黨啟晉 崔一鳴 王相南 李懷志

(山東科技大學(xué) 智能裝備學(xué)院,山東 泰安271000)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高層居民建筑迅速崛起，同時(shí)也帶來了困難的外層玻璃清洗工作。傳統(tǒng)的清洗工作為人工依靠抹布、刮水刀、鏟刀等清潔工具完成玻璃清潔工作，這種低效、高危性的清洗方式不能滿足社會的需求。隨著人們生活水平的提高及集成化、機(jī)械化、自動化的發(fā)展，人們更希望有一種專用機(jī)器人代替人工高效完成玻璃清洗任務(wù)[1]。目前，采用德國技術(shù)的玻妞擦窗機(jī)器人和科沃斯公司的窗寶系列擦窗機(jī)器人等一小部分產(chǎn)品在智能擦窗機(jī)器人市場上表現(xiàn)較為出色，但其價(jià)格昂貴，這對于部分經(jīng)濟(jì)情況一般的家庭來說是不小的負(fù)擔(dān)。高昂的價(jià)格成了普及智能清潔機(jī)器人的一大門檻[2]。為減小高層建筑擦玻璃工作的難度并滿足市場對智能擦窗機(jī)器的需求，本文設(shè)計(jì)了一種操作簡單、便于普及推廣的基于STM32負(fù)壓吸附式智能清潔小車。

1 智能擦玻璃小車設(shè)計(jì)

1.1 外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

清潔小車前方安裝了清潔布，用于清潔玻璃上的污漬；中間位置安裝離心風(fēng)扇，形成負(fù)壓以便于吸附在玻璃上；其后方安裝玻璃刮刀，用于清除水漬。清潔小車的供電電池安裝方式采用“車電分離”法，即電池獨(dú)立在車體之外，通過導(dǎo)線與清潔小車進(jìn)行連接。此處導(dǎo)線導(dǎo)線既能起到為清潔小車供電的作用，又可作為小車的“安全纜繩”起著保護(hù)小車安全的作用。一旦清潔小車遇到突發(fā)狀況，供電導(dǎo)線可避免清潔小車高空墜落，保證小車工作時(shí)絕對安全可靠?！败囯姺蛛x”的設(shè)計(jì)，極大的減輕了清潔小車的重量，使其工作起來更加靈活，安全性能更高。圖1為清潔小車3D模型圖。

圖1 清潔小車3D模型圖

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

清潔小車的主控芯片采用STM32f103c8t6，該芯片為32位多功能、低成本、低功耗單片機(jī)，它的內(nèi)核采用ARM公司最新生產(chǎn)的Cortex M3架構(gòu)，最高工作頻率可達(dá)72 MHz，擁有7個(gè)定時(shí)器和3對串口完全滿足清潔小車的設(shè)計(jì)需求。清潔小車采用直流減速電機(jī)作為驅(qū)動動力源，為實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)和調(diào)速的控制，需要利用驅(qū)動模塊將主控芯片發(fā)出的信號轉(zhuǎn)換為角位移量[3]。最為傳統(tǒng)的L298N電機(jī)驅(qū)動模塊最大輸出電流為2A影響小車的工作性能，因?yàn)榍鍧嵭≤囋诓ＡП砻孢M(jìn)行清洗工作時(shí)，容易出現(xiàn)運(yùn)動輪打滑或其他使電機(jī)負(fù)載突然變換的情況，因此我們選用相較于L298N驅(qū)動模塊輸出電流更大、性能更穩(wěn)定的AQMH2407ND作為直流電機(jī)的驅(qū)動模塊。此外，AQMH2407ND模塊能夠更有效地實(shí)現(xiàn)隔離干擾，過流過載保護(hù)。

