鄧琳翔 石玥 倪子涵
摘要:為提高建筑外墻和玻璃的清潔效率,拓寬無人機(jī)應(yīng)用場景。對現(xiàn)有無人機(jī)和清潔類機(jī)器人進(jìn)行總體分析,提取所需功能后進(jìn)行設(shè)計、實踐驗證。設(shè)計出一款應(yīng)用于小高層建筑外墻及玻璃清潔的多旋翼清潔無人機(jī)。一定程度上提高相關(guān)清潔作業(yè)效率,也為無人機(jī)今后的開發(fā)設(shè)計提供參考。
關(guān)鍵詞:清潔無人機(jī) 清潔機(jī)器人 多旋翼無人機(jī) 建筑外墻 玻璃清潔
中圖分類號:TB47
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
文章編號:1003-0069 (2020) 01-0137-03
一、緒論
(一)設(shè)計背景
無人機(jī)和清潔機(jī)器人都為近年的熱門研究對象,二者分別依靠其背后先進(jìn)的科技力量,從不同方面改善著人們的生活條件和工作方式。目前各個學(xué)科對高層建筑的外墻清潔進(jìn)行了大范圍的研究,但針對小高層建筑外墻的清潔工作卻鮮有相關(guān)的設(shè)計成果。主要原因是小高層建筑平面布局分散,外墻凹凸距離過大,其清潔往往被忽視。但是,公共建筑多是小高層建筑,而其外墻及玻璃清潔屬于必要性工作。目前的清潔方法主要是依靠人工行垂吊清潔工作,清潔效率非常低,所以為了滿足這個需求,提高清潔頻率和效率,我們開展了此設(shè)計項目。
本次設(shè)計任務(wù)基于對多旋翼無人機(jī)的技術(shù)分析,以及對清潔機(jī)器人的功能提取,將二者技術(shù)融合設(shè)計出一款清潔無人機(jī)產(chǎn)品。該無人機(jī)適用于小高層建筑外墻及玻璃的清潔工作,可改善清潔工作方式,提高清潔效率,為建筑甚至城市風(fēng)貌加分。
(二)無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀
1.無人機(jī)的發(fā)展:無人機(jī)即無人駕駛飛機(jī)。無人機(jī)早期主要應(yīng)用于軍事方面,如軍事偵察、收集情報等任務(wù)。2006年后,我國電子產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,無人機(jī)的技術(shù)逐漸成熟。[1]隨之而來,民用無人機(jī)的總體成本不斷下降,其應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛,功能也愈加智能化。
2.無人機(jī)的應(yīng)用:民用無人機(jī)的主要應(yīng)用包括:巡查、檢測、運(yùn)輸、拍攝、測量繪制、植保等。近年來,無人機(jī)在農(nóng)業(yè)、物流運(yùn)輸及測繪等方面的應(yīng)用發(fā)展十分迅猛,民用無人機(jī)包括工業(yè)級無人機(jī)和消費(fèi)級無人機(jī),消費(fèi)級無人機(jī)以拍攝、燈光、玩具等用途為主,其余則多為工業(yè)級無人機(jī),如農(nóng)藥噴灑或物流配送等用途的無人機(jī)。[2]本設(shè)計定位在工業(yè)級無人機(jī)領(lǐng)域,基于多旋翼無人機(jī)平臺,是對無人機(jī)的民用創(chuàng)新應(yīng)用進(jìn)行探索。
(三)多旋翼無人機(jī)優(yōu)勢對比
多旋翼無人機(jī),指含有三個或三個以上旋翼軸的無人機(jī)。多旋翼無人機(jī)相較于其他外墻攀爬吸附式清洗機(jī)器人而言,有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。憑借其平臺的優(yōu)越性,多旋翼無人機(jī)取消了復(fù)雜的懸掛吊索及吸附裝置,依靠傳感器、旋翼和自帶的后推槳葉,實現(xiàn)緊貼墻壁并上下左右移動的功能,只需另外的外接水管提供水源,甚至在下一步更換動力系統(tǒng)加強(qiáng)運(yùn)載能力之后可以直接掛載外置水箱,減少對地面的依賴。因此具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)。
