农田喷灌车模型的建立与运动仿真

《农田喷灌车模型的建立与运动仿真》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、农田喷灌车模型的建立与运动仿真　　引言　　伴随着信息技术的发展，虚拟现实仿真技术日益成熟。这是一门多学科融合的交叉技术和前沿科学领域，在很多领域中已经得到了应用。将农业机械与虚拟现实仿真技术相结合已成为现代化农业技术发展的趋势，也逐步成为热点研究课题。　　虚拟现实技术在农业机械上的应用是指通过计算机对农业机械的外观、功能、行为进行建模，也就是建立虚拟样机，生成逼真的三维虚拟环境。通过虚拟现实系统，能够在虚拟环境中实时观察虚拟农机的农业生产活动、实现农机的性能实验和特性评估，并且人与机械之间能进行实时的交互。　　本文在了解农田喷灌车工作过程的基础上，利用虚拟现实仿真技术在Pro/E环境下建立模型

2、，导入3dsMax中做后期处理将农田喷灌车的外观设计呈现;利用Unity3D来实现行驶、喷洒机械臂的展开、折叠以及作业时虚拟环境，为用户提供一个可操作的原型农田机械，不仅可以为农业教学科研提供服务，也可以用于农业机械的观光与培训。　　1农田喷灌车模型的建立　　1．1三维模型建立　　通常一个机械的完整设计包含了零件制图、装配设计模块及工程图绘制模块等，越复杂的机械模型所包含的内容越多。本文选取机械仿真的目的是实现喷灌车在田间的行驶及喷药操作，主要模拟车身的运动以及机具的操作效果，而不包含机械的内部传动原理。所以，对其内部的复杂构造(如发动机内部结构和气压传动机构等)没有进行建模。因此，在建模时，

3、从展示内容的角度将农田喷灌车的模型大体分为4部分:机身、车轮、喷灌箱及喷洒机械臂。　　为了达到建立机械模型的精准要求，用Sketch-Up、3dsMax等通用建模工具是不合适的，可选用专业的机械建模软件Pro/E将模型的图纸导入Pro/E中，以线条的形式画出。建立组装好的模型在3dsMax中做后期处理，最后在Unity3D环境进行下一步仿真操作，具体流程如图1所示。【图1】　　1．2贴图材质处理　　在Pro/E环境下建立的基础模型只具有三维外观，虽然它本身自带材质，但是不符合虚拟仿真的要求。一般的模型无论光照效果还是后期渲染，若每一部分都是独立材质，做烘焙会有很多小碎面，十分混乱，所以需要在3

4、dsMax中做后期处理、焊接节点。　　通过UVax的场景采用右手系模式，z轴默认向上，喷灌车机械臂的旋转很显然是以z轴为旋转轴旋转。以一级机械臂为例，其轴心在黄色钮的中心与下方绿色螺栓中间的连线上，如图5(a)所示(为了方便观看，其余机械臂暂时隐藏)。由于机械臂模型并不垂直于地面且稍微向机身倾斜，若轴心坐标存在微小的误差，将导致机械臂展开时无法与地面平行。　　为了使误差降到最低，可以通过辅助物体来调整轴心。在此建立辅助物体，利用空间捕捉功能，在两点之间做一条辅助线将其在场景中渲染，如图5(b)所示。【图5.略】　　　　选择不同视角将辅助物体的轴心与辅助物体z轴方向彻底重合，将机械臂附加在辅助物

5、体上，使机械臂的轴心与辅助物体一致;最后，利用可编辑多边形的元素选择状态将辅助物体删除，其余机械臂也同样应用此方法来达到调轴目的。　　2机械运动仿真　　2．1模型的层次关系　　喷洒机械臂的结构仿真运动比较复杂，各个机械零件的运动无法通过一个简单的函数关系来表达，常规的平移和旋转复合算法无法实现这一效果。通过对机械臂的运动观察发现，机械臂上的各个零件从严格意义让讲并不存在真正意义上的简单平移运动，其位置的移动都是由于其它零件的旋转带动的。通过合理规划机械臂相关零件的父子层次关系，然后通过对父物体的旋转，带动子物体的位移。这种方法使得后面的仿真算法得到大幅度简化。　　喷洒机械臂分别位于药箱的左右两

6、侧，最靠近车身的部分为一级机械臂，接下来为二级、三级直至四级机械臂。每级机械臂下方都带有喷洒药物的细管，喷灌车工作时，机械臂通过链接机身与机械臂的液压杆获取展开的动力，向外侧以折叠方式一级一级展开，左右两侧同时同步，当全部张开时，暂停运动。由于本文要表达的是仿真效果而不是研究机械动力原理，在此只考虑外观的动作模拟展示。因此，以模拟机械外观仿真的角度观察，需要做模拟运动的部件，如表1所示。【表1】　　　　模拟机械臂展开过程时，首先要确定各级机械臂的父子关系。当父子关系确定后，子物体会随着父物体的位移和旋转发生相应的改变，而子物体的改变不会影响到父物体，因此一级机械臂很显然是父物体。　　机械臂的父

7、子关系示意图如图6所示。【图6】　　2．2模拟行驶　　农田喷灌车的模拟行驶是通过Unity3D本身自带的物理组件AX的模型优化的研究［J］．科学技术与工程，2010，26(10):6566－6568．　　［4］徐钟明，苏张志飞，余烽．车辆转弯制动横向轨迹控制驾驶员模型研究［J］．公路交通科技，2008，25(7):147－150．　　［5］淮永建，王梅峰，左正兴，等．基于多体动力学理论的赛车游戏引