李思圻，李成彬，楊 艷

（中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州221100）

1 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，城市化進(jìn)程加快，城市基礎(chǔ)建設(shè)越來越完善，高樓林立。而對(duì)于高層建筑外層玻璃幕墻的清潔工作，國內(nèi)幾乎都采用人工清洗，效率較低，并且有過工人墜落的事例，風(fēng)險(xiǎn)較大，所以對(duì)應(yīng)的成本較高。

而隨著人工智能產(chǎn)業(yè)的興起，智能機(jī)器人越來越多地替代工人進(jìn)行危險(xiǎn)系數(shù)高的工作。世界上最早的關(guān)于壁面清洗機(jī)器人的研究發(fā)生在日本，1966年大阪府立大學(xué)工學(xué)院講師西亮設(shè)計(jì)了一種利用風(fēng)扇產(chǎn)生的負(fù)壓而吸附在幕墻上的理想移動(dòng)機(jī)器人[2]，隨之國內(nèi)外許多研究者開啟了對(duì)壁面清洗機(jī)器人的開發(fā)。

然而壁面清洗機(jī)器人關(guān)節(jié)冗多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且受建筑外壁凹凸形狀影響和可吸附性影響十分大，如常用的吸盤負(fù)壓式壁面移動(dòng)機(jī)器人，在大理石外壁上就會(huì)因外壁粗糙度過大而無法工作。因此設(shè)計(jì)了一種基于多旋翼無人機(jī)平臺(tái)的清洗機(jī)器人，旋翼式無人機(jī)相比爬壁式機(jī)器人有無視壁面形狀、移動(dòng)速度快、清洗效率高等優(yōu)點(diǎn)。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

當(dāng)下的主流思路是利用壁面移動(dòng)機(jī)器人為載體，壁面清洗機(jī)器人是壁面移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)分支[1]，由于玻璃壁面的非磁性，壁面移動(dòng)機(jī)器人大多采用某種負(fù)壓裝置產(chǎn)生吸附效果，采用車輪、履帶和腳步機(jī)構(gòu)作為運(yùn)動(dòng)模塊[3]。

中國的壁面清洗機(jī)器人起步時(shí)間較晚，但是發(fā)展速度很快。上海交通大學(xué)目前在這一領(lǐng)域處于全國領(lǐng)跑位置，很多研究所都已初步推出具有獨(dú)特創(chuàng)新角度的機(jī)器人模型。甚至很多公司注意到壁面清洗機(jī)器人的巨大潛力，也很早開始了自己的技術(shù)開發(fā)，并取得了一些成果，例如近拉脫維亞的Aerones 公司設(shè)計(jì)制造了一款可以清洗高層建筑外墻的無人清洗機(jī)，其清洗工作的效率比傳統(tǒng)方式快20 倍，而且更加安全。

3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所研究的壁面清洗機(jī)器人創(chuàng)新性地采用了多旋翼無人機(jī)平臺(tái)替代傳統(tǒng)的以壁面移動(dòng)機(jī)器人為載體，克服了傳統(tǒng)壁面移動(dòng)機(jī)器人對(duì)壁面形狀和粗糙度的要求有過多限制的弊端，不需要吸附裝置，且旋翼式無人機(jī)簡(jiǎn)單直接的移動(dòng)為清洗路線的規(guī)劃提供了更多的可能性。

