飛機外倉清潔機器人的設計

楊 勇，杜玉杰，田秀兵

目前飛機表面的清潔工作仍主要采用人工式的清潔方法,或者采用大型清潔車進行噴灑清洗,存在裝置體積龐大,使用、安裝等相對比較復雜,實用性不強,造成了整體清潔的運動不靈活,危險系數(shù)高等缺點。將清潔機器人裝置做得簡單、運動靈巧,能適用于大部分飛機主翼、機身以及尾翼的清潔使用是關鍵。因此本文設計了一款以STM32單片機為核心控制器的飛機外倉清潔機器人來滿足需要。

1 系統(tǒng)總體方案設計

1.1 系統(tǒng)組成

本設計方案以STM32單片機為核心控制器,通過負壓吸附模塊吸附在飛機表面；通過機械運動模塊在飛機表面的運動；通信模塊實現(xiàn)地面控制終端對機器人的控制,并將機身的清潔情況以及傷痕通過攝像頭傳給機務人員[1]；超聲波避障模塊實現(xiàn)機器人行進過程中有效避障[2]；清潔模塊實現(xiàn)對飛機外倉表面的有效清潔。飛機外倉清潔機器人的系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

1.2 機械運動系統(tǒng)設計

機械結(jié)構的整體外部形態(tài)如仿生蜘蛛[3],由6只機械腳組成,6個吸盤分別固定在6只機械腳上,每只機械腳有3個自由度,每只腳可擺動的角度為60°。當機器人運動時左右兩只腳同時進行相應的攀爬,一個循環(huán)運動可分為3次機械運動,機器人整個身體運動一次可實現(xiàn)運動距離L＝3(20×1/2)×2＝60 cm,因此移動距離較好。經(jīng)計算一個真空泵產(chǎn)生的負壓為147.6 kPa,而克服機器人重量使其穩(wěn)定吸附在飛機外倉所需要的負壓為12.76 kPa[4],所以可以穩(wěn)定地吸附在飛機表面的垂直尾翼以及流線型的機身外倉上。在單片機控制下,真空泵的吸排氣和舵機運動相互配合,使機器人吸附于流線型飛機外倉表面[5]并能在飛機外倉表面前后左右移動。機器人整體結(jié)構圖如圖2所示。用。通過單片機進行占空比的控制,12個舵機模塊的中間信號端分別連接到單片機的12個I/O口進行信號控制,簡單高效,相互干擾較小。使用舵機精確的角度轉(zhuǎn)動帶動軸的彎曲,使吸盤貼近飛機外倉表面,多個舵機配合驅(qū)動機體前進。采用此方式能夠精確地實現(xiàn)吸附功能,并且能夠使機體靈活方便地在飛行外倉表面進行清洗活動。

圖2 機器人整體結(jié)構圖

2 控制電路設計

機器人整體的運動部分采用多個舵機配合使

2.1 單片機控制模塊

該系統(tǒng)由STM32F103ZET6作為主控芯片,該芯片具有處理速度快、存儲空間大的特點,并且該芯片具有2個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,同時它支持的外設有定時器、ADC、SPI、USB、IIC和UART,有多達112個快速I/O端口、8個定時器、3個16位定時器,有9個通信接口、2個I2C接口和3個USART接口,有2個SPI接口 (18 Mb/s)、CAN接口、USB 2.0全速接口[6],完全能夠滿足系統(tǒng)設計需要。STM32外圍電路如圖3所示。

圖3 STM32外圍電路

2.2 電源供電模塊

本系統(tǒng)需要5 V和3.3 V電源供電,由于市面上的鋰電池沒有合適的供電電壓[7],需要采用電源穩(wěn)壓電路分壓后輸出,使用LM7805將電壓穩(wěn)定在5 V,用A1117芯片將5V電壓穩(wěn)壓到3.3 V,分別給STM32單片機和WiFi模塊供電,保證系統(tǒng)的正常工作[8]。電源供電模塊電路圖4所示。

圖4 電源供電模塊

2.3 通信模塊

通信模塊內(nèi)置無線網(wǎng)絡IEEE802.11協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧,能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口或TTL電平數(shù)據(jù)到無線網(wǎng)絡之間的轉(zhuǎn)換,基于UART接口的WiFi嵌入式模塊成本較低。通過RX、TX端口與單片機行串行通信[9],實現(xiàn)上位機連接WiFi熱點,通過上位機控制清潔機器人實現(xiàn)相應的工作,同時攝像頭也會通過圖像傳輸模塊將前方圖像視頻傳輸?shù)缴衔粰C界面,實現(xiàn)多方位監(jiān)控觀察。通信模塊傳輸速率可達到460 800 b/s,在空曠的地方可以傳輸300 m,在其他有障礙物的地方也可以傳輸100 m。WiFi模塊電路圖如圖5。

