發酵養殖床服務機器人

郭明+朱雨珂+李思全

去年暑假，科技活動小組的同學去寧鄉縣青龍寨生態養殖園考察，發現養殖場使用了一種新型環保養殖設施：利用發酵床內米糠鋸末中的放線菌分解糞便來防止污染。

為提高發酵床的活性和效率，使糞便與米糠鋸末等填料均勻混合，一般需要2至3天翻耕使其降溫。傳統的方式是采用人力、用釘耙翻耙，既費力耗時且效果不佳。為解決這些問題，我們研制了發酵養殖床服務機器人。

一、控制系統設計

以高性能、低功耗的cortexA8單片機構成主控系統，通過機器視覺、超聲和電子鼻技術，實時檢測發酵床糞便堆積圖像、溫濕度及功能菌活性，通過物聯網遙控或全自動工作模式，準確尋找糞便源，按照“之”字形或“回”字形路線實施均勻疏散翻耕。

1.控制系統與單片機操作系統選擇

由于控制器不僅控制電機，還要接收各種傳感器數據，將數據發送至遠程控制中心，同時接收遠程機器人控制指令，因此要求其具有較高的速度，能運行Linux系統，采用先進的片內AMBA總線技術，進行多任務處理。控制系統框如圖1。

2.主控板、內部總線與和傳感器的設計

選用富士康A20主控板以滿足單片機、各種傳感器與接口以及整個系統運行的需要。

由于控制系統為“單主機-多從機”模式，因此采用使用最廣的串行總線標準RS485。它可實現1km距離的傳輸，傳輸速率可達1Mbps；Modbus協議簡單，軟件編程較易實現，開發周期短。

傳感器模塊主要包括數字溫濕度模塊、超聲波傳感器模塊（雙模式）、微型無線高清監控、高效圖像壓縮技術及超低待機功耗的攝像頭一體機模塊。

二、運動及功能系統設計

1.電機車輪的選擇及運動功能的實現

機器人驅動選擇相對速度快、精確穩定、成本較低的直流伺服電機，而鏟斗和機械臂采用適用低速精確控制的步進電機。驅動輪方面，圓形驅動輪易原地打滑，無法前進與后退；針形輪和風車輪效果較好，因針形驅動輪穩定性更好而被選用。

2.翻耕平整結構與機械臂結構設計

機器人的翻耕輪和耙子可根據實際生產需要，實現不同深度的翻耕和耙勻。機械臂主要由四連桿機構、皮帶傳動輪和步進電機組成。通過控制電機旋轉的速率和方向，帶動機械臂和疏散裝置升降。

3.疏散拋灑結構設計

要實現機械替代人工疏散拋灑糞便，尋找一種體積合適、功率大、效率高且操作方便的裝置是設計的關鍵。我們做了以下方案：

（1）把糞便攪成糊狀，再噴灑至發酵養殖床表面。由于該設計影響了發酵養殖床的濕度、不利于生態菌發酵，且噴灑裝置易堵塞、效率低而被放棄。

（2）把糞便收集后移至發酵養殖床外曬干或烤干的干粉式設計。該設計工藝繁瑣，耗能過高，因而也被放棄。

（3）為實施收集、攪碎、拋灑的功能，我們從挖掘機鏟斗、廚房排氣扇以及拋秧機的結構中獲得靈感，設計了“喇叭形多孔鏟斗+減速電機+葉輪”的疏散拋灑結構，其工作原理如下：

機器人驅動輪帶動鏟斗前行，大電機帶動機械臂上下運動；設計一種喇叭結構的鏟斗，在鏟斗左、右、底三面鉆好大小合適的小孔；在鏟斗內安裝適配的微型步進電機，電機軸上安裝可自由旋轉的葉輪；改變電機旋轉的方向和速率，即可控制葉輪離心力和風力大小、方向，實現機器人的疏散拋灑和收集等功能。

三、嵌入式操作系統的選擇

嵌入式Linux操作系統是一個功能強大、穩定和通用的開放源碼操作系統，可提供豐富的跨硬件平臺支持。它支持多用戶、多進程和TCP/IP等網絡協議，具有圖形用戶界面和強大的開發工具。

四、樣機的實驗室組裝

主要設備與工具：電腦、數控機床、電烙鐵、噴漆槍，萬用表、套裝組合工具等。

主要原材料與零部件：電路板、減速電機（DC-25mm×2、DC-37mm、DC-10mm）；傳感器（溫度、濕度、視覺、超聲）；鋁合金板材、梁材、螺絲、螺帽、塑料板材；電阻、電容、電感、集成塊、油漆等。

按設計圖組裝：安裝底盤及主控板；安裝傳感器、電機與車殼；安裝機械臂與疏散拋灑機構。

五、樣機的測試

1.操作系統與藍牙通信測試

選擇C語言與圖形化編程結合的方式，使用筆記本電腦或智能手機對樣機模型進行測試。結果顯示系統能正常運行。

編寫機器人與手機藍牙通信程序，并安裝在手機上。機器人始終放在實驗室發酵養殖床內，移動手機的位置，藍牙通信距離從0m至100m范圍內都能正常通信和控制。筆記本電腦測試操作系統能正常運行。

2.溫濕度監控與自動翻耕功能測試

按設計把溫濕度傳感器模塊與主控板相連后編寫代碼。由于溫度計能檢測的溫度范圍m1為-25℃至100℃，對應0至255（機器人固定的取值范圍）之間的值，為了直接顯示溫度值，測試程序通過一次函數fetm=m1×0.5-25.0對檢測的值進行了變換。

當發酵養殖床測試正常發酵（假設檢測處溫度≤58.5℃）時，機器人原地不動，否則提示需要翻耕發酵養殖床信息（也可發送短信至手機或電腦），選擇翻耕路線，將發酵養殖床全部翻耕一遍。

機器人溫度測試程序在有超聲模塊的前提下，可選擇“之字形”路線（子程序流程如圖2）。在有定位模塊運行時，也可選擇“回字形”路線子程序。

3.運動與避障功能測試

主要器材：自制的模擬發酵養殖床、發酵養殖床疏散翻耕機器人、小礦泉水瓶、智能手機等。

實驗過程：根據樣機運動功能測試試驗結果，選擇雙前驅電機安裝模式；利用超聲波傳感器的聲波發送與接收原理實現避障試驗（在模擬發酵養殖床內放置4個小礦泉水瓶作為障礙物）。

實驗表明，發酵養殖床疏散翻耕機器人能順利避開障礙物。

4.鋪墊、疏散、拋灑、翻耕、平整和收集功能測試

實驗場及器材：同上。

實驗過程：鋪墊發酵養殖床填料；疏散拋灑糞便；將發酵養殖床填料翻耕平整；收集發酵成熟的發酵養殖床填料。

實驗表明，上述功能均能達到設計要求。（指導老師：段家鐵 蔣銀生）