無人機自動機庫造型設計研究綜述

徐天宇　徐江華

摘要：無人機行業(yè)發(fā)展迅猛，相關研究已經(jīng)相當全面，但有關無人機自動機庫的學術研究相對較少，有很大的空白。文章在知網(wǎng)范圍內(nèi)對無人機發(fā)展趨勢及自動機庫相關文獻進行整理，總結(jié)無人機續(xù)航等問題，引出自動機庫發(fā)展的必然性，整理了自動機庫的設計概況和國內(nèi)外設計發(fā)展情況，分析無人機自動機庫設計發(fā)展的時間邏輯，發(fā)現(xiàn)無人機自動機庫從半自動往全自動、智能化的方向發(fā)展，同時不同行業(yè)對自動機庫的設計要求有一定差別；從系統(tǒng)方法論的角度對自動機庫的造型設計因素及工作流程進行分析，結(jié)合實地調(diào)研的最新的大疆機場及其搭載的司空2平臺，從物理、事理、人理三個層面系統(tǒng)分析無人機自動機庫的設計邏輯，分析不同系統(tǒng)提高工作效率的最佳方式，同時提出在設計過程中應當充分應用模塊化等設計原則，增強自動機庫的通用性。文章試圖從工業(yè)設計角度思考如何優(yōu)化自動機庫的造型設計，使自動機庫更符合未來發(fā)展趨勢，為自動機庫造型設計提供新思路。

關鍵詞：無人機；自動機庫；工業(yè)設計；WSR方法論；造型設計

中圖分類號：V279 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2023）18-0-03

0 引言

近年來無人機產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，在軍用和民用領域均表現(xiàn)出重要的應用價值［1］。無人機可以彌補衛(wèi)星和載人航空遙感技術的不足，從而催生出更加多元化的場景。當前無人機輔助設備如值守無人機平臺等相關研究方興未艾。

1 自動機庫概述

無人機在聯(lián)合作戰(zhàn)體系中的重要程度日益提高，需要開展跨平臺、艦地協(xié)同的聯(lián)合作戰(zhàn)訓練，增強作戰(zhàn)能力［2］，無人機機場、無人機機巢等都是無人機機庫的別稱，具有存放、充電、保護等功能，自動機庫可以使無人機直接抵達現(xiàn)場作業(yè)，解決人力攜帶不便和通勤效率低的問題。無人機直抵作業(yè)現(xiàn)場可以大大增強無人機的機動性，提升應急作戰(zhàn)的工作效率。在自動機庫內(nèi)休整對無人機而言是十分重要的一環(huán)，也是自動機庫設計必須滿足的條件。目前無人機機庫主要由機庫、底座兩部分組成，其中機庫是無人機降落時使用的地方或開展機載設備維修工作及放置備件的場地。一般情況下，無人機機庫分為地面和空中兩種。地面無人機機庫一般由機場建設而成，必須符合機場建設規(guī)范要求及飛機性能標準。無人機具有很強的機動性及大范圍的覆蓋能力，因此無人機機庫要貼合無人機的特點，具備相應的條件。一是要有完備的動力系統(tǒng)和保障條件；二是一般需要設置在機場區(qū)域內(nèi)；三是要有足夠的空間安裝無人機起降配套的起降機、著陸支架、燃油與污水處理裝置等重要設施，并能滿足多架無人機起降的環(huán)境需求；四是具有一定的技術含量。

2 無人機自動機庫設計發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外的研究比國內(nèi)早起步，具體案例如下。

Airmada是美國的一家研發(fā)無人值守停機平臺等相關產(chǎn)品的公司，其研發(fā)的無人值守停機平臺可以很好地保護無人機。根據(jù)無人機的狀態(tài)開展工作，無人機休眠時，平臺自動鎖住無人機；無人機工作時，機巢自動開啟頂部機蓋，為無人機提供飛行平臺［3］。它可以提供基本的充電和安全防護，但并不是全自動的智能平臺，缺乏引導降落等功能。

AIROBOTICS公司是以色列一家研發(fā)無人機機巢的公司，其無人機機庫在材質(zhì)上使用了金屬，具有很高的強度，可以保護好無人機，這也取決于無人機機巢的工作環(huán)境——專門服務于石油、天然氣等管道巡檢。該機巢固定分布在巡檢線路上，可以使無人機實現(xiàn)蛙跳式的“庫庫”巡檢模式。無人機機庫可以為無人機提供更換電池的服務，并且無人機可以通過自身搭載的系統(tǒng)平穩(wěn)降落在機庫平臺。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

