茍樂鵬 文健 盧少純 李小玉 張蓮潔

（東北林業(yè)大學(xué) 黑龍江哈爾濱 150040）

隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步發(fā)展和人們生活水平的日益提高，人們藝術(shù)審美要求也在不斷提升，玻璃幕墻憑借其特有的特點(diǎn)而迅速被廣泛采用。然而，在人們享受其美觀與視覺感的同時(shí)，高層建筑玻璃幕墻的清洗也成為了困擾業(yè)界的難題之一，清洗作業(yè)中的高危險(xiǎn)性、高強(qiáng)度和日益高昂的用工費(fèi)用要求必須有更安全和實(shí)用的技術(shù)來替代現(xiàn)在主流的玻璃幕墻人工清洗。無人機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)的蓬勃發(fā)展為實(shí)現(xiàn)機(jī)器替代人工清洗玻璃幕墻帶來了新的途徑。

1 玻璃幕墻機(jī)器清洗技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

國外對(duì)玻璃幕墻清洗機(jī)技術(shù)的研究和應(yīng)用起步較早，取得了許多成果。爬壁清潔機(jī)器人在歐洲、北美和日本得到廣泛研究，包括德國弗勞恩霍夫的自動(dòng)控制與操作研究所（IPA）采用模塊化設(shè)計(jì)方法開發(fā)的清洗機(jī)器人處于領(lǐng)先地位，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，可在外墻上水平和垂直移動(dòng)。1986年，美國國際機(jī)器人公司開發(fā)了SKY WASHER，這是一種爬墻移動(dòng)機(jī)器人，用于清洗摩天大樓，其由兩組可以相對(duì)滑動(dòng)的L型臂架構(gòu)成，臂架可交替吸附在墻面，以便于機(jī)器人移動(dòng)，具備一定的越障能力［1］。1966年，日本大阪府立大學(xué)成功制造出世界上第一臺(tái)垂直壁移動(dòng)機(jī)器人的原理樣機(jī)。此后，各種類型的清潔機(jī)器人相繼出現(xiàn)并初步應(yīng)用。日本Bisoh公司在20世紀(jì)80年代中期開發(fā)了一種固定路線的窗戶清潔機(jī)器人，根據(jù)安裝在屋頂上的路線和提升系統(tǒng)，準(zhǔn)確定位沖洗，無需真空負(fù)壓吸附，因此較為節(jié)約能源，但因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，該清洗機(jī)器人并未在市場上推廣起來。以上這些機(jī)器人的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量過大、成本過高，難以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化［2］。

20世紀(jì)80年代末期，上海大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)也加入了空中玻璃清洗機(jī)器人相關(guān)項(xiàng)目的研發(fā)，相繼研發(fā)了玻璃窗清洗機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、輪式負(fù)壓機(jī)器人等多種機(jī)器人，但缺點(diǎn)是缺乏清洗設(shè)備且重量較重，壁障、躍障能力不如其他機(jī)器人。

中國較為成熟的代表是北京大學(xué)航空航天公司研制的清洗機(jī)，用于國家大劇院外墻玻璃的清洗，由爬升機(jī)構(gòu)、俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)和清洗機(jī)構(gòu)等部分構(gòu)成，總長約3m，高0.5m，寬1m，整個(gè)機(jī)身主體由鋁型材搭建而成，不但強(qiáng)度高，而且相對(duì)重量也輕了許多，其在工作過程中把安裝在建筑物上的滑動(dòng)導(dǎo)桿作為中介，避免了機(jī)器人對(duì)建筑物的直接抓取可能帶來的損傷及其他不安全因素。

至今為止，玻璃幕墻清洗機(jī)器人由于成本高、安全系數(shù)低、通用性差等問題尚未全面投入商業(yè)化生產(chǎn)，存在較大的發(fā)展空間［3］。

2 飛行器的優(yōu)勢

飛行器采用仿生學(xué)原理，擬瓢蟲態(tài)，降低空氣阻力，增加飛行穩(wěn)定性；使用法蘭架作框體，以降低主體的重量；利用螺旋槳差速旋轉(zhuǎn)，形成離心力，進(jìn)行方向轉(zhuǎn)換；選用機(jī)械臂與清洗裝置結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)清洗功能，附加增程器來延長其工作時(shí)間；利用OpenMV模塊，進(jìn)行圖像識(shí)別，實(shí)現(xiàn)玻璃表面臟污識(shí)別檢測系統(tǒng)與水槍調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)合，完成清洗工作。

爬壁式清洗機(jī)器人必須要解決的越障和攀爬移動(dòng)方面的問題已經(jīng)導(dǎo)致成本較高，并且重量較大，移動(dòng)方式比較呆板，進(jìn)而導(dǎo)致在清洗方面效率不高，這樣使用戶無法得到一個(gè)完美的體驗(yàn)。

