基于语义学的植保无人机外观设计

左丹阳　石洁

关键词：产品语义学 植保无人机 外观设计 产品形态 语义分析

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2022）09-0149-04

引言

我国作为第一农业大国，每年在植保作业方面人力投入巨大，大部分地区仍采用传统手工和半机械化方式。据了解农村人口急剧减少和大量土地荒芜化，劳动力严重不足。相比发达国家，我国植保无人机处于初级阶段，但随着科学技术的提高也开始投入农业生产。然而作为农用机器外观一直没有改善，设计人员可依托设计方法为植保无人机的外观提供全新的面貌。

一、产品语义学的概述

语义学是研究语言符号意义的学问，1950年德国乌尔姆学院首次提出产品语义学概念，把对研究语言的方法运用到产品设计中，美国工业设计协会对其定义为研究人造物在使用环境下的象征意义[1]。它突破了人机工学理论只对人的物理及生理机能的考虑，将设计与人的情感因素结合。根据马斯洛层次需求理论，人们在满足基本需求后对产品提出更高层次需求，要求产品造型除了表达功能目的外还要通过语义特征传达文化内涵。

二、喷药植保产品研究现状

据调研，我国植保机械以传统手动和半自动油动喷雾器为主[2]，针对我国市场现有植保产品调研并进行SWOT分析，发现存在效率低下、安全性小、不合理，美观度不足等问题。

三、无人机在植保中应用分析

（一）无人机在植保作业中的优势

无人机投入农业生产，解决了人力不能完成的工作，对我国农业发展提供了新的契机。无人机的应用促使我国从传统向现代化农业过渡，弥补了农业上的短板。其引入农业原因之一是工作效率高、减少了人员与药物的接触。二是喷洒药物效果好，穿透能力强，提升了植保作业的质量。三是减少用了药量、用水量和环境污染[3]。

（二）植保无人机产品分析[4]

市场上以大疆、极飞和一些中小型企业为主，产品技术和使用性能参差不齐。市场上流动比较多的为电动式多旋翼植保无人机，据调研这类无人机操便于维修、成本适中，缺点在于续航能力差，承载力小，所以本研究将围绕电动多旋翼植保无人机进行调研分析。

1.大疆T40植保无人机

T40结构上采用倾斜式桁架机身，提升了承载量。共轴双旋翼的设计，通过产生强大的风场使喷洒效果更好。机臂可折叠，在运载过程中减少了体积。为满足农田复杂恶劣的环境要求，材质的运用上选用防水、防尘、防腐蚀、高低温、长时间老化等新型材料（图1）。

2.极飞P80

此款无人机采用横梁对称式机身结构，提升了载重能力。采用盘式电机和空气动力学桨，提供高效、持续、稳定动力和减少了机臂震动。机架采用碳材料，强度大，抗腐蚀性强。电池采用耐温材料，高温时实现自动停飞。各部件之间采用模块化设计，降低了维修成本（图2）。

四、产品语义学在植保无人机中的分析

目前无人机外观设计的方法有形态语义法、结构移植法、部件模块法、人文关怀法、自然仿生法、艺术审美法等[5]，由于专门用产品语义法研究农用无人机很少涉及，所以本研究将通过分析产品语义与形态语言之间的关系，为植保无人机外观提供新的设计思路。现有植保无人机造型单一同质化严重、结构不合理、人机交互差、颜色简单、材质无质感等问题相当突出[6]，原因在于发展时间比较短，一些企业最近才开始转向农用无人机领域;其次处于硬件研发和性能测试阶段，忽视了产品形态和情感表现方面。最后是为了降低产品成本大多为组装机，各个功能部件之间简单罗列缺乏系统性设计。无人机作为特殊农业工具与其他产品区别很大，在设计时既朝着个性化方向又要朝着完美化发展。

产品语义法在各个领域的应用已经相对成熟，其设计方法是以人的视觉交流为中心理解产品传达的外延性和内涵性语义。产品通过形态讲述自己的使用方式、使用情景[7]，例如当在电子产品上看见圆形按钮时表示开关，在大型设备上看见红色表示危险等。产品形态的表达涉及到技术、设计师的审美和价值观念等方面是一个非常庞大的系统，也是最直观、最直接接触到使用者的要素。对于产品设计来说，功能是产品设计的目的和最终结果，而功能的存在必须要依附于产品的形态和结构之中。然而产品在满足基本的功能后，除形态特征外还承载着特定的文化和情感属性，满足使用者与设计人员之间的情感交流。所以植保无人机在色彩、造型、材质的运用上要根据使用场景、功能特点、情感诉求等设计，这些因素最终都会影响到整个作业过程的效率和效果。