雖然我國無人機機庫的研究起步較晚，但是成果令人矚目?？v橫股份于2010年成立，是我國領先的工業(yè)無人機企業(yè)，其所研發(fā)的縱橫昆侖無人值守系統(tǒng)為巡檢應用體系而生，提升了自動機庫的無人化、網(wǎng)格化、智能化水平。其艙門采用平拉式的開合方式。接收任務開始指令后，艙門可以自動打開，此時升降平臺開始工作，將無人機托出艙面；接收任務完成指令后，無人機通過自身搭載的視覺系統(tǒng)完成著陸，最后通過平臺的歸位系統(tǒng)將無人機微調(diào)至充電位置。

除了室外巡檢，室內(nèi)同樣面臨巡檢困難的問題，因此星邏智能科技公司自主研發(fā)了針對室內(nèi)巡檢無人機的小型無人機機庫——“嵐”。管理人員可以隨時看到服務器實時上傳的巡檢數(shù)據(jù)。小型無人機機庫解決了以往的室內(nèi)倉儲困難問題，使工作效率大大提高。由于作業(yè)環(huán)境不大，因此機庫本身帶有很直觀的觸摸屏，通過屏幕對無人機下達指令同時觀察工作狀態(tài)。同時由于體積問題，機庫目前尚未配備換電池功能。

復亞智能是業(yè)內(nèi)領先的無人機全自動飛行系統(tǒng)研發(fā)和服務商，MindCube智方S10系列小型無人機自動機場賦能小型無人機行業(yè)應用，對比其他機庫，它的體積更小，質(zhì)量更輕，十分靈活，降低了作業(yè)部署的難度，作業(yè)環(huán)境更加多元，同時減少了作業(yè)風險，提高了整體的安全性能［4］。

3 自動機庫設計影響因素及方法論的適用性

3.1 自動機庫設計影響因素

機庫工作效率的主要影響因素包括機庫自身因素、人為操作因素和外部環(huán)境因素。自動機庫作為無人機的無人值守平臺，是無人機工作系統(tǒng)中的一個因子，其自身也作為一個子系統(tǒng)而運作。因此，除了要考慮功能因素、人機因素、外部環(huán)境因素以及機庫標準化設計以外，還要充分考慮系統(tǒng)因素。

一是功能因素。功能因素指自動機庫應具備的功能，如開合機庫、為無人機充電、實時監(jiān)測氣候等。機庫開合速度過慢會直接影響無人機的應急起飛效率，充電異?；驓夂虮O(jiān)測失誤會導致無人機執(zhí)飛的工作效率大大降低，造成損失。

二是人機因素，即人與設備交互而產(chǎn)生的影響。設備檢修時檢修蓋的打開方式、內(nèi)部模塊化設計布局與人體尺寸的關系都會影響人機交互的效率。

三是外部環(huán)境因素。無人機機庫需要用電，而目前無人機所應用的很多領域有不同的極端環(huán)境，如西北部高原地區(qū)的極寒天氣、極度潮濕的地表、暴曬以及風沙等，都會對機庫的工作效率產(chǎn)生不同的影響，因此應該增強自動機庫的適應性，以提高工作效率。

3.2 WSR方法論用于自動機庫設計的適用性

WRS系統(tǒng)方法論全稱為物理—事理—人理系統(tǒng)方法論。WSR系統(tǒng)方法論通常作為管理學方法，將極為復雜且規(guī)模宏大的系統(tǒng)開發(fā)作為主要目標，很少應用到工業(yè)設計領域，但是其與工業(yè)設計的某些方法在精神內(nèi)涵上異曲同工。其不僅是一種方法，還是一種解決問題的工具。WSR面對復雜系統(tǒng)時會展現(xiàn)出中國傳統(tǒng)的哲學思想，以清晰的邏輯厘清問題，融合多種方法，別具一格；具體情況具體分析，化繁為簡，使問題主次分明，集成了定性分析與定量分析的優(yōu)勢，是一種傳統(tǒng)的系統(tǒng)思想，意義深遠。

機庫作為一個獨立封閉的系統(tǒng)，內(nèi)部結(jié)構需要考慮功能、工作過程和人的因素，既要確保無人機工作的效率，又要維持自身系統(tǒng)的穩(wěn)定性。WSR系統(tǒng)方法論是針對事物之間復雜關系所提出來的科學研究方法。將自動機庫造型設計這一復雜系統(tǒng)對應到物理、事理、人理三個層面進行分析，可以避免遺漏關鍵要素，梳理清楚整個系統(tǒng)中各要素之間的關聯(lián)性和交叉性［5］。

4 基于WSR方法論的自動機庫系統(tǒng)設計

4.1 物理——自動機庫結(jié)構設計分析

通過現(xiàn)場調(diào)研，對機庫結(jié)構進行梳理。機庫包含開合系統(tǒng)、無人機平臺系統(tǒng)、快速充電系統(tǒng)、內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)、無人機控制系統(tǒng)等。提高各個系統(tǒng)之間的工作配合效率，縮短自動機庫開合時間，能提高無人機匹配自動機庫的工作效率和擴大所能應用的領域，是自動機庫結(jié)構設計的關鍵。根據(jù)自動機庫在工作系統(tǒng)中的工作任務，可以將自動機庫分為三個部分：機械開合區(qū)、內(nèi)部功能系統(tǒng)區(qū)以及外部結(jié)構功能區(qū)。

