張唯一 冉騰輝 石 萌 賴雅馨 毛應彪

（西南民族大學電子信息學院，四川 成都 610207）

1 高空外墻清潔研究現(xiàn)狀

高空清潔行業(yè)是一個新興行業(yè)，也是一個極具挑戰(zhàn)性的行業(yè)。當前，高空清潔外墻的清潔方法主要有人工高空懸吊清洗以及爬墻機器人清洗。

經(jīng)調(diào)查，目前很多清潔公司沒有資質(zhì)、專業(yè)門檻很低，無法保證清潔設備的質(zhì)量且70% 的清潔工人沒有進行專業(yè)培訓，缺少超高層建筑外墻清洗的經(jīng)驗。與此同時，高空清潔勞動力成本逐年上升且高空作業(yè)還會受天氣的限制。這一系列的問題使人工懸吊清洗的難度增加，意外高空墜樓的事件不斷發(fā)生。

目前，高空清洗機器人的類型有可滑動海綿清潔無人機、滑軌式清潔機器人、雙繩索驅(qū)動式清潔機器人以及吸附式清潔機器人，但是都存在清潔效率低、清潔區(qū)域受限以及成本較高的問題。

針對以上問題，一款安全、高效且成本較低的清潔無人機顯得尤為重要。因此，該文設計了基于PixHawk 飛控的四旋翼無人機清潔系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以有效代替人工進行高空清潔作業(yè)，降低人工風險，而且還能提高清潔工作效率，降低清潔成本。

2 無人機清潔系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)核心

無人機以ARM-Linux 處理器為核心處理器，主要具備以下4 個功能：1） 接收來自接收機傳來的S.BUS 協(xié)議信號，并對信號進行解析，根據(jù)傳感器采集的實時狀態(tài)適當?shù)貙υ嫉腟.BUS 信號進行修正，最后將處理后的信號通過異步串口發(fā)送到飛控端。2） 實時監(jiān)測系統(tǒng)的各項參數(shù)，必要時能夠發(fā)出警報或采取風險規(guī)避措施。3） 通過 PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制4 路霧化噴頭、1 路電機和1 路水泵。4） 存儲傳感器的各項數(shù)據(jù)，并實時同步至MQTT 服務器，供上位機讀取。

2.2 無線電通信系統(tǒng)

2.2.1 S.BUS 中繼模塊

由于飛控和遙控器均使用S.BUS 協(xié)議，因此在該協(xié)議的基礎上進行開發(fā)工作是比較容易的。該模塊的主要功能為接受來自接收機的信號，并對信號進行處理后再發(fā)送給飛控?；谠撃KARM 端可以通過傳感器采集的數(shù)據(jù)實時判斷是否對遙控信號進行修正，從而實現(xiàn)飛控的嵌入式二次開發(fā)。

2.2.2 S.BUS 協(xié)議概述

S.BUS（SerialBUS）是一種串行總線通信協(xié)議，僅使用1根信號線就可以實現(xiàn)16比例通道+2開關通道的信號傳輸，還可以使用串口進行開發(fā)。S.BUS 在實際開發(fā)中使用串口進行通信，其串口波特率為非標準波特率100 kB，數(shù)據(jù)位為8位，采用偶校驗，停止位為2 位。其幀格式為每25 個字節(jié)1幀，第一字節(jié)是開始位，一般為0x0F（也可能是0xF0），結束位為最后一個字節(jié)，一般為0x00。除了上述的2 個字節(jié)以及第二十四字節(jié)，其余字節(jié)全部為數(shù)據(jù)位，16 個比例通道由22 個字節(jié)表示，每個通道通過字節(jié)拼接為11 bit，表示精度可以達到211，即2048。

2.3 數(shù)據(jù)存儲模塊

無人機采用SQLite3 數(shù)據(jù)庫，它的優(yōu)點是不需要服務器、不需要配置、輕便小巧且不需要進程來管理，而是直接對文件進行操作，易于維護且穩(wěn)定性強，非常適合物聯(lián)網(wǎng)類的嵌入式設備使用并且其源碼不受版權限制，移植相對方便。

2.4 動力驅(qū)動裝置

無人機采用好盈X6 動力系統(tǒng)套裝，自帶電子調(diào)速器。在23 寸螺旋槳搭配12 節(jié)電池的前提下，單個電機可以提供最大12.0 kg 的拉力，四軸提供最大48.0 kg 的拉力。如果要追求較高的能耗比，那么每個電機提供不超過5.0 kg 的拉力，4 軸提供不超過20.0 kg 的拉力，考慮冗余，無人機的最大起飛質(zhì)量不超過18.0 kg。無人機的各部分質(zhì)量參數(shù)如下：機架5.0 kg，動力電池（2 組格氏16000 mAh 串聯(lián)）1.8 kg，水箱加水后的質(zhì)量為4.0 kg，清潔裝置（4 路霧化噴頭，1 個滾筒）3.2 kg，控制系統(tǒng)1.8 kg，總質(zhì)量約為15.8 kg，沒有超過無人機的最大起飛質(zhì)量，無人機可以正常起飛。

