徐天宇　徐江華

摘要：無人機(jī)行業(yè)發(fā)展迅猛，相關(guān)研究已經(jīng)相當(dāng)全面，但有關(guān)無人機(jī)自動(dòng)機(jī)庫(kù)的學(xué)術(shù)研究相對(duì)較少，有很大的空白。文章在知網(wǎng)范圍內(nèi)對(duì)無人機(jī)發(fā)展趨勢(shì)及自動(dòng)機(jī)庫(kù)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行整理，總結(jié)無人機(jī)續(xù)航等問題，引出自動(dòng)機(jī)庫(kù)發(fā)展的必然性，整理了自動(dòng)機(jī)庫(kù)的設(shè)計(jì)概況和國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)發(fā)展情況，分析無人機(jī)自動(dòng)機(jī)庫(kù)設(shè)計(jì)發(fā)展的時(shí)間邏輯，發(fā)現(xiàn)無人機(jī)自動(dòng)機(jī)庫(kù)從半自動(dòng)往全自動(dòng)、智能化的方向發(fā)展，同時(shí)不同行業(yè)對(duì)自動(dòng)機(jī)庫(kù)的設(shè)計(jì)要求有一定差別；從系統(tǒng)方法論的角度對(duì)自動(dòng)機(jī)庫(kù)的造型設(shè)計(jì)因素及工作流程進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)地調(diào)研的最新的大疆機(jī)場(chǎng)及其搭載的司空2平臺(tái)，從物理、事理、人理三個(gè)層面系統(tǒng)分析無人機(jī)自動(dòng)機(jī)庫(kù)的設(shè)計(jì)邏輯，分析不同系統(tǒng)提高工作效率的最佳方式，同時(shí)提出在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)充分應(yīng)用模塊化等設(shè)計(jì)原則，增強(qiáng)自動(dòng)機(jī)庫(kù)的通用性。文章試圖從工業(yè)設(shè)計(jì)角度思考如何優(yōu)化自動(dòng)機(jī)庫(kù)的造型設(shè)計(jì)，使自動(dòng)機(jī)庫(kù)更符合未來發(fā)展趨勢(shì)，為自動(dòng)機(jī)庫(kù)造型設(shè)計(jì)提供新思路。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；自動(dòng)機(jī)庫(kù)；工業(yè)設(shè)計(jì)；WSR方法論；造型設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：V279 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2023）18-0-03

0 引言

近年來無人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，在軍用和民用領(lǐng)域均表現(xiàn)出重要的應(yīng)用價(jià)值［1］。無人機(jī)可以彌補(bǔ)衛(wèi)星和載人航空遙感技術(shù)的不足，從而催生出更加多元化的場(chǎng)景。當(dāng)前無人機(jī)輔助設(shè)備如值守?zé)o人機(jī)平臺(tái)等相關(guān)研究方興未艾。

1 自動(dòng)機(jī)庫(kù)概述

無人機(jī)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(tái)、艦地協(xié)同的聯(lián)合作戰(zhàn)訓(xùn)練，增強(qiáng)作戰(zhàn)能力［2］，無人機(jī)機(jī)場(chǎng)、無人機(jī)機(jī)巢等都是無人機(jī)機(jī)庫(kù)的別稱，具有存放、充電、保護(hù)等功能，自動(dòng)機(jī)庫(kù)可以使無人機(jī)直接抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，解決人力攜帶不便和通勤效率低的問題。無人機(jī)直抵作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)可以大大增強(qiáng)無人機(jī)的機(jī)動(dòng)性，提升應(yīng)急作戰(zhàn)的工作效率。在自動(dòng)機(jī)庫(kù)內(nèi)休整對(duì)無人機(jī)而言是十分重要的一環(huán)，也是自動(dòng)機(jī)庫(kù)設(shè)計(jì)必須滿足的條件。目前無人機(jī)機(jī)庫(kù)主要由機(jī)庫(kù)、底座兩部分組成，其中機(jī)庫(kù)是無人機(jī)降落時(shí)使用的地方或開展機(jī)載設(shè)備維修工作及放置備件的場(chǎng)地。一般情況下，無人機(jī)機(jī)庫(kù)分為地面和空中兩種。地面無人機(jī)機(jī)庫(kù)一般由機(jī)場(chǎng)建設(shè)而成，必須符合機(jī)場(chǎng)建設(shè)規(guī)范要求及飛機(jī)性能標(biāo)準(zhǔn)。無人機(jī)具有很強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性及大范圍的覆蓋能力，因此無人機(jī)機(jī)庫(kù)要貼合無人機(jī)的特點(diǎn)，具備相應(yīng)的條件。一是要有完備的動(dòng)力系統(tǒng)和保障條件；二是一般需要設(shè)置在機(jī)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)；三是要有足夠的空間安裝無人機(jī)起降配套的起降機(jī)、著陸支架、燃油與污水處理裝置等重要設(shè)施，并能滿足多架無人機(jī)起降的環(huán)境需求；四是具有一定的技術(shù)含量。

