小高层建筑外墙及玻璃清洁无机设计与验证

邓琳翔 石玥 倪子涵

摘要：为提高建筑外墙和玻璃的清洁效率，拓宽无人机应用场景。对现有无人机和清洁类机器人进行总体分析，提取所需功能后进行设计、实践验证。设计出一款应用于小高层建筑外墙及玻璃清洁的多旋翼清洁无人机。一定程度上提高相关清洁作业效率，也为无人机今后的开发设计提供参考。

关键词：清洁无人机 清洁机器人 多旋翼无人机 建筑外墙 玻璃清洁

中图分类号：TB47

文献标识码：A

文章编号：1003-0069 （2020） 01-0137-03

一、绪论

（一）设计背景

无人机和清洁机器人都为近年的热门研究对象，二者分别依靠其背后先进的科技力量，从不同方面改善着人们的生活条件和工作方式。目前各个学科对高层建筑的外墙清洁进行了大范围的研究，但针对小高层建筑外墙的清洁工作却鲜有相关的设计成果。主要原因是小高层建筑平面布局分散，外墙凹凸距离过大，其清洁往往被忽视。但是，公共建筑多是小高层建筑，而其外墙及玻璃清洁属于必要性工作。目前的清洁方法主要是依靠人工行垂吊清洁工作，清洁效率非常低，所以为了满足这个需求，提高清洁频率和效率，我们开展了此设计项目。

本次设计任务基于对多旋翼无人机的技术分析，以及对清洁机器人的功能提取，将二者技术融合设计出一款清洁无人机产品。该无人机适用于小高层建筑外墙及玻璃的清洁工作，可改善清洁工作方式，提高清洁效率，为建筑甚至城市风貌加分。

（二）无人机发展现状

1.无人机的发展：无人机即无人驾驶飞机。无人机早期主要应用于军事方面，如军事侦察、收集情报等任务。2006年后，我国电子产业的高速发展，无人机的技术逐渐成熟。[1]随之而来，民用无人机的总体成本不断下降，其应用领域日益广泛，功能也愈加智能化。

2.无人机的应用：民用无人机的主要应用包括：巡查、检测、运输、拍摄、测量绘制、植保等。近年来，无人机在农业、物流运输及测绘等方面的应用发展十分迅猛，民用无人机包括工业级无人机和消费级无人机，消费级无人机以拍摄、灯光、玩具等用途为主，其余则多为工业级无人机，如农药喷洒或物流配送等用途的无人机。[2]本设计定位在工业级无人机领域，基于多旋翼无人机平台，是对无人机的民用创新应用进行探索。

（三）多旋翼无人机优势对比

多旋翼无人机，指含有三个或三个以上旋翼轴的无人机。多旋翼无人机相较于其他外墙攀爬吸附式清洗机器人而言，有着得天独厚的优势。凭借其平台的优越性，多旋翼无人机取消了复杂的悬挂吊索及吸附装置，依靠传感器、旋翼和自带的后推桨叶，实现紧贴墙壁并上下左右移动的功能，只需另外的外接水管提供水源，甚至在下一步更换动力系统加强运载能力之后可以直接挂载外置水箱，减少对地面的依赖。因此具有机械结构简单、成本低廉、操作灵活等优点。

相对于攀爬吸附式清洗机器人，多旋翼无人机更加灵活机动，在清理一些曲面或是斜面等复杂外墙时，由于无人机能实现不依赖吊索，因此效率更高。在达成相同清洗效果的前提下，速度更快、效率更高。在实际的测试中，清洁无人机对于一平方米外墙的清洗平均时间为一分钟三十秒。

（四）清洁机器人发展现状

1.清潔机器人的发展：清洁机器人属于服务机器人之一。[3]在我国，服务机器人的出现和发展要晚于欧美国家，但在近几年逐渐走人人们的生活，常见应用形式包括清洁、检测、陪伴、安保等，例如家用扫地机器人等。服务机器人在许多方面为人们提供了便利：提高工作效率和减少高危工作的工作风险等。

2.清洁机器人的种类：按使用环境划分可分为家用和商用（公共用）两种。常见的清洁机器人分类可见表1。其功能和作业方式也因具体的使用环境变化，家用机器入主要功能为灰尘清扫与脏污抹除，在较大公共场合使用的大型清洁机器人功能则在此基础上还包括清水喷洒与污水回收、小型垃圾收集等功能，且分为人工操作、自动操作两种操作模式。

二、清洁模式分析

（一）清洁环境分析

清洁环境包括室内、室外各种环境，这些环境之中包含有许多不便于人工作业的清洁场景，例如高空、建筑外墙、施工工地、森林或地貌复杂的地区等。

现代建筑外墙应用大面积的玻璃等材质较多，墙面材质结构多样化（表2），在清洁方面存在许多不便因素。[4]例如，传统的人工清洁效率以及由于清洁工具的限制，在清洁外墙及玻璃时会耗费大量时间和清洁费用成本;在高空清洁时，清洁人员的工作风险较高，易发生意外。

