基于多旋翼無人機平臺的壁面清洗機器人

李思圻，李成彬，楊 艷

（中國礦業大學，江蘇 徐州221100）

1 引言

隨著中國經濟高速發展，城市化進程加快，城市基礎建設越來越完善，高樓林立。而對于高層建筑外層玻璃幕墻的清潔工作，國內幾乎都采用人工清洗，效率較低，并且有過工人墜落的事例，風險較大，所以對應的成本較高。

而隨著人工智能產業的興起，智能機器人越來越多地替代工人進行危險系數高的工作。世界上最早的關于壁面清洗機器人的研究發生在日本，1966年大阪府立大學工學院講師西亮設計了一種利用風扇產生的負壓而吸附在幕墻上的理想移動機器人[2]，隨之國內外許多研究者開啟了對壁面清洗機器人的開發。

然而壁面清洗機器人關節冗多，結構復雜，且受建筑外壁凹凸形狀影響和可吸附性影響十分大，如常用的吸盤負壓式壁面移動機器人，在大理石外壁上就會因外壁粗糙度過大而無法工作。因此設計了一種基于多旋翼無人機平臺的清洗機器人，旋翼式無人機相比爬壁式機器人有無視壁面形狀、移動速度快、清洗效率高等優點。

2 國內外研究現狀

當下的主流思路是利用壁面移動機器人為載體，壁面清洗機器人是壁面移動機器人的一個分支[1]，由于玻璃壁面的非磁性，壁面移動機器人大多采用某種負壓裝置產生吸附效果，采用車輪、履帶和腳步機構作為運動模塊[3]。

中國的壁面清洗機器人起步時間較晚，但是發展速度很快。上海交通大學目前在這一領域處于全國領跑位置，很多研究所都已初步推出具有獨特創新角度的機器人模型。甚至很多公司注意到壁面清洗機器人的巨大潛力，也很早開始了自己的技術開發，并取得了一些成果，例如近拉脫維亞的Aerones 公司設計制造了一款可以清洗高層建筑外墻的無人清洗機，其清洗工作的效率比傳統方式快20 倍，而且更加安全。

3 整體結構設計

本文所研究的壁面清洗機器人創新性地采用了多旋翼無人機平臺替代傳統的以壁面移動機器人為載體，克服了傳統壁面移動機器人對壁面形狀和粗糙度的要求有過多限制的弊端，不需要吸附裝置，且旋翼式無人機簡單直接的移動為清洗路線的規劃提供了更多的可能性。

3.1 安全防撞裝置

由于無人機飛行的不穩定性，實際上緊貼墻壁飛行對于常用的飛行控制芯片是十分危險的，因此對無人機進行安全防撞裝置的設計是十分必要的，本文采用機械和電控雙重安全保護系統。在機械方面，利用3k 碳纖維管的輕質量與高強度的特性，加工出一個六方形的框架，并與無人機的中心板和腳架連接在一起，一方面起到了機械防撞的作用；另一方面擴展了云臺，提供了更多的掛載面積，可以擴展更多的固件。在電控方面采用RB URF02 超聲波測距傳感器，通過PWM 控制線并聯在飛控的輔助通道，在飛控中編寫Bool函數，在飛行器電機距離障礙物過近時，會啟動飛行器的俯仰位姿調整，保持向后移動，在安全距離外則恢復水平姿態。

3.2 提升力的計算

基于無人機平臺的壁面清洗機器人出于提升力的要求，采用六電機、軸距850 的六旋翼式無人機，一軸一電機布置。無人機平臺自重W1=2.5 kg，要求掛載W2=0.8 kg 的液箱、管道和噴灑噴頭等清洗用工具，一次工作需要V3=3 L 清潔液，清潔液密度取各品牌平均密度ρ=1.1 kg/L，因此清洗液滿載質量W3=ρ×V3=3.3 kg。

所以要求六旋翼無人機的提升力G0=W1+W2+W3=2.5 kg+0.8 kg+3.3 kg=6.6 kg。取安全系數S=1.8，則實際提升力G要求為：G=G0×S=6.6 kg×1.8=11.88 kg。對每一單獨電機提升力要求為：T≥G0/n=11.88 kg/6=1980 gf，其中n為電機數，n=6。

