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
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，
导入 3ds Max 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，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、3ds Max 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 3ds Max 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 3ds Max 中做后期处理、焊接节点。
通过 UVW 修改器对模型进行贴图，具体步骤如下: 修改器把立体的三维模型的表面在一个平
面上展开、铺平; 然后，把这个展平的表面输出到二维图形编辑软件中绘制贴图; 最后，再把画
好的贴图贴回到三维模型上。
利用 UVW 贴图可以精确地控制模型上的 UV 面，将纹理贴图准确绘制到模型表面，特别适用
于不规则形状的模型和纹理贴图不规则的情况。将整个喷灌车的贴图利用 UVW 展开，效果如
图2 所示。【图 2.略】
在具体的建模过程中，机械模型中存在许多比较细小的结构，如螺栓和螺母。这些结构如果完
全建模，不仅占用过多资源，而且在仿真过程中也会因为显卡的计算误差而产生闪烁现象。一
般虚拟现实中解决的办法是尽量使用材质来代替模型，但这些处理带来的副作用是: 当近距离
观察时，效果不够逼真。
机械仿真不同于一般的游戏设计，要求保留必要的真实效果，而解决这个矛盾的办法是利用凹
凸贴图来完成。例如，建立车轮模型时，模型尽量减少面数; 利用平面贴图和凹凸贴图相结
合，可以描绘每个像素的法线朝向，更好地表现凹凸细节，产生出来的模型类似高多边形的效
果，增加了物体细节的层次，实现了车轮上的凹凸效果，如图 3 所示。【图 3.略】
喷灌车模型经过后期处理，在保证节约资源的前提下实现了逼真的仿真效果，如图 4 所示。
【图 4.略】
1 ．3 调整零件轴心
在机械臂的运动仿真中，大部分零件都要进行旋转运动，而旋转是依赖于零件模型的自身坐标
轴进行的。由于每一级的机械臂旋转的轴心都不相同，因此针对此喷药机调轴是关键的一
步。3ds Max 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 WheelCollider( 车轮碰撞器) 来实
现的。WheelCollider 是一个特殊的地面车辆碰撞器，具有内置的碰撞检测、车轮物理引擎和一
个基于滑移的轮胎摩擦模型，是专门为有轮子的车辆设计。因此，只要给WheelCollider 一个
力，就可以自动实现滚动的物理效果，并且可以通过代码捕获它的转速。
需要注意的是，按照传统思想，给车轮加Wheel-Collider 属性的做法是直接选中车轮添加属
性，效果如图 7 所示; 但是，此过程无法实现车轮的滚动。这是因为车轮的碰撞检测是通过自
身Y 轴的中心向下，投射一条射线; 而轮子滚动时，轴心也随之旋转，这与 WheelCollider 的自
摘要：
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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，导入3dsMa...
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作者：闻远设计
分类：社科文学类资料
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时间：2024-04-14
