與仿真試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果基本一致。設(shè)計(jì)的玉米果穗收獲機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)能夠進(jìn)行收獲作業(yè)及收獲機(jī)性能評(píng)估。