飛行器全長約2.0m，寬1.0m，高0.7m，整體由法蘭框架構(gòu)成，自重10kg，可攜帶3kg 洗滌液，其配備了兩個(gè)高能鋰電池和一個(gè)六足推進(jìn)器，其體積小，重量輕，操作靈活方便。該飛行器主要采用飛行方式，機(jī)械臂輔以吸盤，在操作過程中，吸盤和壁之間存在滑動(dòng)密封效應(yīng)，強(qiáng)大的氣壓能夠保證飛行器不會(huì)從墻壁上掉落；采用控制原理，安裝光電測距傳感器裝置，直接根據(jù)藍(lán)牙等設(shè)備，讓其跟隨使用者的想法進(jìn)行移動(dòng)和躲避障礙物，不僅讓自身重量大大減輕，在移動(dòng)上也比較容易，還能減輕對(duì)玻璃幕墻帶來的重量負(fù)擔(dān)，給人們留下更多的空間去思考清洗的質(zhì)量和檢測其效果。其分為兩個(gè)方面：一方面，清洗上，采用水槍調(diào)節(jié)方式對(duì)不同程度的玻璃幕墻進(jìn)行清洗，高效使用了清潔劑，附帶太陽能板作為增程器，綠色環(huán)保，水槍調(diào)節(jié)則需要一個(gè)檢測系統(tǒng)來與之配合；另一方面便是臟污檢測系統(tǒng)，它不僅能控制水槍調(diào)節(jié)，還能檢測清洗效果，讓用戶體驗(yàn)得到有力保證。

控制系統(tǒng)框由7個(gè)模塊構(gòu)成：Open MV 模塊、藍(lán)牙模塊、Wi-Fi模塊、電源管理模塊、控制核心模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、光電測距傳感器?？刂葡到y(tǒng)框如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)框

系統(tǒng)主要電路模塊包括控制器模塊、測距模塊、轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)模塊。通過臟污識(shí)別檢測系統(tǒng)傳遞圖像，光電測距模塊檢測障礙物的信息，然后送到控制器模塊STM32F103單片機(jī)中，STM32對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)模塊控制機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)和螺旋槳的轉(zhuǎn)速。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

根據(jù)前文所述，飛行器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，主要由水壓自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、臟物識(shí)別檢測系統(tǒng)、循跡避障控制系統(tǒng)等功能系統(tǒng)組成。

圖2 飛行器結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)及功能設(shè)計(jì)

4.1 玻璃表面臟污識(shí)別與檢測系統(tǒng)

基于機(jī)械視覺的玻璃表面臟染識(shí)別與檢測系統(tǒng)由圖像采集、圖像處理、輸入輸出、智能控制和機(jī)械執(zhí)行等部分組成，其具體工作過程如下。根據(jù)不同類型的玻璃窗表面污垢，智能控制系統(tǒng)控制來自圖像采集模塊的信號(hào)，攝像頭獲取玻璃表面污垢圖像，經(jīng)過圖像采集卡，將圖像數(shù)據(jù)采集到內(nèi)置存儲(chǔ)器，通過VS 和開放式MV 玻璃表面污漬特征識(shí)別算法的開發(fā)，對(duì)污漬圖像進(jìn)行閾值分割，對(duì)經(jīng)過適當(dāng)處理的污漬灰度圖像進(jìn)行一系列打開和關(guān)閉操作，并根據(jù)污漬特征的不同灰度閾值，從圖像中提取污漬特征信息，之后，通過輸出設(shè)備輸出檢測結(jié)果，并與智能沖洗裝置相配合，調(diào)控臟污清洗力度［4］。

4.2 飛行功能

采用無人機(jī)飛行PID控制及智能PID控制技術(shù)［5］，捷聯(lián)磁控傳感器、GSP 導(dǎo)航接收機(jī)、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、空速傳感器等遠(yuǎn)程通信設(shè)備和機(jī)載軟件以數(shù)字格式傳輸和交換信息，因此，選擇高性能PC104總線嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)電路飛控系統(tǒng)布局。它有高性能接口模型、高性能模塊電源、特用ATc 功能模型和傳感器、執(zhí)行器、任務(wù)控制等，高性能的飛行控制系統(tǒng)由它們組成。

六旋翼飛機(jī)的飛行動(dòng)力由6 個(gè)螺旋槳提供，通過改變每個(gè)旋翼的速度來控制飛機(jī)完成爬升和懸停動(dòng)作；6個(gè)無刷電機(jī)產(chǎn)生的總升力使6個(gè)轉(zhuǎn)子沿垂直方向移動(dòng)；6個(gè)電機(jī)的升力差會(huì)改變6個(gè)轉(zhuǎn)子的俯仰角和偏航角，從而改變運(yùn)動(dòng)方向；扭矩的差異將導(dǎo)致6個(gè)轉(zhuǎn)子偏航角的變化，從而使機(jī)身中部的兩個(gè)機(jī)械臂吸盤進(jìn)行吸附［6］。

