從工業(yè)設(shè)計(jì)看無(wú)人機(jī)的發(fā)展

何益超+林啟華

【摘 要】從1917年斯佩里空中魚(yú)雷（SperryAerialTorpedo）搭載300磅的炸彈完成首飛算起，無(wú)人機(jī)的發(fā)展已有百年的時(shí)間。而工業(yè)設(shè)計(jì)源自1919年德國(guó)魏瑪包豪斯學(xué)校的創(chuàng)立，距今也有近百年的歷史。在此期間，工業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)無(wú)人機(jī)的發(fā)展產(chǎn)生了重要的影響，本文將通過(guò)工業(yè)設(shè)計(jì)的視角從產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功能、形態(tài)、用途等方面分析無(wú)人機(jī)的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】無(wú)人機(jī)；工業(yè)設(shè)計(jì)；發(fā)展

1 無(wú)人機(jī)的起源

無(wú)人機(jī)誕生于第一次世界大戰(zhàn)期間，在戰(zhàn)爭(zhēng)年代，每一項(xiàng)新技術(shù)的發(fā)展都是為了改變戰(zhàn)爭(zhēng)的形態(tài)。各國(guó)飛行員在使用飛機(jī)執(zhí)行偵察、打擊、轟炸等任務(wù)時(shí)，面對(duì)著來(lái)自敵人空中火力，地面炮火的威脅，甚至自身飛機(jī)的機(jī)械故障都有可能讓飛行員有去無(wú)回，湛藍(lán)的天空成了眾多飛行員的墓地。隨著戰(zhàn)爭(zhēng)的進(jìn)行，美國(guó)后來(lái)居上，在3年后的1917年，皮特·庫(kù)柏和埃爾默·A·斯佩里發(fā)明了第一臺(tái)自動(dòng)陀螺穩(wěn)定器，這項(xiàng)發(fā)明使得飛機(jī)在向前飛行的途中能夠保持平衡，他們利用這項(xiàng)技術(shù)成果將寇蒂斯N-9型教練機(jī)成功改造為斯佩里空中魚(yú)雷，并利用這款飛行器搭載炸彈飛行了50英里，這標(biāo)志著無(wú)人飛行器的真正誕生，斯佩里空中魚(yú)雷也因此成為早期無(wú)人機(jī)的典型設(shè)計(jì)作品。

2 無(wú)人機(jī)功能及用途的發(fā)展

在功能創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，創(chuàng)新可大可小，功能上的改進(jìn)不一定能產(chǎn)生一個(gè)新的市場(chǎng)。有的功能創(chuàng)新只是對(duì)產(chǎn)品功能有微小的改變，但經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)后就會(huì)有較大的突破，這是從量變到質(zhì)變過(guò)程中的第一步。無(wú)人機(jī)的發(fā)展也不例外，在斯佩里空中魚(yú)雷誕生后幾十年的時(shí)間里，無(wú)人機(jī)的發(fā)展僅限于軍事領(lǐng)域，但是在智能化和多功能化的方向上進(jìn)行了許多嘗試。1935年前的無(wú)人機(jī)機(jī)身與炸彈合為一體，執(zhí)行完任務(wù)后不能再飛回起點(diǎn)循環(huán)使用，造成使用成本偏高。而“蜂王號(hào)”的發(fā)明，使無(wú)人機(jī)完成任務(wù)后能夠回到起點(diǎn)裝彈后再次發(fā)動(dòng)攻擊，降低了無(wú)人機(jī)的使用成本。后一個(gè)具有典型代表性的作品是美國(guó)的先鋒系列無(wú)人機(jī)，它于1986年成功首飛，能夠通過(guò)攝像頭提供戰(zhàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)畫(huà)面，為作戰(zhàn)部署提供重要依據(jù)。這款無(wú)人飛行器的費(fèi)效比高，滿(mǎn)足了美軍以低代價(jià)獲取目標(biāo)的要求。先鋒號(hào)通過(guò)火箭助推起飛，為滿(mǎn)足海軍的需求，機(jī)體可以漂浮在海面上，從而通過(guò)海面降落的方式進(jìn)行回收，使得無(wú)人機(jī)在軍事上的用途更加廣泛。

