虚拟设计技术在林业与园林机械中的应用研究

虚拟设计技术在林业与园林机械中的应用研究

韩庆英 1 张魁魁 2

1济南市平阴县榆山街道办事处

2济南市平阴县锦水街道办事处

摘要：近年来，林业机械实现了快速发展，传统设计方法很难与实际需求相契合。文章通过对虚拟现实系统、虚拟设计系统的研究，以虚拟样机技术为例，重点分析其在林业与园林机械中的具体应用，为虚拟设计技术的推广应用奠定坚实基础。

关键词：虚拟设计技术；林业与园林；机械；应用

基于虚拟现实技术的发展，在虚拟产品设计中逐渐融入人工智能、数字图像处理、并行处理和多媒体、网络、传感器等技术，实现了新产品开发设计与制造的集成化与数字化。为实现林业与园林机械产品的快速更新，有必要在产品设计中应用虚拟设计技术，以实现二维设计向三位设计的转型，在提高林业与园林机械产品质量的同时，缩减产品开发费用与成本投入，不断增强产品竞争力。由此可见，深入研究并分析虚拟设计技术在林业与园林机械中的应用十分有必要。

1. 虚拟现实系统和虚拟设计系统概述

在虚拟现实系统中主要含括虚拟世界、输入设备、输出设备、虚拟现实软件与计算机。而虚拟世界属于虚拟环境，具有可交互特征，内容涉猎动力学特征、照明、模型构筑、碰撞检测等^[1]。而计算机环境主要含括实时操作系统、处理器配置和I/O通道等。在输入、输出设备方面，可对虚拟世界进行观察与操纵，含括了图象显示、跟踪系统、触觉反馈以及声音交互等内容。在虚拟现实软件中，具备实时构造以及参与虚拟世界能力，含括物理仿真与建模等内容。

所谓虚拟设计，具体指的就是设计工作人员于虚拟环境中开展设计工作，通过对交互手段的使用，在计算机内部构建模型并修改。全部设计工作均以虚拟原型为核心开展，在虚拟原型满足设计要求的情况下，实际产品的设计即可满足要求。而对于虚拟而言，设计工作者能够在沉浸或是非沉浸条件下对原型展开实时交互性地改进，对修改结果予以及时看到^[2]。所以，虚拟设计系统可作为虚拟现实系统应用于设计领域。通常，虚拟设计系统应当具备的功能有：数据表达、双向传输数据；3D用户界面；选择参数。

2. 林业与园林机械虚拟设计分析

虚拟设计环境面向设计，所以在林业与园林机械虚拟设计软件系统开发中应实现以下内容：

1. 人机交互方面

在虚拟设计系统中，交互界面设计占据重要地位。于桌面型虚拟设计系统中，可借助键盘与鼠标操作的方式实现交互功能，将参数输入到对话框亦或是借助命令行方式，亦可使用鼠标直接操作创建实体模型并设计环境参数。在参数输入以后，计算机可做出反馈，并通过视觉效果表现反馈结果，也可以借助数据形式进行表达^[3]。

2. 构建虚拟模型

桌面型虚拟现实系统应构建虚拟设计产品形状与外表，同时也要构建能够表现虚拟世界内虚拟设计产品的动态特性。交互界面在虚拟设计系统内发挥核心作用，在系统应当将交互界面当做中心，而设计程序模块应包括运动模型与几何模型。

3. 图形接口

图形设备接口能够通过在设备上输出无关设备的图形，然而三维图形的功能相对薄弱。于桌面型虚拟现实系统中，将VC与OpenGL联合运用构建的界面开发软件平台的便利性更明显。在图形显示方面，需要获取设备描述表句柄，获取途径包括 与 ，亦可通过 与 获取。为通过输出设备绘制图形、输出文本，有必要将坐标系引入其中，进而明确显示范围与位置。现阶段， 内各设备选择坐标系主要是设备坐标系，即笛卡儿坐标系。

3. 虚拟设计技术在林业与园林机械中的应用----以虚拟样机技术为例

1. 应用必要性

长期以来，林业机械设计开发过程中，需要反复设计并制造物理样机并进行测试，人力与才来浪费严重，延长了产品的生产周期与成本，且效率不高。通过对虚拟样机技术的运用，即可减少制造测试物理样机的环节，设计周期明显缩短，使设计成本明显减少^[4]。

