李思圻，李成彬，杨 艳

（中国矿业大学，江苏 徐州221100）

1 引言

随着中国经济高速发展，城市化进程加快，城市基础建设越来越完善，高楼林立。而对于高层建筑外层玻璃幕墙的清洁工作，国内几乎都采用人工清洗，效率较低，并且有过工人坠落的事例，风险较大，所以对应的成本较高。

而随着人工智能产业的兴起，智能机器人越来越多地替代工人进行危险系数高的工作。世界上最早的关于壁面清洗机器人的研究发生在日本，1966年大阪府立大学工学院讲师西亮设计了一种利用风扇产生的负压而吸附在幕墙上的理想移动机器人[2]，随之国内外许多研究者开启了对壁面清洗机器人的开发。

然而壁面清洗机器人关节冗多，结构复杂，且受建筑外壁凹凸形状影响和可吸附性影响十分大，如常用的吸盘负压式壁面移动机器人，在大理石外壁上就会因外壁粗糙度过大而无法工作。因此设计了一种基于多旋翼无人机平台的清洗机器人，旋翼式无人机相比爬壁式机器人有无视壁面形状、移动速度快、清洗效率高等优点。

2 国内外研究现状

当下的主流思路是利用壁面移动机器人为载体，壁面清洗机器人是壁面移动机器人的一个分支[1]，由于玻璃壁面的非磁性，壁面移动机器人大多采用某种负压装置产生吸附效果，采用车轮、履带和脚步机构作为运动模块[3]。

中国的壁面清洗机器人起步时间较晚，但是发展速度很快。上海交通大学目前在这一领域处于全国领跑位置，很多研究所都已初步推出具有独特创新角度的机器人模型。甚至很多公司注意到壁面清洗机器人的巨大潜力，也很早开始了自己的技术开发，并取得了一些成果，例如近拉脱维亚的Aerones 公司设计制造了一款可以清洗高层建筑外墙的无人清洗机，其清洗工作的效率比传统方式快20 倍，而且更加安全。

3 整体结构设计

本文所研究的壁面清洗机器人创新性地采用了多旋翼无人机平台替代传统的以壁面移动机器人为载体，克服了传统壁面移动机器人对壁面形状和粗糙度的要求有过多限制的弊端，不需要吸附装置，且旋翼式无人机简单直接的移动为清洗路线的规划提供了更多的可能性。

3.1 安全防撞装置

由于无人机飞行的不稳定性，实际上紧贴墙壁飞行对于常用的飞行控制芯片是十分危险的，因此对无人机进行安全防撞装置的设计是十分必要的，本文采用机械和电控双重安全保护系统。在机械方面，利用3k 碳纤维管的轻质量与高强度的特性，加工出一个六方形的框架，并与无人机的中心板和脚架连接在一起，一方面起到了机械防撞的作用；另一方面扩展了云台，提供了更多的挂载面积，可以扩展更多的固件。在电控方面采用RB URF02 超声波测距传感器，通过PWM 控制线并联在飞控的辅助通道，在飞控中编写Bool函数，在飞行器电机距离障碍物过近时，会启动飞行器的俯仰位姿调整，保持向后移动，在安全距离外则恢复水平姿态。

3.2 提升力的计算

基于无人机平台的壁面清洗机器人出于提升力的要求，采用六电机、轴距850 的六旋翼式无人机，一轴一电机布置。无人机平台自重W1=2.5 kg，要求挂载W2=0.8 kg 的液箱、管道和喷洒喷头等清洗用工具，一次工作需要V3=3 L 清洁液，清洁液密度取各品牌平均密度ρ=1.1 kg/L，因此清洗液满载质量W3=ρ×V3=3.3 kg。

所以要求六旋翼无人机的提升力G0=W1+W2+W3=2.5 kg+0.8 kg+3.3 kg=6.6 kg。取安全系数S=1.8，则实际提升力G要求为：G=G0×S=6.6 kg×1.8=11.88 kg。对每一单独电机提升力要求为：T≥G0/n=11.88 kg/6=1980 gf，其中n为电机数，n=6。

