农业机械虚拟试验交互控制系统研究初探

 
　　关键词：农业机械；虚拟试验；交互系统 
　　中图分类号：S220 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20151033053 
　　农业技术的进步是我国农业所面临的最大发展契机与挑战，农业机械的制造是农业发展的重点与中心。传统的农业机械设计制造过程已经无法适应现代高效率农业的要求和发展需要。本文通过创建农业机械虚拟试验交互控制系统，在虚拟环境中实现对虚拟农机的生产观察，实现农业机械的三维仿真构建，同时仿真出农机实体模型和虚拟场景。 
　　1 虚拟试验人际交互系统的设计 
　　人机交互的意义是通过有效方式的使用实现人机对话，借助C++、Vega prime等软件包对系统进行总和，通过计算机的输入、输出设备完成总体开发。 
　　1.1 设计出大屏幕显示系统 
　　显示系统主要由投影仪、投影仪吊架、柱状金属幕和融合机几方面组成。通过六台投影仪的配合使用实现3通道的立体显示，此外，还可以达到120°环形金属投影硬幕的感官效果。因为融合机所具有的边缘融合和非线性几何校正的功能，所以可以实现3道同投影系统的无缝拼接。 
　　1.2 设计出四自由度的仿真平台 
　　四自由度是指拖拉机在田间运作时的振动、转向、横滚和俯仰4个姿态。四自由度的仿真平台是由托架、回转架、移动平台、隔震器、液压缸和回转马达组成，该平台包含了蓄能器、电液伺服闸、液压马达、液压回转接头、分流器、液压源等原件。分流器的功能是将液压系统提供的10MPa稳定压力油经过高压过滤器的作用分成3路。3路中的压力油分别经过3个电液伺服阀不停地从油缸中进出，带动油缸做升降运动。 
　　1.3 三维模型 
　　设计人员通过拆卸农业机械的实体，对其每个零部件进行精确的尺寸测量，利用得到的数据在Pro/E软件中进行各个部件的三维建模。对构建出的零件模型进行转换，最终将其导出为后缀为obj的文件。在Multigen Creator软件中导入obj后缀的模型文件，转换成格式为flt的零件模型。最终对flt格式的零件模型进行装配工作，即可得到1个完整的农机三维模型。 
　　1.4 虚拟试验场 
　　在对水田虚拟试验场进行设计和规划的过程中，为了简化研究，本文选择将水田土壤看做均匀单一的状态。根据对耕作区域的农田情况、作物生长状况和数字地图的研究，做出环境的三维虚拟。虚拟试验场包括最基本的水田，以及其中的农业机械、生长作物和田间道路等。 
　　2 虚拟现实人机交互系统的应用实现 
　　通过在虚拟场景中的作物田信息进行测量，获得它们的位置以及尺寸长度信息。将测量得到的数据输入计算机中，计算机发出统一的控制信息，对拖拉机的运行方向、速度进行精确控制，使其可以沿着随机生成的作物行驶，达到良好的播种以及养护效果。 
　　2.1 虚拟环境与虚拟样机的协同 
　　计算机根据得到的数据生成特定的虚拟环境，通过输入输出设备实现人机交互。计算机提取出虚拟场景内的地形地势的情形、作物的生长走向、行驶路上可能遇到的障碍信息，输送到虚拟拖拉机的方向盘中，控制其行驶的方向以及速度，并可以根据收到的控制信息实现车轮的制动与滚动。 
　　2.2 将四自由度变换为坐标 
　　将拖拉机的行为转换为计算机控制的关键就是实现拖拉机在田间运作时的振动、转向、横滚和俯仰四个自由度转换为计算机中的坐标语言。在模型中通过六项自由度来控制，其中包括空间坐标的x、y、z以及表示绕x、y、z三轴旋转的俯仰角、偏航角和横滚角。通过角度和坐标的双重控制，能准确的得到拖拉机所需运行的位置、高度和姿态。 
　　3 人机交互仿真实验 
　　人机交互实验的开展先对农田仿真试验场所进行运行，在得到一定的地形地势数据后将三维农机模型调入其中。启动四自由度仿真平台系统，给农机一定的初速度，在它沿着随机生成的作物前行的过程中，计算模型所受到的牵引力以及实时的地形数据，再通过控制器对液压缸和马达的控制，最终实现对实体农机的控制。让实体农机在仿真平台上运行，记录车轮的转速。通过试验数据与样本实体数据的对比，会发现在实体农机与虚拟样机的行走速度和姿态有着较好的一致性，说明该虚拟试验交互系统是初步成功的。 
　　农业机械虚拟试验交互控制系统有着良好的发展前景和深刻的意义。通过对该系统的开发运用，可以极大地减少农机产品生产过程中的人力财力，并且会比人工的测试有着更大的精确性。本文经过建立虚拟现实仿真的人机交互平台，对该平台的四自由度进行测试和调控，最终实现了农机实体与三维仿真模型的协同控制。试验研究结果说明该仿真系统具有很大的可行性及可靠性。 
　　参考文献 
　　[1] 苑严伟，张小超，吴才聪等.农业机械虚拟试验交互控制系统[J].农业机械学报，2011（08）：149-153. 
　　[2] 孙迎春.农业机械虚拟试验交互控制系统研究初探[J].中国农业信息，2013（23）：189.