CN116382120B - 基于3d游戏引擎驱动的机电系统模型仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模型仿真技术领域，具体地说，涉及基于3D游戏引擎驱动的机电系统模型仿真系统。其包括土地调配单元、场景仿真单元、农机模拟单元和数据分析单元。本发明通过土地调配单元对实际土地进行数据采集，得出实际的地形和土壤硬度分类存储，然后将多组地形和土壤硬度对应的数据依次导入场景仿真单元构建的3D模型中，通过农机模拟单元控制农机在模拟场景内进行演示工作，测算处针对于不同地形和土壤硬度下的工作时长，反应农机的性能，实现验证农机真实工作的性能和可靠性，减少试验次数和成本。

Description

基于3D游戏引擎驱动的机电系统模型仿真系统

技术领域

本发明涉及模型仿真技术领域，具体地说，涉及基于3D游戏引擎驱动的机电系统模型仿真系统。

背景技术

机电系统进行模型仿真的主要目的是通过数学建模、仿真、分析和优化来验证设计方案的性能和可靠性，以及减少试验次数和成本，通过仿真，可以更好地了解机电系统的动态特性、稳态特性和工作原理，从而优化机电系统的设计，提高机电系统的性能和可靠性，此外，模型仿真还可以用于教学、培训和科学研究，帮助人们更深入地了解机电系统的工作原理和行为，为机电系统领域的探索和发展提供支持；然而传统机电系统仿真技术通常耗时和耗费大量资本，在实验室或生产现场进行，此外，也常常受到物理尺寸、环境、安全等因素的限制，难以进行多种变量、多样化的测试，然而在3D游戏引擎被广泛应用后，一些几点系统仿真系统尝试利用游戏引擎来模拟模型，例如：根据中国专利申请号为：CN202211418925.9提供了一种模拟无人农机作业的方法、装置、存储介质与仿真平台，该方法包括：基于3D游戏引擎构建无人农机模型与无人农机作业场景模型，作业参考线子模型用于表征无人农机在进行虚拟作业过程中的参考线，虚拟作业过程用于模拟真实作业过程，无人农机作业场景模型包括虚拟环境元素和虚拟作物元素，虚拟环境元素表示虚拟作物的生长环境，虚拟作物元素表示虚拟作物，虚拟作物的生长环境用于模拟真实作物的生长环境，虚拟作物用于模拟真实作物；采用无人农机模型与无人农机作业场景模型模拟无人农机的真实作业过程。本申请解决了现有技术中无法使用一般的智能驾驶仿真平台来模拟智慧农业收割仿真训练的场景交互的问题；

然而3D游戏引擎驱动在对农业上的机电进行模拟时，将农机真实作业过程模拟出来时，虽然在仿真不同生长环境下的作业过程，但是在农机实际进行工作时，面对不同的地形和地质，农机工作时长不同，若不能根据地形、地质分析农机工作时长，导致不能有效的计算成本，鉴于此，我们提出基于3D游戏引擎驱动的机电系统模型仿真系统。

发明内容

本发明的目的在于提供基于3D游戏引擎驱动的机电系统模型仿真系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供基于3D游戏引擎驱动的机电系统模型仿真系统，包括土地调配单元、场景仿真单元、农机模拟单元和数据分析单元；

所述土地调配单元用于对区域内的实际土地进行数据采集，将数据导入3D游戏引擎中；所述场景仿真单元用于根据土地调配单元导入的数据，通过3D游戏引擎构建3D场景，在场景中设置不同的土壤硬度；所述农机模拟单元用于交互控制农机模型在所述场景仿真单元的场景下工作；所述数据分析单元用于结合农机模型模拟结果，提供仿真结果。

作为本技术方案的进一步改进，所述土地调配单元包括土地采集模块、数据分类存储模块和数据导入模块；

所述土地采集模块用于借助激光雷达等技术采集实际土地地形数据，并通过传感器获取相应的土壤硬度数据；所述数据分类存储模块用于将土地采集模块采集的数据根据地形对应多个土壤硬度数据进行分类，所述数据导入模块用于导入3D游戏引擎中。

