2019上海數(shù)字期貨

G9

無人機協(xié)同離散結(jié)構(gòu)構(gòu)建

自動無人機的離散元構(gòu)造

導(dǎo)師:翔|世賢世賢

Ta:郭哲·郭哲

學(xué)生:李凱魏巍李凱|一天路一天|徐匯林旭輝|王紅新洪欣|艾雨朱朱艾雨|胡子躍胡子躍|張子豪張子豪|開小小開|小亮英小亮|四姐高四姐|張麗華緊張|尤路尤|啟新李李雨欣|黃子勛黃子勛

工作營介紹

隨著工業(yè)機械臂和機器人在各個行業(yè)的廣泛應(yīng)用，以及無人飛行器、AGV等移動工具在現(xiàn)代自動化領(lǐng)域的突然出現(xiàn)，基于無人移動自建平臺的現(xiàn)場施工技術(shù)已經(jīng)成為數(shù)字化施工領(lǐng)域的一個重要研究方向。為此，本工作營試圖建立一套適合移動機器人系統(tǒng)的設(shè)計-搭建工作流程，并探討在空搭建的可能性。

01

研究背景

近年來，建筑師一直在探索數(shù)字技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計和裝配中的應(yīng)用，出現(xiàn)了許多關(guān)于非標(biāo)準(zhǔn)建筑設(shè)計和制造的研究。工業(yè)機器人在過去十年里發(fā)展迅速。然而，機械臂和計算機數(shù)控(CNC)機器受到預(yù)定工作區(qū)域的限制，這限制了它們可以操作的部件的尺寸，因此限制了它們的工作范圍和整體結(jié)構(gòu)。相比之下，無人機就不受這么窄的邊界限制了?？盏墓ぷ鞣秶h(yuǎn)大于飛機本身的尺寸，使得大型飛機可以以1:1的比例在整個結(jié)構(gòu)施工中工作，從而為建筑師實現(xiàn)其設(shè)計提供了新的技術(shù)框架。

富，一個由Fab-Union團隊近年建立的工程機器人工作平臺

國際研究小組無人機輔助建設(shè)項目

1.飛行組裝建筑

Gramazio &?？评昭芯啃〗M。動態(tài)系統(tǒng)和控制研究所

2.空中建筑

Gramazio &?？评昭芯啃〗M。動態(tài)系統(tǒng)和控制研究所

3.無人機協(xié)同構(gòu)建

賓夕法尼亞大學(xué)庫馬爾實驗室

4.作為無人機可配置建筑系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)物理宏觀材料

斯圖加特大學(xué)計算設(shè)計研究所

該作業(yè)營地是移動施工機器人空應(yīng)用場景切換的擴展實驗，提出了一種適用于快速靈活施工的施工形式原型。將該裝置的規(guī)模擴大到真正的建筑規(guī)模后，可以采用標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制構(gòu)件的空方式建造真正生活規(guī)模的建筑，具有廣泛的應(yīng)用拓展性。

02

工作流建立

無人機系統(tǒng)的復(fù)雜性要求多終端、多傳感器的協(xié)同工作。無人機在復(fù)雜施工環(huán)境和施工技術(shù)的前提下自主施工，也需要開發(fā)一體化的設(shè)計施工工作平臺和工作流程。與數(shù)字化建設(shè)領(lǐng)域常用的基于犀牛和蚱蜢平臺的參數(shù)化設(shè)計流程不同，這個工作營地中的工作流程將主體設(shè)計、機器人路徑規(guī)劃平臺和機器人運動控制平臺分開，引入了機器人研究領(lǐng)域常用的ros開源系統(tǒng)。實現(xiàn)Windows和Linux操作系統(tǒng)的連接，通過在不同軟件平臺上建立ROS模塊和蚱蜢之間的通信和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法，構(gòu)建適合移動機器人復(fù)雜場景的自建技術(shù)框架。

復(fù)合平臺協(xié)同操作界面

一個完整的無人機自主構(gòu)建系統(tǒng)由無人機空姿態(tài)反饋和地面站軌跡控制組成。

無人機自主構(gòu)建系統(tǒng)框架

姿態(tài)控制部分采用無人控制領(lǐng)域非常成熟的開源飛控Px4固件。機載自動控制器硬件為Pixhawk V3，其中包括飛行控制所必需的傳感器:姿態(tài)傳感器(三向陀螺、加速度計)、磁力儀、氣壓計和空速度計。同時將無人機的坐標(biāo)信息傳回蚱蜢的ROS接口，用于地面站的可視化接口反饋。