五、基于产品语义学的植保无人机外观研究

（一）语义提取

从大自然中选择提取对象，考虑到既有自然形态的亲切感又传递出深刻的思想情怀。经过调研选取鹰作为提取对象，并分析其物理形态（颜色、形态、材质）和内涵意义，从而激发产品外观设计的创作灵感。

1.鹰外形特征分析

鹰属于隼形目，猛禽类，不同于一般的家禽，生性凶猛，体型粗壮，翅及尾羽长而宽阔，扇翅较慢，两翼发达，善于飞翔。双目犀利有神，四肢强健有钩爪，形状类似于钩子以至于非常尖锐，从高空能准确发现小动物，体形较大的甚至可以将鹿的脊椎折断，甚至可以携带几十斤动物飞行。

2.鹰内涵意义

鹰非常凶猛，在天空翱翔时非常壮观，所以长久以来许多国家和部落用以象征权力、自有和独立。中国对鹰的描绘可以追溯到原始社会时期，多在石头上绘制图腾以象征神明，随后的象形文字、仰韶文化鹰形陶鼎，商代青铜器上的鹰形装饰纹样以及秦汉时期鹰玉饰品、画像石画像砖中都可见鹰形象的存在[8]。鹰在我国是众多画家表现的題材，最早的记载可上溯到晋唐的宫廷绘画。画家笔下的鹰有的雄姿英发鹰击长空，有的栖息在悬崖峭壁之上，虽然画家们表现鹰的不同状态但共同点通过鹰表达自己的思想感情。八大山人、石涛、齐白石、黄胄、李苦禅、徐悲鸿等人，都善用鹰表达心中志趣;鹰在诗篇中用以表达积极向上以及顽强不屈的生命力和斗志。

（二）造型语义研究

造型是产品与使用者接触时的第一印象，通过大小、尺寸、比例关系等元素展现产品信息，并传达给使用者设计理念和产品的使用方式，减少无效的使用说明书。产品设计与语义学结合应符合人们心理认知情况，在设计时先明确产品的使用功能，在对其进行优化处理。无人机整体设计及各个部件，其长度、宽度、弧度要符合人体构造，特别是直接接触部位，给予适度感、舒服感、安全感。在鹰形态上提取元素，不会造成设计语义间的生硬并且在产品形态上也具有很好地装饰作用。提取鹰的整体和局部的形态特征，融合鹰的形态与植保无人机造型呈现出具象或抽象的相似性，再结合产品使用语境加以运用和延伸，设计出符合使用者需求的产品造型。

着重提炼了鹰遨游天空展翅时的形态特征，联想到植保无人机工作时恰似雄鹰猎物时的状态，使用产品语义学中的换喻修辞手法，直接暗示使用者该产品用途也增添了产品与人之间的距离感;农用大型机械的结构对产品外观也产生很大的影响，鹰的骨骼坚朗，四肢雄壮有力，给人心理产生坚硬、稳固等语汇。设计时考虑到无人机机架部分能够完美的与鹰的骨骼生长产生联系，用鹰的身体主骨骼表达机臂，两只鹰爪巧妙的担任无人机机腿部分。因此，用结构语义向使用者传达无人机机架部分的用途、结构、安装等功能的设计意图;鹰腹部是保护鹰内部器官的关键部位，在设计植保无人机药箱位置时保持与鹰腹部位置一致，用鹰的生理结构与药箱安装位置自然产生联系;充分对鹰头部形态特征进行了分析，鹰嘴尖锐无比，视觉上非常具有冲击力，提取鹰嘴曲线特征运用到无人机机壳设计上，对无人机前后方向给予很好的导向性指引;将鹰的羽毛单独进行分析，根据羽毛的形态提取外轮廓线，处理后应用于螺旋桨的设计上，传达出旋转有力和轻快的语义。

