基于STM32 的高空智能擦玻璃機(jī)器人的設(shè)計(jì)

馮 亮 徐健鑫 常鳳筠*

（遼寧科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，遼寧 鞍山114000）

1 概述

快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展促使許多中小城市乃至鄉(xiāng)村出現(xiàn)了許多高樓，然而城市化的同時(shí)也帶來(lái)了許多問(wèn)題，因?yàn)椴ＡР晒庑院谩⒈胤莱薄⒚烙^廉價(jià)等性能，高層建筑大部分采用玻璃做落地窗結(jié)構(gòu)，為了保證建筑面部的整潔美麗，需要定期對(duì)建筑外圍玻璃進(jìn)行清潔工作。目前對(duì)高層玻璃的清洗方式主要有吊籃式清洗和升降臺(tái)式清洗，人員坐在吊籃中對(duì)玻璃直接進(jìn)行清洗是比較簡(jiǎn)單直接的方式，但危險(xiǎn)系數(shù)太高；相對(duì)于吊籃式清洗方式，升降臺(tái)式的清洗方式更加安全，但是前期投入太高，并且及其不靈活，擦洗的高度也受到限制。比較急切需要一種能代替人工具有靈活性，投入成本低的智能機(jī)器人來(lái)完成清洗工作，也就是本文的研究對(duì)象——基于STM32 的高空智能擦玻璃機(jī)器人可以勝任這項(xiàng)工作。

2 機(jī)器人的設(shè)計(jì)探究

該機(jī)器人由STM32F103 擔(dān)任CPU 控制機(jī)器人的相關(guān)部分。其通過(guò)一個(gè)無(wú)刷電機(jī)帶動(dòng)渦輪離心真空扇為機(jī)器提供一個(gè)能“吸”在玻璃上的真空吸力，由底盤(pán)四個(gè)角的觸發(fā)限位檢測(cè)機(jī)器是否完全“貼”在玻璃上。機(jī)器貼在玻璃上時(shí)，觸發(fā)信號(hào)會(huì)返回到STM32 芯片，收到信號(hào)后CPU 控制底盤(pán)兩個(gè)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)從而進(jìn)行擦玻璃操作。在它運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還可以通過(guò)遙控器對(duì)其進(jìn)行控制。其系統(tǒng)原理圖如圖1。

圖1 智能擦玻璃機(jī)器人系統(tǒng)原理圖

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由于機(jī)器人利用負(fù)壓式吸附方式吸附在玻璃上，所以對(duì)機(jī)器人的質(zhì)量有較高的要求，為減輕機(jī)器的整體重量，本機(jī)器的主要材料選擇使用密度較低的碳板，以便于機(jī)器可以更好的吸附在玻璃上。機(jī)器腔體為密封結(jié)構(gòu)，利用固定在無(wú)刷電機(jī)上的離心風(fēng)扇產(chǎn)生吸附力，為了機(jī)器在玻璃上有足夠的摩擦力提供給機(jī)器移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)方式選擇采用履帶進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)選取帶有編碼器的直流減速電機(jī)，為機(jī)器提供更穩(wěn)定、準(zhǔn)確的定位。清潔模塊采用高密度纖維布（利用魔術(shù)貼粘在機(jī)器底部），同時(shí)優(yōu)化工藝氣密性更加優(yōu)質(zhì)，機(jī)器人底盤(pán)的Soliworks 結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 智能擦玻璃機(jī)器人結(jié)構(gòu)

擦玻璃機(jī)器人在工作時(shí)只有兩個(gè)要求：①機(jī)器不能掉落，防止發(fā)聲安全事故；②履帶輪不打滑，確保機(jī)器正常運(yùn)動(dòng)。這就對(duì)機(jī)器人的離心風(fēng)扇控制有了要求，為了保證使機(jī)器人在不掉落的同時(shí)，履帶輪也可以驅(qū)動(dòng)機(jī)器進(jìn)行擦玻璃操作，需要對(duì)機(jī)器的吸附力進(jìn)行閉環(huán)檢測(cè)——在機(jī)器的四個(gè)角上分別有一個(gè)高度限位開(kāi)關(guān)，四個(gè)限位為“與”的關(guān)系，只有限位全部觸發(fā)機(jī)器才會(huì)運(yùn)動(dòng)，這就保證了機(jī)器在運(yùn)動(dòng)的途中不會(huì)掉落。為了安全起見(jiàn)，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)還在外殼處綁有安全繩，機(jī)器工作時(shí)安全繩固定在室內(nèi)某處，在機(jī)器故障掉落時(shí)可以保證機(jī)器不會(huì)從高處掉落造成不良后果。

2.2 代碼實(shí)現(xiàn)探究

擦玻璃機(jī)器人是由意法半導(dǎo)體ST 官方推出的ARM Cortex-3 內(nèi)核STM32f103c8t6 作控制中心設(shè)計(jì)制作，該芯片最高工作頻率可達(dá)72MHZ，支持定時(shí)器、UART、ADC、DAC、等外設(shè)，3.3V 供電，完全滿足擦玻璃機(jī)器人的需求。

圖3 PID 控制流程圖

如圖3（PID 控制流程圖）可得，PID 算法由比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)、微分調(diào)節(jié)構(gòu)成，在系統(tǒng)接到輸出反饋時(shí)，將經(jīng)過(guò)比例、積分、微分三種運(yùn)算把實(shí)際值與理論值的誤差彌補(bǔ)回來(lái)，進(jìn)而縮小機(jī)器運(yùn)行過(guò)程的誤差。在擦玻璃機(jī)器人正常工作時(shí)，由于玻璃的尺寸有限需要對(duì)底盤(pán)電機(jī)進(jìn)行精確控制，以防機(jī)器人失步造成機(jī)器掉落。在底盤(pán)直流減速電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)通過(guò)安裝在電機(jī)上的霍爾編碼器獲取電機(jī)的已走脈沖，將數(shù)值反饋回單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過(guò)PID 算法，對(duì)誤差進(jìn)行“多退少補(bǔ)”實(shí)現(xiàn)機(jī)器人底盤(pán)閉環(huán)。

除此之外，在控制底盤(pán)時(shí)使用了PWM，通過(guò)調(diào)節(jié)高電平占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)擦玻璃機(jī)器人的行走速度控制，且可以通過(guò)紅外遙控器進(jìn)行控制。

3 結(jié)論

隨著城市經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，公寓、大廈、寫(xiě)字樓拔地而起，然而玻璃的清潔工作也是城市環(huán)境的硬性要求，但是近年來(lái)人們擦玻璃的次數(shù)卻急劇減少，總結(jié)原因有亮點(diǎn)：其一高層建筑玻璃多為封閉式的落地窗，人為擦拭風(fēng)險(xiǎn)過(guò)大；其二高樓主要結(jié)構(gòu)由玻璃構(gòu)成，如果人工清理工作量過(guò)大，而且費(fèi)用高，效率低，進(jìn)度慢。擦玻璃機(jī)器人的興起將改變這一現(xiàn)狀，作為高樓擦玻璃工作者的替代品，無(wú)疑更加吸引人，使城市更加的智能化。隨著科技的不斷跟新進(jìn)步，擦玻璃機(jī)器人將會(huì)有更大的發(fā)展空間和潛力。