地面站軌跡控制部分以ros系統(tǒng)為數(shù)據(jù)傳輸媒介，通過Mavlink輕量級通信協(xié)議中的ROS子節(jié)點，將犀牛建模軟件中規(guī)劃的構(gòu)建路徑和投放目標(biāo)點的數(shù)據(jù)傳輸給自動控制器，從而完成無人機自動操作軌跡的虛擬控制。ROS系統(tǒng)加載在基于Linux操作系統(tǒng)的樹莓Pi微機上，由無人機攜帶。

03

現(xiàn)場施工環(huán)境的建立

完整的工作環(huán)境包括一套紅外光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)、清潔無人機工作區(qū)、無人機起落架、進料口、充電器、安全網(wǎng)、手動控制安全員和地面計算機指揮站。

現(xiàn)場工作環(huán)境建設(shè)

考點選在建筑與城市規(guī)劃學(xué)院C棟一樓展廳。展廳高2.5m，工作面積約5m*6m。八個紅外運動捕捉相機用于形成定位系統(tǒng)。受實驗場地和移動攝像機數(shù)量的限制，無人機實際工作面積為2.6m * 2.4m * 1.7m..八個攝像頭均勻分布，懸掛在展廳天花板下方300cm的有限區(qū)域內(nèi)。它們由CAT-6標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)電纜供電并傳輸信號，它們都連接到中央交換機。

紅外運動捕捉相機和懸掛固定模式

用于運動捕捉相機的識別和定位的反射標(biāo)記球

紅外運動捕捉相機以200hz的頻率用特殊的反射標(biāo)記球記錄物體在空中的位置信息(紅外光學(xué)運動捕捉技術(shù)是基于計算機圖形學(xué)的原理。只要兩個攝像頭可以同時看到這個點，就可以確定這個點在三維空房間中的位置信息。當(dāng)相機以足夠高的速率連續(xù)拍攝時，可以從圖像序列中獲得該點的運動軌跡)。

施工環(huán)境中運動捕捉攝像機的布置

利用這一原理，通過監(jiān)控和跟蹤無人機上的特定光點來完成運動捕捉的任務(wù)。這些數(shù)據(jù)代表了無人機的六個自由度信息，包括三維之間的XYZ軸坐標(biāo)空、偏航角偏航、滾轉(zhuǎn)角滾轉(zhuǎn)角和俯仰角俯仰。五個反光標(biāo)記球附著在無人機機身頂部，它們的標(biāo)記點對于不同的無人機有不同的位置。這個特征可以識別為施工過程中不同的剛體，區(qū)分了兩個飛行器之間的信息傳遞。與實時捕獲的無人機坐標(biāo)信息不同，起落架和工作區(qū)原點的標(biāo)定可以在實驗前完成一次。

04

無人機裝配及PID控制

工作營地使用的框架是以DJI F450框架為原型的自組裝機身。它由四部分組成:機架、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和操作機械臂。

無人機裝配結(jié)構(gòu)分解圖

電源系統(tǒng)采用kv650無刷電機，20A電動調(diào)節(jié)，由30c 5300mah 3s高速航模電池供電。在控制系統(tǒng)中，使用Pixhawk V3自動駕駛儀運行飛控程序，使用樹莓Pi運行ROS主節(jié)點程序。ROS節(jié)點通過wifi接收動態(tài)捕獲系統(tǒng)的定位數(shù)據(jù)包，并將處理后的數(shù)據(jù)包發(fā)送給不同話題的自動駕駛儀。Pixhawk和樹莓Pi通過usb外部總線標(biāo)準(zhǔn)交換數(shù)據(jù)。

無人機組件

機械臂由LDX-335MG耐火舵機驅(qū)動，可從0°到45°開合，控制開合的信號由RC遙控器提供。

抓取機械手的設(shè)計

機載自動駕駛儀飛行控制程序中的位姿估計運算單元可以對運動捕捉系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)和自身的傳感器數(shù)據(jù)進行LPE(局部位置估計)計算，用于實時更新無人機相對于全球坐標(biāo)系的位置估計，其方位信息也適當(dāng)?shù)丶傻轿蛔斯烙嬈髦?。在實際構(gòu)建之前，需要在已構(gòu)建的實驗環(huán)境中對加載無人機飛行控制動態(tài)運行模型的PID控制量的相對值進行微調(diào)，以適應(yīng)不斷變化的運行現(xiàn)場條件。

