基于無人機(jī)+復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)開展自主建造的技術(shù)探索

孫佳攀，范冰冰，張憶萌

（華北水利水電大學(xué) 烏拉爾學(xué)院，鄭州 450000）

隨著建筑產(chǎn)業(yè)勞動(dòng)人口拐點(diǎn)的到來和人工成本的不斷上漲，以及對(duì)于高效生產(chǎn)、安全作業(yè)、精細(xì)化施工和實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的需求，以建筑機(jī)器人為主要代表的新型裝備和施工工藝的技術(shù)變革正在成為我國(guó)實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)性能化、集約化和可持續(xù)化發(fā)展道路上的主要研究對(duì)象與方向[1]。無人機(jī)作為一種新型的機(jī)器人因其具有可以飛行的高自由度而備受關(guān)注，與之相關(guān)的無人機(jī)自主建造技術(shù)成為全球智能建造領(lǐng)域的前沿研究與關(guān)注熱點(diǎn)。無人機(jī)自主建造技術(shù)是基于無人機(jī)機(jī)載Dronekit系統(tǒng)自主飛行技術(shù)與數(shù)字建造平臺(tái)Grasshopper相結(jié)合的新型建造技術(shù)，近些年來在國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)的探索與試驗(yàn)中，該技術(shù)已經(jīng)取得了一定的成果并完成了相關(guān)應(yīng)用的初步實(shí)踐。

1 無人機(jī)自主建造技術(shù)的相關(guān)研究

1.1 國(guó)外關(guān)于無人機(jī)自主建造技術(shù)的相關(guān)研究

無人機(jī)是當(dāng)前機(jī)器人制造領(lǐng)域的重要研究對(duì)象，其在建筑領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在場(chǎng)地勘探、三維建模及物料運(yùn)輸?shù)确矫?，但這些工作方式大多是基于無人機(jī)操作員的手動(dòng)操作來進(jìn)行控制，而近年來隨著無人機(jī)定位和其自主控制技術(shù)的逐步成熟，美國(guó)和瑞士等國(guó)家的高校團(tuán)隊(duì)最早開始了關(guān)于無人機(jī)自主建造技術(shù)的相關(guān)研究。2012年，賓夕法尼亞大學(xué)工程學(xué)院的Vijay Kumar教授團(tuán)隊(duì)完成了以磁鐵為連接的簡(jiǎn)單梁柱系統(tǒng)的無人機(jī)建造[2]；2014年，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Gramazio Kohler和Raffaello d'Andrea團(tuán)隊(duì)在瑞士完成了名為“The Flight Assembled Architecture Installation”的無人機(jī)建造項(xiàng)目，該團(tuán)隊(duì)利用了4臺(tái)交替不斷起落的無人機(jī)編隊(duì)，將1 500個(gè)定制的輕型泡沫磚利用飛行器搬運(yùn)、砌筑、組裝，最終完成了1個(gè)近6 m高的塔形磚砌結(jié)構(gòu)建造[3]；2015年，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的AmmarMirjan教授團(tuán)隊(duì)完成了無人機(jī)自主纏繞的空中“編織”簡(jiǎn)單的拉伸結(jié)構(gòu)試驗(yàn)[4]；2018年，比利時(shí)魯汶大學(xué)的數(shù)字化研究團(tuán)隊(duì)開展了在真實(shí)尺度建造工程中利用無人機(jī)的試驗(yàn)性研究，并創(chuàng)造性地提出了一種類似樂高砌塊組合的建造策略[5]；2018年，德國(guó)斯圖加特大學(xué)的數(shù)字化建造團(tuán)隊(duì)利用無人機(jī)通過電誘導(dǎo)磁鐵吸附等連接技術(shù)，將自主研制的多個(gè)由桿件建構(gòu)的多面體結(jié)構(gòu)進(jìn)行拼接與組合，從而完成了1個(gè)可以通過無人機(jī)自主建造現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)拆裝的多變裝置[6]。2022年，英國(guó)工程和物理科學(xué)研究委員會(huì)的Ketao Zhang博士團(tuán)隊(duì)利用無人機(jī)設(shè)備3D打印出1個(gè)2.05 m高，并由72層快速固化的絕緣泡沫材料組成的圓柱體及1個(gè)0.18 m高，由28層結(jié)構(gòu)假塑性水泥材料組成的圓柱體。這是世界上首個(gè)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)3D打印建造的實(shí)例[7]。

