一種基于四旋翼飛行器的高層樓宇外墻清潔裝置

賀良國(guó) 蘇宇濤 尹正浩 王向陽 王天琪 宋弘陽

摘 要：隨著城市中高層建筑物越來越多，對(duì)于其玻璃外墻的清潔保養(yǎng)成為了一個(gè)亟須解決的問題，目前現(xiàn)有的人工清理方法卻存在著危險(xiǎn)系數(shù)高等諸多弊端，為保證高層樓宇玻璃外壁清潔和避免高空作業(yè)時(shí)操作人員發(fā)生危險(xiǎn)，是本項(xiàng)目確立下來的核心目的。為此，擬計(jì)劃在無人機(jī)便捷、遠(yuǎn)程遙控和足夠飛行高度的功能下，在底部安裝穩(wěn)定、自由度高且具有足夠清潔能力的清潔裝置。清潔裝置兼具伸縮臂、滾動(dòng)清潔頭、遠(yuǎn)程自主操控高壓噴頭等，保證了飛行過程中的靈活，提供所需要的清潔裝置。

關(guān)鍵詞：玻璃清潔;四旋翼無人機(jī);建筑外墻

一、背景

（一）設(shè)計(jì)背景

目前，無人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，已運(yùn)用到航拍、軍事、農(nóng)業(yè)、物流等多種領(lǐng)域，且具備空中作業(yè)能力的無人飛行器極大地拓展了無人飛行器可完成的任務(wù)類型，在復(fù)雜環(huán)境下危險(xiǎn)品的拾取與清理、探測(cè)設(shè)備的布放和回收、高空設(shè)備檢測(cè)與裝配以及空中目標(biāo)的捕獲等方面有著廣泛的運(yùn)用前景[1]。另外，我們了解到，如今的高層樓宇外壁的清潔方法主要運(yùn)用的有兩種——人工高空懸吊清洗以及爬墻機(jī)器人清洗。前者主要問題在于存在一定的危險(xiǎn)性，并且需要耗費(fèi)大量的勞動(dòng)力來完成，而后者又存在著機(jī)動(dòng)性和靈活性上的欠缺，整體裝置較為笨重（如圖），清洗工作的效率存在著較大的欠缺。為此，我們使用無人機(jī)這樣一個(gè)擁有較強(qiáng)搭載能力而且便捷靈活的裝置來實(shí)現(xiàn)對(duì)高層樓宇外壁的清潔，既能省下許多人力，又能在高空不受限制地自由移動(dòng)，能夠大大提高作業(yè)的效率并減少工程量。

（二）空中作業(yè)無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域已從最初的軍事偵察、航拍逐漸發(fā)展向民用的各個(gè)方面，例如運(yùn)輸、灌溉、檢測(cè)、巡查等。2013年時(shí)，美國(guó)一家名為Matternet的新興公司就已在海地、巴布新幾內(nèi)亞、不丹等發(fā)展中國(guó)家測(cè)試了其無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)，其公司生產(chǎn)的商業(yè)無人機(jī)可適用于各種天氣情況，充一次電便可攜帶一個(gè)2.2磅的物品飛行12英里以上。亞馬遜、谷歌等國(guó)外巨頭公司也在此后加入了無人機(jī)送貨的測(cè)試行列。就國(guó)內(nèi)而言，順豐、京東等大型物流公司也已在著手研發(fā)無人機(jī)快遞業(yè)務(wù)。

2013年，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的工程師研發(fā)出一種新型無人機(jī)，它不僅能在高空飛行而且能像鷹一樣完成抓取動(dòng)作，自此打開了帶臂無人機(jī)的大門。

隨后，首爾大學(xué)、那不勒斯大學(xué)等眾多國(guó)外名校都不斷更新著帶臂無人機(jī)的功能，使其能夠做到除抓取物體外的許多工作。在我國(guó)，目前對(duì)于空中可操作無人機(jī)的研究尚不是很多。2019年，中科大沈陽自動(dòng)化研究所自主研發(fā)出一款六旋翼無人機(jī)用于摩天大樓的檢查，該無人機(jī)一側(cè)配備一個(gè)垂直旋轉(zhuǎn)的機(jī)械臂，末端有一方形壓力傳感器陣列，無人機(jī)通過機(jī)械臂壓在每個(gè)窗格上，檢查是否有異常，從而檢測(cè)玻璃與建筑物的連接強(qiáng)度。

（三）樓體清潔機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)的樓體清潔大多使用爬墻機(jī)器人配合設(shè)定好的軌道進(jìn)行清潔。歷圖機(jī)器人公司研發(fā)的外墻清潔機(jī)器人通過吊裝、線路規(guī)劃使機(jī)器人自動(dòng)地上下清洗玻璃墻面。而借助于無人機(jī)進(jìn)行墻面清理的機(jī)器尚未得到研發(fā)，其運(yùn)動(dòng)靈活、不受限制的優(yōu)點(diǎn)尚未得到應(yīng)用，目前此技術(shù)在國(guó)內(nèi)及國(guó)外市場(chǎng)仍是一塊空缺。

