基于PixHawk飛控的四旋翼無(wú)人機(jī)清潔系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張唯一 冉騰輝 石 萌 賴(lài)雅馨 毛應(yīng)彪

（西南民族大學(xué)電子信息學(xué)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(gè)新興行業(yè)，也是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的行業(yè)。當(dāng)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(jī)器人清洗。

經(jīng)調(diào)查，目前很多清潔公司沒(méi)有資質(zhì)、專(zhuān)業(yè)門(mén)檻很低，無(wú)法保證清潔設(shè)備的質(zhì)量且70% 的清潔工人沒(méi)有進(jìn)行專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)，缺少超高層建筑外墻清洗的經(jīng)驗(yàn)。與此同時(shí)，高空清潔勞動(dòng)力成本逐年上升且高空作業(yè)還會(huì)受天氣的限制。這一系列的問(wèn)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(jī)器人的類(lèi)型有可滑動(dòng)海綿清潔無(wú)人機(jī)、滑軌式清潔機(jī)器人、雙繩索驅(qū)動(dòng)式清潔機(jī)器人以及吸附式清潔機(jī)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(wèn)題。

針對(duì)以上問(wèn)題，一款安全、高效且成本較低的清潔無(wú)人機(jī)顯得尤為重要。因此，該文設(shè)計(jì)了基于PixHawk 飛控的四旋翼無(wú)人機(jī)清潔系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以有效代替人工進(jìn)行高空清潔作業(yè)，降低人工風(fēng)險(xiǎn)，而且還能提高清潔工作效率，降低清潔成本。

2 無(wú)人機(jī)清潔系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)核心

無(wú)人機(jī)以ARM-Linux 處理器為核心處理器，主要具備以下4 個(gè)功能：1） 接收來(lái)自接收機(jī)傳來(lái)的S.BUS 協(xié)議信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行解析，根據(jù)傳感器采集的實(shí)時(shí)狀態(tài)適當(dāng)?shù)貙?duì)原始的S.BUS 信號(hào)進(jìn)行修正，最后將處理后的信號(hào)通過(guò)異步串口發(fā)送到飛控端。2） 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，必要時(shí)能夠發(fā)出警報(bào)或采取風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避措施。3） 通過(guò) PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制4 路霧化噴頭、1 路電機(jī)和1 路水泵。4） 存儲(chǔ)傳感器的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)同步至MQTT 服務(wù)器，供上位機(jī)讀取。

2.2 無(wú)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(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)工作是比較容易的。該模塊的主要功能為接受來(lái)自接收機(jī)的信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后再發(fā)送給飛控?；谠撃KARM 端可以通過(guò)傳感器采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)判斷是否對(duì)遙控信號(hào)進(jìn)行修正，從而實(shí)現(xiàn)飛控的嵌入式二次開(kāi)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(hào)線就可以實(shí)現(xiàn)16比例通道+2開(kāi)關(guān)通道的信號(hào)傳輸，還可以使用串口進(jìn)行開(kāi)發(fā)。S.BUS 在實(shí)際開(kāi)發(fā)中使用串口進(jìn)行通信，其串口波特率為非標(biāo)準(zhǔn)波特率100 kB，數(shù)據(jù)位為8位，采用偶校驗(yàn)，停止位為2 位。其幀格式為每25 個(gè)字節(jié)1幀，第一字節(jié)是開(kāi)始位，一般為0x0F（也可能是0xF0），結(jié)束位為最后一個(gè)字節(jié)，一般為0x00。除了上述的2 個(gè)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(gè)比例通道由22 個(gè)字節(jié)表示，每個(gè)通道通過(guò)字節(jié)拼接為11 bit，表示精度可以達(dá)到211，即2048。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

無(wú)人機(jī)采用SQLite3 數(shù)據(jù)庫(kù)，它的優(yōu)點(diǎn)是不需要服務(wù)器、不需要配置、輕便小巧且不需要進(jìn)程來(lái)管理，而是直接對(duì)文件進(jìn)行操作，易于維護(hù)且穩(wěn)定性強(qiáng)，非常適合物聯(lián)網(wǎng)類(lèi)的嵌入式設(shè)備使用并且其源碼不受版權(quán)限制，移植相對(duì)方便。

2.4 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置

無(wú)人機(jī)采用好盈X6 動(dòng)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(gè)電機(jī)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(gè)電機(jī)提供不超過(guò)5.0 kg 的拉力，4 軸提供不超過(guò)20.0 kg 的拉力，考慮冗余，無(wú)人機(jī)的最大起飛質(zhì)量不超過(guò)18.0 kg。無(wú)人機(jī)的各部分質(zhì)量參數(shù)如下：機(jī)架5.0 kg，動(dòng)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(gè)滾筒）3.2 kg，控制系統(tǒng)1.8 kg，總質(zhì)量約為15.8 kg，沒(méi)有超過(guò)無(wú)人機(jī)的最大起飛質(zhì)量，無(wú)人機(jī)可以正常起飛。

