基于虚拟现实的自走式农业机械试验方法研究
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摘要
为缩短农业机械的开发周期,降低开发成本,提高设计质量,增强产品竞争力,本文将虚拟现实技术应用于自走式农业机械仿真试验研究中,借助计算机图形学、计算机仿真、信息处理、实时交互显示等技术,并结合物理引擎创建了自走式农业机械虚拟现实试验系统,该系统具有实时性、交互性及遵循客观运动规律的物理学属性。本文对基于虚拟现实技术的自走式农业机械虚拟试验系统的设计及虚拟试验所涉及的关键技术与方法展开了研究。
针对自走式农业机械虚拟试验需求,从建模方法、建模关键技术、模型数据结构优化等方面入手,结合Vega Prime粒子特效与影子模块的应用,创建了虚拟现实系统的场景模型及农机几何模型,为后续的研究提供了逼真高效的三维模型基础。
根据稻麦联合收割机性能试验特性,对整车进行动力学与运动学分析,创建了联合收割机的发动机、转向系、纵向牵引性能以及垂向平顺性能的数学模型；利用神经网络模拟轮胎纵向和侧向特性,根据试验数据和最小二乘法拟合轮胎垂向刚度和阻尼数学公式。为稻麦联合收割机进行性能试验提供了数学理论基础。
利用RTW (Real-Time Workshop)技术将动力学数学模型转化为C代码,结合物理引擎与联合收割机几何模型,创建了遵循物理学客观规律的联合收割机物理行为模型和虚拟现实试验系统,提出了一种利用RTW与物理引擎联合仿真的虚拟现实试验方法。
根据土壤承压特性模型,针对农机车辆通过松软路面时出现地面沉陷现象,阐述了动态地形实时可视化的实现方法；结合联合收割机动力学数学模型,通过虚拟试验场景的可视化界面展示联合收割机的性能试验及试验效果,并根据仿真数据评价联合收割机各项虚拟试验性能。
利用Labview对实测垂向加速度信号进行滤波处理,根据最小二乘法去除信号的趋势项,将加速度信号转换为位移信号,并与相同工况下的虚拟试验对比,以此验证虚拟试验系统及联合收割机垂向数学模型的有效性和准确性；根据虚拟试验仿真数据,利用概率统计平均方法计算动态牵引性能的评价指标,以此评价虚拟试验系统及联合收割机纵向数学模型的有效性和准确性。
利用人机接口技术将模拟驾驶器与虚拟农机和虚拟试验系统连接,通过模拟驾驶器的输入控制虚拟农机的运动状态,并将符合客观运动规律的运动形态和动态效果实时地输出到投影屏幕上,实现了自走式农业机械虚拟试验的实时交互。
In order to shorten the product development cycle, maintain costs reduction, and improve design quality and products competitiveness, a virtual experiment system based on virtual reality for self-propelled agricultural machinery combining with the physics engine was established by means of modern computer graphics, computer simulation technology, information processing technology, and real-time interactive technology. The virtual experiment system has real-time characteristics, interactivity and physics properties which follow the objective movement law of the objects. To design the self-propelled agricultural machinery virtual experiment system, the key problems and methods of the system were studied.
According to the demands of self-propelled agricultural machinery virtual experiment, and from the aspects of modeling method, key modeling technology, model structure optimization etc, the scene model and agricultural machinery geometric model of virtual reality systems were created combining with particle effects and shadows in the vega prime application module.
Aiming at the performance testing characteristics of rice and wheat combine harvester, dynamics and kinematics analysis were carried out on the harvester. The mathematical models of harvester engine, steering system, longitudinal traction performance and vertical ride performance were created. The longitudinal and lateral characteristics of the tire were simulated using neural network technology, and we created the mathematical formulas of vertical stiffness and damping resistance of the tire based on experimental data and least-squares fitting, which provided a mathematics theoretical basis for harvester performance virtual test.
The dynamic mathematical model is converted into C code used by the RTW (Real-Time Workshop) technology. Combining physics engine with harvester geometric model, physical behavior model and virtual reality experiment system were built which follow the objective physical laws. A virtual reality experiment method to co-simulate RTW technology with physics engine in virtual reality system was put forward.
According to the characteristics of soil pressure model and aiming at soft road surface subsidence phenomenon after agricultural vehicle passing, an implementation method of dynamic terrain real-time visualization was described. Combining with dynamic mathematical model of harvester, the harvester performance test and test result were shown by visual interface of virtual test scenarios. At last, the virtual experiment performance of harvester was evaluated according to simulation data.
The vertical acceleration signal obtained by actual measurement was filtered in Labview software. According to the least-squares method to remove the trend item of the signal, the acceleration signal is converted to a displacement signal. And then, comparing the signal with that obtained in virtual experiment at the same conditions to verify the effectiveness and accuracy of the virtual experiment system and vertical mathematical model. Based on the virtual experiment simulation data, evaluation indicators of dynamic traction performance were calculated by the probability statistical average method, then the effectiveness and accuracy of the virtual experiment system and longitudinal mathematical model of harvester can be evaluated.
