一种仿猛禽飞羽滤泡的固定套管装置设计方法

1.本发明属于仿生设计技术领域，具体涉及一种仿猛禽飞羽滤泡的固定套管装置设计方法。


背景技术：

2.无人机具有较高的机动灵活性等优点，世界各国都在对无人机技术做研究发展，无人机在设计时要着重提高其机动灵活性。机翼作为无人机完成飞翔动作的核心部件，提高其工作效率对提高无人机性能发挥着重要的作用。
3.依据达尔文的进化论，自然界中的鸟类经过上亿年的进化，优胜劣汰，不断适应环境的变化，其身体结构也在不断进化，特别是作为鸟类至关重要的身体部位的翅膀，其结构近乎完美。猛禽可以在复杂的环境中飞行，具有高效性、机动性和稳定性，而猛禽飞羽是完成飞翔动作的重要结构。羽毛在猛禽体表按一个方向规律的排布，可以减小飞行时的阻力；羽毛的张开、闭合、旋转可以实现对飞行路径的控制。因此以猛禽飞羽为仿生原型，将猛禽飞羽运动机理运用到仿生飞行器上，为仿生飞行器的研究提供重要的参考价值。
4.科学家很早就开始研究猛禽飞羽结构。但随着研究的深入，在微观方面，光学显微镜已经逐渐无法满足研究需要，其他技术手段逐渐被运用到猛禽飞羽研究，如扫描电子显微镜来观察羽毛的微观结构。但是尚未出现对仿生羽毛固定套管装置的设计。本发明对猛禽飞羽的羽根部分进行建模，设计出了用于仿生飞行器上的仿生羽毛固定套管装置，即仿生滤泡。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种仿猛禽飞羽滤泡的固定套管装置设计方法，可以用于设计飞行器仿生羽毛的固定装置。
6.本发明提供如下技术方案：一种仿猛禽飞羽滤泡的固定套管装置设计方法，其特征在于：包括以下步骤:
7.步骤1、以猛禽飞羽的羽根为仿生原型，绘制猛禽飞羽的羽根截面图；
8.步骤2、提取出羽根弯度,利用曲线公式拟合出羽根母线的方程式,基于拟合出的方程式进行三维建模,画出猛禽飞羽羽根的三维立体图；
9.步骤3、以羽根的三维立体图作为基础，绘制与羽根相同形状的固定套管的三维立体图；
10.步骤4、选取弹性金属材料作为固定套管装置的制作材料，以步骤3中绘制出的固定套管装置的三维立体图为基础，制作固定套管装置。
11.所述的一种仿猛禽飞羽滤泡的固定套管装置设计方法，其特征在于所述步骤1包括以下具体步骤：
12.1.1、用三维扫描仪对羽根进行三维点云扫描，获取羽根的三维表面点云数据；
13.1.2、确定选取羽根二维截面位置，获取羽根的二维截面点云,具体过程如下：以羽
根底部末端为顶点,向上分别选取若干个位置处的截面，将获得的羽根三维点云经过选取的截面，获取对应截面处的羽根二维点云；
14.1.3、根据获得的羽根二维截面点云，用几何公式对羽根形状进行拟合，由于二维截面为椭圆形，结合椭圆方程式:
[0015][0016]
在直角坐标系xoy下，将椭圆长轴(2a)置于y轴，短轴(2b)置于x轴得到长轴和短轴不同的若干个二维椭圆截面，根据扫描所得二维点云数据，确定椭圆截面的长轴和短轴，进一步确定羽根的二维截面形状。
[0017]
所述的一种仿猛禽飞羽滤泡的固定套管装置设计方法，其特征在于所述步骤2中，提取出羽根弯度,利用曲线公式拟合出羽根母线的方程式的具体过程如下：取羽根截面距羽根末端距离为x坐标，长轴端点为y坐标，使用matlab拟合出其母线曲线，选择线条为平滑样条线。
[0018]
所述的一种仿猛禽飞羽滤泡的固定套管装置设计方法，其特征在于设羽根母线的方程式为f(x)，取截面距羽根末端距离为x坐标，长轴端点为y坐标,使用matlab拟合出其曲线，选择线条为平滑样条线,该方程式f(x)是由p值计算的分段多项式，其中p＝0.0054186007。
[0019]
所述的一种仿猛禽飞羽滤泡的固定套管装置设计方法，其特征在于所述步骤2中，基于拟合出的方程式进行三维建模的具体过程如下：在三维xyz坐标下，将拟合出的羽根母线曲线放在yoz坐标下，将步骤1.3中获得的若干个椭圆形截面的所有长径都放在z方向，所有短径都放在x方向，所有截面在y轴按顺序依次排列，即所有椭圆形截面在y坐标不同的xoz平面内，以拟合出的曲线为引导线，将所有椭圆形截面依次连接，画出羽根三维立体图。
[0020]
所述的一种仿猛禽飞羽滤泡的固定套管装置设计方法，其特征在于所述步骤4中的弹性金属材料为高锰钢，所述高锰钢中锰的含量大于13％。
[0021]
通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0022]
本发明以猛禽飞羽的羽根为基础进行固定套管装置的外形设计，仿生羽毛嵌入该套管装置中，该套管装置能够控制仿生羽毛运动的多个自由度，保证将仿生羽毛牢牢地固定在机翼而不轻易滑移掉落，为更好控制飞行提供前提条件。
附图说明
[0023]
图1为本发明完整的羽毛结构示意图；
[0024]
图2为本发明的拟合羽根弯度所得曲线；
[0025]
图3为本发明的仿生羽根结构示意图；
[0026]
图4为本发明仿滤泡的羽毛固定套管装置结构示意图；
[0027]
图5为本发明羽根嵌入固定套管内第一深度位置处的等轴测视结构示意图；
[0028]
图6为图5中a
‑
a方向的剖视结构示意图；
[0029]
图7为本发明羽根嵌入固定套管内第一深度位置处的正视结构示意图；
[0030]
图8为图7中b
‑
b方向的剖视结构示意图；
[0031]
图9为本发明羽根嵌入固定套管内第二深度位置处的等轴测视结构示意图；
