无人机造型发展演变与设计方法研究

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  中图分类号:V279 文献标识码:A
  文章编号:1003-0069(2021)08-0094-03
  引言
  无人机造型特征与其功能用途、技术革新密切相关。同时,功能美的设计原则也要求无人机形态需要合乎无人机的规律性与目的性。无人机造型在不断演变过程中所体现的美感,是其功能价值逐步向审美价值转化的结果,体现出一种理性美、机械美与技术美。工业设计对无人机造型发展演变产生了重要的影响。
  一、无人机造型发展演变
  无人机的诞生源于战争的需求,现今在民用领域也得到了广泛应用。无人机造型发展演变是一个进化的过程,其特征受到不同时期的功能需求、技术条件、人类认知水平和艺术审美等因素影响。
  (一)功能主义导向期
  任何一种工业产品,在其产生初期,其造型往往是直接的、简陋的。在无人机的萌芽时期,满足战争中尽可能地减少伤亡又能给敌人以袭击功能,在飞行装置上携带炸弹是最简单且实用的方式,即形式追随功能。此时的无人机采用传统飞机造型,采用可拆卸结构的双层机翼造型,从而获得足够的升力以克服自身的重力。1918年,成功飞空的凯特灵飞虫无人机,也被认为是导弹的简易始祖。双翼造型的无人机容易获得更大的升力,其阻力大、耗材多、速度低等劣势逐渐显现出来,与更轻、更快的需求相悖,在动力系统与材料科学发展之后,双翼造型的无人机逐渐被单翼造型的无人机所取代。20世纪30年代,美国设计师雷吉纳德·丹尼发明了一款小型遥控无人机,造型上简化机体结构,缩小机身体积,机翼形态由扁平状双层机翼变为单层机翼,机头安装起落架,尾翼依旧为垂直尾翼,此轻便、快速的单翼无人机也被用于作为靶机使用。
  (二)空气动力学发展期
  空气动力学的发展,满足了人们对速度的追求,也对无人机造型的突破产生了重大的影响。二战期间,无人机造型的设计功能主义的基础上增加了流线型设计风格,表达TA们对工业时代中“速度感”的追求。空气动力学的应用,为无人机“流线型”造型风格提供强大的支撑;采用较大曲率半径有利于脱模成形的模压成形方法,为无人机“流线型”造型风格提供了材料与技术上的保障。为了形成大的升力面,减少飞行过程中的阻力,摒弃了之前无人机扁平状的机翼造型设计,传统的圆形管状机身和扁平状双层机翼,被具有流线型空气动力学形式的结构所取代,多采用较大曲率半径的光滑柔和的曲面,使得无人机的机身的线条灵活流畅,整体机体形成一个比较大的升力面,很大程度上减少了飞行阻力,速度感在机身的设计上得到了充分的体现,从而提高了无人机的机动性能。无人机流线型的设计风格是一种“速度感”的造型语言,是当时技术条件、无人机对高速飞行的功能需求与设计师的审美认知的综合体现,包含了技术美、功能美、机械美、理性美、艺术美,极富表现力。但是尾翼垂直突起还是没有去除。此时的无人机由于受技术的限制,使用的各类系统和机械结构组件体积还是比较大,导致其外观造型无法进行微型化。
  (三)工业设计融入期
  工业设计学科的发展,艺术与航空科学、创意与工程技术的交叉融合理念也在无人机造型设计中体现出来。工业设计融入期的无人机造型设计,仍沿用了二战时期的流线型风格,计算机辅助设计的应用,实现了无人机造型从概念数字模型到实体的一体化,对空气动力学研究结果的不断优化加之工业设计理念的融入,完全抛开了原始无人机笨重的管状机身,并且去掉垂直尾翼等外形突起,极大程度上减小了飞行阻力和升阻比,逐渐出现了无人机造型的多样化、微型化、模块化、多旋翼等发展趋势。
  1.造型多样化。工业设计始终以用户需求為核心,工业设计的融入也使无人机的功能与形态必然展现多样化的发展趋势,以功能需求划分可以分为消费级无人机、工业级无人机与军事无人机三个层级,无人机技术也融入到各个领域。例如雅马哈无人直升机的问世,是现代农业植保无人机的起点;农用植保无人机造型设计多沿用直升机的外观形态,整个机身仿生蜻蜓,大的头部造型用于储备植保所需的种子、农药等功能空间;工作状态,旋翼在上方飞速旋转,机身细长,尾部有凸起,弧形起落架使落地更稳。
  2.造型微型化。随着微机电系统以及微型传感器技术的日渐成熟、成本的降低,无人机在造型上迅速向小型化、微型化的方向发展0 J。在满足基本功能需求的基础上,无人机在造型上的创新性、技术美也越来越被重视,例如体积逐渐小型化、微型化,曲面设计更加完善,功能更加多样化等。军用侦察型无人机的需求不断提升,必然要求小型化、隐蔽性、轻便性与可携带性,麻雀虽小、五脏俱全,设计师将零件集中于无人机的头部安放,机身细长。“黑蜂3”型无人机的整体造型是由技术发展条件、军用侦察需求、设计师的认知水平以及灵活简洁便携的审美需求综合决定的,在满足功能需求的同时体现出人类的审美需求。
