林木联合采育机是一种高性能现代林业装备，可在人工干预下完成采伐、打枝、去皮、造材等林木采伐连续作业。本书结合数字仿真技术，系统介绍林木联合采育机的控制系统仿真方法、数字虚拟驾驶仿真系统和人工林抚育采伐作业及造材控制虚拟仿真实验。首先，简述林木联合采育机的控制技术和数字虚拟仿真研究现状，介绍采伐作业目标激光测量、采伐机械臂运动学分析、路径规划与控制和采伐作业虚拟仿真系统；其次，介绍采伐虚拟驾驶仿真系统的整体架构、仿真场景构建、视景系统和仿真实验测试；最后，介绍人工林抚育采伐作业及造材控制虚拟仿真实验，此实验为国家级虚拟仿真实验教学项目和国家级一流本科课程。

前 言 林木联合采育机是一种高性能的现代林业装备，可在人工干预下完成采伐、打枝、去皮、造材等采伐连续作业。联合采育机的打枝、去皮、造材等控制环节可快速完成，但将伐木头对准和捕获立木的环节需要操作员做出大量的观测判断和反复对准，造成单位采伐周期内的无功时间加长；同时液压采伐机械臂的往复对准运动和液压缸不合理动作轨迹，造成了系统的燃料损耗，增加了作业成本。为实现林木联合采育机的自主采伐控制，需要将数字化仿真技术应用到林木联合采育机设计中，在虚拟仿真实验环境中，开展控制算法理论验证、设计优化和应用的实验工作。 林木联合采育机驾驶员在上岗之前必须经过专业的培训，培训合格之后才能进行采伐驾驶作业。传统的采伐驾驶培训存在费用高昂、周期较长、受到天气与场地的制约等问题。为此，需要将数字化仿真技术应用到林木联合采育机驾驶员培训中，研发虚拟驾驶仿真系统，提高林木联合采育机驾驶员的培训效率，缩短驾驶员培训周期。 本书共11章，从林木联合采育机的控制系统仿真（第1章至第5章）、采伐虚拟驾驶仿真（第6章至第10章）和人工林抚育采伐作业及造材控制虚拟仿真实验（第11章）开展讨论，且每章配有习题，内容如下。 第1章，绪论。简述林木联合采育机的控制技术和数字虚拟仿真的研究现状，根据国内外研究现状，提出林木采伐作业控制系统数字仿真的必要性和紧迫性。 第2章，采伐作业目标激光测量。将激光测量技术及多传感器信息融合处理方法引入到林木联合采伐控制目标识别中。激光测量技术具有精度高、受环境影响小、速度快、测量范围大等优势。通过在林木采伐联合机上安装二维激光扫描装置，以非接触测量的方式获取多株立木的点云数据。通过对点云数据的投影、聚类、滤波、线性化变换和拟合，自动准确提取采伐目标的胸径、伐木头相对目标立木的三维坐标和方位角、多棵立木间距等参数，为辅助操作员操控伐木头快速地识别、对准和捕获目标立木提供测量数据。 第3章，采伐作业运动学分析。建立了多自由度的液压驱动采伐机械臂的正运动学和逆运动学模型，获得了伐木头位姿变量、各关节变量与各液压缸之间的变换关系，为采伐机械臂作业的轨迹规划和协调控制策略研究奠定理论基础。 第4章，采伐作业路径规划与控制仿真。在采伐目标立木激光测量的基础上，以高效自主和低耗经济的人工林采伐作业为目的，开展了多自由度液压驱动采伐机械臂的作业轨迹规划的研究，使伐木头沿给定的直线路径、圆弧路径及基于激光测量数据自主完成立木的采伐作业。 第5章，采伐作业虚拟仿真系统。基于Visual C++平台和Open Scene Graph三维图形引擎开发了林木联合采育机采伐作业虚拟仿真系统，该虚拟仿真系统包含林木联合采育机多自由度液压采伐机械臂的数学模型，可输入控制参数和指令，并实时显示和保存运动信息，使用该虚拟仿真系统验证了液压采伐机械臂的轨迹规划与控制策略。 第6章，采伐虚拟驾驶仿真系统架构。分析了林木联合采育机虚拟驾驶仿真系统的功能需求，对系统的总体框架进行了介绍，将系统组成分为软件部分和硬件部分。阐述了系统的硬件组成和选型，介绍了构建仿真系统Unity3D软件的特点。 第7章，采伐虚拟驾驶仿真场景构建。