清潔小車正前方安裝了HC-SR04超聲波測距模塊，此模塊最遠(yuǎn)射程為4米，最近射程為2厘米。采用此模塊主要是為了粗略的接收清潔小車與窗戶邊緣的距離，便于實(shí)時(shí)決策其行駛方向，防止其與玻璃框相撞，影響清潔效率。向清潔小車發(fā)送工作指令的方式有兩種：一種是App控制清潔小車，App與小車通過HC-05藍(lán)牙模塊(以下簡稱藍(lán)牙模塊)進(jìn)行通信，藍(lán)牙模塊工作頻段為2.4 GHZ，性能穩(wěn)定，最大傳輸距離為30米，可實(shí)現(xiàn)App實(shí)時(shí)控制清潔小車。另外一種控制清潔小車的方式是紅外遙控，小車主控芯片與HX1838模塊(接收模塊)相連用于接收HS-21模塊(發(fā)射模塊)的指令。清潔小車通過控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)各個(gè)模塊進(jìn)行工作，其工作原理如圖2所示。

圖2 清潔小車原理圖

1.3 吸附系統(tǒng)設(shè)計(jì)

負(fù)壓吸附方式利用離心機(jī)將小車與玻璃接觸的空間抽成負(fù)壓，小車通過內(nèi)外壓差吸附在玻璃上[4]。在長方形車體底盤的幾何中心處安裝負(fù)壓吸附裝置，由兩顆螺絲固定離心機(jī)兩端，依據(jù)流體力學(xué)對底盤中心對接處呈圓臺鏤空狀，增加車體的吸附力。對于作為負(fù)壓源的通風(fēng)機(jī)，系統(tǒng)采用離心式通風(fēng)機(jī)(近似成垂直面故為離心式)。因?yàn)樵谕润w積下，徑流式風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)壓通常要比軸流式風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)壓大，而離心式徑流風(fēng)機(jī)與斜流式徑流風(fēng)機(jī)相比制造難度較小、成本較低，因此，選用離心式徑流風(fēng)機(jī)(以下簡稱離心機(jī))作為負(fù)壓產(chǎn)生源。小車所采用的離心機(jī)其主視圖如圖3(a)所示，側(cè)視圖如圖3(b)所示。清潔小車安全吸附在玻璃表面并運(yùn)動需要滿足小車穩(wěn)定吸附在玻璃上和驅(qū)動輪不打滑兩個(gè)條件。為了滿足這兩個(gè)條件，我們在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)采用了額定電流較大的驅(qū)動模塊配合吸附系統(tǒng)所采用的較大功率離心機(jī)。此外，我們在驅(qū)動輪上安裝了一圈薄薄的橡膠套以增大與玻璃之間的摩檫力，預(yù)防出現(xiàn)驅(qū)動輪打滑的現(xiàn)象，進(jìn)一步減小吸附系統(tǒng)的壓力。

圖3 離心機(jī)吸附系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2 組裝和調(diào)試

小車底盤設(shè)計(jì)的主要目的在于保證負(fù)壓吸附的安全可靠性。兩個(gè)直流減速電機(jī)安裝在車體斜對角線處，超聲波模塊安裝在車體前端，便于識別前方障礙物，主控芯片安裝在超聲波后方便于與其相連，車體電源模塊放在車尾，便于與導(dǎo)線相接，使得車體重心保持平衡。上電后，首先是單片機(jī)自身進(jìn)行初始化、藍(lán)牙接收模塊初始化、超聲波模塊初始化及紅外模塊初始化。然后等待用戶進(jìn)行控制方式的選擇，之后開始進(jìn)入程序的主循環(huán)，當(dāng)使用者使用紅外遙控或藍(lán)牙控制時(shí)，可以根據(jù)玻璃的所需的清潔效果來進(jìn)行速度擋位的選擇，系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)志位的判定。

借此判斷小車的超聲波和負(fù)壓吸附裝置是否穩(wěn)定工作，當(dāng)標(biāo)志位判定成功后將啟動兩臺直流減速電機(jī)，實(shí)現(xiàn)擦墻清潔的任務(wù)。當(dāng)選擇手動控制時(shí)，系統(tǒng)時(shí)刻在等待接收使用者的控制指令，當(dāng)使用者通過紅外遙控器或手機(jī)向小車發(fā)送指令時(shí)，控制命令信號會由A/D轉(zhuǎn)換后入單片機(jī)緩存，同時(shí)單片機(jī)從內(nèi)部寄存器讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行控制命令信號的匹配，匹配成功后便執(zhí)行相應(yīng)的操作。