（二）清洁流程

清洁方式见图1，先将作业区域用清水喷洒便于清洁剂的稀释，随后喷洒清洁剂，滚刷反复滚动摩擦以去除污垢，最后再次喷洒清水将表面冲洗干净。三、多旋翼无人机搭建

（一）飞行器部分

1.平台搭建

（1）相关平台的发展：近年来，无人机行业快速发展，无人机在各行各领域的应用也是不断普及，涌现了一大批优秀的无人机品牌，如大疆DJI、零度智控ZEROTECH、中科遥感ChinaRS等。迄今为止，无人机的发展趋向于成熟，各项技术不断改进，这也就为我们搭建一款用于外墙清洗的多旋翼无人机提供了相当便利的环境，我们可以利用市场上相对成熟的技术，以较高的性价比搭建起一款专用的无人机平台。

（2）选用模块及方案：在方案设计中，尽可能以集成化的技术进行设想，但在方案验证的模型中，由于现实技术和资金的制约，我们采用以下的平台搭建方案（表3）进行验证。

组装完成的无人机理论最大拉力1150gx4，平台重量约为12509，经实测在电池满电情况下，最大实际载荷为1500g。在外接15米水管的情况下续航时间为5分钟，后期更换电池能够进一步将时间延长至15分钟。

平台能够在3-4级风力下正常工作，以抵御小高层建筑群之间的外部风力及无人机和外墙之间的相互干涉。

2.定点功能

（1）定点方式设计：四轴采用GPS+光流双模式实现定点功能。由于该无人机的工作环境贴近小高层外墙，正常展开工作时，墙体对于GPS信号会有一定程度的遮挡，经实际测量，在空旷外场飞行器接收的卫星数量为10颗以上，但是靠近外墙之后卫星数量锐减为6颗以下，飞行器也出现了定点飘动的现象，故采用GPS+光流双模式定点。

（2）定点工作流程：在起飞及贴近墙面过程中采用GPS定点，由GPS信号确定飞行器的空间三维坐标，由飞控自带的气压计辅助确定高度信息，确保飞行器能够不受外界干扰地稳定在一个空间点位上，当贴近墙面时，打开固定安装在四轴底部的光流定点模块，以光流定点为主GPS为辅。

当光流模块的摄像机随着飞行器在环境中移动时，其目标图像即地面图像是在发生变化的，图像灰度模式的表面运动就称为光流。简单理解，光流就是通过检测图像中光点和暗点的移动，来判断图像中像素点相对于飞行器的移动速度。[5]当我们利用光流模块返回的位置信息或者速度信息，形成一个闭环控制，再结合对飞控的PID调参，即可实现光流定点。图2为飞行过程中接收卫星数量。

图3为在地面站读取的光流工作数据，红线为dx，即飞行器在×轴方向上相对于固定点的飘动情况，绿色为dy，即飞行器在Y轴方向上相对于固定点的飘动情况，蓝色线条显示整体的定点水平。

3.启动规划路径

（1）功能原理与设计：在地面对飞行线路进行预先规划后，飞行器可以实现自动起飛、自动清洁及自动返回。编写的arduino程序实现功能包括：根据接收机信号控制飞行模式，根据已知坐标、实时坐标和飞机朝向自动控制航线飞行以及自动起飞和降落。

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。[6]

（2）自动规划流程：飞行器起飞前，由已知的墙面起始航点坐标，结合自身现在位置的坐标，计算出当前航线的大地方位角，即航线与北方向的顺时针夹角，与GPS中的罗盘模块测得飞机本身航向角度比较，得到转向角度后，控制飞机起飞转向正对目标航点并向航点飞行。贴近外墙后，开启光流定点模块，飞行平台进入清洗线路。

在外墙竖直平面的线路规划为自上而下的竖线型线路（见图4），一次清洗完成后，飞行器后退离开墙面，上升至第二条清洁路线，重新紧贴墙面，进行下一步的清洗。在清洗完一面外墙后，自动降落至起飞地点。自动降落的流程与自动起飞基本一致。

本次的模型验证还未使用这个技术，是在下一个迭代版本中需要解决的问题。

（二）清洗部分

1.清洁机构

（1）清洁机构功能设计：清洗部分按上述清洗环境和清洗方式的总结，我们在功能设计上要做到以下几点： 从清洁流程入手，由于工作流程中包含着一次清洁与二次清洁，即清洁剂清洗与清水冲洗的两个步骤，需要喷出清水和清洗液两种性质不同的液体的喷头，且需配有自动转动的滚刷;[7]从清洁环境出发，因为外墙相对玻璃幕墙比较复杂，需要有能适应窗框和墙面不同进深的清洁结构;从机身稳定来看，当无人机和墙面进行物理接触后，需要一些平衡其受力状态的结构;从无人机本身载荷来考虑，需要尽可能减轻机构的自重。

