搭載無(wú)人機(jī)的頭戴式夜視儀研究與設(shè)計(jì)

林大茂 王偉偉

摘要：設(shè)計(jì)一款頭戴式搭載無(wú)人機(jī)的夜視儀，解決現(xiàn)有技術(shù)限制造成視場(chǎng)角不足的痛點(diǎn)，創(chuàng)新產(chǎn)品外觀結(jié)構(gòu)，切入短視頻直播交互方式，給用戶帶來(lái)更佳的操作體驗(yàn)。以五感設(shè)計(jì)，形成包括原理、材料、人機(jī)、配色的設(shè)計(jì)提案。搭載無(wú)人機(jī)，為夜視儀視場(chǎng)角帶來(lái)廣闊的視域。革新傳統(tǒng)佩戴方式，為產(chǎn)品減重，提升美觀度與一體性。運(yùn)用有限元方法，對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行應(yīng)力、載荷等參數(shù)分析診斷，修正設(shè)計(jì)缺陷，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。設(shè)計(jì)出一款造型獨(dú)特的可開(kāi)合頭戴式搭載無(wú)人機(jī)夜視儀，有限元分析結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠滿足預(yù)期功能。

關(guān)鍵詞：頭戴式 夜視儀 無(wú)人機(jī) 外觀結(jié)構(gòu) 有限元

中圖分類號(hào)：TS665.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2023）19-0108-04

Abstract：To design a headworn night vision device equipped with drones，solve the pain point of insufficient field of view caused by existing technological limitations，innovate the products appearance structure，cut into short video live streaming interaction，and provide users with a better operating experience. Design with five senses to form a design proposal that includes principles，materials，human-machine，and color matching. Equipped with drones，it provides a wide field of view for the night vision system. Innovate traditional wearing methods，reduce product weight，enhance aesthetics and integration. Use finite element method to analyze and diagnose parameters such as stress and load on the design model，correct design defects，and optimize design parameters. A unique design of a detachable and retractable head mounted unmanned aerial vehicle night vision system has been developed. The finite element analysis results show that the structural design is reasonable and can meet the expected functions.

Keywords：Headworn Night vision sight Unmanned aerial vehicles Appearance structure Finite element analysis

引言

夜視儀可用于夜間觀測(cè)和拍攝，目前主要用于實(shí)用領(lǐng)域，作為玩具的夜視儀可玩性不足，用戶參與度和體驗(yàn)感較弱，這與其視場(chǎng)角不足的技術(shù)現(xiàn)狀有關(guān)，設(shè)計(jì)上應(yīng)著力解決觀察范圍不足的痛點(diǎn)。結(jié)構(gòu)方面要綜合考慮產(chǎn)品易用程度、人機(jī)交互方式、功能創(chuàng)新性、美觀度、環(huán)保特性以及整個(gè)生命周期等。

可玩性夜視儀除了要有足夠視場(chǎng)角外，還需有清晰成像技術(shù)。“由于關(guān)鍵器件微光像增強(qiáng)器一直被發(fā)達(dá)國(guó)家作為核心機(jī)密封鎖，我國(guó)微光夜視產(chǎn)品自主研發(fā)起步較晚，進(jìn)展緩慢，但市場(chǎng)需求旺盛?！盵1]基于夜視儀的旺盛市場(chǎng)與技術(shù)現(xiàn)狀沖突，確立“你是我黑夜的眼”夜視儀設(shè)計(jì)要點(diǎn)以滿足需求：1.設(shè)計(jì)一款好玩、好用、好看的產(chǎn)品；2.在現(xiàn)有技術(shù)條件下重點(diǎn)解決夜視儀視場(chǎng)角不足的難題，轉(zhuǎn)換思維將夜視儀搭載無(wú)人機(jī)之上，實(shí)現(xiàn)360°無(wú)死角觀看拍照；3.使產(chǎn)品佩戴舒適，讓無(wú)人機(jī)折疊入倉(cāng)頭盔，解放雙手；4.產(chǎn)品造型美觀，滿足用戶審美需求；5.豐富產(chǎn)品功能，具有交互性和娛樂(lè)性。