本世紀(jì)初無(wú)人機(jī)技術(shù)得到了廣泛的傳播，新一代的設(shè)計(jì)師和工程師從軍用無(wú)人機(jī)中汲取到了許多靈感，開(kāi)發(fā)出了更適合普通民眾使用的無(wú)人機(jī)型號(hào)。新興科技的發(fā)展也讓民用無(wú)人機(jī)的性能更加優(yōu)秀。1995年，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的到來(lái)使得飛行器可以用很小的天線(xiàn)接收衛(wèi)星發(fā)出的訊號(hào)。除此以外，微機(jī)、數(shù)電、無(wú)刷電動(dòng)機(jī)、傳感器等技術(shù)的革新，都推動(dòng)了無(wú)人機(jī)功能的發(fā)展。起初，日本雅馬哈公司研發(fā)的無(wú)人機(jī)占據(jù)了領(lǐng)先地位。當(dāng)?shù)剞r(nóng)民用無(wú)人機(jī)在稻田里噴灑農(nóng)藥。日本農(nóng)業(yè)部認(rèn)為，使用無(wú)人機(jī)可以暫時(shí)緩解農(nóng)村缺少勞動(dòng)力的壓力。但無(wú)人機(jī)的用途絕不僅限于此，近十年以來(lái)，隨著多軸無(wú)人機(jī)的高速發(fā)展，以及無(wú)人機(jī)創(chuàng)新企業(yè)的崛起，從小型無(wú)人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域上來(lái)看，功能向航拍、搜救甚至物流等領(lǐng)域發(fā)展，市場(chǎng)空間大大拓展。特別是應(yīng)用在航拍領(lǐng)域，航拍功能對(duì)無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定性、續(xù)航能力和載重能力提出了更高的要求。我國(guó)知名無(wú)人機(jī)企業(yè)大疆創(chuàng)新研發(fā)的專(zhuān)業(yè)航拍無(wú)人機(jī)已經(jīng)具有了避障精準(zhǔn)懸停、返航智能躲避障礙物、降落地形檢測(cè)、上升保護(hù)、智能返航等新功能，成為影視拍攝的主力軍。近年來(lái)無(wú)人機(jī)功能和用途不斷增加，技術(shù)要求不斷提高，市場(chǎng)潛力也隨之增加，未來(lái)無(wú)人機(jī)將在農(nóng)業(yè)植保、電力石油管線(xiàn)巡檢、環(huán)境監(jiān)測(cè)、應(yīng)急指揮、災(zāi)害防治、資源勘探和采集、交通巡邏、邊境巡視、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、航空測(cè)繪、市政管理等方面發(fā)揮重大的作用。

3 無(wú)人機(jī)造型的發(fā)展

在無(wú)人機(jī)發(fā)展的初期，設(shè)計(jì)師并沒(méi)有為無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的造型，多數(shù)初期研發(fā)的無(wú)人機(jī)都是直接在炸彈的基礎(chǔ)上安裝了部分飛行裝置，在發(fā)展的過(guò)程中逐步融入了普通飛機(jī)的造型特點(diǎn)。后來(lái)得益于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)在飛行器設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了從概念到實(shí)體模型的一系列功能。它是一種現(xiàn)代的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，對(duì)于外觀造型與機(jī)動(dòng)能力、隱身性能聯(lián)系緊密的飛行器，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)能夠更方便的進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。在航空工業(yè)中。計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行總體設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化有著眾多的好處，特別是能對(duì)眾多可行方案進(jìn)行快速比較，尋找最佳方案。從而發(fā)掘方案潛力，設(shè)計(jì)質(zhì)量得到提高，設(shè)計(jì)周期大幅縮短，設(shè)計(jì)成本有效降低。隨著空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，出現(xiàn)了越來(lái)越多的特殊布局，就比如說(shuō)我們熟悉的飛翼布局。它的造型就受益于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，飛翼機(jī)型去除了傳統(tǒng)的圓管狀機(jī)身，其外形按照空氣動(dòng)力學(xué)的研究成果進(jìn)行優(yōu)化，整個(gè)機(jī)體都變成了一個(gè)大的升力面，并且將去垂直尾翼等外形突起部件去除，使得飛行過(guò)程中的阻力減小，大大提高了升阻比。在固定翼無(wú)人機(jī)的造型悄然改變的同時(shí)，也有不少外觀新穎的無(wú)人機(jī)隨著時(shí)間的推移進(jìn)入我們的視野。比如說(shuō)多軸飛行器的出現(xiàn)和仿生形態(tài)設(shè)計(jì)在無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用。特別是仿生無(wú)人機(jī)的產(chǎn)生，仿生無(wú)人機(jī)是設(shè)計(jì)人員從鳥(niǎo)類(lèi)、蝴蝶、蜜蜂等動(dòng)物昆蟲(chóng)形態(tài)中汲取靈感研發(fā)出來(lái)的飛行器，以撲翼飛行器為例，普通的旋翼無(wú)人機(jī)很難在城市里穩(wěn)定飛行，因?yàn)槌鞘欣锍錆M(mǎn)了大樓，大樓間的空氣流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生很大的亂流。但研發(fā)人員發(fā)現(xiàn)鴿子能夠任意在城市中飛行，還能飛到無(wú)人機(jī)飛不到的地方。所以他們仿照鴿子的形態(tài)研制了一款無(wú)人機(jī)，它能夠自動(dòng)起飛，翱翔和降落。它有著極佳的空氣動(dòng)力學(xué)形態(tài)，翅膀能模仿鳥(niǎo)類(lèi)進(jìn)行上下?lián)浯?，還能扭轉(zhuǎn)一定的角度。