作为本技术方案的进一步改进，所述数据分类存储模块采用树状结构存储算法：

假设一共有n个地形数据和m个土壤硬度数据，且一个地形数据可以对应k个土壤硬度数据，可以使用以下树状存储结构：根节点表示所有地形数据，第一层子节点表示地形数据的种类，第二层子节点表示具体的地形数据，第三层子节点表示该地形数据能够对应的k个土壤硬度数据。

作为本技术方案的进一步改进，所述场景仿真单元包括3D建模模块和场景构建模块；

所述3D建模模块用于根据所述数据分类存储模块存储的数据进行3D建模，创建3D模型；所述场景构建模块用于根据3D模型将实际地形高度与场景中的地形高度等比例调整，并根据对应的土壤硬度数据，创建不同类别的土壤材质，不同类别的土壤材质贴合在地形上，最后渲染出真实的3D场景。

作为本技术方案的进一步改进，所述场景构建模块具体包括以下步骤：

创建一个空场景，并添加一个空摄像机；

根据场景的需求，将所述3D建模模块创建的3D模型对应的场景物体导入到场景中，并设置其位置、大小和旋转角度属性，如房子、树木、道路等；

调整场景中物体的不同属性，如颜色、透明度、纹理贴图，并在场景中添加光源；

根据场景中摄像机的位置信息，进行场景的预览和编辑，对场景中每个物体进行跟踪、旋转、平移的交互操作；

导出场景数据，并进行渲染。

作为本技术方案的进一步改进，所述农机模拟单元包括交互控制模块、动画引擎模块、物理引擎模块和测算模块；

所述交互控制模块用于在通过3D建模模块对农机进行机电建模后，控制机电模型在场景内运动，形成动画；所述动画引擎模块用于处理3D场景中农机动画，包括农机运动、动作过渡和动作融合；所述物理引擎模块用于计算农机的运动、碰撞和相互作用；所述测算模块用于在动画引擎模块和物理引擎模块的影响下，测算农机在不同地形和土壤硬度条件下作业时长。

作为本技术方案的进一步改进，所述交互控制模块包括以下步骤：

定义农机在场景中的运动速度和作业深度；

根据参数设置农机在场景中的运动和作业状态；

设计用户交互接口；

根据交互接口和用户输入的数据，更新农机的运动和作业状态；

设置场景中的摄像机跟随，保持摄像机与农机在同一位置，并随着农机的运动和作业实时更新视角。

作为本技术方案的进一步改进，所述动画引擎模块包括以下步骤：

定义农机运动和动作状态；

设计动画过渡和融合算法，在农机状态切换时，需要通过动态模型控制，实现动画的渐变和过渡；

定义农机与场景的交互；

搭建动画引擎。

作为本技术方案的进一步改进，所述物理引擎模块包括以下步骤：

将其3D模型导入到游戏引擎中，设定物体的质量、形状和表面属性；

设定场景中的物理参数；

编写代码实现物理模拟；

显示物理模拟结果。

作为本技术方案的进一步改进，所述测算模块的表达式为：

t{total}＝\sum{i＝1}^{n}\frac{Si}{v(hi,si)}

其中，n为地块总数，Si为第i个地块的面积，v(hi,si)为在该地块的地形高度和土壤硬度下，农机在相应深度和速度下的行动速度，单位为面积/时间，t{total}为农机在整个场景中的工作总时间。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

该基于3D游戏引擎驱动的机电系统模型仿真系统中，通过土地调配单元对实际土地进行数据采集，得出实际的地形和土壤硬度分类存储，然后将多组地形和土壤硬度对应的数据依次导入场景仿真单元构建的3D模型中，通过农机模拟单元控制农机在模拟场景内进行演示工作，测算处针对于不同地形和土壤硬度下的工作时长，反应农机的性能，实现验证农机真实工作的性能和可靠性，减少试验次数和成本。