一、設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則探討

（一）設(shè)計(jì)意義

（1）通過(guò)技術(shù)整合方式解決視場(chǎng)角（FOV）不足的業(yè)界難點(diǎn)，借用現(xiàn)有無(wú)人機(jī)技術(shù)和AMOLED曲面顯示技術(shù)，再輔以AI技術(shù)，調(diào)整畫面畸變效果，呈現(xiàn)大視野＼超廣度的沉浸觀看體驗(yàn)。（2）創(chuàng)新頭戴式夜視儀的結(jié)構(gòu)外觀，實(shí)現(xiàn)更舒適佩戴體驗(yàn)，同時(shí)達(dá)到減重目的，推進(jìn)人機(jī)互動(dòng)關(guān)系。（3）引入5G、無(wú)線圖傳、短視頻直播等技術(shù)平臺(tái)，創(chuàng)新式提出構(gòu)想“你是我黑夜的眼”，觀看者跟隨現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)者腳步實(shí)時(shí)觀看第一視角畫面，獲得沉浸式體驗(yàn)。

（2）夜視儀和無(wú)人機(jī)最早是軍用工具，后經(jīng)由軍品-民品化、工具-玩具化飛入尋常百姓家。無(wú)人機(jī)進(jìn)入人們的視野是從戰(zhàn)爭(zhēng)工具開(kāi)始，用于無(wú)人偵察。大疆無(wú)人機(jī)之所以橫掃世界無(wú)人機(jī)市場(chǎng)，是將用于軍事領(lǐng)域的工具無(wú)人機(jī)民用化為玩具。極客發(fā)燒友們作為玩樂(lè)急先鋒引領(lǐng)潮流，傳遞波及下游大眾，無(wú)人機(jī)從小眾向大眾轉(zhuǎn)移，量產(chǎn)增速帶來(lái)成本降低，成本降低撬動(dòng)受眾擴(kuò)大。另一方面，伴隨玩具的普及，工具屬性也再次被激發(fā)出來(lái)，并且沖破軍事領(lǐng)域走向廣泛的行業(yè)。夜視儀最早用于士兵夜間或光線不足偵查擊斃敵人，軍工民用化、工具玩具化[2]是夜視儀擴(kuò)大市場(chǎng)的必選之路，“你是我黑夜的眼”是玩具化夜視儀的典型設(shè)計(jì)案例。

（二）設(shè)計(jì)目標(biāo)

1.總體目標(biāo)。圍繞功能、外觀、人機(jī)三方面統(tǒng)籌規(guī)劃，整合設(shè)計(jì)一款全新的頭戴式飛行夜視儀，將夜視儀、無(wú)人機(jī)和顯示屏三大系統(tǒng)合為一體。

