基于STM32 的高空智能擦玻璃機器人的設計

馮 亮 徐健鑫 常鳳筠*

（遼寧科技大學電子與信息工程學院，遼寧 鞍山114000）

1 概述

快速的經濟發展促使許多中小城市乃至鄉村出現了許多高樓，然而城市化的同時也帶來了許多問題，因為玻璃采光性好、保溫防潮、美觀廉價等性能，高層建筑大部分采用玻璃做落地窗結構，為了保證建筑面部的整潔美麗，需要定期對建筑外圍玻璃進行清潔工作。目前對高層玻璃的清洗方式主要有吊籃式清洗和升降臺式清洗，人員坐在吊籃中對玻璃直接進行清洗是比較簡單直接的方式，但危險系數太高；相對于吊籃式清洗方式，升降臺式的清洗方式更加安全，但是前期投入太高，并且及其不靈活，擦洗的高度也受到限制。比較急切需要一種能代替人工具有靈活性，投入成本低的智能機器人來完成清洗工作，也就是本文的研究對象——基于STM32 的高空智能擦玻璃機器人可以勝任這項工作。

2 機器人的設計探究

該機器人由STM32F103 擔任CPU 控制機器人的相關部分。其通過一個無刷電機帶動渦輪離心真空扇為機器提供一個能“吸”在玻璃上的真空吸力，由底盤四個角的觸發限位檢測機器是否完全“貼”在玻璃上。機器貼在玻璃上時，觸發信號會返回到STM32 芯片，收到信號后CPU 控制底盤兩個電機進行運動從而進行擦玻璃操作。在它運動的同時還可以通過遙控器對其進行控制。其系統原理圖如圖1。

圖1 智能擦玻璃機器人系統原理圖

2.1 機械結構的設計

由于機器人利用負壓式吸附方式吸附在玻璃上，所以對機器人的質量有較高的要求，為減輕機器的整體重量，本機器的主要材料選擇使用密度較低的碳板，以便于機器可以更好的吸附在玻璃上。機器腔體為密封結構，利用固定在無刷電機上的離心風扇產生吸附力，為了機器在玻璃上有足夠的摩擦力提供給機器移動，驅動方式選擇采用履帶進行驅動，驅動電機選取帶有編碼器的直流減速電機，為機器提供更穩定、準確的定位。清潔模塊采用高密度纖維布（利用魔術貼粘在機器底部），同時優化工藝氣密性更加優質，機器人底盤的Soliworks 結構圖如圖2。

圖2 智能擦玻璃機器人結構

擦玻璃機器人在工作時只有兩個要求：①機器不能掉落，防止發聲安全事故；②履帶輪不打滑，確保機器正常運動。這就對機器人的離心風扇控制有了要求，為了保證使機器人在不掉落的同時，履帶輪也可以驅動機器進行擦玻璃操作，需要對機器的吸附力進行閉環檢測——在機器的四個角上分別有一個高度限位開關，四個限位為“與”的關系，只有限位全部觸發機器才會運動，這就保證了機器在運動的途中不會掉落。為了安全起見，在實際設計時還在外殼處綁有安全繩，機器工作時安全繩固定在室內某處，在機器故障掉落時可以保證機器不會從高處掉落造成不良后果。

2.2 代碼實現探究

擦玻璃機器人是由意法半導體ST 官方推出的ARM Cortex-3 內核STM32f103c8t6 作控制中心設計制作，該芯片最高工作頻率可達72MHZ，支持定時器、UART、ADC、DAC、等外設，3.3V 供電，完全滿足擦玻璃機器人的需求。

圖3 PID 控制流程圖

如圖3（PID 控制流程圖）可得，PID 算法由比例調節、積分調節、微分調節構成，在系統接到輸出反饋時，將經過比例、積分、微分三種運算把實際值與理論值的誤差彌補回來，進而縮小機器運行過程的誤差。在擦玻璃機器人正常工作時，由于玻璃的尺寸有限需要對底盤電機進行精確控制，以防機器人失步造成機器掉落。在底盤直流減速電機運動時通過安裝在電機上的霍爾編碼器獲取電機的已走脈沖，將數值反饋回單片機，單片機經過PID 算法，對誤差進行“多退少補”實現機器人底盤閉環。

除此之外，在控制底盤時使用了PWM，通過調節高電平占空比來實現對擦玻璃機器人的行走速度控制，且可以通過紅外遙控器進行控制。

3 結論

隨著城市經濟的不斷發展，公寓、大廈、寫字樓拔地而起，然而玻璃的清潔工作也是城市環境的硬性要求，但是近年來人們擦玻璃的次數卻急劇減少，總結原因有亮點：其一高層建筑玻璃多為封閉式的落地窗，人為擦拭風險過大；其二高樓主要結構由玻璃構成，如果人工清理工作量過大，而且費用高，效率低，進度慢。擦玻璃機器人的興起將改變這一現狀，作為高樓擦玻璃工作者的替代品，無疑更加吸引人，使城市更加的智能化。隨著科技的不斷跟新進步，擦玻璃機器人將會有更大的發展空間和潛力。