  3.多旋翼造型。随着微处理技术的发展和设计水平的提升,多旋翼的无人机造型开始受到人们极大的关注,打破了原有的单旋翼无人机形态,为更多无人机外观形态的可能奠定了重要的基础。多旋翼无人机是一种类似于直升飞机、能悬停起降的一种新型飞行器,其中最具代表性的就是四轴无人机,也称为四旋翼无人机、四轴飞行器;四轴无人机具有四个旋翼,旋翼呈十字形交叉,其旋翼角度固定,体积小,结构简单,携带方便,安全性较高。2010年,法国推出了首架市场小型航拍四旋翼无人机AR.Drone,也意味着正式进入了消费无人机时代。
  二、无人机造型设计方法
  2l世纪以来,无人机在各个领域的广泛应用,其造型也越来越多样化,满足功能与审美的双重需求。无人机常用的造型设计方法有形态语义法、结构移植法、部件模块法、人文关怀法、自然仿生法、艺术审美法等。
  (一)形态语义法
  随着无人机时代的来临,创意不断涌现。许多无人机研发者将无人机和其他科技结合起来,给无人机的发展提供了无限可能。无人机造型中的形态语义法是通过对无人机形态的设计,使无人机通过形态、色彩、结构等具有代表性的符号,表现出其使用方式与功能作用等。如图1所示,世界上第一款可穿戴无人机Nixie,造型设计简洁,便携性强;通过柔软的机身、环状外形,可变成腕带的形式,展开后则是一架小型四旋翼无人机,使用手机操纵可从手腕上直接起飞,通过形态向用户传达其使用方式与功能,是形态语义法在无人机造型设计中很好的体现。形态语义法在无人机形态设计中更多的是直接表现的显性关系,如表l所示,形态语义法在Nexie无人机中的具体应用体现。   (二)结构移植法
  无人机的使用空间已经不仅限于空中,无人机已由最初的无人驾驶飞机,逐渐发展为一种多功能可移动的装置。为了满足某种特定功能或安全性的需要,将其他产品的一种或多种功能结构进行解构,移植到无人机造型设计中并重组,既符合无人机的平衡稳定性,也能满足特有的功能需求。结构移植方法,通常分为功能结构移植法与安全结构移植法。英国设计师设计的b-unstoppable坦克无人机可实现空、陆两栖作业,其最大的特点就是两侧装有两条履带,如图3所示,是在b-unstoppable坦克无人机设计过程中采用结构移植方法的具体应用流程,将无人机和坦克结合在一起,对坦克中的履带结构进行提取,并运用到b-unstoppable坦克无人机的设计中去,履带结构使得无人机能够像坦克一样应对多种复杂地形,最终使得无人机能够实现陆、空两栖作业的功能。
  (三)部件模块法
  工业设计创新技术与服务设计理念被广泛应用到无人机的研发与制造。模块化设计是一种标准化的设计方法,就是将无人机有关联的功能、形态要素进行分解组合重构,以一定的结构形式进行多项式组合,构成新的系统。无人机模块化造型设计,主要为了更好地解决无人机的散热、拆装以及维修等问题,一般采用完全拆卸模块造型与可折叠式造型模块,模块与模块之间要采用完全的密封与抗腐蚀性处理。如图5所示,是极飞p系列植保无人机,其模块化设计使得无人机造型结构更加优化,且实现清洁过程中的人药分离,具有高防水性能。
  极飞采用常见的固定四轴无人机及机翼构造,四个旋翼机臂是不等长的,前臂短后臂长,便于分辨机头与机尾,具有明显的方向感,机头是采用富有动感的曲面设计,工作时可有效减少风阻。利用模块化的设计方法,既满足了功能需求,又使得无人机造型达到了整体和谐的设计效果,体现了现代人们对无人机设计的简洁化、整体性的审美需求。
  (四)人文关怀法
  无人机造型设计人文关怀法,就是基于安全的需要,造型设计中结合人性化、人情化设计的方法,满足使用者的心理与生理需求,体现出无人机造型设计的人文关怀。例如无人机通过旋翼高速旋转起飞,往往人很难靠近,很可能对人造成伤害,如图6所示,Hover Camera无人机在旋翼的外面增加了一层网状保护框,且两侧的网状保护框本身可实现折叠,这样的保护性设计可有效消除使用者对无人机旋翼飞速旋转时产生的不安,可折叠的结构性设计提高了使用便捷性。人性化的融入,使无人机造型设计沿着普适化、亲民化的方向发展。
  如图7所示,德国企业Festo设计的球形无人机造型独特,球内气体为氮气,球的外部有一个助推器,助推器发生故障时,在氮气的作用下无人机可以缓缓落到地上,改变了以往无人机动力装置一旦失灵便会飞速降落,摔得粉身碎骨的结果,有效的保护了用户的安全,体现出设计中对“人”的尊重与关怀。
