基于STM32負壓吸附式智能清潔小車的研究

黨啟晉 崔一鳴 王相南 李懷志

(山東科技大學 智能裝備學院,山東 泰安271000)

隨著經濟的發展，高層居民建筑迅速崛起，同時也帶來了困難的外層玻璃清洗工作。傳統的清洗工作為人工依靠抹布、刮水刀、鏟刀等清潔工具完成玻璃清潔工作，這種低效、高危性的清洗方式不能滿足社會的需求。隨著人們生活水平的提高及集成化、機械化、自動化的發展，人們更希望有一種專用機器人代替人工高效完成玻璃清洗任務[1]。目前，采用德國技術的玻妞擦窗機器人和科沃斯公司的窗寶系列擦窗機器人等一小部分產品在智能擦窗機器人市場上表現較為出色，但其價格昂貴，這對于部分經濟情況一般的家庭來說是不小的負擔。高昂的價格成了普及智能清潔機器人的一大門檻[2]。為減小高層建筑擦玻璃工作的難度并滿足市場對智能擦窗機器的需求，本文設計了一種操作簡單、便于普及推廣的基于STM32負壓吸附式智能清潔小車。

1 智能擦玻璃小車設計

1.1 外觀結構設計

清潔小車前方安裝了清潔布，用于清潔玻璃上的污漬；中間位置安裝離心風扇，形成負壓以便于吸附在玻璃上；其后方安裝玻璃刮刀，用于清除水漬。清潔小車的供電電池安裝方式采用“車電分離”法，即電池獨立在車體之外，通過導線與清潔小車進行連接。此處導線導線既能起到為清潔小車供電的作用，又可作為小車的“安全纜繩”起著保護小車安全的作用。一旦清潔小車遇到突發狀況，供電導線可避免清潔小車高空墜落，保證小車工作時絕對安全可靠。“車電分離”的設計，極大的減輕了清潔小車的重量，使其工作起來更加靈活，安全性能更高。圖1為清潔小車3D模型圖。

圖1 清潔小車3D模型圖

1.2 控制系統設計

清潔小車的主控芯片采用STM32f103c8t6，該芯片為32位多功能、低成本、低功耗單片機，它的內核采用ARM公司最新生產的Cortex M3架構，最高工作頻率可達72 MHz，擁有7個定時器和3對串口完全滿足清潔小車的設計需求。清潔小車采用直流減速電機作為驅動動力源，為實現對電機的啟停、正反轉和調速的控制，需要利用驅動模塊將主控芯片發出的信號轉換為角位移量[3]。最為傳統的L298N電機驅動模塊最大輸出電流為2A影響小車的工作性能，因為清潔小車在玻璃表面進行清洗工作時，容易出現運動輪打滑或其他使電機負載突然變換的情況，因此我們選用相較于L298N驅動模塊輸出電流更大、性能更穩定的AQMH2407ND作為直流電機的驅動模塊。此外，AQMH2407ND模塊能夠更有效地實現隔離干擾，過流過載保護。

清潔小車正前方安裝了HC-SR04超聲波測距模塊，此模塊最遠射程為4米，最近射程為2厘米。采用此模塊主要是為了粗略的接收清潔小車與窗戶邊緣的距離，便于實時決策其行駛方向，防止其與玻璃框相撞，影響清潔效率。向清潔小車發送工作指令的方式有兩種：一種是App控制清潔小車，App與小車通過HC-05藍牙模塊(以下簡稱藍牙模塊)進行通信，藍牙模塊工作頻段為2.4 GHZ，性能穩定，最大傳輸距離為30米，可實現App實時控制清潔小車。另外一種控制清潔小車的方式是紅外遙控，小車主控芯片與HX1838模塊(接收模塊)相連用于接收HS-21模塊(發射模塊)的指令。清潔小車通過控制系統協調各個模塊進行工作，其工作原理如圖2所示。

圖2 清潔小車原理圖

1.3 吸附系統設計

負壓吸附方式利用離心機將小車與玻璃接觸的空間抽成負壓，小車通過內外壓差吸附在玻璃上[4]。在長方形車體底盤的幾何中心處安裝負壓吸附裝置，由兩顆螺絲固定離心機兩端，依據流體力學對底盤中心對接處呈圓臺鏤空狀，增加車體的吸附力。對于作為負壓源的通風機，系統采用離心式通風機(近似成垂直面故為離心式)。因為在同等體積下，徑流式風機產生的風壓通常要比軸流式風機產生的風壓大，而離心式徑流風機與斜流式徑流風機相比制造難度較小、成本較低，因此，選用離心式徑流風機(以下簡稱離心機)作為負壓產生源。小車所采用的離心機其主視圖如圖3(a)所示，側視圖如圖3(b)所示。清潔小車安全吸附在玻璃表面并運動需要滿足小車穩定吸附在玻璃上和驅動輪不打滑兩個條件。為了滿足這兩個條件，我們在設計控制系統時采用了額定電流較大的驅動模塊配合吸附系統所采用的較大功率離心機。此外，我們在驅動輪上安裝了一圈薄薄的橡膠套以增大與玻璃之間的摩檫力，預防出現驅動輪打滑的現象，進一步減小吸附系統的壓力。

