青贮饲料化是指在密闭环境将含水率在65%~75%的植物性饲料切碎、压实,并进行抽氧密封的存贮技术。青贮主要借助青饲料内部厌氧乳酸菌,进行厌氧发酵,从而实现鲜棵饲料的长期保存[1-2]。采用该技术制作的玉米青贮饲料营养丰富、易消化、保存时间较长,在畜牧业中的利用价值较高[3-4]。玉米秸秆青贮饲料化可调整饲料供应期,扩大饲料来源,提高动物吸收效率,促进动物生长发育,进而有效推动整个畜牧业持续稳步发展[5-6]。玉米秸秆青贮饲料化需要在上岗前对相关从业人员进行全方位培训。我国对此类从业者的培训仍采用传统理论讲授方式,实操性不强,从业者无法深刻领会并学到实用性较强的玉米秸秆青贮饲料化技术[7-9]。而具有交互性、自主性等特点的虚拟现实技术,可以通过结合计算机软、硬件,生成逼真的立体三维虚拟空间场景环境,为用户提供沉浸式体验服务。采用虚拟现实技术,可以对玉米秸秆青贮饲料化的整个工艺系统进行模拟设计,并借助系统学习关键农机装备结构、工作原理以及玉米秸秆青贮饲料化生产全过程[10]。研究利用虚拟现实技术,设计玉米秸秆青贮饲料化模拟系统,用以创新传统岗前培训方式,指导玉米秸秆青贮饲料化具体实践。1模拟系统总体方案设计1.1选择开发平台3Ds MAX模型弹性高、动画制作效果佳。并且,因为该软件对计算机配置要求较低,已广泛应用于诸多行业领域,如三维动画设计、游戏制作和工程可视化设计[11]。现阶段,国际流行较广、可实时渲染且功能最为强大的虚幻引擎是Unreal Engine 4(下称虚幻4引擎)。作为第4代虚幻引擎,该引擎可为模拟系统提供有效引擎支持[12]。因此,研究选择3Ds MAX和虚幻4引擎软件开发玉米秸秆青贮饲料化模拟系统。开发平台选择流程见图1。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.04.025.F001图1选择流程1.2构建农机装备模型和搭建场景采用对比分析法,从几个应用成熟的玉米秸秆青贮饲料化养殖场和农场着手,进行全面的差异化对比。应用3Ds MAX软件,对养殖场和农场中现有的多样化农用机械(取料机、搅拌机、叉车、青贮机等)建立三维模型。然后运用虚幻4引擎软件,搭建包括玉米种植地、养殖场建筑在内设施场景地图,并模拟养殖场和农场的内、外部环境。模拟时尽量包含所有主要玉米秸秆青贮饲料化的实际场景和装备。1.3设计系统功能基于虚拟现实技术的玉米秸秆青贮饲料化模拟系统主要包括五大功能模块,分别为原理展示、虚拟驾驶、设备拆装、养殖场和农场仿真模块(见图2)。五大功能模块中,原理展示模块主要模拟青贮系统运行时,切割机割台、打捆和传动等场景;农场仿真模块主要模拟玉米秸秆从收割、打捆,到青贮运输,再到储存的场景;养殖场仿真模块主要模拟从饲料选取,到饲料搅拌,再到饲料饲喂的场景;虚拟驾驶模块主要模拟农用运输车、叉车、搅拌机、取料机等的驾驶场景;设备拆装模块主要模拟青贮机制动零件的初始化、拆卸和装配等场景。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.04.025.F002图2模拟系统2模拟系统开发2.1模型构建首先,建立场景主体模型。鉴于玉米秸秆青贮饲料化模拟系统五个模块包含多个复杂应用场景,故建模方式为“分别建模,同时导入并运行”。因多边形建模法系统容量较小且易于操作,建模人员能够利用该方法对网格密度进行良好控制,所以研究选用多边形建模法,利用3Ds MAX对各场景主体进行建模。玉米模型应包含以下几部分:秸秆、玉米、玉米叶以及玉米穗。建模人员可通过多次复制粘贴,使玉米模型形成玉米田模型。玉米秸秆青贮机、饲料搅拌机等农机装备三维模型外部应包含车轮、车身主体以及车头三部分,内部应包含传动系统、制动器。其次,增加场景模型平滑度。