玉米收獲機(jī)虛擬樣機(jī)的仿真作業(yè)研究

鄭思思,王小花

(唐山科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北 唐山 063000)

0 引言

傳統(tǒng)的玉米收獲機(jī)設(shè)計(jì)思路為:選定設(shè)計(jì)方案→零件計(jì)算校核→樣機(jī)制造→樣機(jī)測(cè)試→設(shè)計(jì)方案改進(jìn)。整個(gè)設(shè)計(jì)流程復(fù)雜,特別是樣機(jī)測(cè)試完成后需要對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn),耗時(shí)費(fèi)力[1-2]。隨著計(jì)算機(jī)性能的提高,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展越來(lái)越成熟。目前,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于大型農(nóng)機(jī)的駕駛員培訓(xùn)[3-4]。如果將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于玉米收獲機(jī)的設(shè)計(jì),進(jìn)行虛擬環(huán)境下的測(cè)試與改進(jìn),可以顯著提高整個(gè)設(shè)計(jì)流程效率,顯著降低設(shè)計(jì)成本[5-6]。為此,通過(guò)對(duì)環(huán)境系統(tǒng)和收獲機(jī)建模,并根據(jù)真實(shí)環(huán)境中收獲機(jī)和環(huán)境因素的相互作用方式,建立環(huán)境系統(tǒng)和收獲機(jī)交互模型,最終在虛擬環(huán)境中對(duì)收獲機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)爬坡性能和制動(dòng)性能進(jìn)行測(cè)試,以期為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在玉米收獲機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)用提供新思路。

1 系統(tǒng)組成

為了實(shí)現(xiàn)玉米收獲機(jī)在虛擬環(huán)境中的作業(yè)仿真,提高收獲機(jī)設(shè)計(jì)及改進(jìn)效率,設(shè)計(jì)了虛擬樣機(jī)仿真系統(tǒng),如圖1所示。首先,建立VR虛擬環(huán)境系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)玉米收獲機(jī)工作場(chǎng)地環(huán)境設(shè)置,包括地形模型、地高模型和地物模型;其次,將收獲機(jī)運(yùn)行過(guò)程參數(shù)化,包括發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模型、收獲機(jī)轉(zhuǎn)向模型和制動(dòng)模型等;再次,完成收獲機(jī)模型和VR虛擬工況環(huán)境模型的交互,基于ODE開(kāi)源物理引擎[7-8],建立收獲機(jī)和虛擬環(huán)境模型的Body組件,采用Hinge()運(yùn)動(dòng)約束鉸函數(shù)實(shí)現(xiàn)收獲機(jī)自身各部分間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),完成收獲機(jī)和VR環(huán)境交互作用設(shè)計(jì)流程;最后,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行爬坡測(cè)試和制動(dòng)測(cè)試,完成虛擬環(huán)境下對(duì)于收獲機(jī)性能的測(cè)試。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 Structure of system

2 VR環(huán)境設(shè)計(jì)

現(xiàn)實(shí)環(huán)境中,玉米收獲機(jī)會(huì)遇到各種路況(包括地形起伏、地壟和排水溝等),也會(huì)遇到建筑物及植物等。因此,在虛擬樣機(jī)系統(tǒng)中需要還原玉米收獲機(jī)的工作環(huán)境。

VR虛擬場(chǎng)景再現(xiàn)是將現(xiàn)實(shí)中玉米收獲機(jī)工作過(guò)程中遇到的各種地形和地物模型化,VR虛擬環(huán)境設(shè)計(jì)如圖2所示。其中,地形模型包括障礙、排水溝,地壟;建立地高模型,實(shí)現(xiàn)顛簸路面和坡路。地物模型為收獲機(jī)運(yùn)行過(guò)程中遇到的植物和建筑物,植物包括樹(shù)木,農(nóng)作物等,建筑物包括樓宇、大棚和警示牌等。

圖2 VR虛擬環(huán)境設(shè)計(jì)Fig. 2 The design for VR virtual environment

數(shù)字地形通過(guò)在Multigen Creator[9-10]環(huán)境下建立地形函數(shù)來(lái)完成,地形函數(shù)Kp為

Kp=fk(xp,yp),k=1,2,...,n;p=1,2,...,m

(1)

