搭載無人機的頭戴式夜視儀研究與設計

林大茂 王偉偉

摘要：設計一款頭戴式搭載無人機的夜視儀，解決現有技術限制造成視場角不足的痛點，創新產品外觀結構，切入短視頻直播交互方式，給用戶帶來更佳的操作體驗。以五感設計，形成包括原理、材料、人機、配色的設計提案。搭載無人機，為夜視儀視場角帶來廣闊的視域。革新傳統佩戴方式，為產品減重，提升美觀度與一體性。運用有限元方法，對設計模型進行應力、載荷等參數分析診斷，修正設計缺陷，優化設計參數。設計出一款造型獨特的可開合頭戴式搭載無人機夜視儀，有限元分析結果顯示結構設計合理，能夠滿足預期功能。

關鍵詞：頭戴式 夜視儀 無人機 外觀結構 有限元

中圖分類號：TS665.2 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2023）19-0108-04

Abstract：To design a headworn night vision device equipped with drones，solve the pain point of insufficient field of view caused by existing technological limitations，innovate the products appearance structure，cut into short video live streaming interaction，and provide users with a better operating experience. Design with five senses to form a design proposal that includes principles，materials，human-machine，and color matching. Equipped with drones，it provides a wide field of view for the night vision system. Innovate traditional wearing methods，reduce product weight，enhance aesthetics and integration. Use finite element method to analyze and diagnose parameters such as stress and load on the design model，correct design defects，and optimize design parameters. A unique design of a detachable and retractable head mounted unmanned aerial vehicle night vision system has been developed. The finite element analysis results show that the structural design is reasonable and can meet the expected functions.

Keywords：Headworn Night vision sight Unmanned aerial vehicles Appearance structure Finite element analysis

引言

夜視儀可用于夜間觀測和拍攝，目前主要用于實用領域，作為玩具的夜視儀可玩性不足，用戶參與度和體驗感較弱，這與其視場角不足的技術現狀有關，設計上應著力解決觀察范圍不足的痛點。結構方面要綜合考慮產品易用程度、人機交互方式、功能創新性、美觀度、環保特性以及整個生命周期等。

可玩性夜視儀除了要有足夠視場角外，還需有清晰成像技術。“由于關鍵器件微光像增強器一直被發達國家作為核心機密封鎖，我國微光夜視產品自主研發起步較晚，進展緩慢，但市場需求旺盛。”[1]基于夜視儀的旺盛市場與技術現狀沖突，確立“你是我黑夜的眼”夜視儀設計要點以滿足需求：1.設計一款好玩、好用、好看的產品；2.在現有技術條件下重點解決夜視儀視場角不足的難題，轉換思維將夜視儀搭載無人機之上，實現360°無死角觀看拍照；3.使產品佩戴舒適，讓無人機折疊入倉頭盔，解放雙手；4.產品造型美觀，滿足用戶審美需求；5.豐富產品功能，具有交互性和娛樂性。

一、設計指導原則探討

（一）設計意義

（1）通過技術整合方式解決視場角（FOV）不足的業界難點，借用現有無人機技術和AMOLED曲面顯示技術，再輔以AI技術，調整畫面畸變效果，呈現大視野＼超廣度的沉浸觀看體驗。（2）創新頭戴式夜視儀的結構外觀，實現更舒適佩戴體驗，同時達到減重目的，推進人機互動關系。（3）引入5G、無線圖傳、短視頻直播等技術平臺，創新式提出構想“你是我黑夜的眼”，觀看者跟隨現場觀測者腳步實時觀看第一視角畫面，獲得沉浸式體驗。

（2）夜視儀和無人機最早是軍用工具，后經由軍品-民品化、工具-玩具化飛入尋常百姓家。無人機進入人們的視野是從戰爭工具開始，用于無人偵察。大疆無人機之所以橫掃世界無人機市場，是將用于軍事領域的工具無人機民用化為玩具。極客發燒友們作為玩樂急先鋒引領潮流，傳遞波及下游大眾，無人機從小眾向大眾轉移，量產增速帶來成本降低，成本降低撬動受眾擴大。另一方面，伴隨玩具的普及，工具屬性也再次被激發出來，并且沖破軍事領域走向廣泛的行業。夜視儀最早用于士兵夜間或光線不足偵查擊斃敵人，軍工民用化、工具玩具化[2]是夜視儀擴大市場的必選之路，“你是我黑夜的眼”是玩具化夜視儀的典型設計案例。

