基于STM32 的外墙喷洗清洁机设计

王胜蓝， 叶邦松， 袁 方， 侯飞宇， 汤志仁， 江鸿博

（上海工程技术大学机械与汽车工程学院， 上海 201620）

0 引 言

随着国内经济不断发展，城市化发展迅速，带来了人口的迅速的增长。 与之相适应，城市中高楼建筑层出不穷，玻璃幕墙作为一种新颖的高端建筑墙体，是如今高层建筑的首选［1］，繁重、高风险、高成本、低效的清洁工作成为困扰人们的一大问题。 目前，高空清洗外墙施工通常有2 种方式。 一种是高空吊篮，另外一种是高空吊绳，需要经过专业施工人员进行作业［2］，这无疑会提高了危险几率，长时间外墙作业、天气条件变化等均会影响外墙清洗工作。因此，为了解决外墙清洁问题，研制一款智能、高效、轻量、安全的外墙喷洗机尤为重要。

1 整体方案设计

针对本次高楼外墙工作环境，喷洗机在升降机构的带领下，完成大面积高楼外墙清洗动作，为了简化空中平台、减小质量，喷洗平台所需的气路、水与清洁液均由平台本体外部提供，提高了喷洗平台工作的稳定性与安全性，为了摆脱高墙障碍物对清洁效果的影响，喷洗平台在清洗作业时实现了非接触式清洁。

根据喷嘴射流清洁工作原理出发，喷洗机主要包括3 个主要部分，即：楼顶部分为升降机构与供给系统、电源控制系统，空中清洗部分为喷洗清洁平台与框架、软导轨等，楼底包括配重小车、远程遥控等。此外，为了能及时监测到清洗状况，喷洗机内部安装小型摄像头，及时观察喷洗机工作状态，通过远程遥控器调整内部摇臂机构摆动幅度、水泵与空压机开关等，为了简化整体方案图形，给读者充分理解，整体设计方案如图1 所示，基本参数表见表1。

表1 喷洗清洁机基本参数Tab. 1 Basic parameters of spray cleaning machine

图1 外墙喷洗机整体清洁方案Fig. 1 Overall cleaning scheme of exterior wall spray washer

2 整体结构设计

2.1 喷洗平台

外墙喷洗平台的设计结构如图2 所示。 喷洗机清洁作业时，为了保证喷洗作业过程稳定性与安全性，外墙喷洗平台在外部安装了防撞框架，4 根导轨绳引导防撞框架在竖直方向运动，在一定程度上避免了喷洗平台侧倾，喷洗平台主要包括两工作层与电源层，喷洗机在作业时，由上向下进行清洁工作，首先由底层喷嘴喷洗清洁液，清洗液由水、酒精、乙二醇、缓蚀剂及多种表面活性剂组成［3］，降低液体冰点，起到防冻作用，然后由上层喷嘴进行气、水两相清洁，电源装置在内部供电给摇臂机构，在摇臂机构带动下，扩大清洁面积。

图2 外墙喷洗平台Fig. 2 Exterior wall spray washing platform

喷洗平台内部结构如图3 所示，第一层为24 V、2.5 AH 防水充电电源，所采用锂电池能量密度高、输出功率大、工作范围宽、可随时替换［4］，其工作时间可持续10 h，内部摇臂机构通过调速器调节其转速，喷洗机可通过无线控制接收指令完成所有设计功能，通过视频传输及时反馈给操作终端，可以在数据异常的情况下及时停机，保证喷洗机作业过程安全［5］。 第二、第三层采用锥形喷嘴清洁，以高速水作用在被清洗物表面上，进而实现清洗作业［6］，高压水清洗属于物理清洗，相比于化学清洗，适用范围广、清洗速度快、易于机械化及自动化［7］。

图3 喷洗平台部分内部结构Fig. 3 Internal structure of spray cleaning platform

为了提高抗风等级，喷洗平台框架设置4 根软导轨，空中平台抗风受力图如图4 所示。 由图4 可知，利用导轨绳拉力克服横向风力干扰，预紧的软导轨具有一定张力，在不影响机器人自由度的情况下，约束喷洗平台位置［8］。

