基于无人机+复合纤维结构开展自主建造的技术探索

孙佳攀，范冰冰，张忆萌

（华北水利水电大学 乌拉尔学院，郑州 450000）

随着建筑产业劳动人口拐点的到来和人工成本的不断上涨，以及对于高效生产、安全作业、精细化施工和实现建筑产业现代化的需求，以建筑机器人为主要代表的新型装备和施工工艺的技术变革正在成为我国实现建筑产业性能化、集约化和可持续化发展道路上的主要研究对象与方向[1]。无人机作为一种新型的机器人因其具有可以飞行的高自由度而备受关注，与之相关的无人机自主建造技术成为全球智能建造领域的前沿研究与关注热点。无人机自主建造技术是基于无人机机载Dronekit系统自主飞行技术与数字建造平台Grasshopper相结合的新型建造技术，近些年来在国内外研究团队的探索与试验中，该技术已经取得了一定的成果并完成了相关应用的初步实践。

1 无人机自主建造技术的相关研究

1.1 国外关于无人机自主建造技术的相关研究

无人机是当前机器人制造领域的重要研究对象，其在建筑领域已经被广泛应用在场地勘探、三维建模及物料运输等方面，但这些工作方式大多是基于无人机操作员的手动操作来进行控制，而近年来随着无人机定位和其自主控制技术的逐步成熟，美国和瑞士等国家的高校团队最早开始了关于无人机自主建造技术的相关研究。2012年，宾夕法尼亚大学工程学院的Vijay Kumar教授团队完成了以磁铁为连接的简单梁柱系统的无人机建造[2]；2014年，苏黎世联邦理工学院的Gramazio Kohler和Raffaello d'Andrea团队在瑞士完成了名为“The Flight Assembled Architecture Installation”的无人机建造项目，该团队利用了4台交替不断起落的无人机编队，将1 500个定制的轻型泡沫砖利用飞行器搬运、砌筑、组装，最终完成了1个近6 m高的塔形砖砌结构建造[3]；2015年，苏黎世联邦理工学院的AmmarMirjan教授团队完成了无人机自主缠绕的空中“编织”简单的拉伸结构试验[4]；2018年，比利时鲁汶大学的数字化研究团队开展了在真实尺度建造工程中利用无人机的试验性研究，并创造性地提出了一种类似乐高砌块组合的建造策略[5]；2018年，德国斯图加特大学的数字化建造团队利用无人机通过电诱导磁铁吸附等连接技术，将自主研制的多个由杆件建构的多面体结构进行拼接与组合，从而完成了1个可以通过无人机自主建造现场反复拆装的多变装置[6]。2022年，英国工程和物理科学研究委员会的Ketao Zhang博士团队利用无人机设备3D打印出1个2.05 m高，并由72层快速固化的绝缘泡沫材料组成的圆柱体及1个0.18 m高，由28层结构假塑性水泥材料组成的圆柱体。这是世界上首个实现无人机3D打印建造的实例[7]。

1.2 国内关于无人机自主建造技术的相关研究

虽然我国的无人机技术在国际范围内属于领先水平，并且其在多个领域内得到了广泛应用，但是对于无人机自主建造方面的研究并没有过多重视，所以可查询到的相关研究寥寥无几。当前国内对于无人机自主建造的研究主要有2019年以袁烽老师为核心的同济大学与一造科技相关团队在第九届Digital FUTURES数字设计国际工作营开展了无人机离散结构自主建造的相关试验。该试验提出并实现了一种适用于无人机自主建造的建筑形式原型，该原型可以通过无人机灵活的机动性落实丰富多变的离散结构。该实验由2架自制机械抓手的F450规格自组装四旋翼无人机交替运行，用时5 h最终完成了由18个菱形正十二面体的离散体构件堆砌而成的装置。该装置高约1.5 m，通过电诱导磁铁吸附连接在一起。该建造过程实现了无人机自动化建造，从现场飞行准备到砌筑全部部件均由无人机自主完成，试验所创造的建造原型与工作流程具有一定的可行性与拓展性，并为无人机在未来大尺度离散结构的现场装配技术提供了早期有效的技术初探与发展指导[1]。

经过国内外相关研究团队在10多年间的试验探究（如图1所示），已经初步建立起无人机试验的技术框架与试验路线，为本次试验提供了宝贵的经验与指导方针，确定了技术的基本框架逻辑，为试验的初步进行提供了思路。

