搭载无人机的头戴式夜视仪研究与设计

林大茂 王伟伟

摘要：设计一款头戴式搭载无人机的夜视仪，解决现有技术限制造成视场角不足的痛点，创新产品外观结构，切入短视频直播交互方式，给用户带来更佳的操作体验。以五感设计，形成包括原理、材料、人机、配色的设计提案。搭载无人机，为夜视仪视场角带来广阔的视域。革新传统佩戴方式，为产品减重，提升美观度与一体性。运用有限元方法，对设计模型进行应力、载荷等参数分析诊断，修正设计缺陷，优化设计参数。设计出一款造型独特的可开合头戴式搭载无人机夜视仪，有限元分析结果显示结构设计合理，能够满足预期功能。

关键词：头戴式 夜视仪 无人机 外观结构 有限元

中图分类号：TS665.2 文献标识码：A

文章编号：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

夜视仪可用于夜间观测和拍摄，目前主要用于实用领域，作為玩具的夜视仪可玩性不足，用户参与度和体验感较弱，这与其视场角不足的技术现状有关，设计上应着力解决观察范围不足的痛点。结构方面要综合考虑产品易用程度、人机交互方式、功能创新性、美观度、环保特性以及整个生命周期等。

可玩性夜视仪除了要有足够视场角外，还需有清晰成像技术。“由于关键器件微光像增强器一直被发达国家作为核心机密封锁，我国微光夜视产品自主研发起步较晚，进展缓慢，但市场需求旺盛。”[1]基于夜视仪的旺盛市场与技术现状冲突，确立“你是我黑夜的眼”夜视仪设计要点以满足需求：1.设计一款好玩、好用、好看的产品；2.在现有技术条件下重点解决夜视仪视场角不足的难题，转换思维将夜视仪搭载无人机之上，实现360°无死角观看拍照；3.使产品佩戴舒适，让无人机折叠入仓头盔，解放双手；4.产品造型美观，满足用户审美需求；5.丰富产品功能，具有交互性和娱乐性。

一、设计指导原则探讨

（一）设计意义

（1）通过技术整合方式解决视场角（FOV）不足的业界难点，借用现有无人机技术和AMOLED曲面显示技术，再辅以AI技术，调整画面畸变效果，呈现大视野＼超广度的沉浸观看体验。（2）创新头戴式夜视仪的结构外观，实现更舒适佩戴体验，同时达到减重目的，推进人机互动关系。（3）引入5G、无线图传、短视频直播等技术平台，创新式提出构想“你是我黑夜的眼”，观看者跟随现场观测者脚步实时观看第一视角画面，获得沉浸式体验。

（2）夜视仪和无人机最早是军用工具，后经由军品-民品化、工具-玩具化飞入寻常百姓家。无人机进入人们的视野是从战争工具开始，用于无人侦察。大疆无人机之所以横扫世界无人机市场，是将用于军事领域的工具无人机民用化为玩具。极客发烧友们作为玩乐急先锋引领潮流，传递波及下游大众，无人机从小众向大众转移，量产增速带来成本降低，成本降低撬动受众扩大。另一方面，伴随玩具的普及，工具属性也再次被激发出来，并且冲破军事领域走向广泛的行业。夜视仪最早用于士兵夜间或光线不足侦查击毙敌人，军工民用化、工具玩具化[2]是夜视仪扩大市场的必选之路，“你是我黑夜的眼”是玩具化夜视仪的典型设计案例。

