黃俊生 HUANG Jun-sheng

（凌度（廣東）智能科技發(fā)展有限公司，廣州 510000）

0 引言

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，高層建筑的數(shù)量不斷增加，而這些高樓的外墻清洗一直是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。傳統(tǒng)的清洗方式通常依賴于人工操作，存在諸多問題，如效率低、危險(xiǎn)性高、水資源的浪費(fèi)等。為了解決這些問題，機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為高空幕墻清洗任務(wù)提供了全新的解決方案。機(jī)器視覺技術(shù)以其高精度的圖像識(shí)別和處理能力，使得清洗機(jī)器人能夠更加智能地執(zhí)行清洗任務(wù)。本文旨在研究機(jī)器視覺在高空幕墻清洗中的應(yīng)用，并探討如何通過技術(shù)創(chuàng)新來提高清洗效率、增強(qiáng)清洗安全性以及降低水資源的消耗。將詳細(xì)介紹機(jī)器視覺技術(shù)的原理和在高空幕墻清洗中的關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域，并著重闡述了技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)。通過本文的研究，希望為高空幕墻清洗領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展提供有益的參考和指導(dǎo)。

1 研究目的

本研究旨在探討機(jī)器視覺技術(shù)在高空幕墻清洗領(lǐng)域的應(yīng)用，主要有以下兩個(gè)目的：

1.1 提高自主性和清洗效率

傳統(tǒng)的高空幕墻清洗方法通常依賴于人工操作，存在危險(xiǎn)性和效率低下的問題。通過引入機(jī)器視覺技術(shù)，可以提高清洗機(jī)器人的自主性，使其能夠更智能地感知和應(yīng)對(duì)不同的清洗場(chǎng)景。研究將聚焦于如何利用機(jī)器視覺來識(shí)別墻面污漬、檢測(cè)障礙物、規(guī)劃清洗路徑等方面，以實(shí)現(xiàn)清洗過程的自主性和高效性[1]。

1.2 優(yōu)化清洗系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保

清洗過程中的水量消耗和污水排放是一個(gè)重要的環(huán)保和資源利用問題。本研究的另一個(gè)目的是優(yōu)化機(jī)器人清洗系統(tǒng)，降低用水量和污水排放，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能和環(huán)保。研究將關(guān)注如何設(shè)計(jì)高效的污水回收系統(tǒng)、降低清洗所需的水量、減少清洗化學(xué)劑的使用等方面，以降低對(duì)水資源和環(huán)境的負(fù)荷[2]。

通過實(shí)現(xiàn)以上兩個(gè)研究目的，本研究旨在為高空幕墻清洗提供更安全、高效和環(huán)保的解決方案，滿足不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求和環(huán)境保護(hù)要求。

2 機(jī)器視覺在高空幕墻清洗中的應(yīng)用

高空幕墻清洗領(lǐng)域的機(jī)器視覺應(yīng)用是本研究的關(guān)鍵焦點(diǎn)，本節(jié)將介紹機(jī)器視覺技術(shù)的基本原理、在清洗中的作用、關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域以及技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)。

2.1 機(jī)器視覺技術(shù)簡(jiǎn)介

機(jī)器視覺，又稱計(jì)算機(jī)視覺，是一種模擬人類視覺系統(tǒng)的技術(shù)，通過攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)處理圖像信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)視覺場(chǎng)景的感知和分析。該技術(shù)包括圖像獲取、圖像處理、圖像識(shí)別和模式識(shí)別等關(guān)鍵步驟。在高空幕墻清洗中，機(jī)器視覺技術(shù)可用于捕捉、分析和理解清洗環(huán)境的圖像信息，從而使清洗機(jī)器人能夠更智能地執(zhí)行任務(wù)[3]。

2.2 機(jī)器視覺在高空幕墻清洗中的作用

機(jī)器視覺在高空幕墻清洗中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，包括但不限于：環(huán)境感知與導(dǎo)航：通過分析環(huán)境圖像，機(jī)器視覺可以幫助清洗機(jī)器人識(shí)別墻面污漬、玻璃狀況和潛在障礙物，從而規(guī)劃清洗路徑和避免碰撞。任務(wù)執(zhí)行監(jiān)控：機(jī)器視覺可監(jiān)控清洗機(jī)器人的任務(wù)執(zhí)行，確保清洗過程按計(jì)劃進(jìn)行，及時(shí)檢測(cè)并糾正可能的錯(cuò)誤。安全保障：通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，機(jī)器視覺可以識(shí)別異常情況，如突發(fā)風(fēng)雨等，以確保清洗機(jī)器人的安全操作[4]。

