牛舍清潔機器人設計及模型建立

陳蕾

摘要：開發一種能夠用于牛舍自主充電與自主加水的輪式清潔機器人。闡述了牛舍清潔機器人的發展以及研究意義，對牛舍清潔機器人的總體結構進行設計，對超聲波測距工作原理進行了詳細介紹，并且構建環境模型，從而能夠全天候的對牛舍進行清潔工作，時刻保證牛舍的清潔與衛生。

關鍵詞：牛舍清潔機器人；智能；路徑規劃；超聲波傳感器

中圖分類號：TP242文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.01.001

0引言

現如今，科技發展迅速，機器人技術的發展更是廣泛應用到社會、家庭的各個方面，自主式智能清潔機器人在目前服務機器人中最具有代表性，自主式智能清潔機器人的推廣更是普遍，在自主式智能清潔機器人中，牛舍清潔機器人的問世，將會在未來無人作業牛舍清潔領域起到巨大的作用，牛舍、豬舍的清潔工作不但辛苦，而且氣味難聞，工作人員若沒有將其清潔干凈，很可能會使奶牛患上乳房炎等疾病，因此為了使牛舍24 h保持干凈與衛生，且節省大量的勞動力，設計與研究這類清潔機器人對社會生產的發展將會有著非常深遠的意義[1]。

1牛舍清潔機器人的整體結構

牛舍清潔機器人系統主要包括機器人本體、牛舍的工作環境及需要做的清潔工作任務。

牛舍清潔機器人的結構主要包括傳感部分、電源、控制系統、清掃噴水功能以及行走機構。控制系統主要包括行走驅動單元、運動控制單元、電源管理單元。行走機構包括車輪、電機與減速裝置。清掃噴水功能包括泵、水箱、噴頭和刮糞板。傳感部分主要包括機身的超聲波傳感器及碰板，碰板系統是雙自由度，其他的系統都是單自由度與牛舍清潔機器人機身連接[2]。

牛舍清潔機器人的主要傳感部件包括紅外探測傳感器與超聲波傳感器。紅外探測傳感器主要是通過紅外波發射與接收，來檢測出牛舍清潔機器人周圍有無障礙物，從而避免牛舍清潔機器人與障礙物之間的碰撞。超聲波傳感器的作用是檢測清潔機器人與墻或者牛欄等障礙物之間的距離，對于牛舍環境地圖的建立有著重要的作用，最終確定清潔機器人在牛舍環境地圖中的具體位置。碰撞開關是用來輔助傳感器部件，當紅外線檢測不到某些障礙物的情況下，如障礙物比較小或者紅外傳感器對障礙物的顏色不敏感的時候，碰撞開關則會起作用，也是屬于接觸避障，直流減速電機本身所帶的光電碼盤是用在獲取牛舍清潔機器人的速度和其距離信息，牛舍清潔機器人通過控制器實現對不同傳感信號的檢測與處理，分析并實現其行走路徑的規劃，通過牛舍清潔機器人的電機驅動電路來驅動兩邊的減速電機，從而帶動牛舍清潔機器人的左右輪的轉動，實現機器人自主移動的功能，同時，牛舍清潔機器人機身攜帶的水箱與刮糞板裝置，通過不斷的噴水進行軟化牛舍的牛群糞便，刮糞板將其糞便刮至漏縫地板下，從而進行牛舍地面的清潔工作，牛舍清潔機器人的總體設計架構圖如圖1所示。

2超聲波傳感器的工作原理

在我們身邊，我們聽到的各種聲音，均是由物體振動所產生，振動的頻率超過一定的范圍值時，叫做超聲波，振動的頻率低于一定的范圍值時叫做次聲波。目前我們所常用的超聲波頻率很高，一般它的方向性好、穿透的能力強，且沿著直線型傳播。超聲波測量距離的儀器就是通過超聲波遇到雜質或者分界面的時候產生反射波的這一特性研制而成，為了研制超聲波測量距離的一種傳感器，我們可以通過超聲波傳播的頻率越高，反射能力越強的特性，超聲波在空氣中的傳播速度很慢，我們可以通過測量其波的傳播時間、測量距離或者厚度來進行應用[3]。

