论文题目：虚拟环境下收割机爬坡性能及其收获行为仿真
摘要：随着我国农业机械化程度的不断加深,对农业收割机或农业拖拉机的性能要求越来越高,为了促使我国农业机械的发展标准化和数字化,将农业机械技技术与虚拟现实仿真技术相结合是一大趋势。其中对农作物进行收割时,会受到收获时间、天气等因素的影响;对农业车辆进行爬坡测试时,会受到坡度场地的限制;变速箱的甩油也会因为难以对润滑油进行实时观测,从而延长了开发周期。因此,本文以大型农业收割机和农业拖拉机为对象,结合Unity3D虚拟引擎软件物理引擎高效性的特点,深入的研究了农业自然虚拟环境的仿真建模技术、收割机爬坡性能以及收获行为展示的仿真,以及标准圆柱直齿轮的润滑仿真,旨在推动农业机械进行数字化仿真的研究进程。本文基于Unity3D虚拟现实引擎,利用虚拟现实技术,深入的研究了三维虚拟环境中的刚体碰撞、车辆驾驶、重力以及其他的力效果,虚拟环境中对车辆的控制、农作物的收割模拟和光滑粒子流体动力学方法对变速箱中润滑油模拟。具体内容如下:（1）针对虚拟场景中收割滚轮对农作物进行切断的问题,以收割玉米农作物为例,基于虚拟现实技术展示收割机与农作物玉米之间的力学交互过程。该方法通过利用Unity3D中天空盒与粒子系统来模拟虚拟环境中的天空,使用CAD/CAM系统软件完成农业收割机的建模和采用3ds Max与Unity3D软件完成树木、草地等植物的建模。为了进一步的模拟出虚拟农业自然环境且符合虚拟现实的沉浸度要求,本文构建基于Unity3D虚拟环境的视角控制规则,利用Shader Lab语言对环境模型进行贴图,控制虚拟环境中的摄像机实现农业虚拟环境下的虚拟漫游,以及控制收割机完成收割仿真展示。（2）为了在虚拟环境中对农业拖拉机进行爬坡行为的仿真,分析农业拖拉机在驱动力下爬坡的过程,设计了基于Unity3D软件内嵌的Phys X物理引擎模拟车辆控制,利用Wheel Collider组件的电机力矩提供车辆驱动力,以大型农业拖拉机为例进行爬坡模拟。首先构建拖拉机仿真模型,对其后桥传动进行分析,对驱动轮进一步的添加相应电机力矩使其符合实际运动仿真要求;然后,收集不同路面影响爬坡的因子及参数,将其融合入虚拟环境的坡道中,构建坡度可调的仿真坡道;最后,设计车辆爬坡验证试验与车辆稳定性性能测试得到数据折线图,用于数据分析。其中本文以后驱、车身质量为3000kg、车轮驱动扭矩为10000N/m、地面摩擦因数为0.54为例进行爬坡仿真展示,得出农业拖拉机只能爬上坡度为10度的陡坡。（3）为了促进农业车辆中变速箱的齿轮甩油模拟,运用光滑粒子流体动力学方法,利用虚拟环境中的大量流体粒子相互作用的过程,模拟液体的运动规律。选取合适的光滑核函数,由N-S方程获取虚拟场景中模拟的每一个流体粒子的实时加速度,再利用Metaball技术在Unity3D软件中实现液体渲染效果,加入旋转的齿轮来模拟润滑效果,得到齿轮与流体粒子产生碰撞之前每一帧的物理计算大致每帧为76ms,一旦齿轮参与碰撞就会使得CPU的消耗大大增加,大致每帧为647ms。
关键词：虚拟仿真;环境建模;收割展示;爬坡测试;光滑粒子
学科专业：农业硕士（专业学位）
摘要
abstract
1 绪论
1.1 论文的背景及研究意义
1.2 相关领域国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
1.2.2 国内研究现状
1.3 主要研究内容和技术路线
1.3.1 研究内容
1.3.2 技术路线
1.4 课题的来源与论文的章节内容安排
1.4.1 课题的来源
1.4.2 论文的章节内容安排
2 农业虚拟场景建模技术与渲染技术的研究
2.1 虚拟环境的场景建模
2.1.1 场景建模软件的介绍
2.1.2 虚拟农业自然环境建模概念
2.1.3 三维建模技术
2.1.4 虚拟场景中花、草、树木的建模
2.1.5 虚拟场景天空盒的设置
2.2 虚拟场景中利用粒子系统的云朵建模
2.2.1 虚拟场景中白云效果
2.3 虚拟场景的图形渲染技术
2.3.1 渲染流水线
2.3.2 Unity3D软件渲染Shader渲染技术
2.3.3 光照模型
3 虚拟环境的收获行为仿真技术
3.1 基于Unity3D软件的农业机械模型导入
3.2 UI界面的功能设计
3.3 农业自然环境虚拟场景漫游技术
3.3.1 虚拟场景中的三维模型的可视化
3.3.2 摄像机控制
3.4 收割滚轮与农作物的交互碰撞
3.4.1 碰撞检测技术的概述
3.4.2 Unity3D软件碰撞检测技术的实现
3.5 收割机的虚拟仿真控制
3.5.1 车轮悬挂系统模拟
3.5.2 车轮的动力系统模拟
3.5.3 车辆平衡杆的模拟
3.6 虚拟环境下收割机的收割仿真效果展示
4 虚拟环境下农业车辆爬坡性能测试技术
4.1 虚拟农机爬坡模块结构设计
4.2 三维虚拟爬坡性能测试技术
4.2.1 爬坡流程设计
4.2.2 爬坡测试的数据流管理
4.2.3 动态数据的可视化
4.3 程序结构设计
4.3.1 UI界面程序输入设计
4.3.2 资源加载设计
4.4 爬坡虚拟场景中的坡到设计
4.5 基于Unity3D的车轮驱动Wheel Collider组件力学模拟分析
4.5.1 虚拟农机的车轮碰撞器参数分析
4.6 爬坡实验效果展示与数据分析
5 基于Unity3D利用SPH算法实现标准圆柱齿轮的润滑油模拟
5.1 SPH算法介绍
5.2 光滑粒子的受力分析
5.3 SPH算法的推导及光滑核子函数的选用
5.4 虚拟场景中流体粒子的物理性质
5.4.1 模拟流体的密度
5.4.2 流体粒子所受的压力
5.4.3 流体粒子的粘度
5.4.4 流体粒子表面张力
5.5 流体粒子的渲染
5.6 实验结果的可视化展示
6 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
致谢
参考文献