2 無人機(jī)自動(dòng)機(jī)庫(kù)設(shè)計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外的研究比國(guó)內(nèi)早起步，具體案例如下。

Airmada是美國(guó)的一家研發(fā)無人值守停機(jī)平臺(tái)等相關(guān)產(chǎn)品的公司，其研發(fā)的無人值守停機(jī)平臺(tái)可以很好地保護(hù)無人機(jī)。根據(jù)無人機(jī)的狀態(tài)開展工作，無人機(jī)休眠時(shí)，平臺(tái)自動(dòng)鎖住無人機(jī)；無人機(jī)工作時(shí)，機(jī)巢自動(dòng)開啟頂部機(jī)蓋，為無人機(jī)提供飛行平臺(tái)［3］。它可以提供基本的充電和安全防護(hù)，但并不是全自動(dòng)的智能平臺(tái)，缺乏引導(dǎo)降落等功能。

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

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

雖然我國(guó)無人機(jī)機(jī)庫(kù)的研究起步較晚，但是成果令人矚目。縱橫股份于2010年成立，是我國(guó)領(lǐng)先的工業(yè)無人機(jī)企業(yè)，其所研發(fā)的縱橫昆侖無人值守系統(tǒng)為巡檢應(yīng)用體系而生，提升了自動(dòng)機(jī)庫(kù)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(wù)開始指令后，艙門可以自動(dòng)打開，此時(shí)升降平臺(tái)開始工作，將無人機(jī)托出艙面；接收任務(wù)完成指令后，無人機(jī)通過自身搭載的視覺系統(tǒng)完成著陸，最后通過平臺(tái)的歸位系統(tǒng)將無人機(jī)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(duì)室內(nèi)巡檢無人機(jī)的小型無人機(jī)機(jī)庫(kù)——“嵐”。管理人員可以隨時(shí)看到服務(wù)器實(shí)時(shí)上傳的巡檢數(shù)據(jù)。小型無人機(jī)機(jī)庫(kù)解決了以往的室內(nèi)倉(cāng)儲(chǔ)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(jī)庫(kù)本身帶有很直觀的觸摸屏，通過屏幕對(duì)無人機(jī)下達(dá)指令同時(shí)觀察工作狀態(tài)。同時(shí)由于體積問題，機(jī)庫(kù)目前尚未配備換電池功能。

復(fù)亞智能是業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的無人機(jī)全自動(dòng)飛行系統(tǒng)研發(fā)和服務(wù)商，MindCube智方S10系列小型無人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)賦能小型無人機(jī)行業(yè)應(yīng)用，對(duì)比其他機(jī)庫(kù)，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(shí)減少了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高了整體的安全性能［4］。

3 自動(dòng)機(jī)庫(kù)設(shè)計(jì)影響因素及方法論的適用性

3.1 自動(dòng)機(jī)庫(kù)設(shè)計(jì)影響因素

機(jī)庫(kù)工作效率的主要影響因素包括機(jī)庫(kù)自身因素、人為操作因素和外部環(huán)境因素。自動(dòng)機(jī)庫(kù)作為無人機(jī)的無人值守平臺(tái)，是無人機(jī)工作系統(tǒng)中的一個(gè)因子，其自身也作為一個(gè)子系統(tǒng)而運(yùn)作。因此，除了要考慮功能因素、人機(jī)因素、外部環(huán)境因素以及機(jī)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)庫(kù)應(yīng)具備的功能，如開合機(jī)庫(kù)、為無人機(jī)充電、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣候等。機(jī)庫(kù)開合速度過慢會(huì)直接影響無人機(jī)的應(yīng)急起飛效率，充電異?；驓夂虮O(jiān)測(cè)失誤會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)執(zhí)飛的工作效率大大降低，造成損失。

