模塊化設計在消費級無人機上的應用

【摘要】：結合消費級無人機的設計，從消費級無人機本身的特點、模塊化設計方法的分析、具體實物中的模塊化設計這幾個方面來分析探尋消費級無人機行業中模塊化的發展狀況，體現出模塊化設計在消費級無人機設計研究上的深遠作用，此外還表達了對消費級無人機未來的展望。

【關鍵詞】：消費級無人機；模塊化設計

自從消費級無人機面世以來，人們一直給予者其很高的關注度。和專業級無人機所不同的是，普通大眾通過專門的設計，也能輕松玩轉無人機，從而讓無人機真正走進千家萬戶，而不是極客們或富人們的高級玩具。設計師需要綜合運用流體力學、工程力學、人機工程學、材料力學、美學等學科的知識，從而設計出適合普通大眾的消費級無人機。模塊化的設計方法是一種獨具風格的設計方法，這種方法兼顧到了機動變通性和功能性，所以很多設計師樂于運用這種方法。在我們的消費級無人機設計中怎樣運用這種方法是一個頗具價值的研究項目。

1.消費級無人機的特點

價格是消費級無人機設計中需要考慮的重點。消費級無人機與工業級的區別有很大一部分就在于價格，在功能相差不多的基礎上價格親民，保證普通大眾能消費得起。某種意義上來說，無人機就是可以飛行的機器人。無人機結合了飛行和機器人的樂趣，這些都大大地滿足了大眾的好奇心和探索欲。熟練之后用戶也能進行特技飛行，使得其樂趣更進一層。同時它也能搭配擴展模塊實現很多意想不到的功能，大大增強了其趣味性。

因為無人機在飛行過程中螺旋槳高速旋轉，操作不慎就會發生意外，所以要注重設計的安全性，加裝防護裝置。同時也要考慮到結構的穩定性，從而保證飛行的安全。

2.模塊化設計方法

“模塊是具有可組成系統、良好的可重用性和完整接口的單元”[1]。.模塊化是指模塊結構標準化，尤其是模塊接口標準化。模塊化設計所依賴的是模塊的組合，即聯接或嚙合，又稱為接口。顯然，為了保證不同功能模塊的組合和相同功能模塊的互換，模塊應具有可組合性和可互換性兩個特征，而這兩個特征主要體現在接口上，必須提高其標準化、通用化、規格化的程度。

模塊化的思想在無人機軟件研發中也有著重要的意義。其中最好的應用就是圖形模塊化編程。圖形模塊化編程就是運用模塊化的思維將細碎且難懂的編程語言整合為一小塊一小塊的圖形模塊式語言，簡單易懂，又能對程序語言進行模塊式的編輯。由模塊式思維而設計的程序編輯軟件對于不懂編程的門外漢來說無疑是一道曙光，圖形模塊化編程可以快速地讓門外漢入門。不僅如此，對于專業人員來說，這方法也是很有作用的，圖形模塊化的編程方式可以大大提高編程效率。

3.設計實物“Airblock”中的模塊化設計

3.1Airblock簡介

研發團隊賦予了“Airblock”“讓更多人入門”的主題。六棱柱的幾何形的運用使得其組合形式多變，樂趣多多，而且線條簡約大方。每個六邊形模塊都是獨立的，用戶可按照自己的意愿自由組合與調配。研發團隊專門給它設計了圖形模塊化的編程軟件，使得入門玩家能夠接觸到代碼相關的知識，這也是這款無人機的一大賣點，讓用戶真正參與到了無人機的功能的創造中。如圖1

3.1.2單元模塊的確定

按功能進行劃分，形成單個的功能模塊，確定模塊間的交互關系和功能的依存性，最終統一起來，這就是模塊化設計的原理。“Airblock”的設計采用的是組合式模塊。每個獨立的模塊都設計為大小相同的正六棱柱的幾何形態，這種形態使其具有不固定的多樣化的形態，玩法也更多樣，使用者的創造力能得到極大的發揮空間。“Airblock”單元模塊的確立也從功能的角度考慮了。動力模塊，主控和電源模塊。研發團隊根據功能的不同將無人機進行了拆分，單個模塊的功能性被巧妙地保存了。

3.2模塊化設計在產品的硬件上的體現

流線型的造型設計及是多數消費級無人機的選擇，但是Airblock的外形采用規則幾何形態，每個模塊都是一樣的正六棱柱體，六邊形的硬朗線條使得其擁有了視覺上的力量感。“諸如太極圖和七巧板就是契合形的代表”[2]。六邊形在數學上是能“密鋪”的，這也是契合性的體現。使得Airblock能契合為一個整體，如圖2。

圖2是最初始的完整形態，而各個模塊都有一邊可以互相吻合，可以產生1+n的拼裝方式。任何一種形態都有其整體性，在功能上也保持完整性，這種模塊設計的方式了實現形態與功能的統一。如圖3

3.3模塊化設計對于功能實現的重要性

模塊化程序設計方法將使圖形程序簡潔，編寫及調試均很方便。[3]Makeblock的教育專家和工程師開發了Makeblock App，購買了Airblock的用戶只需在移動設備上下載Makeblock App，打開藍牙連接，就可以完成對無人機簡單的圖形模塊式編程，如圖4。圖形化編程 app 每個按鈕的功能和位置都可以自定義，也可以定義每一個螺旋槳，這就保證玩家能把硬件的性能到極致。

3.4單元模塊及組裝方式與產品安全

模塊體系中所有的單元模塊皆采用工程塑料材質，相當牢固，不會因長期使用而出現松動、開裂的現象。即使在飛行過程中墜落，每個模塊也不會損壞。單元模塊和結構設計使得拼裝方式的穩定性也得到保證。接口的十字形設計使得每個模塊能進行橫向和縱向兩種拼裝方式。

3.5 Airblock的成功之處

硬件和軟件上的模塊化設計使得Airblock 有很強兼容性和可擴展性，因此帶來了非常多有趣的玩法，從而得到了大眾的認可。

4.結語

消費級無人機設計引入模塊化設計能夠解決大眾在使用過程中出現的問題，形態的單一導致的視覺疲勞，操作失誤導致無人機損毀，控制程序編寫門檻高+等。模塊化設計對于消費級無人機設計而言具有重大意義，其商業前景很大，值得我們進一步研發與完善。

參考文獻：

[1]李夢奇，謝志江.模塊化設計在包裝機械設計中的應用[J].包裝工程，2008，29（10）：140-142.

[2]陳慎任.設計形態語義學[M].北京：化學工業出版社，2005.

[3] 蔣日東.VGA卡的高效模塊化圖形程序設計[J].計算機應用研究，1994（1）.

作者簡介：肖鑫榮（1997.08.13—），男，江蘇省泰州人，學歷：本科，就讀于湖北師范大學，專業：工業設計。

指導老師：楊錦園，職稱：副教授。