（二）設計目標

1.總體目標。圍繞功能、外觀、人機三方面統籌規劃，整合設計一款全新的頭戴式飛行夜視儀，將夜視儀、無人機和顯示屏三大系統合為一體。

2.分目標一：好用。一款產品最先關注的點是易通性，即功能的實用程度，易懂，可視，在一定范圍內降低用戶的學習成本。本設計交互方式分為簡易模式和專業模式兩種。簡易暢玩模式利用用戶手機外置按鍵，包含音量鍵和關機鍵等實體按鍵，完成無人機的操控，以此減輕用戶繁雜的操作負擔，快速上手。專業模式配套相應App實現精準操作，完成高難度拍攝需求。通過紅外微光融合技術、AI虛擬算法技術、強大的soc運算能力等可完成圖像的準確輸出，于夜間更清晰觀測和拍攝。另外，組裝拆卸難易程度也是重要的衡量尺度，無人機快拆結構與頭頂快速回倉保證夜視儀的快速收納，模塊化設計將整個技術系統劃分為若干個小組塊，極大縮減裝配時間。頭戴設備主體采用流線型一體化設計，供電單元、控制單元、圖像輸出單元采用模塊化分工，發揮1+1>2的運行表現。無人機也是模塊化構件，電機系統、攝像系統、槳葉組件、控制系統共同構成開合靈活的輕量化無人機。結構減重，去除不必要裝飾，通過獨有的合頁構件實現折疊，便于回收，攜帶便捷。通過人體頭部結構和用戶心理層面研究，設計符合人機工學：宜人的按鈕，貼合頭顱的人機曲線，親膚的材料。產品本身的示能透過意符指示出來，例如設備中心的三角按鍵和箭頭指示兩個意符，指明無人機的彈出由其來快速省力完成。在原有技術基礎上探究用戶根本需求，提供更高質量使用體驗，凸顯產品易用性。

3.分目標二：好玩。為提升可玩性與參與感，滿足夜間攝影娛樂的同時，白天也可遨游山川大河之間。將無人機插入頭頂設備的預置孔中，即可實現近景一覽無余，堪稱“無極變焦”。該產品工作原理是：折疊式無人機搭載360°可旋轉夜視鏡頭，拍攝并向環繞顯示屏傳輸肉眼可見的實時影像。無人機回收入預置孔時，盤踞頭頂微微下傾的鏡頭與眼部同時進行夜間觀測；展開飛行時可去往人力難達之處，全方位多角度觀測目標景物。折疊無人機搭載的夜視鏡頭為高清鏡頭，顯示影像為全彩，可夜日兩用，產品目標用戶為（不限于）野外探險愛好者、技術發燒友等極客。夜視儀可解放用戶雙手，小巧便攜的折疊機身使頭頂重量輕量化，三大部件高度集成，盡顯結構之美。半包圍頭盔，充分考慮透氣性和炫酷感。借助fpv技術，推出俯沖游戲模式，搭配環繞顯示屏，仿佛身臨其境暢游星空之中。

4.分目標三：好看。“當代社會正在經歷一場深刻的轉型，審美化日益成為當代社會的重要組織原則并使其越來越像一件藝術品”[3]，按照美的規律來建造、具有未來科技感是外觀設計追求。整體采用鯨魚曲線流線型一體式設計，在滿足人機工學前提下，打造最優美弧線。表面光潔的陽極氧化處理凸顯產品的質感，多重配色供用戶選擇。高延展性納米材料便于調節尺寸，使頭部更加舒適貼合。表面鍍光亮鉻，觸感細膩，視覺舒適順滑。綠松石蘭燈帶既有功能指向性，又渲染科技氛圍，戴上它時眼前一亮。

（三）設計觀念

設計觀念遵循：（1）工具玩具化設計，貼合用戶最新的可玩需求（2）以易用為目的五感設計，多通道刺激多感官體驗（3）結構取巧功能集成設計，無人機為夜視儀視場角插上全周旋轉翅膀，仿生仿物設計機翼蓮花開合方式與中國鼎云臺造型，使用最易理解的邏輯控制多功能合理有序（4）有限元修正設計，多次模擬測試機器安全性與極端條件穩定性，修改增強產品耐久度與魯棒性。這些觀念將約束“你是我黑夜的眼”頭戴式飛行夜視儀的各部件設計。

