玉米果穗收获机虚拟收获设计与仿真试验*

王建祥，慈翠荣，刘贤喜, 3，张开兴

(1. 山东农业工程学院，济南市，250100； 2. 山东农业大学机械与电子工程学院，山东泰安，271018；3. 山东省农业装备智能化工程试验室，山东泰安，271018)

0 引言

玉米收获机械化的快速发展，提高了收获效率，节省了劳动力，有效地解决了抢收玉米和抢种小麦的矛盾[1-3]。近年来，随着虚拟现试技术迅速兴起和农业机械化的不断推进，虚拟现试技术广泛应用于农业发展生产，是建设新农村和农业的有效手段[4-8]。在玉米收获装备试验和研发的过程中，还面临着玉米收获试验受季节限制、玉米收获装备研发需要在田间进行大量试验、虚拟现试技术在玉米收获装备研发方面的研究较少等问题[9]。因此，需要设计一个能够模拟玉米收获机收获作业并进行性能评估的平台，来缩短玉米果穗收获机械的研发周期。

Bourhim等[10]通过虚拟现试技术与Unity 3D环境建模相结合，验证了虚拟仿真所提供的信息的有效性。位于京都的高级电子与通信研究所(ATR)开发了一种系统来识别手势和面部表情，并将它们作为系统输入[11]。陈亚龙等[12]提出虚拟现实在农业领域——果树修剪技术推广中应用的可能性，介绍了虚拟现实的基本概念和应用现状，提出了“虚拟果树修建系统”的初步构想和基本思路。罗锡文等[13]利用人工智能和虚拟现试技术，研究了移动机器人的复杂行为，建立了多主体行为决策系统，定义了six-element结构的函数，建立了消息和事件驱动机制，实现了移动式机器人的果穗采收行为及其虚拟仿真环境建模。

以上分析对本文的研究提供了一定的借鉴，尽管我国的众多学者和专家对虚拟现实技术进行了大量的研究，但均未针对玉米果穗收获进行试验分析，我国还面临着玉米果穗收获机械研发需要在田间进行大量试验，受季节限制等问题。基于此，本文开展了基于Unity3D的玉米果穗收获机虚拟仿真设计与收获试验，能够真实地模拟玉米果穗收获机的收获作业，并对玉米果穗收获机进行仿真试验和性能评估。

1 玉米果穗收获机虚拟仿真系统设计

1.1 仿真系统的结构

玉米果穗收获机虚拟仿真系统结构如图1所示，主要由6部分组成：界面与视角观察器、玉米果穗收获机生成系统、玉米植株生成系统、整体环境观察器、模型包、数据包。

界面与视角观察器：主要用来获取观察视角与设置相机跟随。玉米果穗收获机生成系统：包括玉米果穗收获机模型的构建、简化、渲染、材质添加、格式转化及模型的导入导出。玉米植株生成系统：包括玉米植株模型的构建、渲染、模型导入及单位转换。整体环境观察器：展示了包括了环境光、虚拟天空、田地环境和虚拟收获环境等。模型包：包括玉米果穗收获机模型、玉米植株模型和地块等主要模型。数据包：包括玉米果穗收获机的各种特性及运动参数、收获数据，玉米植株的各种特性、结构数据与参数。

图1 玉米收获环境仿真系统整机结构图Fig. 1 Structure diagram of maize harvest environment simulation system

1.2 仿真系统实现的技术流程

仿真系统实现的技术流程如下：首先，获取相应的数据设计玉米果穗收获机、植株和虚拟收获场景，并进行单位尺寸和格式转换；其次，通过设计组件和编写程序实现收获机的相关功能和收获作业；最后，对玉米果穗收获机进行仿真试验，并进行试验验证。