2.分目標(biāo)一：好用。一款產(chǎn)品最先關(guān)注的點(diǎn)是易通性，即功能的實(shí)用程度，易懂，可視，在一定范圍內(nèi)降低用戶的學(xué)習(xí)成本。本設(shè)計(jì)交互方式分為簡(jiǎn)易模式和專業(yè)模式兩種。簡(jiǎn)易暢玩模式利用用戶手機(jī)外置按鍵，包含音量鍵和關(guān)機(jī)鍵等實(shí)體按鍵，完成無(wú)人機(jī)的操控，以此減輕用戶繁雜的操作負(fù)擔(dān)，快速上手。專業(yè)模式配套相應(yīng)App實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操作，完成高難度拍攝需求。通過(guò)紅外微光融合技術(shù)、AI虛擬算法技術(shù)、強(qiáng)大的soc運(yùn)算能力等可完成圖像的準(zhǔn)確輸出，于夜間更清晰觀測(cè)和拍攝。另外，組裝拆卸難易程度也是重要的衡量尺度，無(wú)人機(jī)快拆結(jié)構(gòu)與頭頂快速回倉(cāng)保證夜視儀的快速收納，模塊化設(shè)計(jì)將整個(gè)技術(shù)系統(tǒng)劃分為若干個(gè)小組塊，極大縮減裝配時(shí)間。頭戴設(shè)備主體采用流線型一體化設(shè)計(jì)，供電單元、控制單元、圖像輸出單元采用模塊化分工，發(fā)揮1+1>2的運(yùn)行表現(xiàn)。無(wú)人機(jī)也是模塊化構(gòu)件，電機(jī)系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)、槳葉組件、控制系統(tǒng)共同構(gòu)成開(kāi)合靈活的輕量化無(wú)人機(jī)。結(jié)構(gòu)減重，去除不必要裝飾，通過(guò)獨(dú)有的合頁(yè)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)折疊，便于回收，攜帶便捷。通過(guò)人體頭部結(jié)構(gòu)和用戶心理層面研究，設(shè)計(jì)符合人機(jī)工學(xué)：宜人的按鈕，貼合頭顱的人機(jī)曲線，親膚的材料。產(chǎn)品本身的示能透過(guò)意符指示出來(lái)，例如設(shè)備中心的三角按鍵和箭頭指示兩個(gè)意符，指明無(wú)人機(jī)的彈出由其來(lái)快速省力完成。在原有技術(shù)基礎(chǔ)上探究用戶根本需求，提供更高質(zhì)量使用體驗(yàn)，凸顯產(chǎn)品易用性。

3.分目標(biāo)二：好玩。為提升可玩性與參與感，滿足夜間攝影娛樂(lè)的同時(shí)，白天也可遨游山川大河之間。將無(wú)人機(jī)插入頭頂設(shè)備的預(yù)置孔中，即可實(shí)現(xiàn)近景一覽無(wú)余，堪稱“無(wú)極變焦”。該產(chǎn)品工作原理是：折疊式無(wú)人機(jī)搭載360°可旋轉(zhuǎn)夜視鏡頭，拍攝并向環(huán)繞顯示屏傳輸肉眼可見(jiàn)的實(shí)時(shí)影像。無(wú)人機(jī)回收入預(yù)置孔時(shí)，盤踞頭頂微微下傾的鏡頭與眼部同時(shí)進(jìn)行夜間觀測(cè)；展開(kāi)飛行時(shí)可去往人力難達(dá)之處，全方位多角度觀測(cè)目標(biāo)景物。折疊無(wú)人機(jī)搭載的夜視鏡頭為高清鏡頭，顯示影像為全彩，可夜日兩用，產(chǎn)品目標(biāo)用戶為（不限于）野外探險(xiǎn)愛(ài)好者、技術(shù)發(fā)燒友等極客。夜視儀可解放用戶雙手，小巧便攜的折疊機(jī)身使頭頂重量輕量化，三大部件高度集成，盡顯結(jié)構(gòu)之美。半包圍頭盔，充分考慮透氣性和炫酷感。借助fpv技術(shù)，推出俯沖游戲模式，搭配環(huán)繞顯示屏，仿佛身臨其境暢游星空之中。

4.分目標(biāo)三：好看?！爱?dāng)代社會(huì)正在經(jīng)歷一場(chǎng)深刻的轉(zhuǎn)型，審美化日益成為當(dāng)代社會(huì)的重要組織原則并使其越來(lái)越像一件藝術(shù)品”[3]，按照美的規(guī)律來(lái)建造、具有未來(lái)科技感是外觀設(shè)計(jì)追求。整體采用鯨魚曲線流線型一體式設(shè)計(jì)，在滿足人機(jī)工學(xué)前提下，打造最優(yōu)美弧線。表面光潔的陽(yáng)極氧化處理凸顯產(chǎn)品的質(zhì)感，多重配色供用戶選擇。高延展性納米材料便于調(diào)節(jié)尺寸，使頭部更加舒適貼合。表面鍍光亮鉻，觸感細(xì)膩，視覺(jué)舒適順滑。綠松石蘭燈帶既有功能指向性，又渲染科技氛圍，戴上它時(shí)眼前一亮。