二、頭戴式飛行夜視儀功能結構設計

（一）夜視儀設計

夜視儀技術原理：1.基于紅外與微光融合圖像系統。（現有文獻）2.紅外夜視儀和星空夜視儀的光學圖像融合系統。（現有專利）[4]

夜視儀主體包括頭戴設備和攝像設備兩大模塊。其中頭戴設備包含柔性外殼、發光燈帶、調節按鈕、OLED環繞顯示屏、絨布內襯等，攝像設備容納鍍膜鏡片、光線放大器、感光元件、傳感器電路板、AI高速處理器（芯片）、鏡頭外殼、方形墊片等。絨布內襯提升用戶佩戴的舒適度，減輕對新產品的焦慮感。對夜視儀影像系統的升級計劃除了強大的硬件支持外，更重要的是人工智能介入后的高效圖像算法，通過對數據庫里龐大的夜間影像閱讀分析，機器進行適宜的銳化與調色，輸出令人驚嘆的圖像樣張，如圖1。

（二）無人機設計

“世界海關組織協調制度委員會（HSC）在第 62 次會議將無人機歸類為‘會飛的照相機”[5]，借助無人機擴大夜視儀視場角是便捷的思路，可達成遠距離廣視角觀測拍攝。

1.結構設計。無人機設計的重難點集中在結構方面，如何在有限空間塞入眾多單元，第一步就是精簡零件，重新布局。經反復試驗確定碳纖維加強筋中空結構方案，為產品減重。在一定重量前提下，關鍵部位予以強化，即使遇到惡劣天氣也能安全回巢，并且兩側設有4個避障傳感器，與北斗導航強強聯合，猶如無人機的定海神針。其次，要壓縮產品體積，需整合最新的微型夜視技術，用創新式結構造型最大限度控制體量。亮點是中軸四向折疊單元，機翼開合引入荷花仿生結構。兒童模式會在緊急情況下安全鎖死，為孩子保駕護航。

2.彈出與展開。回收倉底裝有彈射彈簧，觸發彈出按鈕，無人機會在阻尼作用下緩緩彈出，送入用戶手中。通過折疊中樞打開機翼，運行電機和其他裝備。在快速完成自檢后，無人機即可安全起飛，開展觀測拍攝任務。

3.折疊與收納。無人機折疊中樞是一個集成設計，把各個模塊囊括其中。基于定位導航，無人機自動捕捉回收艙位置，精準落到使用者跟前。經由折疊中樞完成機翼與電機的收納，插入夜視儀主體預留口，觸碰回艙按鈕，迅速自檢并鎖定，通過藍牙技術連接畫面，進行第一視角觀察拍攝，并且開始65W快速無線充電，如圖2。

（三）環形屏幕展示與配套App設計

環形屏幕由OLED柔性屏打造而成，可自由彎折，延展性強，是營造立體環繞視聽效果的不二之選。隨著柔性屏幕成功量產，其低功耗、可彎曲特性對穿戴式設備的應用帶來深遠影響。其缺點是不能折疊，等待未來技術支持折疊，外形將會更加多變。[6]

相較傳統屏幕，柔性屏幕OLED更薄，“柔性電子具有柔軟、透明、質輕、曲面的特性”，[7]可以裝在塑料或金屬箔片等柔性材料上。功耗低，有助于提升設備續航能力。同時基于其柔韌性佳的優勢，耐用程度大大高于以往屏幕，可降低意外損傷概率，如圖3。

為了降低用戶的陌生感與學習成本，深入研究主流無人機App，保留其精準操作模式等一眾功能單元，改造優化原有邏輯，舍棄不合理模塊。多樣化的使用場景匹配豐富模式，精簡模式方便用戶更快上手。可變色溫呼吸燈帶在起到點綴裝飾作用的同時，更重要的是在夜間提示無人機所處位置，發生意外時可及時展開搜救，控制變換都要在管理中心進行，可調用云端服務器來完成用戶指令。五感增強反饋體驗（高反饋敏感度、高精度），多視角快速切換，具備多項輔助與控制提醒，操作流暢，界面友好。基于5G技術和短視頻直播技術提出創新式交互模式，多平臺互聯直播，全球畫面共享，快速構建開放玩家社群，打造平行世界，致力用戶深度服務，形成以新老用戶互助為主，設計師工程師反饋為輔的雙核服務架構。