分析了整个采伐虚拟驾驶仿真场景的构建要求，阐述了场景模型建立的一般过程，具体介绍了林木联合采育机、树木模型和地形地貌模型等仿真建模过程，最后利用Unity3D将场景模型的所有要素集成构建了整个采伐虚拟驾驶场景。 第8章，采伐虚拟驾驶仿真视景系统。探讨了视景系统的具体实现，包括林木联合采育机的基本运动、采伐机械臂运动仿真、虚拟采伐作业系统和视觉系统。针对采伐机械臂运动仿真，在合理划分采伐机械臂各有关部件的父子层次关系的基础上，通过分析采伐机械臂运动原理，建立相应的数学模型，实现采伐机械臂的运动仿真；针对虚拟采伐作业，提出了树木模型的虚拟切割算法。 第9章，采伐虚拟驾驶仿真硬件系统。介绍了硬件设备与视景系统的通信方式及具体实现，介绍了利用Unity3D自带的Input接口采集方向盘、脚踏板、挡位杆操作数据的实现过程，阐述了CAN总线的有关概念及特点，利用CAN总线实现控制手柄与视景系统通信过程，介绍了利用动态链接库实现六自由度运动平台与视景系统通信。 第10章，采伐虚拟驾驶仿真实验。首先对树木模型虚拟切割算法进行了仿真实验，将采伐虚拟驾驶仿真的硬件系统、采伐虚拟驾驶仿真场景和视景系统结合，进行了采伐虚拟驾驶的整体仿真实验。 第11章，人工林抚育采伐作业及造材控制虚拟仿真实验。以国家级虚拟仿真实验教学项目和国家级一流本科课程为例，以数字虚拟仿真的方式展示现代林业抚育采伐工程全机械化过程，包括使用林木联合采育机实现“采伐—造材”一体化的新模式。实验内容包含林区作业基本知识、抚育采伐工艺、采伐机定长造材、PID参数整定四部分。 本书是在北京林业大学科研反哺人才培养研究生课程教学改革项目（编号：JCCB18002）、国家自然科学基金项目（编号：31300596和31670719）、中国博士后科学基金面上资助项目（编号：2011M500009）、中国博士后科学基金特别资助项目（编号：2014T70040）、高等学校博士学科点专项科研基金项目（编号：20120014120015）的资助下开展工作。采伐作业控制系统数字仿真是进一步提升林木联合采育机自动化程度和降低作业成本的有效途径，是人工林采育装备研究的新技术与新方法，可为正在实施的国产林木联合采育机的批量制造和推向市场奠定理论和技术基础。 本书由郑一力担任主编，刘卫平、吴健和刘圣波担任副主编。本书在编写过程中，得到了刘晋浩教授、黄青青博士、博士研究生雷冠南和博士研究生雷冠南和硕士研究生程伯文、葛桃桃、田真等的大力支持，他们极具价值的工作才使得本书能及时完成。 由于作者水平有限，本书难免有不足之处，请读者谅解并指正。

目 录 第1章 绪论 （1） 1.1 林木联合采育机概况 （1） 1.2 林木联合采育机控制技术研究现状 （3） 1.3 林木联合采育机数字仿真研究现状 （7） 1.4　本书结构 （11） 1.5 习题 （12） 第2章　采伐作业目标激光测量 （13） 2.1 引言 （13） 2.2 硬件构成 （13） 2.3 数据处理流程 （14） 2.3.1 实验环境 （14） 2.3.2 数据平面投影 （15） 2.3.3 数据聚类与滤波 （15） 2.3.4 获取立木参数 （16） 2.3.5 Fletcher-Reeves共轭梯度算法流程 （18） 2.4 实验结果 （18） 2.5 本章小结 （20） 2.6 习题 （21） 第3章　采伐作业运动学分析 （22） 3.1 引言 （22） 3.2 采伐机械臂DH建模参数 （22） 3.3 采伐机械臂运动学正解 （23） 3.4 采伐机械臂雅可比矩阵求解 （24） 3.5 采伐机械臂运动学逆解 （25） 3.6 采伐机械臂关节变量与液压驱动变量间的转换 （26） 3.7 本章小结 （28） 3.8 习题 （28） 第4章 采伐作业路径规划与控制仿真 （29） 4.1 引言 （29） 4.2 直线规划 （29） 4.2.1 速度规划 （29） 4.2.2 角速度规划 （32） 4.3 圆弧规划 （34） 4.4 