自動清糞機(jī)器人控制系統(tǒng)與設(shè)計

丁培峰

（連云港東旺奶牛養(yǎng)殖有限公司，江蘇連云港 222248）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，人類對牛奶羊奶等奶制品和動物肉制品的實際需求進(jìn)一步擴(kuò)大，我國動物飼養(yǎng)逐漸向規(guī)模化、高質(zhì)量化和精益化模式轉(zhuǎn)變，而規(guī)?；瘎又参镳B(yǎng)殖場崛起所帶來的動物糞便收集與處理成為困擾我國動物養(yǎng)殖事業(yè)的重要問題。動物養(yǎng)殖所產(chǎn)生的大量糞便不僅會占用較大的空間，更會對周圍環(huán)境、土壤和水分等產(chǎn)生一定危害，因此，如何清理動物的大量糞便成為動物養(yǎng)殖業(yè)的重要思考內(nèi)容。另外，我國人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，不斷將人們從基礎(chǔ)體力勞動中解放出來，而激烈的市場競爭又進(jìn)一步加大了對現(xiàn)代大型養(yǎng)殖場經(jīng)營成本、生產(chǎn)成本和經(jīng)營質(zhì)量的要求，如何在保證動物養(yǎng)殖質(zhì)量符合現(xiàn)有食品條安全條件和其他標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，盡可能地降低實際經(jīng)營成本也是值得思考的問題。在此基礎(chǔ)上，自動清糞機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，不僅極大地減少了人類在動物養(yǎng)殖場的基本勞動，更為長遠(yuǎn)降低動物養(yǎng)殖場的實際成本做出了重要貢獻(xiàn)，因此，關(guān)于自動清糞機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)探討和研究有著重要理論意義和現(xiàn)實價值。

1 自動清糞機(jī)器人的架構(gòu)

通常情況下，自動清糞機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要包括上位機(jī)和下位機(jī)兩大部分，上位機(jī)通常負(fù)責(zé)實現(xiàn)對自動清糞機(jī)器人有關(guān)數(shù)據(jù)信息的實時監(jiān)控，負(fù)責(zé)對下位機(jī)進(jìn)行相應(yīng)控制，而下位機(jī)則主要負(fù)責(zé)接收有關(guān)控制指令和接收指令，進(jìn)而對自動清糞機(jī)器人的作業(yè)行為進(jìn)行控制。

圖1 自動清糞機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)

圖1 即自動清糞機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)示意。在自動清糞機(jī)器人工作過程中，安裝在機(jī)器人上方的攝像頭將現(xiàn)場所拍攝到的相關(guān)場景，通過無線裝置直接發(fā)送到操作室的上位機(jī)，而操作工人在觀察上位機(jī)所顯示的現(xiàn)實場景基礎(chǔ)上，針對性地對畫面所顯示的相關(guān)位置進(jìn)行糞便清理工作。在此過程中，操作工人主要借助上位機(jī)控制界面向自動清糞機(jī)器人發(fā)出清理糞便的指令，而該指令主要借助無線裝置發(fā)送給自動清糞機(jī)器人上的無線接收模塊，在無線接收裝置將相應(yīng)的清理糞便指令傳送到下位機(jī)后，下位機(jī)按事前設(shè)定好的相關(guān)程序，在控制連接下位機(jī)繼電器的基礎(chǔ)上，利用繼電器控制自動清糞機(jī)器人的總電機(jī)。最后，由總電機(jī)控制自動清糞機(jī)器人的相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而完成整個糞便自動清理的作業(yè)過程。

2 自動清糞機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

由于本文所設(shè)計的自動清糞機(jī)器人采用的控制板為l298，載有相應(yīng)的芯片驅(qū)動板，同時驅(qū)動兩路直流電機(jī)，而每一路直流電機(jī)的控制終端都分別有3 個接口，且只有當(dāng)電機(jī)控制終端的使能端接口輸入較高電平時，整個驅(qū)動板才會輸出電流，完成自動清糞機(jī)器人電機(jī)的整個啟動過程。此外，當(dāng)下位機(jī)通過控制驅(qū)動板驅(qū)動兩路直流電機(jī)控制終端的接口時，就能完成整個自動清糞機(jī)器人電機(jī)的正反方向轉(zhuǎn)動控制，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)動方向的目的（圖2）。

圖2 電機(jī)驅(qū)動模塊原理

就自動清糞機(jī)器人無線通信系統(tǒng)的模塊設(shè)計問題而言，由于無線通信環(huán)節(jié)是整個自動清糞機(jī)器人設(shè)計的重要部分，直接關(guān)系到自動清糞機(jī)器人現(xiàn)場作業(yè)和遠(yuǎn)程控制計算機(jī)之間的密切配合度，更是整個遠(yuǎn)程控制計算機(jī)和自動清糞機(jī)器人圖像信息顯示和各種控制數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)耐ǖ馈D像無線傳輸系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將移動的自動清糞機(jī)器人前方拍攝到的相關(guān)圖像傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，形成一定的視頻文件供遠(yuǎn)程控制處的計算機(jī)和操作工人需要，而數(shù)據(jù)無線通信系統(tǒng)則主要負(fù)責(zé)傳遞自動清糞機(jī)器人和上位機(jī)之間機(jī)器人的移動狀態(tài)、機(jī)器人狀態(tài)參數(shù)以及遠(yuǎn)程控制指令等，從而為整個自動清糞機(jī)器人完成糞便自動清理工作提供技術(shù)支撐。在自動清糞機(jī)器人無線通信系統(tǒng)模塊圖像無線傳輸子模塊系統(tǒng)中，由于圖像無線傳輸系統(tǒng)是整個控制系統(tǒng)中不容缺失的重要部分，更是直接為自動清糞機(jī)器人、操作人員提供相應(yīng)視頻信息和可靠數(shù)據(jù)的重要條件，因此，只有操作人員借助相關(guān)視頻數(shù)據(jù)盡可能全面地了解自動清糞機(jī)器人的實際工作環(huán)境時，才能將機(jī)器人周圍的工作環(huán)境是否清潔和是否需要進(jìn)一步進(jìn)行糞便處理等相關(guān)指令反饋給無線通信系統(tǒng)模塊，才能根據(jù)相關(guān)信息匯總作出是否發(fā)布指令驅(qū)動自動清糞機(jī)器人的相關(guān)決定。