情感上的表达是一种抽象性的概念，需要通过造型语言进行表达。鹰在人们的头脑中具有多方位的情感，在本设计上引用鹰与英的谐音，象征着此款产品英勇耐用结实，使人们产生信赖感。植保无人机的的设计应更加重视产品内涵性语义对形态的影响，在编码时充分考虑到植保人员的个性差异和理解程度，通过造型把设计理念最大化的传达给使用者。

（三）色彩研究

此部分将着重分析色彩语义与植保无人机产品使用颜色特性，遵循基本的色彩设计原理。色彩会影响无人机的产品结构，原因在于无人机的设计要传达出结构是安全的、稳定的。为此，可以通过色彩语义控制产品不同部位颜色的配色，同时也要符合基本的色彩设计原则，最终就能达到无人机在使用者心理上的平衡感。此外也可通过色彩的虚实变化、轻重感、比例等的变化，弥补产品由于造型、材质、加工工艺等方面的不足。植保无人机不同于其他类型，颜色选择要符合农用机器特点和起到警示安全的作用。通过调研发现之前的植保无人机设计中选取平和、单调的颜色作为底色，辅以其他颜色进行点缀。颜色搭配上比较随意，在植保作业过程中会对使用者产生视觉疲劳和辨识度低等问题。

根据日本学者对色彩能见度测试，得出蓝黑搭配能见度相对高、白黄搭配能见度较低（表3）。加之农用无人机使用环境多在绿色植被多的环境下，颜色的搭配上应与环境色产生差异，易于使用者辨别。人类所接受的信息90%来自视觉器官[10]，色彩作为产品要素之一不断地刺激人的生理和心理感受，比如红色、蓝色、绿色等颜色产生不同的心理感知（表4）。不同的人群对颜色的需求感是不同的，比如男性对产品色彩要求具有坚强、阳刚等特点，所以男性使用的产品颜色的选择上为低明度、冷色系、硬色调。通过分析颜色对人心理产生的感性词汇，在产品之间梳理出有规律的色彩搭配。日本色彩研究所（NCD）开发的色彩形象系统，该系统共分为X-Y坐标，横轴是冷暖纵轴是软硬（图3）。此系统建立了色彩形象、风格词汇的关系，比如第四象限中越远离坐标原点就越现代化、理性，色彩给人的心理会产生现代、刚毅、坚强之感。对于农用型无人机色彩的搭配选择上要体现高效、安全、稳定等功能特性，因此通过色彩形象系统选取偏冷偏硬的色调。色彩对人产生的感觉是感性的，在设计的过程中通过理性思维具体呈现到产品本身，在设计人员和使用者之间搭建色彩的桥梁。

（四）材质研究

材料是构成产品要素之一，通过质感影响产品形态特征和对使用者的感受。质感是材质所呈现在色彩、光泽、纹理等特性的综合表现，材质语义作为特殊的设计语言既能表达设计人员的创作意图也能作为沟通的纽带传递讯息。对质感的研究可分为两部分一是产品所具有的物理特性，二是材料对人视觉和触觉上产生的生理反应 [11]。在选择材料时要考虑物理特性比如是否轻量、抗腐蚀等问题，在无人机的设计中低成本、轻结构、长续航等要求贯穿于设计的全过程，轻结构是设计人员极力探索的方面。想要有更大的载荷量、续航能力，就要通过使用更加轻量化的材料。通过调研发现我国研发出复合材料具有强度高、易于成型等特点，更重要的是可以减少机身重量的20%-30%，对此材料所具备的物理属性人们通过视觉和触觉的感受后也能产生轻量化语义;另一方面无人机使用过程中不可避免的要与药物接触，材料可借助于表面处理技术达到防腐蚀和美化外观的作用。塑料作为日常使用材料，种类丰富、成型简单、透明性和可塑性强，无人机机壳和药箱材料的选择上是首选，通过表面处理技术减少水、药物、空气、太阳光等外界因素的侵蚀问题。

同时也要考虑到材料表面特征对人产生的感觉特性，结合联想回忆过往经验，从而形成丰富的感性词汇。如木材产生自然、亲切、温暖、舒服、粗糙、温馨、古典、轻质等感性词汇（表5）。使用者先通过肌肤感知材料特性，随着经验的积累通过触觉加视觉感知材料，但现在一些人工材料，通过改变肌理和表面材质就能达到同材不同质、异材同质的效果。所以在无人机的材料运用上改变材料表面特征，既能满足材料物理属性又能满足材质追求的语义。通过不同材质的搭配收获不同的情感反应，塑料富有清洁、可触感等，金属具有光滑、高科技现代化之感，若將二者材质搭配对产品产生和谐、统一的感觉。植保无人机的材料想要呈现出理想的效果，必须综合考量材料的特性，对材质、肌理等方面充分对比和测试。通过了解和掌握材料的材质语义，赋予植保无人机生命是外观设计的重要原则，在这个过程中也要了解材料的物理属性与感觉特性，给使用者在视觉和触觉上带来完美的感受。

