農(nóng)業(yè)機(jī)械虛擬仿真實驗教學(xué)設(shè)計研究

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摘要：針對農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動化專業(yè)教學(xué)在《農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)》課程實驗實習(xí)教學(xué)存在的設(shè)備購置與維護(hù)投入大、受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)季節(jié)性影響等突出問題，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)裝備中的應(yīng)用進(jìn)行了農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)虛擬仿真教學(xué)項目的設(shè)計。項目圍繞黃淮海地區(qū)主要農(nóng)作物生產(chǎn)過程中“耕、種、管、收”等機(jī)械化作業(yè)環(huán)節(jié)，構(gòu)建了不同模塊的網(wǎng)絡(luò)化的農(nóng)業(yè)機(jī)械的虛擬認(rèn)知、虛擬拆裝、虛擬操作、動態(tài)仿真等實驗實踐項目，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬仿真教學(xué)與傳統(tǒng)實驗實習(xí)教學(xué)的有機(jī)融合。為培養(yǎng)服務(wù)于國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的復(fù)合型高級工程技術(shù)人才提供了有力保障。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)；虛擬仿真；實驗教學(xué)；設(shè)計

引言

農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)機(jī)裝備是轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式、提高農(nóng)村生產(chǎn)力的重要基礎(chǔ)，是實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要支撐[1]。加快農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，建設(shè)智慧農(nóng)業(yè)離不開高素質(zhì)農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)人才，離不開高水平的農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動化專業(yè)人才培養(yǎng)體系，離不開高水平的農(nóng)業(yè)工程技術(shù)人才綜合能力提高的訓(xùn)練系統(tǒng)[2]。在此背景下，課程教學(xué)團(tuán)隊依托國家級農(nóng)業(yè)工程綜合訓(xùn)練中心和省級農(nóng)業(yè)工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心，聚集優(yōu)勢學(xué)科科研平臺，按照構(gòu)建功能集約、資源共享、開放充分、運(yùn)作高效的實驗教學(xué)平臺有關(guān)工作要求，展開了基于VR技術(shù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)與開發(fā)，圍繞黃淮海地區(qū)主要農(nóng)作物全程機(jī)械化生產(chǎn)過程中“耕、種、管、收”環(huán)節(jié)，完成不同模塊的網(wǎng)絡(luò)化的農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實驗與部分農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真訓(xùn)練（實踐）。為加快發(fā)展“新工科”，深化科教結(jié)合與校企合作，提高人才培養(yǎng)能力打下基礎(chǔ)。

1農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)設(shè)計目的

為了農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動化本科專業(yè)學(xué)生綜合能力，特別是創(chuàng)新能力、動手能力的提高，逐漸加大專業(yè)課程的實驗環(huán)節(jié)或?qū)I(yè)實踐環(huán)節(jié)的課時是目前行之有效的方法。農(nóng)業(yè)機(jī)械化及自動化專業(yè)學(xué)生專業(yè)實驗或?qū)嵺`環(huán)節(jié)的系統(tǒng)性與完整性對學(xué)生綜合實踐能力的提高十分必要。從農(nóng)業(yè)裝備的認(rèn)識、典型農(nóng)業(yè)裝備的性能分析、設(shè)計、制造，乃至控制、智能化設(shè)計、維護(hù)等等都需要學(xué)生能夠親自參與其中。但由于經(jīng)費(fèi)、場地等原因，購買大量的新設(shè)備很難操作，而虛擬農(nóng)業(yè)裝備實驗且可以很好解決農(nóng)業(yè)裝備實驗的系統(tǒng)性、完備性問題，無需太多費(fèi)用、場地、操作人員等，即可獲得有關(guān)實驗的虛擬現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)裝備。大型農(nóng)場的認(rèn)知、大型噴灌機(jī)械、大型復(fù)合作業(yè)機(jī)械等等大型農(nóng)場、農(nóng)業(yè)裝備，對學(xué)校而言根本無法購置與運(yùn)行。傳統(tǒng)的簡單模型的替代方法無法真實再現(xiàn)大型農(nóng)業(yè)裝備其功能、結(jié)構(gòu)及大型農(nóng)場的情景。采用農(nóng)業(yè)裝備虛擬實訓(xùn)系統(tǒng)可以很好的解決此類問題。可以不出校門實現(xiàn)大型農(nóng)場、大型農(nóng)業(yè)裝備的運(yùn)行、認(rèn)知的實驗與實踐工作。如今，農(nóng)業(yè)裝備的科學(xué)研究已從二維化向三維化發(fā)展、從圖紙化向無紙化作業(yè)發(fā)展、從經(jīng)典設(shè)計向現(xiàn)代設(shè)計的發(fā)展。虛擬仿真技術(shù)作為現(xiàn)代的設(shè)計方法，也得到了廣泛應(yīng)用，發(fā)揮了巨大的作用。農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實驗項目一方面可以用于農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動化專業(yè)的實驗及實踐教學(xué)，一方面也可用于智能農(nóng)業(yè)裝備新產(chǎn)品的研發(fā)。