图1 近年来国内外开展的无人机建造相关试验

2 无人机自主建造技术的系统框架研究与搭建

2.1 系统框架的研究与搭建

无人机自主运动系统的控制是一项非常繁杂的项目，其需要多终端、多传感器的协同配合运行。在系统框架的搭建过程引入SSH（安全外壳协议）连接协议将建筑师传统的数字设计平台Grasshopper与无人机的机载电脑Rasbarry Pi4B实现数据传输，从而沟通起了Windows和Linux操作系统。其多API（应用程序编程接口）接口的特性为无人机未来机载更多传感器提供了可能。无人机的运动控制是以Dronekit（无人机工具箱编程模块）控制Pixhawk(飞行控制器品牌)飞控系统，并通过在WSL（适用于Linux的Windows子系统）系统下搭建软件在环仿真SITL（无人机软件仿真系统）系统，对在Grasshopper系统内预规划好的无人机飞行路径进行规划模拟飞行，并通过二维QGroundControl地面站和微软基于UE4（虚幻4引擎）开发的三维模拟系统Airsim（自动驾驶仿真）对模拟进行实时监控以此来对无人机飞行进行虚拟仿真从而降低未来真实飞行对无人机的损耗与误差。在此基础上所搭建起的适用于无人机建造复杂场景的自主建造技术框架主要由无人机路径规划系统、机载控制系统与无人机仿真模拟系统3部分组成。无人机的路径规划系统由Rhino和Grasshopper作为主要的路径规划工具对无人机在三维空间的飞行进行了可视化的路径规划。通过GHpython（蚱蜢软件内部置入的编程模块）将相关数据打包到本地计算机，通过调用SSH连接协议自动发包到机载Rasbarry Pi电脑上。机载控制系统则通过调用本地Dronekit（无人机工具箱编程模块）程序对发包来的程序进行调用，从而可以通过MAVLINK控制机载飞控系统PIXHAWK利用机载的姿态传感器，其包含了陀螺仪、加速度计、磁力计、气压计和空速计等传感器系统，用于对无人机实时局部姿态信息进行实时监控与处理。无人机仿真模拟系统可以在WSL（适用于Linux的Windows子系统）系统内对无人机飞行路径与状态进行仿真模拟，并通过地面站对其进行二维监控，此外也可以通过基于UE4平台开发的Airsim三维模拟系统对其飞行路径进行三维角度的空间模拟（如图2所示）。

图2 无人机建造系统框架图（作者自绘）

2.2 自制无人机的构造设计与系统调试

无人机独特的自主运动模式对无人机自主建造技术有着基本的设计约束，这也使得无人机在构造层面具有模板化的特点，不能进行大幅度改造。能够实现自主建造的自制无人机主要由3部分构成，分别是动力系统、飞行控制系统与工具端（如图3所示）。动力系统主要由电池、电机和螺旋桨构成，为无人机的升空与其他系统的运行提供了动力支持。飞行控制系统由机载电脑、飞控、传感器与接收器构成，用于检测无人的飞行状态，确定无人机的实时位置，接收无人机的工作命令，稳定飞行器的姿态及控制无人机运动等。工具端则是无人机具体工作的作用部分，根据工具端搭载工具的不同可以完成摄像、喷洒液体及搬运实体等不同任务。不同系统部分当中，飞行控制系统在复杂的现场建造环境中受到了最大的威胁与挑战，其系统内部的传感器精度与结构工件的特性及施工高度所带来的地面效应都会影响到无人机实时运动精度。在自主飞行的模式下如果没有对误差进行及时地更正与消除就会叠加与累积，从而难以实现毫米级的稳定悬停，甚至造成严重的飞行事故。因此，无人机的构造设计与系统调试应该重点对无人机的控制系统进行改进，以允许一定的误差，并对误差进行及时消除与更正。在本试验当中，无人机机架主体是在F450机架的基础上改进而成的，搭配了Pixhawk2.4.8飞控及Rasberry4B，在自主搭建的技术系统框架下经过反复的虚拟仿真模拟试验进行调整，并通过机外的可追踪全站仪定位系统进行飞行数据的检测，以进行飞行位置的实时校对来降低飞行的误差。工具端则搭载了可调舵机驱动下的自动绕线轮，制造出了可以实现3 cm误差范围内的可调节的线性缠绕工具端。

图3 自制无人机拆解图（作者自绘）

2.3 现场工作环境建立

本研究试验中的完整工作环境由徕卡TS60全站仪、无人机起落架、送料口、充电器和安全网等组成。装置建造试验选在某学校实验室，实验室层高4 m，试验区域面积约为5 m×6 m。试验主体为2个相距2.5 m的1.5 m高铝制架子构成，2个架子上分别有0.9 m×0.9 m的方框，方框上焊接有多个5 cm长的绕线柱（如图4所示）。

