基于無人機+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)勞動人口拐點的到來和人工成本的不斷上漲，以及對于高效生產(chǎn)、安全作業(yè)、精細化施工和實現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的需求，以建筑機器人為主要代表的新型裝備和施工工藝的技術(shù)變革正在成為我國實現(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象與方向[1]。無人機作為一種新型的機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。無人機自主建造技術(shù)是基于無人機機載Dronekit系統(tǒng)自主飛行技術(shù)與數(shù)字建造平臺Grasshopper相結(jié)合的新型建造技術(shù)，近些年來在國內(nèi)外研究團隊的探索與試驗中，該技術(shù)已經(jīng)取得了一定的成果并完成了相關(guān)應(yīng)用的初步實踐。

1 無人機自主建造技術(shù)的相關(guān)研究

1.1 國外關(guān)于無人機自主建造技術(shù)的相關(guān)研究

無人機是當(dāng)前機器人制造領(lǐng)域的重要研究對象，其在建筑領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在場地勘探、三維建模及物料運輸?shù)确矫妫@些工作方式大多是基于無人機操作員的手動操作來進行控制，而近年來隨著無人機定位和其自主控制技術(shù)的逐步成熟，美國和瑞士等國家的高校團隊最早開始了關(guān)于無人機自主建造技術(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教授團隊完成了以磁鐵為連接的簡單梁柱系統(tǒng)的無人機建造[2]；2014年，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Gramazio Kohler和Raffaello d'Andrea團隊在瑞士完成了名為“The Flight Assembled Architecture Installation”的無人機建造項目，該團隊利用了4臺交替不斷起落的無人機編隊，將1 500個定制的輕型泡沫磚利用飛行器搬運、砌筑、組裝，最終完成了1個近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教授團隊完成了無人機自主纏繞的空中“編織”簡單的拉伸結(jié)構(gòu)試驗[4]；2018年，比利時魯汶大學(xué)的數(shù)字化研究團隊開展了在真實尺度建造工程中利用無人機的試驗性研究，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，德國斯圖加特大學(xué)的數(shù)字化建造團隊利用無人機通過電誘導(dǎo)磁鐵吸附等連接技術(shù)，將自主研制的多個由桿件建構(gòu)的多面體結(jié)構(gòu)進行拼接與組合，從而完成了1個可以通過無人機自主建造現(xiàn)場反復(fù)拆裝的多變裝置[6]。2022年，英國工程和物理科學(xué)研究委員會的Ketao Zhang博士團隊利用無人機設(shè)備3D打印出1個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。這是世界上首個實現(xiàn)無人機3D打印建造的實例[7]。

1.2 國內(nèi)關(guān)于無人機自主建造技術(shù)的相關(guān)研究

雖然我國的無人機技術(shù)在國際范圍內(nèi)屬于領(lǐng)先水平，并且其在多個領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，但是對于無人機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)前國內(nèi)對于無人機自主建造的研究主要有2019年以袁烽老師為核心的同濟大學(xué)與一造科技相關(guān)團隊在第九屆Digital FUTURES數(shù)字設(shè)計國際工作營開展了無人機離散結(jié)構(gòu)自主建造的相關(guān)試驗。該試驗提出并實現(xiàn)了一種適用于無人機自主建造的建筑形式原型，該原型可以通過無人機靈活的機動性落實豐富多變的離散結(jié)構(gòu)。該實驗由2架自制機械抓手的F450規(guī)格自組裝四旋翼無人機交替運行，用時5 h最終完成了由18個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。該建造過程實現(xiàn)了無人機自動化建造，從現(xiàn)場飛行準備到砌筑全部部件均由無人機自主完成，試驗所創(chuàng)造的建造原型與工作流程具有一定的可行性與拓展性，并為無人機在未來大尺度離散結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場裝配技術(shù)提供了早期有效的技術(shù)初探與發(fā)展指導(dǎo)[1]。

經(jīng)過國內(nèi)外相關(guān)研究團隊在10多年間的試驗探究（如圖1所示），已經(jīng)初步建立起無人機試驗的技術(shù)框架與試驗路線，為本次試驗提供了寶貴的經(jīng)驗與指導(dǎo)方針，確定了技術(shù)的基本框架邏輯，為試驗的初步進行提供了思路。