無(wú)人機(jī)搭配2 組16000 mAh、15 C 且標(biāo)準(zhǔn)電壓為22.2 V的電池串聯(lián)進(jìn)行供電（2 組電池是相同的），經(jīng)過(guò)調(diào)研和外場(chǎng)調(diào)試的數(shù)據(jù)結(jié)果可知，該供電系統(tǒng)可以支持無(wú)人機(jī)高空作業(yè)約50 min。

2.5 機(jī)械裝置

無(wú)人機(jī)的機(jī)械裝置包括翼飛特G06Pro 四旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)架、23 寸螺旋槳、6 L 水箱、水泵、滾筒以及霧化噴頭，清潔無(wú)人機(jī)的三維建模圖如圖1 所示。

圖1 無(wú)人機(jī)三維建模圖

在機(jī)臂的中間位置設(shè)計(jì)亞克力卡口裝置連接2 根碳纖維棒，纖維棒靠近機(jī)尾一端與機(jī)臂對(duì)齊，靠近機(jī)頭一端則留出30 cm～40 cm 的距離來(lái)安裝滾筒和霧化噴頭。無(wú)人機(jī)通過(guò)亞克力卡口裝置連接清潔裝置和機(jī)架，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)快速拆卸和組裝的功能，有利于無(wú)人機(jī)被快速運(yùn)輸?shù)侥康牡剡M(jìn)行清潔工作。

2.6 清潔控制設(shè)計(jì)

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(jí)模式、二級(jí)模式和三級(jí)模式。一級(jí)模式針對(duì)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?jī)A角最小，清洗面積最廣。二級(jí)模式與一級(jí)模式相比，其內(nèi)部?jī)A角變大，清洗面積變小，出水量增加。三級(jí)模式為直噴模式，出水量達(dá)到最大，噴出的水流為水柱狀，清潔面積變小，針對(duì)墻面附著的鳥(niǎo)糞、沙塵等污物的清潔效果很好。3 種模式通過(guò)脈沖寬度調(diào)制（PWM）來(lái)控制霧化噴頭的工作模式，清潔滾筒通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)，滾筒電機(jī)配有相應(yīng)的電子調(diào)速器，通過(guò)接收機(jī)預(yù)留的信號(hào)通道進(jìn)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(wú)人機(jī)可以通過(guò)遙控信號(hào)開(kāi)啟霧化噴頭的工作模式，調(diào)整滾筒的轉(zhuǎn)速。當(dāng)清潔某一處墻面或者玻璃表面時(shí)，飛手需要將無(wú)人機(jī)設(shè)置為懸停模式，直至清洗干凈，再開(kāi)啟無(wú)人機(jī)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(jī)主軸通過(guò)法蘭盤(pán)與滾筒固定在一起，電機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)清潔功能。2 個(gè)滾筒連接處采用自創(chuàng)“T”形桿加2 個(gè)軸承裝置，一方面配合兩邊電機(jī)帶動(dòng)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(guò)長(zhǎng)、受力而導(dǎo)致中間塌陷。采用滾筒的方式不僅不需要設(shè)計(jì)與清潔平面接觸的緩沖裝置，而且滾筒吸水量小，吸水后對(duì)前后穩(wěn)定性的影響小，可以降低飛行過(guò)程中的晃動(dòng)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(shè)計(jì)圖如圖3 所示。

圖3 霧化噴頭設(shè)計(jì)圖

無(wú)人機(jī)機(jī)身搭載結(jié)構(gòu)中的STM32F103 芯片在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)需要通3.3 V 或5.0 V 的電壓來(lái)保證其連續(xù)計(jì)算能力，該文采購(gòu)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(cè)試，當(dāng)水泵保持滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(yáng)程、流量和軸功率是衡量水泵性能的重要指標(biāo)，其關(guān)系如公式（1）所示。

式中：P為功率；Q為流量；H為揚(yáng)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(jì)算，在滿功率工作時(shí)，其噴頭揚(yáng)程大約為1 m，從測(cè)試過(guò)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(shè)計(jì)

該文自主設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)水箱裝有“井”字形帶孔擋板（如圖4 所示），將水箱劃分為9 個(gè)空間，可以降低無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中因翻轉(zhuǎn)、俯仰以及橫滾等一系列操作導(dǎo)致水箱中液體晃動(dòng)而對(duì)無(wú)人機(jī)整體重心的影響，是保證無(wú)人機(jī)穩(wěn)定飛行的創(chuàng)意點(diǎn)。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(dòng)，如圖5 所示。水箱蓋子為圓形，使其能夠固定在無(wú)人機(jī)上，水箱側(cè)面設(shè)計(jì)有一出水口，可以連接水泵，水箱整體設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖4 “井”字形擋板示意圖