多边形建模法会在一定程度上降低模型显示精度。因此,在执行3Ds Max建模时增添“Smooth”命令,使得模型表面光滑,降低模型精度低造成的负面影响。在该阶段为模型添加材质。最后,对场景主体模型进行骨骼绑定。若想在虚幻4引擎中实现动画驱动,就需要对模型进行骨骼绑定。如果骨骼绑定与动画不匹配,则无法产生适合的动画。研究利用3Ds MAX对动画进行骨骼绑定,并对动画骨骼子关节与父关节的主轴、次轴绑定方式进行规定:主轴与次轴不得为同一轴向。关节链最末端轴向应设定为世界轴。通过上述规定,骨骼将良好契合动画,进而使得动画运动能够更加符合规律。2.2模型导入在3Ds Max中对模型进行构建后,将其导出为“FBX”文件并导入虚幻4引擎。首先,在文件导入前,应设定模型长度单位为“cm”,避免模型与虚幻4引擎搭建场景大小不匹配。其次,鉴于3Ds Max与虚幻4引擎直角坐标系、斜坐标系在初次导入时方向并不统一,在模型导入前对模型坐标进行归零。最后,在模型导入后将模型材质转换为标准材质,并将相同材质的模型整合成组,以便后期查找与模型匹配。2.3场景地图搭建利用虚幻4引擎对导入的玉米秸秆青贮饲料化相关模型进行布景。搭建环境场景。虚拟现实技术中,LOD技术能够实现图形快速生成。同时,该技术能够在不影响视觉效果的情况下,对复杂的场景进行表面细节简化。因此,需采用LOD技术在各个模块中分别搭建相应场景,加快场景图像生成速度。玉米秸秆青贮饲料化的全过程应涉及多个场景,诸如植被、房屋、地面等公共场景事物,围栏、厂棚、牲畜食槽等养殖场内部设施场景。搭建声音场景。声音场景可细分为全局声音与特定声音。系统可在各个板块中均设置鸟叫、风声等全局声音。在指定模块设置只有近距离可以听到的特定声音,例如为养殖场仿真模块设置牛、羊等牲畜的叫声。搭建特效和碰撞等特殊场景。虚幻4引擎的粒子系统模块能最大程度模拟玉米秸秆青贮机的搅拌、捆绑、出料等过程。一方面,该粒子系统模块可对模型进行贴图,通过粒子发射器生成基本特效。另一方面可通过调整模块内相应参数,如对“Location”进行设定、执行“Spawn”来启动脚本和命令会话,促使特效生成时长、位置、体积更加合理。因此,研究可应用虚幻4引擎中的粒子系统模块,创设如玉米秸秆青贮机作业时产生的烟雾、压缩和包装效果等特效场景。在虚幻4引擎中设置“玉米模型与玉米秸秆青贮机割台模型接触后消除”,创设碰撞特效。2.4逻辑关系建立将Visual C++作为玉米秸秆青贮饲料化模拟系统的逻辑开发工具。第一,对农场仿真模块与养殖场仿真模块中的青贮机、叉车、搅拌机、取料机等农机运动路线进行编码,使其能够自动按照规定路径完成作业。借助虚幻4引擎工具组块,开发寻路算法。为简化模型操作难度,在工具组块生成的车辆仅提供油门和方向盘两个操控接口。在单一目标点情境下,可通过寻路算法对目标点A、B最优路线进行计算,并设定车辆最大行驶速度,促使车辆可以正常完成寻路导航。在多个目标点情境下,可将全部目标点信息导入至寻路算法中,然后依次完成不同目标点之间的寻路导航。对于方向盘操控角度的获取,可采取如下手段:首先,得到车辆位置(A)指向目标点(B)的三维向量v。然后通过观察车辆在水平面的投影得到单位向量v1(x1,y1)。之后再得到车辆前进方向的单位向量v2(x2,y2)。其次,使v1、v2相乘,得出:v1 ⋅v2=v1v2cosθ=y (1)将y导入arccos(),得出车辆与正确运动方向的偏差角度θ。θ=arccosy (2)最终,通过计算得出两个向量的乘积,并将得到的结果输入“区间限定函数”中,以限制方向盘操控角度的最小值与最大值,实现对该模型方向盘的控制。具体流程见图3。