2農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)設(shè)計方案

農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)是農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動化專業(yè)的核心課程之一，是一門理論性和實踐性較強(qiáng)的課程。《農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)》課程虛擬教學(xué)資源設(shè)置堅持“虛實結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實不虛”的建設(shè)原則，充分發(fā)揮專業(yè)特色優(yōu)勢，加強(qiáng)學(xué)科交叉，凸顯虛擬教學(xué)的特色，實現(xiàn)虛擬教學(xué)的創(chuàng)新。結(jié)合農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)實際和教學(xué)特點，在原有植保無人機(jī)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺基礎(chǔ)上，提出“智慧農(nóng)場農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)裝備虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)”建設(shè)項目方案，項目設(shè)有四個虛擬仿真實驗教學(xué)模塊，基本涵蓋了農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動化專業(yè)的專業(yè)實驗教學(xué)課程及部分實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，主要包括智慧農(nóng)場虛擬認(rèn)知模塊、“耕-種-管-收”農(nóng)業(yè)裝備虛擬拆裝模塊、農(nóng)業(yè)裝備動態(tài)仿真模塊、農(nóng)業(yè)裝備虛擬測繪模塊。每個實驗?zāi)K均包括專業(yè)知識、綜合技能和研究創(chuàng)新三種層次的多個實驗，并充分與理論課程、真實實驗、工程實踐和科學(xué)研究緊密結(jié)合。

2.1模塊1：智慧農(nóng)場虛擬認(rèn)知

智慧農(nóng)場虛擬認(rèn)知主要是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的真實再現(xiàn)讓學(xué)生對現(xiàn)代化專業(yè)化的農(nóng)場進(jìn)行沉浸式的認(rèn)知學(xué)習(xí)?？梢允箤W(xué)生在虛擬環(huán)境中了解不同農(nóng)作物的耕作、種植、田間管理、收獲、后處理的生產(chǎn)過程；可以了解整個農(nóng)作物生產(chǎn)過程的不同階段使用的不同農(nóng)業(yè)機(jī)械的功能動態(tài)模擬；可以了解典型農(nóng)業(yè)裝備的虛擬駕駛與操作功能。

2.2模塊2：“耕-種-管-收”農(nóng)業(yè)生產(chǎn)裝備拆裝

“耕-種-管-收”農(nóng)業(yè)生產(chǎn)裝備拆裝主要是讓學(xué)生掌握一些黃淮海地區(qū)主要農(nóng)作物“耕-種-管-收”環(huán)節(jié)重點農(nóng)機(jī)設(shè)備的正確的拆裝步驟、必要的拆裝工具，并實現(xiàn)實驗過程的自動打分、測評。實現(xiàn)犁、耙、旋耕機(jī)、播種機(jī)、插秧機(jī)（移栽機(jī)）、大型噴霧機(jī)械、大型聯(lián)合收割機(jī)、大型拖拉機(jī)等關(guān)鍵功能零部件的拆裝。

