小型遙感航拍直升機造型設計

尹虎　周欣昱　陳少強　陳路

摘 要：為了解決傳統小型航拍直升機拍攝效果不穩定的問題，運用工業設計方法整合直升機結構布局，提出了三軸精確定向云臺的方案，并將云臺放置在機頭部位。直升機外形設計不僅著重考慮飛行穩定性、負載能力、拆卸簡潔性和航空拍攝的功能、結構要求，還在符合空氣動力學要求的前提下，借鑒仿生設計理念，兼顧視覺美觀與特色并存，力求達到直升機視覺傳達系統合理，在靜態和飛行狀態下都達到較好的視覺識別性。遙控航拍直升機是一個集單片機技術、航拍傳感器技術、GPS導航航拍技術、通訊航拍服務技術、飛行控制技術、任務控制技術、編程技術等技術于一身，并依托于硬件的高科技產物。遙感航拍直升機拍攝的影像具有高清晰、大比例尺、小面積等優點。

關鍵詞：航拍；直升機；外形設計；視覺傳達；噴涂

中圖分類號：V221 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）01-0001-04

小型航拍直升機作為一種理想的無人駕駛飛行器，同樣有著垂直起降、懸停、巡航、快速轉變航向等特性，使得它成為一種理想的航拍飛行器。近年來，人們開始重視小型無人直升機的發展，因而其功重比、穩定性、安全性、靈活性等性能也得以不斷提高。

目前，小型無人航拍直升機大多配置下掛式云臺或前置兩軸云臺。本設計為了解決這類云臺震動大、不穩定的問題，提出了三軸精確定向云臺的方案。如圖1所示的云臺系統配置三軸陀螺，分別控制俯仰、橫側、航向，保證在任何飛行狀態下飛機都能保持云臺系統的水平穩定。此外，懸浮式發動機架及云臺柔性裝配也將云臺的震動水平降到最低。但上述結構支撐對直升機的造型有一定影響。遙控航拍機的重心因機殼裝配而產生的移動范圍不能超過10 mm。

圖1 云臺可三軸精確定向的電動無人直升機

1 遙感航拍直升機的功能設計要求

1.1 結構布局設計

對于小型旋翼飛行平臺的設計，傳統的做法是下掛型云臺，這樣增加了系統的重量和體積，使維護難度增加，沒有起到維護攝影設備的作用。飛行器的廢阻提高，使續航時間降低。本方案在此環節進行了創新和突破，采用了將攝像設備置于飛機前端的方法，前置云臺的優點突出，滿足縱向45°俯仰，橫向180°轉動的要求，這樣更適合進行航拍和圖像識別，設計結構如圖2所示。同時，將發動機置于機體重心平衡點，保持機體穩定性，這樣就可以將干擾程度降到最低。

1.2 直升機結構對機殼造型設計限制因素

其限制因素有以下幾點：①散熱器的位置最好可以鏤空，以保證散熱性。機殼下部不連續，基本可以保證散熱。②無人航拍機每次飛行時要進行電池的裝配，具體位置如圖3、圖4所示。由于機殼很少拆卸，電池的裝卸需在有機殼時順利完成，因此要求機身在中部、后部的位置不應有遮擋。③直升機上部最高點（如圖5）為機殼設計的最高點，該零件前后移動不會超過10 mm。④尾桿處有螺旋槳支架，為平時靜止時使用，所以尾桿處不包外殼，如圖6所示。⑤滿足直升機拍攝功能的要求。為了減輕負載，實現加工的順利進行，外型設計要盡可能簡潔，但必須滿足云臺的三軸運動幅度的要求。在滿足以上條件的基礎上，保證航拍直升機視覺效果整體一致、美觀、和諧。細節設計部分要追求結構設計與設計效果的完美結合。

圖3 機身下方的電池位置

圖4 機身內的電池位置

圖5 機殼結構最高點 圖6 螺旋槳支架

傳統航拍用的小型無人直升機，是常規的下掛式云臺，而此類傳統云臺存在操縱效率低、易損耗、不便攜、難維護等缺陷。現存的下掛式云臺和兩軸式調節云臺的直升機不平穩并且航拍角度有限，靈活性差，因此本設計方案將兩軸式調節云臺改進為三軸調節云臺，3個舵機分別控制云臺的俯仰、橫側和航向，解決了上述問題。