（二）设计目标

1.总体目标。围绕功能、外观、人机三方面统筹规划，整合设计一款全新的头戴式飞行夜视仪，将夜视仪、无人机和显示屏三大系统合为一体。

2.分目标一：好用。一款产品最先关注的点是易通性，即功能的实用程度，易懂，可视，在一定范围内降低用户的学习成本。本设计交互方式分为简易模式和专业模式两种。简易畅玩模式利用用户手机外置按键，包含音量键和关机键等实体按键，完成无人机的操控，以此减轻用户繁杂的操作负担，快速上手。专业模式配套相应App实现精准操作，完成高难度拍摄需求。通过红外微光融合技术、AI虚拟算法技术、强大的soc运算能力等可完成图像的准确输出，于夜间更清晰观测和拍摄。另外，组装拆卸难易程度也是重要的衡量尺度，无人机快拆结构与头顶快速回仓保证夜视仪的快速收纳，模块化设计将整个技术系统划分为若干个小组块，极大缩减装配时间。头戴设备主体采用流线型一体化设计，供电单元、控制单元、图像输出单元采用模块化分工，发挥1+1>2的运行表现。无人机也是模块化构件，电机系统、摄像系统、桨叶组件、控制系统共同构成开合灵活的轻量化无人机。结构减重，去除不必要装饰，通过独有的合页构件实现折叠，便于回收，携带便捷。通过人体头部结构和用户心理层面研究，设计符合人机工学：宜人的按钮，贴合头颅的人机曲线，亲肤的材料。产品本身的示能透过意符指示出来，例如设备中心的三角按键和箭头指示两个意符，指明无人机的弹出由其来快速省力完成。在原有技术基础上探究用户根本需求，提供更高质量使用体验，凸显产品易用性。

3.分目标二：好玩。为提升可玩性与参与感，满足夜间摄影娱乐的同时，白天也可遨游山川大河之间。将无人机插入头顶设备的预置孔中，即可实现近景一览无余，堪称“无极变焦”。该产品工作原理是：折叠式无人机搭载360°可旋转夜视镜头，拍摄并向环绕显示屏传输肉眼可见的实时影像。无人机回收入预置孔时，盘踞头顶微微下倾的镜头与眼部同时进行夜间观测；展开飞行时可去往人力难达之处，全方位多角度观测目标景物。折叠无人机搭载的夜视镜头为高清镜头，显示影像为全彩，可夜日两用，产品目标用户为（不限于）野外探险爱好者、技术发烧友等极客。夜视仪可解放用户双手，小巧便携的折叠机身使头顶重量轻量化，三大部件高度集成，尽显结构之美。半包围头盔，充分考虑透气性和炫酷感。借助fpv技术，推出俯冲游戏模式，搭配环绕显示屏，仿佛身临其境畅游星空之中。

4.分目标三：好看。“当代社会正在经历一场深刻的转型，审美化日益成为当代社会的重要组织原则并使其越来越像一件艺术品”[3]，按照美的规律来建造、具有未来科技感是外观设计追求。整体采用鲸鱼曲线流线型一体式设计，在满足人机工学前提下，打造最优美弧线。表面光洁的阳极氧化处理凸显产品的质感，多重配色供用戶选择。高延展性纳米材料便于调节尺寸，使头部更加舒适贴合。表面镀光亮铬，触感细腻，视觉舒适顺滑。绿松石兰灯带既有功能指向性，又渲染科技氛围，戴上它时眼前一亮。

（三）设计观念

设计观念遵循：（1）工具玩具化设计，贴合用户最新的可玩需求（2）以易用为目的五感设计，多通道刺激多感官体验（3）结构取巧功能集成设计，无人机为夜视仪视场角插上全周旋转翅膀，仿生仿物设计机翼莲花开合方式与中国鼎云台造型，使用最易理解的逻辑控制多功能合理有序（4）有限元修正设计，多次模拟测试机器安全性与极端条件稳定性，修改增强产品耐久度与鲁棒性。这些观念将约束“你是我黑夜的眼”头戴式飞行夜视仪的各部件设计。

二、头戴式飞行夜视仪功能结构设计

（一）夜视仪设计

夜视仪技术原理：1.基于红外与微光融合图像系统。（现有文献）2.红外夜视仪和星空夜视仪的光学图像融合系统。（现有专利）[4]

