一種蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型生成方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型生成方法，包括先選取被測蜻蜓翅膀；向選取的被測蜻蜓翅膀表面均勻噴涂鈦白粉，獲得蜻蜓翅膀樣本；最后采用激光掃描裝置對蜻蜓翅膀樣本進行掃描生成蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型。本發(fā)明設(shè)計的蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型生成方法，方法精簡，通過向選取的被測蜻蜓翅膀表面均勻噴涂鈦白粉，獲得蜻蜓翅膀樣本，能夠大大提高被測蜻蜓翅膀表面的光反射能力，使得針對蜻蜓翅膀樣本掃描的掃描數(shù)據(jù)更加精確、完整，獲得更加精確的蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型。
【專利說明】一種蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型生成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型生成方法。
【背景技術(shù)】
[0002]蜻蜓飛行具有高效、高機動性等優(yōu)點，這吸引著人們在結(jié)構(gòu)力學(xué)、空氣動力學(xué)、微型飛行器設(shè)計等領(lǐng)域?qū)︱唑扬w行開展了廣泛的研究。在現(xiàn)有的大多數(shù)研究中，人們對蜻蜓翅膀采用的是平板翅模型，然而，僅通過肉眼觀察，我們就可以發(fā)現(xiàn)蜻蜓翅膀并不平直，而是充滿復(fù)雜的三維褶皺結(jié)構(gòu)。近年來，隨著研究的深入，人們開始嘗試在研究中采用更真實的三維翅模型，發(fā)表在Science期刊上的初步研究表明:昆蟲翅膀上的三維褶皺結(jié)構(gòu)對其飛行性能具有重要的影響。
[0003]為了給各種研究提供更為真實的三維翅膀模型數(shù)據(jù)，人們采用了各種可能的實驗測量技術(shù)。在國際會議論文集《International Design Conference-Design)) 2006年 5 月的論文 “Modelling and Manufacturing of a Dragonfly Wing as Basis forBionic Research”中，論文作者采用掃描電鏡技術(shù)分別測量了蜻蜓前翅沿翅展方向10等份剖面的幾何形狀，而后采用CAD技術(shù)插值重建了前翅三維模型。在期刊《ExperimentalMechanics》2010 年第 50 卷的論文“Structural Analysis of a Dragonfly Wing”中，論文作者采用微型計算機斷層掃描技術(shù)(微型CT)獲取了蜻蜓前、后翅的三維幾何形貌。在以上具有代表性的實驗測量技術(shù)中，主要存在以下問題:1.兩種測量方法的樣本制備過程比較復(fù)雜，且在樣本制備過程會對測量結(jié)果產(chǎn)生較大影響，例如:在掃描電鏡測量實驗中，需要對蜻蜓翅膀進行切割剖面處理，蜻蜓非常柔軟，切割操作會導(dǎo)致蜻蜓翅膀產(chǎn)生較大的變形；在微型CT測量實驗中，翅膀樣本需要先進行鈣化處理，即持續(xù)浸泡在充滿鈣離子的水溶液中約2小時，測量前再對鈣化處理后的翅膀樣本進行干燥，經(jīng)過以上兩個步驟，翅膀樣本也產(chǎn)生較大的變形。2.在微型CT測量實驗中，測量單個翅膀耗時超過12個小時，在實驗期間，環(huán)境條件會對樣本產(chǎn)生持續(xù)的影響。3.掃描電鏡測量實驗僅能獲取相關(guān)剖面或局部的三維幾何數(shù)據(jù)，現(xiàn)有的微型CT測量系統(tǒng)的最強分辨能力在5-10 μ m左右，而蜻蜓翅膀翅膜有相當(dāng)一部分的厚度低于此分辨率，故而無法進行測量，在論文“Structural Analysis ofa Dragonfly Wing”中，對于所選取的蜻蜓翅膀樣本，前翅有4%的部分無法測量，而后翅則有56%的部分無法測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種針對蜻蜓翅膀結(jié)構(gòu)，能夠有效實現(xiàn)高精度三維模型測量生成的蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型生成方法。
[0005]本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:本發(fā)明設(shè)計了 一種蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型生成方法，包括如下步驟:
[0006]步驟01.選取被測蜻蜓翅膀；
[0007]步驟02.向選取的被測蜻蜓翅膀表面均勻噴涂鈦白粉，獲得蜻蜓翅膀樣本；[0008]步驟03.采用激光掃描裝置對蜻蜓翅膀樣本進行掃描生成蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型。
[0009]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案:所述步驟01中，選取脫離蜻蜓活體不超過I小時、且室溫保存的蜻蜓翅膀作為被測蜻蜓翅膀。
[0010]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案:所述步驟02中，采用電子柱塞泵無氣式噴涂機向所述選取的被測蜻蜓翅膀表面均勻噴涂鈦白粉，獲得所述蜻蜓翅膀樣本。
[0011]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案:所述步驟03中，采用所述激光掃描裝置對所述蜻蜓翅膀樣本進行掃描，獲得蜻蜓翅膀樣本表面上點云的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)；根據(jù)蜻蜓翅膀樣本表面上點云的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)生成蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型。
