清潔裝置自動化控制系統的研究與實現

黃俊生

（凌度（廣東）智能科技發展有限公司，廣州 510000）

0 引言

隨著城市化進程的不斷加速，高層建筑在城市景觀中占據重要地位。然而，高樓幕墻的清潔一直是一個具有挑戰性的問題。傳統的清潔方法通常依賴于危險的高空作業，效率低下且存在安全隱患。因此，開發高效、安全且環保的高空清潔技術對于維護城市建筑的外觀、衛生和可持續性至關重要。盡管一些傳統的清潔方法存在，但它們在提高效率、保障安全以及環保方面仍存在不足。為了填補這一技術空白，本研究的動機和目的是開發一種先進的高空清潔裝置和自動化控制系統，利用機器視覺技術，使清潔裝置具備自主感知和智能路徑規劃的能力，從而顯著提高清潔效率和安全性[1]。此外，還致力于設計污水回收系統，以解決污水排放和環境污染問題。通過這些創新方法，旨在滿足現代城市建筑清潔的需求，提高清潔效率，同時改善城市環境衛生，實現可持續性發展。

1 機器視覺概述及其在清潔裝置中的作用

1.1 機器視覺技術的概述

機器視覺，作為一種現代計算機視覺領域的技術，利用計算機算法和攝像頭等傳感器來模擬和改善人類視覺。其原理與基本概念包括圖像采集、圖像處理、特征提取、目標檢測和分類等關鍵要素[2]。

1.2 機器視覺概述及其在清潔裝置中的作用

1.2.1 自主感知與環境理解

機器視覺使清潔裝置具備自主感知和環境理解的能力。通過分析實時圖像，清潔裝置能夠了解其周圍環境，包括建筑物外墻的結構、高度、材料和污垢分布等。這種環境理解有助于清潔裝置做出智能決策，選擇最佳的清潔路徑和方法。

1.2.2 路徑規劃與目標檢測

機器視覺技術還用于路徑規劃和目標檢測。清潔裝置需要確定最有效的清潔路徑，以確保整個清潔過程高效完成。機器視覺可以檢測到窗戶、墻壁和其他目標物體的位置，從而幫助清潔裝置規劃避開障礙物的路徑。同時，它可以監測清潔進度，確保每個區域都得到適當的清潔。

2 自動化控制系統的設計與架構

本文提供了清潔裝置自動化控制系統構造的機器人，其可以實現以下功能：吸附功能、移動功能、清洗功能，對墻面污水及墻面上方的霧化污水進行快速抽吸和分離回收，極大地提高清潔效率，其結構如圖1 所示。

圖1 機器人結構圖

2.1 系統設計原則

2.1.1 功能需求分析

在設計自動化控制系統之前，首先需要進行詳細的功能需求分析。針對高空幕墻清潔機器人，功能需求可能包括清潔路徑規劃、障礙物檢測與回避、清潔效率優化等。通過充分了解系統應該完成的任務，可以為后續的設計提供明確的目標[3]。

2.1.2 系統可行性評估

在確定功能需求后，需要進行系統可行性評估。這包括技術可行性、成本可行性和安全可行性等方面的考慮。例如，需要評估可用的傳感器技術、控制器性能和清潔裝置的成本效益。同時，也要確保系統設計能夠滿足安全標準，以防止潛在的風險。

2.2 控制系統硬件與傳感器

2.2.1 傳感器選擇與布局

自動化清潔裝置的性能依賴于傳感器的選擇和布局。合適的傳感器可以提供關鍵的實時數據，例如高度、距離、位置和環境條件等。常見的傳感器包括激光測距儀、攝像頭、慣性測量單元（IMU）等。傳感器的布局應該覆蓋整個清潔裝置，以確保全方位的環境感知。

2.2.2 控制器與執行器

控制系統的核心是控制器和執行器?？刂破髫撠熖幚韨鞲衅鲾祿绦邢鄳目刂扑惴?。執行器是清潔裝置的機械部件，例如電機、液壓缸等，用于執行清潔任務?？刂破骱蛨绦衅髦g需要高效的通信和協調，以確保清潔裝置按照預定的路徑和操作完成任務[4]。