3.1 安全防撞裝置

由于無人機(jī)飛行的不穩(wěn)定性，實(shí)際上緊貼墻壁飛行對(duì)于常用的飛行控制芯片是十分危險(xiǎn)的，因此對(duì)無人機(jī)進(jìn)行安全防撞裝置的設(shè)計(jì)是十分必要的，本文采用機(jī)械和電控雙重安全保護(hù)系統(tǒng)。在機(jī)械方面，利用3k 碳纖維管的輕質(zhì)量與高強(qiáng)度的特性，加工出一個(gè)六方形的框架，并與無人機(jī)的中心板和腳架連接在一起，一方面起到了機(jī)械防撞的作用；另一方面擴(kuò)展了云臺(tái)，提供了更多的掛載面積，可以擴(kuò)展更多的固件。在電控方面采用RB URF02 超聲波測(cè)距傳感器，通過PWM 控制線并聯(lián)在飛控的輔助通道，在飛控中編寫B(tài)ool函數(shù)，在飛行器電機(jī)距離障礙物過近時(shí)，會(huì)啟動(dòng)飛行器的俯仰位姿調(diào)整，保持向后移動(dòng)，在安全距離外則恢復(fù)水平姿態(tài)。

3.2 提升力的計(jì)算

基于無人機(jī)平臺(tái)的壁面清洗機(jī)器人出于提升力的要求，采用六電機(jī)、軸距850 的六旋翼式無人機(jī)，一軸一電機(jī)布置。無人機(jī)平臺(tái)自重W1=2.5 kg，要求掛載W2=0.8 kg 的液箱、管道和噴灑噴頭等清洗用工具，一次工作需要V3=3 L 清潔液，清潔液密度取各品牌平均密度ρ=1.1 kg/L，因此清洗液滿載質(zhì)量W3=ρ×V3=3.3 kg。

所以要求六旋翼無人機(jī)的提升力G0=W1+W2+W3=2.5 kg+0.8 kg+3.3 kg=6.6 kg。取安全系數(shù)S=1.8，則實(shí)際提升力G要求為：G=G0×S=6.6 kg×1.8=11.88 kg。對(duì)每一單獨(dú)電機(jī)提升力要求為：T≥G0/n=11.88 kg/6=1980 gf，其中n為電機(jī)數(shù)，n=6。

電機(jī)選用電壓控制伺服電機(jī)，忽略轉(zhuǎn)速與輸入電壓的非線性誤差，根據(jù)提升力要求，選用X2820 系列800 kV 電動(dòng)機(jī)，基本參數(shù)如表1 所示。

選用XT60+60A 電機(jī)調(diào)速器、1255 正反槳和4S 電池，即持續(xù)供電電壓為14.8 V。此時(shí)單電機(jī)提升力T=2240 gf，滿足T≥1980 gf，所以提升力計(jì)算結(jié)論如表2 所示。

表1 X2820 系列電動(dòng)機(jī)推力參數(shù)

表2 提升力計(jì)算結(jié)論

3.3 定位精度

傳統(tǒng)的GPS 定位傳感器，如M8NGPS，根據(jù)經(jīng)緯度進(jìn)行定位，只能精確到小數(shù)點(diǎn)后5 位數(shù)，即其定位精度是米級(jí)的，在完全定點(diǎn)的情況下甚至?xí)谥睆?.5 m 大小的四方形內(nèi)來回?cái)[動(dòng)，航模愛好者們通常采用定高飛行模式或留待飛行模式自己操控，而很少信任一般質(zhì)量的GPS 模塊。

但是當(dāng)飛行器自己執(zhí)行飛行計(jì)劃時(shí)，需要厘米級(jí)別定位精度，甚至DJI 公司在MAVIC 系列之后已經(jīng)達(dá)到毫米級(jí)別定位。因此，升級(jí)GPS 固件模塊為HERE+RTK 定位導(dǎo)航系統(tǒng)，HERE+是世界上第一款針對(duì)開源無人機(jī)而設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)差分定位導(dǎo)航系統(tǒng)，在13 顆衛(wèi)星的定位信號(hào)即可達(dá)到經(jīng)緯度小數(shù)點(diǎn)后7 位的定位精度，十分驚人。搭配Ardupilot 團(tuán)隊(duì)的開源飛控Pixhawks 2.4.8，即可滿足壁面清洗機(jī)器人工作期間的定位要求。