2 直升機設計內容

進行各方案的草圖繪制，之后進一步繪制二維效果圖，并同時進行配色方案的設計對比，從中選出一套或幾套出色的配色方案。最后，要在草圖基礎上優化方案，建立三維數字模型，細部優化設計。

2.1 設計方法

具體步驟是通過初期的資料搜集和分析，進行頭腦風暴，繪制多思路方案的草圖、二維效果圖，設計多種噴涂方案，然后進行方案價值分析，建立三維數字模型和效果圖，方案細化設計，結構優化設計，裝配關系設計。

2.2 遙感航拍直升機結構

直升機結構。云臺用于搭載單反照相機，水平180°旋轉，俯仰均可達到45°的角度。因為要實現在機殼不拆除的前提下裝卸電池，因此，在機殼裝好后，這是唯一需要裝配操作的部位。機尾的小螺旋槳要保證穩定性，因其氣動要求，尾翼的機殼要裸露螺旋槳部分。

2.3 現有航拍直升機相機放置形式分析

主流設計是將用于航空拍攝的相機放置于起落架上，因而起落架會很高，并且拍攝角度的改變完全是靠飛機飛行以及機身的俯仰角。這加大了操作難度，致使穩定性降低。起落架的設計如圖7所示。

另一種設計是將相機搭載在機頭的部位。因為鏡頭是要拍攝的，針對這一特殊要求，對機殼的設計要求也有所不同：機頭采用了全透明的設計，由于機頭覆蓋材料和角度問題造成畫面效果失真情形如圖8所示。

圖7和圖8所展示的，是現有航拍直升機相機與機體的結合方式。

圖7 起落架云臺 圖8 云臺前置加透明整流罩

2.4 造型設計分析

現有兩種照相機與機體的結合方式是明顯缺陷的：①如圖7所示的起落架云臺——視覺不夠美觀，在配重上需要更加注意。因目前已有的大多航拍直升機采用的都是簡單固定的下掛式云臺，最大的缺陷是需要升高起落架高度，這造成直升機整體重心上移，這加大了飛機降落時的平衡難度，增加了安全隱患。而在我們的設計方案中，云臺為三軸定向云臺，需要水平180°旋轉，俯仰角度均可以達到45°的空間活動范圍。由于前半部分要裸露云臺，機殼的重量減輕，增大了功重比。但在視覺上，會產生前輕后重的感覺，這就需要在造型設計和結構設計上進行一定的調整。②如圖8所示的用透明罩將照相機云臺包入機殼——視覺美觀，但透明材料裝配復雜且材料對光線的折射會影響拍攝質量。

直升機外殼設計需要考慮的因素：①保證核心功能，即拍攝不受阻礙。航拍直升機最主要的功能就是航空攝像攝影，在拍攝的視域范圍、清晰度、穩定性等方面，機殼不能產生影響。②選擇的材質不能過于加重負載。玻璃鋼和ABS都可以滿足設計造型的要求。使用玻璃鋼需要油泥翻模，玻璃鋼翻模做成的機殼強度高、質量輕，而且可以很薄，同時由于是手工成型的，曲面可以非常自由。操作上主要存在加工周期長的缺點；優點是曲面自由度大并且成本低。在時間不足的情況下可以選擇CNC快速成型，曲面的自由度也比較大，但缺點是加工尺寸的限制和價格較貴，使用的材質只能是樹脂或者ABS板。③裝配方面的考慮。機殼本身要易于裝配，而且裝上機殼以后不能影響螺旋槳的運動，易于相機和電池的拆卸。④作為工業設計的一個重要方面，外觀的宜人性不容置疑。機殼不是獨立于飛機本身存在的，盡管航拍直升機由于速度相對較慢，基本不會產生空氣動力學方面的太大問題，但仿生設計和流線形是很重要的，配色方面既要大膽新異，又要考慮色彩工學的配色原則。