[0012]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案:所述步驟03中，所述激光掃描裝置采用ATOS高階光學(xué)非接觸式掃描裝置。
[0013]本發(fā)明所述一種蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型生成方法采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:
[0014](I)本發(fā)明設(shè)計的蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型生成方法，基于現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，方法精簡，向選取的被測蜻蜓翅膀表面均勻噴涂鈦白粉，獲得蜻蜓翅膀樣本，能夠大大提高被測蜻蜓翅膀表面的光反射能力，使得針對蜻蜓翅膀樣本掃描的掃描數(shù)據(jù)更加精確、完整，獲得更加精確的蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型；
[0015](2)本發(fā)明設(shè)計的蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型生成方法中，針對被測蜻蜓翅膀的選取，設(shè)計特定的要求，能夠盡可能保證最終獲得蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型結(jié)構(gòu)與真實蜻蜓翅膀結(jié)構(gòu)一致，保證了數(shù)據(jù)更加精確；
[0016](3)本發(fā)明設(shè)計的蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型生成方法中，針對向被測蜻蜓翅膀表面噴涂的鈦白粉，采用電子柱塞泵無氣式噴涂機進行噴涂，使得操作過程更加方便、快捷；
[0017](4)本發(fā)明設(shè)計的蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型生成方法中，針對激光掃描裝置，采用ATOS高階光學(xué)非接觸式掃描裝置，避免裝置工作過程中，觸碰到蜻蜓翅膀樣本，盡可能地降低了測量過程中環(huán)境條件對測量結(jié)果的影響，保證了蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型的準(zhǔn)確性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明設(shè)計的蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型生成方法的流程示意圖；
[0019]圖2是風(fēng)干的黃蜻蜓前翅掃描數(shù)據(jù)三維重建幾何模型圖；
[0020]圖3是新鮮的黃蜻蜓前翅掃描數(shù)據(jù)三維重建幾何模型圖；
[0021]圖4是新鮮的黃蜻蜓后翅掃描數(shù)據(jù)三維重建幾何模型圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明。
[0023]如圖1所示，本發(fā)明設(shè)計了一種蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型生成方法，一種蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型生成方法，包括如下步驟:
[0024]步驟01.選取被測蜻蜓翅膀；[0025]步驟02.向選取的被測蜻蜓翅膀表面均勻噴涂鈦白粉，獲得蜻蜓翅膀樣本；
[0026]步驟03.采用激光掃描裝置對蜻蜓翅膀樣本進行掃描生成蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型。
[0027]基于以上設(shè)計技術(shù)方案的步驟，本發(fā)明設(shè)計的蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型生成方法，基于現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，方法精簡，向選取的被測蜻蜓翅膀表面均勻噴涂鈦白粉，獲得蜻蜓翅膀樣本，能夠大大提高被測蜻蜓翅膀表面的光反射能力，使得針對蜻蜓翅膀樣本掃描的掃描數(shù)據(jù)更加精確、完整，獲得更加精確的蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型。
[0028]針對以上設(shè)計技術(shù)方案的步驟，其中，所述步驟01中，選取脫離蜻蜓活體不超過I小時、且室溫保存的蜻蜓翅膀作為被測蜻蜓翅膀；所述步驟02中，采用電子柱塞泵無氣式噴涂機向所述選取的被測蜻蜓翅膀表面均勻噴涂鈦白粉，獲得所述蜻蜓翅膀樣本；所述步驟03中，采用所述激光掃描裝置對所述蜻蜓翅膀樣本進行掃描，獲得蜻蜓翅膀樣本表面上點云的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)；根據(jù)蜻蜓翅膀樣本表面上點云的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)生成蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型；所述步驟03中，所述激光掃描裝置采用ATOS高階光學(xué)非接觸式掃描裝置。