1.2 國(guó)內(nèi)關(guān)于無人機(jī)自主建造技術(shù)的相關(guān)研究

雖然我國(guó)的無人機(jī)技術(shù)在國(guó)際范圍內(nèi)屬于領(lǐng)先水平，并且其在多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，但是對(duì)于無人機(jī)自主建造方面的研究并沒有過多重視，所以可查詢到的相關(guān)研究寥寥無幾。當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)于無人機(jī)自主建造的研究主要有2019年以袁烽老師為核心的同濟(jì)大學(xué)與一造科技相關(guān)團(tuán)隊(duì)在第九屆Digital FUTURES數(shù)字設(shè)計(jì)國(guó)際工作營(yíng)開展了無人機(jī)離散結(jié)構(gòu)自主建造的相關(guān)試驗(yàn)。該試驗(yàn)提出并實(shí)現(xiàn)了一種適用于無人機(jī)自主建造的建筑形式原型，該原型可以通過無人機(jī)靈活的機(jī)動(dòng)性落實(shí)豐富多變的離散結(jié)構(gòu)。該實(shí)驗(yàn)由2架自制機(jī)械抓手的F450規(guī)格自組裝四旋翼無人機(jī)交替運(yùn)行，用時(shí)5 h最終完成了由18個(gè)菱形正十二面體的離散體構(gòu)件堆砌而成的裝置。該裝置高約1.5 m，通過電誘導(dǎo)磁鐵吸附連接在一起。該建造過程實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)自動(dòng)化建造，從現(xiàn)場(chǎng)飛行準(zhǔn)備到砌筑全部部件均由無人機(jī)自主完成，試驗(yàn)所創(chuàng)造的建造原型與工作流程具有一定的可行性與拓展性，并為無人機(jī)在未來大尺度離散結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)裝配技術(shù)提供了早期有效的技術(shù)初探與發(fā)展指導(dǎo)[1]。

經(jīng)過國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)在10多年間的試驗(yàn)探究（如圖1所示），已經(jīng)初步建立起無人機(jī)試驗(yàn)的技術(shù)框架與試驗(yàn)路線，為本次試驗(yàn)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)與指導(dǎo)方針，確定了技術(shù)的基本框架邏輯，為試驗(yàn)的初步進(jìn)行提供了思路。

圖1 近年來國(guó)內(nèi)外開展的無人機(jī)建造相關(guān)試驗(yàn)

