2019 DigitalFUTURES Shanghai
Discrete Elements Construction of Automatic UAV
Tutors：Xiang Wang 王祥 | Shixian Yu 于士贤
TA：Zhe Guo 郭喆
Students：Likai Wei 魏力恺 | Yitian Lu 卢倚天 | Xuhui Lin 林旭辉 | Hongxin Wang 王鸿鑫 |Aiyu Zhu 朱爱宇 | Ziyue Hu 胡梓悦 | Zihao Zhang 张子豪 | Kai Xiao 肖凯 | Xiaoliang Ying 应晓亮 | Sijie Gao 高思捷 | Lihua Zhang 张力骅 | You Lyu 吕悠 | Qixin Li 李霁欣 | Zixun Huang 黄梓洵
随着工业机械臂、机器人在多种工业中的广泛应用，以及无人机，AGV等移动工具在现代自动化领域的异军突起，基于无人移动自主建造平台的现场建造技术也成为了当下数字建造领域的重要攻关方向。本次工作营也以此为目的，试图建立一套适用于移动机器人系统的设计-建造工作流，探讨空中建造的可能性。
近些年来建筑师们一直在探索数字技术在结构设计和装配中的应用，许多非标准建筑设计和制造的研究应运而生，工业机器人在过去的十年里迅速发展起来。然而，机器人手臂和计算机数控（CNC）机器受到预先定义的工作区域的限制，制约了它们可以操作的构件大小，也因此限制了它们的工作范围和整体结构。相比之下，无人机不受如此狭窄的边界限制。其所能工作的空间范围远大于飞行器本身的大小，使大型飞行器以1:1的比例在整个结构建造上工作成为可能，从而为建筑师实现其设计提供了一个新的技术框架。
Fab-Union团队近些年建立的建筑机器人工作平台 © FU
国际科研团队的无人机辅助建造项目
1. Flight Assembled Architecture
Gramazio & Kohler Research Group & Institute for Dynamic Systems and Control
2. Aerial Construction
Gramazio & Kohler Research Group & Institute for Dynamic Systems and Control
3. UAV Collaborative Construction
Kumar Lab, GRASP Lab, University of Pennsylvania4. Cyber Physical Macro Material as a UAV [re]Configurable Architectural SystemInstitute of Computational Design,, University of Stuttgart本次工作营是一次移动建造机器人的应用场景转向空中的拓展性试验，提出了一种适用于快速灵活建造的建造形式原型。将装置的尺度扩大到真实建造的尺度后可以通过标准预制单元体的空间密铺方式进行真实居住尺度的建筑建造，具有广阔的应用拓展性。
无人机系统的复杂性需要多终端、多传感器的协同运行；复杂建造环境和建造工艺前提下的无人机自主化建构也需要设计和建造一体化的工作平台和工作流程的开发。不同于数字建造领域常用的基于Rhinoceros和Grasshopper平台的参数化设计流程，本次工作营中的工作流程将主体设计、机器人路径规划平台、机器人运动控制平台分离，引入机器人领域研究常用的ROS 开源系统(Robot Operating System)，实现Windows和Linux操作系统之间的连接，通过建立ROS模块和Grasshopper之间不同软件平台的通信与数据转换方法，搭建适用于移动机器人复杂场景的自主建造技术框架。
复合平台协同操作界面
（a.Cortex动捕数据处理界面 b.基于Linux操作系统的ROS运行界面 c.Rhino和Grasshopper可视化操作界面）
完整的无人机自主建造系统由无人机空间位姿反馈和地面站轨迹控制两部分组成。
无人机自主建造系统框架
·位姿控制部分运用了当下无人控制领域中十分成熟的开源飞控Px4固件。机载的自动控制仪硬件为Pixhawk V3，其中包含飞控必要传感器：姿态传感器（三方向陀螺、加速度计）、磁力计、气压计和空速计。同时将无人机坐标信息传回Grasshopper的ROS接口用于地面站的可视化界面反馈。
·地面站轨迹控制部分利用ROS系统作为数据传输媒介，将Rhinoceros建模软件中规划的建造路径和投放目标点数据通过ROS的子节点以Mavlink轻量级通讯协议传输给自动控制仪，完成无人机自动作业轨迹的虚拟控制。ROS系统装载在基于Linux操作系统的Raspberry Pi微型计算机上，由无人机机载。