（五）植保无人机使用人群分析

植保无人机购买人群集中于专业植保队和少部分传统农业从业者，操作这种大型的无人机需要前期的专业训练并取得飞行驾驶资格。针对两种主要人群进行了用户访谈得到：传统农业从业者对外观的要求比较低，更加看重机器使用寿命和维修成本。对于机器性能多样性不考虑，希望机器操作简单易上手。他们更加期待拥有小面积农田使用的植保无人机，节约时间提高效率的同时经济成本低廉;专业植保人员更加了解机械性能参数，在购买时考虑机器之间的性能差异、讲究实用性。但随着植保工作时间增加会产生乏味感，所以外观也是他们是否购买的一大因素。在访谈中得知由于植保作业条件艰苦，专业植保人员主要以男性为主，年龄阶段在20-60岁并不固定。

根据使用人群不同分别做了用户访谈，得出在设计产品外观时着重考虑专业植保队，在材料，颜色，形态的考虑上分析他们认知习惯的产品语言。这部分人群喜欢从事一些个性具有挑战性的事，追求刺激感来满足他们好斗的内心世界。他们对科技电子产品的热爱非常高，對于一些电子产品的参数和配置都很了解。他们喜欢追求速度感，因为速度能带来激动、兴奋感。综合分析使用人群特点以及他们的喜好特征，考虑到造型、色彩、材质各要素之间也是相互作用、相互影响，不能针对使用人群单独分析其中某一要素。

（五）设计实践

1.产品定位设计一款大型农用喷药无人机，该产品的使用人群为20-35周岁的专业植保人员，主要功能用于喷洒农药进行平原、水田作物和山地花果植物的防治工作。造型稳重大气富有现代科技感，颜色具有冲击力。

2.造型设计

设计一款六旋翼植保无人机，六旋翼相比于四旋翼更加平稳安全，比八旋翼重量更轻。为了增加药物喷洒范围，每个机臂下面均设计双喷头。机壳有上下两部分组成，通过指向性语义告诉使用者前后方向，方便使用操作。上机壳表面两条圆滑的曲线减少了风的阻力，下机壳与机架通过固定件相互连接，机壳内部可放置中传、数传、飞控控制模块。为了保持飞行平稳，药箱位于机壳下部。

3. 色彩设计

色彩搭配上最终确定蓝黑色彩搭配，黑色带给人一种稳重、安全、可靠的视觉印象，机壳部分以蓝色为主，小面积的冷色调打破主色调的单调与沉闷之感，在辅点缀橙色起到提示安全警示的作用，整体的色彩搭配不仅符合使用者的心理需求也能达到设计人员想要传递出的设计理念，减弱了使用者对大型植保产品呆板的印象。药箱颜色选取透明白色，非常直观地看到药液存留情况。机壳的尾部有启动灯设计，当无人机正常时绿色长亮，故障时红灯闪烁。

4.材质设计

无人机机壳部分使用新型复合材料，视觉上给与人产生平滑感，细密光泽，表达一种圆润轻巧之感，加之这种材料轻便不易碎增加了产品的使用寿命;机臂选取碳纤维杆，表面带有肌理感，具有一定的承重力、重量又轻，支架部位选用碳钢材质主要考虑到承重的问题，药箱由于需要承载抗腐蚀性强的药液所以选用ABS塑料，成本低廉又易于更换。

结语

本文通过研究产品语义学和分析现有的植保无人机，得出用于农用无人机与消费机无人机有很大区别，并从产品语义学的角度深刻剖析植保无人机的形态特征。在设计过程中提取了自然形态，使产品给使用者带来了全新的体验感和思想关怀。发现运用产品语义法能最大程度的满足植保无人机外观对使用者的视觉印象，得出了在未来的设计中可使用该方法设计植保无人机外观，也为更多的设计人员提供了先河。