附图说明

图1为本发明实施例1的整体结构原理框图；

图2为本发明实施例1的土地调配单元原理框图；

图3为本发明实施例1的场景仿真单元原理框图；

图4为本发明实施例1的农机模拟单元原理框图。

图中各个标号意义为：

100、土地调配单元；110、土地采集模块；120、数据分类存储模块；130、数据导入模块；

200、场景仿真单元；210、3D建模模块；220、场景构建模块；

300、农机模拟单元；310、交互控制模块；320、动画引擎模块；330、物理引擎模块；340、测算模块；

400、数据分析单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

机电系统进行模型仿真的主要目的是通过数学建模、仿真、分析和优化来验证设计方案的性能和可靠性，以及减少试验次数和成本，通过仿真，可以更好地了解机电系统的动态特性、稳态特性和工作原理，从而优化机电系统的设计，提高机电系统的性能和可靠性，此外，模型仿真还可以用于教学、培训和科学研究，帮助人们更深入地了解机电系统的工作原理和行为，为机电系统领域的探索和发展提供支持；然而传统机电系统仿真技术通常耗时和耗费大量资本，在实验室或生产现场进行，此外，也常常受到物理尺寸、环境、安全等因素的限制，难以进行多种变量、多样化的测试，然而在3D游戏引擎被广泛应用后，一些几点系统仿真系统尝试利用游戏引擎来模拟模型；

然而3D游戏引擎驱动在对农业上的机电进行模拟时，将农机真实作业过程模拟出来时，虽然在仿真不同生长环境下的作业过程，但是在农机实际进行工作时，面对不同的地形和地质，农机工作时长不同，若不能根据地形、地质分析农机工作时长，导致不能有效的计算成本；

请参阅图1-图4所示，本实施例提供基于3D游戏引擎驱动的机电系统模型仿真系统，包括土地调配单元100、场景仿真单元200、农机模拟单元300和数据分析单元400；

土地调配单元100用于对区域内的实际土地进行数据采集，将数据导入3D游戏引擎中；

土地调配单元100包括土地采集模块110、数据分类存储模块120和数据导入模块130；

土地采集模块110用于借助激光雷达等技术采集实际土地地形数据，并通过传感器获取相应的土壤硬度数据；数据分类存储模块120用于将土地采集模块110采集的数据根据地形对应多个土壤硬度数据进行分类，例如：相同地形如：平原、丘陵、山地、盆地和高原对应多个土壤硬度数据，采集树状存储结构进行存储，数据导入模块130用于导入3D游戏引擎中；

因此，土地调配单元100在具体使用时，先通过土地采集模块110对实际土地地形数据进行采集，并获取相应的土壤硬度数据，然后借助数据分类存储模块120将数据存储，方便后续在选择地形时，可以输出多个土壤硬度数据进行分别模拟仿真，提高机电系统模型仿真更真实。

数据分类存储模块120采用树状结构存储算法：

假设一共有n个地形数据和m个土壤硬度数据，且一个地形数据可以对应k个土壤硬度数据，可以使用以下树状存储结构：根节点表示所有地形数据，第一层子节点表示地形数据的种类，第二层子节点表示具体的地形数据，第三层子节点表示该地形数据能够对应的k个土壤硬度数据；

假设节点i表示第i个地形数据能够对应的k个土壤硬度数据，记为Si＝{s{i1},s{i2},...,s{ik}}，设节点i的子节点为j1,j2,...,jk，表示分别对应于s{i1},s{i2},...,s{ik}，则有以下算法公式：

对于每个土壤硬度数据jl，对应的存储节点为jl，初始时，将所有的jl都加入到根节点下；

对于每个地形数据i，对应的存储节点为i，假设节点i的父节点为jm，则将节点i加入到节点jm下；

对于每个地形数据i，假设其对应的k个土壤硬度数据为Si＝{s{i1},s{i2},...,s{ik}}，对于每个土壤硬度数据s{ik}，在节点i下加入一个子节点jk，表示这个地形数据可以对应的土壤硬度数据为s{ik}；

这样，当需要获取某一个地形数据i对应的所有土壤硬度数据时，只需要遍历节点i下的k个子节点，即可找到所有对应的土壤硬度数据，该算法的时间复杂度为O(k)，空间复杂度为O(n+m)，因为需要维护n个地形数据和m个土壤硬度数据的节点。