（三）設(shè)計(jì)觀念

設(shè)計(jì)觀念遵循：（1）工具玩具化設(shè)計(jì)，貼合用戶最新的可玩需求（2）以易用為目的五感設(shè)計(jì)，多通道刺激多感官體驗(yàn)（3）結(jié)構(gòu)取巧功能集成設(shè)計(jì)，無(wú)人機(jī)為夜視儀視場(chǎng)角插上全周旋轉(zhuǎn)翅膀，仿生仿物設(shè)計(jì)機(jī)翼蓮花開(kāi)合方式與中國(guó)鼎云臺(tái)造型，使用最易理解的邏輯控制多功能合理有序（4）有限元修正設(shè)計(jì)，多次模擬測(cè)試機(jī)器安全性與極端條件穩(wěn)定性，修改增強(qiáng)產(chǎn)品耐久度與魯棒性。這些觀念將約束“你是我黑夜的眼”頭戴式飛行夜視儀的各部件設(shè)計(jì)。

二、頭戴式飛行夜視儀功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）夜視儀設(shè)計(jì)

夜視儀技術(shù)原理：1.基于紅外與微光融合圖像系統(tǒng)。（現(xiàn)有文獻(xiàn)）2.紅外夜視儀和星空夜視儀的光學(xué)圖像融合系統(tǒng)。（現(xiàn)有專利）[4]

夜視儀主體包括頭戴設(shè)備和攝像設(shè)備兩大模塊。其中頭戴設(shè)備包含柔性外殼、發(fā)光燈帶、調(diào)節(jié)按鈕、OLED環(huán)繞顯示屏、絨布內(nèi)襯等，攝像設(shè)備容納鍍膜鏡片、光線放大器、感光元件、傳感器電路板、AI高速處理器（芯片）、鏡頭外殼、方形墊片等。絨布內(nèi)襯提升用戶佩戴的舒適度，減輕對(duì)新產(chǎn)品的焦慮感。對(duì)夜視儀影像系統(tǒng)的升級(jí)計(jì)劃除了強(qiáng)大的硬件支持外，更重要的是人工智能介入后的高效圖像算法，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)里龐大的夜間影像閱讀分析，機(jī)器進(jìn)行適宜的銳化與調(diào)色，輸出令人驚嘆的圖像樣張，如圖1。

（二）無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)

“世界海關(guān)組織協(xié)調(diào)制度委員會(huì)（HSC）在第 62 次會(huì)議將無(wú)人機(jī)歸類為‘會(huì)飛的照相機(jī)”[5]，借助無(wú)人機(jī)擴(kuò)大夜視儀視場(chǎng)角是便捷的思路，可達(dá)成遠(yuǎn)距離廣視角觀測(cè)拍攝。

1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)集中在結(jié)構(gòu)方面，如何在有限空間塞入眾多單元，第一步就是精簡(jiǎn)零件，重新布局。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)確定碳纖維加強(qiáng)筋中空結(jié)構(gòu)方案，為產(chǎn)品減重。在一定重量前提下，關(guān)鍵部位予以強(qiáng)化，即使遇到惡劣天氣也能安全回巢，并且兩側(cè)設(shè)有4個(gè)避障傳感器，與北斗導(dǎo)航強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，猶如無(wú)人機(jī)的定海神針。其次，要壓縮產(chǎn)品體積，需整合最新的微型夜視技術(shù)，用創(chuàng)新式結(jié)構(gòu)造型最大限度控制體量。亮點(diǎn)是中軸四向折疊單元，機(jī)翼開(kāi)合引入荷花仿生結(jié)構(gòu)。兒童模式會(huì)在緊急情況下安全鎖死，為孩子保駕護(hù)航。

