基于PixHawk开源飞控的清洁无人机功能模块的设计.pdf

CleaningWorld2023年7 月试验研究第39卷第7 期洗世清清界文章编号：16 7 1-8 90 9（2 0 2 3）7-0 0 56-0 0 3基于PixHawk开源飞控的清洁无人机功能模块的设计张唯一，冉腾辉，石萌，赖雅馨，毛应彪（西南民族大学电子信息学院，四川成都610207)摘要：高空清洁无人机在高空清洁领域具有重要的研究意义，可以解决高空外墙清洁危险性高、效率低以及成本高的问题，具有良好的社会价值。文章基于PixHawk开源飞控对多旋翼无人机的功能模块进行了设计，为清洁模块、飞行控制器模块和伞降模块提供了方案，在保障清洁效果的同时，提高清洁效率，降低清洁成本，促进高空清洁行业的发展。关键词：高空清洁；多旋翼无人机；PixHawk飞控；功能模块中图分类号：V279文献标识码：A随着我国城市化进展的推进，高空幕墙规模不断扩大，高空清洁服务需求与日俱增，而传统人工清洁模式风险较高且效率低下，在这种情况下高空清洁无人机的出现有效化解了这个难题。同时，单一清洁功能的无人机无法投入实际使用，因此开发出具有更多功能模块的无人机显得格外重要。1清洁模块设计1.1机械装置无人机的清洁模块包括一个水箱，一个水泵，一路电机，四路雾化喷头，两个滚筒（图1）。水箱容量为6 L，内部结构自主设计，装有“井”型带孔挡板，将水箱划分成九个空间，可以有效减小无人机在飞行过程中水箱液体晃动对机体重心的影响，从而保障无人机稳定飞行。水泵采用农用喷雾机有刷水泵，标准工作电压为12 V，最大工作功率为10 0 W，最大压力为11kg，工作标准压力为7 kg，开口流量为8 L/m。目前市面上常用的雾化喷头包括三种：压力式雾化喷头、旋转式雾化喷头和介质式雾化喷头。本设计采用压力式雾化喷头，即在高压的作用下，液体从喷头高速喷出，针对不同的清洁表面，喷头内人图1高空清洁无人机三维建模图部流道结构有所变化，其雾化液体的过程也不相同。电机采用8 0 mm无刷伺服电机，结构紧凑，体积小巧，节省了驱动器与电机间的连线，降低了线间的电磁干扰，并且该电机采用了更优振动技术和低发热技术，有效地解决了发热、振动和噪声等问题。电机主轴通过法兰盘和滚筒连接，电机带动滚筒旋转实现清洁功能。两滚筒连接处采用T型杆加两个轴承装置，配合两边电机带动滚筒，防止卡顿的同时起到支撑作用1.2清洁控制装置将舵机与控制雾化喷头内部流道的装置相连，同时将电机和舵机与电子调速器相连接，接入接收机预留的信号通道，通过PWM控制电机转速与舵项目资助：西南民族大学大学生创新创业训练计划项目（项目编号：2 0 2 2 10 6 56 0 0 9）资助。作者简介：张唯一（2 0 0 1-），女，本科学历，研究方向：无人机方向。收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 1。第3 9 卷张唯57等.基于PixHawk开源飞控的清洁无人机功能模块的设计机旋转角度，增大或减小喷出液体的内部倾角，从而改变喷出液体形状。机身搭载结构中的STM32芯片在运行状态时需要提供3.3V或5V左右的电压来保证其连续计算能力，同时选择了一个有着2800mAh电池容量，电压为1 2 V的充电电池保证水泵喷洒，这个锂电池最高的工作功率为6 0 W。根据测试，该电池在水泵保持满负荷运转时可以工作约50 min。