无人机自动机库造型设计研究综述

徐天宇　徐江华

摘要：无人机行业发展迅猛，相关研究已经相当全面，但有关无人机自动机库的学术研究相对较少，有很大的空白。文章在知网范围内对无人机发展趋势及自动机库相关文献进行整理，总结无人机续航等问题，引出自动机库发展的必然性，整理了自动机库的设计概况和国内外设计发展情况，分析无人机自动机库设计发展的时间逻辑，发现无人机自动机库从半自动往全自动、智能化的方向发展，同时不同行业对自动机库的设计要求有一定差别；从系统方法论的角度对自动机库的造型设计因素及工作流程进行分析，结合实地调研的最新的大疆机场及其搭载的司空2平台，从物理、事理、人理三个层面系统分析无人机自动机库的设计逻辑，分析不同系统提高工作效率的最佳方式，同时提出在设计过程中应当充分应用模块化等设计原则，增强自动机库的通用性。文章试图从工业设计角度思考如何优化自动机库的造型设计，使自动机库更符合未来发展趋势，为自动机库造型设计提供新思路。

关键词：无人机；自动机库；工业设计；WSR方法论；造型设计

中图分类号：V279 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2023）18-0-03

0 引言

近年来无人机产业发展迅猛，在军用和民用领域均表现出重要的应用价值［1］。无人机可以弥补卫星和载人航空遥感技术的不足，从而催生出更加多元化的场景。当前无人机辅助设备如值守无人机平台等相关研究方兴未艾。

1 自动机库概述

无人机在联合作战体系中的重要程度日益提高，需要开展跨平台、舰地协同的联合作战训练，增强作战能力［2］，无人机机场、无人机机巢等都是无人机机库的别称，具有存放、充电、保护等功能，自动机库可以使无人机直接抵达现场作业，解决人力携带不便和通勤效率低的问题。无人机直抵作业现场可以大大增强无人机的机动性，提升应急作战的工作效率。在自动机库内休整对无人机而言是十分重要的一环，也是自动机库设计必须满足的条件。目前无人机机库主要由机库、底座两部分组成，其中机库是无人机降落时使用的地方或开展机载设备维修工作及放置备件的场地。一般情况下，无人机机库分为地面和空中两种。地面无人机机库一般由机场建设而成，必须符合机场建设规范要求及飞机性能标准。无人机具有很强的机动性及大范围的覆盖能力，因此无人机机库要贴合无人机的特点，具备相应的条件。一是要有完备的动力系统和保障条件；二是一般需要设置在机场区域内；三是要有足够的空间安装无人机起降配套的起降机、着陆支架、燃油与污水处理装置等重要设施，并能满足多架无人机起降的环境需求；四是具有一定的技术含量。

2 无人机自动机库设计发展现状

2.1 国外发展现状

国外的研究比国内早起步，具体案例如下。

Airmada是美国的一家研发无人值守停机平台等相关产品的公司，其研发的无人值守停机平台可以很好地保护无人机。根据无人机的状态开展工作，无人机休眠时，平台自动锁住无人机；无人机工作时，机巢自动开启顶部机盖，为无人机提供飞行平台［3］。它可以提供基本的充电和安全防护，但并不是全自动的智能平台，缺乏引导降落等功能。

AIROBOTICS公司是以色列一家研发无人机机巢的公司，其无人机机库在材质上使用了金属，具有很高的强度，可以保护好无人机，这也取决于无人机机巢的工作环境——专门服务于石油、天然气等管道巡检。该机巢固定分布在巡检线路上，可以使无人机实现蛙跳式的“库库”巡检模式。无人机机库可以为无人机提供更换电池的服务，并且无人机可以通过自身搭载的系统平稳降落在机库平台。