2 虚拟仿真系统关键模块设计

2.1 玉米果穗收获机设计

玉米果穗收获机整机结构包括由割台、驾驶室、车轮、清选装置、秸秆还田装置、输送装置、剥皮装置、粮箱和机架等装置。该玉米果穗收获机可一次性完成三行玉米的摘穗、输送、剥皮和茎秆粉碎还田等工作。通过查阅相关资料和收集尺寸可以设计出各零部件的三维模型，进而设计出完整的玉米果穗收获机。通过构建玉米果穗收获机各个零部件[14]，并将零部件在软件内进行装配，最终形成完整的玉米果穗收获机如图2所示。

图2 玉米果穗收获机整机结构设计Fig. 2 Structure design of corn ear harvester

2.2 玉米植株模型设计

玉米植株作为收获目标，其模型的构建是非常重要的一步。玉米植株模型由叶片、茎秆和玉米果穗组成。根据对现实玉米形态的观察和形态分析，获取玉米植株的模型数据。玉米植株的几何结构特征可以通过建立具有真实感和立体性的植株虚拟模型进行三维再现，玉米植株的设计采用3D Max建模软件完成。

对于叶片模型，采用NURBS的面片建模方式；玉米茎秆模型在Unity3D中利用弹簧关节组件进行分段设计，可以使茎秆在受力的过程中弯曲，显现出更真实地物理特性；玉米田地则根据玉米果穗收获机的作业行数和仿真需要，通过阵列的方式构建出合适的玉米田地。设计的玉米植株及田地部分模型如图3所示。

(a) 叶片

(b) 茎秆

(c) 玉米植株

(d) 玉米田地图3 玉米植株及田地模型Fig. 3 Corn plant and field model

2.3 虚拟收获环境设计

设计完玉米果穗收获机和玉米植株后，还需设计收获场景。场景的设计主要包括地形、玉米果穗收获机模型和植株模型的导入、贴图和纹理、环境光、天空盒、渲染设计和小地图导航等。

虚拟环境的真实效果影响着整个系统的真实感和用户的沉浸感。场景包括的物体模型较多且复杂，设计时考虑了结构的合理性以及系统运行的可行性，并设计材质、纹理贴图、光照等。玉米果穗收获机虚拟收获环境如图4所示。

图4 玉米果穗收获机虚拟收获环境Fig. 4 Virtual harvest environment of corn ear harvester

3 仿真系统功能实现

3.1 物理组件设计

为了使环境内的物体获得真实地物理特性，为玉米果穗收获机设计刚体特性。拥有刚体特性的收获机会获得重力，由于不进行碰撞交互，收获机会穿过地块并掉落，因此还需要为场景内的物体及地块设计碰撞器。Box Collider的误差与高度成正比，结构简单、运算量小、运行速度快，可以为车体设计此碰撞器，使碰撞器轮廓和车体轮廓接近并将车体完整包裹。Mesh Collider的精度比较高，网格划分比较细，可为割台设计添加此碰撞器，使碰撞器几乎完全按照割台轮廓进行包裹。Wheel Collider是为陆地上的交通工具专门设计的碰撞器，它内设了碰撞检测、车轮物理和基于滑动的轮胎摩擦力模型等，因此，可以为玉米果穗收获机车轮设计此碰撞器。设计完碰撞器的收获机如图5所示。

(a) Box Collider

(b) Mesh Collider

(c) Wheel Collider图5 设计完碰撞器的收获机Fig. 5 Harvester of the collider has been designed

3.2 第一人称漫游及视角控制

视角漫游与控制功能的实现是设计玉米果穗收获机虚拟现实仿真系统非常关键的一步[15]，该功能可以使使用者在场景内自由移动并转换视角。虚拟现实仿真系统视角摆放初始位置如图6所示。

图6 系统视角摆放初始位置Fig. 6 Initial placement of system perspective

3.3 系统相关功能实现

在对地块、玉米果穗收获机等进行组件和参数设计之后，还要针对玉米果穗收获机虚拟收获仿真相关功能的实现编写程序控制。本论文脚本程序的编写利用了Visual Studio 2017软件，使用C#开发和编写相关功能代码。实现了相机跟随、车轮与割台转动、系统交互、显示玉米收获数量等功能。