场景仿真单元200用于根据土地调配单元100导入的数据，通过3D游戏引擎构建3D场景，在场景中设置不同的土壤硬度；

场景仿真单元200包括3D建模模块210和场景构建模块220；

3D建模模块210用于根据数据分类存储模块120存储的数据进行3D建模，创建3D模型；场景构建模块220用于根据3D模型将实际地形高度与场景中的地形高度等比例调整，并根据对应的土壤硬度数据，创建不同类别的土壤材质，可以按照硬度高低进行排序，比如，将最硬的土壤材质排在最前面，最软的土壤材质排在最后面，不同类别的土壤材质贴合在地形上，具体根据当前区域实际的土壤硬度数据，将较硬的材质应用到地面较硬的区域，将较软的材质应用到地面较软的区域，可使用3D游戏引擎提供的“绘制材质”工件完成上述步骤，最后渲染出真实的3D场景。

场景构建模块220具体包括以下步骤：

创建一个空场景，并添加一个空摄像机；

根据场景的需求，将3D建模模块210创建的3D模型对应的场景物体导入到场景中，并设置其位置、大小和旋转角度属性，如房子、树木、道路等；

调整场景中物体的不同属性，如颜色、透明度、纹理贴图，并在场景中添加光源，如太阳、灯光等，可以设置光源的颜色、亮度和阴影效果等属性；

根据场景中摄像机的位置信息，进行场景的预览和编辑，对场景中每个物体进行跟踪、旋转、平移的交互操作；

导出场景数据，并进行渲染，可以通过专业的渲染软件来提高场景的真实感。

农机模拟单元300用于交互控制农机模型在场景仿真单元200的场景下工作；

农机模拟单元300包括交互控制模块310、动画引擎模块320、物理引擎模块330和测算模块340；

值得说明的，交互控制模块310用于在通过3D建模模块210对农机进行机电建模后，控制机电模型在场景内运动，形成动画；动画引擎模块320用于处理3D场景中农机动画，包括农机运动、动作过渡和动作融合，实现农机在模拟实际作业时，可以与实际作业适配，方便更直观的得出仿真结果；物理引擎模块330用于计算农机的运动、碰撞和相互作用，使模拟场景中的农机表现的更加真实；测算模块340用于在动画引擎模块320和物理引擎模块330的影响下，测算农机在不同地形和土壤硬度条件下作业时长，从而可以得出农机在不同地形和不同土壤硬度下的实际作业时长，仿真来验证设计农机真实工作的性能和可靠性，以及减少试验次数和成本。

交互控制模块310包括以下步骤：

定义农机在场景中的运动速度和作业深度，通常情况下，农机的运动速度和作业深度会受到地形和土壤硬度等环境因素的影响，需要对这些因素进行测量和处理，得到一组能够描述农机在不同环境下运动和作业状态的参数；

根据参数设置农机在场景中的运动和作业状态；可以利用3D引擎提供的物理引擎模块320，来模拟农机在场景中的运动和作业过程；

设计用户交互接口；这些接口可以包括控制农机移动的“方向键”等基本功能，同时还需要根据场景的需求设计特定的交互功能，如控制农机的前进和后退、左转和右转、开启和关闭作业功能等；

根据交互接口和用户输入的数据，更新农机的运动和作业状态；

设置场景中的摄像机跟随，保持摄像机与农机在同一位置，并随着农机的运动和作业实时更新视角。

其中，动画引擎模块320包括以下步骤：

定义农机运动和动作状态，定义农机在场景中的运动和动作状态，包括行走、转弯、作业，每种状态都应该对应一个特定的动画模型，并定义相关的转换规则，使得农机可以顺畅地在不同状态之间进行转换；

设计动画过渡和融合算法，在农机状态切换时，需要通过动态模型控制，实现动画的渐变和过渡，也可以包括对动画状态过度时间的合理设置，以及对不同动作之间的平滑过渡和融合所需的数学运算和实现经验；

