陸曉敏，吳浩真，韓可炯，秦家晨

（東南大學(xué)成賢學(xué)院電子與計算機工程學(xué)院，江蘇南京，210088）

高空清潔機器人的設(shè)計與實現(xiàn)

陸曉敏，吳浩真，韓可炯，秦家晨

（東南大學(xué)成賢學(xué)院電子與計算機工程學(xué)院，江蘇南京，210088）

在高層建筑中，外壁玻璃上會有許多的粉塵和其他污物，用我們設(shè)計的機器人來代替人進行高空作業(yè)。本文設(shè)計了一種基于MSP430f149的智能清潔機器人系統(tǒng), 介紹了擦窗機器人設(shè)計的意義、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計及系統(tǒng)軟件設(shè)計。

0 引言

近年來，隨著國內(nèi)經(jīng)濟的發(fā)展，城市高層建筑成倍的增長，由于高層外壁的玻璃隨著時間的積累，外壁玻璃上增加了許多的粉塵和其他污物。至今，有95%城市高樓玻璃外壁采用的是人工清洗完成，它不僅投入大、效率低，費工費時，而且及其危險。隨著單片機和機電技術(shù)的發(fā)展，高空清潔機器人應(yīng)運而生。利用高空清潔機器人作業(yè)將大大降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動環(huán)境， 提高勞動生產(chǎn)率，具有相當(dāng)大的社會、經(jīng)濟意義和廣闊的應(yīng)用前景。

1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

機器人主要有吸附裝置、電機驅(qū)動模塊、降壓模塊、無線模塊、電調(diào)、紅外傳感器、電源及單片機主控模塊等，如圖1所示。

我們利用涵道風(fēng)扇將底部一個小區(qū)域內(nèi)空氣抽走，該區(qū)域內(nèi)形成類似真空狀態(tài)，外界大氣壓將車體壓在墻上。利用涵道風(fēng)扇吸附，其操作簡單，只需輸入5%-10%的PWM波占空比就可以驅(qū)動，它重量也在可接受范圍內(nèi)，動力足，扇葉不會傷到人。涵道風(fēng)扇穿過車體中央，將涵道風(fēng)扇固定在車體中，填充其縫隙，以保證工作過程中其區(qū)域更加接近真空狀態(tài)。

高空擦玻璃，主要是要能行走，為了增加摩擦力、不刮擦玻璃，采用橡膠材料的履帶，通過左右履帶的差速來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)機器人自由移動。

在機器人車體前后左右裝有紅外傳感器，能測大概十厘米距離。該傳感器本身具有測量準(zhǔn)確、無需接觸、防腐蝕、成本低等特點。

圖1 機器人硬件整體設(shè)計

我們用的電池是12V的航模電池，需要降壓模塊將12V降到3.3V給單片機供電；將12V降到7V左右給電機供電；直接接電調(diào)，將電流升到70A，驅(qū)動涵道。

無線采用NRF24L01 2.4G模塊，功耗低，在以-6dBm 的功率發(fā)射時，工作電流只有9mA；接收時，工作電流只有12.3mA，多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式），使節(jié)能設(shè)計更方便。

清潔裝置配備可拆裝的抹布，放在機器人底部。此外涵道實時抽底部小區(qū)域內(nèi)的空氣，在機器人行走過程中，還可以將玻璃表面的灰塵也吸走一部分。

在電池選型時要考慮其質(zhì)量輕、續(xù)航久等情況。我們設(shè)計了一個接線口，可用降壓模塊將220V電壓降為12V，為整個系統(tǒng)供電，可供有條件者使用。

2 軟件部分設(shè)計

本設(shè)計選用TI公司生產(chǎn)的MSP430f149單片機作為控制器。程序設(shè)計的好壞直接決定了整個系統(tǒng)的控制質(zhì)量和控制效率，如圖2為程序流程圖。軟件部分主要有端口配置、定時器、PWM輸出、無線、LCD顯示等模塊組成。

系統(tǒng)上電后，初始化各個模塊，然后進入睡眠模式。等待按鍵選擇運行模式。

考慮到機器人自動擦玻璃，難免會有死角部分不能達(dá)到理想情況，我們設(shè)計了自動控制為主，手動控制清理死角處為輔的模式。

自動模式：機器人從玻璃左下角開始行走，定時掃描各傳感器狀態(tài)，檢測是否到達(dá)玻璃邊沿。若檢測到，單片機控制機器人差速、倒轉(zhuǎn)，向左后方行駛；繼續(xù)檢測后面玻璃邊沿，然后控制機器人向正前方走。如此循環(huán)往復(fù)，走出一條“之”字形路徑。

手動模式：在遙控器端，設(shè)置了四個按鍵，分別控制前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，并通過LCD1602屏幕顯示。通過NRF24L01將數(shù)據(jù)傳給接收模塊，接收模塊接收后，與單片機進行SPI數(shù)據(jù)通信，傳給單片機，單片機根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，判斷要執(zhí)行什么操作。

因為電池經(jīng)常充放電，所以輸給涵道的PWM波占空比不可能一直不變。一般設(shè)計要滿足在電池電量最低時還能使整個裝置吸附在玻璃上，所以PWM波占空比要給足夠大，但是如果剛充滿電，電量充足，會導(dǎo)致吸附力很大，造成能源浪費。所以使用單片機的ADC對電池采樣，監(jiān)控電池的電量。調(diào)節(jié)PID，根據(jù)電量的多少來調(diào)節(jié)PWM波占空比的輸出。

3 結(jié)語

本文介紹了基于單片機控制的高空清潔機器人。該方案實現(xiàn)簡單，較市場其他產(chǎn)品而言更為低廉。并且創(chuàng)新在于有自動、手動兩種模式，可以重點清潔部分難清潔的地方；可以根據(jù)電池的電量自動改變吸附力，不會造成電量的損耗；其還可以接220V家庭用電，不必考慮充電問題，設(shè)計更為貼合實際情況。

[1]沈建華、楊艷琴.MSP430超低功耗單片機原理與應(yīng)用（第二版）.清華大學(xué)出版社.

[2]華成英.模擬電子技術(shù)基本教程.清華大學(xué)出版社.

Design and Implementation of High Altitude Cleaning Robot

Lu Xiaomin, Wu Haozhen, Han Kejiong, Qin Jiachen
(Southeast University Chengxian College Electronic and Computer Engineering Institute,Nanjing Jiangsu,210088)

ion：In the high-rise building, there will be a lot of dust and other dirt on the glass wall, we design a robot instead of high-altitude operations. This paper designs a kind of intelligent cleaning robot system based on MSP430f149, introduces the design of window robots to clean the meaning of hardware structure design and software design of the system.

Depending on the robot fan device body adsorption on the glass, can automatically complete the path planning, detection window edge distance, automatic cleaning windows. It also can choose manual control mode, through wireless control, custom path, the key to clean the dust, serious dirt place.

glass;high altitude;cleaning;robot;microcontroller

圖2 程序流程圖

機器人依靠車體的風(fēng)機裝置吸附在玻璃上，可以自動完成路徑規(guī)劃、探測窗戶的邊角距離、自動清潔窗戶。另外也可選擇手動控制模式，通過無線控制，自定義路徑，重點清潔風(fēng)塵、污物嚴(yán)重的地方。關(guān)鍵字：玻璃；高空；清潔；機器人；單片機