2.3 控制系統軟件

2.3.1 實時操作系統的選擇

為了確保清潔裝置的實時性和穩定性，需要選擇合適的實時操作系統（RTOS）。RTOS 能夠確保任務按時完成，對于高空幕墻清潔機器人的安全和性能至關重要。

2.3.2 控制算法與路徑規劃

控制系統的軟件包括控制算法和路徑規劃算法?？刂扑惴ㄘ撠煾鶕鞲衅鲾祿{整執行器的操作，以保持清潔裝置在執行任務時的穩定性。路徑規劃算法用于確定最佳的清潔路徑，考慮到建筑物結構和障礙物位置，以提高清潔效率[5]。

通過以上的系統設計原則和控制系統硬件、軟件的考慮，可以建立一個高效、穩定且滿足功能需求的自動化控制系統，為高空幕墻清潔裝置的設計與操作提供強大的支持。這些關鍵因素的合理考慮將有助于確保系統的性能和安全。

3 實驗分析

3.1 實驗設備及環境

本研究進行了一系列實驗，旨在驗證高空清潔裝置及其自動化控制系統的性能。實驗所用平臺包括一個模擬高層建筑幕墻結構，以及自行研發的清潔裝置和控制系統。

實驗環境考慮到了模擬不同氣象條件的需要，其中包括高風速、低溫等極端氣象條件。這些實驗環境的模擬有助于評估清潔裝置在各種不同氣象條件下的穩定性和性能[6]。

3.2 實驗過程分析

3.2.1 負載能力模擬實驗

清潔裝置自動化控制系統構造的機器人在高空玻璃壁面上工作時，需要攜帶電線、真空管等設備，這就要求爬壁機器人要具有一定的攜帶負載的能力。根據設計指標，爬壁機器人一般能夠攜帶重量為15kg 負載，下面對爬壁機器人的負載能力進行試驗[7]。

如圖2 所示，選擇金屬杠鈴片作為負載，每片杠鈴片重1.25kg，爬壁機器人位姿設置為極限工況條件，即內框架上真空吸盤組處于吸附在壁面狀態，外框架上真空吸盤組處于脫離壁面狀態，并且外框架豎直向上運動到極限位置。將杠鈴片掛在機器人本體上且依次增加杠鈴片數量，觀察真空吸盤組是否發生傾覆或打滑，并記錄實驗數據，當機器人發生傾覆或打滑時，立即停止實驗。

圖2 清潔裝置自動化控制機器人負載實驗

清潔裝置自動化控制機器人不同負載重量下的失效情況如表1 所示。

表1 不同負載機器人吸附情況

根據表1 可知，清潔裝置自動化控制機器人在負載17.5kg 時出現了打滑現象，沒有出現傾覆現象，本文設計的清洗機器人要求負載不高于15kg，因此符合技術要求。

3.2.2 運動性能實驗

運動性能是衡量一款清潔裝置自動化控制機器人設計的成功與否的重要指標，因此，在制作完清潔裝置自動化控制機器人的樣機后，需要對其運動性能如移動速度、移動步距、吸附穩定性等進行一系列的實驗[8]。

由于本文設計的清潔裝置自動化控制機器人尺寸較大，所需實驗空間也較大，因此選擇實驗室的鋼板壁面進行運動性能實驗。為了防止清洗機器人在實驗時發生意外墜落，使用防墜器對機器人采取保護措施，設計的清潔裝置自動化控制機器人移動方式，分別對機器人豎直方向、水平方向以及斜向運動進行實驗，運動過程如圖3 所示。

圖3 清潔裝置自動化控制機器人運動步態

經過采集多次實驗所得數據，得到清潔裝置自動化控制機器人各方面性能如表2 所示。

表2 清潔裝置自動化控制機器人各項性能

通過多次實驗可以發現，清潔裝置自動化控制機器人在豎直壁面能夠順利實現各方向的運動，移動速度與移動步距達到設計要求，內、外框架交替時穩定性較好[9]。

3.2.3 壁面適應能力實驗

清潔裝置自動化控制機器人不僅僅是在高空玻璃清洗行業內具有較高的需求，在其他行業中也擁有廣闊的前景，如高空檢測作業、墻面滾涂作業等。本文設計的高空玻璃幕墻清洗機器人利用多個真空吸盤組將機器人本體吸附在壁面上，并且能夠在多種不同材料壁面上進行移動，如玻璃壁面、水泥壁面、鋼板壁面、不銹鋼門壁面等。對清洗機器人壁面適應能力進行實驗，對于拓展清洗機器人的工作環境以及實現不同的功能具有重要意義[10]。