采用六旋翼，一是有更多的旋翼參與到飛行器的俯仰、滾轉(zhuǎn)姿態(tài)控制，安全性更強(qiáng)；二是可以有效減少機(jī)械臂和旋翼對(duì)臟污檢測視野的遮擋；三是相較于四旋翼的十字型和X型，六旋翼受力更為平衡，機(jī)動(dòng)性較好，不同的旋轉(zhuǎn)速度可以使六旋翼飛行器做出垂直起降、俯仰、橫滾、偏航等基本動(dòng)作。

4.3 固定功能

利用真空負(fù)壓吸附技術(shù)，真空吸盤通過風(fēng)道與真空設(shè)備（如真空泵等）連接，然后與玻璃幕墻接觸。該程序啟動(dòng)真空設(shè)備的抽吸，使吸盤內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，使飛機(jī)與玻璃幕墻牢牢地吸在一起，提高工作的穩(wěn)定性。清洗完成后，程序啟動(dòng)滑閥，使真空吸盤從負(fù)壓變?yōu)榱銐夯蚵詾檎龎?，清洗后，真空吸盤與玻璃幕墻分離，繼而去完成下一塊玻璃幕墻的清洗任務(wù)。

4.4 水壓自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

通過臟污識(shí)別檢測系統(tǒng)的掃描，將清洗部位的圖片傳輸?shù)絻?nèi)置儲(chǔ)存器，經(jīng)過算法分析、程序操控，最后機(jī)械輸出到水壓自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，改變水壓大小，水流通過清洗機(jī)械臂的噴頭沖洗玻璃，提高清潔效率。

4.5 循跡避障小車控制系統(tǒng)

基于光電傳感器的循跡避障小車控制系統(tǒng)可精確探測各個(gè)方向上的障礙物，主動(dòng)規(guī)劃安全路線，實(shí)現(xiàn)安全避障［7］。

4.6 PLC機(jī)電一體化控制系統(tǒng)

通過PLC 機(jī)電一體化控制系統(tǒng)［8］，進(jìn)行對(duì)臟污檢測系統(tǒng)、水壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)、光電傳感器的循跡避障小車控制執(zhí)行，接著系統(tǒng)的數(shù)據(jù)執(zhí)行發(fā)出指令，然后飛行器根據(jù)PLC的指令進(jìn)行軌跡的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)定控制的能力。

4.7 工作步驟

利用智能操縱面板如云端、手機(jī)等，通過藍(lán)牙或Wi-Fi連接來控制飛行器，通過單片機(jī)傳輸命令，讓無刷電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳，經(jīng)過高能鋰電池，為無刷電機(jī)提供電能，移動(dòng)到指定位置后，同時(shí)打開臟污檢測系統(tǒng)（OpenMV 模塊），通過光電測距傳感器感應(yīng)到洗刷板與幕墻的距離，然后利用上下螺旋槳之間差速旋轉(zhuǎn)形成離心力，進(jìn)行方向調(diào)整，同時(shí)，安裝在主體中間部位機(jī)械臂上的螺旋槳減速，螺旋槳下面的吸盤吸附到玻璃幕墻上，此時(shí)，主體內(nèi)部的清洗裝置通過機(jī)械臂伸展出來，對(duì)幕墻進(jìn)行清洗。若之前有檢測到污垢較高的地方，則清洗到該部位時(shí)，機(jī)械臂頭部會(huì)自動(dòng)調(diào)控水壓大小和清洗力度，從而達(dá)到較高的清洗效果。當(dāng)清洗下一塊玻璃幕墻時(shí)，由機(jī)械臂控制的真空負(fù)壓式吸盤進(jìn)行移動(dòng)。當(dāng)洗滌液用完時(shí)，系統(tǒng)接收到信息，啟動(dòng)程序進(jìn)行飛行換液，提升其工作效率，換液后，可直接根據(jù)其記憶儲(chǔ)存信息到達(dá)之前清洗的位置繼續(xù)清洗。當(dāng)飛行器工作時(shí)，還可以利用外加增程器太陽能板進(jìn)行電量的供給。

5 結(jié)語

飛行器可以將清洗功能和攀爬飛行的功能有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃幕墻表面臟污的識(shí)別檢測和清洗，達(dá)到新技術(shù)在極端工作條件下所要求的效果，玻璃幕墻的清洗問題得到解決，實(shí)際使用價(jià)值較大。