摘 要

在如今科技快速发展的生活中，无人机从军事领域渐渐拓展到民用领域，涵盖到娱乐、农业、医疗等多方面，同时无人机在野生动物保护方面的作用也逐渐凸显。无人机在野外环境监控和动物调查领域具有极大的潜力，降低了生态保护相关人士的工作危险性。

本设计主要研究了仿生设计理论及其相关应用，同时结合空气动力学，分析用户使用场景，调查无人机在特定环境内的功能需求，对外观结构进行分析与再设计，从而达成设计目标。通过对双旋翼无人机的再设计，进一步扩大无人机在生态保护方面的应用范围。

研究结果表明双旋翼无人机在现有无人机应用方面仍属于探索阶段，国内外的研究成果虽然不多，但本次设计会针对用于野生动物保护的双旋翼无人机展开有益的尝试，为护林员、野生动物研究人员和环保人士等提供现代科技的有力支持。

关键词：双旋翼无人机；野生动物保护；仿生设计

ABSTRACT

In today's rapid development of science and technology, UAV has gradually expanded from the military field to the civil field, covering entertainment, agriculture, medical and other aspects. Meanwhile, the role of UAV in wildlife protection has gradually becomeprominent. UAV has great potential in the field of environmental monitoring and animal investigation, reducing the work risk of people related to ecological protection.

This design mainly studies the bionic design theory and its related applications. At the same time, combined with aerodynamics, it analyzes the user's use scenarios, investigates the UAV's functional requirements in a specific environment, analyzes and redesigns the appearance structure, so as to achieve the design goal. Through the redesign of double rotor UAV, the application scope of UAV in ecological protection is further expanded.

The research results show that the application of the dual rotor UAV in the existing UAV is still in the exploration stage. Although there are few research results at home and abroad, this design will launch a beneficial attempt for the dual rotor UAV used for wildlife protection, and provide strong support for forest rangers, wildlife researchers and environmentalists.

Key Words：twin rotor UAV; wildlife protection; bionics design

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 研究的目的及意义 1

1.3 研究的基本内容 2

1.4 预期目标 2

第2章 基于旋翼无人机的调研与分析 3

2.1 无人机的分类 3

2.2 用于野生动物保护的无人机 3

2.3 多旋翼无人机 6

2.4 双旋翼无人机 7

第3章 仿生设计研究及设计说明 8

3.1 仿生设计研究 8

3.2 基于仿生设计的无人机介绍 9

3.3 设计的相关说明 14

3.3.1 设计理念 14

3.3.2 用户及场景需求分析 14

3.4 材质、色彩、功能分析 16

第4章 设计过程及成果展示 18

4.1 方案草图 18

4.2 数模与渲染 30

4.2.1 数字模型 30

4.2.2 设计效果图 32

4.2.3 细节展示 36

4.3 原理及说明 39

4.3.1 工作原理 39

4.3.2 使用说明 39

第5章 结论 41

绪论

课题背景

现代科技飞速发展的同时，人类对于我们生存的自然环境状况给予了愈来愈多的关注。其中关于野生动物的保护则是被热议的话题，众所周知，保护野生动物就是在保护人类自己的生命财产安全。一直以来非法捕猎，偷盗野生动物的违法行径在世界各地十分猖獗，而无人机技术领域的不断发展在野生动物保护方面则展现出了优秀的潜力。因此，对于用于环境保护的无人机的研究与设计是十分必要的。

在科技快速发展的当下，无人机从军事领域渐渐拓展到民用领域，涵盖到娱乐、农业、医疗等多方面，而无人机在野生动物保护方面的作用也逐渐凸显。野生动物是自然生态系统的有机组成部分，事关生物多样性和自然生态系统平衡，是生态文明建设的重要内容。同时在今年年初，从武汉爆发的新型冠状病毒肺炎疫情，让人们意识到保护野生动物也是在保护人类自己，人类在面对自然时应当怀有敬畏之心。无人机在野外环境监控和动物调查领域具有极大的潜力，能极大减少人工防护的资源消耗，提高效率，降低工作危险性。

