養(yǎng)殖場(chǎng)畜禽糞便清掃智能機(jī)器人設(shè)計(jì)＊

焦文瑾，成維莉，王思璇

（江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

智慧農(nóng)業(yè)是一種新興的農(nóng)業(yè)模式，融合了物聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)互連、傳感器和軟件等多種現(xiàn)代化技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)化、智能化、高效率。畜牧業(yè)作為農(nóng)業(yè)的重要分支，也朝著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。目前，這種新的模式已被廣泛用于飼料加工和投喂、畜禽舍環(huán)境控制、畜禽疫病防治等工作中，使用傳感器采集數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到控制中心，控制中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并作出決策，實(shí)現(xiàn)及時(shí)處理和精準(zhǔn)控制，并使資源利用率達(dá)到最大化。人工智能在畜牧業(yè)的廣泛應(yīng)用，不僅節(jié)約了人力成本，也提高了工作效率，改善了畜禽的生存環(huán)境，可以說是一舉多得，從而推動(dòng)了中國畜牧業(yè)快速發(fā)展[1]。

1 研究背景及目的

在畜禽養(yǎng)殖行業(yè)中，垃圾清理，特別是畜禽糞便的清掃，一直是個(gè)難題。傳統(tǒng)畜禽糞便清掃大多由人工完成，人工清掃存在著許多問題。首先，工作環(huán)境差。因畜禽養(yǎng)殖環(huán)境的特殊性，養(yǎng)殖工人常常要在潮濕的環(huán)境下進(jìn)行工作。養(yǎng)殖場(chǎng)中的各種垃圾和動(dòng)物糞便長時(shí)間暴露在空氣中，容易產(chǎn)生各種難聞的氣味。惡劣的工作環(huán)境讓清掃工人難以適應(yīng)，因而降低工作效率。其次，糞便清理難度大。有些糞便較為黏稠，粘在地上難以清理干凈，往往需要工人使用更大力氣，甚至動(dòng)用強(qiáng)力的清潔劑才能處理干凈，這不僅增加了成本，而且增加了工人的工作強(qiáng)度。況且，養(yǎng)殖場(chǎng)難免存在各種犄角旮旯，人工清掃工具難以介入，人工清掃也難免有所遺漏，導(dǎo)致清掃的效率低下。針對(duì)上述問題，本項(xiàng)目將設(shè)計(jì)一種處理畜禽糞便的智能清掃機(jī)器人，該機(jī)器人針對(duì)復(fù)雜的畜禽養(yǎng)殖環(huán)境，在清掃工作中加入了傳感器模塊來感應(yīng)和識(shí)別障礙物，并加入路徑規(guī)劃及避障策略，使得智能清掃機(jī)器人在較為復(fù)雜的環(huán)境中也能很好地工作[2]，具有高效、智能的特點(diǎn)，能夠很好地緩解勞動(dòng)力不足的現(xiàn)狀，為中國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的智能化發(fā)展提供技術(shù)支持。

現(xiàn)代畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)一般有集中的飼養(yǎng)區(qū)域，由于不同動(dòng)物的生活習(xí)性不同，一些大型養(yǎng)殖場(chǎng)還配有專門的放養(yǎng)區(qū)域，如圖1 所示。

圖1 養(yǎng)殖場(chǎng)地形圖

集中飼養(yǎng)區(qū)域多為方形結(jié)構(gòu)，中間是過道，兩側(cè)分為多個(gè)飼養(yǎng)區(qū)域，由柵欄或矮墻隔開。這種區(qū)域障礙物較多，清掃時(shí)合理的路徑規(guī)劃和良好的避障措施非常重要，對(duì)于一些角落的清掃也要加大力度。同時(shí)，由于場(chǎng)地比較封閉狹小，工作時(shí)也要保持安全的行進(jìn)速度。放養(yǎng)區(qū)域多為草地，地形比較平坦開闊，清掃工作相對(duì)簡單，需要注意對(duì)場(chǎng)地植被的保護(hù)。

綜合畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)的各種特點(diǎn)，制定了以下設(shè)計(jì)方案。

2 整體設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目機(jī)器人集傳感器系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)于一體。其主要工作原理是通過傳感器系統(tǒng)檢測(cè)并識(shí)別前方狀況，再通過無線技術(shù)將信息傳送給主控制系統(tǒng)，由主控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行分析后，向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則根據(jù)具體信號(hào)作出相應(yīng)反應(yīng)，其工作流程如圖2 所示。

圖2 主要工作流程圖

當(dāng)傳感器沒有檢測(cè)到障礙物時(shí)，主控制器控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)繼續(xù)前進(jìn)；當(dāng)傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，機(jī)器人停下，由主控制系統(tǒng)分析障礙物的大小并發(fā)出相應(yīng)指令。對(duì)于小型障礙物（如糞便、垃圾等），則控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使其清掃；反之，對(duì)于大型障礙物（如圍欄、墻壁等），則控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)避讓或掉頭。

