高空清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陸曉敏，吳浩真，韓可炯，秦家晨

（東南大學(xué)成賢學(xué)院電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，江蘇南京，210088）

高空清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陸曉敏，吳浩真，韓可炯，秦家晨

（東南大學(xué)成賢學(xué)院電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，江蘇南京，210088）

在高層建筑中，外壁玻璃上會(huì)有許多的粉塵和其他污物，用我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人來(lái)代替人進(jìn)行高空作業(yè)。本文設(shè)計(jì)了一種基于MSP430f149的智能清潔機(jī)器人系統(tǒng), 介紹了擦窗機(jī)器人設(shè)計(jì)的意義、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市高層建筑成倍的增長(zhǎng)，由于高層外壁的玻璃隨著時(shí)間的積累，外壁玻璃上增加了許多的粉塵和其他污物。至今，有95%城市高樓玻璃外壁采用的是人工清洗完成，它不僅投入大、效率低，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，而且及其危險(xiǎn)。隨著單片機(jī)和機(jī)電技術(shù)的發(fā)展，高空清潔機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。利用高空清潔機(jī)器人作業(yè)將大大降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動(dòng)環(huán)境， 提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，具有相當(dāng)大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人主要有吸附裝置、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、降壓模塊、無(wú)線(xiàn)模塊、電調(diào)、紅外傳感器、電源及單片機(jī)主控模塊等，如圖1所示。

我們利用涵道風(fēng)扇將底部一個(gè)小區(qū)域內(nèi)空氣抽走，該區(qū)域內(nèi)形成類(lèi)似真空狀態(tài)，外界大氣壓將車(chē)體壓在墻上。利用涵道風(fēng)扇吸附，其操作簡(jiǎn)單，只需輸入5%-10%的PWM波占空比就可以驅(qū)動(dòng)，它重量也在可接受范圍內(nèi)，動(dòng)力足，扇葉不會(huì)傷到人。涵道風(fēng)扇穿過(guò)車(chē)體中央，將涵道風(fēng)扇固定在車(chē)體中，填充其縫隙，以保證工作過(guò)程中其區(qū)域更加接近真空狀態(tài)。

高空擦玻璃，主要是要能行走，為了增加摩擦力、不刮擦玻璃，采用橡膠材料的履帶，通過(guò)左右履帶的差速來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自由移動(dòng)。

在機(jī)器人車(chē)體前后左右裝有紅外傳感器，能測(cè)大概十厘米距離。該傳感器本身具有測(cè)量準(zhǔn)確、無(wú)需接觸、防腐蝕、成本低等特點(diǎn)。

圖1 機(jī)器人硬件整體設(shè)計(jì)

我們用的電池是12V的航模電池，需要降壓模塊將12V降到3.3V給單片機(jī)供電；將12V降到7V左右給電機(jī)供電；直接接電調(diào)，將電流升到70A，驅(qū)動(dòng)涵道。

無(wú)線(xiàn)采用NRF24L01 2.4G模塊，功耗低，在以-6dBm 的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有9mA；接收時(shí)，工作電流只有12.3mA，多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式），使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。

清潔裝置配備可拆裝的抹布，放在機(jī)器人底部。此外涵道實(shí)時(shí)抽底部小區(qū)域內(nèi)的空氣，在機(jī)器人行走過(guò)程中，還可以將玻璃表面的灰塵也吸走一部分。

在電池選型時(shí)要考慮其質(zhì)量輕、續(xù)航久等情況。我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)接線(xiàn)口，可用降壓模塊將220V電壓降為12V，為整個(gè)系統(tǒng)供電，可供有條件者使用。

2 軟件部分設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用TI公司生產(chǎn)的MSP430f149單片機(jī)作為控制器。程序設(shè)計(jì)的好壞直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的控制質(zhì)量和控制效率，如圖2為程序流程圖。軟件部分主要有端口配置、定時(shí)器、PWM輸出、無(wú)線(xiàn)、LCD顯示等模塊組成。