图4 自制铝制架子尺寸图（作者自绘）

3 适用于无人机自主建造技术复合纤维结构的设计研究

3.1 无人机自主建造技术下复合纤维材料设计

在同一根纤维截面上存在2种或2种以上不相混合的聚合物纤维，这种纤维称复合纤维，因其具有较好的抗疲劳性能和力学性能，被广泛地应用于多个领域。在无人机的自主建造过程当中，因其飞行速度相对较快，飞行角度变化大，飞行所产生的升力、拉力相对较大及飞机自身的荷载能力有限，故需要比强度和比刚度较大、减振性能良好、抗疲劳性能好和具有良好力学性能的复合纤维材料。在经过查找相关资料后发现，由德国斯图加特大学发明的一种无芯碳纤维增强复合纤维具有上述优势，其无芯结构减少了自身的自重，碳纤维的材料特性使其具有良好的抗疲劳能力和力学性能。

3.2 空间缠绕整体形态设计

多层纤维叠层的数字找形过程是十分复杂的，且最终的找形形态也只能在一定程度上表现现实的结构形态。因此，在Grasshopper中采用按比例缩放的物理模型来进行整体建造过程的基准测试和验证。将其纤维缠绕路径在软件中模拟后，通过Grasshopper的力学模拟插件对其进行力学模拟，从而用于评估多层纤维叠层的力学形态与结构性能（如图5所示）。

图5 无人机不同飞行速度下的纤维结构力学形变图（作者自绘）

4 无人机现场复合纤维结构建造技术

轨迹规划是无人机自主建造的首要步骤。在本研究中，基于复合纤维结构的自主建造路径规划是通过Grasshopper软件下搭建的计算性设计系统，通过分析复合纤维结构的线形结构并通过Grasshopper运算器的处理将结构中的空间点坐标转换为带有时间戳的数组（如图6所示），其中包含无人机的空间坐标信息和姿态角度信息航点等相关参数，并将参数以全局坐标信息的格式打包发送至无人机的机载电脑，机载电脑当中的Dronekit（无人机工具箱编程模块）系统通过对相关参数进行分析发送指令给飞控从而控制无人机自主飞行，不同系统间的实时通信保证了无人机安全地进行自主飞行，并可进行实时调整与控制。在该系统当中，基于复合纤维结构下的无人机建造运动轨迹是根据其生成规则自动生成的，该系统具有较强的普适性，可以满足不同设计师对于造型的不同需求，并通过虚拟仿真系统进行快速的调试与修改。无人机的运动是通过机架悬臂顶端的4个电机带动螺旋桨进行飞行的，因此其在不同方向的飞行运动可能会存在一定的误差，从而导致实时的飞行路径会与计算模拟的飞行路径之间存在偏差，此时就需要机外监测系统对无人机的实时位置进行监测，并将此飞机位置数据反馈给地面的航线监测系统。地面的监测系统通过可视化信息将自主建造的全过程信息保存记录并实时反馈。系统根据结构设计中的缠绕路径航线点位的参数，分析其飞行的航点顺序、速度与方向等，生成一系列的实时控制指令控制无人机进行自主飞行，最终实现基于复合纤维结构下无人机全过程自主建造的试验（如图7所示）。

图6 无人机飞行轨迹规划图（作者自绘）

图7 无人机纤维缠绕成果图（作者拍摄）

5 结束语

在以无人机为试验对象的现场建造研究背景下，本试验提出并实现了基于复合纤维结构下适用于无人机自主建造的原型结构设计，建立并完善了关于复合纤维结构的形态设计方法及其通过计算机系统生成相关建造飞行路径,并生成相应的航点参数进行航线的规划与飞行控制，以及适合于复合纤维结构自主建造的无人机的构造设计与相应系统调试关键技术。本试验用时3 h，完成了2个相距2.5 m的1.5 m高的铝制架子的缠绕装置。该建造过程实现了无人机自动化建造，从现场飞行到缠绕纤维全部由无人机自主完成。试验所研究的复合纤维结构原型的找形过程与生成逻辑具有一定的可行性与拓展性，在未来可以为相关研究提供初步的方向引导，并为无人机未来在更大尺度的复合纤维结构的现场建造技术提供了早期的技术初探与发展指导。同时该试验也体现了无人机存在续航能力弱、飞行精度低、建造误差较大和控制系统较为复杂等问题，这些问题的逐步解决需要多学科的共同发展与进步。无人机未来将会为数字建造领域注入新的活力，其相关的技术突破还需要跨专业与多学科的前沿团队展开更加深入的合作与探索。