定义农机与场景的交互，农机的操作过程需要与场景中其他物件的交互，比如运动时周围物件的状态变化、作业时对地物的控制变化等等，这个交互通常由场景中的其他物件触发，并通过预定义的动画标记来实现农机状态的转化；

搭建动画引擎，基于以上的定义和算法，建立农机的动画引擎，并进行动画参数各种参数的设置和优化，以求最佳体验，确保农机动画的真实性、自然性和流畅性，需要根据具体的场景需求，切合实际地实现动画引擎，以达到良好的动画效果。

具体的，物理引擎模块330包括以下步骤：

将其3D模型导入到游戏引擎中，设定物体的质量、形状和表面属性，可以通过游戏引擎提供的工具，对农机和其他物体设置质量、形状、摩擦力等属性；

设定场景中的物理参数，可以根据场景的特点，设定重力加速度、空气阻力系数、弹簧的劲度系数等物理参数；

编写代码实现物理模拟，通过游戏引擎提供的API，编写代码实现物理模拟，包括运动模拟、碰撞模拟和相互作用模拟，其中，运动模拟可以使用迭代算法来更新农机的速度和位置；碰撞检测可以使用射线检测、碰撞框检测等技术实现；相互作用模拟可以使用弹簧-质点模型来计算受力情况；

显示物理模拟结果，将物理模拟的结果应用到场景中的物体上，实现农机的运动、碰撞和相互作用的动态展示。

进一步的，测算模块340的表达式为：

t{total}＝\sum{i＝1}^{n}\frac{Si}{v(hi,si)}

其中，n为地块总数，Si为第i个地块的面积，v(hi,si)为在该地块的地形高度和土壤硬度下，农机在相应深度和速度下的行动速度，单位为面积/时间，t{total}为农机在整个场景中的工作总时间；具体包括以下步骤：建立农机行驶速度和作业深度与不同地形和土壤硬度之间的关系，具体可以通过测量不同地形和土壤硬度下，农机在相应深度下的行驶速度，最终确定行驶速度和作业深度的函数关系，建立不同地块的地形和土壤硬度数据模型，并计算出每个地块下，农机行驶速度和作业深度，根据每个地块的大小计算出农机需要行驶的距离和作业面积，使用农机的行驶速度和作业深度计算出它的行动速度，即在一个单位时间内农机能够完成的作业量，计算出农机在每个地块上需要的工作时间，即土地面积/农机的行动速度，将每个地块的工作时间相加，得到整个场景下农机的总工作时间。

数据分析单元400用于结合农机模型模拟结果，提供仿真结果，具体的，对仿真过程中的数据和结果进行汇集和分析，可以采用输出图表、报告等形式的数据结果。

在上述的基础上，考虑到在仿真不同生长环境下的作业过程，但是在农机实际进行工作时，面对不同的地形和地质，农机工作时长不同，若不能根据地形、地质分析农机工作时长，导致不能有效的计算成本，因此，通过土地调配单元100对实际土地进行数据采集，得出实际的地形和土壤硬度分类存储，然后将多组地形和土壤硬度对应的数据依次导入场景仿真单元200构建的3D模型中，通过农机模拟单元300控制农机在模拟场景内进行演示工作，测算处针对于不同地形和土壤硬度下的工作时长，反应农机的性能，实现验证农机真实工作的性能和可靠性，减少试验次数和成本。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.基于3D游戏引擎驱动的机电系统模型仿真系统，其特征在于：包括土地调配单元（100）、场景仿真单元（200）、农机模拟单元（300）和数据分析单元（400）；

所述土地调配单元（100）用于对区域内的实际土地进行数据采集，将数据导入3D游戏引擎中；所述场景仿真单元（200）用于根据土地调配单元（100）导入的数据，通过3D游戏引擎构建3D场景，在场景中设置不同的土壤硬度；所述农机模拟单元（300）用于交互控制农机模型在所述场景仿真单元（200）的场景下工作；所述数据分析单元（400）用于结合农机模型模拟结果，提供仿真结果；