2 無人機(jī)自主建造技術(shù)的系統(tǒng)框架研究與搭建

2.1 系統(tǒng)框架的研究與搭建

無人機(jī)自主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制是一項(xiàng)非常繁雜的項(xiàng)目，其需要多終端、多傳感器的協(xié)同配合運(yùn)行。在系統(tǒng)框架的搭建過程引入SSH（安全外殼協(xié)議）連接協(xié)議將建筑師傳統(tǒng)的數(shù)字設(shè)計(jì)平臺(tái)Grasshopper與無人機(jī)的機(jī)載電腦Rasbarry Pi4B實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，從而溝通起了Windows和Linux操作系統(tǒng)。其多API（應(yīng)用程序編程接口）接口的特性為無人機(jī)未來機(jī)載更多傳感器提供了可能。無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制是以Dronekit（無人機(jī)工具箱編程模塊）控制Pixhawk(飛行控制器品牌)飛控系統(tǒng)，并通過在WSL（適用于Linux的Windows子系統(tǒng)）系統(tǒng)下搭建軟件在環(huán)仿真SITL（無人機(jī)軟件仿真系統(tǒng)）系統(tǒng)，對(duì)在Grasshopper系統(tǒng)內(nèi)預(yù)規(guī)劃好的無人機(jī)飛行路徑進(jìn)行規(guī)劃模擬飛行，并通過二維QGroundControl地面站和微軟基于UE4（虛幻4引擎）開發(fā)的三維模擬系統(tǒng)Airsim（自動(dòng)駕駛仿真）對(duì)模擬進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控以此來對(duì)無人機(jī)飛行進(jìn)行虛擬仿真從而降低未來真實(shí)飛行對(duì)無人機(jī)的損耗與誤差。在此基礎(chǔ)上所搭建起的適用于無人機(jī)建造復(fù)雜場(chǎng)景的自主建造技術(shù)框架主要由無人機(jī)路徑規(guī)劃系統(tǒng)、機(jī)載控制系統(tǒng)與無人機(jī)仿真模擬系統(tǒng)3部分組成。無人機(jī)的路徑規(guī)劃系統(tǒng)由Rhino和Grasshopper作為主要的路徑規(guī)劃工具對(duì)無人機(jī)在三維空間的飛行進(jìn)行了可視化的路徑規(guī)劃。通過GHpython（蚱蜢軟件內(nèi)部置入的編程模塊）將相關(guān)數(shù)據(jù)打包到本地計(jì)算機(jī)，通過調(diào)用SSH連接協(xié)議自動(dòng)發(fā)包到機(jī)載Rasbarry Pi電腦上。機(jī)載控制系統(tǒng)則通過調(diào)用本地Dronekit（無人機(jī)工具箱編程模塊）程序?qū)Πl(fā)包來的程序進(jìn)行調(diào)用，從而可以通過MAVLINK控制機(jī)載飛控系統(tǒng)PIXHAWK利用機(jī)載的姿態(tài)傳感器，其包含了陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)、氣壓計(jì)和空速計(jì)等傳感器系統(tǒng)，用于對(duì)無人機(jī)實(shí)時(shí)局部姿態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與處理。無人機(jī)仿真模擬系統(tǒng)可以在WSL（適用于Linux的Windows子系統(tǒng)）系統(tǒng)內(nèi)對(duì)無人機(jī)飛行路徑與狀態(tài)進(jìn)行仿真模擬，并通過地面站對(duì)其進(jìn)行二維監(jiān)控，此外也可以通過基于UE4平臺(tái)開發(fā)的Airsim三維模擬系統(tǒng)對(duì)其飛行路徑進(jìn)行三維角度的空間模擬（如圖2所示）。

圖2 無人機(jī)建造系統(tǒng)框架圖（作者自繪）

2.2 自制無人機(jī)的構(gòu)造設(shè)計(jì)與系統(tǒng)調(diào)試

無人機(jī)獨(dú)特的自主運(yùn)動(dòng)模式對(duì)無人機(jī)自主建造技術(shù)有著基本的設(shè)計(jì)約束，這也使得無人機(jī)在構(gòu)造層面具有模板化的特點(diǎn)，不能進(jìn)行大幅度改造。能夠?qū)崿F(xiàn)自主建造的自制無人機(jī)主要由3部分構(gòu)成，分別是動(dòng)力系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)與工具端（如圖3所示）。動(dòng)力系統(tǒng)主要由電池、電機(jī)和螺旋槳構(gòu)成，為無人機(jī)的升空與其他系統(tǒng)的運(yùn)行提供了動(dòng)力支持。飛行控制系統(tǒng)由機(jī)載電腦、飛控、傳感器與接收器構(gòu)成，用于檢測(cè)無人的飛行狀態(tài)，確定無人機(jī)的實(shí)時(shí)位置，接收無人機(jī)的工作命令，穩(wěn)定飛行器的姿態(tài)及控制無人機(jī)運(yùn)動(dòng)等。工具端則是無人機(jī)具體工作的作用部分，根據(jù)工具端搭載工具的不同可以完成攝像、噴灑液體及搬運(yùn)實(shí)體等不同任務(wù)。不同系統(tǒng)部分當(dāng)中，飛行控制系統(tǒng)在復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)建造環(huán)境中受到了最大的威脅與挑戰(zhàn)，其系統(tǒng)內(nèi)部的傳感器精度與結(jié)構(gòu)工件的特性及施工高度所帶來的地面效應(yīng)都會(huì)影響到無人機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)精度。在自主飛行的模式下如果沒有對(duì)誤差進(jìn)行及時(shí)地更正與消除就會(huì)疊加與累積，從而難以實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的穩(wěn)定懸停，甚至造成嚴(yán)重的飛行事故。因此，無人機(jī)的構(gòu)造設(shè)計(jì)與系統(tǒng)調(diào)試應(yīng)該重點(diǎn)對(duì)無人機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，以允許一定的誤差，并對(duì)誤差進(jìn)行及時(shí)消除與更正。在本試驗(yàn)當(dāng)中，無人機(jī)機(jī)架主體是在F450機(jī)架的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的，搭配了Pixhawk2.4.8飛控及Rasberry4B，在自主搭建的技術(shù)系統(tǒng)框架下經(jīng)過反復(fù)的虛擬仿真模擬試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，并通過機(jī)外的可追蹤全站儀定位系統(tǒng)進(jìn)行飛行數(shù)據(jù)的檢測(cè)，以進(jìn)行飛行位置的實(shí)時(shí)校對(duì)來降低飛行的誤差。工具端則搭載了可調(diào)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)下的自動(dòng)繞線輪，制造出了可以實(shí)現(xiàn)3 cm誤差范圍內(nèi)的可調(diào)節(jié)的線性纏繞工具端。