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.04.025.F003图3自动寻路流程图第二,对农机及其动作运行时间节点与场景变更位置节点进行编码,以确保玉米秸秆青贮饲料化模拟系统中农机能够按照正确运动路径行驶、模块相应场景能够按照逻辑顺序进行更替。同时,在农机控制程序编写中,将每个零部件从抓取速度、抓取角度、抓取顺序等方面进行设定,以保障青贮机能够按照一定次序完成青贮作业,实现自动装配工作。第三,对手柄设计相应的控制程序,使系统用户可以在虚幻4引擎创造的虚拟世界中通过手柄对零部件进行抓取、装配与拆卸,实现青贮机、叉车等农机的组装拆卸以及驾驶。3模拟系统应用及结果分析虚拟现实技术下玉米秸秆青贮饲料化模拟系统主要面向玉米秸秆青贮相关工作人员,其功能完整性与性能稳定性,将显著影响系统用户能否获得沉浸式、交互性体验。由此,研究依据系统设计预期效果,对玉米秸秆青贮饲料化模拟系统进行模拟应用,以确保该系统有效且可大范围推广。模拟实践具体步骤如下:首先,登录虚幻4引擎软件,运行基于虚拟现实的玉米秸秆青贮饲料化模拟系统。其次,对农场仿真模块、设备拆装模块以及虚拟驾驶模块等五大模块相关按键进行测试,判断其连接逻辑是否正确。最后,核验玉米秸秆青贮饲料化模拟系统场景动更迭、农机行驶路径等内容是否符合逻辑,农机虚拟驾驶、零部件拆装等细节操作能否实现。测试结果见表1。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.04.025.T001表1各单元模块功能测试结果测试单元测试项目测试内容测试结果农场仿真模块青贮机运转行驶青贮机运转、行驶等动作运行是否符合逻辑是青贮机收割产捆青贮机收割、产捆等动作运行是否符合逻辑是叉车取捆运输叉车取捆、运输等动作运行是否符合逻辑是农用运输车运输农用运输车运输动作运行是否符合逻辑是养殖场仿真模块取料机往返取料取料机运动路径是否符合逻辑是搅拌机混料搅拌机混料比例是否符合程序设定是搅拌机运输饲料搅拌机运动路径是否符合逻辑是原理展示模块牲畜喂食牲畜进食路径是否符合逻辑是整车运动动画是否展示完整是割台切割动画是否展示完整是饲料运输动画是否展示完整是饲料产捆动画是否展示完整是设备拆装模块零件初始化零件数量、种类是否齐全是零件拆卸仿真手柄拆卸零件是否灵活、不卡顿是零件装配仿真手柄装配零件是否灵活、不卡顿是虚拟驾驶模块叉车驾驶是否能够完成转动方向盘、叉起青贮秸秆、放下青贮秸秆等操作是农用运输车驾驶是否能够完成转动方向盘、运输饲料等操作是取料机驾驶是否能够完成转动方向盘、取料等操作是搅拌机驾驶是否能够完成转动方向盘、搅拌饲料等操作是青贮机驾驶是否能够完成转动方向盘、青贮秸秆、切割秸秆等操作是由表1可知,五大模块20个测试项目均符合预期。可见,基于虚拟现实的玉米秸秆青贮饲料化模拟系统能够平稳运行,有效满足玉米秸秆青贮相关工作人员的实操模拟需求。4结论本研究利用虚拟现实技术探讨玉米秸秆青贮饲料化模拟系统的设计与应用问题。选用3Ds MAX和虚幻4引擎软件,对模拟系统进行开发。通过模拟玉米秸秆青贮从收获、切割打捆、饲料搅拌、喂食到运输储存等过程,证明该系统运转流畅,能够有效满足玉米秸秆青贮相关工作人员的模拟训练需求。在该系统创设的虚拟环境中,用户和工作人员不需要实地考察,通过互联网就可以身临其境地感受到玉米秸秆青贮饲料化全过程,了解到青贮机传动系统原理、农机模拟驾驶等功能。该系统一方面有效解决工作人员培训时的时空受限问题,拉近工作人员与学习设备结构及工作过程的距离,使得玉米秸秆青贮饲料化培训更加高效、便捷;另一方面可以有效指导玉米秸秆青贮饲料化实践,大幅提升玉米秸秆饲料的贮存效率与使用效率,推进饲料加工与畜牧业稳步持续发展。
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