所述土地调配单元（100）包括土地采集模块（110）、数据分类存储模块（120）和数据导入模块（130）；

所述土地采集模块（110）用于借助激光雷达采集实际土地地形数据，并通过传感器获取相应的土壤硬度数据；所述数据分类存储模块（120）用于将土地采集模块（110）采集的数据根据地形对应多个土壤硬度数据进行分类，所述数据导入模块（130）用于导入3D游戏引擎中；

所述农机模拟单元（300）包括交互控制模块（310）、动画引擎模块（320）、物理引擎模块（330）和测算模块（340）；

所述交互控制模块（310）用于在通过3D建模模块（210）对农机进行机电建模后，控制机电模型在场景内运动，形成动画；所述动画引擎模块（320）用于处理3D场景中农机动画，包括农机运动、动作过渡和动作融合；所述物理引擎模块（330）用于计算农机的运动、碰撞和相互作用；所述测算模块（340）用于在动画引擎模块（320）和物理引擎模块（330）的影响下，测算农机在不同地形和土壤硬度条件下作业时长；

所述动画引擎模块（320）包括以下步骤：

定义农机运动和动作状态；

设计动画过渡和融合算法，在农机状态切换时，需要通过动态模型控制，实现动画的渐变和过渡；

定义农机与场景的交互；

搭建动画引擎；

所述物理引擎模块（330）包括以下步骤：

将其3D模型导入到游戏引擎中，设定物体的质量、形状和表面属性；

设定场景中的物理参数；

编写代码实现物理模拟；

显示物理模拟结果。

2.根据权利要求1所述的基于3D游戏引擎驱动的机电系统模型仿真系统，其特征在于：所述数据分类存储模块（120）采用树状结构存储算法：

假设一共有n个地形数据和m个土壤硬度数据，且一个地形数据对应k个土壤硬度数据，使用以下树状存储结构：根节点表示所有地形数据，第一层子节点表示地形数据的种类，第二层子节点表示具体的地形数据，第三层子节点表示该地形数据能够对应的k个土壤硬度数据。

3.根据权利要求1所述的基于3D游戏引擎驱动的机电系统模型仿真系统，其特征在于：所述场景仿真单元（200）包括3D建模模块（210）和场景构建模块（220）；

所述3D建模模块（210）用于根据所述数据分类存储模块（120）存储的数据进行3D建模，创建3D模型；所述场景构建模块（220）用于根据3D模型将实际地形高度与场景中的地形高度等比例调整，并根据对应的土壤硬度数据，创建不同类别的土壤材质，不同类别的土壤材质贴合在地形上，最后渲染出真实的3D场景。

4.根据权利要求3所述的基于3D游戏引擎驱动的机电系统模型仿真系统，其特征在于：所述场景构建模块（220）具体包括以下步骤：

创建一个空场景，并添加一个空摄像机；

根据场景的需求，将所述3D建模模块（210）创建的3D模型对应的场景物体导入到场景中，并设置其位置、大小和旋转角度属性；

调整场景中物体的不同属性；

根据场景中摄像机的位置信息，进行场景的预览和编辑，对场景中每个物体进行跟踪、旋转、平移的交互操作；

导出场景数据，并进行渲染。

5.根据权利要求1所述的基于3D游戏引擎驱动的机电系统模型仿真系统，其特征在于：所述交互控制模块（310）包括以下步骤：

定义农机在场景中的运动速度和作业深度；

根据参数设置农机在场景中的运动和作业状态；

设计用户交互接口；

根据交互接口和用户输入的数据，更新农机的运动和作业状态；

设置场景中的摄像机跟随，保持摄像机与农机在同一位置，并随着农机的运动和作业实时更新视角。

6.根据权利要求5所述的基于3D游戏引擎驱动的机电系统模型仿真系统，其特征在于：所述测算模块（340）的表达式为：

t{total}=\sum{i=1}^{n}\frac{Si}{v(hi,si)}

其中，n为地块总数，Si为第i个地块的面积，v(hi,si)为在该地块的地形高度和土壤硬度下，农机在相应深度和速度下的行动速度，单位为面积/时间，t{total}为农机在整个场景中的工作总时间。