圖3 自制無人機(jī)拆解圖（作者自繪）

2.3 現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境建立

本研究試驗(yàn)中的完整工作環(huán)境由徠卡TS60全站儀、無人機(jī)起落架、送料口、充電器和安全網(wǎng)等組成。裝置建造試驗(yàn)選在某學(xué)校實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室層高4 m，試驗(yàn)區(qū)域面積約為5 m×6 m。試驗(yàn)主體為2個(gè)相距2.5 m的1.5 m高鋁制架子構(gòu)成，2個(gè)架子上分別有0.9 m×0.9 m的方框，方框上焊接有多個(gè)5 cm長(zhǎng)的繞線柱（如圖4所示）。

圖4 自制鋁制架子尺寸圖（作者自繪）

3 適用于無人機(jī)自主建造技術(shù)復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究

3.1 無人機(jī)自主建造技術(shù)下復(fù)合纖維材料設(shè)計(jì)

在同一根纖維截面上存在2種或2種以上不相混合的聚合物纖維，這種纖維稱復(fù)合纖維，因其具有較好的抗疲勞性能和力學(xué)性能，被廣泛地應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。在無人機(jī)的自主建造過程當(dāng)中，因其飛行速度相對(duì)較快，飛行角度變化大，飛行所產(chǎn)生的升力、拉力相對(duì)較大及飛機(jī)自身的荷載能力有限，故需要比強(qiáng)度和比剛度較大、減振性能良好、抗疲勞性能好和具有良好力學(xué)性能的復(fù)合纖維材料。在經(jīng)過查找相關(guān)資料后發(fā)現(xiàn)，由德國(guó)斯圖加特大學(xué)發(fā)明的一種無芯碳纖維增強(qiáng)復(fù)合纖維具有上述優(yōu)勢(shì)，其無芯結(jié)構(gòu)減少了自身的自重，碳纖維的材料特性使其具有良好的抗疲勞能力和力學(xué)性能。

3.2 空間纏繞整體形態(tài)設(shè)計(jì)

多層纖維疊層的數(shù)字找形過程是十分復(fù)雜的，且最終的找形形態(tài)也只能在一定程度上表現(xiàn)現(xiàn)實(shí)的結(jié)構(gòu)形態(tài)。因此，在Grasshopper中采用按比例縮放的物理模型來進(jìn)行整體建造過程的基準(zhǔn)測(cè)試和驗(yàn)證。將其纖維纏繞路徑在軟件中模擬后，通過Grasshopper的力學(xué)模擬插件對(duì)其進(jìn)行力學(xué)模擬，從而用于評(píng)估多層纖維疊層的力學(xué)形態(tài)與結(jié)構(gòu)性能（如圖5所示）。

圖5 無人機(jī)不同飛行速度下的纖維結(jié)構(gòu)力學(xué)形變圖（作者自繪）

4 無人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)建造技術(shù)