2.2 軟件設(shè)計

就本文所設(shè)計的自動清糞機(jī)器人而言，其下位機(jī)軟件主要采用C 語言進(jìn)行編寫，程序編寫方便快捷的同時具有結(jié)構(gòu)清晰的特點(diǎn)，更能方便地對硬件系統(tǒng)實際操作能力進(jìn)行高效率編譯。同時，利用C 語言對下位機(jī)運(yùn)行程序進(jìn)行編碼，也比一般匯編語言高級很多，能夠有效提升源代碼的可讀性。在此過程中，整個自動清糞機(jī)器人的主要程序設(shè)計思路為：開機(jī)時對機(jī)器人程序系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后利用自動清糞機(jī)器人拍攝頭像所拍攝到的圖片傳遞給控制中心，進(jìn)而等待控制中心操作人員發(fā)送相關(guān)指令，當(dāng)收到控制中心所發(fā)出的實施指令時，進(jìn)一步將收集到的相關(guān)指令傳輸給下位機(jī)進(jìn)行處理，而下位機(jī)驅(qū)動自動清糞機(jī)器人做出相應(yīng)的糞便清理行為。

3 自動清糞機(jī)器人的運(yùn)動軌跡模型

由于本文所設(shè)計的自動清糞機(jī)器人兩個后輪作為相對獨(dú)立的驅(qū)動輪，分別由直流電機(jī)控制，借助轉(zhuǎn)速控制方向，不僅具備了自重較輕、承載能力較大、結(jié)構(gòu)較為簡單等諸多優(yōu)勢，更具有驅(qū)動和控制相對方便、行走速度較快以及靈活機(jī)動等重要特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，本文根據(jù)相關(guān)學(xué)者所提出的輪式移動機(jī)器人運(yùn)動學(xué)建模理論，利用幾何中心和質(zhì)心不重合的非理想約束簡化模型對自動清糞機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動軌跡模擬。簡化后的自動清糞機(jī)器人運(yùn)行機(jī)構(gòu)主要包括同軸的驅(qū)動后輪和刮糞板，三點(diǎn)所確定的平面能有效借助刮糞板充當(dāng)從動輪轉(zhuǎn)向作用。同時，自動清糞機(jī)器人的兩個后輪由獨(dú)立的直流電機(jī)驅(qū)動，前方刮糞板能有效作為支撐輪，在后方驅(qū)動輪的作用下使自動清糞機(jī)器人向目標(biāo)方向移動。

4 機(jī)器人運(yùn)行軌跡規(guī)劃算法的優(yōu)化實現(xiàn)

一般而言，自動清糞機(jī)器人的基本行為主要包括Changedirection 行為、Follow-wall 行為和Move-to-alone 行為。

（1）Change-direction 行為主要是自動清糞機(jī)器人在預(yù)先所設(shè)定好的軌跡上行駛，當(dāng)突然碰撞到進(jìn)入預(yù)定軌跡中的人或其他動態(tài)障礙物時，借助電流傳感器檢測到相應(yīng)的驅(qū)動電機(jī)電流瞬間增大的方式，而迫使自動清糞機(jī)器人立即停止前進(jìn)行為，并在向后行駛一定距離后進(jìn)行方向旋轉(zhuǎn)以避開動態(tài)障礙物。

（2）Follow-wall 行為是自動清糞機(jī)器人按照預(yù)先設(shè)定好的軌跡正常行駛，而周邊環(huán)境具有一定數(shù)目的固定的可測量距離的靜態(tài)障礙物時，該行為模式被激活。機(jī)器人借助相應(yīng)的超聲波傳感器，不斷檢測周邊靜態(tài)障礙物之間的距離，通過控制系統(tǒng)判別距離是否符合預(yù)先設(shè)定值，從而判別整個自動清糞機(jī)器人的運(yùn)動軌跡是否偏離。

（3）Move-to-alone 行為則主要是指自動清糞機(jī)器人在正常行走過程中，周邊環(huán)境無可供超聲波傳感器測量距離的靜態(tài)障礙物存在時的實際運(yùn)行模式。

5 結(jié)束語

總之，自動清糞機(jī)器人在對其養(yǎng)殖場靜態(tài)障礙物和不時出現(xiàn)的動態(tài)障礙物進(jìn)行分析探究的基礎(chǔ)上，所提出的路徑規(guī)劃算法能有效縮短動態(tài)環(huán)境中機(jī)器人所需的實際行走路程。同時，加大對自動清糞機(jī)器人工作目標(biāo)、周邊工作環(huán)境以及行程路線等的調(diào)整，而大幅度提升機(jī)器人對周圍環(huán)境的適應(yīng)能力，借助改變機(jī)器人行為狀態(tài)、參數(shù)信息和改變行為算法模型等諸多方式，加強(qiáng)自動清糞機(jī)器人的實際工作效率，也為我國智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展提出了一定思路。