[0032]
图10为图9中c
‑
c方向的剖视结构示意图；
[0033]
图11为本发明羽根嵌入固定套管内第二深度位置处的正视结构示意图；
[0034]
图12为图11中d
‑
d方向的剖视结构示意图；
[0035]
图13为本发明羽根嵌入固定套管内第三深度位置处的等轴测视结构示意图；
[0036]
图14为图13中e
‑
e方向的剖视结构示意图；
[0037]
图15为本发明羽根嵌入固定套管内第三深度位置处的正视结构示意图；
[0038]
图16为图15中f
‑
f方向的剖视结构示意图；
[0039]
图17为本发明羽根嵌入固定套管内第四深度位置处的等轴测视结构示意图；
[0040]
图18为图15中g
‑
g方向的剖视结构示意图；
[0041]
图19为本发明羽根嵌入固定套管内第四深度位置处的正视结构示意图；
[0042]
图20为图15中h
‑
h方向的剖视结构示意图。
具体实施方式
[0043]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0044]
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
[0045]
请参阅图1
‑
20，一种仿猛禽飞羽滤泡的固定套管装置设计方法，以具有优秀机动能力的猛禽标本为母体，采用三维扫描、曲线拟合、三维建模方法进行设计，包括以下具体步骤:
[0046]
(1)扫描羽根标本，获取羽根部分的三维外形点云：
[0047]
采用生物用酒精等清洁标本，选取羽根部分(约120mm长)，猛禽羽根和滤泡紧密贴合，羽根下部深插入皮肤内的滤泡腔中，滤泡腔是向皮肤内陷入的空腔，因此研究仿生滤泡必须从羽根着手。如图1所示为本发明仿猛禽飞羽的原型。用三维扫描仪对羽根进行三维点云扫描，获取羽根处的三维表面点云数据。
[0048]
(2)确定选取羽根二维截面位置，获取二维截面点云：
[0049]
选择几个具有代表性位置的二维截面点云。以羽根底部末端为顶点，向上分别取距离为5mm、16mm、22mm、30mm、75mm、95mm、114mm处的截面，获得的三维点云经过这几个截面，获取截面处的二维点云。
[0050]
(3)拟合二维截面图：
[0051]
根据获得的二维截面点云，用几何公式对其形状进行拟合。由于二维截面为椭圆形，结合椭圆方程式：
[0052][0053]
在直角坐标系xoy下，将椭圆长轴(2a)置于y轴，短轴(2b)置于x轴，根据扫描所得二维点云数据，确定椭圆截面的长轴和短轴，进一步确定羽根的二维截面形状。
[0054]
下表表1给出了羽根截面拟合参数。
[0055]
(4)提取羽根的弯度，利用曲线公式拟合羽根弯度：
[0056]
用曲线公式拟合出其母线方程式，提取出羽根弯度：取截面距羽根末端距离为x坐标，长轴端点为y坐标，使用matlab拟合出其曲线方程式，选择线条为平滑样条线，如图2所示。该方程f(x)是由p值计算的分段多项式，其中p＝0.0054186007。
[0057]
(5)对羽根进行三维建模，画出羽根三维立体图：
[0058]
在三维xyz坐标下，将步骤(4)拟合出的曲线放在yoz坐标下，将椭圆形截面的所有长径都放在z方向，所有短径都放在x方向，所有截面在y轴按顺序依次排列，即所有椭圆平面在y坐标不同的xoz平面内。以拟合出的曲线为引导线，将所有截面依次连接，画出羽根三维立体图，如图3所示，连接起来的仿生羽根结构具有光滑的外曲面。
[0059]
(6)画出仿滤泡固定套管装置：
[0060]
将该仿生羽毛的外形结构作为基础，设计出一个相同形状的套管结构，即为装在机翼上的羽毛固定套管装置，如图4所示。套管结构同样具有光滑的内曲面和外曲面，能使仿生羽毛紧密嵌入其内，这有利于仿生羽毛的固定。
[0061]
(7)将步骤(5)所画的仿生羽根和步骤(6)所画的仿生滤泡结合起来，将仿生羽根逐步嵌入仿生滤泡固定套管装置，如图5
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20所示为羽根嵌入套管不同深度(即羽根嵌入固定套管内第一深度、第二深度、第三深度及第四深度位置)的组合等轴测视图、正视图及两者相同位置的剖面图。其中，图7的剖面图b
‑
b为截面7，图11的剖面图d
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d为截面6，图15的剖面图f
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f为截面4，图19的剖面图h
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h为截面2。
[0062]
(8)选取高锰钢作为本发明固定套管装置的材料。该高锰钢的锰含量在13％以上，既坚硬又富有韧性，并且加热后很容易加工成各种形状。作为金属，高锰钢的坚硬性能完美的固定在机翼上，同时它的韧性又满足了本发明专利需要的紧固性能。
[0063][0064]
表1
[0065]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精
神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。