CN100998275A - 仿生减阻起垄器铲面及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种仿生减阻起垄器铲面及其设计方法。目的在于解决降低能耗，减少起垄器铲面与土壤间的阻力，并使触土部件能够具有降阻的效果。具体技术方案是：该铲面为以y＝－0.0148x2+0.86563x－1.51为脊线，y＝－0.0054z2+30.49为素线，素线沿脊线所形成的曲面。本发明通过对野猪拱土觅食行为特性中的主要触土部位，利用逆向工程技术对野猪的面部曲面进行三维扫描，获取三维点群数据。对获取到的点群数据进行三维几何模型重建。提取特征参数，并对其进行各种参数与性能分析。

Description

仿生减阻起垄器铲面及其设计方法
技术领域
本发明属于农业和地面机械领域，特别是涉及一种根据仿生学理论与逆向工程的方法对野猪拱土觅食行为特性中的主要触土部位面部曲面特性进行研究，而获得的仿生减阻起垄器铲面及其制造方法。
背景技术
起垄铲是土壤耕整联合作业机的重要部件，它的工作性能直接影响着土壤耕整联合作业机的工作质量和功率消耗。在土壤耕整联合作业机耕作过程中，由于起垄铲铲面的形状导致耕作阻力增大，导致作业质量变差、生产效率降低，无法达到农艺要求，严重时土壤耕整联合作业机无法工作，影响生产。由此可见，减小起垄铲工作阻力且对提高农业生产综合效益具有重要的现实意义。
申请人在对土壤动物进行了大量的调查和采集，进行了生物形态学和行为学研究的基础上，通过对典型土壤动物如蚯蚓、马陆、穿山甲、田鼠的观察和电镜分析发现，这类土壤动物体表结构有利于土壤动物的减粘降阻。对典型的土壤动物蜣螂的形态特征的研究，设计制造了多种非光滑曲面推土板，研制了仿生非光滑犁壁。
野猪是一种具有拱土觅食行为特性的典型动物，经过几千年的进化，使得野猪拱土觅食的主要触土部位-面部具有了降低与土壤间阻力的功能。野猪面部曲面特征是降阻效果的原因之一，而起垄器铲面工作情况与野猪的拱土觅食的行为极其相近。为降低起垄器铲面与土壤间的阻力，更加使其能够具有降阻的效果，我们可以从仿生学的角度，采用逆向工程的方法对野猪的主要触土部位-面部曲面进行研究，设计出仿生减阻起垄器铲面。
发明内容
本发明的目的是解决现有起垄器粘土及阻力增大等问题，提供一种新型结构的仿生减阻起垄器铲面及其设计方法。它以普通起垄器为设计原型，针对其主要触土部位-铲面，采用逆向工程技术，提取具有良好的降低阻力效果的野猪面部的三维几何模型，对起垄器铲面进行仿生设计，使其能够具有降低阻力的效果。
本发明的上述目的是这样实现的，一种仿生减阻起垄器铲面为以
y＝-0.0148x2+0.86563x-1.51为脊线，y＝-0.0054z2+30.49为素线，素线沿脊线所形成的曲面。
用于仿生减阻起垄器铲面的设计方法，其特征在于：
a)对野猪头部采用非接触式激光测量法进行三维几何测量，获得野猪面部点云数据；
b)点云数据的处理：对点云的纯净化处理；采用在样本上固定位置处配置定位球的方法来对坐标进行定位，当点云数据被分别获取后，从不同角度扫描所获取的点云数据就可以根据相同位置的球体其圆心必在同一点即三点定位的条件将点云数据进行重构，利用UG/Imageware软件的逐步模式完成点云的重构；
c)曲面重建：针对获取并处理后的野猪头部点云数据采用CATIA软件中的平面交线功能，分别以一个纵向平面和一组以一定间距的横向平面与点云相交，使得在点云上形成一组平面交线；再将点云上的平面交线转化成空间曲线，通过对部分曲线依据原始点云进行调整，将调整后的曲线连成经纬相交的野猪头部空间曲线框架；
d)根据已生成的经纬相交的空间曲线框架图生成空间自由曲面，再将各个位于不同部位的曲面合并为一整体，并对其做平滑处理，最终完成野猪头部三维几何模型的重建。
本发明的技术效果是：
本发明具有减少土壤耕整联合作业机的土壤阻力和动力消耗的技术效果。可减小起垄器工作阻力，进而降低拖拉机的牵引阻力，节约燃油，延长机具的寿命，提高效率，为农户节省大量资金，降低生产成本，提高劳动生产率。
将野猪面部曲面特征参数应用到起垄器铲面的设计方法，可以有效的减少起垄器铲面与土壤接触部位的土壤阻力达5％-12％。
附图说明
图1野猪头部空间曲线框架图；
图2野猪头部脊线方程；
图3野猪头部素线方程；
图4(a)起垄铲的脊线；
图4(b)起垄铲的素线；
图4(c)素线沿脊线所形成的起垄铲曲面。
具体实施方式
下面结合附图所示实施例进一步说明本发明的具体内容及其实施方式。
(1)野猪头部三维数据点获取
本研究所使用的样本来自吉林省白山市长白山野生动物驯养繁殖场，野猪的鼻子与普通家猪相比要长出10-15cm，且具有坚硬的吻突。对野猪头部采用非接触式激光测量法进行三维几何测量，获得野猪面部点云数据。
(2)点云数据的处理
点云数据的最基本处理，即对点云的纯净化处理，如噪声去除、过滤、光顺、网格化等。这些处理是逆向工程技术中的关键环节，它的结果将直接影响到后期模型重构的质量。由于野猪头部形状复杂，一次扫描无法获得全部数据，进行多次扫描时需要将样本作移动以实现完整点群的获取，这将会造成数据输入软件时产生坐标不统一的现象。本研究采用在样本上固定位置处配置定位球的方法来对坐标进行定位。当点云数据被分别获取后，从不同角度扫描所获取的点云数据就可以根据相同位置的球体其圆心必在同一点(三点定位)的条件将点云数据进行重构，利用UG/Imageware软件的逐步模式完成点云的重构。
(3)曲面重建
参阅图1野猪头部空间曲线框架图：针对获取并处理后的野猪头部点云数据采用CATIA软件中的平面交线功能，分别以一个纵向平面和一组以间距为8mm的横向平面与点云相交，使得在点云上形成一组平面交线。再将点云上的平面交线转化成空间曲线。由于生成的部分曲线曲率变化比较大，曲线很不平滑，在此基础上很难生成曲面，因此需对部分曲线依据原始点云进行调整。将调整后的曲线连成经纬相交的野猪头部空间曲线框架。
根据已生成的经纬相交的空间曲线框架图生成空间自由曲面，再将各个位于不同部位的曲面合并为一整体，并对其做平滑处理，最终完成野猪头部三维几何模型的重建。
(4)结果分析
参阅图2，图3：本发明通过对野猪拱土觅食行为特性中的主要触土部位，利用逆向工程技术对野猪的面部曲面进行三维扫描，获取三维点群数据。对获取到的点群数据进行三维几何模型重建。提取特征参数，并对其进行各种参数与性能分析，得出脊线和几条特征素线方程。以y＝-0.0148x2+0.86563x-1.51为脊线，y＝-0.0054z2+30.49为素线，素线沿脊线所形成的曲面。
参阅图4：起垄铲铲面以y＝-0.0148x2+0.86563x-1.51为脊线，y＝-0.0054z2+30.49为素线，素线沿脊线所形成的曲面。其他参数按常规设计方法来设计。