機械開合區(qū)是自動機庫物理層面最基本的要素，也是連接內(nèi)外部區(qū)域，使自動機庫自身系統(tǒng)動態(tài)循環(huán)起來的關鍵。自動機庫門（見圖1）完全打開，無人機才能執(zhí)行起飛操作；無人機飛回時要經(jīng)歷一段時間的懸停，等到自動機庫門完全打開才能降落，自動機庫門完全關閉時，內(nèi)外部系統(tǒng)才能維持穩(wěn)定功能。人工檢修的機械窗口作為另一個機械開合結(jié)構（見圖2），是自動機庫與人直接進行交互的載體，對人體工程學的考量是重中之重。因此，對機械開合區(qū)而言，開合速度和人機尺寸最為關鍵。

內(nèi)部系統(tǒng)功能區(qū)是物理層面的關鍵要素，是自動機庫的核心部分。從整體來看，自動機庫內(nèi)部就是所有功能的總和，排布在內(nèi)部空間中；從單個要素來看，不同功能所占用的空間布局應該清晰明確。因此，如何對這一部分進行清晰明確的功能分區(qū)設計應當是考慮的重點，其次是各個功能之間的協(xié)調(diào)以及后續(xù)功能部件的升級替換。

外部結(jié)構功能區(qū)（見圖3）是物理層中另一個重要因素。在一個系統(tǒng)中，沒有不重要的子系統(tǒng)，只有每一個子系統(tǒng)都保持最穩(wěn)定的狀態(tài)，整個系統(tǒng)才會具有穩(wěn)定性。外部結(jié)構與機庫設計標準、外部環(huán)境等息息相關。外部結(jié)構首先要滿足行業(yè)的設計標準甚至更高標準，如IP54工業(yè)級室外防雨防塵標準、恒溫恒濕、防雷電等。無人機應用領域正在不斷擴大，為了提升無人機的工作效率，機庫需要適應的環(huán)境更加多變，因此對自動機庫外部結(jié)構功能的潛在要求也在提高。

4.2 事理——自動機庫工作流程分析

在完整的工作流程中，接收工作指令后，自動機庫會作為第一個開展工作的系統(tǒng)，完成機庫打開指令，推動下一步工作的開展，之后是工作的最后一環(huán)——接受無人機降落，關閉庫門（工作流程不包括人工檢修環(huán)節(jié)）。因此縮短自動機庫的動態(tài)指令工作時間對提高無人機整體的工作效率十分重要。

4.3 人理——人機交互分析

在自動機庫的機械結(jié)構設計中，應當充分考慮與人交互的界面，使尺寸、結(jié)構、使用方式符合人機工程學原理，降低人的操作程度，科學合理地減少人的身體所承受的動作損傷。

5 結(jié)語

從系統(tǒng)方法論的角度來看自動機庫的造型設計，其應當具備模塊化、可替換的固定方式，以適應不同的環(huán)境；同時在與人交互的界面中造型優(yōu)先以人為本。在未來，自動機庫將與無人機一同面臨更加復雜多變的環(huán)境，包括特種作戰(zhàn)，因此特殊材質(zhì)將被運用于機庫本身，自動機庫的造型應當更加簡潔和堅固，內(nèi)部系統(tǒng)應當更加穩(wěn)定。本文對自動機庫的設計發(fā)展現(xiàn)狀和分類進行總結(jié)，并從系統(tǒng)論的角度對自動機庫的工作效率進行因素分析，將因素歸類于物理、事理、人理三個層面，分析工作流程，希望能為自動機庫造型設計提供一定的參考。

參考文獻：

［1］ 李波，黃晶益，萬開方，等.基于深度強化學習的無人機系統(tǒng)應用研究綜述［J］.戰(zhàn)術導彈技術，2023（1）：58-68.

［2］ 江波，屈若錕，李彥冬，等.基于深度學習的無人機航拍目標檢測研究綜述［J］.航空學報，2021（4）：137-151.

［3］ 王冠政，汪海洋，程志偉，等. vSLAM在無人機平臺上的發(fā)展研究綜述［J］.計算機工程與應用，2019（14）：8-14.

［4］ 馮琦，周德云.軍用無人機發(fā)展趨勢［J］.電光與控制，2003（1）：9-13.

［5］ 尹項迎，常瑜，劉寶順.基于SGS模型與AHP的偵測無人機造型設計研究［J］.包裝工程，2022（14）：45-50.

作者簡介：徐天宇（1998—），女，河北唐山人，碩士在讀，研究方向：工業(yè)設計。

徐江華（1977—），男，湖北荊州人，博士，教授，研究方向：航空裝備設計與飛機客艙舒適性設計。