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基于仿生学的四旋翼飞车概念设计
关键词：概念设计；四旋翼；飞行汽车；仿生学
摘要：随着工业的发展和社会的进步，一种既可以像汽车一样在路面上行驶，又可以像飞机一样在空中飞行的交通工具已成为国内外研究的焦点。仿生学设计方法和空气动力学设计方法，在与美学原理结合的基础上，通过对四旋翼飞机结构的研究，飞机起飞模式非常适合飞行汽车的起飞：垂直起降飞行汽车的设计灵感，四旋翼飞行汽车与四旋翼飞机起飞；通过仿生设计方法和气动优化方法来精简风格。使用三维软件建立一个模型，设计一辆既漂亮，又能满足垂直起降要求的四旋翼飞行汽车。
介绍
当第一辆汽车诞生于1886年后，汽车就推动了社会的进步，并且成为了人们日常生活中不可缺少的一部分。但是在二十一世纪，短短十几年间，汽车就进入了跳跃式发展的阶段，汽车保有量持续增加，因此爆发了城市交通堵塞。面对如此巨大的交通压力，一种新型的运输工具—飞行汽车，将被时代所召唤。
国内外飞行汽车发展的历史开始于二十世纪初期。即便飞行汽车没有像汽车那样受欢迎和普及，许多发明家仍然对此高度重视。飞行汽车不仅能像汽车一样在地面上行驶，还可以在空中飞行。作为一种新的交通运输概念，飞行汽车已经在国内外形成了一种研究热潮。飞行汽车是飞机和汽车车身的结合体，有了飞机和汽车后，人们开始尝试将飞机和汽车结合起来设计出飞行汽车，看起来这个想法似乎是完全合乎逻辑的，但这个想法是一个非常复杂的过程，很难实现。
1986年，被誉为现代飞行汽车先驱者的泰勒·摩尔，他将现代汽车和航空航天技术，发展成一种既可以在地面上行驶，又可以在空中飞行的汽车，使得人们对飞行汽车的渴望变成现实，因此，已经获得美国政府颁发的飞行许可证。在20世纪90年代，飞行汽车的设计更加优化。由美国特拉弗吉亚公司过渡设计的飞行汽车，解决了Moulton Taylor驾驶飞行汽车时因机翼太宽而影响日常使用的问题。特拉弗吉亚公司在飞行汽车上运用计算机技术，配置了电子计算机，可以用于在空中飞行时调节平衡。与此同时，飞行汽车还配备了空气动力缓冲器，配备了安全气囊和更多的GPS卫星导航系统。虽然过渡飞行汽车是飞行汽车设计上的一个巨大突破，已经解决了一些问题，但是不能解决飞行汽车在飞行前的问题，因为汽车需要起飞，所以需要远距离启动机翼，更需要滑行进入动力状态，因此，过渡飞行汽车仍然存在一些被忽视的缺陷。总部位于斯洛伐克的Aeromobil公司于2014年10月29日在奥地利举行的“先驱节”上推出了Aeromobil3号飞行汽车。这个飞行汽车可以完成汽车和飞机的双重任务，它能在短时间内从汽车模式转换成飞行模式。当汽车高速行驶在地面上时，机翼可以折叠，不会占用太多宽度。这个设计是一个重大的突破。
仿生设计方法
飞行汽车的外形设计是一个科技含量高、技术与美学相结合的设计类别。适当的设计方法的使用对飞行汽车的实现有着重要意义。仿生学是对一种生物或一组生物的研究，以提炼形状、结构以及其他生物元素来设计产品或发展新的技术和科学学科。在工业设计的历史上，许多产品、运输机和汽车等都应用了仿生学。另一种是特别典型的，仿生学被应用于汽车设计中，改进了汽车外形，甚至促进了运输业的蓬勃发展；仿生产品的设计，以严谨的仿生学理论设计出非常美观、艺术的造型，反映了仿生设计的艺术性和科学性。因此，飞行汽车的设计也应该充分利用仿生学，以此使飞行汽车的外形更加完美。
仿生设计方法的研究较为复杂，设计者首先选择一种生物作为研究对象，通过对生物及其生理特性的感知，在抽象元素的基础上总结它的生物学原理和生理结构。接着建立仿生设计的概念，并且设计各式各样的草图，对产品设计进行概念改变，在此过程中必须遵循美学原则，最后得到最终方案。
仿生设计是一种系统的设计方法，对飞行汽车的设计有很大帮助；在设计的概念和外形上运用仿生学，会让设计变得快捷，整个计划会显得协调；仿生设计反映了基础需求的扩大和升华，以及一般线条的意义，它体现了对人性的一种人文关怀。比如，甲壳虫仿生设计的成功证明了仿生设计在汽车产品中的优点，作为汽车和飞机的结合体—飞行汽车也应该应用仿生设计进行设计。