电机选用电压控制伺服电机，忽略转速与输入电压的非线性误差，根据提升力要求，选用X2820 系列800 kV 电动机，基本参数如表1 所示。

选用XT60+60A 电机调速器、1255 正反桨和4S 电池，即持续供电电压为14.8 V。此时单电机提升力T=2240 gf，满足T≥1980 gf，所以提升力计算结论如表2 所示。

表1 X2820 系列电动机推力参数

表2 提升力计算结论

3.3 定位精度

传统的GPS 定位传感器，如M8NGPS，根据经纬度进行定位，只能精确到小数点后5 位数，即其定位精度是米级的，在完全定点的情况下甚至会在直径0.5 m 大小的四方形内来回摆动，航模爱好者们通常采用定高飞行模式或留待飞行模式自己操控，而很少信任一般质量的GPS 模块。

但是当飞行器自己执行飞行计划时，需要厘米级别定位精度，甚至DJI 公司在MAVIC 系列之后已经达到毫米级别定位。因此，升级GPS 固件模块为HERE+RTK 定位导航系统，HERE+是世界上第一款针对开源无人机而设计的实时差分定位导航系统，在13 颗卫星的定位信号即可达到经纬度小数点后7 位的定位精度，十分惊人。搭配Ardupilot 团队的开源飞控Pixhawks 2.4.8，即可满足壁面清洗机器人工作期间的定位要求。

3.4 续航时间

非工业无人机目前的续航时间普遍低于22 min，平均在15 min 左右，这对于一次清洗工作是较为紧促的，这也是无人机工作相比机器人工作的主要劣势。

如果不采用航模电池，而采用较为专业的工业无人机电池，续航时间可以超过20 min，配合上飞行器的高工作效率，可以满足工作需求。

3.5 清洗装置

基于多旋翼无人机平台的壁面清洗机器人采用植保无人机用高压喷头[4]，喷头通过Pixhawk 飞控的辅助通道控制，在参数树中选取parachute 舵机功能对应该辅助通道，即可实现简单操控喷头的开关。

由于拖曳输液管道会影响无人机的水平仪、气压计等传感器工作，十分容易导致无人机横滚角度过大而发生坠机事件，所以采用携带清洗液箱一起飞行的方案。清洗液的重心应当与无人机的重心处于一条竖直线上，否则扩大液体惯性对飞机水平位姿的影响，导致其在启动和制动动作期间相当不稳定。

4 实验测试

4.1 定位测试

利用850 六旋翼无人机平台，搭载HERE+RTK 定位模块进行实际飞行测试。首先在空旷的草地上搜索卫星，搜索15 颗后定位Home 点，随后制定自动飞行计划，在三个坐标任务点之间进行起飞、巡航、高度调整与降落等基础任务。Missionplanner 飞行计划规划如图1 所示。

图1 Missionplanner 飞行计划规划

经过实验，该六旋翼十分精准地完成了所有巡检任务，定位误差不超过2 cm。

4.2 避障测试

在六旋翼无人机上装上螺旋桨保护叶，Pixhawk 飞控扩展与RB URF02 超声波测距传感器接口，Bool 函数的开启距离设置为10 cm[5]。通过飞行员的遥控，使装载RB URF02超声波测距传感器的一面缓慢地靠近水泥墙壁。

通过测试发现，当飞行器桨叶前段与建筑物距离15 cm左右，飞行器有明显的滞留并后退的动作，飞行动作与气流未受影响，与墙面始终保持安全距离。

5 结论

本文设计出了一种基于多旋翼无人机平台的壁面清洗机器人，克服了传动壁面移动机器人受限于壁面形状与粗糙度的弊端，通过提升力计算对电动机、电调、轴距、电池和螺旋桨进行了选型和校核。用碳纤维保护架+超声波测距传感器双重安全保护的方法，实现了对障碍物的规避，解决了无人机飞行过程的碰撞安全问题。采用HERE+RTK 开源差分GPS 定位系统，将无人机的定位精度精确到厘米级别。结构简单，成本较低，安全系数高，工作效率高，易于保养与维修。最后，通过实验机的场地实验，对无人机的定位精确度和避障功能进行了测试，皆满足工作要求，可以实现对高层建筑外墙壁的清洗，达到了预期的目的。