3 造型方案的衍生

在造型上采用仿生學的設計，因為生物形態是經過自然進化選擇的形態，將仿生設計用于飛機外殼的設計可以極大地避免機殼空氣流動對飛行產生大的阻力和不穩定氣流的影響。

3.1 仿生設計理念在造型中的應用

通過以上分析，進一步繪制二維的電子草圖，圖9、圖10、圖11均為仿生設計方案。如圖9，海豚是海洋生物一個非常有代表性的物種，它們形體美麗優雅，可以在水中快速游行。仿生海豚機殼采用了海豚嘴部與頭部的連接位置作為設計點，形狀簡約而有層次感。機殼的尾部微微揚起，使得整體造型更加有活力。下方的線條比較富于變化，但主要功能是遮擋機身，保護直升機主要部件，并且不影響云臺的運動和裝卸電池的操作。圖10和圖11均為仿生魚設計，不同之處在于圖10的機殼尾部設計與圖9相似，設計目的是增加外形的活力。圖11的設計目的是另一種裝配形式——安裝的時候，不需卸下螺旋槳，只需從前向后插入，并用幾個銷釘固定位置即可。這種裝配方式減少了不必要的拆卸，可延長一部分零件的使用壽命；缺點是造型沒有完整感，并且連接方式比較單一，會從外部留下裝配痕跡。

圖9 海豚仿生造型

圖10 魚仿生造型

圖11 魚仿生造型

3.2 配色方案分析

依據直升機造型特點，配色方案有兩種選擇：①以對比色為主題。如藍色系、橙黃色系等，色彩采用高純度。這樣的配色方案視覺效果強烈，富于動感，在藍天為背景的情況下形成色彩的強對比關系，易于人眼識別。②以鄰近色為主題。選擇一個主色系，如藍色。其他顏色在藍色系里呈現明度和純度的變化，再搭配小面積的對比色，在突出整體效果的同時兼顧變化，色彩搭配既和諧統一，又易于識別，體現優雅經典風格。

由同色系或鄰近色相構成的配色可以營造出和諧統一的印象，因為類似色相配色體現統一性、流暢性。但是過于統一的色彩搭配容易給人呆板、單調的感覺，所以小面積應用差異色調，使色彩搭配具有適度的變化和動感，可以體現畫面色彩的張弛效果。

由互補或對比色相構成的配色，色相相距越遠，色相的對比效果越明顯。對比色配色對比度高，視覺沖擊強烈，可以給人留下很深的印象。

3.3 二維效果圖與方案價值分析

圖12為根據上述分析做成的二維效果圖方案，第一列造型三種配色方案，由于方案在造型上處于設計的初級階段，噴涂方案未進入細節的設計階段，只作為參考。例如黑灰色調的配色方案，由于黑色和灰色相近，且黑色屬于無彩色系，缺乏情感表現力，視覺效果單調。第二列有兩種造型方案，第二列上圖為仿生魚形設計，優勢在于裝配簡單，但是由于造型不夠完整，最終未被采納。第二列中間的紅色底色配色方案的視覺張力很強，模仿F1賽車配色方案，增加了一些白色的圖形，提高了和諧統一的感覺，也增強了視覺表現力。第二列下圖方案用了兩個互補色——黃色和紫色，它們在色相上相差很大，形成了鮮明的對比，字體同樣與F1賽車的車身廣告起到了類似的效果，大大提高了設計的完整性。第三列上圖方案是仿生海豚設計的最初一版，選擇與天空和大海相同的顏色，有一種直升機翱翔于天空的寓意，為了機身視覺效果豐富，藍色擴展為漸變，但是漸變給后期加工增加了難度，所以這個方案也未被采納。第三列中圖也是仿照F1賽車設計的，黑白的配色冷酷堅毅而有張力，缺點是缺少生動的感覺。如果要采納，則需要加入一些新的彩色元素，提升設計的整體感和視覺沖擊力。最后一幅選用了互補色——黃色系和鈷藍，增加色彩沖突，提高視覺沖擊力，圖案的設計分割太多，過于零散，沒有達到預期的效果。

圖12 直升機二維方案效果圖

通過色彩分析和視覺效果考慮，改進了方案圖13：選用冷色調。設計的感覺不是對比而是調和，以白色為底色，增加機體的色彩明度，搭配大量的鈷藍色，與白底搭配形成高長色調，使得整個設計表現力很強，字體的加入改變了單調的觀感，整體效果得到了提升，配色設計更加和諧統一，低純度的紅色增強了色彩對比，有抓人眼球的效果。

