海洋搜救無(wú)人機(jī)造型設(shè)計(jì)分析

趙曉明 桑延青

摘要：無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展了一百多年已經(jīng)相對(duì)穩(wěn)定成熟，對(duì)于其應(yīng)用的探索也擴(kuò)展到了各行各業(yè)，例如在海洋搜救領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)技術(shù)就有著得天獨(dú)道的優(yōu)勢(shì)。但好的產(chǎn)品不僅僅要有先進(jìn)的技術(shù)，而且更需要功能與形式相結(jié)合，并從產(chǎn)品的外觀造型設(shè)計(jì)上吸引用戶，內(nèi)在美與外在美相結(jié)合。本文就針對(duì)海洋搜救無(wú)人機(jī)的造型設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，從海洋環(huán)境、無(wú)人機(jī)類(lèi)型、復(fù)合材料的應(yīng)用三點(diǎn)總結(jié)對(duì)造型設(shè)計(jì)的影響。

關(guān)鍵詞：造型分析;海洋環(huán)境;影響因素

中圖分類(lèi)號(hào)：TB472

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2019）04-0144-02

Abstract：The development of drone technology has been relatively stable and mature for more than100 years.The exploration of its application has also extended to all walks of life.Among them， the field of marine search and rescue， drone technology has a unique advantage.But a good product is not only an advanced technology， but a combination of functional forms.From the appearance of the product design， it begins to attract users， and the inner beauty and the outer beauty are combined.This paper analyzes the design of the marine search and rescue drone， and summarizes the impact on the design from three aspects：marine environment， drone type and composite application.

Key Words：Modeling analysis;Marine environment;In?uencing factors

隨著我國(guó)水路運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展和海洋開(kāi)發(fā)利用力度加大，海上遇險(xiǎn)事件不斷增加，遇險(xiǎn)船舶和人員數(shù)量逐年增長(zhǎng)，海洋搜救一直是困擾人們的難題。針對(duì)目前日益繁重的水上交通安全應(yīng)急處置任務(wù)，在依靠傳統(tǒng)水面船艇及搜救直升機(jī)的基礎(chǔ)上，利用無(wú)人機(jī)開(kāi)展遠(yuǎn)程水上交通安全應(yīng)急處置，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。單純的機(jī)械式救援無(wú)人機(jī)造型已經(jīng)無(wú)法滿足人們對(duì)審美的追求，現(xiàn)如今的工業(yè)產(chǎn)品講究實(shí)用性與美觀度的統(tǒng)一，重視產(chǎn)品與人的結(jié)合，將先進(jìn)的技術(shù)與廣泛的社會(huì)需求作為設(shè)計(jì)風(fēng)格的基礎(chǔ)，把技術(shù)、藝術(shù)和經(jīng)濟(jì)結(jié)合起來(lái)，更好地滿足社會(huì)生活的需要。本文通過(guò)對(duì)影響海洋救援無(wú)人機(jī)造型的海洋環(huán)境因素、無(wú)人機(jī)類(lèi)型和復(fù)合材料技術(shù)三點(diǎn)進(jìn)行分析研究，總結(jié)歸納其對(duì)無(wú)人機(jī)造型設(shè)計(jì)的影響。

1海洋環(huán)境對(duì)造型設(shè)計(jì)的影響

海洋搜救環(huán)境中，風(fēng)對(duì)于無(wú)人機(jī)的起飛是一項(xiàng)影響最為重要的因素，一般造型的無(wú)人機(jī)對(duì)于風(fēng)力的抵抗在5—6級(jí)，在旋翼外增加保護(hù)造型的無(wú)人機(jī)能抵抗最大7級(jí)的風(fēng)力。如果風(fēng)力再?gòu)?qiáng)無(wú)人機(jī)就無(wú)法起飛完成搜救任務(wù)了，畢竟無(wú)人機(jī)整機(jī)質(zhì)量還是輕，在許多海洋災(zāi)害中風(fēng)力都達(dá)到8級(jí)以上，這樣的風(fēng)力相當(dāng)于風(fēng)速達(dá)到了60km/h，人在陸地行走都很困難，更何況整機(jī)質(zhì)量不到5kg的無(wú)人機(jī)了。此時(shí)，造型上的改變已經(jīng)無(wú)濟(jì)于事，只能寄希望于更先進(jìn)的無(wú)人機(jī)技術(shù)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，才能抵抗這種惡劣的自然環(huán)境。

另一種情況就是無(wú)人機(jī)在搜救過(guò)程中意外落水，所以也要求無(wú)人機(jī)機(jī)身有一定的防水性（IP67級(jí)以上）。在造型上，機(jī)身最好為一體成型從而減少因?yàn)椴考唇赢a(chǎn)生的縫隙，或是在內(nèi)部增加防水橡膠墊保護(hù)電子元件。