2.彈出與展開(kāi)?；厥諅}(cāng)底裝有彈射彈簧，觸發(fā)彈出按鈕，無(wú)人機(jī)會(huì)在阻尼作用下緩緩彈出，送入用戶手中。通過(guò)折疊中樞打開(kāi)機(jī)翼，運(yùn)行電機(jī)和其他裝備。在快速完成自檢后，無(wú)人機(jī)即可安全起飛，開(kāi)展觀測(cè)拍攝任務(wù)。

3.折疊與收納。無(wú)人機(jī)折疊中樞是一個(gè)集成設(shè)計(jì)，把各個(gè)模塊囊括其中?；诙ㄎ粚?dǎo)航，無(wú)人機(jī)自動(dòng)捕捉回收艙位置，精準(zhǔn)落到使用者跟前。經(jīng)由折疊中樞完成機(jī)翼與電機(jī)的收納，插入夜視儀主體預(yù)留口，觸碰回艙按鈕，迅速自檢并鎖定，通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)連接畫面，進(jìn)行第一視角觀察拍攝，并且開(kāi)始65W快速無(wú)線充電，如圖2。

（三）環(huán)形屏幕展示與配套App設(shè)計(jì)

環(huán)形屏幕由OLED柔性屏打造而成，可自由彎折，延展性強(qiáng)，是營(yíng)造立體環(huán)繞視聽(tīng)效果的不二之選。隨著柔性屏幕成功量產(chǎn)，其低功耗、可彎曲特性對(duì)穿戴式設(shè)備的應(yīng)用帶來(lái)深遠(yuǎn)影響。其缺點(diǎn)是不能折疊，等待未來(lái)技術(shù)支持折疊，外形將會(huì)更加多變。[6]

相較傳統(tǒng)屏幕，柔性屏幕OLED更薄，“柔性電子具有柔軟、透明、質(zhì)輕、曲面的特性”，[7]可以裝在塑料或金屬箔片等柔性材料上。功耗低，有助于提升設(shè)備續(xù)航能力。同時(shí)基于其柔韌性佳的優(yōu)勢(shì)，耐用程度大大高于以往屏幕，可降低意外損傷概率，如圖3。

為了降低用戶的陌生感與學(xué)習(xí)成本，深入研究主流無(wú)人機(jī)App，保留其精準(zhǔn)操作模式等一眾功能單元，改造優(yōu)化原有邏輯，舍棄不合理模塊。多樣化的使用場(chǎng)景匹配豐富模式，精簡(jiǎn)模式方便用戶更快上手?？勺兩珳睾粑鼰魩г谄鸬近c(diǎn)綴裝飾作用的同時(shí)，更重要的是在夜間提示無(wú)人機(jī)所處位置，發(fā)生意外時(shí)可及時(shí)展開(kāi)搜救，控制變換都要在管理中心進(jìn)行，可調(diào)用云端服務(wù)器來(lái)完成用戶指令。五感增強(qiáng)反饋體驗(yàn)（高反饋敏感度、高精度），多視角快速切換，具備多項(xiàng)輔助與控制提醒，操作流暢，界面友好?；?G技術(shù)和短視頻直播技術(shù)提出創(chuàng)新式交互模式，多平臺(tái)互聯(lián)直播，全球畫面共享，快速構(gòu)建開(kāi)放玩家社群，打造平行世界，致力用戶深度服務(wù)，形成以新老用戶互助為主，設(shè)計(jì)師工程師反饋為輔的雙核服務(wù)架構(gòu)。

假設(shè)你的好友在非洲草原夜間觀測(cè)野生動(dòng)物，你只需躺于家中沙發(fā)，即可接收遠(yuǎn)自天邊的訊號(hào)，實(shí)時(shí)互動(dòng)交流，這就是“你是我黑夜的眼”交互模式。