2.2 国内发展现状

虽然我国无人机机库的研究起步较晚，但是成果令人瞩目。纵横股份于2010年成立，是我国领先的工业无人机企业，其所研发的纵横昆仑无人值守系统为巡检应用体系而生，提升了自动机库的无人化、网格化、智能化水平。其舱门采用平拉式的开合方式。接收任务开始指令后，舱门可以自动打开，此时升降平台开始工作，将无人机托出舱面；接收任务完成指令后，无人机通过自身搭载的视觉系统完成着陆，最后通过平台的归位系统将无人机微调至充电位置。

除了室外巡檢，室内同样面临巡检困难的问题，因此星逻智能科技公司自主研发了针对室内巡检无人机的小型无人机机库——“岚”。管理人员可以随时看到服务器实时上传的巡检数据。小型无人机机库解决了以往的室内仓储困难问题，使工作效率大大提高。由于作业环境不大，因此机库本身带有很直观的触摸屏，通过屏幕对无人机下达指令同时观察工作状态。同时由于体积问题，机库目前尚未配备换电池功能。

复亚智能是业内领先的无人机全自动飞行系统研发和服务商，MindCube智方S10系列小型无人机自动机场赋能小型无人机行业应用，对比其他机库，它的体积更小，质量更轻，十分灵活，降低了作业部署的难度，作业环境更加多元，同时减少了作业风险，提高了整体的安全性能［4］。

3 自动机库设计影响因素及方法论的适用性

3.1 自动机库设计影响因素

机库工作效率的主要影响因素包括机库自身因素、人为操作因素和外部环境因素。自动机库作为无人机的无人值守平台，是无人机工作系统中的一个因子，其自身也作为一个子系统而运作。因此，除了要考虑功能因素、人机因素、外部环境因素以及机库标准化设计以外，还要充分考虑系统因素。

一是功能因素。功能因素指自动机库应具备的功能，如开合机库、为无人机充电、实时监测气候等。机库开合速度过慢会直接影响无人机的应急起飞效率，充电异常或气候监测失误会导致无人机执飞的工作效率大大降低，造成损失。

二是人机因素，即人与设备交互而产生的影响。设备检修时检修盖的打开方式、内部模块化设计布局与人体尺寸的关系都会影响人机交互的效率。

三是外部环境因素。无人机机库需要用电，而目前无人机所应用的很多领域有不同的极端环境，如西北部高原地区的极寒天气、极度潮湿的地表、暴晒以及风沙等，都会对机库的工作效率产生不同的影响，因此应该增强自动机库的适应性，以提高工作效率。

3.2 WSR方法论用于自动机库设计的适用性

WRS系统方法论全称为物理—事理—人理系统方法论。WSR系统方法论通常作为管理学方法，将极为复杂且规模宏大的系统开发作为主要目标，很少应用到工业设计领域，但是其与工业设计的某些方法在精神内涵上异曲同工。其不仅是一种方法，还是一种解决问题的工具。WSR面对复杂系统时会展现出中国传统的哲学思想，以清晰的逻辑厘清问题，融合多种方法，别具一格；具体情况具体分析，化繁为简，使问题主次分明，集成了定性分析与定量分析的优势，是一种传统的系统思想，意义深远。

机库作为一个独立封闭的系统，内部结构需要考虑功能、工作过程和人的因素，既要确保无人机工作的效率，又要维持自身系统的稳定性。WSR系统方法论是针对事物之间复杂关系所提出来的科学研究方法。将自动机库造型设计这一复杂系统对应到物理、事理、人理三个层面进行分析，可以避免遗漏关键要素，梳理清楚整个系统中各要素之间的关联性和交叉性［5］。

4 基于WSR方法论的自动机库系统设计

4.1 物理——自动机库结构设计分析

通过现场调研，对机库结构进行梳理。机库包含开合系统、无人机平台系统、快速充电系统、内部环境控制系统、无人机控制系统等。提高各个系统之间的工作配合效率，缩短自动机库开合时间，能提高无人机匹配自动机库的工作效率和扩大所能应用的领域，是自动机库结构设计的关键。根据自动机库在工作系统中的工作任务，可以将自动机库分为三个部分：机械开合区、内部功能系统区以及外部结构功能区。