夜视仪主体包括头戴设备和摄像设备两大模块。其中头戴设备包含柔性外壳、发光灯带、调节按钮、OLED环绕显示屏、绒布内衬等，摄像设备容纳镀膜镜片、光线放大器、感光元件、传感器电路板、AI高速处理器（芯片）、镜头外壳、方形垫片等。绒布内衬提升用户佩戴的舒适度，减轻对新产品的焦虑感。对夜视仪影像系统的升级计划除了强大的硬件支持外，更重要的是人工智能介入后的高效图像算法，通过对数据库里庞大的夜间影像阅读分析，机器进行适宜的锐化与调色，输出令人惊叹的图像样张，如图1。

（二）无人机设计

“世界海关组织协调制度委员会（HSC）在第 62 次会议将无人机归类为‘会飞的照相机”[5]，借助无人机扩大夜视仪视场角是便捷的思路，可达成远距离广视角观测拍摄。

1.结构设计。无人机设计的重难点集中在结构方面，如何在有限空间塞入众多单元，第一步就是精简零件，重新布局。经反复试验确定碳纤维加强筋中空结构方案，为产品减重。在一定重量前提下，关键部位予以强化，即使遇到恶劣天气也能安全回巢，并且两侧设有4个避障传感器，与北斗导航强强联合，犹如无人机的定海神针。其次，要压缩产品体积，需整合最新的微型夜视技术，用创新式结构造型最大限度控制体量。亮点是中轴四向折叠单元，机翼开合引入荷花仿生结构。儿童模式会在紧急情况下安全锁死，为孩子保驾护航。

2.弹出与展开。回收仓底装有弹射弹簧，触发弹出按钮，无人机会在阻尼作用下缓缓弹出，送入用户手中。通过折叠中枢打开机翼，运行电机和其他装备。在快速完成自检后，无人机即可安全起飞，开展观测拍摄任务。

3.折叠与收纳。无人机折叠中枢是一个集成设计，把各个模块囊括其中。基于定位导航，无人机自动捕捉回收舱位置，精准落到使用者跟前。经由折叠中枢完成机翼与电机的收纳，插入夜视仪主体预留口，触碰回舱按钮，迅速自检并锁定，通过蓝牙技术连接画面，进行第一视角观察拍摄，并且开始65W快速无线充电，如图2。

（三）环形屏幕展示与配套App设计

环形屏幕由OLED柔性屏打造而成，可自由弯折，延展性强，是营造立体环绕视听效果的不二之选。随着柔性屏幕成功量产，其低功耗、可弯曲特性对穿戴式设备的应用带来深远影响。其缺点是不能折叠，等待未来技术支持折叠，外形将会更加多变。[6]

相较传统屏幕，柔性屏幕OLED更薄，“柔性电子具有柔软、透明、质轻、曲面的特性”，[7]可以装在塑料或金属箔片等柔性材料上。功耗低，有助于提升设备续航能力。同时基于其柔韧性佳的优势，耐用程度大大高于以往屏幕，可降低意外损伤概率，如图3。

为了降低用户的陌生感与学习成本，深入研究主流无人机App，保留其精准操作模式等一众功能单元，改造优化原有逻辑，舍弃不合理模块。多样化的使用场景匹配丰富模式，精简模式方便用户更快上手。可变色温呼吸灯带在起到点缀装饰作用的同时，更重要的是在夜间提示无人机所处位置，发生意外时可及时展开搜救，控制变换都要在管理中心进行，可调用云端服务器来完成用户指令。五感增强反馈体验（高反馈敏感度、高精度），多视角快速切换，具备多项辅助与控制提醒，操作流畅，界面友好。基于5G技术和短视频直播技术提出创新式交互模式，多平台互联直播，全球画面共享，快速构建开放玩家社群，打造平行世界，致力用户深度服务，形成以新老用户互助为主，设计师工程师反馈为辅的双核服务架构。