系統(tǒng)上電后，初始化各個(gè)模塊，然后進(jìn)入睡眠模式。等待按鍵選擇運(yùn)行模式。

考慮到機(jī)器人自動(dòng)擦玻璃，難免會(huì)有死角部分不能達(dá)到理想情況，我們?cè)O(shè)計(jì)了自動(dòng)控制為主，手動(dòng)控制清理死角處為輔的模式。

自動(dòng)模式：機(jī)器人從玻璃左下角開(kāi)始行走，定時(shí)掃描各傳感器狀態(tài)，檢測(cè)是否到達(dá)玻璃邊沿。若檢測(cè)到，單片機(jī)控制機(jī)器人差速、倒轉(zhuǎn)，向左后方行駛；繼續(xù)檢測(cè)后面玻璃邊沿，然后控制機(jī)器人向正前方走。如此循環(huán)往復(fù)，走出一條“之”字形路徑。

手動(dòng)模式：在遙控器端，設(shè)置了四個(gè)按鍵，分別控制前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，并通過(guò)LCD1602屏幕顯示。通過(guò)NRF24L01將數(shù)據(jù)傳給接收模塊，接收模塊接收后，與單片機(jī)進(jìn)行SPI數(shù)據(jù)通信，傳給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，判斷要執(zhí)行什么操作。

因?yàn)殡姵亟?jīng)常充放電，所以輸給涵道的PWM波占空比不可能一直不變。一般設(shè)計(jì)要滿(mǎn)足在電池電量最低時(shí)還能使整個(gè)裝置吸附在玻璃上，所以PWM波占空比要給足夠大，但是如果剛充滿(mǎn)電，電量充足，會(huì)導(dǎo)致吸附力很大，造成能源浪費(fèi)。所以使用單片機(jī)的ADC對(duì)電池采樣，監(jiān)控電池的電量。調(diào)節(jié)PID，根據(jù)電量的多少來(lái)調(diào)節(jié)PWM波占空比的輸出。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于單片機(jī)控制的高空清潔機(jī)器人。該方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，較市場(chǎng)其他產(chǎn)品而言更為低廉。并且創(chuàng)新在于有自動(dòng)、手動(dòng)兩種模式，可以重點(diǎn)清潔部分難清潔的地方；可以根據(jù)電池的電量自動(dòng)改變吸附力，不會(huì)造成電量的損耗；其還可以接220V家庭用電，不必考慮充電問(wèn)題，設(shè)計(jì)更為貼合實(shí)際情況。

[1]沈建華、楊艷琴.MSP430超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用（第二版）.清華大學(xué)出版社.

[2]華成英.模擬電子技術(shù)基本教程.清華大學(xué)出版社.

Design and Implementation of High Altitude Cleaning Robot

Lu Xiaomin, Wu Haozhen, Han Kejiong, Qin Jiachen
(Southeast University Chengxian College Electronic and Computer Engineering Institute,Nanjing Jiangsu,210088)

ion：In the high-rise building, there will be a lot of dust and other dirt on the glass wall, we design a robot instead of high-altitude operations. This paper designs a kind of intelligent cleaning robot system based on MSP430f149, introduces the design of window robots to clean the meaning of hardware structure design and software design of the system.

Depending on the robot fan device body adsorption on the glass, can automatically complete the path planning, detection window edge distance, automatic cleaning windows. It also can choose manual control mode, through wireless control, custom path, the key to clean the dust, serious dirt place.

glass;high altitude;cleaning;robot;microcontroller

圖2 程序流程圖

機(jī)器人依靠車(chē)體的風(fēng)機(jī)裝置吸附在玻璃上，可以自動(dòng)完成路徑規(guī)劃、探測(cè)窗戶(hù)的邊角距離、自動(dòng)清潔窗戶(hù)。另外也可選擇手動(dòng)控制模式，通過(guò)無(wú)線(xiàn)控制，自定義路徑，重點(diǎn)清潔風(fēng)塵、污物嚴(yán)重的地方。關(guān)鍵字：玻璃；高空；清潔；機(jī)器人；單片機(jī)