林业机械作业的范围相对广泛，特别是在林业机械化水平提升的背景下，作业过程、作业对象与地域不同，所采用的作业机械也有所差异，所以林业机械发展呈多样化趋势，致使林业机械设计模式很难与实际需求相适应。通过对虚拟样机技术的运用，不仅能够节省成本支出，同样可在满足设计周期要求的同时解决问题。

与发达国家相比，我国林业机械相对落后，部分大型林业机械均需在国外引进，并根据相关经验类比完成设计，更强调静态分析而忽略对动态特征分析，对结构进行优化。在虚拟样机技术引进后即可对国外先进的林业机械设计结构等乣借鉴，进而设计与国内林业生产现状相适应的机械设备。

2. 设计流程

虚拟样机技术，也被称作机械系统动态仿真技术，设计工作者通过对计算机技术的运用构建机械系统数字化模型，在仿真分析的基础上，对真实工程条件下系统特性显示出来，经修改后可获取最优设计方案^[5]。以ADAMS为基础的虚拟样机技术对林业机械进行设计，在首台物理样机制造之前，借助计算机技术构建林业机械几何模型，在以实体为基础的可视化仿真分析基础上，对实际工作环境下林业机械运动学与动力学特性进行模拟，经多次修改设计后确定最佳方案。在具体设计中，流程主要包括：模型创建；模型检验与验证；模型完善；仿真测试；优化设计。

1. 模型创建

在模型创建的过程中，主要的内容含括有关林业机械构件或是零件几何模型的创建，对构件施加约束并对作用于构件的力进行定义。如果几何模型相对简单，则可通过 构建。如果模型相对复杂，则需要借助三维设计软件，在完成模型创建后向ADAMS中导入并仿真处理。

2. 模型检验与验证

创建完成模型后即可开展仿真工作，在测试的基础上对模型正确性进行验证。在模型检验中，一般需要对特性进行测量，并开展仿真、播放动画等。在模型验证中，需将测试数据输入其中，并与数据曲线进行对比。

3. 模型完善

结合林业机械具体工作状况，对模型正确性展开初步验证的情况下，通过增加多个因素对模型进行完善与细化，主要内容包括定义控制、施加摩擦、使用力函数、柔性体定义等等，通过模型参数化处理，在参数修改的基础上对模型进行自动化修改^[6]。

4. 仿真测试

在虚拟样机分析中，仿真测试是关键性环节，一般可借助加速度、速度、设置位移与力等测量输出对仿真结果进行分析，利用动画对仿真效果进行回放处理，也可对仿真结果曲线进行绘制，进而展开深度分析。

5. 优化设计

在优化设计中，主要内容有设计变量影响度、优化设计、试验设计分析等，在分析确定不同设计变量对求解结果的影响程度的基础上，借助优化设计明确目标函数最优数值与设计变量。

结束语：

综上所述，林业机械的多样化与大型联合化趋势愈加明显，而虚拟设计系统在林业机械设计中的重要性逐渐凸显出来。为此，文中针对林业与园林机械产品设计过程中所运用的虚拟设计系统展开相关性分析，通过对虚拟现实技术的运用能够使实物模型与样机制造流程减少，产品开发成本明显缩减，开发周期缩短，以促进设计工作的集成化与数字化，进一步增强产品设计质量与效果。

参考文献：

[1]苗莉莉. 基于虚拟林业技术林业生产分析及未来发展建议[J]. 农业开发与装备,2019(12):92.

[2]姜明斐. 虚拟现实技术在我国风景园林景观设计中的应用与发展[J]. 新农业,2022(4):32.

[3]泮灵童,洪莹. 虚拟现实技术在风景园林设计中的运用[J]. 现代园艺,2021,44(4):108-109.

[4]岳文娜,高江,刘森,等. 基于虚拟仿真技术的风景园林设计课程教学改革与实践[J]. 建筑与文化,2021(10):120-121.

[5]岳忙芳. 虚拟现实(VR)技术在风景园林规划与设计中的应用研究[J]. 工程建设与设计,2021(2):163-164.

[6]曹洋,杜丽敏. 虚拟现实技术在"园林景观设计"教学中的应用研究[J]. 无线互联科技,2021,18(13):76-77.