圖13 直升機外觀價值分析及造型最終選定方案

4 三維數字模型

4.1 機身模型參數分析

因為云臺可三軸精確定向的航拍直升機基本一直處于低速飛行狀態，風阻對直升機的影響比較小，幾乎可以忽略不計，影響比較大的是直升機螺旋槳旋轉時產生的壓差力。

如圖14所示，繞流翼型的三種類型均是流場通過不同角度旋翼時會產生不同的變化。如圖15中，螺旋槳運動對直升機外殼的影響通過應力計算，直升機外殼的強度要承受最大壓差力，必須加厚到至少3 mm，并在結構上設置加強筋。

（a） （b） （c）

圖14 繞流翼型的三種類型

4.2 尾翼造型設計

升力螺旋槳是直升機的主要升力部件如圖16所示。旋翼由槳轂和槳葉構成。槳轂安裝在旋翼軸上，形如細長機翼的槳葉則連在槳轂上。槳葉旋轉時，與周圍空氣相互作用產生沿旋翼軸的拉力。如果相對氣流的方向或各片槳葉的槳距不對稱于旋翼軸，還將產生垂直于旋翼軸的分力。在直升機上，旋翼軸方向近于垂直，因此旋翼首先具有機翼的功能——產生向上的力，其次還具有類似于飛機推進裝置的功能——產生向前的力，還具有類似于飛機操縱面的功能——產生改變機體姿態的俯仰力矩或滾轉力矩。旋翼會因型號和大小的不同而對直升機造成影響，但要與機頭部分云臺保持配重平衡。

圖15 螺旋槳運動對直升機外殼的影響 圖16 升力螺旋槳槳轂

4.3 直升機實物模型

圖17 烤漆涂裝模型

直升機實物模型的設計情況如圖17所示，其外形設計的難點在于要考慮穩定性、負載能力、拆卸方便以及航空拍攝的要求。

5 結束語

本文運用工業設計方法使小型航拍直升機結構布局更加合理，解決了傳統設計中由于拍攝角度變化而造成的直升機操作難度較大、拍攝效果不清晰的問題。運用仿生設計理念構建直升機外形，使直升機外形美觀生動，和諧統一。運用設計色彩理論，使直升機視覺傳達系統合理，體現較好的視覺識別性。本設計是工業設計與飛行器設計兩專業學科的交叉融合，是專業優勢互補的有益實踐探索。

參考文獻

[1]Paul G.Fahlstrom Thomas J.Gleason.無人機系統導論（吳漢平譯）[M].北京：電子工業出版社，2003.

[2]奧博斯科編輯部.配色設計原理[M].北京：中國青年出版社，2009.

[3]張建中，鄭筱瑩，江濱.二維設計基礎——色彩構成[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[4]中國人民解放軍總裝備部軍事訓練教材編輯工作委員會.低速風動實驗（王勛年譯）[M].北京：國防工業出版社，2002.

[5]朱寶鎏.無人飛機空氣動力學[M].北京：航空工業出版社，2006.

[6]李群，劉西莉.概念產品設計趨勢[D].西安美術學院，2007.

[7]孟繁瑋，陰澍雨，薛爽，等.設計不是目的，是一種解決問題的方法——柳冠中訪談[J].美術觀察，2011（10）：8-12.

[8]柳冠中.適可而止的“棲息”[J].設計藝術研究，2011（05）：1-5.

[9]柳冠中.美化？造型？還是設計？[J].裝飾，2012（01）：19-22.

[10]王焱，柳冠中. 評析四種不同的設計方法論[J].南京藝術學院學報（美術與設計版），2010（02）：71-74.

[11]柳冠中. 柳冠中：不可能有失去靈魂的卓越[J].杭州科技，2010（05）：38.

[12]柳冠中.設計的美學特征及評價方法[J].美術觀察，1996（05）：44-46.

[13]柳冠中.科學×藝術的時代[J].裝飾，1993（04）：14-16.

〔編輯：胡雪飛〕

圖15 螺旋槳運動對直升機外殼的影響 圖16 升力螺旋槳槳轂

4.3 直升機實物模型

圖17 烤漆涂裝模型

直升機實物模型的設計情況如圖17所示，其外形設計的難點在于要考慮穩定性、負載能力、拆卸方便以及航空拍攝的要求。

5 結束語

本文運用工業設計方法使小型航拍直升機結構布局更加合理，解決了傳統設計中由于拍攝角度變化而造成的直升機操作難度較大、拍攝效果不清晰的問題。運用仿生設計理念構建直升機外形，使直升機外形美觀生動，和諧統一。運用設計色彩理論，使直升機視覺傳達系統合理，體現較好的視覺識別性。本設計是工業設計與飛行器設計兩專業學科的交叉融合，是專業優勢互補的有益實踐探索。

參考文獻

[1]Paul G.Fahlstrom Thomas J.Gleason.無人機系統導論（吳漢平譯）[M].北京：電子工業出版社，2003.