控制系统中水泵被连接在控制系统的最末端，用来执行高空幕墙清洁的工作任务。2飞行控制器模块设计2.1飞行控制器功能介绍清洁无人机在高空执行清洁任务时，飞手需要通过无人机摄像头观测到的环境图像对无人机位置进行调整，从而实现清洁外墙的目的，这一方法在飞行高度较低时可以达到目的，但高空环境较为复杂，飞手无法仅靠图传做出及时判断，因此并不适用于高空清洁。该设计将高空清洁与航线规划相结合，基于PixHawk开源飞控规划无人机自主清洁的航线，以降低清洁无人机的操作难度，提高无人机清洁功能的可行性2.2航线规划设计本清洁无人机基于PixHawk开源飞控设计航线规划方案，现阶段常用的航线规划为“之字形”与“井字形”，根据高楼特征以及无人机滚筒式清洁的方式，无人机航线需相对于墙面呈现“之字形”。以成都IFS国际金融中心一号塔楼为例，该建筑位于四川省成都市锦江区红星路和大慈寺路的交汇处，高2 48 m，塔楼外立面为玻璃幕墙，图2 为无人机相对于玻璃幕墙的航线规划示意图。在规划“之字形”航线时需要确定航点，其中包括航点的高度、位置、飞行速度等属性，重点在于航线拐点的计算。无人机清洁系统设计为双滚筒清洁，单个滚筒直径为1 2 cm，宽度为50 cm，设定清洁区域高度为2 0 50 m，宽度为1 0 m，则同一高度相邻航线拐点之间的横坐标距离为1 m，纵坐标相同，不同高度相邻航线拐点之间横坐标距离相同，纵坐标距离30 m，确定好位置后对航点进行排序，从而完成航点的确定。实际操作过程中需要提前对目标建筑进行勘测，确保无人机航线能够覆盖所需清洁区域，无人机在进入全自动模式（AUTO）后，就会按照所规划航线自动遍历航点，从而实现航线规划下的无人机自主清洁。4y（经度）起飞点降落点x（纬度）图2无人机航线规划示意图3伞降模块设计3.1伞降系统介绍清洁无人机工作在高楼间，人为无法预测气压、气流等对于无人机工作的突发影响，一方面为减少损失、节约资源，另一方面地面上的人流量较大，为保护人身安全，我们设计了一套伞降系统。该系统由主控模块、电源检测模块、伞降装置和独立电源模块组成，具有成本低、性能稳定、集成度高的优点，对减少财产损失，保护人身安全具有重要意义。3.2机载伞控子系统（1）主控制器单元。主控制器单元以STM32微处理器为核心，主要完成数据的接收和处理、失控状态的检测判断、发送开伞命令。（2）姿态数据检测单元。姿态数据检测单元由运动传感器构成，主要完成姿态数据的获取，并将检测数据发送至中央处理器进行处理。对于无人机的翻滚判断而言，需要利用横滚角r，和俯仰角r来判断无人机当前的飞行状态。在无人机飞行过程中，若出现机身翻转超过一定角度时，即可判断无人机处于失控状态。无人机在飞行工作过程中，其机身翻转角度必须在一定限制范围内波动。因此，找到一个合理的无人机翻转角度阈值至关重要。通过大量的实际清洁测试并结合无人机工作时可能出现的翻转角度，将横滚角r和俯仰角r的阈值设置为45，即如果X轴或者Y轴的翻转角度超过45，此时主控制器会发出开伞指令，实现应急伞降。此外，无人机在每次上电后会初始化倾斜角度，目的是避免上次工作造成的倾斜角度偏差对此后清上接55页）.+.+.+.+.58第7 期清洗世界洁工作产生影响，让系统的翻滚判断更加可靠。（3）伞降单元。伞降回收系统以往主要应用于靶机、小型低速无人飞机，随着国内无人机型号的日益增多，现在越来越多的高速无人机也采用降落伞作为其回收方式。