Driving simulator is connected to the virtual agricultural machinery and the virtual experiment system using man-machine interface technology. To control the movement state of virtual agricultural machinery by the information inputted from driving simulator, and then, the dynamic effect and movement form which obey the objective movement law real-time output to the projection screen, Therefore, real-time interactions of the self-propelled agricultural machinery virtual experiment were implemented.
针对自走式农业机械虚拟试验需求,从建模方法、建模关键技术、模型数据结构优化等方面入手,结合Vega Prime粒子特效与影子模块的应用,创建了虚拟现实系统的场景模型及农机几何模型,为后续的研究提供了逼真高效的三维模型基础。
根据稻麦联合收割机性能试验特性,对整车进行动力学与运动学分析,创建了联合收割机的发动机、转向系、纵向牵引性能以及垂向平顺性能的数学模型；利用神经网络模拟轮胎纵向和侧向特性,根据试验数据和最小二乘法拟合轮胎垂向刚度和阻尼数学公式。为稻麦联合收割机进行性能试验提供了数学理论基础。
利用RTW (Real-Time Workshop)技术将动力学数学模型转化为C代码,结合物理引擎与联合收割机几何模型,创建了遵循物理学客观规律的联合收割机物理行为模型和虚拟现实试验系统,提出了一种利用RTW与物理引擎联合仿真的虚拟现实试验方法。
根据土壤承压特性模型,针对农机车辆通过松软路面时出现地面沉陷现象,阐述了动态地形实时可视化的实现方法；结合联合收割机动力学数学模型,通过虚拟试验场景的可视化界面展示联合收割机的性能试验及试验效果,并根据仿真数据评价联合收割机各项虚拟试验性能。
利用Labview对实测垂向加速度信号进行滤波处理,根据最小二乘法去除信号的趋势项,将加速度信号转换为位移信号,并与相同工况下的虚拟试验对比,以此验证虚拟试验系统及联合收割机垂向数学模型的有效性和准确性；根据虚拟试验仿真数据,利用概率统计平均方法计算动态牵引性能的评价指标,以此评价虚拟试验系统及联合收割机纵向数学模型的有效性和准确性。
利用人机接口技术将模拟驾驶器与虚拟农机和虚拟试验系统连接,通过模拟驾驶器的输入控制虚拟农机的运动状态,并将符合客观运动规律的运动形态和动态效果实时地输出到投影屏幕上,实现了自走式农业机械虚拟试验的实时交互。
In order to shorten the product development cycle, maintain costs reduction, and improve design quality and products competitiveness, a virtual experiment system based on virtual reality for self-propelled agricultural machinery combining with the physics engine was established by means of modern computer graphics, computer simulation technology, information processing technology, and real-time interactive technology. The virtual experiment system has real-time characteristics, interactivity and physics properties which follow the objective movement law of the objects. To design the self-propelled agricultural machinery virtual experiment system, the key problems and methods of the system were studied.
According to the demands of self-propelled agricultural machinery virtual experiment, and from the aspects of modeling method, key modeling technology, model structure optimization etc, the scene model and agricultural machinery geometric model of virtual reality systems were created combining with particle effects and shadows in the vega prime application module.
Aiming at the performance testing characteristics of rice and wheat combine harvester, dynamics and kinematics analysis were carried out on the harvester. The mathematical models of harvester engine, steering system, longitudinal traction performance and vertical ride performance were created. The longitudinal and lateral characteristics of the tire were simulated using neural network technology, and we created the mathematical formulas of vertical stiffness and damping resistance of the tire based on experimental data and least-squares fitting, which provided a mathematics theoretical basis for harvester performance virtual test.
The dynamic mathematical model is converted into C code used by the RTW (Real-Time Workshop) technology. Combining physics engine with harvester geometric model, physical behavior model and virtual reality experiment system were built which follow the objective physical laws. A virtual reality experiment method to co-simulate RTW technology with physics engine in virtual reality system was put forward.
According to the characteristics of soil pressure model and aiming at soft road surface subsidence phenomenon after agricultural vehicle passing, an implementation method of dynamic terrain real-time visualization was described. Combining with dynamic mathematical model of harvester, the harvester performance test and test result were shown by visual interface of virtual test scenarios. At last, the virtual experiment performance of harvester was evaluated according to simulation data.
The vertical acceleration signal obtained by actual measurement was filtered in Labview software. According to the least-squares method to remove the trend item of the signal, the acceleration signal is converted to a displacement signal. And then, comparing the signal with that obtained in virtual experiment at the same conditions to verify the effectiveness and accuracy of the virtual experiment system and vertical mathematical model. Based on the virtual experiment simulation data, evaluation indicators of dynamic traction performance were calculated by the probability statistical average method, then the effectiveness and accuracy of the virtual experiment system and longitudinal mathematical model of harvester can be evaluated.
Driving simulator is connected to the virtual agricultural machinery and the virtual experiment system using man-machine interface technology. To control the movement state of virtual agricultural machinery by the information inputted from driving simulator, and then, the dynamic effect and movement form which obey the objective movement law real-time output to the projection screen, Therefore, real-time interactions of the self-propelled agricultural machinery virtual experiment were implemented.
引文
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