圖1 近年來國內(nèi)外開展的無人機建造相關(guān)試驗

2 無人機自主建造技術(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

無人機自主運動系統(tǒng)的控制是一項非常繁雜的項目，其需要多終端、多傳感器的協(xié)同配合運行。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)計平臺Grasshopper與無人機的機載電腦Rasbarry Pi4B實現(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未來機載更多傳感器提供了可能。無人機的運動控制是以Dronekit（無人機工具箱編程模塊）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（無人機軟件仿真系統(tǒng)）系統(tǒng)，對在Grasshopper系統(tǒng)內(nèi)預(yù)規(guī)劃好的無人機飛行路徑進行規(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（自動駕駛仿真）對模擬進行實時監(jiān)控以此來對無人機飛行進行虛擬仿真從而降低未來真實飛行對無人機的損耗與誤差。在此基礎(chǔ)上所搭建起的適用于無人機建造復(fù)雜場景的自主建造技術(shù)框架主要由無人機路徑規(guī)劃系統(tǒng)、機載控制系統(tǒng)與無人機仿真模擬系統(tǒng)3部分組成。無人機的路徑規(guī)劃系統(tǒng)由Rhino和Grasshopper作為主要的路徑規(guī)劃工具對無人機在三維空間的飛行進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)打包到本地計算機，通過調(diào)用SSH連接協(xié)議自動發(fā)包到機載Rasbarry Pi電腦上。機載控制系統(tǒng)則通過調(diào)用本地Dronekit（無人機工具箱編程模塊）程序?qū)Πl(fā)包來的程序進行調(diào)用，從而可以通過MAVLINK控制機載飛控系統(tǒng)PIXHAWK利用機載的姿態(tài)傳感器，其包含了陀螺儀、加速度計、磁力計、氣壓計和空速計等傳感器系統(tǒng)，用于對無人機實時局部姿態(tài)信息進行實時監(jiān)控與處理。無人機仿真模擬系統(tǒng)可以在WSL（適用于Linux的Windows子系統(tǒng)）系統(tǒng)內(nèi)對無人機飛行路徑與狀態(tài)進行仿真模擬，并通過地面站對其進行二維監(jiān)控，此外也可以通過基于UE4平臺開發(fā)的Airsim三維模擬系統(tǒng)對其飛行路徑進行三維角度的空間模擬（如圖2所示）。

圖2 無人機建造系統(tǒng)框架圖（作者自繪）

2.2 自制無人機的構(gòu)造設(shè)計與系統(tǒng)調(diào)試

無人機獨特的自主運動模式對無人機自主建造技術(shù)有著基本的設(shè)計約束，這也使得無人機在構(gòu)造層面具有模板化的特點，不能進行大幅度改造。能夠?qū)崿F(xiàn)自主建造的自制無人機主要由3部分構(gòu)成，分別是動力系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)與工具端（如圖3所示）。動力系統(tǒng)主要由電池、電機和螺旋槳構(gòu)成，為無人機的升空與其他系統(tǒng)的運行提供了動力支持。飛行控制系統(tǒng)由機載電腦、飛控、傳感器與接收器構(gòu)成，用于檢測無人的飛行狀態(tài)，確定無人機的實時位置，接收無人機的工作命令，穩(wěn)定飛行器的姿態(tài)及控制無人機運動等。工具端則是無人機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、噴灑液體及搬運實體等不同任務(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)都會影響到無人機實時運動精度。在自主飛行的模式下如果沒有對誤差進行及時地更正與消除就會疊加與累積，從而難以實現(xiàn)毫米級的穩(wěn)定懸停，甚至造成嚴重的飛行事故。因此，無人機的構(gòu)造設(shè)計與系統(tǒng)調(diào)試應(yīng)該重點對無人機的控制系統(tǒng)進行改進，以允許一定的誤差，并對誤差進行及時消除與更正。在本試驗當(dāng)中，無人機機架主體是在F450機架的基礎(chǔ)上改進而成的，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進行調(diào)整，并通過機外的可追蹤全站儀定位系統(tǒng)進行飛行數(shù)據(jù)的檢測，以進行飛行位置的實時校對來降低飛行的誤差。工具端則搭載了可調(diào)舵機驅(qū)動下的自動繞線輪，制造出了可以實現(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 自制無人機拆解圖（作者自繪）