色彩方面一般選用明亮的警示色，如橙色、紅色、黃色，方便受災(zāi)人員發(fā)現(xiàn)也便于救援人員在海上回收。

如圖1，斯威普水手無(wú)人機(jī)――一款被設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行水上作業(yè)的無(wú)人機(jī)，它可以在水面上懸停、雨中飛行、水中航行甚至是在水下進(jìn)行拍攝。整個(gè)機(jī)身選擇了救援工作中常見(jiàn)的橙色，并搭配銀灰色3M反光條點(diǎn)綴，即便是在下雨天或光線不好的天氣情況下也可以輕松的尋找到無(wú)人機(jī)位置，降低了后期操作人員的回收難度。與此同時(shí)，這款無(wú)人機(jī)的整機(jī)重量?jī)H為2300g，兩對(duì)12英寸自鎖式碳纖維撥片和復(fù)合材料的機(jī)身大大的減少了重量。再配合590KV無(wú)刷電機(jī)的強(qiáng)大動(dòng)力，使得無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中可以更加靈巧和智能，在空中可以完成各種高難度動(dòng)作。

出于安全性的考慮，啟動(dòng)無(wú)人機(jī)需要揭開(kāi)頂部防水透氣頂蓋并接通內(nèi)部電源，固定頂蓋的是四顆不銹鋼螺釘;頂蓋內(nèi)部裝有的納米墊層，可以起到隔水密封的作用，筆者注意到機(jī)體底部的雙軸防水云臺(tái)也有類(lèi)似的設(shè)計(jì)，卓異的防水設(shè)計(jì)使得斯威普水手旗艦版成為一款支持IP67標(biāo)準(zhǔn)（外殼防護(hù)等級(jí)，最高為IP68）的無(wú)人機(jī)，不但能夠完全阻止外物及灰塵侵入，還能夠防止水浸入機(jī)體內(nèi)部;同時(shí)無(wú)人機(jī)內(nèi)部的零部件也采用防水抗腐蝕材質(zhì)包裹。斯威普水手旗艦版也因此擁有了雨中飛行、水中航行甚至是水下拍攝的能力。

綜上所述，海洋環(huán)境對(duì)于無(wú)人機(jī)造型上也有一定影響因素，海上風(fēng)力會(huì)影響無(wú)人機(jī)的起飛，需要在造型上盡量設(shè)計(jì)成流線型，且需要在無(wú)人機(jī)旋翼外面設(shè)計(jì)保護(hù)造型以減小風(fēng)對(duì)旋翼旋轉(zhuǎn)時(shí)的影響;且機(jī)身造型要有一定的整體性，能夠?qū)?nèi)部電子元件包裹，部件間連接和機(jī)身拼接縫隙需要有納米墊層來(lái)進(jìn)行防水密封;色彩方面選用明亮的色彩做點(diǎn)綴，也可以增加3M反光條，方便后期無(wú)人機(jī)的回收。

2無(wú)人機(jī)類(lèi)型對(duì)造型設(shè)計(jì)的影響

2.1固定翼無(wú)人機(jī)

如圖2，固定翼無(wú)人機(jī)一般對(duì)起飛場(chǎng)地有要求，需要一定的開(kāi)闊空間，大型的固定翼無(wú)人機(jī)需要跑道進(jìn)行加速才能起飛。固定翼無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)也很明顯，航行距離遠(yuǎn)，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，飛行速度快，但不可以空中懸停，只能在高空盤(pán)旋，一般會(huì)應(yīng)用于地理測(cè)繪，環(huán)境監(jiān)測(cè)。對(duì)操作人員的要求也很高，需要經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)的培訓(xùn)才能上手。此外，固定翼無(wú)人機(jī)在空中是類(lèi)似于飛機(jī)通過(guò)副翼與尾翼來(lái)調(diào)整姿態(tài)的。所以在造型設(shè)計(jì)的時(shí)候就有了限制，整個(gè)機(jī)身要在復(fù)合空氣動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上做設(shè)計(jì)，一般采用形態(tài)仿生學(xué)的設(shè)計(jì)方法，模擬鳥(niǎo)類(lèi)飛行的姿態(tài);或是在造型上參考大型飛機(jī)，整體流線的造型，線條多為弧度較小的曲線來(lái)保證曲率的流暢。色彩上一般主色調(diào)選用黑色、白色等純凈之色，然后再搭配紅色、黃色、橙色等明度較高的顏色作對(duì)比，賦予產(chǎn)品品牌的調(diào)性，加深品牌印象。

2.2旋翼無(wú)人機(jī)