電機選用電壓控制伺服電機，忽略轉速與輸入電壓的非線性誤差，根據提升力要求，選用X2820 系列800 kV 電動機，基本參數如表1 所示。

選用XT60+60A 電機調速器、1255 正反槳和4S 電池，即持續供電電壓為14.8 V。此時單電機提升力T=2240 gf，滿足T≥1980 gf，所以提升力計算結論如表2 所示。

表1 X2820 系列電動機推力參數

表2 提升力計算結論

3.3 定位精度

傳統的GPS 定位傳感器，如M8NGPS，根據經緯度進行定位，只能精確到小數點后5 位數，即其定位精度是米級的，在完全定點的情況下甚至會在直徑0.5 m 大小的四方形內來回擺動，航模愛好者們通常采用定高飛行模式或留待飛行模式自己操控，而很少信任一般質量的GPS 模塊。

但是當飛行器自己執行飛行計劃時，需要厘米級別定位精度，甚至DJI 公司在MAVIC 系列之后已經達到毫米級別定位。因此，升級GPS 固件模塊為HERE+RTK 定位導航系統，HERE+是世界上第一款針對開源無人機而設計的實時差分定位導航系統，在13 顆衛星的定位信號即可達到經緯度小數點后7 位的定位精度，十分驚人。搭配Ardupilot 團隊的開源飛控Pixhawks 2.4.8，即可滿足壁面清洗機器人工作期間的定位要求。

3.4 續航時間

非工業無人機目前的續航時間普遍低于22 min，平均在15 min 左右，這對于一次清洗工作是較為緊促的，這也是無人機工作相比機器人工作的主要劣勢。

如果不采用航模電池，而采用較為專業的工業無人機電池，續航時間可以超過20 min，配合上飛行器的高工作效率，可以滿足工作需求。

3.5 清洗裝置

基于多旋翼無人機平臺的壁面清洗機器人采用植保無人機用高壓噴頭[4]，噴頭通過Pixhawk 飛控的輔助通道控制，在參數樹中選取parachute 舵機功能對應該輔助通道，即可實現簡單操控噴頭的開關。

由于拖曳輸液管道會影響無人機的水平儀、氣壓計等傳感器工作，十分容易導致無人機橫滾角度過大而發生墜機事件，所以采用攜帶清洗液箱一起飛行的方案。清洗液的重心應當與無人機的重心處于一條豎直線上，否則擴大液體慣性對飛機水平位姿的影響，導致其在啟動和制動動作期間相當不穩定。

4 實驗測試

4.1 定位測試

利用850 六旋翼無人機平臺，搭載HERE+RTK 定位模塊進行實際飛行測試。首先在空曠的草地上搜索衛星，搜索15 顆后定位Home 點，隨后制定自動飛行計劃，在三個坐標任務點之間進行起飛、巡航、高度調整與降落等基礎任務。Missionplanner 飛行計劃規劃如圖1 所示。

圖1 Missionplanner 飛行計劃規劃

經過實驗，該六旋翼十分精準地完成了所有巡檢任務，定位誤差不超過2 cm。

4.2 避障測試

在六旋翼無人機上裝上螺旋槳保護葉，Pixhawk 飛控擴展與RB URF02 超聲波測距傳感器接口，Bool 函數的開啟距離設置為10 cm[5]。通過飛行員的遙控，使裝載RB URF02超聲波測距傳感器的一面緩慢地靠近水泥墻壁。

通過測試發現，當飛行器槳葉前段與建筑物距離15 cm左右，飛行器有明顯的滯留并后退的動作，飛行動作與氣流未受影響，與墻面始終保持安全距離。

5 結論

本文設計出了一種基于多旋翼無人機平臺的壁面清洗機器人，克服了傳動壁面移動機器人受限于壁面形狀與粗糙度的弊端，通過提升力計算對電動機、電調、軸距、電池和螺旋槳進行了選型和校核。用碳纖維保護架+超聲波測距傳感器雙重安全保護的方法，實現了對障礙物的規避，解決了無人機飛行過程的碰撞安全問題。采用HERE+RTK 開源差分GPS 定位系統，將無人機的定位精度精確到厘米級別。結構簡單，成本較低，安全系數高，工作效率高，易于保養與維修。最后，通過實驗機的場地實驗，對無人機的定位精確度和避障功能進行了測試，皆滿足工作要求，可以實現對高層建筑外墻壁的清洗，達到了預期的目的。