（四）頭盔的人機(jī)工學(xué)

人機(jī)工程學(xué)關(guān)心的是不同作業(yè)中人、機(jī)器及環(huán)境三者關(guān)系的協(xié)調(diào)，促進(jìn)作業(yè)在效率、安全、健康、舒適等特性的提升。

第一點(diǎn)就是人體頭部尺寸的適配設(shè)計(jì)，查閱《中國(guó)成年人人體尺寸（GB/T 10000-1988）》，發(fā)現(xiàn)（185mm，155mm）是人的頭圍長(zhǎng)寬數(shù)值集中區(qū)域。參考這個(gè)數(shù)值制作一代油泥模型和二代石膏模型，把頭部和面部數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，通過(guò)電腦建模構(gòu)建虛擬形態(tài)，為后續(xù)產(chǎn)品建模提供基準(zhǔn)參考。夜視儀直接作用于人眼，查閱國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)大部分人的水平面視野范圍在+62°到-62°之間，垂直面的水平視野在+50°到+70°之間，基于這組數(shù)據(jù)劃定了夜視儀視場(chǎng)的參考閾值。調(diào)研基礎(chǔ)工作初步搭建起產(chǎn)品雛形也是最堅(jiān)實(shí)的骨架，宜人性是首要標(biāo)準(zhǔn)。大結(jié)構(gòu)確立之后著手細(xì)節(jié)和深化，不斷分析用戶行為數(shù)據(jù)，洞悉使用心理，找到本質(zhì)需求和真實(shí)操作難點(diǎn)。確定無(wú)意識(shí)設(shè)計(jì)路線，關(guān)注功能情感結(jié)合，設(shè)計(jì)者與用戶互相成長(zhǎng)，用戶提出問(wèn)題，通過(guò)共情給予反饋，建立良性循環(huán)的互動(dòng)關(guān)系。

（五）頭戴式可搭載無(wú)人機(jī)夜視儀的外觀設(shè)計(jì)

1.產(chǎn)品的CMF。CMF是Color-Material-Finishing的縮寫，也就是顏色、材料、表面處理工藝的概括。查詢潘通色卡，結(jié)合當(dāng)季巴黎時(shí)裝秀最潮色系敲定夜視儀有多款配色，除經(jīng)典黑白配色外，更有極具科幻未來(lái)的星空銀和薰衣草紫。這里特別提一下薰衣草紫，不僅因?yàn)樗侵鞔蛏?，而且?jù)心理醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)紫色對(duì)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)和心臟系統(tǒng)有促進(jìn)作用，具有優(yōu)美高雅、雍容華貴的氣度。這樣既符合產(chǎn)品定位及調(diào)性，更有助于塑造優(yōu)質(zhì)的品牌形象。

2.產(chǎn)品的材料。材料部分依據(jù)模塊功能要求選用不同質(zhì)料，注重材料的環(huán)保、可降解、可循環(huán)利用，展現(xiàn)綠色價(jià)值。關(guān)鍵部位環(huán)形屏幕由OLED柔性屏打造而成，其獨(dú)一無(wú)二的可彎折性為環(huán)形屏幕實(shí)現(xiàn)提供條件。為了更好踐行綠色設(shè)計(jì)理念，按鈕以及無(wú)人機(jī)機(jī)體都采用了聚乳酸塑料（PLA）環(huán)保材料。聚乳酸原料充足，可以再生，主要以玉米、木薯等為原料，生產(chǎn)過(guò)程無(wú)污染，可生物降解，是理想的綠色高分子材料，3D打印機(jī)能兼容其完成高難度的有機(jī)曲面，生產(chǎn)制造快捷高效。夜視儀主體選材，考慮到要體現(xiàn)可調(diào)節(jié)可彎曲的特性，選擇最前沿的有機(jī)高分子納米材料，絕佳的延展性和伸縮效果為自適應(yīng)頭圍調(diào)節(jié)提供基礎(chǔ)。無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不容忽視，主要受力點(diǎn)要做加強(qiáng)處理，除加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)升級(jí)，強(qiáng)度大、密度高、質(zhì)量輕的碳纖維材料是首選。表面處理工藝提升產(chǎn)品的質(zhì)感，為了給人以流暢自然的感受和極致的握持體驗(yàn)，特別選用表面陽(yáng)極氧化處理。無(wú)論色彩、材料還是表面處理工藝，都不是各自為政的狀態(tài)，而是相輔相成互為補(bǔ)充的系統(tǒng)整體。

