一種基于四旋翼飛行器的高層樓宇外墻清潔裝置

賀良國 蘇宇濤 尹正浩 王向陽 王天琪 宋弘陽

摘 要：隨著城市中高層建筑物越來越多，對于其玻璃外墻的清潔保養成為了一個亟須解決的問題，目前現有的人工清理方法卻存在著危險系數高等諸多弊端，為保證高層樓宇玻璃外壁清潔和避免高空作業時操作人員發生危險，是本項目確立下來的核心目的。為此，擬計劃在無人機便捷、遠程遙控和足夠飛行高度的功能下，在底部安裝穩定、自由度高且具有足夠清潔能力的清潔裝置。清潔裝置兼具伸縮臂、滾動清潔頭、遠程自主操控高壓噴頭等，保證了飛行過程中的靈活，提供所需要的清潔裝置。

關鍵詞：玻璃清潔;四旋翼無人機;建筑外墻

一、背景

（一）設計背景

目前，無人機產業發展迅速，已運用到航拍、軍事、農業、物流等多種領域，且具備空中作業能力的無人飛行器極大地拓展了無人飛行器可完成的任務類型，在復雜環境下危險品的拾取與清理、探測設備的布放和回收、高空設備檢測與裝配以及空中目標的捕獲等方面有著廣泛的運用前景[1]。另外，我們了解到，如今的高層樓宇外壁的清潔方法主要運用的有兩種——人工高空懸吊清洗以及爬墻機器人清洗。前者主要問題在于存在一定的危險性，并且需要耗費大量的勞動力來完成，而后者又存在著機動性和靈活性上的欠缺，整體裝置較為笨重（如圖），清洗工作的效率存在著較大的欠缺。為此，我們使用無人機這樣一個擁有較強搭載能力而且便捷靈活的裝置來實現對高層樓宇外壁的清潔，既能省下許多人力，又能在高空不受限制地自由移動，能夠大大提高作業的效率并減少工程量。

（二）空中作業無人機發展現狀

近年來，隨著無人機技術的不斷發展，無人機的應用領域已從最初的軍事偵察、航拍逐漸發展向民用的各個方面，例如運輸、灌溉、檢測、巡查等。2013年時，美國一家名為Matternet的新興公司就已在海地、巴布新幾內亞、不丹等發展中國家測試了其無人機網絡，其公司生產的商業無人機可適用于各種天氣情況，充一次電便可攜帶一個2.2磅的物品飛行12英里以上。亞馬遜、谷歌等國外巨頭公司也在此后加入了無人機送貨的測試行列。就國內而言，順豐、京東等大型物流公司也已在著手研發無人機快遞業務。

2013年，美國賓夕法尼亞大學的工程師研發出一種新型無人機，它不僅能在高空飛行而且能像鷹一樣完成抓取動作，自此打開了帶臂無人機的大門。

隨后，首爾大學、那不勒斯大學等眾多國外名校都不斷更新著帶臂無人機的功能，使其能夠做到除抓取物體外的許多工作。在我國，目前對于空中可操作無人機的研究尚不是很多。2019年，中科大沈陽自動化研究所自主研發出一款六旋翼無人機用于摩天大樓的檢查，該無人機一側配備一個垂直旋轉的機械臂，末端有一方形壓力傳感器陣列，無人機通過機械臂壓在每個窗格上，檢查是否有異常，從而檢測玻璃與建筑物的連接強度。

（三）樓體清潔機器人發展現狀

目前國內的樓體清潔大多使用爬墻機器人配合設定好的軌道進行清潔。歷圖機器人公司研發的外墻清潔機器人通過吊裝、線路規劃使機器人自動地上下清洗玻璃墻面。而借助于無人機進行墻面清理的機器尚未得到研發，其運動靈活、不受限制的優點尚未得到應用，目前此技術在國內及國外市場仍是一塊空缺。