2.2 主要組成部分

清掃機(jī)器人主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，考慮到畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)工作的特殊性（保證畜禽正常生活、保護(hù)養(yǎng)殖場(chǎng)地等），為了避免機(jī)器人產(chǎn)生負(fù)面的影響，本系統(tǒng)還設(shè)有安全系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 基礎(chǔ)硬件

基礎(chǔ)硬件分為電源、紅外遙控和電動(dòng)機(jī)，具體情況如下。

電源：使用2 塊工作電壓為12 V 的鉛蓄電池，其電量足以保證機(jī)器人連續(xù)工作數(shù)小時(shí)，能夠反復(fù)充電使用，滿足清掃工作需求。

紅外遙控：利用帶有紅外發(fā)射器的遙控器控制機(jī)器人的啟動(dòng)和關(guān)閉。在不同的工作環(huán)境下還可以調(diào)整機(jī)器人的輸出功率，以提高清掃工作的效率。

電動(dòng)機(jī)：它是可以將電能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能的機(jī)器，主要應(yīng)用在本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)的部分零件中。本系統(tǒng)采用調(diào)速電動(dòng)機(jī)，可以根據(jù)輸入電功率的大小改變轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

3.2 傳感器系統(tǒng)

本機(jī)器人采用的傳感器系統(tǒng)主要有超聲波傳感器和壓力傳感器。

3.2.1 超聲波傳感器

本系統(tǒng)機(jī)器人采用HY-SRF05 超聲波模塊，其工作距離可達(dá)2～450 cm，檢測(cè)精度可達(dá)3 mm，完全能夠滿足清掃工作的需要。在本系統(tǒng)中，采用超聲波傳感器有2 個(gè)用途：①超聲波識(shí)別。其工作原理是，機(jī)器人向前方發(fā)出超聲波，超聲波觸碰到障礙物后返回，并被傳感器接收。根據(jù)發(fā)出和接收的時(shí)間差，來判斷距障礙物的距離，憑借模塊高精度的特點(diǎn)，就可以判斷障礙物的形狀和大小。②超聲波測(cè)速。其工作原理是，在機(jī)器人行進(jìn)過程中，取前方參照物上的一點(diǎn)，短時(shí)間內(nèi)2 次向其發(fā)出超聲波，得出2 次發(fā)出和接收的時(shí)間差T1、T2和2 次發(fā)出的時(shí)間間隔ΔT，通過以下公式求出速度V。

3.2.2 壓力傳感器

垃圾儲(chǔ)存箱底部裝有壓力傳感器，其作用是控制垃圾箱的最大存儲(chǔ)量，在防止溢出的同時(shí)，延長垃圾箱的使用壽命。當(dāng)垃圾總質(zhì)量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，其對(duì)傳感器的壓力達(dá)到特定值，再由壓力傳感器發(fā)送信號(hào)給主控制器，使機(jī)器人暫停工作。

3.3 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

該機(jī)器人擁有2 個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和2 個(gè)從動(dòng)輪，其中，后輪為驅(qū)動(dòng)輪，2 個(gè)驅(qū)動(dòng)輪由2 個(gè)功率可調(diào)的電動(dòng)機(jī)單獨(dú)控制，可以通過控制2 個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向。2 個(gè)前輪為從動(dòng)輪，從動(dòng)輪選用的是萬向輪，能夠靈活地向各個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠很好地適應(yīng)養(yǎng)殖場(chǎng)的各種復(fù)雜地形，和驅(qū)動(dòng)輪配合也能更好地完成清掃工作[4]。

3.4 執(zhí)行系統(tǒng)

機(jī)器人的執(zhí)行系統(tǒng)由圓形拖把、鐵鏟、吸塵口和垃圾儲(chǔ)存箱組成。具體結(jié)構(gòu)如下：前段上部分為2 個(gè)圓形的拖把，下部分為可伸縮式的鐵鏟，兩部分均可自由活動(dòng)；中段為吸塵口和2 個(gè)電動(dòng)機(jī)（分別連接鐵鏟和圓形拖把）；后段連接1 個(gè)垃圾儲(chǔ)存箱。當(dāng)檢測(cè)到前方有糞便時(shí)，2 個(gè)圓形拖把以相反的方向向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，將前方糞便掃到吸塵口旁，再通過吸塵口將糞便吸進(jìn)垃圾儲(chǔ)存箱。遇到比較黏稠、難以清掃的糞便時(shí)，可由鐵鏟先將其鏟起，再進(jìn)行下一步清掃工作。相比于人工清掃，其優(yōu)點(diǎn)是，鐵鏟能夠輕易將黏稠難清掃的糞便鏟起，圓形拖把配合吸塵口更容易清掃細(xì)小垃圾并且減少遺漏，垃圾箱可以暫時(shí)儲(chǔ)存部分垃圾，以保證清掃工作的持續(xù)進(jìn)行。各部分密切配合，提高工作效率。另外，圓形拖把上部分還可連接水箱，使其分為干濕2 種模式，清掃工作完成后，還可對(duì)地面進(jìn)行拖洗，一舉多得，以達(dá)到更好的清潔效果[5]。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 基礎(chǔ)軟件