[0029]基于以上設(shè)計技術(shù)方案，本發(fā)明設(shè)計的蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型生成方法中，針對被測蜻蜓翅膀的選取，設(shè)計特定的要求，能夠盡可能保證最終獲得蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型結(jié)構(gòu)與真實蜻蜓翅膀結(jié)構(gòu)一致，保證了數(shù)據(jù)更加精確；針對向被測蜻蜓翅膀表面噴涂的鈦白粉，采用電子柱塞泵無氣式噴涂機進行噴涂，使得操作過程更加方便、快捷；還有針對激光掃描裝置，采用ATOS高階光學(xué)非接觸式掃描裝置，避免裝置工作過程中，觸碰到蜻蜓翅膀樣本，盡可能地降低了測量過程中環(huán)境條件對測量結(jié)果的影響，保證了蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型的準(zhǔn)確性。
[0030]綜上技術(shù)方案，本發(fā)明設(shè)計了一種蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型生成方法在實際應(yīng)用過程中，參照如下步驟:
[0031]步驟01.選取脫離蜻蜓活體不超過I小時、且室溫保存的蜻蜓翅膀作為被測蜻蜓翅膀；
[0032]步驟02.采用電子柱塞泵無氣式噴涂機向所述選取的被測蜻蜓翅膀表面均勻噴涂鈦白粉(二氧化鈦)，獲得所述蜻蜓翅膀樣本，大大提高被測蜻蜓翅膀表面的光反射能力；
[0033]步驟03.采用ATOS高階光學(xué)非接觸式掃描裝置對蜻蜓翅膀樣本進行掃描，獲得蜻蜓翅膀樣本表面上點云的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，根據(jù)蜻蜓翅膀樣本表面上點云的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)生成蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型(CAD文件)；其中，ATOS高階光學(xué)非接觸式掃描裝置的掃描范圍是40mmX 30mm，以及其在三維坐標(biāo)中三個方向上的測量精度為10 μ m。
[0034]實際應(yīng)用中，針對黃蜻蜓翅膀進行測量，選用的蜻蜓活體樣本為雌性黃蜻蜓，屬于差翅亞目蜻科，為世界上最為常見的蜻蜓。實驗前在乙醚麻醉瓶中將蜻蜓活體進行深度麻醉處理，用手術(shù)剪將新鮮的前后翅膀連同根部一并剪下，測量蜻蜓蟲體及翅膀的質(zhì)量及尺寸；如圖2風(fēng)干的黃蜻蜓前翅掃描數(shù)據(jù)三維重建幾何模型圖所示，即黃蜻蜓前翅在脫離活體后在室內(nèi)環(huán)境條件放置12小時后的測量結(jié)果，以及如圖3新鮮的黃蜻蜓前翅掃描數(shù)據(jù)三維重建幾何模型圖所示，即黃蜻蜓前翅在脫離活體后經(jīng)本發(fā)明設(shè)計步驟處理、總耗時約15分鐘后的測量結(jié)果，可以看出，風(fēng)干前翅由于持續(xù)失水，導(dǎo)致翅膀發(fā)生了較大的翹曲變形，無法準(zhǔn)確反映蜻蜓翅膀在自然條件下的三維形貌，而新鮮前翅的測量結(jié)果則在很大程度上反映了前翅的真實三維形貌。[0035]并且在實際應(yīng)用中，如圖3和圖4所示，經(jīng)數(shù)據(jù)處理可以得出:該黃蜻蜓前翅平均弦長為8.09mm，該黃蜻蜓前翅三維褶皺結(jié)構(gòu)引起的厚度差為0.909mm，相對厚度為11.2% ；該黃蜻蜓后翅平均弦長為11.04mm,該黃蜻蜓后翅三維裙皺結(jié)構(gòu)引起的厚度差為2.909mm,相對厚度為26.3%。
[0036]綜上所述，本發(fā)明設(shè)計的一種蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型生成方法，可用于仿生結(jié)構(gòu)力學(xué)、仿生流體力學(xué)及仿生工程等研究中關(guān)鍵性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的精確測量。
[0037]上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作了詳細說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。
【權(quán)利要求】
1.一種蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型生成方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟01.選取被測蜻蜓翅膀； 步驟02.向選取的被測蜻蜓翅膀表面均勻噴涂鈦白粉，獲得蜻蜓翅膀樣本； 步驟03.采用激光掃描裝置對蜻蜓翅膀樣本進行掃描生成蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型生成方法，其特征在于:所述步驟01中，選取脫離蜻蜓活體不超過I小時、且室溫保存的蜻蜓翅膀作為被測蜻蜓翅膀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型生成方法，其特征在于:所述步驟02中，采用電子柱塞泵無氣式噴涂機向所述選取的被測蜻蜓翅膀表面均勻噴涂鈦白粉，獲得所述蜻蜓翅膀樣本。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型生成方法，其特征在于:所述步驟03中，采用所述激光掃描裝置對所述蜻蜓翅膀樣本進行掃描，獲得蜻蜓翅膀樣本表面上點云的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)；根據(jù)蜻蜓翅膀樣本表面上點云的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)生成蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種蜻蜓翅膀褶皺結(jié)構(gòu)三維模型生成方法，其特征在于:所述步驟03中，所述激光掃描裝置采用ATOS高階光學(xué)非接觸式掃描裝置。
【文檔編號】G01B11/24GK103940368SQ201410153448
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月16日
【發(fā)明者】楊勁松, 夏品奇 申請人:南京航空航天大學(xué)