假设你的好友在非洲草原夜间观测野生动物，你只需躺于家中沙发，即可接收远自天边的讯号，实时互动交流，这就是“你是我黑夜的眼”交互模式。

（四）头盔的人机工学

人机工程学关心的是不同作业中人、机器及环境三者关系的协调，促进作业在效率、安全、健康、舒适等特性的提升。

第一点就是人体头部尺寸的适配设计，查阅《中国成年人人体尺寸（GB/T 10000-1988）》，发现（185mm，155mm）是人的头围长宽数值集中区域。参考这个数值制作一代油泥模型和二代石膏模型，把头部和面部数据导入计算机，通过电脑建模构建虚拟形态，为后续产品建模提供基准参考。夜视仪直接作用于人眼，查阅国家标准发现大部分人的水平面视野范围在+62°到-62°之间，垂直面的水平视野在+50°到+70°之间，基于这组数据划定了夜视仪视场的参考阈值。调研基础工作初步搭建起产品雏形也是最坚实的骨架，宜人性是首要标准。大结构确立之后着手细节和深化，不断分析用户行为数据，洞悉使用心理，找到本质需求和真实操作难点。确定无意识设计路线，关注功能情感结合，设计者与用户互相成长，用户提出问题，通过共情给予反馈，建立良性循环的互动关系。

（五）头戴式可搭载无人机夜视仪的外观设计

1.产品的CMF。CMF是Color-Material-Finishing的缩写，也就是颜色、材料、表面处理工艺的概括。查询潘通色卡，结合当季巴黎时装秀最潮色系敲定夜视仪有多款配色，除经典黑白配色外，更有极具科幻未来的星空银和薰衣草紫。这里特别提一下薰衣草紫，不仅因为它是主打色，而且据心理医学发现紫色对运动神经和心脏系统有促进作用，具有优美高雅、雍容华贵的气度。这样既符合产品定位及调性，更有助于塑造优质的品牌形象。

2.产品的材料。材料部分依据模块功能要求选用不同质料，注重材料的环保、可降解、可循环利用，展现绿色价值。关键部位环形屏幕由OLED柔性屏打造而成，其独一无二的可弯折性为环形屏幕实现提供条件。为了更好践行绿色设计理念，按钮以及无人机机体都采用了聚乳酸塑料（PLA）环保材料。聚乳酸原料充足，可以再生，主要以玉米、木薯等为原料，生产过程无污染，可生物降解，是理想的绿色高分子材料，3D打印机能兼容其完成高难度的有机曲面，生产制造快捷高效。夜视仪主体选材，考虑到要体现可调节可弯曲的特性，选择最前沿的有机高分子纳米材料，绝佳的延展性和伸缩效果为自适应头围调节提供基础。无人机结构强度不容忽视，主要受力点要做加强处理，除加强筋的结构升级，强度大、密度高、质量轻的碳纤维材料是首选。表面处理工艺提升产品的质感，为了给人以流畅自然的感受和极致的握持体验，特别选用表面阳极氧化处理。无论色彩、材料还是表面处理工艺，都不是各自为政的状态，而是相辅相成互为补充的系统整体。

三、静力学有限元分析验证

（一）几何导入

“有限元仿真技术应用于工业设计中，不仅可对产品在数字化设计阶段的各种工况进行定量分析，也可对产品在操作使用过程中的人机工程参数进行相关分析，从而提高工业设计的技术层次和工作效率，使设计参数更加真实可靠。”[8]对夜视仪的核心零件云台支架进行静力学分析，把有限元分析引入产品结构验证阶段，有利于发现结构设计的不足，进一步优化后期产品结构，提升产品效能。有限元分析以其模拟仿真的特性，可以胜任智能化產品设计方案的可行性分析任务。

云台支架负责承托夜视镜头模组，稳固图像的传输，达到镜头防抖的预期效果。原外观如图4所示，由主体、旋钮、插销和造型凸台组成。结构干练，各部分互相贯穿，造型灵感来源于中国古代的传统礼器鼎，具有美学品位和标识特征。东方化IP造型彰显云台稳定器外观的大气敦厚，表达东方人翱翔天际的美好愿景，此寓意可增强产品的形象力量，提升用户黏性。