4 虚拟仿真试验与结果分析

4.1 试验条件及过程

本文首先设计了观察试验，验证了虚拟现实环境下玉米果穗收获机仿真平台的可行性。然后设计不同的条件对收获作业进行仿真试验，并分析玉米果穗收获机的收获性能。仿真试验设计如下。

4.1.1 玉米果穗收获机的收获作业观察试验

观察试验主要包括观察玉米果穗收获机的收获过程、收获过程中玉米果穗收获数量、漏果状况以及玉米植株飞出等状况。为了更好地观察试验结果，设计低挡0.833 m/s和高挡4.723 m/s对玉米果穗收获机进行仿真试验观察，低挡和高挡每组重复10次。

4.1.2 玉米果穗收获机的收获仿真试验

为研究不同因素对玉米果穗收获机漏果率的影响，设计了单因素试验和正交试验，通过两种试验结果确定影响漏果率的最优参数。试验评价指标果率计算方法如式(1)所示[16]。

(1)

式中：ωf——漏果率，%；

qT——玉米果穗总数量，棵；

qs——实际收获的玉米果穗数量，棵。

4.2 观察试验

观察试验的具体收获状况及观察试验结果如图7所示。经过试验发现，当玉米果穗收获机行进速度较低时，收获果穗的速度较慢，植株飞出和漏果漏节状况也较少；而当速度较高时，收获的玉米果穗数量多，但植株飞出、漏果漏节现象也较为明显。

(a) 玉米植株未割

(b) 割断后的玉米植株

4.3 单因素试验

4.3.1 收获机行进速度对漏果率的影响

为探究收获机行进速度对漏果率的影响，确定合理的收获机行进速度，设计0.833 m/s、1.611 m/s、2.389 m/s、3.167 m/s、3.945 m/s、4.723 m/s这6个行进速度作为试验变量开展收获机行进速度单因素试验。此时玉米种植密度设置为6.7棵/m2，割台高度设置为0.42 m。行进速度单因素试验结果如图8所示。根据漏果率曲线变化分析可知，当速度小于3.167 m/s，漏果率随行进速度的增加下降较快，反之，漏果率有逐渐升高的趋势，行进速度在2.389～3.945 m/s时处于最优区间。

图8 行进速度对漏果率的影响Fig. 8 Effect of walking speed on fruit leakage rate

4.3.2 玉米种植密度对漏果率的影响

玉米种植密度是影响漏果率的另一重要因素。本文设计了5.2棵/m2、6.0棵/m2、6.7棵/m2、7.5棵/m2、8.2棵/m2这5个种植密度进行单因素试验，收获机行进速度设置为3.167 m/s，割台高度设置为0.42 m。玉米种植密度单因素试验结果如图9所示，漏果率随玉米种植密度的增大呈先下降后增大的趋势。根据试验结果分析，玉米种植密度的最优区间为6.0～7.5棵/m2[17-19]。

图9 玉米种植密度对漏果率的影响Fig. 9 Effect of planting density on leakage rate of maize

4.3.3 割台高度对漏果率的影响

根据玉米植株高度和结穗高度的不同，本文设置了0.26 m、0.34 m、0.42 m、0.50 m、0.58 m这5个割台高度进行单因素试验，收获机行进速度设置为3.167 m/s，玉米种植密度设置为6.7棵/m2。割台高度单因素试验结果如图10所示。

从图10可以看出，随着割台高度的增加漏果率呈先降低后增大的趋势。割台高度在0.34～0.50 m时处于最优区间。

图10 漏果率随割台高度变化Fig. 10 Effect of cutting height on leakage rate

4.4 正交试验与响应面分析

4.4.1 正交试验

根据单因素试验结果，利用Design-Expert统计软件设计三因素三水平正交试验，试验因素水平表如表1所示。由Box-Behnken design(BBD)试验原理设计的正交试验共17个试验组，每组试验重复5次，正交试验分组和试验结果如表2所示。

