一种单兵装备参数化建模方法技术

本发明专利技术涉及一种用于单兵装备参数化建模的方法，其包括以下步骤：首先进行三维扫描，采用插值曲线蒙面法构建得到人体部位的数字化模型；然后根据人体部位数字化模型的尺寸获取表达单兵装备定位尺寸和形状尺寸的特征参数以及特征曲线；其次结合单兵装备特征参数，将不同曲面连接起来构成一个自由曲面，完成单兵装备曲面造型；最后将造型完成的单兵装备的曲面进行加厚处理形成单兵装备的实体模型。本发明专利技术参数化建模的方法将常规设计中的繁琐、反复进行的工作交由经过计算机二次开发来完成，可以广泛应用于各种单兵装备的建模之中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及产品参数化设计与集成
，特别是关于一种实现单兵装备的快速造型、快速修改、虚拟装配及驱动3D打印的单兵装备参数化建模方法。
技术介绍
随着信息化战争的来临，单兵装备已发生了天翻地覆的变化。单兵装备功能综合性越来越强，信息化程度越来越高，重量越来越轻，能量维持时间越来越长。信息化的单兵装备可以从根本上改变士兵的战斗功能，使一个士兵具备C4I (指挥、控制、通信、计算机和情报)功能，其打击力、生存力、战场感知与情报共享能力及战斗灵活性更强。战场上的士兵不再是一个独立的人，而成为一个战场感知器、特殊的武器平台、网络中的一个节点，使得传统士兵的战斗力发生了质的飞跃。但是传统的单兵装备设计方式与流程耗费大量的时间与人力，已经无法满足目前复杂多样的单兵装备设计需求，必须探索一条便捷、可靠、高效的设计途径。在传统的单兵装备开发过程中，需要计算零部件的强度、刚度、稳定性以及寿命等性能特征，确定零部件的几何尺寸等，为此需要查阅和引用相关的工程手册、技术标准、技术规范以及各种经验数据等。在传统开发模式下，上述数据往往是以纸质形式提供的。在信息化战争的背景下，传统设计方法成为了单兵装备发展的瓶颈；单兵装备建模设计为单兵装备人机工程数字化仿真与评价、半实物仿真与评价以及实物仿真与评价提供基础数据和数字模型。如果没有高效、可靠的建模设计方法作为技术支撑，单兵人机工程的仿真与评价也就无从谈起。因此，对单兵装备进行参数化建模方法具有重要的意义。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种能够快速修改，高效、可靠、更加贴合实际应用的单兵装备参数化建模方法。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案:，其包括以下步骤:1)将与所使用的单兵装备进行接触或匹配的人体部位进行三维扫描，采用计算机图像工作站读取相应人体部扫描测量数据点，基于插值曲线蒙面法完成人体部位的数字化建模，得到人体部位的数字化模型；2)采用非接触式三维扫描法对某一单兵装备进行扫描测量，得到单兵装备的测量数据点，并将测量数据点以文本形式进行存储，转换为可读性实数格式文件；3)采用计算机图形工作站读取步骤2)的单兵装备的三维测量数据点，并提取此单兵装备表面的点集数据；4)根据人体部位的数字化模型的尺寸，获取表达单兵装备定位尺寸和形状尺寸的特征参数；采用单兵装备表面的点集数据生成截面曲线和控制线，并对生成的截面曲线和控制线进行光顺；通过截面曲线和控制线构造相应的曲面片，对生成的曲面片进行光顺；5)结合单兵装备的特征参数，以单兵装备的整体框架为基础，应用曲面求交或曲面间过渡的方法将不同曲面连接起来构成一个自由曲面，完成面片间拼接，并对拼接后的曲面进行光顺，完成单兵装备曲面造型；6)将造型完成的单兵装备的曲面进行加厚处理形成单兵装备的实体模型。当单兵装备为头盔时，头盔的参数化建模方法包括以下步骤:①三维扫描人头数据点及其拟合曲面提取头盔主体部分特征参数；③选择底部曲面造型方法，提取底部曲面的关键曲线和特征参数；④选择耳部造型方法，提取耳部造型的关键曲线和特征参数；⑤选择前檐部分造型方法，提取前檐部分关键曲线和特征参数；⑥对各个盔体曲面各个组成部分按照各自的曲面造型方法造型，将造型完成的头盔曲面进行加厚处理形成头盔的实体模型。