二是人機(jī)因素，即人與設(shè)備交互而產(chǎn)生的影響。設(shè)備檢修時(shí)檢修蓋的打開方式、內(nèi)部模塊化設(shè)計(jì)布局與人體尺寸的關(guān)系都會(huì)影響人機(jī)交互的效率。

三是外部環(huán)境因素。無人機(jī)機(jī)庫(kù)需要用電，而目前無人機(jī)所應(yīng)用的很多領(lǐng)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(fēng)沙等，都會(huì)對(duì)機(jī)庫(kù)的工作效率產(chǎn)生不同的影響，因此應(yīng)該增強(qiáng)自動(dòng)機(jī)庫(kù)的適應(yīng)性，以提高工作效率。

3.2 WSR方法論用于自動(dòng)機(jī)庫(kù)設(shè)計(jì)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(xué)方法，將極為復(fù)雜且規(guī)模宏大的系統(tǒng)開發(fā)作為主要目標(biāo)，很少應(yīng)用到工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，但是其與工業(yè)設(shè)計(jì)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(duì)復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)會(huì)展現(xiàn)出中國(guó)傳統(tǒng)的哲學(xué)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(jiǎn)，使問題主次分明，集成了定性分析與定量分析的優(yōu)勢(shì)，是一種傳統(tǒng)的系統(tǒng)思想，意義深遠(yuǎn)。

機(jī)庫(kù)作為一個(gè)獨(dú)立封閉的系統(tǒng)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)需要考慮功能、工作過程和人的因素，既要確保無人機(jī)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(duì)事物之間復(fù)雜關(guān)系所提出來的科學(xué)研究方法。將自動(dòng)機(jī)庫(kù)造型設(shè)計(jì)這一復(fù)雜系統(tǒng)對(duì)應(yīng)到物理、事理、人理三個(gè)層面進(jìn)行分析，可以避免遺漏關(guān)鍵要素，梳理清楚整個(gè)系統(tǒng)中各要素之間的關(guān)聯(lián)性和交叉性［5］。

4 基于WSR方法論的自動(dòng)機(jī)庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 物理——自動(dòng)機(jī)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，對(duì)機(jī)庫(kù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行梳理。機(jī)庫(kù)包含開合系統(tǒng)、無人機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)、快速充電系統(tǒng)、內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)、無人機(jī)控制系統(tǒng)等。提高各個(gè)系統(tǒng)之間的工作配合效率，縮短自動(dòng)機(jī)庫(kù)開合時(shí)間，能提高無人機(jī)匹配自動(dòng)機(jī)庫(kù)的工作效率和擴(kuò)大所能應(yīng)用的領(lǐng)域，是自動(dòng)機(jī)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。根據(jù)自動(dòng)機(jī)庫(kù)在工作系統(tǒng)中的工作任務(wù)，可以將自動(dòng)機(jī)庫(kù)分為三個(gè)部分：機(jī)械開合區(qū)、內(nèi)部功能系統(tǒng)區(qū)以及外部結(jié)構(gòu)功能區(qū)。

機(jī)械開合區(qū)是自動(dòng)機(jī)庫(kù)物理層面最基本的要素，也是連接內(nèi)外部區(qū)域，使自動(dòng)機(jī)庫(kù)自身系統(tǒng)動(dòng)態(tài)循環(huán)起來的關(guān)鍵。自動(dòng)機(jī)庫(kù)門（見圖1）完全打開，無人機(jī)才能執(zhí)行起飛操作；無人機(jī)飛回時(shí)要經(jīng)歷一段時(shí)間的懸停，等到自動(dòng)機(jī)庫(kù)門完全打開才能降落，自動(dòng)機(jī)庫(kù)門完全關(guān)閉時(shí)，內(nèi)外部系統(tǒng)才能維持穩(wěn)定功能。人工檢修的機(jī)械窗口作為另一個(gè)機(jī)械開合結(jié)構(gòu)（見圖2），是自動(dòng)機(jī)庫(kù)與人直接進(jìn)行交互的載體，對(duì)人體工程學(xué)的考量是重中之重。因此，對(duì)機(jī)械開合區(qū)而言，開合速度和人機(jī)尺寸最為關(guān)鍵。