2.3模塊3：農(nóng)業(yè)裝備虛擬動態(tài)仿真與操作訓(xùn)練

農(nóng)業(yè)裝備虛擬動態(tài)仿真與操作訓(xùn)練主要是幫助學(xué)生了解農(nóng)用機(jī)械設(shè)備的外形、結(jié)構(gòu)，并對關(guān)鍵部件進(jìn)行文字說明，對于大型設(shè)備，展示其運(yùn)作原理。學(xué)生通過虛擬操作實現(xiàn)不同農(nóng)業(yè)機(jī)械，如犁、粑、收割機(jī)、旋耕機(jī)、播種機(jī)、噴霧機(jī)等主要部件的功能的動態(tài)仿真，使學(xué)生真是體會到農(nóng)業(yè)裝備正常工作的內(nèi)部動態(tài)功能，了解農(nóng)業(yè)裝備主要部件的工作原理。對于主要農(nóng)作物，開展輪式拖拉機(jī)、輪式/履帶式收割機(jī)虛擬駕駛和收獲作業(yè)訓(xùn)練，讓學(xué)生掌握道路交通安全、農(nóng)機(jī)安全法律法規(guī)和機(jī)械常識、操作規(guī)程等相關(guān)知識；利用三維影像技術(shù)構(gòu)建出田間作業(yè)場景，實現(xiàn)拖拉機(jī)/收割機(jī)模擬實景作業(yè)，通過多個作業(yè)場景練習(xí)，掌握拖拉機(jī)/收割機(jī)駕駛及操作技術(shù)。

2.4模塊4：農(nóng)業(yè)裝備關(guān)鍵零部件的虛擬測繪實驗

農(nóng)業(yè)裝備關(guān)鍵零部件的虛擬測繪實驗是讓學(xué)生能通過三維結(jié)構(gòu)的查看和尺寸測量，能夠充分理解農(nóng)機(jī)設(shè)備重要部件的幾何結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生提高手繪能力，以及未來對先進(jìn)設(shè)備重要部件的設(shè)計和改進(jìn)能力。比如鏵式犁的犁曲面曲線測繪、播種機(jī)的排種器、收割機(jī)割臺、打捆機(jī)打結(jié)器等關(guān)鍵零件的測繪。

3智慧農(nóng)場農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)裝備虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計

3.1系統(tǒng)主要內(nèi)容與界面

3.1.1登陸界面。進(jìn)入系統(tǒng)，學(xué)生或教師或維護(hù)人員首先需使用學(xué)號和密碼進(jìn)行登陸，在登陸的同時，系統(tǒng)后臺會自動驗證賬號所具有的權(quán)限，并自動加載權(quán)限對應(yīng)的功能模塊；此外，登陸過程中，系統(tǒng)自動檢測版本號及相應(yīng)的資源信息，并自動進(jìn)行對應(yīng)的更

3.1.2個人中心。個人中心主要是學(xué)生用于管理個人信息，查詢個人學(xué)習(xí)記錄和考核記錄；其中，學(xué)生信息主要包括管理學(xué)生個人信息，包含姓名，性別，出生年月，班級，學(xué)號等；學(xué)習(xí)記錄主要查詢學(xué)習(xí)模式下的操作記錄，包括操作時間，實訓(xùn)用時，操作步驟的正誤情況等；考核記錄可查詢虛擬考核的記錄，包括考核時間，考核用時，考核點的正誤情況，考核成績等。

3.1.3課程選擇。學(xué)生進(jìn)入虛擬實訓(xùn)系統(tǒng)首先需進(jìn)入課程中心進(jìn)行訓(xùn)練模塊選擇，當(dāng)前，我們?yōu)橄到y(tǒng)設(shè)計了四個課程應(yīng)用方向模塊，分別是智慧農(nóng)場三維數(shù)字化認(rèn)知模塊、“耕-種-管-收”農(nóng)業(yè)生產(chǎn)裝備拆裝模塊、農(nóng)業(yè)裝備動態(tài)仿真與操作訓(xùn)練模塊、關(guān)鍵零部件虛擬測繪模塊。

3.2系統(tǒng)基本模塊中的軟件與應(yīng)用

3.2.1模塊1：智慧農(nóng)場三維數(shù)字化認(rèn)知。進(jìn)入模塊1，系統(tǒng)會自動加載農(nóng)場模型及其中的設(shè)備，由于場景較大，所以采用的是分布式動態(tài)加載的技術(shù)；當(dāng)虛擬場景較大時，場景的優(yōu)化就顯得尤為重要了，一方面是從模型的制作開始，就需要進(jìn)行面片數(shù)和貼圖材質(zhì)的優(yōu)化；另一方面，是在程序設(shè)計時，要考慮到采用圖形優(yōu)化技術(shù)對場景的加載和顯示進(jìn)行優(yōu)化，這其中主要用到幾種深度檢測技術(shù)、遮擋剔除技術(shù)、LOD技術(shù)等；在漫游功能模塊，漫游分為手動和自動兩種，學(xué)生可以選擇讓相機(jī)自動行走漫游展示農(nóng)場布局，也可利用鼠標(biāo)/鍵盤進(jìn)行自由查看；整個場景除了農(nóng)場的布局外，還會有一些工作中的設(shè)備，幫助學(xué)生更好的理解數(shù)字化農(nóng)場。