四旋翼飞行汽车的定义
四旋翼飞行汽车是飞行汽车家族的新成员，它是一种基于四旋翼飞机框架的飞行汽车，这是一种新产品。它的定义来源于四个旋翼飞机。四旋翼飞行汽车拥有四旋翼飞机的优点，比如操作简单、无条件的垂直起降等。
四旋翼飞机和结构框架
四旋翼飞机，也被称作四旋翼直升机，拥有四个螺旋桨，并且螺旋桨是方形交叉的。它具有包含六自由度（位置和姿态)和四个控制输入（转子转速）的欠驱动系统，具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感性特征，如图1所示。
四旋翼飞机的直接动力源由四个对称的绕旋翼组合而成，以提供水平相同的四旋翼分布，并且旋翼半径完全相同，当然，它们的结构也是相同的，所以飞机的结构对其在空中维持平衡是非常必要的。图中1和3是逆时针旋转，2和4是顺时针旋转，如图2所示，中托架飞行器空间飞行控制计算机和托架两端的外部装置均对称布置有四个发动机。
四旋翼飞机的结构优点是需要使用飞行汽车作为参考。从四旋翼飞机的结构来看，通过使四个发动机在空中相互规则旋转来实现六个自由度，以及六个自由度在空间内的变化可以根据需要随时改变，这主要是因为飞机飞行控制系统的搭配，可以根据不同的飞行模式和飞行环境的不同需求有多种飞行模式实时智能切换。四、旋翼可以实现垂直起降，四个发动机剧烈运转，四个旋翼为垂直起降提供充足动力，无需滑行，在任何情况下都可以实现起降。这也是飞行汽车将会学习的起飞方式。四旋翼飞机的主要动力是由四个发动机提供的。在那之前，还介绍了如何在空间中实现上升、下降、前进和后退的飞行路径。同时还有一些计算机系统可以控制飞机的各种飞行模式，实现自动驾驶并不困难。计算机系统控制飞行汽车的飞行模型，在飞行过程中自动驾驶的能力也是需要考虑的一个问题。
图1 四旋翼飞机 图2 结构形式
垂直起降模式
通过介绍四旋翼飞机来提出四旋翼飞行汽车的概念。飞行汽车可以使用旋翼结构来满足垂直起降，接着要考虑四旋翼飞机，根据汽车车轮和四旋翼飞机的机翼可以结合的特点来设计，这种设计也能解决飞行汽车奇怪的外观。
四旋翼飞机由四个旋翼，汽车由四个车轮。最初的想法是车轮和机翼相结合。如图3所示，在飞行模式下，操纵旋翼，收回车轮；如图4所示，当路面行驶时，收回旋翼，操纵车轮。飞行汽车的飞行模式和行驶模式可以随时切换。
图3 飞行模式 图4 驾驶模式
四旋翼飞行汽车设计过程
在四旋翼飞行汽车的研究过程中，通过对四旋翼飞机所设计的结构和性能的研究，与汽车相结合，首先基于仿生学设计理论，引入美学原理，设计出一个大概的形状，然后在气动外形设计过程中引入飞行汽车空气动力学知识，接着结合当地的审美观念调整飞行汽车，绘制出草图，最后使用Rino公司的3D建模。
四旋翼飞行汽车概念设计过程：研究汽车和四旋翼飞机的组合；仿生学理论和美学理论；飞行汽车草图；运用空气动力学理论；飞行汽车的气动外形；结合地方设计美学原理的分析；草图；三维建模；呈现。
四旋翼飞行汽车的概念设计
飞行汽车的整体造型草图
飞行汽车只有在垂直起降时才可以不受限制的条件下，表现出英雄气概，所以飞行汽车的定位是垂直起降。在紧急情况下，飞行汽车表现出跳跃样子，四个旋翼的状态让人想起四条腿的生物，会忍不住想到“青蛙”，如图5所示。
青蛙在地面上跳跃的方式与飞行汽车垂直起降的跳跃是非常一致的；青蛙的四条腿可以收缩和伸展，在定义旋翼速度之前收缩和下降是很好的；流线型外轮廓是青蛙与理论上的空气动力学可以很好地结合，没有冲突。将以“飞跃”的理念进行仿生设计。
图5 青蛙与飞行汽车
这款飞行汽车的草图和程序不同，主要以“上帝”为仿生学基础。对青蛙的外观进行系统性研究，与青蛙的行为方式相似。脊柱前凸粗大，轮廓线经过流线型处理，线性比例是为了使处理效果变得柔软而多变，同时具有蛙头精神。车身宽度变化较大，长宽比接近于1，并且四个旋翼的长径比相同，稳定性会更好，安全性更高。当然，气动外形将会减少，这不是主要因素。
气动优化设计和美学设计的结合