2.3 現(xiàn)場工作環(huán)境建立

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

圖4 自制鋁制架子尺寸圖（作者自繪）

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

3.1 無人機自主建造技術(shù)下復(fù)合纖維材料設(shè)計

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)用于多個領(lǐng)域。在無人機的自主建造過程當(dāng)中，因其飛行速度相對較快，飛行角度變化大，飛行所產(chǎn)生的升力、拉力相對較大及飛機自身的荷載能力有限，故需要比強度和比剛度較大、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)，由德國斯圖加特大學(xué)發(fā)明的一種無芯碳纖維增強復(fù)合纖維具有上述優(yōu)勢，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

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行整體建造過程的基準測試和驗證。將其纖維纏繞路徑在軟件中模擬后，通過Grasshopper的力學(xué)模擬插件對其進行力學(xué)模擬，從而用于評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 無人機現(xiàn)場復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)建造技術(shù)

軌跡規(guī)劃是無人機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軟件下搭建的計算性設(shè)計系統(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運算器的處理將結(jié)構(gòu)中的空間點坐標轉(zhuǎn)換為帶有時間戳的數(shù)組（如圖6所示），其中包含無人機的空間坐標信息和姿態(tài)角度信息航點等相關(guān)參數(shù)，并將參數(shù)以全局坐標信息的格式打包發(fā)送至無人機的機載電腦，機載電腦當(dāng)中的Dronekit（無人機工具箱編程模塊）系統(tǒng)通過對相關(guān)參數(shù)進行分析發(fā)送指令給飛控從而控制無人機自主飛行，不同系統(tǒng)間的實時通信保證了無人機安全地進行自主飛行，并可進行實時調(diào)整與控制。在該系統(tǒng)當(dāng)中，基于復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)下的無人機建造運動軌跡是根據(jù)其生成規(guī)則自動生成的，該系統(tǒng)具有較強的普適性，可以滿足不同設(shè)計師對于造型的不同需求，并通過虛擬仿真系統(tǒng)進行快速的調(diào)試與修改。無人機的運動是通過機架懸臂頂端的4個電機帶動螺旋槳進行飛行的，因此其在不同方向的飛行運動可能會存在一定的誤差，從而導(dǎo)致實時的飛行路徑會與計算模擬的飛行路徑之間存在偏差，此時就需要機外監(jiān)測系統(tǒng)對無人機的實時位置進行監(jiān)測，并將此飛機位置數(shù)據(jù)反饋給地面的航線監(jiān)測系統(tǒng)。地面的監(jiān)測系統(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時反饋。系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的纏繞路徑航線點位的參數(shù)，分析其飛行的航點順序、速度與方向等，生成一系列的實時控制指令控制無人機進行自主飛行，最終實現(xiàn)基于復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)下無人機全過程自主建造的試驗（如圖7所示）。

圖6 無人機飛行軌跡規(guī)劃圖（作者自繪）

圖7 無人機纖維纏繞成果圖（作者拍攝）

5 結(jié)束語

在以無人機為試驗對象的現(xiàn)場建造研究背景下，本試驗提出并實現(xiàn)了基于復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)下適用于無人機自主建造的原型結(jié)構(gòu)設(shè)計，建立并完善了關(guān)于復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)的形態(tài)設(shè)計方法及其通過計算機系統(tǒng)生成相關(guān)建造飛行路徑,并生成相應(yīng)的航點參數(shù)進行航線的規(guī)劃與飛行控制，以及適合于復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)自主建造的無人機的構(gòu)造設(shè)計與相應(yīng)系統(tǒng)調(diào)試關(guān)鍵技術(shù)。本試驗用時3 h，完成了2個相距2.5 m的1.5 m高的鋁制架子的纏繞裝置。該建造過程實現(xiàn)了無人機自動化建造，從現(xiàn)場飛行到纏繞纖維全部由無人機自主完成。試驗所研究的復(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)，并為無人機未來在更大尺度的復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場建造技術(shù)提供了早期的技術(shù)初探與發(fā)展指導(dǎo)。同時該試驗也體現(xiàn)了無人機存在續(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)展與進步。無人機未來將會為數(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)科的前沿團隊展開更加深入的合作與探索。