無人機搭配2 組16000 mAh、15 C 且標準電壓為22.2 V的電池串聯(lián)進行供電（2 組電池是相同的），經(jīng)過調(diào)研和外場調(diào)試的數(shù)據(jù)結果可知，該供電系統(tǒng)可以支持無人機高空作業(yè)約50 min。

2.5 機械裝置

無人機的機械裝置包括翼飛特G06Pro 四旋翼無人機機架、23 寸螺旋槳、6 L 水箱、水泵、滾筒以及霧化噴頭，清潔無人機的三維建模圖如圖1 所示。

圖1 無人機三維建模圖

在機臂的中間位置設計亞克力卡口裝置連接2 根碳纖維棒，纖維棒靠近機尾一端與機臂對齊，靠近機頭一端則留出30 cm～40 cm 的距離來安裝滾筒和霧化噴頭。無人機通過亞克力卡口裝置連接清潔裝置和機架，實現(xiàn)無人機快速拆卸和組裝的功能，有利于無人機被快速運輸?shù)侥康牡剡M行清潔工作。

2.6 清潔控制設計

由于高空幕墻、高空玻璃等墻面受污染程度不同，因此霧化噴頭分為3 種工作模式，即一級模式、二級模式和三級模式。一級模式針對高空幕墻以及高空玻璃等受污染程度較小的墻面，霧化噴頭內(nèi)部傾角最小，清洗面積最廣。二級模式與一級模式相比，其內(nèi)部傾角變大，清洗面積變小，出水量增加。三級模式為直噴模式，出水量達到最大，噴出的水流為水柱狀，清潔面積變小，針對墻面附著的鳥糞、沙塵等污物的清潔效果很好。3 種模式通過脈沖寬度調(diào)制（PWM）來控制霧化噴頭的工作模式，清潔滾筒通過電機帶動，滾筒電機配有相應的電子調(diào)速器，通過接收機預留的信號通道進行控制，配合霧化噴頭的工作模式清洗污染程度不同的墻面。

無人機可以通過遙控信號開啟霧化噴頭的工作模式，調(diào)整滾筒的轉(zhuǎn)速。當清潔某一處墻面或者玻璃表面時，飛手需要將無人機設置為懸停模式，直至清洗干凈，再開啟無人機的自穩(wěn)模式，向上或者向下繼續(xù)清潔。

2.6.1 清潔滾筒

清潔系統(tǒng)的主體為清潔滾筒部分。如圖2 所示，電機主軸通過法蘭盤與滾筒固定在一起，電機主軸旋轉(zhuǎn)帶動滾筒旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)清潔功能。2 個滾筒連接處采用自創(chuàng)“T”形桿加2 個軸承裝置，一方面配合兩邊電機帶動滾筒防止卡頓，另一方面起到支撐作用，防止清潔裝置因滾筒過長、受力而導致中間塌陷。采用滾筒的方式不僅不需要設計與清潔平面接觸的緩沖裝置，而且滾筒吸水量小，吸水后對前后穩(wěn)定性的影響小，可以降低飛行過程中的晃動程度。

圖2 清潔系統(tǒng)主體部分三維建模圖

2.6.2 霧化噴頭

水泵抽取水箱中的水或清潔液后經(jīng)由霧化噴頭噴出，霧化噴頭設計圖如圖3 所示。

圖3 霧化噴頭設計圖

無人機機身搭載結構中的STM32F103 芯片在運行狀態(tài)時需要通3.3 V 或5.0 V 的電壓來保證其連續(xù)計算能力，該文采購了電池容量為2800 mAh、電壓為12.0 V 的充電電池，以保證完成水泵噴灑工作，該鋰電池最高的工作功率為60 W。根據(jù)測試，當水泵保持滿負荷運轉(zhuǎn)時，該電池可以工作約50 min?？刂葡到y(tǒng)中水泵被連接在控制系統(tǒng)的最末端，以完成高空幕墻的清洗工作。水泵的揚程、流量和軸功率是衡量水泵性能的重要指標，其關系如公式（1）所示。

式中：P為功率；Q為流量；H為揚程；ρ為液體密度；g 為重力加速度；η為水泵的工作效率。

根據(jù)粗略計算，在滿功率工作時，其噴頭揚程大約為1 m，從測試過程中可以看出，該水泵能夠滿足清洗工作的要求[1]。

2.6.3 水箱設計

該文自主設計的無人機水箱裝有“井”字形帶孔擋板（如圖4 所示），將水箱劃分為9 個空間，可以降低無人機在飛行過程中因翻轉(zhuǎn)、俯仰以及橫滾等一系列操作導致水箱中液體晃動而對無人機整體重心的影響，是保證無人機穩(wěn)定飛行的創(chuàng)意點。水箱的“井”字形擋板下方是連通的，水箱內(nèi)部的水可以流動，如圖5 所示。水箱蓋子為圓形，使其能夠固定在無人機上，水箱側(cè)面設計有一出水口，可以連接水泵，水箱整體設計如圖6 所示。