所述步骤①三维扫描人头数据点及其拟合曲面的具体过程为:a)采用三维扫描法采集试验士兵的人头面部数据，经过三维变换和平均处理得到归一化的头型数据；b)采用插值曲线蒙面法对人头模型的顶部重建，得到最终得到人头模型完整的数字化造型。所述步骤②提取主体部分特征参数的具体过程为:a)将人头模型的表面等距偏移放大得到偏移后曲线；b)采用偏移距离作为主体部分的参数值表示头盔的安全间距。所述步骤③选择底部曲面造型方法，提取底部曲面的关键曲线和特征参数的具体过程为:a)采用拉伸法，提取底部曲面的关键曲线一条截面线；b)提取底部曲面的特征参数。所述步骤④选择耳部造型方法，提取耳部造型的关键曲线和特征参数的具体过程为:a)使用扫成法的曲面造型方法，提取生成截面线；b)提取生成控制线，确定耳廓部分关键曲线。所述步骤⑤选择前檐部分造型方法，提取前檐部分关键曲线和特征参数的具体过程为:a)采用扫成法的曲面造型方法，确定关键曲线中的一条截面线；b)确定关键曲线中的控制线，由于增加了一个底部曲面，简化为一条平面曲线。所述步骤⑥对各个盔体曲面各个组成部分按照各自的曲面造型方法造型的具体过程为:a)对各个组成部分按照各自的曲面造型方法进行造型；b)求出主体部分与底部曲面、耳廓部分、帽檐部分以及底部曲面与耳廓部分、帽檐部分之间的交线；c)根据交线去除各个组成部分中的多余曲面，以获得头盔曲面的造型。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点:1、本专利技术首先进行三维扫描，采用插值曲线蒙面法构建得到人体部位的数字化模型；然后根据人体部位数字化模型的尺寸获取表达单兵装备定位尺寸和形状尺寸的特征参数以及特征曲线；其次结合单兵装备特征参数，将不冋曲面连接起来构成Iv自由曲面，完成单兵装备曲面造型；最后将造型完成的单兵装备的曲面进行加厚处理形成单兵装备的实体模型，因此本专利技术具有快速修改，高效、可靠、更加贴合实际应用的特点，为单兵装备人机工程数字化仿真与评价、半实物仿真与评价以及实物仿真与评价提供基础数据和数字模型。2、本专利技术以军用头盔参数化设计为实施例说明单兵装备参数化建模方法:基于人头模型，用几条关键曲线和特征参数来定义待设计的头盔盔体的定位尺寸和形状尺寸；用参数控制其尺寸，设计者只需要修改参数的值，就可以使盔形发生改变；将特征参数的选取与传统设计中的主要尺寸相结合，在充分利用测量数据三维信息的同时，快速设计出与头部更贴合的头盔，因此头盔造型过程实现了半自动化，大大减少了设计者的交互工作，降低了设计难度，提高了设计效率，减少了设计周期。3、本专利技术的头盔壳体设计时基本构形以头型为准，造型设计的尺寸为依据，建立在三维人头模型的尺寸数据基础之上，尽可能降低头盔重量、重心和转动惯量，以获得良好的佩戴稳定性，保证一定的防护面积和防护性能，留出与其它装备品的接口 ；头盔与头部之间必须有一部分的空间存在；头盔帽檐不可遮住射手的视野；头盔两侧的宽度不可影响射手的射击；进行卧射时头盔后缘不可影响到后颈的活动；符合军事美学确定反映这四部分形状的关键曲线，即可确定出盔壳的曲面模型，因此采用本专利技术方法更加贴合实际应用。可以广泛应用于各种单兵装备的建模之中。【附图说明】以下结合附图来对本专利技术进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本专利技术，它们不应该理解成对本专利技术的限制。