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基于虚拟现实的自走式农业机械试验方法研究

作　者: 王菲
导　师: 迟瑞娟
学　校: 中国农业大学
专　业: 车辆工程
关键词: 自走式农业机械 物理学属性 联合仿真 虚拟试验系统 实时交互
分类号: S220
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
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内容摘要


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。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-14
第一章 绪论  14-28
  1.1 研究背景及意义  14-15
  1.2 国内外研究和发展现状  15-26
  1.3 本课题的研究内容和方法  26-27
  1.4 本章小结  27-28
第二章 自走式农业机械虚拟现实试验系统模型的构建  28-47
  2.1 虚拟现实系统开发环境及功能  28-30
  2.2 构建三维虚拟场景模型  30-43
  2.3 自走式农业机械模型的构建  43-46
  2.4 本章小结  46-47
第三章 自走式农业机械运动学和动力学分析  47-73
  3.1 发动机数学模型的建立  47-50
  3.2 轮式收获机械转向系运动学分析  50-53
  3.3 动力传动系统动力学分析  53-54
  3.4 轮胎数学模型分析  54-62
  3.5 平顺性能动力学分析  62-66
  3.6 牵引性能动力学分析  66-72
  3.7 本章小结  72-73
第四章 自走式农业机械虚拟试验方法的实现  73-86
  4.1 基于Simulink与VC的混合编程方法  73-78
  4.2 遵循物理学运动规律的虚拟现实世界的集成  78-85
  4.3 本章小结  85-86
第五章 基于虚拟现实系统自走式农业机械试验的实现  86-101
  5.1 动态地形实时可视化  86-89
  5.2 联合收割机性能试验的实现  89-96
  5.3 田间虚拟试验展示  96-100
  5.4 本章小结  100-101
第六章 虚拟试验系统的验证和评价  101-111
  6.1 垂向加速度实车试验  101-105
  6.2 虚拟试验的牵引性能评价  105-110
  6.3 本章小结  110-111
第七章 虚拟现实系统的人机交互  111-116
  7.1 沉浸式虚拟现实系统  111-112
  7.2 人机接口  112-113
  7.3 系统集成界面  113-115
  7.4 本章小结  115-116
第八章 结论与建议  116-118
  8.1 结论  116
  8.2 创新点  116-117
  8.3 建议  117-118
参考文献  118-125
致谢  125-126
作者简介  126

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中图分类: > 农业科学 > 农业工程 > 农业机械及农具 > 一般性问题
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