如圖3，旋翼無(wú)人機(jī)相較于固定翼無(wú)人機(jī)就少了許多限制條件，但它最大的限制條件就是續(xù)航，由于使用多旋翼的技術(shù)，就要求電池給多個(gè)電動(dòng)馬達(dá)供電來(lái)克服垂直起降時(shí)的地心引力。在電池技術(shù)還相對(duì)不那么完善的情況下，許多專(zhuān)業(yè)級(jí)多旋翼無(wú)人機(jī)也只有三十分鐘左右的航行時(shí)間。但多旋翼無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)也是很明顯的，它操作簡(jiǎn)單即使從沒(méi)有使用過(guò)的用戶，在簡(jiǎn)單介紹后也能入門(mén)上手，且操作原理簡(jiǎn)單，通過(guò)調(diào)整旋翼不同的轉(zhuǎn)速來(lái)運(yùn)動(dòng)起降。

旋翼無(wú)人機(jī)造型上發(fā)揮的空間相對(duì)固定翼無(wú)人機(jī)更為豐富，可以通過(guò)選用不同的旋翼數(shù)量來(lái)設(shè)計(jì)不同的造型，一般以四軸旋翼、六軸旋翼為多，造型也采用X型來(lái)保持飛行的平衡。機(jī)身和懸臂皆可單獨(dú)設(shè)計(jì)，機(jī)身下方搭載的功能性模塊也可以做造型設(shè)計(jì)，圓潤(rùn)且具有未來(lái)感的造型與體塊切割直線條的科技感造型最為常見(jiàn)。色彩方面也多選用黑、白、灰三色，低調(diào)沉穩(wěn)又通過(guò)明度的變化來(lái)表達(dá)層次感。

3復(fù)合材料技術(shù)對(duì)造型設(shè)計(jì)的影響

隨著復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，使得諸如碳纖維、合成樹(shù)脂、復(fù)合陶瓷等材料的價(jià)格也越來(lái)越親民，在工業(yè)產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)中也越來(lái)越常見(jiàn)，復(fù)合材料對(duì)比傳統(tǒng)材料優(yōu)勢(shì)巨大，可以說(shuō)給產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)帶來(lái)更大的空間，讓設(shè)計(jì)師在材質(zhì)的搭配上有了新的選擇。筆者在對(duì)無(wú)人機(jī)調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)，市面上80%以上的無(wú)人機(jī)產(chǎn)品都采用了碳纖維樹(shù)脂基這種材料，下面就談一下這種先進(jìn)的復(fù)合材料對(duì)于無(wú)人機(jī)造型設(shè)計(jì)中有怎樣的影響。

先進(jìn)碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料擁有耐腐蝕、耐疲勞、高強(qiáng)度比、高剛度比、塑性能力強(qiáng)等材料特性?xún)?yōu)勢(shì)，所以被廣泛應(yīng)用于無(wú)人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)重量是無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)中一個(gè)很重要的指標(biāo)，因?yàn)樗鼤?huì)影響無(wú)人機(jī)的整體飛行性能、續(xù)航等?，F(xiàn)如今市面上四大最先進(jìn)的四種結(jié)構(gòu)材料：碳纖維復(fù)合材料、合金鋼、鈦合金與鋁合金。但有研究表明，相對(duì)于使用鋁合金作為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)材料，碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料可以使結(jié)構(gòu)減重約27%左右。復(fù)合材料的整體成型技術(shù)是利用熱壓罐進(jìn)行共固化或共膠接，直接實(shí)現(xiàn)多個(gè)部件間的結(jié)構(gòu)一次性成型，這樣的成形技術(shù)大幅度減少了零件、緊固件的數(shù)量，達(dá)到了減輕產(chǎn)品整體質(zhì)量的目的，并且使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性大幅度提高。

如圖4，先進(jìn)的碳纖維樹(shù)脂基材料在無(wú)人機(jī)造型中被廣泛應(yīng)用，并且可以滿足設(shè)計(jì)者的不同需求，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的線面拼接，并且它的成型技術(shù)讓無(wú)人機(jī)在造型上不需要太多的分件分面，就可以使造型更整體。另外，材料本身的紋理也讓無(wú)人機(jī)造型變得更加有質(zhì)感。

4結(jié)語(yǔ)利用無(wú)人機(jī)開(kāi)展海上搜救活動(dòng)在風(fēng)險(xiǎn)控制性、使用成本及快速靈活的機(jī)動(dòng)性等方面都有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)。在未來(lái)，搜救無(wú)人機(jī)的性能不斷發(fā)展成熟，造型設(shè)計(jì)上會(huì)有更高的追求。工業(yè)設(shè)計(jì)是一門(mén)交叉學(xué)科，本文只從造型設(shè)計(jì)的角度來(lái)分析無(wú)人機(jī)，希望通過(guò)本文中筆者對(duì)海洋搜救無(wú)人機(jī)造型設(shè)計(jì)影響的三大因素歸納，會(huì)對(duì)以后無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)起到一定的指導(dǎo)作用，讓更多的設(shè)計(jì)師和工程師投入到無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)中來(lái)。

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