静力学分析要进一步精简模型，ANSYS有限元软件将原有模型简化为图5所示：

（二）模型的网格划分

网格划分是把模型分成很多小单元，作为有限元分析的重中之重，网格划分与计算目标匹配程度、网格质量好坏，决定后期有限元计算的质量。简化后模型用自带Meshing结构化网格划分，基本网格尺寸设置为1mm，并对部分位置进行网格加密，节点数量为158212，单元数量为105065（网格加密受力部分），如图6所示：

（三）分析设置

1.材料设置。云台支架采用铝合金材质，强度高、质量轻、流动性好、充型能力强、耐蚀性好、熔点低，具有优良的延展性，便于组装制备和运输。铝合金材质属性列表如下：

2.分析载荷形式。由于云台支架使用过程中力的变化较小，假设其载荷形式不随时间发生改变，如图7所示：

3.边界条件的设置。首先对模型加入固定支撑，基于与其他零件的装配关系，需在所有插销上加入固定支撑，之后对模型施加不同的载荷进行对比试验。分别对云台模型施加1MPa，2MPa，3MPa载荷，观察此零件在不同压力下的变形及应力应变情况。

（四）结果与讨论

1.结果。施加1MPa，2MPa，3MPa载荷的情况如图8所示：

2.讨论。模型发生最大变形的位置是云台支架的凹槽底部中间部分。施加1MPa后变形的最大数值是0.0029496，施加2MPa后变形的最大数值是0.0058992，施加3MPa后变形的最大数值是0.0088487。由于约束的设置变形为0，于是最大变形在中间，与实际变形相符。满足材料的线性变形阶段变形趋势与载荷成正比。

模型发生最大应力应变的位置是云台支架的插销部分。施加1MPa后应力应变的最大数值是81.573，施加2MPa后应力应变的最大数值是163.15，施加3MPa后应力应变的最大数值是244.72。由于零件过渡阶段没有倒角，出现应力集中现象。另外，弹性变形范围内，应力=弹性模量×应变，所以应变变化直接决定应力变化。物体内部材料不均匀，形状不规整，直接导致受力后的变形不可能处处相同，如果材料或者形状突然发生很大变化，那么该处的变形就会突然发生，表现为应力集中。于是该模型的修改意见为在此连接处倒圆角，将外观结构进一步规整，而后进行二次有限元分析，以验证上述问题是否得到有效解决。此次有限元仿真模拟分析真实有效，与实际情况相符。

结语

夜视仪设计需要多学科交叉协作完成，国内关于夜视仪人机工程学、力学仿真、运动仿真、人体建模、试验等方面的研究刚刚开始，尚未形成完整规范的设计标准，开发过程必须引入科学严谨的力学实验以及各种量化参数来评估设计方案，使产品更为安全、舒适、可靠和人性化。

文中虽然对头戴式夜视仪的结构及材料选择进行了仿真模拟和有限元分析，证实了结构的合理性，但是“夜视仪附加的前倾力矩，容易使人疲劳，甚至在飞机大幅度机动时，容易引起其颈部受伤”[9]，智能控制和安全舒适方面仍需不断完善。这款可开合头戴式搭载无人机夜视仪的亮点是：给夜视仪插上无人机翅膀，巧妙解决静态视场角不足的难题；头戴式解放双手，无人机折叠入仓；环形柔性屏引入短视频直播，实现“你是我黑夜的眼”代理观测拍摄及互动新体验；分析核心部件在极端场景下的受力形变，于投产前模拟纠正。有限元定量分析显示结构设计合理，满足预期功能。▃

基金项目： 西安市社会科学规划基金项目：创意产业视域下唐文化基因图谱构建及应用研究（编号22TY09）

参考文献

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