图4 空中平台抗风受力图Fig. 4 Wind resistance chart of aerial platform

2.2 楼顶升降装置与供给系统

2.2.1 升降装置

卷扬机带动钢丝绳进行上下牵引运动，提高了喷洗平台工作的稳定性。 升降装置如图5 所示。 升降装置在壁面架设，上下运动依靠卷扬机提供动力，升降机架具有越过高楼女墙上环形避雷针的重要作用，在保证机架强度的情况下，采用40 钢材拼接而成，尽量降低机架质量［9］，可以根据高楼女墙高度调整机架，机架依靠女墙环形作为导轨在水平方向进行移动，卷扬机钢缆通过升降机构上方三滑轮带动喷洗平台，导轨绳、水管、风管穿过机架外伸环扣，避免因绳索太多出现打结问题。 外伸扣件如图6 所示。

图5 升降装置Fig. 5 Lifting device

图6 外伸扣件Fig. 6 Overhanging coupler

2.2.2 气、水两路供给系统

楼顶供给系统如图7 所示。 由图7 可知，喷洗平台在外墙工作需及时供给水、气与清洁液，水与清洁液主要根据高压水泵提供，空压机主要为喷嘴提供气体，空压机压力设定为固定值，能够在清洁作业的同时及时吹散残留在外墙上的水珠，外侧清水、清洁液与水泵相连并安装溢流阀，保证水供给系统不因压力过高而发生事故。

图7 楼顶供给系统Fig. 7 Roof supply system

3 远程控制系统

为了进一步满足智能化远程控制要求，喷洗平台控制系统采用 STM32F103ZET6 单片机，STM32F103ZET6 是一种嵌入式－微控制器的集成电路，该单片机主频达到72 MHz［10］，片内Flash 容量512 kB，SRAM 容量64 kB，内核规格为32 位，电源电压为2.0～3.6 V。 中央控制系统协调控制楼顶升降系统、外墙喷洗系统、空中监视系统以及地面遥控操作系统，各子系统丰富，控制系统电路如图8 所示。

图8 控制系统电路图Fig. 8 Flow chart of control system

外墙喷洗平台采用远距离WiFi 信号传输视频数据，图9 为喷洗平台所用小型摄像头，主要依靠2.4 G802.11nWiFi 内置天线，内置电池满电续航2.5 h，若发生异常情况可及时推送到手机，采用128 G储存卡循环储存录像。

图9 小型摄像头Fig. 9 Miniature camera

系统技术路线如图10 所示。 空中喷洗平台依靠内置天线发送视频数据传输，在楼底操作人员观察显示器之后，利用遥控发出电信号进行远距离控制，以12 V 低电压控制220 V 高电压，抗干扰能力强，覆盖范围广，可调整空中喷洗平台姿态，该遥控通过楼顶控制器，进而控制楼顶升降装置、水泵、空压机开关启停。

图10 系统技术路线Fig. 10 Technical route of the system

4 样机调试与实验

为了进一步验证喷洗机清洁方案的可行性与远程控制系统的可靠性，需要对喷洗样机进行实验验证，首先根据三维模型进行样机外形加工，其次进行样机封装与电路调试，图11 为喷洗机平台外壳加工。

图11 样机加工Fig. 11 Prototype processing

喷洗平台整机经过内部安装、整机封装以及外场试验，进一步验证外墙喷洗机远程控制方案的可行性以及水路、气路密闭连接的可靠性，图12 为喷洗机外场试验图。

图12 喷洗机样机与外场试验Fig. 12 Spray washing machine prototype and field test

5 结束语

高效、低廉、具有普适性作为外墙喷洗机的特点，充分说明外墙喷洗机针对墙面清洁的重要意义。本文基于传统人工清洁方式效果不佳、局限性大的难点，研制出一款新型外墙喷洗清洁机，提出了喷洗机整体系统方案，主要对空中喷洗平台、楼顶供给系统以及升降越障装置进行了详细介绍，为喷洗机在复杂环境条件下进行外墙清洁奠定了基础。 通过样机加工与外场实验测试，验证了喷洗机在高楼外墙下的适应能力，进一步间接证明了喷洗机远距离控制的可行性，对高楼外墙清洁机具有借鉴与指导意义。