3.2.2模塊2：“耕-種-管-收”農(nóng)業(yè)生產(chǎn)裝備拆裝。進(jìn)入模塊2，系統(tǒng)將虛擬拆裝分為學(xué)習(xí)模式和考核模式，學(xué)生在教師的學(xué)時要求下，需先就進(jìn)入學(xué)習(xí)模式進(jìn)行交互操作的練習(xí)，當(dāng)滿足了要求后，進(jìn)入考核模式驗證學(xué)習(xí)成果。在學(xué)習(xí)模式下，拆裝的流程需遵循設(shè)備既定的拆裝順序，不允許任意拆卸/裝配，系統(tǒng)界面會顯示操作步驟提示和上一步操作的正誤情況；在拆裝的過程中，系統(tǒng)界面會顯示操作步驟列表，學(xué)生可按照該列表進(jìn)行流程操作，每完成一步，系統(tǒng)會判斷正誤情況，并顯示在列表中；在學(xué)習(xí)模式下，系統(tǒng)也會對下一步操作的對象進(jìn)行提示；同時，學(xué)生也可查閱實驗的操作步驟，或者開啟自動拆裝進(jìn)行學(xué)習(xí)；輔助功能在學(xué)習(xí)模式下，系統(tǒng)默認(rèn)為開啟狀態(tài)，也可由學(xué)生根據(jù)自身情況進(jìn)行關(guān)閉/開啟；在操作過程中可能會有操作錯誤的情況發(fā)生，系統(tǒng)提供返回上一步的功能，但是在學(xué)習(xí)模式下，只記錄第一次操作的正誤情況，不更新返回操作的正誤情況，讓學(xué)生可以明確回顧自己在學(xué)習(xí)過程中不熟練或者有錯誤的地方，并對此進(jìn)行反復(fù)操作練習(xí)，加深印象；碰撞操作主要作用于兩個方面，一是工具與零部件的拆裝操作，學(xué)生在使用工具進(jìn)行拆卸操作時，在三維空間中需與零部件產(chǎn)生包圍盒碰撞才能觸發(fā)零部件空間位置的改變；二是拆裝過程中零部件之間的碰撞檢測功能將使零部件之間產(chǎn)生真實的物理碰撞，從而避免穿插的發(fā)生，同時也有空間定位的作用。在三維空間中，當(dāng)學(xué)生對零部件進(jìn)行操作時，在零部件到達(dá)存放位置或裝配位置時，約束功能將保證零部件自動捕捉空間坐標(biāo)位置；當(dāng)該設(shè)備的拆裝學(xué)習(xí)完成后，系統(tǒng)會將操作記錄自動存儲到數(shù)據(jù)庫中，學(xué)生可通過個人中心進(jìn)行查詢；考核模式與學(xué)習(xí)模式類似，但是在整個操作過程中，系統(tǒng)不會給予任何提示，系統(tǒng)后臺記錄每個步驟最后一個操作的正誤情況，并在操作結(jié)束后給予評分表。