超聲波傳感器主要的組成部件是壓電晶片，可以接收和發射超聲波，壓電陶瓷片或者石英晶片均可用來制作壓電晶片，壓電的陶瓷片的優點是其靈敏度很高，缺點是其熱穩定性低，超聲波傳感器的核心是壓電陶瓷晶片，除了壓電晶片外，超聲波傳感器還包括金屬網格和錐形輻射喇叭等組成，金屬網格的作用是保護，錐形輻射喇叭的作用是發射與接收超聲波，使其能量得以集中，超聲波傳感器在使用的時候包括反射式與直射式兩種形式，當我們在發送裝置雙振子端施加電壓時，通過逆電壓效應來發送超聲波信號[4]，超聲波接收裝置通過正壓電效應，對接收到的超聲波信號進行放大處理。其工作原理具體如圖2所示。

3環境模型建立

牛舍清潔機器人通常情況下會工作在一個包括很多固定障礙物的封閉空間，清潔機器人一般工作在一個包含有各種孤立障礙物的封閉區域中。全區域覆蓋的路徑規劃是建立在由各種基本無障礙區域路徑規劃與障礙物連接起來的組合區域之上的。而全區域路徑規劃又不僅僅是基本無障礙區域路徑規劃的簡單疊加，而是需要考慮避障以及高覆蓋率和低重復率等指標。這就需要能夠準確的感知周圍的環境，并建立地圖模型，規劃出連續的一系列路徑，以達到要求的指標，實現全覆蓋清掃。在進行環境模型建立的過程中需要獲得周圍環境信息，對這些環境信息進行表示，最后根據環境信息進行實時更新環境地圖。牛舍清潔機器人工作環境大多是不確定的，當其在行走的過程中，利用牛舍清潔機器人機身安裝的傳感器感知周圍環境并獲取信息，從而建立相應的地圖模型，生成機器人的行走路線。清潔機器人沿邊學習規則為在其沿邊行走的過程中，通過左/右側超聲波傳感器測得機器人到房間內障礙物邊界的距離信息，并存儲在數組中。同時記錄編碼器測得的機器人沿邊行走的橫向和縱向距離以及轉角信息。與之前國內外學者所做的研究不同的是機器人并不是簡單的沿環境的墻壁或靠墻障礙物行走一周，最終只描繪出環境的輪廓信息，而是在學習完房間的一條邊后，統計超聲波傳感器測得的房間障礙物邊界距離數據，找到合適的距離，作為清潔機器人向中擴展清掃的距離，劃分出相應的子區域，進而進行子區域的遍歷[5]。

牛舍清潔機器人在進行環境模型建立過程中主要運用的是沿邊學習，其具體特征包括牛舍清潔機器人從原點出發，通過其自身的紅外傳感器以及碰撞開關，保證機器人沿墻壁或牛欄前進，在行駛過程中，機身安裝的超聲波傳感器獲取牛舍中的障礙物距離信息，并保存在數組中，同時，牛舍清潔機器人安裝的編碼器與陀螺儀傳感器通過擴展卡爾曼濾波進行信息融合，估計出牛舍清潔機器人的位置，記錄牛舍清潔機器人在沿邊學習中機身位置的變化，根據機身安裝的陀螺儀傳感器測出的角度信息，進而判斷出牛舍清潔機器人當前的方向，根據編碼器獲取的數據計算出移動的距離。在沿邊學習結束后，通過超聲波傳感器及編碼器可獲取牛舍的長和寬，牛舍清潔機器人在通過其左右轉彎的次數可以判斷其前進的方向是橫向或縱向。

4結語

闡述了牛舍清潔機器人的發展及研究意義，并對其超聲波傳感器的工作原理進行詳細的介紹，對牛舍清潔機器人總體結構進行了設計，最終建立基于全區域覆蓋路徑規劃的環境模型，對清潔機器人領域的發展有著重要的意義。

參考文獻：

[1]李琳.清潔發展機制下碳排放權的會計處理模式[J].黑龍江八一農墾大學學報，2013（2）：95.

[2]周學益.清潔機器人全區域覆蓋路徑算法與避障控制研究[D].重慶：重慶大學，2007.

[3]萬鸞飛.清潔機器人的路徑規劃及自充電系統[D].合肥：合肥工業大學，2009.

[4]高玉麒.家庭清掃機器人嵌入式覆蓋算法與自主充電算法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006.

[5]王以倫，鄧寶林，王洪濤，等.清潔機器人的自動避障控制系統[J].中國科技信息，2005.

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