  (五)自然仿生法
  仿生形态使无人机有了生命活力,使整个形态充满张力,富有情感色彩。格式塔心理学的“似动”原理,为无人机形态仿生的科学性提供了理论依据。人们对仿生形态的认识理解,也可以说是对无人机形态的情感交互,只有做到理想与感性互相依存、相互制约,才能使无人机形态更好地传递情感。设计师通过对生物形体所具有的典型外部形态的认知基础,寻求对无人机形态的突破和创新,在未来的无人机仿生设计中,人们会逐步从以人为本转化为不断探索人与自然的关系,以更好地实现人与自然的和谐相处,注重科技和自然并重的思想意识和价值观。无人机造型设计中仿生设计方法的应用,将大自然中生物独有的结构原理加以提取应用。
  如图8所示的Skeeter仿蜻蜓微型无人机,鸟类、昆虫在飞行时,能够更好的抵挡刮风带来的空气变动,并且在续航能力上,仿生机翼也优于旋翼,可增强无人机对极端天气的抵御能力。无人机造型设计中仿生设计方法的应用,将大自然中生物独有的结构原理加以提取应用,有效地提高无人机续航能力。
  除了模仿昆虫的无人机,还有一些模仿鸟类的仿生无人机,如图9所示,仿生“信鸽”无人机,在造型上,不仅模拟了鸟类的形态,且有鸟类的羽毛做掩饰。可以和真正的鸽子群一起飞行也不会被发现。既达到隐蔽作业效果,又保證无人机在正常工作时大自然中的鸟类不会产生惊吓等负面影响,在功能上,有良好的减震性能与稳定性,在工作时,可有效抵御其他鸟类侵扰以及空气乱流等问题,提高了无人机工作的安全性。符合人与自然和谐相处的可持续设计观,科技和自然并重的思想意识和价值观。
  (六)艺术审美法
  无人机造型设计是艺术审美规律的合理运用,通过对无人机美学关系的梳理,可帮助设计师更准确地确定无人机造型元素。无人机造型设计艺术审美法主要体现以下三种形式:
  1.变化与统一。无人机外观造型要体现变化与统一。首先,无人机外观造型设计要使得整体形态有条理感、安定感与稳定感,应做到各个部件造型元素之间的统一,这种统一可以是同一个造型元素在不同的部件中重复使用,也可以指同一无人机中的不同元素均趋向于某一特定元素。其次,无人机外观造型设计也要避免出现沉闷、呆板等问题,为使无人机造型能更具自身品牌的特点,变化是必不可少的;无人机的造型元素之间应存在适当的变化,使其与其他品牌的无人机有一定的差异性与识别性。
  2.对称与均衡。无人机造型设计中的对称指的是处于中轴线两侧的各部分,如旋翼、电机、指示灯、起落架等,在大小、形状和排列均存在一一对应关系。这种关系是绝对的,在视觉的感受是绝对整齐感与平衡。无人机造型设计中的均衡是指各部件之间相对的体量关系。形态上,均衡既是对称的破坏,又是对称的保持,是一种为了保持整体形态的协调的相对对称。对称与均衡均能使无人机的造型具有和谐感与稳定性,对称是绝对的、理性的、安静的,均衡则是相对的、感性的、活力的。
  3.比例与尺度。在无人机造型设计中,比例可表示无人机的部件与部件、部件与整体的匀称关系,即用一种用数理关系来反映无人机的形态特点。而尺度则是以人体尺寸作为度量标准,对无人机进行相应的衡量,表示无人机形态的大小,以及同它自身用途相适应的程度。无人造型的比例与尺度还受到人机工程学的影响,尽可能符合用户的行为习惯以及使用特征。
  如图10所示的大疆御Mavic Air2无人机造型设计,其整体色调以浅灰色为主,造型规则,线条平直,旋翼机臂等部件以机身的中轴线呈左右对称,其造型更具整体性、稳定与和谐感;四个旋翼和摄像头为黑色,旋翼边缘与LOGO为白色,既做到了部件之间的区分,也避免沉闷与呆板的问题;机身造型采用曲率较大的曲线,曲线的使用起到了调和的作用,避免了硬朗直线造型而产生的生硬感。这款口袋里的摄影师,主打安全便携与摄影清晰。使用者的携带与使用方式也决定了这款无人机的造型应趋于小型化、便携化,结构设计采用了可折叠设计,折叠后的大小刚好一个手掌大,符合用户的行为习惯以及使用特征。
  结论
  无人机造型是在满足各个时期动力、材料等科技水平前提下,根据当时人类的认知水平与审美需求,赋予其功能需求的一种合乎目的性与规律性的体现形式,这种形式是理性的、严肃的、美的综合体现。无人机造型经历了功能主义导向期、空气动力学发展期、工业设计融入期的三个阶段,其造型演变过程中所体现的是功能价值逐步向审美价值转化,也是功能主义逐步向人文主义转变。通过无人机造型演变与设计方法的研究,使无人机创新设计更加符合时代特征,提升用户的使用体验,体现无人机造型的可持续设计内涵。
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