圖5 水箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖6 水箱整體設(shè)計(jì)圖

2.6.4 水泵工作狀態(tài)檢測(cè)

將有刷水泵的斷藥信號(hào)3Pin（信號(hào)引腳線）引腳線接入飛控液位計(jì)檢測(cè)口，斷藥信號(hào)以高低電平信號(hào)的形式輸出，有水為高電平，無(wú)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(shuō)明如下：紅燈慢閃（2 次/s），表示無(wú)輸入信號(hào)，需要連接信號(hào)線；紅燈快閃（10 次/s），表示輸入信號(hào)錯(cuò)誤，信號(hào)行程不一致；紅燈常亮，表示輸入信號(hào)正常，水泵關(guān)閉狀態(tài)；黃燈常亮，表示缺水提醒，斷藥信號(hào)輸出低電平；綠燈常亮，表示水箱有水，斷藥信號(hào)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(shí)間以及提高無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)的安全性[2]。該無(wú)人機(jī)采用比較成熟的Pixhawk2.4.8 版本的開(kāi)源飛控，該飛控具備航線規(guī)劃、自主避障等功能。當(dāng)無(wú)人機(jī)起飛到目標(biāo)位置以及從目標(biāo)位置返回目的地時(shí)，可以通過(guò)遙控信號(hào)開(kāi)啟無(wú)人機(jī)的自主航線規(guī)劃模式，在該模式下，通過(guò)調(diào)用GPS 確定當(dāng)前位置，并將起飛點(diǎn)（如果地面站開(kāi)啟返航點(diǎn)刷新，就以地面站的GPS 為準(zhǔn)）與當(dāng)前位置進(jìn)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(guò)設(shè)置返航高度，在高精度氣壓計(jì)的檢測(cè)下實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的定高返航，同時(shí)配合guidance 視覺(jué)避障模塊保障無(wú)人機(jī)返航過(guò)程的安全。不用飛手操縱無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)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(dǎo)致的故障。

基于Pixhawk 飛控的航線規(guī)劃功能具體實(shí)現(xiàn)方法如下：打開(kāi)QGC 地面站，使無(wú)人機(jī)與地面站建立聯(lián)系。通過(guò)終端輸入航路點(diǎn)和其他命令，也可以用地面站的功能映射創(chuàng)建任務(wù)（Auto grid），無(wú)人機(jī)會(huì)在規(guī)劃的任務(wù)區(qū)域飛行，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的程序化自動(dòng)控制。

當(dāng)在QGC 地面站上設(shè)置航路點(diǎn)時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置其準(zhǔn)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(shè)置好航路點(diǎn)后，將任務(wù)寫(xiě)入QGC 并寄存在存儲(chǔ)器中，刪除所有航路點(diǎn)，可以通過(guò)“讀取”查看判斷規(guī)劃的航路點(diǎn)是否寫(xiě)入，如果寫(xiě)入，就會(huì)在地圖上顯示所規(guī)劃的路徑。

對(duì)高層建筑來(lái)說(shuō)，往往采用“之”字形航線規(guī)劃（如圖8所示），曲線的每個(gè)拐點(diǎn)、起始點(diǎn)以及降落點(diǎn)都是航點(diǎn)，同一高度的2 個(gè)相鄰航點(diǎn)之間的距離應(yīng)為2 個(gè)滾筒的總長(zhǎng)度，不同高度的2 個(gè)相鄰航點(diǎn)的高度差應(yīng)為清潔區(qū)域的實(shí)際高度。

圖8 航線規(guī)劃示意圖

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 無(wú)人機(jī)飛行測(cè)試

先進(jìn)行無(wú)人機(jī)的飛行測(cè)試，在飛行前，摘除槳葉對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行供電并進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保無(wú)人機(jī)能夠安全、正常地起飛。完成準(zhǔn)備工作后，飛手控制無(wú)人機(jī)起飛，起飛后可以看到無(wú)人機(jī)平穩(wěn)起飛并且可以進(jìn)行定點(diǎn)懸停。將無(wú)人機(jī)水箱裝滿水進(jìn)行測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)飛行，飛行測(cè)試成功。

3.2 清潔系統(tǒng)測(cè)試

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

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)高層建筑外墻清潔的無(wú)人機(jī)是市場(chǎng)的重要缺口，其具有很大的產(chǎn)品價(jià)值和應(yīng)用場(chǎng)景。針對(duì)高空清潔存在的高風(fēng)險(xiǎn)、高成本和高操作難度等問(wèn)題，該文提供了一種基于PixHawk 飛控的四旋翼無(wú)人機(jī)清潔系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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。