基于STM32负压吸附式智能清洁小车的研究

党启晋 崔一鸣 王相南 李怀志

(山东科技大学 智能装备学院,山东 泰安271000)

随着经济的发展，高层居民建筑迅速崛起，同时也带来了困难的外层玻璃清洗工作。传统的清洗工作为人工依靠抹布、刮水刀、铲刀等清洁工具完成玻璃清洁工作，这种低效、高危性的清洗方式不能满足社会的需求。随着人们生活水平的提高及集成化、机械化、自动化的发展，人们更希望有一种专用机器人代替人工高效完成玻璃清洗任务[1]。目前，采用德国技术的玻妞擦窗机器人和科沃斯公司的窗宝系列擦窗机器人等一小部分产品在智能擦窗机器人市场上表现较为出色，但其价格昂贵，这对于部分经济情况一般的家庭来说是不小的负担。高昂的价格成了普及智能清洁机器人的一大门槛[2]。为减小高层建筑擦玻璃工作的难度并满足市场对智能擦窗机器的需求，本文设计了一种操作简单、便于普及推广的基于STM32负压吸附式智能清洁小车。

1 智能擦玻璃小车设计

1.1 外观结构设计

清洁小车前方安装了清洁布，用于清洁玻璃上的污渍；中间位置安装离心风扇，形成负压以便于吸附在玻璃上；其后方安装玻璃刮刀，用于清除水渍。清洁小车的供电电池安装方式采用“车电分离”法，即电池独立在车体之外，通过导线与清洁小车进行连接。此处导线导线既能起到为清洁小车供电的作用，又可作为小车的“安全缆绳”起着保护小车安全的作用。一旦清洁小车遇到突发状况，供电导线可避免清洁小车高空坠落，保证小车工作时绝对安全可靠。“车电分离”的设计，极大的减轻了清洁小车的重量，使其工作起来更加灵活，安全性能更高。图1为清洁小车3D模型图。

图1 清洁小车3D模型图

1.2 控制系统设计

清洁小车的主控芯片采用STM32f103c8t6，该芯片为32位多功能、低成本、低功耗单片机，它的内核采用ARM公司最新生产的Cortex M3架构，最高工作频率可达72 MHz，拥有7个定时器和3对串口完全满足清洁小车的设计需求。清洁小车采用直流减速电机作为驱动动力源，为实现对电机的启停、正反转和调速的控制，需要利用驱动模块将主控芯片发出的信号转换为角位移量[3]。最为传统的L298N电机驱动模块最大输出电流为2A影响小车的工作性能，因为清洁小车在玻璃表面进行清洗工作时，容易出现运动轮打滑或其他使电机负载突然变换的情况，因此我们选用相较于L298N驱动模块输出电流更大、性能更稳定的AQMH2407ND作为直流电机的驱动模块。此外，AQMH2407ND模块能够更有效地实现隔离干扰，过流过载保护。

清洁小车正前方安装了HC-SR04超声波测距模块，此模块最远射程为4米，最近射程为2厘米。采用此模块主要是为了粗略的接收清洁小车与窗户边缘的距离，便于实时决策其行驶方向，防止其与玻璃框相撞，影响清洁效率。向清洁小车发送工作指令的方式有两种：一种是App控制清洁小车，App与小车通过HC-05蓝牙模块(以下简称蓝牙模块)进行通信，蓝牙模块工作频段为2.4 GHZ，性能稳定，最大传输距离为30米，可实现App实时控制清洁小车。另外一种控制清洁小车的方式是红外遥控，小车主控芯片与HX1838模块(接收模块)相连用于接收HS-21模块(发射模块)的指令。清洁小车通过控制系统协调各个模块进行工作，其工作原理如图2所示。

图2 清洁小车原理图

1.3 吸附系统设计

负压吸附方式利用离心机将小车与玻璃接触的空间抽成负压，小车通过内外压差吸附在玻璃上[4]。在长方形车体底盘的几何中心处安装负压吸附装置，由两颗螺丝固定离心机两端，依据流体力学对底盘中心对接处呈圆台镂空状，增加车体的吸附力。对于作为负压源的通风机，系统采用离心式通风机(近似成垂直面故为离心式)。因为在同等体积下，径流式风机产生的风压通常要比轴流式风机产生的风压大，而离心式径流风机与斜流式径流风机相比制造难度较小、成本较低，因此，选用离心式径流风机(以下简称离心机)作为负压产生源。小车所采用的离心机其主视图如图3(a)所示，侧视图如图3(b)所示。清洁小车安全吸附在玻璃表面并运动需要满足小车稳定吸附在玻璃上和驱动轮不打滑两个条件。为了满足这两个条件，我们在设计控制系统时采用了额定电流较大的驱动模块配合吸附系统所采用的较大功率离心机。此外，我们在驱动轮上安装了一圈薄薄的橡胶套以增大与玻璃之间的摩檫力，预防出现驱动轮打滑的现象，进一步减小吸附系统的压力。