圖5 WiFi模塊

2.4 超聲波避障模塊

超聲波避障模塊[10]通過控制口發(fā)射一個10μs以上的高電平,在接收口等待高電平信號,當檢測到信號時定時器進行計時,當接收口變?yōu)榈碗娖綍r可讀取定時器的值,通過轉(zhuǎn)化就可獲得此次測距的距離。如此循環(huán)進行周期檢測,便可實現(xiàn)實時移動測量值,并將測量計算后的數(shù)值與基準數(shù)值35 cm進行校準。當大于基準值時,裝置繼續(xù)運行；當小于基準值時,裝置會進行后退處理,并在上位機界面進行報警提示[11],以防止觸碰到機身突起部位造成二次傷害。超聲波避障流程圖如圖6所示,超聲波避障電路如圖7所示。

圖6 超聲波避障流程圖

圖7 超聲波避障電路

2.5 圖像傳輸模塊

圖像傳輸模塊是由攝像頭、接收端RC832、發(fā)射端TS832共3部分組成,接收端RC832、發(fā)射端TS832的工作頻率為5.8 GHz,工作頻率穩(wěn)定、可靠,且圖像傳輸更易實現(xiàn),有效傳輸距離可達到1 000 m,圖像信息可快速地傳到終端上位機顯示。圖像傳輸模塊如圖8所示。

圖8 圖像傳輸模塊

3 具體實施流程及軟件設計

3.1 系統(tǒng)流程圖

整體的流程控制非常簡便,清潔機器人上端的無線接收模塊會實時檢測WiFi信號的接收,當檢測到信號時,相應的控制信號便會傳給STM32單片機,單片機進行信號處理,實現(xiàn)機翼清掃、機身表面吸附運動、清潔液噴灑、機身清潔度以及傷痕的檢測等工作。

清潔機器設備主要通過STM32單片機進行控制,在真空泵的吸氣排氣作用下來控制吸盤的吸附,并且每只機械腳的3個自由度可自由移動,在飛機外倉、機翼上進行清潔；清潔模塊在噴灑水裝置的配合下轉(zhuǎn)動清洗海綿模塊可實現(xiàn)飛機表面的清潔,且附帶的刮擦模塊可將飛機表面的污漬進行更加有效的清潔工作,以達到理想的清潔效果。程序流程圖如圖9所示。

圖9 程序流程圖

3.2 上位機操縱界面設計

上位機界面通過C＃語言進行軟件編寫[12],通過串口通信進行數(shù)據(jù)交換及實時監(jiān)控,通過搭載在清潔裝置上的攝像頭傳回來圖像信息顯示在終端上位機上,讓機務維修人員以及清潔人員能清晰地看到飛機[13-14]機身上的污漬以及是否有其他傷痕,以便及時維護。上位機界面如圖10所示。

4 整體系統(tǒng)的可靠性

4.1 機械模塊的可靠性

圖10 上位機界面

每只腳可擺動的角度為60°,當機器人運動時左右兩只腳同時進行相應的攀爬,一個循環(huán)運動可分為3次機械運動[15-16]。根據(jù)三角形定理,機器人整個身體運動一次可實現(xiàn)的運動距離為60 cm[17],運動效果明顯,效率較高。真空泵負壓可達到350 mmHg,在大氣壓的作用下一個真空泵經(jīng)計算可達到的負壓為 (760 mmHg+350 mmHg)×0.133 kPa/mmHg＝147.6 kPa。

機器人整體質(zhì)量為5 kg,在萬有引力的作用下機器人機身重量約為5 kg×9.8 N/kg＝49 N；吸盤面積 s＝3.14(0.025 cm)2＝1.96×10-3m2, 所以整體穩(wěn)定的負壓為 49 N/(1.96×10-3m2) ×2＝12.5 kPa。

由于真空泵所達到的負壓大于吸附在玻璃上所需要的負壓,所以可以穩(wěn)定地吸附在飛機外艙上,可靠性比較好。

4.2 電路模塊的可靠性

電路的各個模塊采用了防水的密封膠進行外殼的密封,以防在噴灑的過程中水和清洗劑的滲入造成電路板的腐蝕,防水性能好。

穩(wěn)壓電路設計穩(wěn)定可靠,在穩(wěn)壓模塊設計了較多的輔助散熱片,可防止系統(tǒng)在長時間的運行過程中因為過熱而導致穩(wěn)壓模塊停止工作。

無線通信模塊信息傳輸可靠穩(wěn)定,無線傳輸圖像模塊工作頻率為5.8 GHz,和市面上一般的2.4 GHz的頻率相比受到的干擾較小,所以在傳輸過程中不會造成信號延誤、多信號源混亂等問題,受外界干擾小,整體可靠性高。

5 結(jié)束語

本文設計了一款基于STM32單片機的飛機外倉清潔機器人,該機器人機械結(jié)構設計合理,硬件電路設計可靠,軟件設計穩(wěn)定,系統(tǒng)操作簡便,能穩(wěn)定地吸附于飛機外倉[18-19]表面,并能在飛機外倉表面及飛機機翼上運動,實現(xiàn)對飛機外倉表面的清潔或檢測工作,具有一定的推廣應用價值。

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