如圖4 將清潔裝置自動化控制機器人分別在玻璃壁面、水泥壁面、鋼板壁面以及不銹鋼門壁面進行移動，實驗結果表明，爬壁機器人在這4 種不同材料的壁面同樣具有良好的適應性。

圖4 清潔裝置自動化控制機器人壁面適應性實驗

本文設計的清潔裝置自動化控制機器人需要具備能夠越過最大高度為30mm 左右的障礙的能力，在進行實驗環境設計時，選擇一段截面為正方形的鋁型材，測量其高度為30.64mm，并將其固定在玻璃壁面上，如圖5 為爬壁機器人的越障實驗。

圖5 爬壁機器人越障實驗

根據越障實驗可知，本文設計的爬壁機器人能夠剛好順利越過設置好的障礙，符合爬壁機器人的技術要求。

3.2.4 氣象條件模擬實驗

氣象條件模擬：模擬了多種氣象條件，包括：

高風速條件：增加了風速，模擬高樓層上的強風環境，以測試清潔裝置在這種條件下的穩定性。風速范圍從20m/s 到35m/s。

低溫條件：降低溫度，模擬極寒環境，以驗證清潔裝置在低溫下的可靠性。溫度范圍從-10°C 到-30°C。

清潔裝置啟動：啟動了清潔裝置，并設置了不同的清潔程序，包括清潔速度和清潔效率的調整。清潔裝置使用了清潔劑以模擬真實清潔過程。

運行監控：通過自動化控制系統對清潔裝置的運行進行了持續監控。自動化控制系統負責監測并調整清潔裝置的運行參數，以應對不同的氣象條件。

3.3 實驗結果與性能評估

下面是記錄的一些實驗數據：

風速和溫度：在高風速條件下，風速范圍從20m/s 到35m/s，溫度范圍在-10°C 到-30°C 之間。

清潔效率：清潔效率在不同實驗中保持在85%以上，即使在極端氣象條件下也沒有明顯下降。

清潔速度：清潔速度在各種氣象條件下都在2-3 平方米/分鐘之間，符合清潔的要求。

清潔劑消耗：記錄了清潔劑的消耗情況，以評估清潔過程的經濟性。

自動化控制系統響應時間：自動化控制系統能夠在數秒內響應氣象條件的變化，及時進行參數調整。

這些數據的詳細分析和圖表記錄已被整理在實驗報告中，以供進一步的性能評估和未來研究使用。這些結果表明，高空清潔裝置和自動化控制系統在各種氣象條件下表現出卓越的性能和可靠性。

總的來說，實驗結果表明，高空清潔裝置及其自動化控制系統在模擬的不同氣象條件下都表現出出色的性能，這為其在實際應用中提供了可靠性和穩定性的保證。這項研究為清潔高層建筑幕墻提供了可行的解決方案，有望在未來的建筑維護中發揮重要作用。

4 結束語

本研究致力于解決高空清潔領域存在的挑戰，旨在開發一種高效、安全、環保的高空清潔裝置和自動化控制系統。通過機器視覺技術的應用，清潔裝置具備了自主感知和智能路徑規劃的能力，從而顯著提高了清潔效率。同時，污水回收系統的設計有助于減少污水排放，降低了對環境的影響。本研究的成果不僅在高層建筑清潔領域具有重要的實際應用意義，還為城市建筑清潔的可持續性發展提供了新的思路和方法?？偨Y而言，通過技術創新和綜合應用，研究在高空清潔裝置和自動化控制系統的設計與實現方面取得了顯著進展。這些成果為提高清潔效率、保障操作人員安全、改善城市環境衛生以及推動城市建筑清潔領域的可持續發展做出了重要貢獻。未來，將繼續努力，進一步優化和拓展這一技術體系，以適應不斷發展的城市化趨勢和清潔需求。