二、產品設計方案

（一）清潔模式

具體清潔過程如下圖所示，無人機通過預設好的路線分次進行工作。

（二）系統搭建

（1）無人機部分。近年來，國內外無人機行業發展極快，優秀的無人機品牌不斷增多，如大疆DJI、派諾特Parrot、華科爾Walkera等。通過對性能及價格的比較，我們選用了APM的飛控及大疆F450的框架進行搭建。具體搭建系統如下：

搭建后的無人機經載重測試，可載重量達到2kg左右，可在2-3級風中平穩運行，續航時間大約為7—8分鐘。

（2）工作流程。無人機通過GPS模塊進行定位，在預設位置定點，通過飛控確定高度，保證其在工作時不受外界氣流等因素的干擾。在情節裝置前端加裝測距模塊，確保毛刷能夠充分接觸到玻璃表面而同時不使機身與壁面發生接觸。無人機自動定位到軌跡的起點后沿軌跡自上而下地進行第一步清洗，隨后離開墻面，上升到起點進行第二步清洗，在完成所有步驟后自動返回地面。

（三）路徑規劃及自動循跡

在起飛前，先根據建筑物外墻的結構特點對路徑進行規劃，隨后編寫Arduino程序使飛機能達到以下功能：自動起飛至軌跡起點、沿軌跡運動、自動清洗。Arduino單片機相當于一個虛擬的遙控器，單片機的四個通道與飛控連接，通過對應輸出的pwm值的加減，對應控制著副翼、升降、油門和方向四個通道，進而控制飛行器的左右、前后、高度和飛機朝向。[2]Arduino與飛行器的四個舵機、飛控、前端毛刷電機及測距模塊相連。飛控和前端測距模塊以輸入形式與Arduino板相連，將所讀取的高度值以及與墻壁的距離進行實時反饋，達成一個閉環控制的效果。

（四）清潔裝置

（1）整體構成。清潔裝置考慮到其需要達到的效果以及盡可能輕便，整個結構由一個尼龍毛刷、兩根輸水軟管、水泵、噴頭、一個分層的ABS水箱以及一個帶動尼龍毛刷轉動的電機組成。（2）硬件選擇。毛刷選擇不易磨損吸水的尼龍刷，材質柔軟，高密度擦灰除塵，連桿與滾子均用碳纖維材料，重量輕，強度高;水箱中的水通過水管輸送到末端滾子處，通過噴霧裝置潤濕滾子攜帶的超細纖維織品，以保證裝置具有較高的清潔度。同時，四軸飛行器的旋翼產生渦流，也有助于清理積灰。整體裝置的一體性好，具備良好的自動性，具備良好的灰塵剔除能力。水泵考慮到體積及重量因素，采用微型高壓隔膜泵。用3D打印技術制出的水箱能同時存放清潔液和清水。考慮到整個無人機平衡的因素，將水箱裝置于無人機偏后部（以毛刷方向為前方）。

三、結語

無人機作為一個正在蓬勃發展的新型技術，其可開發的價值必將越來越多，也將在更多的方面方便人們的生活。本次研究只是一次嘗試性的探索，抱著能以無人機來降低“蜘蛛人”們的工作危險性的希望。其提高了對外墻清潔的效率，節省了人力物力，相較于爬墻機器人，其軌跡規劃的自由性又更高。但也存在著些許不足，例如由于載重量的限制，每次起飛時攜帶的清潔液與清水量受到極大的限制，導致整個系統的續航能力大打折扣，希望在之后的迭代中能得以解決。

參考文獻：

[1]張勇.一種具備空中作業能力的四旋翼飛行器系統設計.東南大學，2017.

[2]陳叢浩，張正中.Arduino的應用及發展前景[J].輕工科技，2018.34（05）：77-78.

項目：項目基金來源為“合肥工業大學2019年校級大學生創新創業訓練項目計劃資助（項目編號X201910359020）”