[2]奧博斯科編輯部.配色設計原理[M].北京：中國青年出版社，2009.

[3]張建中，鄭筱瑩，江濱.二維設計基礎——色彩構成[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[4]中國人民解放軍總裝備部軍事訓練教材編輯工作委員會.低速風動實驗（王勛年譯）[M].北京：國防工業出版社，2002.

[5]朱寶鎏.無人飛機空氣動力學[M].北京：航空工業出版社，2006.

[6]李群，劉西莉.概念產品設計趨勢[D].西安美術學院，2007.

[7]孟繁瑋，陰澍雨，薛爽，等.設計不是目的，是一種解決問題的方法——柳冠中訪談[J].美術觀察，2011（10）：8-12.

[8]柳冠中.適可而止的“棲息”[J].設計藝術研究，2011（05）：1-5.

[9]柳冠中.美化？造型？還是設計？[J].裝飾，2012（01）：19-22.

[10]王焱，柳冠中. 評析四種不同的設計方法論[J].南京藝術學院學報（美術與設計版），2010（02）：71-74.

[11]柳冠中. 柳冠中：不可能有失去靈魂的卓越[J].杭州科技，2010（05）：38.

[12]柳冠中.設計的美學特征及評價方法[J].美術觀察，1996（05）：44-46.

[13]柳冠中.科學×藝術的時代[J].裝飾，1993（04）：14-16.

〔編輯：胡雪飛〕

圖15 螺旋槳運動對直升機外殼的影響 圖16 升力螺旋槳槳轂

4.3 直升機實物模型

圖17 烤漆涂裝模型

直升機實物模型的設計情況如圖17所示，其外形設計的難點在于要考慮穩定性、負載能力、拆卸方便以及航空拍攝的要求。

5 結束語

本文運用工業設計方法使小型航拍直升機結構布局更加合理，解決了傳統設計中由于拍攝角度變化而造成的直升機操作難度較大、拍攝效果不清晰的問題。運用仿生設計理念構建直升機外形，使直升機外形美觀生動，和諧統一。運用設計色彩理論，使直升機視覺傳達系統合理，體現較好的視覺識別性。本設計是工業設計與飛行器設計兩專業學科的交叉融合，是專業優勢互補的有益實踐探索。

參考文獻

[1]Paul G.Fahlstrom Thomas J.Gleason.無人機系統導論（吳漢平譯）[M].北京：電子工業出版社，2003.

[2]奧博斯科編輯部.配色設計原理[M].北京：中國青年出版社，2009.

[3]張建中，鄭筱瑩，江濱.二維設計基礎——色彩構成[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[4]中國人民解放軍總裝備部軍事訓練教材編輯工作委員會.低速風動實驗（王勛年譯）[M].北京：國防工業出版社，2002.

[5]朱寶鎏.無人飛機空氣動力學[M].北京：航空工業出版社，2006.

[6]李群，劉西莉.概念產品設計趨勢[D].西安美術學院，2007.

[7]孟繁瑋，陰澍雨，薛爽，等.設計不是目的，是一種解決問題的方法——柳冠中訪談[J].美術觀察，2011（10）：8-12.

[8]柳冠中.適可而止的“棲息”[J].設計藝術研究，2011（05）：1-5.

[9]柳冠中.美化？造型？還是設計？[J].裝飾，2012（01）：19-22.

[10]王焱，柳冠中. 評析四種不同的設計方法論[J].南京藝術學院學報（美術與設計版），2010（02）：71-74.

[11]柳冠中. 柳冠中：不可能有失去靈魂的卓越[J].杭州科技，2010（05）：38.

[12]柳冠中.設計的美學特征及評價方法[J].美術觀察，1996（05）：44-46.

[13]柳冠中.科學×藝術的時代[J].裝飾，1993（04）：14-16.

〔編輯：胡雪飛〕