根据不同无人机的工作飞行速度，显然清洁无人机是低速无人机，由于清洁工作时飞行速度很低，所以采用直接拉出主伞、主伞一次充气打开的伞降系统方式。4测试结果4.1清洁系统测试无人机通过PWM控制电机转速进行清洁。首先组装清洁装置，并通过简单的试清洁来观察其是否正常运行，该设计采用压力式清洁，因为清洁滚筒在工作时轻贴作业面的方式能够减轻与墙面距离过近而产生较大的压力。在清洁过程中，滚筒上方的雾化喷头喷出清洁液，电机带动滚筒转动，清洁效果良好。4.2航线规划测试将无人机连接QGC地面站，当无人机飞到指定位置后，飞手通过遥控器打开无人机的全自动模式，此时，我们通过调用GPS确定无人机的当前位置，并将起飞点（地面站若开启返航点刷新则以地面站的GPS为准）与无人机的当前位置进行对比从而规划返航方向并自主规划返航航线，测试结利用的带清理系统的滚筒筛；（3）具有较好分选效果的正负压风选机。整体系统还包括可抑制、消除恶臭气味的除臭技术方案；生活垃圾RDF制备工厂设计技术等。根据项目正常运行一年多的情况来看，系统基本可行，但还存在以下待解决的技术问题：适用于与连续热解炉联合的生活垃圾RDF生产系统急需在实践中验证、改进、完善与提高；除臭系统急待进一步提升，以确保车间、厂区没有臭味；筛下物的资源化利用技术方案有待进一步研究。参考文献：1卜永广，范荣桂，禄润卿，等.我国城市生活垃圾处理与处置现状分析 .环境与可持续发展，2017(5):95-98.:2马懿，郑仁栋，周志昊，等.生活垃圾焚烧飞灰处果正常。4.3伞降测试在测试中我们得出最大横滚角和俯仰角约为38.2和39.1（理论值为45）。当翻转角大于此值时，主控制器会通过物伞模块打开降落伞，实现紧急降落。在下落中测得稳定下落速度大约为2.1 m/s（测试参数：海拔36 40 m，平均风速为4m/s）。5结语本文针对当前高层建筑外墙清洁存在的问题，提供了一种基于PixHawk开源飞控，以多旋翼无人机为平台的清洁无人机功能模块设计方案。该设计旨在完善现有清洁无人机的功能，通过清洁模块、飞行控制器模块和伞降模块的设计实现航线规划下的高空清洁无人机。希望通过不断开发和研究，引导传统的人工高空清洁向智能化转型，为高空清洁领域的发展做出贡献。参考文献：1廖锐，周永录，普园媛，等.基于无人机应急伞降避损与落点定位的研究 .电子测量与仪器学报，2019,33(09):16-24.2 李俊.无人机伞降回收系统的设计与发展方向 C/.第九届长三角科技论坛航空航天科技创新与长三角经济转型发展分论坛论文集，2 0 1 2.置技术与应用瓶颈 .环境工程，2 0 2 2(5):2 37-2 43.3江旭昌.对“垃圾衍生燃料”RDF之探析 J.新世纪水泥导报，2 0 2 1(3):2-6.4】刘建伟，赵高辉.城市生活垃圾资源化综合处理技术研究和应用进展 .科学技术与工程，2019(34):40-47.5 向虹霖，刘力，梁国宾，等.有机垃圾水解固相残渣制备RDF及性能优化 J.环境工程，2 0 2 1(3):1 8 9-194.6 吴伟霞，席北斗，黄彩红，等.有机固废堆肥中产臭及除臭技术的微生物作用机制研究进展 .环境科学研究，2 0 2 1(1 0):2 48 6-2 496.7方德，杨虎，刘小青，等.垃圾衍生燃料(RDF）性质与分析方法的研究 J.山东化工，2020(17):107-110.8 胡春云，谢斐，陈鹏.城镇生活垃圾利用处理技术分析 J.能源与节能，2 0 2 2(8):7 9-8 1+1 34.