3.2.3模塊3：農(nóng)業(yè)裝備虛擬動態(tài)仿真與操作訓(xùn)練。進(jìn)入模塊3，首先選擇動態(tài)仿真、操作訓(xùn)練兩種模式；動態(tài)仿真模式下，首先先進(jìn)行動態(tài)仿真農(nóng)業(yè)裝備的選擇，設(shè)備主要包含犁、播種機(jī)、旋耕機(jī)、收獲機(jī)、植保無人機(jī)等，這些設(shè)備及相應(yīng)的功能也是具有模塊化和松耦合化的特性，后續(xù)可作擴(kuò)展添加；選擇設(shè)備后，系統(tǒng)會自動載入一個設(shè)備倉庫，并在倉庫中停放著所選設(shè)備；點擊外觀查看，設(shè)備會自動懸浮于倉庫中，學(xué)生可使用鼠標(biāo)控制，對設(shè)備進(jìn)行360°查看，放大縮小查看，點擊標(biāo)簽按鈕，可顯示外觀結(jié)構(gòu)重點標(biāo)簽及說明。點擊結(jié)構(gòu)查看，設(shè)備會呈現(xiàn)爆炸狀態(tài)，學(xué)生可使用鼠標(biāo)控制，對設(shè)備爆炸結(jié)構(gòu)進(jìn)行360°查看，放大縮小查看，點擊標(biāo)簽按鈕，可顯示爆炸結(jié)構(gòu)重點標(biāo)簽及說明；點擊運(yùn)行按鈕，會顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的動態(tài)模擬；點擊重點部件，設(shè)備外殼透明化，進(jìn)行內(nèi)部重點部件工作原理展示，學(xué)生可選擇隨時停止播放工作原理，也可重復(fù)觀看多次。在實操場景中實現(xiàn)學(xué)生訓(xùn)練情況記錄，并且可以在訓(xùn)練結(jié)束時全程回放，回放時可任意角度的查看操作過程中出現(xiàn)錯誤的地方，方便學(xué)生全面觀察自己的操作情況，提高操作水平和訓(xùn)練效率。模擬考核時，通過三維場景設(shè)置，按照聯(lián)合收割機(jī)/拖拉機(jī)駕駛員考核大綱規(guī)定，依據(jù)《拖拉機(jī)、聯(lián)合收割機(jī)科目考試評判表》評判標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)模擬考核功能。該功能嚴(yán)格按照駕駛員考核大綱的要求，設(shè)定各考核點知識說明，模擬考核場地，真實再現(xiàn)考核科目，評判嚴(yán)謹(jǐn)公正，客觀驗證聯(lián)合收割機(jī)駕駛員操作駕駛技術(shù)水平，以此激勵學(xué)生端正學(xué)習(xí)態(tài)度，提高考核優(yōu)秀率。

3.2.4模塊4：農(nóng)業(yè)裝備關(guān)鍵部件虛擬測繪。學(xué)生選擇考核模式后，就會看到界面上有當(dāng)前所需考核的設(shè)備零部件，零部件主要包括犁曲面、旋耕刀軸及刀片、移栽機(jī)鴨嘴（或栽插器）、收割機(jī)割臺、滾筒、拖拉機(jī)懸掛系統(tǒng)、播種器等，具體的考核內(nèi)容由教師端進(jìn)行設(shè)置；首先進(jìn)行部件測量，進(jìn)入部件場景，部件擺放在倉庫中，考核模式下，學(xué)生根據(jù)自己掌握的知識內(nèi)容，自由選擇工具和測量點對部件進(jìn)行測量，系統(tǒng)不進(jìn)行任何提示；然后進(jìn)行工具選擇和操作，學(xué)生先對測量工具進(jìn)行選擇，然后選擇部件的測量點，選擇測量點后，鏡頭會自動切換到適合測量的位置，學(xué)生用所選工具進(jìn)行測量；需要對視角進(jìn)行調(diào)整，由于測量對于視角控制的要求較高，所以系統(tǒng)可切換2D/3D現(xiàn)實，在2D視圖下，用戶可選擇只看物體的頂/側(cè)/底/正面，便于學(xué)生考核時的精準(zhǔn)定位；同樣的，在測量過程可使用鼠標(biāo)鍵盤的配合操作，調(diào)整一個較為合適的視角進(jìn)行操作。

4結(jié)語

農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)虛擬仿真實訓(xùn)項目堅持以學(xué)生能力培養(yǎng)為核心，通過“智慧農(nóng)場農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)裝備虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)”完善了典型農(nóng)業(yè)裝備的認(rèn)知、拆裝、操作、關(guān)鍵農(nóng)業(yè)裝備零部件測繪等不同階段的實驗，全面促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化及自動化專業(yè)學(xué)生知識、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展和理論、實踐、創(chuàng)新水平綜合提高。實驗項目在統(tǒng)籌協(xié)調(diào)理論教學(xué)和實驗教學(xué)條件下，在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中堅持重視基礎(chǔ)、突出綜合、全面開放、旨在創(chuàng)新的理念，突出課內(nèi)課外教學(xué)一體化，虛擬教學(xué)與實體教學(xué)相結(jié)合，虛擬對象與實體對象相結(jié)合，虛擬技術(shù)與現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合，形成以“專業(yè)知識—綜合技能—研究創(chuàng)新”為主線的多元化、立體化、開放式、虛實結(jié)合的教學(xué)體系。

參考文獻(xiàn)

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作者：何勛 屈哲 張開飛 陳新昌 李赫 李保謙 單位：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院