在方案中可以通过实验模型获得的空气阻力相对较小，但是这个模型不是最后的结论，对这个模型最初的设计没有考虑后视镜等配件以及汽车等细节的空气动力学和美学原理因素。为了得到完美的设计方案，对飞行汽车的正面、前后灯、旋翼结构和驾驶室进行气动优化设计，同时结合美学原理设计出一个成功的方案。
整个车身轮廓的灵感来源于青蛙的身体线条。在研究了青蛙的外形之后，它将对更精致的外形进行了改进，并进行适当的夸张和修饰。汽车优美的背部弧线与驾驶室的轮廓曲线完美贴合，三个弧形玻璃窗与驾驶室外形完美契合，诠释了空气动力学和美学的完美结合。
飞行汽车正面概念设计
正面部分包含所有车灯、保险杠、商标等等，由于飞行汽车将使用电能输出，进气栅格将不会占用大部分前表面，正面的大部分将是整个表面。设计中要协调安排好过渡关系，应该谨慎适当处理，且每个组成表面的外形应该注意虚拟和真实的变化，宽松和紧密：一般在一个大空白处布置精美的商标，起到点睛的作用。
如图6所示，前保险杠部分为凸面外形，而且过渡部分是光滑平顺的，使气流可以顺利分裂并转向后面而不被阻挡。在前保险杠的位置和车身之间形成一个完整的结构，而间隙、阻力和升力则大大减小。
前、后大灯设计
车大灯设计：车大灯就像人脸上的眼睛，如图7所示。车大灯的设计灵感来自于狐狸的眼睛，狐狸有一双灵性而敏锐的眼睛，为了提高汽车的敏捷性，你可以设计和狐狸眼睛相似的车大灯模型。车大灯经过夸张处理后，增加了它的轮廓曲线弧度，呈现在全身光华洁净的面部，锐利的眼睛充满灵性，与前下巴的厚车线形成对比。
飞行汽车旋翼结构设计
如图8所示，飞行汽车旋翼结构的设计结合了车轮结构和旋翼结构，而且车轮和旋翼的动力来自于相同的发动机。在飞行模式下，放下支撑架，撑住飞行汽车；将车轮向上转动90°，与地面平行，旋翼打开，旋转后即可工作。当在地面行驶时，车轮下降，旋翼折叠并隐藏在车轮里面，支撑架收回，车轮即可工作。旋翼可以折叠，以此增加旋翼的长度来增加旋翼工作时的升力。车轮转动机构是一种特殊的形状，具有流线型球形罩，与流线型外观整体速度一致，起连接、旋转的作用，车轮具有水平或垂直的球形罩，从而可以切换飞行和驾驶模式。
图6 正面设计 图7 前照灯设计
飞行汽车的三维外观模型
建模应确保模型与真实物体的形状完全相同。第二，要考虑模型表面的细节，因为它直接影响到模型的编辑和着色效果。根据草图选择的方案，使用Rino公司的建模软件，结合空气动力学相关内容，设计模型。
图8 旋翼结构
如图9所示，以“青蛙”形状和方式作为设计元素的汽车设计，通过巧妙地设计和优化，结合美学原理，兼顾飞行模式和车辆模式，突出飞行汽车的独特形象。
图9 飞行汽车三维外观模型
车头下沉，车尾抬起，表现它的进攻性，有只青蛙跳了起来，准备发起冲击；正面以青蛙形状作为灵感，通过精炼它的外形元素，向前倾斜，倾斜角度突出。面罩与正面和保险杠完美相连；车身外形表面与驾驶室成为整体，车门隐藏，没有明显的边缘。其他的狐狸眼车头答灯，非常显眼，以此增强精神上的感觉；轻巧的保险杠，外形简单却优美，这是为了突出大灯尾灯独特的魅力；精致而灵性，尾灯半开放式设计，灯的底部突出尾部的迷人和动感；保险杠和车身会合后，过渡平滑，后保险杠看上去更加有力、动感；车顶驾驶室设计，三个巨大的弧面玻璃结合，像一个巨大的面罩，并与车身表面融为一体，改善了整个空气的动力表现。
结 论
本文主要设计了四旋翼飞行汽车的外形，探讨了两个需要解决的问题。一是设计适合垂直起降的飞行汽车，二是使飞行汽车的外形漂亮。
通过对四旋翼飞机结构的研究，可以发现四旋翼飞机的起飞模式非常适合飞行汽车垂直起降。因此，飞行汽车的设计灵感来源于四旋翼起飞。采用仿生设计方法和空气动力学方法来优化设计样式。建立三维模型去设计一个外形优美、原位飞行的四旋翼飞行汽车。
这项研究表明，一般飞行汽车的设计，有许多漂亮的东西，却很少实现垂直起降，而这种四旋翼飞行汽车的设计，旋翼和车轮的结合，旋翼的隐藏和垂直起降的原理，既满足美学又实现了功能。这是值得研究的飞行汽车。它需要更多的人去研究和设计它。
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