表1 试验因素水平Tab. 1 Test factor levels

表2 正交试验结果Tab. 2 Results of orthogonal test

4.4.2 响应面分析

为进一步分析收获机行进速度、玉米种植密度、割台高度对响应优化量(漏果率)的影响，对漏果率进行响应面分析。影响漏果率的3个因素两两相互作用的响应曲面及等高线如图11所示。

(a) 行进速度和种植密度交互作用

(b) 行进速度和割台高度交互作用

(c) 割台高度和种植密度交互作用图11 漏果率的响应曲面及等高线Fig. 11 Response surface and contour of fruit loss rate

通过响应面分析可以得到漏果率关于收获机行进速度、玉米种植密度、割台高度的二次三项回归模型如式(2)所示。

ωf=2.26+0.151 7×A-0.176 3×B-0.078 8×C+0.013 9×AB-0.182 5×AC-0.265 1×BC+0.308 5×A2+0.477 4×B2+0.731 0×C2

(2)

式中：A——收获机行进速度，m/s；

B——玉米种植密度，棵/m2；

C——割台高度，m。

为进一步确定响应模型的可行性，对响应模型进行方差分析，响应模型方差分析结果如表3所示。

表3 方差分析Tab. 3 Analysis of variance

由表3可知，模型P值为0.005 8，说明响应模型是极显著的。根据P值的大小可以分析收获机行进速度、玉米种植密度、割台高度三个因素分别漏果率的显著性影响，其中对漏果率影响最显著的因素是B(种植密度)。根据模型中F值可以看出各因素对漏果率影响的显著性为B>A>C。

4.4.3 最优参数组合的确定

根据正交试验结果和响应面法对收获机行进速度、玉米种植密度、割台高度进行参数优化，根据参数优化结果，得到的最优参数组合为收获机行进速度2.986 m/s，玉米种植密度6.7棵/m2，割台高度0.42 m。对上述最优参数组合进行5次基于Unity3D的玉米果穗收获机虚拟仿真试验验证，结果显示平均漏果率为2.17%，验证了设计的玉米果穗收获机仿真试验的合理性。

4.5 田间试验

为进一步验证基于Unity3D的玉米果穗收获机虚拟仿真试验参数优化结果的实际作业性能，根据虚拟仿真试验参数优化结果，对最优参数进行样机田间试验验证。以GB/T21961-2008《玉米收获机械试验方法》作为验证依据，以收获机行进速度2.986 m/s，玉米种植密度6.7棵/m2，割台高度0.42 m为试验条件。在田间进行分段试验，每段50 m，试验结果如表4所示，得到漏果率的均值为2.36%，与仿真试验优化结果基本一致。

表4 田间试验结果Tab. 4 Results of field test

5 结论

1) 设计了玉米果穗收获机虚拟仿真系统、虚拟仿真系统关键模块以及玉米果穗收获机和植株的物理组件等，建立了完整的玉米果穗收获机虚拟收获环境，实现了收获机与玉米植株的交互。

2) 以漏果率为响应指标，玉米收获机行进速度、割台高度和玉米种植密度为响应因素进行虚拟的单因素试验和正交试验，利用响应面法得到了影响玉米收获机漏果率的最优参数组合为收获机行进速度2.986 m/s，玉米种植密度6.7棵/m2，割台高度0.42 m，此时平均漏果率最低为2.17%。根据虚拟仿真试验得到的最优参数进行实际田间试验，得到田间实际试验漏果率的均值为 2.36%，与仿真试验优化结果基本一致。设计的玉米果穗收获机虚拟仿真系统能够进行收获作业及收获机性能评估。