圖3 離心機吸附系統設計

2 組裝和調試

小車底盤設計的主要目的在于保證負壓吸附的安全可靠性。兩個直流減速電機安裝在車體斜對角線處，超聲波模塊安裝在車體前端，便于識別前方障礙物，主控芯片安裝在超聲波后方便于與其相連，車體電源模塊放在車尾，便于與導線相接，使得車體重心保持平衡。上電后，首先是單片機自身進行初始化、藍牙接收模塊初始化、超聲波模塊初始化及紅外模塊初始化。然后等待用戶進行控制方式的選擇，之后開始進入程序的主循環，當使用者使用紅外遙控或藍牙控制時，可以根據玻璃的所需的清潔效果來進行速度擋位的選擇，系統進行標志位的判定。

借此判斷小車的超聲波和負壓吸附裝置是否穩定工作，當標志位判定成功后將啟動兩臺直流減速電機，實現擦墻清潔的任務。當選擇手動控制時，系統時刻在等待接收使用者的控制指令，當使用者通過紅外遙控器或手機向小車發送指令時，控制命令信號會由A/D轉換后入單片機緩存，同時單片機從內部寄存器讀取數據進行控制命令信號的匹配，匹配成功后便執行相應的操作。

3 功能測試

3.1 紅外遙控變速測試

紅外遙控器可實時控制清潔小車的行駛方向和前進速度。前進速度分為低、中、高三個檔位，具體參數如表1所示。由于清潔小車向上行駛與向下行駛對速度的影響較大。因此，在水平地面上測試的數據較為客觀，表1數據為清潔小車在擦拭水平地面(大理石桌面)的測試。在多次測驗下發現速度大致恒定在6厘米每秒時清潔效果最為理想。紅外遙控是與App互補的一種控制方式，紅外遙控方式相較于其他操作方式具有簡單和傳統的特點，方便老年人使用。但是，紅外遙控在清潔過程中也存在一定的不足，信號穿透力弱，易被遮擋和干擾。

表1 清潔小車水平地面測試速度表

3.2 手機APP控制測試

相較于紅外遙控控制的易操作，App控制可以說是大勢所趨了。App的編程在E4A環境下開發完成，其可直接使用漢語進行編寫控制程，降低了App的開發門檻。手機App可在清潔小車擦拭過程中實時控制其工作狀態。App與小車通過藍牙進行通信。手機藍牙與清潔小車的藍牙進行匹配成功后即可在App上向清潔小車發送前進、后退、左右轉彎和停止指令，遠程控制清潔小車前后左右運動，完成指定的清潔軌跡。同時，主控芯片每間隔500毫秒將接收到小車距離窗框的數據發送至App，使用者可根據收到數據進行調整清潔小車的工作路徑。

3.3 工作測試

清潔小車最主要的任務是清潔玻璃，所以衡量其性能是否優越取決于其能否對玻璃起到一個良好的清潔作用，同時清潔小車還要具備高效率、低成本、高去污的特點。為得到具體參數，清潔小車在多個環境下進行了工作測試，工作環境為我們家庭中臥室及客廳的玻璃。經過多個環境測試，得出實際的運動性能及清潔速度，在完善小車參數和測量工作環境后得出清潔小車的具體參數，如表2所示。

表2 小車具體參數表

4 結論與展望

高層玻璃清洗成為多數居民打掃衛生的難題。其原因有兩個方面:一方面是高層建筑玻璃多為封閉式的落地窗，人為擦拭風險高;另外一方面是所需清潔玻璃面積大，人工清洗勞動強度大且清洗效率低；請家政人員清洗費用高。現有清洗方式普遍存在安全系數低、成本高、效率低等問題，不能滿足人們的日常生活需求，使用擦窗機器清洗替代人力清洗已經成為一種趨勢。團隊從實際應用出發，創造出一種成本低、安全性能高、智能化的擦窗清潔小車，清潔小車能對大面積櫥窗玻璃和家庭常規玻璃等進行高效的清洗，使樓房更加干凈整潔。同時，清潔小車也存在一定的不足之處：清潔速度較慢，紅外遙控易受干擾。我們相信隨著科技的不斷更新進步，擦玻璃機器人將會有更大的發展空間和潛力。