內(nèi)部系統(tǒng)功能區(qū)是物理層面的關(guān)鍵要素，是自動(dòng)機(jī)庫(kù)的核心部分。從整體來看，自動(dòng)機(jī)庫(kù)內(nèi)部就是所有功能的總和，排布在內(nèi)部空間中；從單個(gè)要素來看，不同功能所占用的空間布局應(yīng)該清晰明確。因此，如何對(duì)這一部分進(jìn)行清晰明確的功能分區(qū)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)是考慮的重點(diǎn)，其次是各個(gè)功能之間的協(xié)調(diào)以及后續(xù)功能部件的升級(jí)替換。

外部結(jié)構(gòu)功能區(qū)（見圖3）是物理層中另一個(gè)重要因素。在一個(gè)系統(tǒng)中，沒有不重要的子系統(tǒng)，只有每一個(gè)子系統(tǒng)都保持最穩(wěn)定的狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)才會(huì)具有穩(wěn)定性。外部結(jié)構(gòu)與機(jī)庫(kù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、外部環(huán)境等息息相關(guān)。外部結(jié)構(gòu)首先要滿足行業(yè)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)甚至更高標(biāo)準(zhǔn)，如IP54工業(yè)級(jí)室外防雨防塵標(biāo)準(zhǔn)、恒溫恒濕、防雷電等。無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)大，為了提升無人機(jī)的工作效率，機(jī)庫(kù)需要適應(yīng)的環(huán)境更加多變，因此對(duì)自動(dòng)機(jī)庫(kù)外部結(jié)構(gòu)功能的潛在要求也在提高。

4.2 事理——自動(dòng)機(jī)庫(kù)工作流程分析

在完整的工作流程中，接收工作指令后，自動(dòng)機(jī)庫(kù)會(huì)作為第一個(gè)開展工作的系統(tǒng)，完成機(jī)庫(kù)打開指令，推動(dòng)下一步工作的開展，之后是工作的最后一環(huán)——接受無人機(jī)降落，關(guān)閉庫(kù)門（工作流程不包括人工檢修環(huán)節(jié)）。因此縮短自動(dòng)機(jī)庫(kù)的動(dòng)態(tài)指令工作時(shí)間對(duì)提高無人機(jī)整體的工作效率十分重要。

4.3 人理——人機(jī)交互分析

在自動(dòng)機(jī)庫(kù)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)充分考慮與人交互的界面，使尺寸、結(jié)構(gòu)、使用方式符合人機(jī)工程學(xué)原理，降低人的操作程度，科學(xué)合理地減少人的身體所承受的動(dòng)作損傷。

5 結(jié)語

從系統(tǒng)方法論的角度來看自動(dòng)機(jī)庫(kù)的造型設(shè)計(jì)，其應(yīng)當(dāng)具備模塊化、可替換的固定方式，以適應(yīng)不同的環(huán)境；同時(shí)在與人交互的界面中造型優(yōu)先以人為本。在未來，自動(dòng)機(jī)庫(kù)將與無人機(jī)一同面臨更加復(fù)雜多變的環(huán)境，包括特種作戰(zhàn)，因此特殊材質(zhì)將被運(yùn)用于機(jī)庫(kù)本身，自動(dòng)機(jī)庫(kù)的造型應(yīng)當(dāng)更加簡(jiǎn)潔和堅(jiān)固，內(nèi)部系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)更加穩(wěn)定。本文對(duì)自動(dòng)機(jī)庫(kù)的設(shè)計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀和分類進(jìn)行總結(jié)，并從系統(tǒng)論的角度對(duì)自動(dòng)機(jī)庫(kù)的工作效率進(jìn)行因素分析，將因素歸類于物理、事理、人理三個(gè)層面，分析工作流程，希望能為自動(dòng)機(jī)庫(kù)造型設(shè)計(jì)提供一定的參考。

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作者簡(jiǎn)介：徐天宇（1998—），女，河北唐山人，碩士在讀，研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)。

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