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)
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。
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。
2.2.1 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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。