PID調(diào)節(jié)后速度和位置坐標(biāo)值的估計

05

空之間的馬賽克結(jié)構(gòu)設(shè)計

綜合考慮無人機的定位精度、懸停特性和工作環(huán)境限制后，野外圬工實驗采用空空間鑲嵌原理，將多個滿足空鑲嵌原理的離散多面體緊密堆疊后，即可形成空填充結(jié)構(gòu)。在空之間可以實現(xiàn)鑲嵌的多面體包括立方體(唯一的柏拉圖多面體)、菱形十二面體、截頂八面體、三角形、四邊形、六棱柱體。

一些可以在空之間實現(xiàn)鑲嵌的多面體

A.立方體b .六棱柱c .菱形十二面體d .細(xì)長十二面體e .截頂八面體

經(jīng)過多次小組討論，選擇滿足空原則的菱形十二面體作為砌體立體幾何。其優(yōu)點在于其簡單的幾何特征，由12個全等的菱形組成，有24條邊和14個頂點，為施工過程增加了定位冗余，這表明上下樓層在堆疊施工過程中會形成結(jié)構(gòu)槽口，為后續(xù)砌體提供穩(wěn)定的應(yīng)力支撐。

金剛石正十二面體堆積示意圖

整個結(jié)構(gòu)由空之間的線和面的幾何控制生成?？罩g的鑲嵌結(jié)構(gòu)可以通過改變空之間的原始曲線或曲面的數(shù)學(xué)邏輯，靈活地擬合空之間的各種幾何圖形。

結(jié)構(gòu)設(shè)計的選型

這種結(jié)構(gòu)特點被證明非常適合無人機在空的運行特點，結(jié)構(gòu)本身彌補了無人機受環(huán)境因素干擾的定位精度誤差。在空之間進行三種曲線和三種曲面的形狀擬合后，最終選擇螺旋面作為參考面的結(jié)構(gòu)形式，依次圍繞中心軸堆疊交錯，形成最終的器件形狀。

06

分立元件設(shè)計

離散單元設(shè)計如下:幾何平面展開后，用0.4毫米鋁板激光切割，然后沿邊緣彎曲，用直徑15毫米、厚度4毫米的沉頭磁鐵和M3螺絲螺母固定成型。單元體之間的連接由雙面上四個沉頭磁鐵的正極和負(fù)極連接。在下面的示意圖中，定義了紅色表面為正，藍(lán)色表面為負(fù)。上、下兩組的四個側(cè)面安裝有磁極相同的沉頭磁鐵。所有18塊的磁極安裝方式相同。

分立元件設(shè)計

無人機的機載區(qū)塊會由于磁力的作用在目標(biāo)點附近2厘米內(nèi)自動完成快速定位。該節(jié)點的設(shè)計有效補償了無人機室內(nèi)定位精度的閾值問題。

此外，為了減輕塊體的重量，保證結(jié)構(gòu)底部的穩(wěn)定性，表面設(shè)計了四種尺寸的菱形開口，從下到上依次增加。根據(jù)機械臂抓手結(jié)構(gòu)的特點，在頂面開一個孔，設(shè)計成圓操作，輔助無人機完成穩(wěn)定的抓取和釋放。

機械臂夾緊操作示意圖

07

無人機飛行路徑規(guī)劃

軌跡規(guī)劃對于協(xié)調(diào)多架無人機執(zhí)行磚石任務(wù)非常重要。本項目中使用的軌跡規(guī)劃由三個不同的子系統(tǒng)組成。首先需要標(biāo)定空與允許飛行安全區(qū)之間的布局，這個信息將成為影響結(jié)構(gòu)建模和砌筑順序的關(guān)鍵。其次，基于目標(biāo)航路點，利用軌跡規(guī)劃算法生成從初始起飛狀態(tài)(由航向和位置給定)到靜止(懸停狀態(tài))的可行軌跡，指揮無人機在多個航路點之間移動。最后，基于單機軌跡生成算法，將區(qū)塊按順序劃分為若干無人機軌跡，區(qū)別在于出發(fā)點和返回路線。