研究的目的及意义

调查资料显示，在国内外已经有了许多利用无人机进行野生动物研究的团队，在这些案例应用中，研究人员将红外热成像技术与无人机结合，有效提高了动物种群数量统计的及时性、准确性。传统情况下调查人员深入山地林区进行实地踏查，会威胁到人身安全，而无人机代替人力进行调查则能降低安全风险；在对野生动物进行调查工作时要尽量减少接触性干扰，而热成像仪的非接触特性则很好的实现了这个目标。不过，现行技术存在许多缺点，如无人机的续航时间短，一般在半小时以内，无法长时间观测；旋翼的高速旋转会在操作不当的情况下发生事故造成损失；飞行中电机旋翼声音过大，影响野生动物生活等问题。针对这些情况进行对双螺旋无人机的探索设计，使其适用于野外作业，能够有效解决上述问题。

双旋翼无人机在现有无人机应用方面属于探索阶段，国内外的研究成果虽然不多，但也具有借鉴意义。本设计旨在借鉴现有的双旋翼无人机研究背景下，通过分析和研究野外山林环境、野生动物保护方式、户外无人机的功能需求，结合仿生设计理论、空气动力学、感性意象理论和国家针对民用无人机所制定的安全条例等工业设计相关理论，来深入分析双旋翼无人机设计的造型需求，探讨更加符合功能需求以及审美需求的可行方案。同时研究双旋翼无人机的发展趋势，探讨概念性结构以及造型形式，根据理论支持下的合理分析，对双旋翼无人机展开有益的尝试。使双旋翼无人机的适用性更广，安全度更高，操作难度更低，从而有效应用于野生动物的保护中。

研究的基本内容

设计定位：通过桌面调研、问卷调研等途径搜集已有的野生动物保护技术以及双旋翼无人机的研究成果，以此为背景，通过比较分析得出较为全面的设计方向，提出产品初步功能与外观造型构想。

理论分析：通过资料搜集掌握整理市场上目前旋翼无人机种类以及在野生动物保护领域的应用，涉及到的技术方案、功能结构，保证其合理性与必要性。对所要依据的仿生设计理论进行研究与分析，将其合理的应用在本次双旋翼无人机设计中。同时运用用户画像的形式，模拟用户在日常生活中使用它的情景，基于感性意象的设计理论，得出需要考虑到的设计点以及设计需求。

技术方案：考虑无人机的构成系统以及主要结构，对双旋翼无人机在颜色、材料、结构等方面进行分析比较，为后续设计给出合理依据。在确定产品结构可行的基础上，进行产品造型设计。通过数据搜集、桌面调研等方式，探讨无人机设计的合理性，以及针对需要改进的地方进一步优化方案。

初步设计：在假定目标产品功能与使用情景的前提下，结合现阶段的发展趋势、现有的技术方案、以及仿生设计等设计理论，发散思维得出多个草图，绘制大量草图并不断进行筛选和优化。在此过程中，确定产品的功能以及实现该功能的结构造型。

深入方案：最终，再结合老师的意见从草图中选取一个为最佳方案进行深入设计。当结构与外形确定下来后进行三维数字建模，在建模过程中也可以进一步的分析与推敲形态。然后是完成设计的设计说明书和最终成果报告。