三、靜力學(xué)有限元分析驗(yàn)證

（一）幾何導(dǎo)入

“有限元仿真技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)中，不僅可對(duì)產(chǎn)品在數(shù)字化設(shè)計(jì)階段的各種工況進(jìn)行定量分析，也可對(duì)產(chǎn)品在操作使用過(guò)程中的人機(jī)工程參數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析，從而提高工業(yè)設(shè)計(jì)的技術(shù)層次和工作效率，使設(shè)計(jì)參數(shù)更加真實(shí)可靠?！盵8]對(duì)夜視儀的核心零件云臺(tái)支架進(jìn)行靜力學(xué)分析，把有限元分析引入產(chǎn)品結(jié)構(gòu)驗(yàn)證階段，有利于發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不足，進(jìn)一步優(yōu)化后期產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提升產(chǎn)品效能。有限元分析以其模擬仿真的特性，可以勝任智能化產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的可行性分析任務(wù)。

云臺(tái)支架負(fù)責(zé)承托夜視鏡頭模組，穩(wěn)固圖像的傳輸，達(dá)到鏡頭防抖的預(yù)期效果。原外觀如圖4所示，由主體、旋鈕、插銷和造型凸臺(tái)組成。結(jié)構(gòu)干練，各部分互相貫穿，造型靈感來(lái)源于中國(guó)古代的傳統(tǒng)禮器鼎，具有美學(xué)品位和標(biāo)識(shí)特征。東方化IP造型彰顯云臺(tái)穩(wěn)定器外觀的大氣敦厚，表達(dá)東方人翱翔天際的美好愿景，此寓意可增強(qiáng)產(chǎn)品的形象力量，提升用戶黏性。

靜力學(xué)分析要進(jìn)一步精簡(jiǎn)模型，ANSYS有限元軟件將原有模型簡(jiǎn)化為圖5所示：

（二）模型的網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是把模型分成很多小單元，作為有限元分析的重中之重，網(wǎng)格劃分與計(jì)算目標(biāo)匹配程度、網(wǎng)格質(zhì)量好壞，決定后期有限元計(jì)算的質(zhì)量。簡(jiǎn)化后模型用自帶Meshing結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，基本網(wǎng)格尺寸設(shè)置為1mm，并對(duì)部分位置進(jìn)行網(wǎng)格加密，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為158212，單元數(shù)量為105065（網(wǎng)格加密受力部分），如圖6所示：

（三）分析設(shè)置

1.材料設(shè)置。云臺(tái)支架采用鋁合金材質(zhì)，強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、流動(dòng)性好、充型能力強(qiáng)、耐蝕性好、熔點(diǎn)低，具有優(yōu)良的延展性，便于組裝制備和運(yùn)輸。鋁合金材質(zhì)屬性列表如下：

2.分析載荷形式。由于云臺(tái)支架使用過(guò)程中力的變化較小，假設(shè)其載荷形式不隨時(shí)間發(fā)生改變，如圖7所示：

3.邊界條件的設(shè)置。首先對(duì)模型加入固定支撐，基于與其他零件的裝配關(guān)系，需在所有插銷上加入固定支撐，之后對(duì)模型施加不同的載荷進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。分別對(duì)云臺(tái)模型施加1MPa，2MPa，3MPa載荷，觀察此零件在不同壓力下的變形及應(yīng)力應(yīng)變情況。