图1是本专利技术中头盔参数化建模的总体流程图；图2是本专利技术头盔构成及各部位名称示意图；图3是本专利技术盔壳曲面四部分组成示意图；图4是本专利技术头面部测量主要尺寸示意图，图4 (a)是头面部测量部分主要尺寸，图4 (b)是头面部测量部分主要尺寸，图4 (c)是头面部测量部分主要尺寸；图5是本专利技术盔体曲面参数化模型的关键曲线及特征参数示意图；图6是本专利技术的盔体曲面参数化模型框图；图7是本专利技术头盔各部分关键曲线延长图；图8是本专利技术头盔模型壳体曲面的边缘线向水平面投影图。【具体实施方式】下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细的描本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单兵装备参数化建模方法，其包括以下步骤：1）将与所使用的单兵装备进行接触或匹配的人体部位进行三维扫描，采用计算机图像工作站读取相应人体部扫描测量数据点，基于插值曲线蒙面法完成人体部位的数字化建模，得到人体部位的数字化模型；2）采用非接触式三维扫描法对某一单兵装备进行扫描测量，得到单兵装备的测量数据点，并将测量数据点以文本形式进行存储，转换为可读性实数格式文件；3）采用计算机图形工作站读取步骤2）的单兵装备的三维测量数据点，并提取此单兵装备表面的点集数据；4）根据人体部位的数字化模型的尺寸，获取表达单兵装备定位尺寸和形状尺寸的特征参数；采用单兵装备表面的点集数据生成截面曲线和控制线，并对生成的截面曲线和控制线进行光顺；通过截面曲线和控制线构造相应的曲面片，对生成的曲面片进行光顺；5）结合单兵装备的特征参数，以单兵装备的整体框架为基础，应用曲面求交或曲面间过渡的方法将不同曲面连接起来构成一个自由曲面，完成面片间拼接，并对拼接后的曲面进行光顺，完成单兵装备曲面造型；6）将造型完成的单兵装备的曲面进行加厚处理形成单兵装备的实体模型。

【技术特征摘要】
1.一种单兵装备参数化建模方法，其包括以下步骤: 1)将与所使用的单兵装备进行接触或匹配的人体部位进行三维扫描，采用计算机图像工作站读取相应人体部扫描测量数据点，基于插值曲线蒙面法完成人体部位的数字化建模，得到人体部位的数字化模型； 2)采用非接触式三维扫描法对某一单兵装备进行扫描测量，得到单兵装备的测量数据点，并将测量数据点以文本形式进行存储，转换为可读性实数格式文件； 3)采用计算机图形工作站读取步骤2)的单兵装备的三维测量数据点，并提取此单兵装备表面的点集数据； 4)根据人体部位的数字化模型的尺寸，获取表达单兵装备定位尺寸和形状尺寸的特征参数；采用单兵装备表面的点集数据生成截面曲线和控制线，并对生成的截面曲线和控制线进行光顺；通过截面曲线和控制线构造相应的曲面片，对生成的曲面片进行光顺； 5)结合单兵装备的特征参数，以单兵装备的整体框架为基础，应用曲面求交或曲面间过渡的方法将不同曲面连接起来构成一个自由曲面,完成面片间拼接，并对拼接后的曲面进行光顺，完成单兵装备曲面造型； 6)将造型完成的单兵装备的曲面进行加厚处理形成单兵装备的实体模型。2.如权利要求1所述的一种单兵装备参数化建模方法，其特征在于:当单兵装备为头盔时，头盔的参数化 建模方法包括以下步骤: ①三维扫描人头数据点及其拟合曲面； ②提取头蓝主体部分特征参数； ③选择底部曲面造型方法，提取底部曲面的关键曲线和特征参数； ④选择耳部造型方法，提取耳部造型的关键曲线和特征参数； ⑤选择前檐部分造型方法，提取前檐部分关键曲线和特征参数； ⑥对各个盔体曲面各个组成部分按照各自的曲面造型方法造型，将造型完成的头盔曲面进行加厚处理形成头盔的实体模型。3.如权利要求2所述的一种用于单兵装备参数化建模的方法，其特征在于:所述步骤①三维扫描人头数据点及其拟合曲面的具体过...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晓，钮建伟，祖媛媛，蒋毅，马天，
申请(专利权)人：中国人民解放军总后勤部军需装备研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11