其中,xp、yp為地圖平面坐標(biāo),將所有地圖坐標(biāo)排列成一維數(shù)列,則xp、yp坐標(biāo)在該數(shù)列中的序號(hào)為p,整個(gè)一維數(shù)列中坐標(biāo)點(diǎn)個(gè)數(shù)為m;fk為第k地形的函數(shù),地圖中共含有n中地形函數(shù),包括障礙、排水溝和地壟等。

數(shù)字地形中另外一個(gè)重要模型設(shè)置為地高模型,通過(guò)地高模型實(shí)現(xiàn)顛簸路面和坡度設(shè)置。地高模型函數(shù)為地圖平面坐標(biāo)(xp,yp)對(duì)應(yīng)的高度為Kzp,即

Kzp=fz(xp,yp)

(2)

將坐標(biāo)一維化后,可以等到整個(gè)地圖的一維地形高度向量{Kzp,p=1,2,...,m},進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化存儲(chǔ)。

地物模型的建立廣泛采用外部引用、實(shí)例化和布告板技術(shù)。由于樹(shù)木和農(nóng)作物等在VR虛擬場(chǎng)景建設(shè)中應(yīng)用非常成熟,采用外部引用的方法可以有效降低數(shù)據(jù)量,精簡(jiǎn)系統(tǒng)架構(gòu)[11-12]。同時(shí),樹(shù)木和農(nóng)作物等還具有多次重復(fù)出現(xiàn)的特點(diǎn),可以引入實(shí)例化方案。首先,建立一棵草的引用模型,認(rèn)為草地為草模型及其副本組成;最后,修改草模型,改變所有副本,進(jìn)而改變整個(gè)草坪,既降低了系統(tǒng)修改難度,又節(jié)約了系統(tǒng)內(nèi)存空間[13]。對(duì)于建筑物模型,則采用布告板技術(shù),繪制一個(gè)帶貼圖的矩形區(qū)域,并保證每幀矩形都是正對(duì)視點(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)了立體效果。

3 玉米收獲機(jī)運(yùn)行模型

工作時(shí),玉米收獲機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)提供有效功率和有效轉(zhuǎn)矩,通過(guò)方向盤(pán)控制轉(zhuǎn)向油缸,進(jìn)而控制轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎動(dòng)作,通過(guò)制動(dòng)踏板完成減速和停止;發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力,轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向,剎車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)減速和停止,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)玉米收獲機(jī)的基本動(dòng)作。虛擬系統(tǒng)同樣要實(shí)現(xiàn)玉米收獲機(jī)的基本動(dòng)作,則應(yīng)建立發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力模型、轉(zhuǎn)向模型和制動(dòng)模型,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)玉米收獲機(jī)自身控制模型。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力模型

發(fā)動(dòng)機(jī)為玉米收獲機(jī)提供動(dòng)力,其有效轉(zhuǎn)矩決定收獲機(jī)輪上扭矩以及克服泥濘路況能力,也決定收獲機(jī)加速性能以及收獲機(jī)的工作效率和玉米承載能力[14-15]。根據(jù)現(xiàn)實(shí)中玉米收獲機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況,建立發(fā)動(dòng)機(jī)輸出有效功率模型和有效轉(zhuǎn)矩模型,進(jìn)而將模型數(shù)學(xué)表達(dá)式引入虛擬運(yùn)行系統(tǒng)。現(xiàn)實(shí)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率和有效轉(zhuǎn)矩如圖3所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力模型Fig.3 The power model for engine

由圖3可知,有效功率隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速呈線性遞增趨勢(shì)。對(duì)其進(jìn)行線性擬合,結(jié)果如式(3)所示,擬合決定系數(shù)R2達(dá)到0.9833。

y=0.0645x-4.1162

(3)

圖3中,隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高,有效扭矩為先增加后降低趨勢(shì)。對(duì)其進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合,結(jié)果如式(4)所示,擬合決定系數(shù)R2=0.9596。兩模型擬合決定系數(shù)表明:在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為800～1800r/min區(qū)間內(nèi),可以很好地表征發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率和有效扭矩。

y=-0.0002x2+0.535x+232.58

(4)

3.2 收獲機(jī)轉(zhuǎn)向與制動(dòng)模型

玉米收獲機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)工作時(shí),方向盤(pán)控制轉(zhuǎn)向油缸長(zhǎng)度,轉(zhuǎn)向油缸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而通過(guò)控制方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角度,實(shí)現(xiàn)對(duì)于轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向控制。制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)力矩和制動(dòng)踏板踩下深度成正比關(guān)系,基于上述原理,建立制動(dòng)模型。