犀牛蚱蜢的自動飛行命令可視化界面

路徑規(guī)劃和設(shè)計

無人機的構(gòu)建軌跡是根據(jù)結(jié)構(gòu)的形狀規(guī)則自動生成的，分解成多個空坐標(biāo)，在Rhino軟件下的蚱蜢插件的可視化界面中進行計算。然后將這些目標(biāo)點的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成無人機所在工作區(qū)域的全局坐標(biāo)信息，通過運行在ros平臺上的Mavros節(jié)點，通過Mavlink通信協(xié)議，將命令交給飛控程序中的定點操作模塊。在這個過程中，空之間點的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成時間戳數(shù)組，包括xyz坐標(biāo)和無人機偏航角(與無人機狀態(tài)相關(guān)的三個軸角中只涉及偏航角的一個值)。

無人機(UAV)從著陸平臺夾緊滑車后收到起飛指令，在空沿既定飛行路徑到達目標(biāo)落點的垂直空。之后保持平面xy值不變，改變z值，以三級減速完成下落過程，在目標(biāo)點上方空150cm位置保持短暫懸停，執(zhí)行放置動作，然后返回。

無人機著陸平臺設(shè)計

路徑規(guī)劃的可視化界面

以上操作過程需要3分鐘左右，完成兩輪操作后需要更換電池以保證下一次飛行任務(wù)的穩(wěn)定性。在鋪設(shè)裝置的過程中，為了保證動態(tài)捕捉數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，無人機的飛行高度被限制在1.5m以內(nèi)，并且距離主體結(jié)構(gòu)至少30cm，以減少氣動干擾和地面效應(yīng)。

單機工作軌道循環(huán)

整體結(jié)構(gòu)的砌筑順序

08

協(xié)同建設(shè)戰(zhàn)略

由于操作空的限制，如果兩架飛機同時起飛，由于飛機槳葉和環(huán)境物體產(chǎn)生的上升氣流的作用，會產(chǎn)生很強的氣流干擾，造成無人機自穩(wěn)定位調(diào)整過程中的誤差積累，最終導(dǎo)致不穩(wěn)定和墜毀的危險。

雙機交替運行流程示意圖

在嘗試了不同的飛行策略后，為了保證施工過程的安全性和施工展示的完整性，最終采用了兩臺機器交替運行的方式。表現(xiàn)為其中一個完成鋪放操作后返回起落架關(guān)閉動力系統(tǒng)，另一個同時啟動飛行程序。這種交替協(xié)同構(gòu)建策略可以保證一架無人機在更換電池的過程中另一架可以連續(xù)構(gòu)建，也可以保證一架無人機在飛行過程中不受氣流干擾。兩架無人機進行了9次飛行更換，并在5小時的施工過程中更換了10次電池。

五小時施工過程

09

夏令營復(fù)工和研究展望

在前期研究建立的基于室內(nèi)運動捕捉系統(tǒng)自建的無人機實時控制系統(tǒng)和可視化界面平臺上，利用空的鑲嵌原理，提出了適合無人機砌筑的整體結(jié)構(gòu)形式和離散單元形式，完成了無人機自主完成的全部施工試驗。

但本工程不保留實際建筑標(biāo)準(zhǔn)單元組合的結(jié)構(gòu)原理，即這種方法不能一一適用于實際建筑。為了使空中的建筑在實際施工場景中獲得成功，后續(xù)研究的方向?qū)⑻剿魅绾谓Y(jié)合飛機空房間的靈活可達性，利用現(xiàn)有技術(shù)將建筑元素移動到難以到達的位置。在這項研究中，必須開發(fā)新的材料系統(tǒng)和施工技術(shù)，以解決無人機系統(tǒng)本身和環(huán)境干擾帶來的限制，如有效降低載荷，同時提高整體結(jié)構(gòu)強度，確保離散結(jié)構(gòu)的定位精度。

通過與具有航空空、自動化、機械、CS等學(xué)術(shù)背景的團隊成員合作。，我們更深刻的認(rèn)識到，這項研究的成功，注定要打破建筑師固有的工作模式，需要與多個學(xué)科的專業(yè)研究團隊不斷緊密合作。

作者|郭偉，王翔

平面圖|林旭輝、、黃偉、應(yīng)、、陸游、、朱、、、胡、陸一天、張子豪

[工作營成就展示視頻]

更精彩的展覽細(xì)節(jié)

歡迎大家光臨

時間:2019年7月6日~ 2019年10月14日

地點:建筑與城市規(guī)劃學(xué)院C樓

數(shù)字期貨上海2019

主機單元

同濟大學(xué)

高校建筑學(xué)科國家指導(dǎo)委員會建筑數(shù)字技術(shù)教學(xué)委員會

爸爸