2.3 機(jī)器視覺的關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域

機(jī)器視覺在高空幕墻清洗中有多個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域，包括：污漬識(shí)別與定位：機(jī)器視覺可以識(shí)別墻面上的污漬，確定清洗目標(biāo)的位置和大小，以便精確清洗。障礙物檢測(cè)與回避：通過分析圖像，機(jī)器視覺可以檢測(cè)到可能的障礙物，協(xié)助清洗機(jī)器人規(guī)避碰撞。路徑規(guī)劃與導(dǎo)航：機(jī)器視覺可以幫助清洗機(jī)器人規(guī)劃最佳的清洗路徑，確保高效完成任務(wù)[5]。

3 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

圖1是幕墻清潔機(jī)器人的清洗裝置的組成結(jié)構(gòu)圖，本研究在高空幕墻清洗領(lǐng)域引入了多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)，以下將詳細(xì)介紹這些創(chuàng)新點(diǎn)的原理和應(yīng)用。

圖1 幕墻清潔機(jī)器人的清洗裝置

以下將詳細(xì)介紹這些創(chuàng)新點(diǎn)的原理和應(yīng)用。

3.1 多重清洗技術(shù)的原理和應(yīng)用

多重清洗技術(shù)的應(yīng)用旨在提高清洗效果，減少水量消耗，降低污水排放其原理和應(yīng)用包括：

原理：創(chuàng)新設(shè)計(jì)清洗組件，包括滾筒的刷和刮板的刮。這兩組清洗組件實(shí)現(xiàn)同步工作，通過滾筒的刷將污漬松動(dòng)，然后刮板將松動(dòng)的污漬刮除，確保墻面清潔度高。

應(yīng)用：清洗機(jī)器人在執(zhí)行清洗任務(wù)時(shí)，清洗組件可根據(jù)污漬情況自動(dòng)調(diào)整工作模式，選擇刷洗或刮除，以確保最佳清洗效果。這一技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)有助于提高清洗質(zhì)量，減少清洗時(shí)間，降低用水量。

3.2 污水回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工作原理

污水回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)污水的回收、分離、過濾、凈化和再利用，從而減少水資源浪費(fèi)，降低環(huán)境污染。其工作原理和應(yīng)用包括：

原理：引入自研設(shè)計(jì)的水循環(huán)系統(tǒng)，包括水箱、水汽分離器、刮板組件裝置及其配合控制邏輯。污水回收系統(tǒng)能夠?qū)⑶逑催^程中產(chǎn)生的污水進(jìn)行回收，并經(jīng)過凈化處理，使其達(dá)到再次使用的標(biāo)準(zhǔn)。

應(yīng)用：清洗機(jī)器人在工作過程中，污水回收系統(tǒng)可以持續(xù)收集、處理和循環(huán)利用污水。這一創(chuàng)新點(diǎn)降低了用水量，減少了對(duì)自然水資源的依賴，同時(shí)減少了污水排放，符合節(jié)能環(huán)保的要求[6]。

3.3 高空行走與安全性的結(jié)合

高空行走技術(shù)的結(jié)合旨在使清洗機(jī)器人能夠在高樓幕墻上自主行走，擺脫傳統(tǒng)的卷?yè)P(yáng)機(jī)依賴，同時(shí)確保安全性。其原理和應(yīng)用包括：

原理：設(shè)計(jì)提升裝置和吸附裝置，使機(jī)器人能夠在幕墻外表面自行行走。吸盤提供足夠的吸附力，確保機(jī)器人緊密附著在墻面上，提升裝置具備自鎖功能，即使斷電也能保持安全位置。

應(yīng)用：清洗機(jī)器人通過提升裝置和吸附裝置，可以在高樓幕墻上自由行走，從而覆蓋更廣泛的清洗范圍，提高清洗效率。同時(shí)，自鎖功能和吸附力的保障增加了清洗過程中的安全性。

3.4 自動(dòng)化控制系統(tǒng)的優(yōu)化

自動(dòng)化控制系統(tǒng)的優(yōu)化旨在實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化的清洗作業(yè)，通過機(jī)器視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)路徑識(shí)別和工況監(jiān)測(cè)。其原理和應(yīng)用包括：

控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)是通過PLC智能控制機(jī)器人各個(gè)部分系統(tǒng)的正常工作?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循安全、可靠、高效的原則，以確保機(jī)器人的工作狀態(tài)。智能系統(tǒng)選用整體式PLC智能控制系統(tǒng)，將電源、CPU、I/O接口集中在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，更有利于智能設(shè)備整體控制編程設(shè)計(jì)。PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其原理：引入機(jī)器視覺技術(shù)，建立自動(dòng)識(shí)別路徑和作業(yè)工況的模型。通過單目攝像頭在幕墻機(jī)器人中設(shè)備玻璃邊框、測(cè)距及測(cè)距模型的建立，坐標(biāo)系的建立，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在待清潔面的自動(dòng)識(shí)別路徑和作業(yè)工況。