軌跡規(guī)劃是無人機(jī)自主建造的首要步驟。在本研究中，基于復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)的自主建造路徑規(guī)劃是通過Grasshopper軟件下搭建的計(jì)算性設(shè)計(jì)系統(tǒng)，通過分析復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)的線形結(jié)構(gòu)并通過Grasshopper運(yùn)算器的處理將結(jié)構(gòu)中的空間點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為帶有時(shí)間戳的數(shù)組（如圖6所示），其中包含無人機(jī)的空間坐標(biāo)信息和姿態(tài)角度信息航點(diǎn)等相關(guān)參數(shù)，并將參數(shù)以全局坐標(biāo)信息的格式打包發(fā)送至無人機(jī)的機(jī)載電腦，機(jī)載電腦當(dāng)中的Dronekit（無人機(jī)工具箱編程模塊）系統(tǒng)通過對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析發(fā)送指令給飛控從而控制無人機(jī)自主飛行，不同系統(tǒng)間的實(shí)時(shí)通信保證了無人機(jī)安全地進(jìn)行自主飛行，并可進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整與控制。在該系統(tǒng)當(dāng)中，基于復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)下的無人機(jī)建造運(yùn)動(dòng)軌跡是根據(jù)其生成規(guī)則自動(dòng)生成的，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的普適性，可以滿足不同設(shè)計(jì)師對(duì)于造型的不同需求，并通過虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行快速的調(diào)試與修改。無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)是通過機(jī)架懸臂頂端的4個(gè)電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳進(jìn)行飛行的，因此其在不同方向的飛行運(yùn)動(dòng)可能會(huì)存在一定的誤差，從而導(dǎo)致實(shí)時(shí)的飛行路徑會(huì)與計(jì)算模擬的飛行路徑之間存在偏差，此時(shí)就需要機(jī)外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)無人機(jī)的實(shí)時(shí)位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將此飛機(jī)位置數(shù)據(jù)反饋給地面的航線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。地面的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過可視化信息將自主建造的全過程信息保存記錄并實(shí)時(shí)反饋。系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的纏繞路徑航線點(diǎn)位的參數(shù)，分析其飛行的航點(diǎn)順序、速度與方向等，生成一系列的實(shí)時(shí)控制指令控制無人機(jī)進(jìn)行自主飛行，最終實(shí)現(xiàn)基于復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)下無人機(jī)全過程自主建造的試驗(yàn)（如圖7所示）。

圖6 無人機(jī)飛行軌跡規(guī)劃圖（作者自繪）

圖7 無人機(jī)纖維纏繞成果圖（作者拍攝）

5 結(jié)束語

在以無人機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象的現(xiàn)場(chǎng)建造研究背景下，本試驗(yàn)提出并實(shí)現(xiàn)了基于復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)下適用于無人機(jī)自主建造的原型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立并完善了關(guān)于復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)的形態(tài)設(shè)計(jì)方法及其通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成相關(guān)建造飛行路徑,并生成相應(yīng)的航點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行航線的規(guī)劃與飛行控制，以及適合于復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)自主建造的無人機(jī)的構(gòu)造設(shè)計(jì)與相應(yīng)系統(tǒng)調(diào)試關(guān)鍵技術(shù)。本試驗(yàn)用時(shí)3 h，完成了2個(gè)相距2.5 m的1.5 m高的鋁制架子的纏繞裝置。該建造過程實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)自動(dòng)化建造，從現(xiàn)場(chǎng)飛行到纏繞纖維全部由無人機(jī)自主完成。試驗(yàn)所研究的復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)原型的找形過程與生成邏輯具有一定的可行性與拓展性，在未來可以為相關(guān)研究提供初步的方向引導(dǎo)，并為無人機(jī)未來在更大尺度的復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)建造技術(shù)提供了早期的技術(shù)初探與發(fā)展指導(dǎo)。同時(shí)該試驗(yàn)也體現(xiàn)了無人機(jī)存在續(xù)航能力弱、飛行精度低、建造誤差較大和控制系統(tǒng)較為復(fù)雜等問題，這些問題的逐步解決需要多學(xué)科的共同發(fā)展與進(jìn)步。無人機(jī)未來將會(huì)為數(shù)字建造領(lǐng)域注入新的活力，其相關(guān)的技術(shù)突破還需要跨專業(yè)與多學(xué)科的前沿團(tuán)隊(duì)展開更加深入的合作與探索。