完整的工作环境包括一套红外光学动作捕捉系统、洁净的无人机工作区、无人机起落架、送料口、充电器、安全网、手控安全员和地面计算机指挥站。
现场工作环境搭建
试验现场选定于同济大学建筑与城市规划学院C楼地下一层展厅。展厅层高2.5m，工作区域面积约为5m*6m，共使用了8个红外动作捕捉相机组成定位系统。受实验场地和动捕相机设备数量制约，无人机实际工作区域为2.6m*2.4m*1.7m。8个相机在限定区域内均匀分布悬挂于展厅吊顶之下300cm处，由CAT-6标准网线供电和传输信号，并全部汇接到中央交换机上。
红外动作捕捉相机与悬挂固定方式
用于动作捕捉相机识别定位的反光标记球
红外动作捕捉相机通过特制的反光标记球以200hz频率记录物体在空间中的位置信息（红外光学运动捕捉技术基于计算机图形学原理，对于三维空间中的一个点，只要这个点能同时为两部摄像机所见便可确定这一时刻该点在三维空间里的位置信息。当摄像机以足够高的速率连续拍摄时，从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹）。
建造环境中动作捕捉相机的布置方式 © Nokov
利用这个原理，通过对无人机体上特定光点的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。这些数据表征了无人机的六自由度（Six Degrees of Freedom - 6DoF）信息，包括三维空间XYZ轴坐标，偏航角Yaw，横滚角Roll，俯仰角Pitch。5个反光标记球贴在无人机机体顶端，对于不同的无人机其标记点位置也不同，在建造过程中由此特征可以被识别为不同的刚体，而将两架飞机的信息传输区分开来。不同于被实时捕捉的无人机坐标信息，起落架和工作区原点的标定在实验前一次性完成即可。
工作营使用的机架是基于大疆F450机架原型的自组装机体。由机架、动力系统、控制系统和作业机械臂四部分组成。
无人机装配构造分解图
动力系统采用kv650型号无刷电机配以20A电调，由一节30c 5300mah的3s高倍率航模电池供电；控制系统运用Pixhawk V3版本自动驾驶仪运行飞行控制程序，运用Raspberry Pi运行ROS主节点程序，ROS节点通过wifi接收动捕系统定位数据包，并将处理后的数据包以不同的话题形式发送给自动驾驶仪。Pixhawk和Raspberry Pi通过usb外部总线标准进行数据交换。
无人机组装
机械臂由LDX-335MG耐烧舵机驱动，可完成开合角度在0°至45°的开合动作，控制开合的信号由RC遥控器提供。
抓取机械臂设计
机载的自动驾驶仪飞控程序中的位姿估计运算器可将动作捕捉系统反馈6DoF的数据与自带的传感器数据进行LPE（local position estimate）计算，用于实时更新无人机体相对于全局坐标系的位置估计，其朝向信息也被适当整合进姿态估计器中。在实际建造前还需要对建成实验环境下的荷载无人机进行其飞控动态运算模型PID控制量相对数值进行细微调整以适应变化的操作场地条件。
PID调整后的速度与位置坐标值估计
在综合考虑了无人机的定位精度、悬停特点和作业环境限制后，现场砌筑实验采用空间镶嵌（Spatial Tessellations）的离散化构件砌筑原则，通过多个满足空间镶嵌原则的离散多面体紧密堆积后可形成空间填充结构体。可以实现空间镶嵌的多面体包括立方体（是唯一的柏拉图多面体），菱形十二面体，截塔八面体，三角形，四边形和六棱柱。
一些可实现空间镶嵌的多面体
a.立方体 b.六棱柱 c.菱形十二面体 d.细长十二面体 e.截塔八面体
经过多次小组讨论，选择满足空间密铺原则的菱形正十二面体（ Rhombic Dodecahedron）作为砌筑立体几何形。
其优势在于几何特征简单，由12个全等的菱形构成，共24条棱，14个顶点，并且为建造过程增加了定位冗余度：表现为上下两层在堆叠建造的过程中会形成结构凹口，为后续的砌体提供稳固的受力支撑。
菱形正十二面体堆叠示意
整体结构体通过空间线和面的几何控制进行运算生成。空间镶嵌结构因其紧密的离散单元堆叠特性，通过改变原始曲线或空间曲面的数学逻辑可以灵活地拟合多种空间几何体。
结构设计选型
这一结构特性在试验中验证非常适用于无人机的空中作业特点，结构自身弥补了无人机受环境因素干扰的定位精度误差问题。通过三种曲线和三种空间曲面的生形拟合后，设计最终选取螺旋面作为基准曲面的构造形式，围绕中心轴依次错位向上堆叠形成最后的装置形态。
离散单元体的设计为几何平面展开后用0.4mm铝板激光切割，通过沿着棱边的弯折，利用直径15mm，厚度4mm的沉头磁铁加M3螺丝螺母固定成型。单元体之间的连接由对偶面上的四个沉头磁铁正负极相接，在下图示意中定义红色的面为正面，蓝色的面为负面，上下两组面各四面安装相同磁极的沉头磁铁，所有18块砌块的磁极安装方式都相同。
离散单元设计