假設你的好友在非洲草原夜間觀測野生動物，你只需躺于家中沙發，即可接收遠自天邊的訊號，實時互動交流，這就是“你是我黑夜的眼”交互模式。

（四）頭盔的人機工學

人機工程學關心的是不同作業中人、機器及環境三者關系的協調，促進作業在效率、安全、健康、舒適等特性的提升。

第一點就是人體頭部尺寸的適配設計，查閱《中國成年人人體尺寸（GB/T 10000-1988）》，發現（185mm，155mm）是人的頭圍長寬數值集中區域。參考這個數值制作一代油泥模型和二代石膏模型，把頭部和面部數據導入計算機，通過電腦建模構建虛擬形態，為后續產品建模提供基準參考。夜視儀直接作用于人眼，查閱國家標準發現大部分人的水平面視野范圍在+62°到-62°之間，垂直面的水平視野在+50°到+70°之間，基于這組數據劃定了夜視儀視場的參考閾值。調研基礎工作初步搭建起產品雛形也是最堅實的骨架，宜人性是首要標準。大結構確立之后著手細節和深化，不斷分析用戶行為數據，洞悉使用心理，找到本質需求和真實操作難點。確定無意識設計路線，關注功能情感結合，設計者與用戶互相成長，用戶提出問題，通過共情給予反饋，建立良性循環的互動關系。

（五）頭戴式可搭載無人機夜視儀的外觀設計

1.產品的CMF。CMF是Color-Material-Finishing的縮寫，也就是顏色、材料、表面處理工藝的概括。查詢潘通色卡，結合當季巴黎時裝秀最潮色系敲定夜視儀有多款配色，除經典黑白配色外，更有極具科幻未來的星空銀和薰衣草紫。這里特別提一下薰衣草紫，不僅因為它是主打色，而且據心理醫學發現紫色對運動神經和心臟系統有促進作用，具有優美高雅、雍容華貴的氣度。這樣既符合產品定位及調性，更有助于塑造優質的品牌形象。

2.產品的材料。材料部分依據模塊功能要求選用不同質料，注重材料的環保、可降解、可循環利用，展現綠色價值。關鍵部位環形屏幕由OLED柔性屏打造而成，其獨一無二的可彎折性為環形屏幕實現提供條件。為了更好踐行綠色設計理念，按鈕以及無人機機體都采用了聚乳酸塑料（PLA）環保材料。聚乳酸原料充足，可以再生，主要以玉米、木薯等為原料，生產過程無污染，可生物降解，是理想的綠色高分子材料，3D打印機能兼容其完成高難度的有機曲面，生產制造快捷高效。夜視儀主體選材，考慮到要體現可調節可彎曲的特性，選擇最前沿的有機高分子納米材料，絕佳的延展性和伸縮效果為自適應頭圍調節提供基礎。無人機結構強度不容忽視，主要受力點要做加強處理，除加強筋的結構升級，強度大、密度高、質量輕的碳纖維材料是首選。表面處理工藝提升產品的質感，為了給人以流暢自然的感受和極致的握持體驗，特別選用表面陽極氧化處理。無論色彩、材料還是表面處理工藝，都不是各自為政的狀態，而是相輔相成互為補充的系統整體。

三、靜力學有限元分析驗證

（一）幾何導入

“有限元仿真技術應用于工業設計中，不僅可對產品在數字化設計階段的各種工況進行定量分析，也可對產品在操作使用過程中的人機工程參數進行相關分析，從而提高工業設計的技術層次和工作效率，使設計參數更加真實可靠。”[8]對夜視儀的核心零件云臺支架進行靜力學分析，把有限元分析引入產品結構驗證階段，有利于發現結構設計的不足，進一步優化后期產品結構，提升產品效能。有限元分析以其模擬仿真的特性，可以勝任智能化產品設計方案的可行性分析任務。