相對于攀爬吸附式清洗機(jī)器人,多旋翼無人機(jī)更加靈活機(jī)動,在清理一些曲面或是斜面等復(fù)雜外墻時,由于無人機(jī)能實現(xiàn)不依賴吊索,因此效率更高。在達(dá)成相同清洗效果的前提下,速度更快、效率更高。在實際的測試中,清潔無人機(jī)對于一平方米外墻的清洗平均時間為一分鐘三十秒。
(四)清潔機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀
1.清潔機(jī)器人的發(fā)展:清潔機(jī)器人屬于服務(wù)機(jī)器人之一。[3]在我國,服務(wù)機(jī)器人的出現(xiàn)和發(fā)展要晚于歐美國家,但在近幾年逐漸走人人們的生活,常見應(yīng)用形式包括清潔、檢測、陪伴、安保等,例如家用掃地機(jī)器人等。服務(wù)機(jī)器人在許多方面為人們提供了便利:提高工作效率和減少高危工作的工作風(fēng)險等。
2.清潔機(jī)器人的種類:按使用環(huán)境劃分可分為家用和商用(公共用)兩種。常見的清潔機(jī)器人分類可見表1。其功能和作業(yè)方式也因具體的使用環(huán)境變化,家用機(jī)器入主要功能為灰塵清掃與臟污抹除,在較大公共場合使用的大型清潔機(jī)器人功能則在此基礎(chǔ)上還包括清水噴灑與污水回收、小型垃圾收集等功能,且分為人工操作、自動操作兩種操作模式。
二、清潔模式分析
(一)清潔環(huán)境分析
清潔環(huán)境包括室內(nèi)、室外各種環(huán)境,這些環(huán)境之中包含有許多不便于人工作業(yè)的清潔場景,例如高空、建筑外墻、施工工地、森林或地貌復(fù)雜的地區(qū)等。
現(xiàn)代建筑外墻應(yīng)用大面積的玻璃等材質(zhì)較多,墻面材質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣化(表2),在清潔方面存在許多不便因素。[4]例如,傳統(tǒng)的人工清潔效率以及由于清潔工具的限制,在清潔外墻及玻璃時會耗費(fèi)大量時間和清潔費(fèi)用成本;在高空清潔時,清潔人員的工作風(fēng)險較高,易發(fā)生意外。
(二)清潔流程
清潔方式見圖1,先將作業(yè)區(qū)域用清水噴灑便于清潔劑的稀釋,隨后噴灑清潔劑,滾刷反復(fù)滾動摩擦以去除污垢,最后再次噴灑清水將表面沖洗干凈。三、多旋翼無人機(jī)搭建
(一)飛行器部分
1.平臺搭建
(1)相關(guān)平臺的發(fā)展:近年來,無人機(jī)行業(yè)快速發(fā)展,無人機(jī)在各行各領(lǐng)域的應(yīng)用也是不斷普及,涌現(xiàn)了一大批優(yōu)秀的無人機(jī)品牌,如大疆DJI、零度智控ZEROTECH、中科遙感ChinaRS等。迄今為止,無人機(jī)的發(fā)展趨向于成熟,各項技術(shù)不斷改進(jìn),這也就為我們搭建一款用于外墻清洗的多旋翼無人機(jī)提供了相當(dāng)便利的環(huán)境,我們可以利用市場上相對成熟的技術(shù),以較高的性價比搭建起一款專用的無人機(jī)平臺。
(2)選用模塊及方案:在方案設(shè)計中,盡可能以集成化的技術(shù)進(jìn)行設(shè)想,但在方案驗證的模型中,由于現(xiàn)實技術(shù)和資金的制約,我們采用以下的平臺搭建方案(表3)進(jìn)行驗證。
組裝完成的無人機(jī)理論最大拉力1150gx4,平臺重量約為12509,經(jīng)實測在電池滿電情況下,最大實際載荷為1500g。在外接15米水管的情況下續(xù)航時間為5分鐘,后期更換電池能夠進(jìn)一步將時間延長至15分鐘。
平臺能夠在3-4級風(fēng)力下正常工作,以抵御小高層建筑群之間的外部風(fēng)力及無人機(jī)和外墻之間的相互干涉。
2.定點(diǎn)功能
(1)定點(diǎn)方式設(shè)計:四軸采用GPS+光流雙模式實現(xiàn)定點(diǎn)功能。由于該無人機(jī)的工作環(huán)境貼近小高層外墻,正常展開工作時,墻體對于GPS信號會有一定程度的遮擋,經(jīng)實際測量,在空曠外場飛行器接收的衛(wèi)星數(shù)量為10顆以上,但是靠近外墻之后衛(wèi)星數(shù)量銳減為6顆以下,飛行器也出現(xiàn)了定點(diǎn)飄動的現(xiàn)象,故采用GPS+光流雙模式定點(diǎn)。