方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)角θ范圍為[-532o,532o],對(duì)應(yīng)的油缸伸長(zhǎng)量x范圍為[60mm,60mm],二者關(guān)系如圖4所示。

圖4 玉米收獲機(jī)轉(zhuǎn)向模型Fig. 4 Steering model for corn harvester

方向盤(pán)轉(zhuǎn)向角和油缸伸長(zhǎng)量成線性分布,則轉(zhuǎn)動(dòng)角θ和油缸伸長(zhǎng)量x一階微分關(guān)系為

(5)

由圖4可知:油缸一端采用鉸接的方法固定在機(jī)架鉸接點(diǎn)D上,伸長(zhǎng)端鉸接在轉(zhuǎn)向連桿鉸接點(diǎn)E上;轉(zhuǎn)向連桿鉸接點(diǎn)E到轉(zhuǎn)向輪軸鉸接點(diǎn)O之間的距離為l1,機(jī)架鉸接點(diǎn)D到轉(zhuǎn)向輪軸鉸接點(diǎn)O之間的長(zhǎng)度為l2,機(jī)架鉸接點(diǎn)D到轉(zhuǎn)向連桿鉸接點(diǎn)E之間的距離為l3-x,x為轉(zhuǎn)向油缸伸長(zhǎng)量。因此,油缸伸長(zhǎng)量x和轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角Φ之間的關(guān)系以及方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角θ和轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角Φ之間的關(guān)系分別為

(6)

(7)

玉米收獲機(jī)制動(dòng)力矩T和制動(dòng)踏板踩下行程L成正比關(guān)系,最大制動(dòng)力為T(mén)max,制動(dòng)踏板最大行程為L(zhǎng)max,則制動(dòng)力矩T和制動(dòng)踏板踩下行程L模型為

(8)

4 虛擬現(xiàn)實(shí)交互控制系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實(shí)的交互控制是將已經(jīng)完成的環(huán)境VR設(shè)計(jì)和玉米收獲機(jī)數(shù)學(xué)模型按照真實(shí)環(huán)境中的相互作用,交互完成一個(gè)完整的虛擬系統(tǒng)。本系統(tǒng)基于ODE(Open Dynamics Engine) 開(kāi)源物理引擎進(jìn)行設(shè)計(jì),需要實(shí)現(xiàn)玉米收割機(jī)導(dǎo)向輪、驅(qū)動(dòng)輪和收割部件與機(jī)體之間的相互運(yùn)動(dòng),再將已經(jīng)完成的環(huán)境VR設(shè)計(jì)和玉米收獲機(jī)模型,集成在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中。

4.1 模型物理屬性的實(shí)現(xiàn)

玉米收獲機(jī)的虛擬交互系統(tǒng)包括收獲機(jī)模型和VR虛擬環(huán)境,VR虛擬環(huán)境包括地形模型和地物模型。本虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)基于ODE開(kāi)源物理引擎進(jìn)行實(shí)現(xiàn),將每個(gè)模型的多種特性梳理成 “Body”組合實(shí)體,如圖5所示。其中,“Body”組合實(shí)體包括固有屬性和變化屬性。固有屬性包括材料、質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量屬性,變化屬性則包括位置、速度和旋轉(zhuǎn)矩陣等。

圖5 模型物理特性的實(shí)現(xiàn)Fig.5 The realization of physical characteristics for model

ODE開(kāi)源物理引擎提供多種關(guān)節(jié)類型,包括一自由度關(guān)節(jié)Hinge()和兩自由度關(guān)節(jié)Hinge2()函數(shù)等。設(shè)收獲機(jī)前進(jìn)方向?yàn)閥軸正方向,驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)軸方向?yàn)閤軸方向,收獲機(jī)垂直向上為z方向。其中,驅(qū)動(dòng)輪只繞輪軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)可以采用Hinge(Jx)表示;導(dǎo)向輪既繞著x軸方向轉(zhuǎn)動(dòng),又繞著z方向轉(zhuǎn)動(dòng),因此采用自由度關(guān)節(jié)Hinge2(Jx,Jz)表示;收割臺(tái)整體繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng),可以表示為Hinge(Jx);方向盤(pán)則沿著z軸轉(zhuǎn)動(dòng),可以表示為Hinge(Jz)。至此,實(shí)現(xiàn)玉米收獲機(jī)各部分之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