自主路径规划与控制 （36） 4.5 本章小结 （39） 4.6 习题 （39） 第5章 采伐作业虚拟仿真系统 （40） 5.1 引言 （40） 5.2 OSG概述 （40） 5.2.1 OSG体系结构 （40） 5.2.2 场景图形与内存管理 （41） 5.3 构建基于OSG的MFC单文档应用程序框架 （42） 5.3.1 MFC及其应用 （42） 5.3.2 OSG与MFC结合 （43） 5.4 OSG模型构建 （44） 5.5 采伐作业虚拟仿真软件架构 （45） 5.6 虚拟仿真软件构成 （46） 5.7 虚拟仿真实验测试 （52） 5.8 本章小结 （56） 5.9 习题 （56） 第6章 采伐虚拟驾驶仿真系统架构 （57） 6.1 系统功能需求分析 （57） 6.1.1 物理模拟 （57） 6.1.2 驾驶培训场景及功能模拟 （57） 6.1.3 交互控制功能 （58） 6.1.4 软件人机界面 （58） 6.2 系统架构 （59） 6.2.1 软硬件整体架构 （59） 6.2.2 硬件选型 （59） 6.2.3 软件选型 （60） 6.3 本章小结 （63） 6.4 习题 （63） 第7章　采伐虚拟驾驶仿真场景构建 （64） 7.1 引言 （64） 7.2 采伐虚拟驾驶仿真场景分析 （64） 7.3 虚拟场景模型建立过程 （66） 7.4 模型建立 （67） 7.4.1 林木联合采育机模型建立 （67） 7.4.2 树木模型建立 （68） 7.4.3 地形地貌模型建立 （69） 7.4.4 天空盒制作 （73） 7.5 虚拟场景集成 （74） 7.6 本章小结 （75） 7.7 习题 （75） 第8章　采伐虚拟驾驶仿真视景系统 （76） 8.1 引言 （76） 8.2 碰撞检测 （76） 8.3 基本运动实现 （78） 8.3.1 采伐头运动实现 （78） 8.3.2 车体旋转运动实现 （79） 8.3.3 履带运动实现 （81） 8.4 采伐机械臂运动仿真 （81） 8.4.1 采伐机械臂层次关系分析 （81） 8.4.2 采伐机械臂运动仿真实现 （82） 8.5 树木模型虚拟切割 （84） 8.6 视景系统控制 （87） 8.6.1 多视角切换模块 （87） 8.6.2 跟随相机模块 （88） 8.7 本章小结 （89） 8.8 习题 （89） 第9章 采伐虚拟驾驶仿真硬件系统 （90） 9.1 引言 （90） 9.2 硬件系统通信 （90） 9.3 控制手柄与视景系统的通信 （92） 9.3.1 CAN总线 （92） 9.3.2 操作手柄信号测试 （94） 9.3.3 操作手柄数据采集 （95） 9.4 六自由度运动平台与视景系统的通信 （97） 9.5 本章小结 （98） 9.6 习题 （98） 第10章 采伐虚拟驾驶仿真实验 （99） 10.1 实验环境 （99） 10.2 树木模型虚拟切割实验 （99） 10.3 系统整体实验 （100） 10.4 本章小结 （104） 10.5 习题 （104） 第11章 人工林抚育采伐作业及造材控制虚拟仿真实验 （105） 11.1 实验基本介绍 （105） 11.1.1 基本情况 （105） 11.1.2 考核要求 （106） 11.2 实验原理 （107） 11.2.1 林区作业基本知识 （108） 11.2.2 抚育采伐工艺 （108） 11.2.3 采伐机定长造材 （109） 11.2.4 PID参数整定 （109） 11.2.5 对应知识点 （111） 11.3 抚育采伐作业实验 （112） 11.3.1 装备参数 （112） 11.3.2 实验过程 （115） 11.4 造材PID控制实验 （124） 11.4.1 实验参数 （124） 11.4.2 实验过程 （125） 11.5 本章小结 （134） 11.6 习题 （135） 参考文献 （136）