二、產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案

（一）清潔模式

具體清潔過程如下圖所示，無人機(jī)通過預(yù)設(shè)好的路線分次進(jìn)行工作。

（二）系統(tǒng)搭建

（1）無人機(jī)部分。近年來，國(guó)內(nèi)外無人機(jī)行業(yè)發(fā)展極快，優(yōu)秀的無人機(jī)品牌不斷增多，如大疆DJI、派諾特Parrot、華科爾Walkera等。通過對(duì)性能及價(jià)格的比較，我們選用了APM的飛控及大疆F450的框架進(jìn)行搭建。具體搭建系統(tǒng)如下：

搭建后的無人機(jī)經(jīng)載重測(cè)試，可載重量達(dá)到2kg左右，可在2-3級(jí)風(fēng)中平穩(wěn)運(yùn)行，續(xù)航時(shí)間大約為7—8分鐘。

（2）工作流程。無人機(jī)通過GPS模塊進(jìn)行定位，在預(yù)設(shè)位置定點(diǎn)，通過飛控確定高度，保證其在工作時(shí)不受外界氣流等因素的干擾。在情節(jié)裝置前端加裝測(cè)距模塊，確保毛刷能夠充分接觸到玻璃表面而同時(shí)不使機(jī)身與壁面發(fā)生接觸。無人機(jī)自動(dòng)定位到軌跡的起點(diǎn)后沿軌跡自上而下地進(jìn)行第一步清洗，隨后離開墻面，上升到起點(diǎn)進(jìn)行第二步清洗，在完成所有步驟后自動(dòng)返回地面。

（三）路徑規(guī)劃及自動(dòng)循跡

在起飛前，先根據(jù)建筑物外墻的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)路徑進(jìn)行規(guī)劃，隨后編寫Arduino程序使飛機(jī)能達(dá)到以下功能：自動(dòng)起飛至軌跡起點(diǎn)、沿軌跡運(yùn)動(dòng)、自動(dòng)清洗。Arduino單片機(jī)相當(dāng)于一個(gè)虛擬的遙控器，單片機(jī)的四個(gè)通道與飛控連接，通過對(duì)應(yīng)輸出的pwm值的加減，對(duì)應(yīng)控制著副翼、升降、油門和方向四個(gè)通道，進(jìn)而控制飛行器的左右、前后、高度和飛機(jī)朝向。[2]Arduino與飛行器的四個(gè)舵機(jī)、飛控、前端毛刷電機(jī)及測(cè)距模塊相連。飛控和前端測(cè)距模塊以輸入形式與Arduino板相連，將所讀取的高度值以及與墻壁的距離進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，達(dá)成一個(gè)閉環(huán)控制的效果。

（四）清潔裝置

（1）整體構(gòu)成。清潔裝置考慮到其需要達(dá)到的效果以及盡可能輕便，整個(gè)結(jié)構(gòu)由一個(gè)尼龍毛刷、兩根輸水軟管、水泵、噴頭、一個(gè)分層的ABS水箱以及一個(gè)帶動(dòng)尼龍毛刷轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)組成。（2）硬件選擇。毛刷選擇不易磨損吸水的尼龍刷，材質(zhì)柔軟，高密度擦灰除塵，連桿與滾子均用碳纖維材料，重量輕，強(qiáng)度高;水箱中的水通過水管輸送到末端滾子處，通過噴霧裝置潤(rùn)濕滾子攜帶的超細(xì)纖維織品，以保證裝置具有較高的清潔度。同時(shí)，四軸飛行器的旋翼產(chǎn)生渦流，也有助于清理積灰。整體裝置的一體性好，具備良好的自動(dòng)性，具備良好的灰塵剔除能力。水泵考慮到體積及重量因素，采用微型高壓隔膜泵。用3D打印技術(shù)制出的水箱能同時(shí)存放清潔液和清水?？紤]到整個(gè)無人機(jī)平衡的因素，將水箱裝置于無人機(jī)偏后部（以毛刷方向?yàn)榍胺剑?/p>

三、結(jié)語

無人機(jī)作為一個(gè)正在蓬勃發(fā)展的新型技術(shù)，其可開發(fā)的價(jià)值必將越來越多，也將在更多的方面方便人們的生活。本次研究只是一次嘗試性的探索，抱著能以無人機(jī)來降低“蜘蛛人”們的工作危險(xiǎn)性的希望。其提高了對(duì)外墻清潔的效率，節(jié)省了人力物力，相較于爬墻機(jī)器人，其軌跡規(guī)劃的自由性又更高。但也存在著些許不足，例如由于載重量的限制，每次起飛時(shí)攜帶的清潔液與清水量受到極大的限制，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的續(xù)航能力大打折扣，希望在之后的迭代中能得以解決。

參考文獻(xiàn)：

[1]張勇.一種具備空中作業(yè)能力的四旋翼飛行器系統(tǒng)設(shè)計(jì).東南大學(xué)，2017.

[2]陳叢浩，張正中.Arduino的應(yīng)用及發(fā)展前景[J].輕工科技，2018.34（05）：77-78.

項(xiàng)目：項(xiàng)目基金來源為“合肥工業(yè)大學(xué)2019年校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目計(jì)劃資助（項(xiàng)目編號(hào)X201910359020）”