(2)定點(diǎn)工作流程:在起飛及貼近墻面過程中采用GPS定點(diǎn),由GPS信號確定飛行器的空間三維坐標(biāo),由飛控自帶的氣壓計輔助確定高度信息,確保飛行器能夠不受外界干擾地穩(wěn)定在一個空間點(diǎn)位上,當(dāng)貼近墻面時,打開固定安裝在四軸底部的光流定點(diǎn)模塊,以光流定點(diǎn)為主GPS為輔。
當(dāng)光流模塊的攝像機(jī)隨著飛行器在環(huán)境中移動時,其目標(biāo)圖像即地面圖像是在發(fā)生變化的,圖像灰度模式的表面運(yùn)動就稱為光流。簡單理解,光流就是通過檢測圖像中光點(diǎn)和暗點(diǎn)的移動,來判斷圖像中像素點(diǎn)相對于飛行器的移動速度。[5]當(dāng)我們利用光流模塊返回的位置信息或者速度信息,形成一個閉環(huán)控制,再結(jié)合對飛控的PID調(diào)參,即可實現(xiàn)光流定點(diǎn)。圖2為飛行過程中接收衛(wèi)星數(shù)量。
圖3為在地面站讀取的光流工作數(shù)據(jù),紅線為dx,即飛行器在×軸方向上相對于固定點(diǎn)的飄動情況,綠色為dy,即飛行器在Y軸方向上相對于固定點(diǎn)的飄動情況,藍(lán)色線條顯示整體的定點(diǎn)水平。
3.啟動規(guī)劃路徑
(1)功能原理與設(shè)計:在地面對飛行線路進(jìn)行預(yù)先規(guī)劃后,飛行器可以實現(xiàn)自動起飛、自動清潔及自動返回。編寫的arduino程序?qū)崿F(xiàn)功能包括:根據(jù)接收機(jī)信號控制飛行模式,根據(jù)已知坐標(biāo)、實時坐標(biāo)和飛機(jī)朝向自動控制航線飛行以及自動起飛和降落。
arduino單片機(jī)相當(dāng)于一個虛擬的遙控器,單片機(jī)的四個通道與飛控連接,通過對應(yīng)輸出的pwm值的加減,對應(yīng)控制著副翼、升降、油門和方向四個通道,進(jìn)而控制飛行器的左右、前后、高度和飛機(jī)朝向。[6]
(2)自動規(guī)劃流程:飛行器起飛前,由已知的墻面起始航點(diǎn)坐標(biāo),結(jié)合自身現(xiàn)在位置的坐標(biāo),計算出當(dāng)前航線的大地方位角,即航線與北方向的順時針夾角,與GPS中的羅盤模塊測得飛機(jī)本身航向角度比較,得到轉(zhuǎn)向角度后,控制飛機(jī)起飛轉(zhuǎn)向正對目標(biāo)航點(diǎn)并向航點(diǎn)飛行。貼近外墻后,開啟光流定點(diǎn)模塊,飛行平臺進(jìn)入清洗線路。
在外墻豎直平面的線路規(guī)劃為自上而下的豎線型線路(見圖4),一次清洗完成后,飛行器后退離開墻面,上升至第二條清潔路線,重新緊貼墻面,進(jìn)行下一步的清洗。在清洗完一面外墻后,自動降落至起飛地點(diǎn)。自動降落的流程與自動起飛基本一致。
本次的模型驗證還未使用這個技術(shù),是在下一個迭代版本中需要解決的問題。
(二)清洗部分
1.清潔機(jī)構(gòu)
(1)清潔機(jī)構(gòu)功能設(shè)計:清洗部分按上述清洗環(huán)境和清洗方式的總結(jié),我們在功能設(shè)計上要做到以下幾點(diǎn): 從清潔流程入手,由于工作流程中包含著一次清潔與二次清潔,即清潔劑清洗與清水沖洗的兩個步驟,需要噴出清水和清洗液兩種性質(zhì)不同的液體的噴頭,且需配有自動轉(zhuǎn)動的滾刷;[7]從清潔環(huán)境出發(fā),因為外墻相對玻璃幕墻比較復(fù)雜,需要有能適應(yīng)窗框和墻面不同進(jìn)深的清潔結(jié)構(gòu);從機(jī)身穩(wěn)定來看,當(dāng)無人機(jī)和墻面進(jìn)行物理接觸后,需要一些平衡其受力狀態(tài)的結(jié)構(gòu);從無人機(jī)本身載荷來考慮,需要盡可能減輕機(jī)構(gòu)的自重。
(2)硬件配置:本文方案綜合以上4個注意點(diǎn),將清潔滾刷延伸出無人機(jī)槳葉外10cm,其長度約等于無人機(jī)寬度,材質(zhì)選擇不易磨損吸水的尼龍絲。同時基于無人機(jī)要求重心配平的特點(diǎn),此方案采取中置電機(jī)、用傳動帶為滾刷提供滾動的動力。