机械开合区是自动机库物理层面最基本的要素，也是连接内外部区域，使自动机库自身系统动态循环起来的关键。自动机库门（见图1）完全打开，无人机才能执行起飞操作；无人机飞回时要经历一段时间的悬停，等到自动机库门完全打开才能降落，自动机库门完全关闭时，内外部系统才能维持稳定功能。人工检修的机械窗口作为另一个机械开合结构（见图2），是自动机库与人直接进行交互的载体，对人体工程学的考量是重中之重。因此，对机械开合区而言，开合速度和人机尺寸最为关键。

内部系统功能区是物理层面的关键要素，是自动机库的核心部分。从整体来看，自动机库内部就是所有功能的总和，排布在内部空间中；从单个要素来看，不同功能所占用的空间布局应该清晰明确。因此，如何对这一部分进行清晰明确的功能分区设计应当是考虑的重点，其次是各个功能之间的协调以及后续功能部件的升级替换。

外部结构功能区（见图3）是物理层中另一个重要因素。在一个系统中，没有不重要的子系统，只有每一个子系统都保持最稳定的状态，整个系统才会具有稳定性。外部结构与机库设计标准、外部环境等息息相关。外部结构首先要满足行业的设计标准甚至更高标准，如IP54工业级室外防雨防尘标准、恒温恒湿、防雷电等。无人机应用领域正在不断扩大，为了提升无人机的工作效率，机库需要适应的环境更加多变，因此对自动机库外部结构功能的潜在要求也在提高。

4.2 事理——自动机库工作流程分析

在完整的工作流程中，接收工作指令后，自动机库会作为第一个开展工作的系统，完成机库打开指令，推动下一步工作的开展，之后是工作的最后一环——接受无人机降落，关闭库门（工作流程不包括人工检修环节）。因此缩短自动机库的动态指令工作时间对提高无人机整体的工作效率十分重要。

4.3 人理——人机交互分析

在自动机库的机械结构设计中，应当充分考虑与人交互的界面，使尺寸、结构、使用方式符合人机工程学原理，降低人的操作程度，科学合理地减少人的身体所承受的動作损伤。

5 结语

从系统方法论的角度来看自动机库的造型设计，其应当具备模块化、可替换的固定方式，以适应不同的环境；同时在与人交互的界面中造型优先以人为本。在未来，自动机库将与无人机一同面临更加复杂多变的环境，包括特种作战，因此特殊材质将被运用于机库本身，自动机库的造型应当更加简洁和坚固，内部系统应当更加稳定。本文对自动机库的设计发展现状和分类进行总结，并从系统论的角度对自动机库的工作效率进行因素分析，将因素归类于物理、事理、人理三个层面，分析工作流程，希望能为自动机库造型设计提供一定的参考。

参考文献：

［1］ 李波，黄晶益，万开方，等.基于深度强化学习的无人机系统应用研究综述［J］.战术导弹技术，2023（1）：58-68.

［2］ 江波，屈若锟，李彦冬，等.基于深度学习的无人机航拍目标检测研究综述［J］.航空学报，2021（4）：137-151.

［3］ 王冠政，汪海洋，程志伟，等. vSLAM在无人机平台上的发展研究综述［J］.计算机工程与应用，2019（14）：8-14.

［4］ 冯琦，周德云.军用无人机发展趋势［J］.电光与控制，2003（1）：9-13.

［5］ 尹项迎，常瑜，刘宝顺.基于SGS模型与AHP的侦测无人机造型设计研究［J］.包装工程，2022（14）：45-50.

作者简介：徐天宇（1998—），女，河北唐山人，硕士在读，研究方向：工业设计。

徐江华（1977—），男，湖北荆州人，博士，教授，研究方向：航空装备设计与飞机客舱舒适性设计。