Claims (2)

1、一种仿生减阻起垄器铲面，其特征在于该铲面为以
y＝-0.0148x2+0.86563x-1.51为脊线，y＝-0.0054z2+30.49为素线，素线沿脊线所形成的曲面。
2、一种用于仿生减阻起垄器铲面的设计方法，其特征在于：
a)对野猪头部采用非接触式激光测量法进行三维几何测量，获得野猪面部点云数据；
b)点云数据的处理：对点云的纯净化处理；采用在样本上固定位置处配置定位球的方法来对坐标进行定位，当点云数据被分别获取后，从不同角度扫描所获取的点云数据就可以根据相同位置的球体其圆心必在同一点即三点定位的条件将点云数据进行重构，利用UG/Imageware软件的逐步模式完成点云的重构；
c)曲面重建：针对获取并处理后的野猪头部点云数据采用CATIA软件中的平面交线功能，分别以一个纵向平面和一组以一定间距的横向平面与点云相交，使得在点云上形成一组平面交线；再将点云上的平面交线转化成空间曲线，通过对部分曲线依据原始点云进行调整，将调整后的曲线连成经纬相交的野猪头部空间曲线框架；
d)根据已生成的经纬相交的空间曲线框架图生成空间自由曲面，再将各个位于不同部位的曲面合并为一整体，并对其做平滑处理，最终完成野猪头部三维几何模型的重建。
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