(3)清洗順序及方式:清潔工作的順序是從上到下,清潔效果更好、效率更高。為適應(yīng)這樣的功能,我們選擇在清潔滾刷的上面安置3枚霧化噴頭。噴頭串聯(lián)連接,兩頭連上兩條外徑7mm內(nèi)徑4mm的水管,黑色管道傳輸清水,白色管道傳輸清潔液。這樣的機(jī)構(gòu)設(shè)計,不僅能依照清潔步驟錯開清水和清潔液的噴出時間,同時也可減輕無人機(jī)的負(fù)重。
整個清潔機(jī)構(gòu)由上述部分組成,滿足其功能需求的基礎(chǔ)上,同時盡可能減少機(jī)構(gòu)的重量也是一個重點(diǎn)考慮的部分。[8]
2.穩(wěn)定機(jī)構(gòu):在實際使用時,無人機(jī)和墻面進(jìn)行接觸以后,受到的反沖力會造成無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)不穩(wěn)定,甚至失去平衡。所以要求我們在設(shè)計時,需要考慮到清潔機(jī)構(gòu)和墻面進(jìn)行接觸時,有一個裝置起到過渡穩(wěn)定的作用。經(jīng)過受力分析得知,無人機(jī)在飛向墻面并使清潔機(jī)構(gòu)接觸墻面時,無人機(jī)受到一個水平方向背離墻面的力。同時,在滾刷與墻面進(jìn)行接觸的時候,我們考慮把線接觸變?yōu)槊娼佑|,使得無人機(jī)進(jìn)行清潔時工作更加穩(wěn)定。這要求穩(wěn)定機(jī)構(gòu)能夠平衡這個水平力之外,還要和墻面有三個以上的接觸點(diǎn)。
在參考上述的要求以后,我們對穩(wěn)定機(jī)構(gòu)進(jìn)行了如下設(shè)計(見圖5):使用相似的4個彈簧連桿機(jī)構(gòu),分別放置在矩形的四角上,使清潔機(jī)構(gòu)在工作時形成4點(diǎn)的面接觸。它們不僅具有穩(wěn)定作用,還提供無人機(jī)和墻面接觸時緩沖過渡。
(三)方案設(shè)計
1.設(shè)計因素:本文的設(shè)計方案,主要采用現(xiàn)有技術(shù)較成熟的無人機(jī)平臺作為基礎(chǔ),再針對小高層建筑外墻和玻璃清潔環(huán)境存在凹凸的特點(diǎn),然后把在上文整理出的清潔流程(見圖1)作為參考進(jìn)行本次設(shè)計。
2.造型與外觀:無人機(jī)的工業(yè)應(yīng)用強(qiáng)調(diào)功能的實現(xiàn),首先其工作環(huán)境要求清潔無人機(jī)的所有槳葉要被包覆起來,避免槳葉和環(huán)境進(jìn)行碰撞從而影響飛行平衡;在設(shè)計外殼覆蓋件時,需要把飛行器和清潔設(shè)備相關(guān)的電子器件和工作中不可避免產(chǎn)生的水霧進(jìn)行隔離,在造型設(shè)計上考慮到空氣流動的影響,所以覆蓋件外輪廓是封閉的對稱圓形罩,材料采用ABS塑料,如下圖(圖6)即本文的驗證模型實物圖。
為了提高飛行過程中的安全性,使用白色和黑色碳纖維機(jī)架進(jìn)行區(qū)分提高識別度。而清潔裝置的主要部件也采用白色,不僅給飛手提示無人機(jī)的機(jī)頭朝向,而且提高了無人機(jī)視覺上的統(tǒng)一性(圖7為模型頂視圖,圖8為模型前端展示)。
3.迭代要求:在后期的產(chǎn)品化過程中,可以改進(jìn)的地方在于提高機(jī)架的整體性,在結(jié)構(gòu)上優(yōu)化清潔裝置,微縮電子器件,使無人機(jī)的重心更加穩(wěn)定,同時在覆蓋件上可以做更多功能上的特征細(xì)節(jié),對清潔無人機(jī)靈活、高效的特征進(jìn)行強(qiáng)化。
結(jié)語
無人機(jī)作為工作平臺,為解決人們生產(chǎn)生活的問題提供了更多的可能。而本文提到的清潔無人機(jī)設(shè)計是基于無人機(jī)平臺,向工業(yè)無人機(jī)應(yīng)用進(jìn)行的探索。在本次設(shè)計探索中,我們希望彌補(bǔ)小高層建筑外墻及玻璃清潔的研究空缺,減少人工清潔的危險性,部分替代“蜘蛛人”的工作,同時提高清潔效率,減少清潔公司的成本。本文的設(shè)計方案經(jīng)過驗證,是具備清潔高效率的特點(diǎn)。但也存在很多可以改進(jìn)的地方,比如使用系留式無人機(jī)的電源方案解決續(xù)航問題,用自動規(guī)劃路徑代替人工遙控。希望本文作出的敘述能為相關(guān)開發(fā)或設(shè)計人員提供一些思路和參考。.
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