3 功能測試

3.1 紅外遙控變速測試

紅外遙控器可實(shí)時(shí)控制清潔小車的行駛方向和前進(jìn)速度。前進(jìn)速度分為低、中、高三個(gè)檔位，具體參數(shù)如表1所示。由于清潔小車向上行駛與向下行駛對速度的影響較大。因此，在水平地面上測試的數(shù)據(jù)較為客觀，表1數(shù)據(jù)為清潔小車在擦拭水平地面(大理石桌面)的測試。在多次測驗(yàn)下發(fā)現(xiàn)速度大致恒定在6厘米每秒時(shí)清潔效果最為理想。紅外遙控是與App互補(bǔ)的一種控制方式，紅外遙控方式相較于其他操作方式具有簡單和傳統(tǒng)的特點(diǎn)，方便老年人使用。但是，紅外遙控在清潔過程中也存在一定的不足，信號穿透力弱，易被遮擋和干擾。

表1 清潔小車水平地面測試速度表

3.2 手機(jī)APP控制測試

相較于紅外遙控控制的易操作，App控制可以說是大勢所趨了。App的編程在E4A環(huán)境下開發(fā)完成，其可直接使用漢語進(jìn)行編寫控制程，降低了App的開發(fā)門檻。手機(jī)App可在清潔小車擦拭過程中實(shí)時(shí)控制其工作狀態(tài)。App與小車通過藍(lán)牙進(jìn)行通信。手機(jī)藍(lán)牙與清潔小車的藍(lán)牙進(jìn)行匹配成功后即可在App上向清潔小車發(fā)送前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)彎和停止指令，遠(yuǎn)程控制清潔小車前后左右運(yùn)動，完成指定的清潔軌跡。同時(shí)，主控芯片每間隔500毫秒將接收到小車距離窗框的數(shù)據(jù)發(fā)送至App，使用者可根據(jù)收到數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整清潔小車的工作路徑。

3.3 工作測試

清潔小車最主要的任務(wù)是清潔玻璃，所以衡量其性能是否優(yōu)越取決于其能否對玻璃起到一個(gè)良好的清潔作用，同時(shí)清潔小車還要具備高效率、低成本、高去污的特點(diǎn)。為得到具體參數(shù)，清潔小車在多個(gè)環(huán)境下進(jìn)行了工作測試，工作環(huán)境為我們家庭中臥室及客廳的玻璃。經(jīng)過多個(gè)環(huán)境測試，得出實(shí)際的運(yùn)動性能及清潔速度，在完善小車參數(shù)和測量工作環(huán)境后得出清潔小車的具體參數(shù)，如表2所示。

表2 小車具體參數(shù)表

4 結(jié)論與展望

高層玻璃清洗成為多數(shù)居民打掃衛(wèi)生的難題。其原因有兩個(gè)方面:一方面是高層建筑玻璃多為封閉式的落地窗，人為擦拭風(fēng)險(xiǎn)高;另外一方面是所需清潔玻璃面積大，人工清洗勞動強(qiáng)度大且清洗效率低；請家政人員清洗費(fèi)用高?，F(xiàn)有清洗方式普遍存在安全系數(shù)低、成本高、效率低等問題，不能滿足人們的日常生活需求，使用擦窗機(jī)器清洗替代人力清洗已經(jīng)成為一種趨勢。團(tuán)隊(duì)從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，創(chuàng)造出一種成本低、安全性能高、智能化的擦窗清潔小車，清潔小車能對大面積櫥窗玻璃和家庭常規(guī)玻璃等進(jìn)行高效的清洗，使樓房更加干凈整潔。同時(shí)，清潔小車也存在一定的不足之處：清潔速度較慢，紅外遙控易受干擾。我們相信隨著科技的不斷更新進(jìn)步，擦玻璃機(jī)器人將會有更大的發(fā)展空間和潛力。