无人机机载的砌块在靠近目标点的2cm范围处会因磁力的作用自动完成快速定位，这一节点的设计有效弥补了无人机室内定位精度的阈值问题。
再者为减轻砌块重量并且保证结构底部的稳固性，共设计了4种表面菱形开洞尺寸，由下至上依次增大。顶面开洞根据机械臂夹取结构的特征进行了倒圆角操作的设计，辅助无人机完成稳定的抓取和投放。
机械臂夹取操作示意
轨迹规划对于协调多台无人机执行砌筑任务至关重要。本项目中使用的轨迹规划由三个不同的子系统组成。首先，需要对空间的布局和允许飞行安全区域进行标定，该信息会成为影响结构造型和砌筑顺序的关键所在。第二，基于目标航点的单机轨迹规划，使用轨迹规划算法，从无人机起飞初始状态（通过航向和位置给出）到静止（悬停状态）生成可行的轨迹，指挥无人机在多个航点之间移动。最后，基于单机轨迹生成算法将砌块顺序分为多个无人机的运行轨迹，其区别在于起飞点和回航路线的差异。
Rhino Grasshopper的自动飞行指令可视化界面
路径规划设计
无人机的建造轨迹根据结构体的生形规则自动生成，分解为多个空间点坐标，在Rhino软件下的Grasshopper插件可视化界面计算完成。这些目标点坐标随后转换为无人机所在工作区域的全局坐标信息，并通过ROS平台上运行的Mavros节点以Mavlink通讯协议对飞控程序中的定点运算模块下达指令。在这一过程中通过Grasshopper运算器的处理，空间点坐标转换为带有时间戳的数组，包含xyz坐标和无人机偏航角度（在无人机状态相关三个轴向角中只涉及偏航角一值）。
无人机从起降台上夹取砌块后接到起飞指令，在空中沿着既定的飞行轨迹抵达目标投放点的垂直上空，之后保持平面xy值的不变改变z值，以三段减速完成下落过程，并且在目标点位上空150cm位置保持短暂悬停，进行放置动作，随后返程。
无人机起落台设计
路径规划可视化界面
以上一个作业过程大约耗时3分钟，在完成2次作业回合后为保证下一次飞行任务的稳定需要更换电池。在装置砌筑过程中，为保证动捕数据的精准和稳定，无人机的飞行高度限制在1.5m以内，并且与主体结构至少相距30cm以上，以减少气动干扰和地面效应。
单机工作轨迹循环
整体结构砌筑顺序
由于操作空间的限定，若采用两架飞机同时起飞的协同方式则会因飞机桨叶产生的上升气流与环境物体作用而产生强烈的气流干扰，造成无人机在自身稳定定位调整的过程中造成误差不断的累计，最终造成失稳坠机的危险。
双机交替作业过程示意图
在尝试了不同的飞行策略后为保证建造过程安全性和建造展览的完整性，最终采用双机交替作业的形式。表现为其中一架完成砌筑作业后返回起落架关闭动力系统，另一架同时启动飞行程序，如此交替的协同建造策略可以保证在一台无人机更换电池期间另一台可以不间断建造，也可以保证一台无人机在飞行中不会受到气流干扰。两架无人机进行了9次飞行交替，在5小时的建造过程中共更换10次电池。
5小时建造过程
本次工作营在预研究中建立的基于室内动作捕捉系统的无人机自主建造实时控制系统和可视化界面平台上，利用空间镶嵌原则提出了适用于无人机砌筑的整体结构形式和离散单元体形式，并且完成了全部由无人机自主完成的搭建试验。
然而，该项目并没有保留实际建筑的标准单元组合的结构原则，即这种方法不能一对一地应用于实际建筑。为了使空中建造在现实建造场景中取得成功，后续研究的方向将探索如何结合飞行器的空间中灵活的可达性，将建筑元素移动到利用现有技术难以到达的位置。本研究还须研发新的材料系统和施工工艺，以解决无人机系统本身和环境干扰施加的限制，例如在有效减轻荷载的同时提高整体结构强度，同时保证离散结构定位的精度等等。
通过与拥有航空、自动化、机械、CS等学科背景的小组成员合作，我们更加深刻地体会到，这项研究的成功注定意味着打破建筑师们固有的工作模式，需要持续与多个学科的专业研究团队进行密切合作。
图版绘制 | 林旭辉、肖凯、黄梓洵、应晓亮、高思捷、吕悠、李霁欣、朱爱宇、张力骅、王鸿鑫、胡梓悦、卢倚天、张子豪
【工作营成果展示视频】
更多精彩展览细节内容
欢迎大家前来参观
DigitalFUTURES 2019工作营成果展！
时间：2019年7月6日~2019年10月14日
地点：同济大学建筑与城市规划学院C楼
DigitalFUTURES Shanghai 2019
主办单位
同济大学
联合主办单位
中国建筑学会 计算性设计学术委员会
中国建筑学会 数字建造学术委员会
全国高等院校建筑学科专业指导委员会建筑数字技术教学工作委员会
同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司
承办单位
同济大学建筑与城市规划学院
上海建筑数字建造工程技术研究中心
协办单位
同济大学本科生院
支持单位
一造科技
DADA
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