3.4 續(xù)航時(shí)間

非工業(yè)無人機(jī)目前的續(xù)航時(shí)間普遍低于22 min，平均在15 min 左右，這對(duì)于一次清洗工作是較為緊促的，這也是無人機(jī)工作相比機(jī)器人工作的主要劣勢(shì)。

如果不采用航模電池，而采用較為專業(yè)的工業(yè)無人機(jī)電池，續(xù)航時(shí)間可以超過20 min，配合上飛行器的高工作效率，可以滿足工作需求。

3.5 清洗裝置

基于多旋翼無人機(jī)平臺(tái)的壁面清洗機(jī)器人采用植保無人機(jī)用高壓噴頭[4]，噴頭通過Pixhawk 飛控的輔助通道控制，在參數(shù)樹中選取parachute 舵機(jī)功能對(duì)應(yīng)該輔助通道，即可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單操控噴頭的開關(guān)。

由于拖曳輸液管道會(huì)影響無人機(jī)的水平儀、氣壓計(jì)等傳感器工作，十分容易導(dǎo)致無人機(jī)橫滾角度過大而發(fā)生墜機(jī)事件，所以采用攜帶清洗液箱一起飛行的方案。清洗液的重心應(yīng)當(dāng)與無人機(jī)的重心處于一條豎直線上，否則擴(kuò)大液體慣性對(duì)飛機(jī)水平位姿的影響，導(dǎo)致其在啟動(dòng)和制動(dòng)動(dòng)作期間相當(dāng)不穩(wěn)定。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 定位測(cè)試

利用850 六旋翼無人機(jī)平臺(tái)，搭載HERE+RTK 定位模塊進(jìn)行實(shí)際飛行測(cè)試。首先在空曠的草地上搜索衛(wèi)星，搜索15 顆后定位Home 點(diǎn)，隨后制定自動(dòng)飛行計(jì)劃，在三個(gè)坐標(biāo)任務(wù)點(diǎn)之間進(jìn)行起飛、巡航、高度調(diào)整與降落等基礎(chǔ)任務(wù)。Missionplanner 飛行計(jì)劃規(guī)劃如圖1 所示。

圖1 Missionplanner 飛行計(jì)劃規(guī)劃

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，該六旋翼十分精準(zhǔn)地完成了所有巡檢任務(wù)，定位誤差不超過2 cm。

4.2 避障測(cè)試

在六旋翼無人機(jī)上裝上螺旋槳保護(hù)葉，Pixhawk 飛控?cái)U(kuò)展與RB URF02 超聲波測(cè)距傳感器接口，Bool 函數(shù)的開啟距離設(shè)置為10 cm[5]。通過飛行員的遙控，使裝載RB URF02超聲波測(cè)距傳感器的一面緩慢地靠近水泥墻壁。

通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)飛行器槳葉前段與建筑物距離15 cm左右，飛行器有明顯的滯留并后退的動(dòng)作，飛行動(dòng)作與氣流未受影響，與墻面始終保持安全距離。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)出了一種基于多旋翼無人機(jī)平臺(tái)的壁面清洗機(jī)器人，克服了傳動(dòng)壁面移動(dòng)機(jī)器人受限于壁面形狀與粗糙度的弊端，通過提升力計(jì)算對(duì)電動(dòng)機(jī)、電調(diào)、軸距、電池和螺旋槳進(jìn)行了選型和校核。用碳纖維保護(hù)架+超聲波測(cè)距傳感器雙重安全保護(hù)的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)障礙物的規(guī)避，解決了無人機(jī)飛行過程的碰撞安全問題。采用HERE+RTK 開源差分GPS 定位系統(tǒng)，將無人機(jī)的定位精度精確到厘米級(jí)別。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，安全系數(shù)高，工作效率高，易于保養(yǎng)與維修。最后，通過實(shí)驗(yàn)機(jī)的場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)，對(duì)無人機(jī)的定位精確度和避障功能進(jìn)行了測(cè)試，皆滿足工作要求，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高層建筑外墻壁的清洗，達(dá)到了預(yù)期的目的。