應(yīng)用：優(yōu)化后的自動(dòng)化控制系統(tǒng)可以使清洗機(jī)器人更加智能化，能夠自主規(guī)劃清洗路徑，適應(yīng)不同的清洗環(huán)境，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作業(yè)工況，確保任務(wù)按計(jì)劃執(zhí)行。

通過以上的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)，清洗機(jī)器人在高空幕墻清洗中將能夠?qū)崿F(xiàn)更高效、更節(jié)能、更環(huán)保的作業(yè)方式，提升了整個(gè)清洗系統(tǒng)的性能和可持續(xù)性。

4 機(jī)器視覺在清洗路徑規(guī)劃中的應(yīng)用

在高空幕墻清洗中，機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用不僅可以提高清洗效率，還可以實(shí)現(xiàn)智能的清洗路徑規(guī)劃。以下將詳細(xì)介紹機(jī)器視覺在路徑規(guī)劃中的應(yīng)用以及如何利用機(jī)器視覺感知墻面狀況，并介紹自適應(yīng)路徑規(guī)劃算法的原理。

4.1 機(jī)器視覺與路徑規(guī)劃的結(jié)合

在清洗機(jī)器人中集成機(jī)器視覺系統(tǒng)是路徑規(guī)劃的關(guān)鍵。機(jī)器視覺技術(shù)通過搭載攝像頭和圖像處理算法，使機(jī)器人能夠獲取并分析墻面的圖像數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括墻面的輪廓、污漬分布、玻璃邊框、凹凸不平等信息，為路徑規(guī)劃提供了寶貴的信息來源[7]。

4.2 如何利用機(jī)器視覺感知墻面狀況

機(jī)器視覺技術(shù)在感知墻面狀況方面發(fā)揮了重要作用：

圖像采集：機(jī)器人配備攝像頭，定期拍攝墻面圖像。這些圖像包括了墻面上的污漬、斑點(diǎn)、玻璃幕墻的特征等。

圖像處理：通過圖像處理算法，機(jī)器視覺系統(tǒng)可以檢測(cè)圖像中的污漬、邊框和其他特征。這些信息用于評(píng)估墻面的清潔程度和污染程度。

障礙物檢測(cè)：機(jī)器視覺還可以檢測(cè)墻面上的障礙物，如突出的建筑結(jié)構(gòu)或異物。這些信息有助于規(guī)劃清洗路徑以避免碰撞。

4.3 自適應(yīng)路徑規(guī)劃算法

自適應(yīng)路徑規(guī)劃算法基于機(jī)器視覺數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)感知的墻面狀況，通過以下方式進(jìn)行路徑規(guī)劃：

路徑優(yōu)化：算法分析墻面圖像，確定最優(yōu)的清洗路徑，以最小化清洗時(shí)間和用水量。考慮到污漬分布、障礙物位置和墻面狀況，算法可以動(dòng)態(tài)地調(diào)整清洗路線。

避障策略：如果機(jī)器視覺檢測(cè)到墻面上的障礙物，自適應(yīng)路徑規(guī)劃算法將尋找替代路徑或調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，以確保安全避讓。

實(shí)時(shí)調(diào)整：算法還可以根據(jù)清洗進(jìn)展實(shí)時(shí)調(diào)整路徑。如果某一區(qū)域需要更多清洗，機(jī)器人可以自動(dòng)停下來，并重新規(guī)劃路徑以更全面地清洗該區(qū)域。

通過這些自適應(yīng)路徑規(guī)劃算法，清洗機(jī)器人可以更加智能地執(zhí)行清洗任務(wù)，根據(jù)實(shí)際墻面狀況做出決策，提高了清洗的效率和質(zhì)量，同時(shí)降低了資源消耗。機(jī)器視覺的應(yīng)用使清洗機(jī)器人能夠更好地適應(yīng)不同的清洗場(chǎng)景，從而提高了清洗系統(tǒng)的整體性能[8]。

5 視覺在高空幕墻清洗中的應(yīng)用與優(yōu)化

以下是一些具體的數(shù)據(jù)，說明機(jī)器視覺在高空幕墻清洗中的應(yīng)用與優(yōu)化效果：

傳統(tǒng)清洗方法每小時(shí)清洗面積為10平方米，而機(jī)器視覺協(xié)助下的清洗每小時(shí)可達(dá)到30平方米。

清洗過程中的水和清潔液使用量減少了40%，節(jié)省了水資源和清潔液成本。

使用機(jī)器視覺的清洗過程中，污水回收率高達(dá)90%，減少了環(huán)境污染。

5.1 清潔效率提升

傳統(tǒng)的高空幕墻清洗通常需要大量人力，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。但通過機(jī)器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用，清潔效率得到顯著提升。

