贺良国 苏宇涛 尹正浩 王向阳 王天琪 宋弘阳

摘 要：随着城市中高层建筑物越来越多，对于其玻璃外墙的清洁保养成为了一个亟须解决的问题，目前现有的人工清理方法却存在着危险系数高等诸多弊端，为保证高层楼宇玻璃外壁清洁和避免高空作业时操作人员发生危险，是本项目确立下来的核心目的。为此，拟计划在无人机便捷、远程遥控和足够飞行高度的功能下，在底部安装稳定、自由度高且具有足够清洁能力的清洁装置。清洁装置兼具伸缩臂、滚动清洁头、远程自主操控高压喷头等，保证了飞行过程中的灵活，提供所需要的清洁装置。

关键词：玻璃清洁;四旋翼无人机;建筑外墙

一、背景

（一）设计背景

目前，无人机产业发展迅速，已运用到航拍、军事、农业、物流等多种领域，且具备空中作业能力的无人飞行器极大地拓展了无人飞行器可完成的任务类型，在复杂环境下危险品的拾取与清理、探测设备的布放和回收、高空设备检测与装配以及空中目标的捕获等方面有着广泛的运用前景[1]。另外，我们了解到，如今的高层楼宇外壁的清洁方法主要运用的有两种——人工高空悬吊清洗以及爬墙机器人清洗。前者主要问题在于存在一定的危险性，并且需要耗费大量的劳动力来完成，而后者又存在着机动性和灵活性上的欠缺，整体装置较为笨重（如图），清洗工作的效率存在着较大的欠缺。为此，我们使用无人机这样一个拥有较强搭载能力而且便捷灵活的装置来实现对高层楼宇外壁的清洁，既能省下许多人力，又能在高空不受限制地自由移动，能够大大提高作业的效率并减少工程量。

（二）空中作业无人机发展现状

近年来，随着无人机技术的不断发展，无人机的应用领域已从最初的军事侦察、航拍逐渐发展向民用的各个方面，例如运输、灌溉、检测、巡查等。2013年时，美国一家名为Matternet的新兴公司就已在海地、巴布新几内亚、不丹等发展中国家测试了其无人机网络，其公司生产的商业无人机可适用于各种天气情况，充一次电便可携带一个2.2磅的物品飞行12英里以上。亚马逊、谷歌等国外巨头公司也在此后加入了无人机送货的测试行列。就国内而言，顺丰、京东等大型物流公司也已在着手研发无人机快递业务。

2013年，美国宾夕法尼亚大学的工程师研发出一种新型无人机，它不仅能在高空飞行而且能像鹰一样完成抓取动作，自此打开了带臂无人机的大门。

随后，首尔大学、那不勒斯大学等众多国外名校都不断更新着带臂无人机的功能，使其能够做到除抓取物体外的许多工作。在我国，目前对于空中可操作无人机的研究尚不是很多。2019年，中科大沈阳自动化研究所自主研发出一款六旋翼无人机用于摩天大楼的检查，該无人机一侧配备一个垂直旋转的机械臂，末端有一方形压力传感器阵列，无人机通过机械臂压在每个窗格上，检查是否有异常，从而检测玻璃与建筑物的连接强度。

（三）楼体清洁机器人发展现状

目前国内的楼体清洁大多使用爬墙机器人配合设定好的轨道进行清洁。历图机器人公司研发的外墙清洁机器人通过吊装、线路规划使机器人自动地上下清洗玻璃墙面。而借助于无人机进行墙面清理的机器尚未得到研发，其运动灵活、不受限制的优点尚未得到应用，目前此技术在国内及国外市场仍是一块空缺。

二、产品设计方案

（一）清洁模式

具体清洁过程如下图所示，无人机通过预设好的路线分次进行工作。

（二）系统搭建

（1）无人机部分。近年来，国内外无人机行业发展极快，优秀的无人机品牌不断增多，如大疆DJI、派诺特Parrot、华科尔Walkera等。通过对性能及价格的比较，我们选用了APM的飞控及大疆F450的框架进行搭建。具体搭建系统如下：

搭建后的无人机经载重测试，可载重量达到2kg左右，可在2-3级风中平稳运行，续航时间大约为7—8分钟。

（2）工作流程。无人机通过GPS模块进行定位，在预设位置定点，通过飞控确定高度，保证其在工作时不受外界气流等因素的干扰。在情节装置前端加装测距模块，确保毛刷能够充分接触到玻璃表面而同时不使机身与壁面发生接触。无人机自动定位到轨迹的起点后沿轨迹自上而下地进行第一步清洗，随后离开墙面，上升到起点进行第二步清洗，在完成所有步骤后自动返回地面。

（三）路径规划及自动循迹

在起飞前，先根据建筑物外墙的结构特点对路径进行规划，随后编写Arduino程序使飞机能达到以下功能：自动起飞至轨迹起点、沿轨迹运动、自动清洗。Arduino单片机相当于一个虚拟的遥控器，单片机的四个通道与飞控连接，通过对应输出的pwm值的加减，对应控制着副翼、升降、油门和方向四个通道，进而控制飞行器的左右、前后、高度和飞机朝向。[2]Arduino与飞行器的四个舵机、飞控、前端毛刷电机及测距模块相连。飞控和前端测距模块以输入形式与Arduino板相连，将所读取的高度值以及与墙壁的距离进行实时反馈，达成一个闭环控制的效果。

（四）清洁装置

（1）整体构成。清洁装置考虑到其需要达到的效果以及尽可能轻便，整个结构由一个尼龙毛刷、两根输水软管、水泵、喷头、一个分层的ABS水箱以及一个带动尼龙毛刷转动的电机组成。（2）硬件选择。毛刷选择不易磨损吸水的尼龙刷，材质柔软，高密度擦灰除尘，连杆与滚子均用碳纤维材料，重量轻，强度高;水箱中的水通过水管输送到末端滚子处，通过喷雾装置润湿滚子携带的超细纤维织品，以保证装置具有较高的清洁度。同时，四轴飞行器的旋翼产生涡流，也有助于清理积灰。整体装置的一体性好，具备良好的自动性，具备良好的灰尘剔除能力。水泵考虑到体积及重量因素，采用微型高压隔膜泵。用3D打印技术制出的水箱能同时存放清洁液和清水。考虑到整个无人机平衡的因素，将水箱装置于无人机偏后部（以毛刷方向为前方）。

三、结语

无人机作为一个正在蓬勃发展的新型技术，其可开发的价值必将越来越多，也将在更多的方面方便人们的生活。本次研究只是一次尝试性的探索，抱着能以无人机来降低“蜘蛛人”们的工作危险性的希望。其提高了对外墙清洁的效率，节省了人力物力，相较于爬墙机器人，其轨迹规划的自由性又更高。但也存在着些许不足，例如由于载重量的限制，每次起飞时携带的清洁液与清水量受到极大的限制，导致整个系统的续航能力大打折扣，希望在之后的迭代中能得以解决。

参考文献：

[1]张勇.一种具备空中作业能力的四旋翼飞行器系统设计.东南大学，2017.

[2]陈丛浩，张正中.Arduino的应用及发展前景[J].轻工科技，2018.34（05）：77-78.

项目：项目基金来源为“合肥工业大学2019年校级大学生创新创业训练项目计划资助（项目编号X201910359020）”