云臺支架負責承托夜視鏡頭模組，穩固圖像的傳輸，達到鏡頭防抖的預期效果。原外觀如圖4所示，由主體、旋鈕、插銷和造型凸臺組成。結構干練，各部分互相貫穿，造型靈感來源于中國古代的傳統禮器鼎，具有美學品位和標識特征。東方化IP造型彰顯云臺穩定器外觀的大氣敦厚，表達東方人翱翔天際的美好愿景，此寓意可增強產品的形象力量，提升用戶黏性。

靜力學分析要進一步精簡模型，ANSYS有限元軟件將原有模型簡化為圖5所示：

（二）模型的網格劃分

網格劃分是把模型分成很多小單元，作為有限元分析的重中之重，網格劃分與計算目標匹配程度、網格質量好壞，決定后期有限元計算的質量。簡化后模型用自帶Meshing結構化網格劃分，基本網格尺寸設置為1mm，并對部分位置進行網格加密，節點數量為158212，單元數量為105065（網格加密受力部分），如圖6所示：

（三）分析設置

1.材料設置。云臺支架采用鋁合金材質，強度高、質量輕、流動性好、充型能力強、耐蝕性好、熔點低，具有優良的延展性，便于組裝制備和運輸。鋁合金材質屬性列表如下：

2.分析載荷形式。由于云臺支架使用過程中力的變化較小，假設其載荷形式不隨時間發生改變，如圖7所示：

3.邊界條件的設置。首先對模型加入固定支撐，基于與其他零件的裝配關系，需在所有插銷上加入固定支撐，之后對模型施加不同的載荷進行對比試驗。分別對云臺模型施加1MPa，2MPa，3MPa載荷，觀察此零件在不同壓力下的變形及應力應變情況。

（四）結果與討論

1.結果。施加1MPa，2MPa，3MPa載荷的情況如圖8所示：

2.討論。模型發生最大變形的位置是云臺支架的凹槽底部中間部分。施加1MPa后變形的最大數值是0.0029496，施加2MPa后變形的最大數值是0.0058992，施加3MPa后變形的最大數值是0.0088487。由于約束的設置變形為0，于是最大變形在中間，與實際變形相符。滿足材料的線性變形階段變形趨勢與載荷成正比。

模型發生最大應力應變的位置是云臺支架的插銷部分。施加1MPa后應力應變的最大數值是81.573，施加2MPa后應力應變的最大數值是163.15，施加3MPa后應力應變的最大數值是244.72。由于零件過渡階段沒有倒角，出現應力集中現象。另外，彈性變形范圍內，應力=彈性模量×應變，所以應變變化直接決定應力變化。物體內部材料不均勻，形狀不規整，直接導致受力后的變形不可能處處相同，如果材料或者形狀突然發生很大變化，那么該處的變形就會突然發生，表現為應力集中。于是該模型的修改意見為在此連接處倒圓角，將外觀結構進一步規整，而后進行二次有限元分析，以驗證上述問題是否得到有效解決。此次有限元仿真模擬分析真實有效，與實際情況相符。

結語

夜視儀設計需要多學科交叉協作完成，國內關于夜視儀人機工程學、力學仿真、運動仿真、人體建模、試驗等方面的研究剛剛開始，尚未形成完整規范的設計標準，開發過程必須引入科學嚴謹的力學實驗以及各種量化參數來評估設計方案，使產品更為安全、舒適、可靠和人性化。

文中雖然對頭戴式夜視儀的結構及材料選擇進行了仿真模擬和有限元分析，證實了結構的合理性，但是“夜視儀附加的前傾力矩，容易使人疲勞，甚至在飛機大幅度機動時，容易引起其頸部受傷”[9]，智能控制和安全舒適方面仍需不斷完善。這款可開合頭戴式搭載無人機夜視儀的亮點是：給夜視儀插上無人機翅膀，巧妙解決靜態視場角不足的難題；頭戴式解放雙手，無人機折疊入倉；環形柔性屏引入短視頻直播，實現“你是我黑夜的眼”代理觀測拍攝及互動新體驗；分析核心部件在極端場景下的受力形變，于投產前模擬糾正。有限元定量分析顯示結構設計合理，滿足預期功能。▃

基金項目： 西安市社會科學規劃基金項目：創意產業視域下唐文化基因圖譜構建及應用研究（編號22TY09）

參考文獻

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