基礎(chǔ)軟件主要用來采集和處理數(shù)據(jù)，主控制器通過收集各個(gè)傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，并且對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，自動(dòng)選擇最合適的工作方案，并且向其他各系統(tǒng)傳達(dá)相應(yīng)信息。

4.2 路徑規(guī)劃

畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)的地形復(fù)雜，給糞便清掃工作帶來了許多不便。人工清掃時(shí)，由于人體靈活的優(yōu)點(diǎn)，足以在根據(jù)地形及時(shí)調(diào)整工作方式，以達(dá)到工作效率的最大化。然而，對(duì)于機(jī)器人來說，錯(cuò)綜復(fù)雜的地形給清掃工作造成了巨大的困難。因此，在清掃工作中要更加注重路徑的合理規(guī)劃，提高工作的效率。

畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)的地形大致分成2 類，可分別采取不同的路徑規(guī)劃方案，具體如下。

在相對(duì)平坦開闊的地形中，采用S 形路徑的方案，即在角落處規(guī)定一個(gè)起點(diǎn)，向一個(gè)方向直線行走，在檢測(cè)到大型障礙物時(shí)向左或右（根據(jù)實(shí)際情況確定）轉(zhuǎn)90°，向前行走一個(gè)機(jī)身位，再向左或右（與之前同向）轉(zhuǎn)90°，然后繼續(xù)向前直線行走，如此往復(fù)。該方案的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)場(chǎng)地全面覆蓋，極少有遺漏地點(diǎn)[6]。

在相對(duì)崎嶇閉塞的地形中，采用隨機(jī)選擇路徑的方案，即在一定區(qū)域內(nèi)隨機(jī)行走，此方案的優(yōu)點(diǎn)是同一地點(diǎn)多次清掃，清潔更加徹底，也更加適合特殊地形的清掃工作。但其缺點(diǎn)也較為明顯，即方案實(shí)施的困難（程序編寫等）和清掃死角較多。

具體工作中往往要2 種方案配合使用以達(dá)到工作效率的最大化[7]。

5 安全系統(tǒng)

在畜禽養(yǎng)殖工作中，相較于人工清掃，清掃機(jī)器人可能存在以下問題。

機(jī)器人在進(jìn)行清掃工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)和部分執(zhí)行系統(tǒng)會(huì)發(fā)出噪聲，可能會(huì)影響畜禽的正常生活，甚至使其受到驚嚇；機(jī)器人行進(jìn)過程中由于速度過快或失控等問題，可能會(huì)對(duì)畜禽和場(chǎng)內(nèi)工人造成傷害；對(duì)于一些特殊場(chǎng)地（如草坪），在清掃工作過程中可能會(huì)對(duì)其植被產(chǎn)生破壞，從而破壞養(yǎng)殖場(chǎng)的環(huán)境。

針對(duì)以上問題，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了安全措施。機(jī)器人的外殼由較軟的隔音材料制成，減小噪聲的同時(shí)又能夠在發(fā)生意外時(shí)盡可能減少對(duì)畜禽和工人的傷害。超聲波傳感器附帶有測(cè)速功能，當(dāng)檢測(cè)到機(jī)器人行進(jìn)速度過快時(shí)（超出設(shè)定速度）會(huì)向主控制器發(fā)出信號(hào)，由主控制器控制運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)使其減速，將速度控制在一定范圍內(nèi)，避免因速度過快導(dǎo)致機(jī)器人失控撞傷畜禽和工人。同時(shí)，機(jī)器人整體采用較輕的材質(zhì)，以減輕對(duì)植被的壓力。在清掃過程中，當(dāng)傳感器檢測(cè)到附近有植被時(shí)，機(jī)器人的尖銳物體（如鐵鏟）會(huì)收起至內(nèi)部，以避免對(duì)植被產(chǎn)生傷害。

6 結(jié)束語

智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展促使了本系統(tǒng)的產(chǎn)生，人工智能技術(shù)為本系統(tǒng)提供了技術(shù)支持。畜禽糞便清掃機(jī)器人具有自動(dòng)化、智能化的特點(diǎn)，其使用方便，干凈環(huán)保，很好地解決了人工清掃的諸多問題，減少了畜禽養(yǎng)殖業(yè)的人工成本，提高了清掃工作的效率，將有效地促進(jìn)中國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。