4.2 虛擬現(xiàn)實(shí)交互控制流程

虛擬現(xiàn)實(shí)交互控制是實(shí)現(xiàn)玉米收獲機(jī)模型和VR環(huán)境模型之間的交互,流程如圖6所示。

圖6 虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程Fig. 6 The flow for the achievement of virtual reality interactive system

5 系統(tǒng)測(cè)試

基于ODE開(kāi)源物理引擎實(shí)現(xiàn)了玉米收獲機(jī)自身相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及和VR環(huán)境模型的交互,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了玉米收獲機(jī)的虛擬樣機(jī)系統(tǒng)。上坡性能和制動(dòng)性能是玉米收獲機(jī)的兩大關(guān)鍵性能參數(shù),現(xiàn)采用本虛擬樣機(jī)系統(tǒng)對(duì)玉米收獲機(jī)的上坡性能和制動(dòng)性能進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如圖7所示。

圖7 虛擬樣機(jī)系統(tǒng)仿真測(cè)試Fig.7 The simulation test for virtual prototype system

由圖7(a)可知:在0～4s區(qū)間內(nèi),發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)輸出功率,收獲機(jī)以0.98m/s2的加速度進(jìn)行加速,速度曲線為快速上升趨勢(shì),位移曲線持續(xù)上漲;在4～6.5s區(qū)間內(nèi),收獲機(jī)處于勻速狀態(tài),速度曲線維持不變,而位移曲線持續(xù)上升;在6.5～12s區(qū)間內(nèi),收獲機(jī)受到4800N·m的制動(dòng)力矩,平均加速度為-0.64m/s2,總制動(dòng)長(zhǎng)度為18m,表明玉米收獲機(jī)制動(dòng)和加速性能良好。

由圖7(b)可知:在0～2s內(nèi)處于上坡路段,測(cè)試牽引力不斷上升,豎直方向位移不斷增加,而速度處于下降階段;在2～6s內(nèi)玉米收獲機(jī)處于坡頂,此時(shí)牽引力開(kāi)始下降,速度也隨之下降;在3～3.5s內(nèi)牽引力增大,速度隨之增大,在3.5～4.5s內(nèi)牽引力下降,同時(shí)速度區(qū)域平穩(wěn);在4.5～6s內(nèi),牽引力處于平穩(wěn)狀態(tài),速度也進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài);6～8s內(nèi)處于下坡?tīng)顟B(tài),期初牽引力較低,造成在下坡路段上速度不斷下降;在7～8s內(nèi),牽引力提高,速度開(kāi)始提高;8～10s區(qū)間,處于坡下平路,牽引力逐步在高位開(kāi)始下降,而速度逐步升高。虛擬樣機(jī)測(cè)試結(jié)果表明:玉米收獲機(jī)速度響應(yīng)迅速,且具有良好的爬坡能力。

6 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)玉米收獲機(jī)的虛擬設(shè)計(jì)與性能測(cè)試,設(shè)計(jì)了收獲機(jī)虛擬樣機(jī)系統(tǒng)。首先,進(jìn)行VR環(huán)境設(shè)計(jì),以及數(shù)字地形模型和地物模型設(shè)計(jì),且數(shù)字地形在Multigen Creator 環(huán)境中通過(guò)地形函數(shù)實(shí)現(xiàn),地高模型基于地高函數(shù)實(shí)現(xiàn),并形成一維地高向量;其次,根據(jù)實(shí)際工況完成玉米收獲機(jī)模型,有效功率采用線性函數(shù)進(jìn)行擬合,擬合決定系數(shù)R2=0.9833,有效轉(zhuǎn)矩采用二次多項(xiàng)式函數(shù)進(jìn)行擬合,擬合決定系數(shù)R2=0.9596,建立收獲機(jī)轉(zhuǎn)向模型和制動(dòng)模型;再次,基于ODE建立虛擬現(xiàn)實(shí)交互控制系統(tǒng),收獲機(jī)各部件采用鉸鏈函數(shù)Hinge()實(shí)現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng),進(jìn)而建立虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng);最后,利用虛擬樣機(jī)對(duì)玉米收獲機(jī)制動(dòng)性能進(jìn)程測(cè)試,表明玉米收獲機(jī)制動(dòng)和加速性能良好。