（四）結(jié)果與討論

1.結(jié)果。施加1MPa，2MPa，3MPa載荷的情況如圖8所示：

2.討論。模型發(fā)生最大變形的位置是云臺(tái)支架的凹槽底部中間部分。施加1MPa后變形的最大數(shù)值是0.0029496，施加2MPa后變形的最大數(shù)值是0.0058992，施加3MPa后變形的最大數(shù)值是0.0088487。由于約束的設(shè)置變形為0，于是最大變形在中間，與實(shí)際變形相符。滿足材料的線性變形階段變形趨勢(shì)與載荷成正比。

模型發(fā)生最大應(yīng)力應(yīng)變的位置是云臺(tái)支架的插銷部分。施加1MPa后應(yīng)力應(yīng)變的最大數(shù)值是81.573，施加2MPa后應(yīng)力應(yīng)變的最大數(shù)值是163.15，施加3MPa后應(yīng)力應(yīng)變的最大數(shù)值是244.72。由于零件過(guò)渡階段沒(méi)有倒角，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。另外，彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力=彈性模量×應(yīng)變，所以應(yīng)變變化直接決定應(yīng)力變化。物體內(nèi)部材料不均勻，形狀不規(guī)整，直接導(dǎo)致受力后的變形不可能處處相同，如果材料或者形狀突然發(fā)生很大變化，那么該處的變形就會(huì)突然發(fā)生，表現(xiàn)為應(yīng)力集中。于是該模型的修改意見(jiàn)為在此連接處倒圓角，將外觀結(jié)構(gòu)進(jìn)一步規(guī)整，而后進(jìn)行二次有限元分析，以驗(yàn)證上述問(wèn)題是否得到有效解決。此次有限元仿真模擬分析真實(shí)有效，與實(shí)際情況相符。

結(jié)語(yǔ)

夜視儀設(shè)計(jì)需要多學(xué)科交叉協(xié)作完成，國(guó)內(nèi)關(guān)于夜視儀人機(jī)工程學(xué)、力學(xué)仿真、運(yùn)動(dòng)仿真、人體建模、試驗(yàn)等方面的研究剛剛開(kāi)始，尚未形成完整規(guī)范的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)發(fā)過(guò)程必須引入科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧W(xué)實(shí)驗(yàn)以及各種量化參數(shù)來(lái)評(píng)估設(shè)計(jì)方案，使產(chǎn)品更為安全、舒適、可靠和人性化。

文中雖然對(duì)頭戴式夜視儀的結(jié)構(gòu)及材料選擇進(jìn)行了仿真模擬和有限元分析，證實(shí)了結(jié)構(gòu)的合理性，但是“夜視儀附加的前傾力矩，容易使人疲勞，甚至在飛機(jī)大幅度機(jī)動(dòng)時(shí)，容易引起其頸部受傷”[9]，智能控制和安全舒適方面仍需不斷完善。這款可開(kāi)合頭戴式搭載無(wú)人機(jī)夜視儀的亮點(diǎn)是：給夜視儀插上無(wú)人機(jī)翅膀，巧妙解決靜態(tài)視場(chǎng)角不足的難題；頭戴式解放雙手，無(wú)人機(jī)折疊入倉(cāng)；環(huán)形柔性屏引入短視頻直播，實(shí)現(xiàn)“你是我黑夜的眼”代理觀測(cè)拍攝及互動(dòng)新體驗(yàn)；分析核心部件在極端場(chǎng)景下的受力形變，于投產(chǎn)前模擬糾正。有限元定量分析顯示結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足預(yù)期功能。▃

基金項(xiàng)目： 西安市社會(huì)科學(xué)規(guī)劃基金項(xiàng)目：創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)視域下唐文化基因圖譜構(gòu)建及應(yīng)用研究（編號(hào)22TY09）

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