预期目标

本选题的目标完成时间按照学校发布的时间节点进行，预期完成如下目标：

1）分析总结无人机在野生动物保护领域的研究成果以及发展趋势；提出并进一步完善有关趋势研究的理论工具；

2）提出并完善无人机造型设计的理论工具：仿生设计、空气动力学以及基于感性意象的设计理论；

3）通过思维发散，理论分析，绘制多款无人机草图，经过研究讨论最终确定一个设计方案并将其完整实现，其中应包括方案草图，建模渲染效果图，设计说明，设计展板；

4）完成设计说明书以及后续毕业设计环节。

基于旋翼无人机的调研与分析

无人机的分类

随着无人机技术在国内外的迅速发展，与其相关的种类及用途日益鲜明繁多，以下根据无人机的平台构型、使用领域、尺寸、活动半径以及任务高度进行分类：

（1）按照不同平台构型来划分，主要有固定翼无人机、多旋翼无人机、伞翼无人机、扑翼无人机、无人直升机、无人飞船等。其中应用率最高的为前两种：固定翼无人机是军用和多数民用无人机的主流平台，特点是飞行速度较快；多旋翼无人机是消费级和部分民用用途的首选平台，灵活度较高、操纵简单、成本较低。

（2）按照不同使用领域来划分，可分为军用、民用和消费级三大类。这三类对于无人机的性能要求各有偏重：军用无人机对于智能化、灵敏度、飞行高度、速度等有着更高的要求，是技术水平最高的无人机；民用无人机一般对于速度、升限和航程等要求都较低，但对于人员操作培训、综合成本的要求比较高；[^[1]]该类无人机在政府公共服务领域有极大的市场潜力；消费级无人机一般为多旋翼平台，成本较低且便于人员操控，多用于航拍、游戏等休闲用途。

（3）按尺度分类（依据民航法规），无人机可分为微型无人机、轻型无人机、小型无人机以及大型无人机。

（4）按活动半径分类，无人机可分为超近程无人机、近程无人机、短程无人机、中程无人机和远程无人机。

（5）按任务高度分类，无人机可以分为超低空无人机、低空无人机、中空无人机、高空无人机和超高空无人机。[^[2]]

根据上述无人机类别结合本次无人机设计的目标，可知所要设计的这款无人机属于政府公共服务领域的民用双旋翼无人机。同时，本次无人机设计的目标应用领域在森林监控与野生动物保护，其功能应当符合相应的尺寸、活动半径、任务高度，以便为无人机的实际可行性设计提供现实环境支持。

用于野生动物保护的无人机

虽然关于生态保护的呼声在国际上一直高涨，但是无人机在这类应用领域的出现才刚刚开始，因此专门设计应用于这一特殊领域的无人机相对较少，大部分的用于野生动物保护的无人机只是在普通的消费级无人机的基础上进行简单的改变，或是直接装载上红外摄像机、人脸识别传感器、警报仪器等。不能够实现艺术设计与科学技术间的和谐统一，达到造型和机能上的理想形态。列举三款国内外市场上较有代表性的环保无人机，如下：

（1）臻迪Power Eye无人机（图 2.1）搭载红外可见光一体相机，并在空中实现红外相机与航拍相机的切换，能够探测到肉眼可视范围之外、茂密丛林中掩藏的动物和人，并能够实时流畅的回传高清录像及动物与偷猎者的红外成像。在10米范围内出现的障碍物，会由Power Eye配备的障碍物监测传感器检测到并且自动触发警报；续航时间可达29.5分钟。同时这款无人机产品具有易携带、易操作的功能特点，能促进野生动物保护更加顺利地进行。

图 2.1 Power Eye

（2）飞马F200（图2.2）无人机携带的高分辨率正射相机, 可从高空对划定的区域 进行对地拍摄，从这些极高分辨率的影像图中，普查人员就能够甄别出各类野生动物的种群以及数量。飞马智能航测系统可在短周期内，对较大面积的野生动物活动的主要区域进行完整的拍摄并获取数据，其影像数据也可同时用于生态及环境监测。针对一些安装有GPS定位跟踪的动物个体，可以根据其坐标，制定航线进行跟踪拍摄，掌握其种群的迁徙及变换。在未来，随着相关数据处理以及统计软件的发展完善，无人机用于野生动物考察，将成为常规必要手段。