圖4 “井”字形擋板示意圖

圖5 水箱內(nèi)部結構

圖6 水箱整體設計圖

2.6.4 水泵工作狀態(tài)檢測

將有刷水泵的斷藥信號3Pin（信號引腳線）引腳線接入飛控液位計檢測口，斷藥信號以高低電平信號的形式輸出，有水為高電平，無水為低電平。起飛前需要將水泵中的空氣排出，以免起飛后誤判。指示燈狀態(tài)說明如下：紅燈慢閃（2 次/s），表示無輸入信號，需要連接信號線；紅燈快閃（10 次/s），表示輸入信號錯誤，信號行程不一致；紅燈常亮，表示輸入信號正常，水泵關閉狀態(tài)；黃燈常亮，表示缺水提醒，斷藥信號輸出低電平；綠燈常亮，表示水箱有水，斷藥信號輸出高電平。有刷水泵降壓型調(diào)速器接線如圖7 所示。

圖7 有刷水泵降壓型調(diào)速器接線示意圖

2.6.5 航線規(guī)劃下的自主清潔的功能

航線規(guī)劃主要是為了提高規(guī)劃效率、降低規(guī)劃時間以及提高無人機飛行作業(yè)的安全性[2]。該無人機采用比較成熟的Pixhawk2.4.8 版本的開源飛控，該飛控具備航線規(guī)劃、自主避障等功能。當無人機起飛到目標位置以及從目標位置返回目的地時，可以通過遙控信號開啟無人機的自主航線規(guī)劃模式，在該模式下，通過調(diào)用GPS 確定當前位置，并將起飛點（如果地面站開啟返航點刷新，就以地面站的GPS 為準）與當前位置進行比較，從而確定返航方向并自主規(guī)劃返航航線，也可以通過設置返航高度，在高精度氣壓計的檢測下實現(xiàn)無人機的定高返航，同時配合guidance 視覺避障模塊保障無人機返航過程的安全。不用飛手操縱無人機，無人機就可以自主飛行到目的位置，在很大程度上減少由飛手操作失誤而導致的故障。

基于Pixhawk 飛控的航線規(guī)劃功能具體實現(xiàn)方法如下：打開QGC 地面站，使無人機與地面站建立聯(lián)系。通過終端輸入航路點和其他命令，也可以用地面站的功能映射創(chuàng)建任務（Auto grid），無人機會在規(guī)劃的任務區(qū)域飛行，實現(xiàn)無人機的程序化自動控制。

當在QGC 地面站上設置航路點時，需要根據(jù)實際情況設置其準確的起飛高度、返航高度以及飛行高度等參數(shù)，以確保其航線的可執(zhí)行性。

在QGC 地面站設置好航路點后，將任務寫入QGC 并寄存在存儲器中，刪除所有航路點，可以通過“讀取”查看判斷規(guī)劃的航路點是否寫入，如果寫入，就會在地圖上顯示所規(guī)劃的路徑。

對高層建筑來說，往往采用“之”字形航線規(guī)劃（如圖8所示），曲線的每個拐點、起始點以及降落點都是航點，同一高度的2 個相鄰航點之間的距離應為2 個滾筒的總長度，不同高度的2 個相鄰航點的高度差應為清潔區(qū)域的實際高度。

圖8 航線規(guī)劃示意圖

3 系統(tǒng)測試

3.1 無人機飛行測試

先進行無人機的飛行測試，在飛行前，摘除槳葉對無人機進行供電并進行校準，以確保無人機能夠安全、正常地起飛。完成準備工作后，飛手控制無人機起飛，起飛后可以看到無人機平穩(wěn)起飛并且可以進行定點懸停。將無人機水箱裝滿水進行測試，可以實現(xiàn)平穩(wěn)飛行，飛行測試成功。

3.2 清潔系統(tǒng)測試

在清潔系統(tǒng)方面，清潔滾筒通過2 個電機進行控制，水泵從水箱抽水加壓供應到霧化噴頭，以實現(xiàn)噴洗功能。利用快拆裝置連接無人機的清潔系統(tǒng)，啟動清潔裝置，檢查清潔滾筒能否正常滾動，霧化噴頭能否正常噴洗，清潔滾筒工作時輕貼作業(yè)面的方式能夠降低因與墻面距離過近而產(chǎn)生的壓力。滾筒上方的霧化噴頭噴出清潔液，整機自動規(guī)劃路徑，模擬人工清潔。

4 結語

針對高層建筑外墻清潔的無人機是市場的重要缺口，其具有很大的產(chǎn)品價值和應用場景。針對高空清潔存在的高風險、高成本和高操作難度等問題，該文提供了一種基于PixHawk 飛控的四旋翼無人機清潔系統(tǒng)的設計方案，希望能夠降低高空清潔的成本，為高空清潔行業(yè)的發(fā)展提供新思路。