（2）硬件配置：本文方案综合以上4个注意点，将清洁滚刷延伸出无人机桨叶外10cm，其长度约等于无人机宽度，材质选择不易磨损吸水的尼龙丝。同时基于无人机要求重心配平的特点，此方案采取中置电机、用传动带为滚刷提供滚动的动力。

（3）清洗顺序及方式：清洁工作的顺序是从上到下，清洁效果更好、效率更高。为适应这样的功能，我们选择在清洁滚刷的上面安置3枚雾化喷头。喷头串联连接，两头连上两条外径7mm内径4mm的水管，黑色管道传输清水，白色管道传输清洁液。这样的机构设计，不仅能依照清洁步骤错开清水和清洁液的喷出时间，同时也可减轻无人机的负重。

整个清洁机构由上述部分组成，满足其功能需求的基础上，同时尽可能减少机构的重量也是一个重点考虑的部分。[8]

2.稳定机构：在实际使用时，无人机和墙面进行接触以后，受到的反冲力会造成无人机飞行控制系统不稳定，甚至失去平衡。所以要求我们在设计时，需要考虑到清洁机构和墙面进行接触时，有一个装置起到过渡稳定的作用。经过受力分析得知，无人机在飞向墙面并使清洁机构接触墙面时，无人机受到一个水平方向背离墙面的力。同时，在滚刷与墙面进行接触的时候，我们考虑把线接触变为面接触，使得无人机进行清洁时工作更加稳定。这要求稳定机构能够平衡这个水平力之外，还要和墙面有三个以上的接触点。

在参考上述的要求以后，我们对稳定机构进行了如下设计（见图5）：使用相似的4个弹簧连杆机构，分别放置在矩形的四角上，使清洁机构在工作时形成4点的面接触。它们不仅具有稳定作用，还提供无人机和墙面接触时缓冲过渡。

（三）方案设计

1.设计因素：本文的设计方案，主要采用现有技术较成熟的无人机平台作为基础，再针对小高层建筑外墙和玻璃清洁环境存在凹凸的特点，然后把在上文整理出的清洁流程（见图1）作为参考进行本次设计。

2.造型与外观：无人机的工业应用强调功能的实现，首先其工作环境要求清洁无人机的所有桨叶要被包覆起来，避免桨叶和环境进行碰撞从而影响飞行平衡;在设计外壳覆盖件时，需要把飞行器和清洁设备相关的电子器件和工作中不可避免产生的水雾进行隔离，在造型设计上考虑到空气流动的影响，所以覆盖件外轮廓是封闭的对称圆形罩，材料采用ABS塑料，如下图（图6）即本文的验证模型实物图。

为了提高飞行过程中的安全性，使用白色和黑色碳纤维机架进行区分提高识别度。而清洁装置的主要部件也采用白色，不仅给飞手提示无人机的机头朝向，而且提高了无人机视觉上的统一性（图7为模型顶视图，图8为模型前端展示）。

3.迭代要求：在后期的产品化过程中，可以改进的地方在于提高机架的整体性，在结构上优化清洁装置，微缩电子器件，使无人机的重心更加稳定，同时在覆盖件上可以做更多功能上的特征细节，对清洁无人机灵活、高效的特征进行强化。

结语

无人机作为工作平台，为解决人们生产生活的问题提供了更多的可能。而本文提到的清洁无人机设计是基于无人机平台，向工业无人机应用进行的探索。在本次设计探索中，我们希望弥补小高层建筑外墙及玻璃清洁的研究空缺，减少人工清洁的危险性，部分替代“蜘蛛人”的工作，同时提高清洁效率，减少清洁公司的成本。本文的设计方案经过验证，是具备清洁高效率的特点。但也存在很多可以改进的地方，比如使用系留式无人机的电源方案解决续航问题，用自动规划路径代替人工遥控。希望本文作出的叙述能为相关开发或设计人员提供一些思路和参考。.

参考文献

[1]范东辰.无人机的推广现状及今后发展趋势探究[J].军民两用技术与产乩.2017.22：3-3

[2]宋晨晖.民用无人机应用进展[J].机电工程技术.2018.47（11）：163-166

[3]胡振旺.陈益民.李林.基于STM32的家庭服务机器人系统设计[J].电子产品世界2015.22（9）：55-57

[4]张贺.院文博.基于建筑外墙装饰技术研究[J].建材与装饰2018（2）：64-64

[5]胡永彪.张文祥.金守峰等.基于机器视觉的工程机械行走速度测量方法[J].广西大学学报（自然利学版）2012.37（5）：907-912

[6]陈从浩.张止中.Arduino的应用及发展前景[J]轻工科技，2018.34（05）：77-78

[7]杜微陈光魏泽忠等‘种新型自动玻璃清洁机器人的系统设计[J].黑龙江科技信息2013（31）：62

[8]陈曦.李森.陈释文等.幕墙清洁机器人分析与设计[J].山东工业技术2019（19）：133-134