图3 离心机吸附系统设计

2 组装和调试

小车底盘设计的主要目的在于保证负压吸附的安全可靠性。两个直流减速电机安装在车体斜对角线处，超声波模块安装在车体前端，便于识别前方障碍物，主控芯片安装在超声波后方便于与其相连，车体电源模块放在车尾，便于与导线相接，使得车体重心保持平衡。上电后，首先是单片机自身进行初始化、蓝牙接收模块初始化、超声波模块初始化及红外模块初始化。然后等待用户进行控制方式的选择，之后开始进入程序的主循环，当使用者使用红外遥控或蓝牙控制时，可以根据玻璃的所需的清洁效果来进行速度挡位的选择，系统进行标志位的判定。

借此判断小车的超声波和负压吸附装置是否稳定工作，当标志位判定成功后将启动两台直流减速电机，实现擦墙清洁的任务。当选择手动控制时，系统时刻在等待接收使用者的控制指令，当使用者通过红外遥控器或手机向小车发送指令时，控制命令信号会由A/D转换后入单片机缓存，同时单片机从内部寄存器读取数据进行控制命令信号的匹配，匹配成功后便执行相应的操作。

3 功能测试

3.1 红外遥控变速测试

红外遥控器可实时控制清洁小车的行驶方向和前进速度。前进速度分为低、中、高三个档位，具体参数如表1所示。由于清洁小车向上行驶与向下行驶对速度的影响较大。因此，在水平地面上测试的数据较为客观，表1数据为清洁小车在擦拭水平地面(大理石桌面)的测试。在多次测验下发现速度大致恒定在6厘米每秒时清洁效果最为理想。红外遥控是与App互补的一种控制方式，红外遥控方式相较于其他操作方式具有简单和传统的特点，方便老年人使用。但是，红外遥控在清洁过程中也存在一定的不足，信号穿透力弱，易被遮挡和干扰。

表1 清洁小车水平地面测试速度表

3.2 手机APP控制测试

相较于红外遥控控制的易操作，App控制可以说是大势所趋了。App的编程在E4A环境下开发完成，其可直接使用汉语进行编写控制程，降低了App的开发门槛。手机App可在清洁小车擦拭过程中实时控制其工作状态。App与小车通过蓝牙进行通信。手机蓝牙与清洁小车的蓝牙进行匹配成功后即可在App上向清洁小车发送前进、后退、左右转弯和停止指令，远程控制清洁小车前后左右运动，完成指定的清洁轨迹。同时，主控芯片每间隔500毫秒将接收到小车距离窗框的数据发送至App，使用者可根据收到数据进行调整清洁小车的工作路径。

3.3 工作测试

清洁小车最主要的任务是清洁玻璃，所以衡量其性能是否优越取决于其能否对玻璃起到一个良好的清洁作用，同时清洁小车还要具备高效率、低成本、高去污的特点。为得到具体参数，清洁小车在多个环境下进行了工作测试，工作环境为我们家庭中卧室及客厅的玻璃。经过多个环境测试，得出实际的运动性能及清洁速度，在完善小车参数和测量工作环境后得出清洁小车的具体参数，如表2所示。

表2 小车具体参数表

4 结论与展望

高层玻璃清洗成为多数居民打扫卫生的难题。其原因有两个方面:一方面是高层建筑玻璃多为封闭式的落地窗，人为擦拭风险高;另外一方面是所需清洁玻璃面积大，人工清洗劳动强度大且清洗效率低；请家政人员清洗费用高。现有清洗方式普遍存在安全系数低、成本高、效率低等问题，不能满足人们的日常生活需求，使用擦窗机器清洗替代人力清洗已经成为一种趋势。团队从实际应用出发，创造出一种成本低、安全性能高、智能化的擦窗清洁小车，清洁小车能对大面积橱窗玻璃和家庭常规玻璃等进行高效的清洗，使楼房更加干净整洁。同时，清洁小车也存在一定的不足之处：清洁速度较慢，红外遥控易受干扰。我们相信随着科技的不断更新进步，擦玻璃机器人将会有更大的发展空间和潜力。