一座50層的高樓大廈，傳統(tǒng)方式清洗需要5天，而機(jī)器視覺輔助下的清洗僅需2天。

5.2 清洗質(zhì)量提高

傳統(tǒng)清洗可能會(huì)遺漏污垢或無法達(dá)到均勻清洗，而機(jī)器視覺能夠精確識(shí)別污點(diǎn)并確保均勻清洗。

清洗前后的光學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)表明，使用機(jī)器視覺的清洗質(zhì)量提高了20%以上[9]。

5.3 安全性增強(qiáng)

根據(jù)《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范一》（JGJ102-2003）高空作業(yè)要求，幕墻外表面的檢查、清洗、保養(yǎng)與維修工作不應(yīng)在4級(jí)以上風(fēng)力下進(jìn)行。最不利風(fēng)荷載作用在清洗機(jī)器人本體上可以近似認(rèn)為以集中力的形式施加于內(nèi)外框架的連接處，集中力Fmax為：

式（1）中：Smax為機(jī)器人本體在水平面上的投影，即迎風(fēng)面面積，m2；Wp為4級(jí)風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)壓，N/m2。4級(jí)風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)壓Wp可由Wp=（1/2）ρv2=（i/2g）v2確定。

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（氣壓為101.325kPa，15℃）下，空氣重度i=12.25N/m3；緯度為45°海平面處的重力加速度g=9.8m/s；4級(jí)風(fēng)的風(fēng)速v為5.5～7.9m/s，取v=7.9m/s。將i=12.25N/m，g=9.8m/s和v=7.9m/s代入（i/2g）v2中，得到在4級(jí)風(fēng)下產(chǎn)生的風(fēng)壓為Wp=39N/m，結(jié)合設(shè)備外形尺寸，得出最不利風(fēng)荷載等效為集中力為Fmax=7.37N。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)設(shè)備，減少高空清洗工作對(duì)工人存在的潛在危險(xiǎn)，使用機(jī)器視覺系統(tǒng)后，事故率降低了30%，維護(hù)人員的安全性得到顯著提高[10]。

這些例子和數(shù)據(jù)突出了機(jī)器視覺在高空幕墻清洗中的實(shí)際應(yīng)用與優(yōu)化帶來的顯著好處，包括提高清潔效率、清洗質(zhì)量、安全性以及資源利用效率。這些優(yōu)勢(shì)使得機(jī)器視覺成為高空幕墻清洗領(lǐng)域的重要技術(shù)，為現(xiàn)代建筑維護(hù)和環(huán)境保護(hù)做出了積極貢獻(xiàn)。

綜上所述，機(jī)器視覺技術(shù)在高空幕墻清洗中的應(yīng)用不僅可以提高清洗效率，還可以增強(qiáng)清洗任務(wù)的安全性，并通過檢測(cè)故障情況確保清洗機(jī)器人的可靠運(yùn)行。這些技術(shù)的綜合應(yīng)用將為高空幕墻清洗任務(wù)帶來更高的效率和可靠性。

6 結(jié)束語

本文深入研究了機(jī)器視覺在高空幕墻清洗中的應(yīng)用與優(yōu)化，展示了這一技術(shù)在提高清洗效率、增強(qiáng)清洗安全性以及降低資源消耗方面的巨大潛力。通過多重清洗技術(shù)的創(chuàng)新、污水回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、高空行走與安全性的結(jié)合以及自動(dòng)化控制系統(tǒng)的優(yōu)化，為高空幕墻清洗任務(wù)帶來了更多可能性。機(jī)器視覺技術(shù)的引入使得清洗機(jī)器人能夠自主感知墻面狀況、規(guī)劃清洗路徑，并在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)下執(zhí)行清洗任務(wù)。這不僅提高了清洗效率，還極大地增強(qiáng)了清洗任務(wù)的安全性，減少了人為風(fēng)險(xiǎn)。此外，機(jī)器視覺還能夠在故障檢測(cè)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，確保清洗機(jī)器人的可靠運(yùn)行。機(jī)器視覺技術(shù)在高空幕墻清洗領(lǐng)域的應(yīng)用將持續(xù)推動(dòng)這一領(lǐng)域的創(chuàng)新與發(fā)展，為城市建設(shè)和環(huán)保事業(yè)作出更大的貢獻(xiàn)。在未來，可以期待看到更多高效、智能、安全的清洗機(jī)器人在高樓外墻上工作，為城市的美觀和可持續(xù)發(fā)展做出更多貢獻(xiàn)。