4 無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)的發(fā)展

早期的無(wú)人機(jī)受限于制造技術(shù)和設(shè)計(jì)水平，機(jī)體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，大多是由機(jī)體機(jī)翼構(gòu)成的固定翼飛行器。很長(zhǎng)一段時(shí)間后，隨著微機(jī)電系統(tǒng)研究的成熟和單片機(jī)速度的提升，多旋翼飛行器被制作出來(lái)。多軸飛行器是類(lèi)似于直升飛機(jī)的一種新型飛行器。最初是由航空模型愛(ài)好者制作，后來(lái)很多廠商發(fā)現(xiàn)它用途廣泛而積極研制生產(chǎn)。它利用多個(gè)旋翼作為動(dòng)力來(lái)進(jìn)行飛行，這些旋翼葉片大轉(zhuǎn)速低，能夠?yàn)轱w行器提供較大的升力，可以裝配微型攝像機(jī)實(shí)時(shí)傳輸畫(huà)面進(jìn)行FPV（第一視角）飛行。多軸飛行器中最具代表的是四軸飛行器，其構(gòu)造特點(diǎn)是在它機(jī)身的四個(gè)方向上各裝有一個(gè)旋翼，由電機(jī)和電調(diào)控制葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，可以正轉(zhuǎn)，也可以反轉(zhuǎn)。為了保持飛行器的穩(wěn)定飛行，在四軸飛行器上裝有飛行控制器，里面裝有多個(gè)方向的陀螺儀和加速度傳感器組成的慣性導(dǎo)航模塊，并通過(guò)電子調(diào)控器來(lái)保證其快速飛行。在四軸飛行器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員又研發(fā)出了六軸和八軸飛行器，這些飛行器原理相同，但結(jié)構(gòu)的改進(jìn)增強(qiáng)了飛行器的安全性和載重能力，使得飛行器在旋翼破損的情況下仍有安全降落的可能。除了固定翼和多旋翼兩種常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)外，上文中提到的仿生無(wú)人機(jī)也是一種重要的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，這類(lèi)無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)新穎，為今后無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)打開(kāi)了新的窗戶(hù)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從產(chǎn)品的功能和用途、形態(tài)、結(jié)構(gòu)這三個(gè)工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新的主要方面對(duì)無(wú)人機(jī)的發(fā)展進(jìn)行了分析，我們通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)發(fā)展史的學(xué)習(xí)，了解未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。無(wú)人機(jī)發(fā)展過(guò)程中功能和用途的創(chuàng)新依然是決定因素，而當(dāng)前形勢(shì)下外觀形態(tài)的創(chuàng)新也變得更加多樣化，不再是形式追隨功能。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)更加合理化，集中體現(xiàn)或附加在產(chǎn)品的功能，這些功能可以是產(chǎn)品原本所具有的功能，也可以是通過(guò)結(jié)構(gòu)技術(shù)設(shè)計(jì)帶來(lái)的新功能。這一系列無(wú)人機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)中的創(chuàng)新正在引起一場(chǎng)新的浪潮。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉哲.小型無(wú)人機(jī)在警用領(lǐng)域的應(yīng)用與造型設(shè)計(jì)研究[D].東華大學(xué)，2012.