基于激光SLAM的牧場(chǎng)智能飼喂機(jī)器人研發(fā)

呂鳳玉，袁虎成，賀成柱，姚 樂(lè)

（1.甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 智能制造與創(chuàng)新服務(wù)事業(yè)部，蘭州730030；2.上海高仙自動(dòng)化科技發(fā)展有限公司SLAM 算法事業(yè)部，上海201203）

近年來(lái)人民生活質(zhì)量逐漸提高，我國(guó)奶牛數(shù)量和奶產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了國(guó)民生活需求，大量依賴進(jìn)口，原因是我國(guó)奶牛養(yǎng)殖與發(fā)達(dá)國(guó)家差距較大。自上世紀(jì)90年代從歐美引入全混合日糧（total mixed ration）技術(shù)后，中國(guó)奶業(yè)生產(chǎn)水平逐步提高，但該飼喂方式也存對(duì)牧場(chǎng)管理規(guī)范要求高、成套設(shè)備成本高、無(wú)法實(shí)現(xiàn)個(gè)體奶牛精準(zhǔn)飼喂等缺點(diǎn)。

隨著國(guó)內(nèi)牧場(chǎng)養(yǎng)殖規(guī)模擴(kuò)大，牧場(chǎng)用工量與勞動(dòng)成本間矛盾突出，為突破制約奶牛養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的這一瓶頸，機(jī)械化、自動(dòng)化及智能化程度要求高的畜牧裝備成為剛需。為有效解決上述發(fā)展需求，國(guó)內(nèi)外許多科技工作者開(kāi)展了相關(guān)研究工作，文獻(xiàn)[1-2]研究分析了飼喂機(jī)器人及奶牛飼喂技術(shù)裝備發(fā)展現(xiàn)狀，文獻(xiàn)[3-4]研究了智能化犢牛飼喂裝置及國(guó)外擠奶機(jī)器人技術(shù)路線及發(fā)展現(xiàn)狀[5]。上述研究分析表明，通過(guò)結(jié)合新技術(shù)對(duì)飼喂機(jī)器人設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，才能更加精確高效地完成飼喂任務(wù)。

奶牛智能化精確飼喂機(jī)器人定位方式上，文獻(xiàn)[6-7]采用無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)精確定位飼喂點(diǎn)；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型上，文獻(xiàn)[7-8]選用PLC 控制系統(tǒng)；飼喂執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，文獻(xiàn)[9-10]采用雙螺旋給料裝置，將機(jī)器人懸掛在軌道上行走，這些設(shè)計(jì)方案初步解決了我國(guó)牧場(chǎng)奶牛飼喂機(jī)械化與自動(dòng)化的問(wèn)題，但普遍存在應(yīng)用時(shí)需提前鋪設(shè)軌道、控制系統(tǒng)適用性與擴(kuò)展性較差的問(wèn)題。因此筆者采用激光雷達(dá)SLAM自然輪廓定位導(dǎo)航技術(shù)，在不對(duì)牧場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行任何改造的前提下，可輕松實(shí)現(xiàn)奶牛智能飼喂，提高飼料利用率以及產(chǎn)奶率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少浪費(fèi)，進(jìn)一步提高牛場(chǎng)的投入產(chǎn)出比。

1 功能需求

飼喂機(jī)器人主要應(yīng)用場(chǎng)合為大中型牛羊養(yǎng)殖企業(yè)的牛舍或羊舍內(nèi)[11-14]，其將TMR 全日糧均勻撒到牛羊食用區(qū)域內(nèi)，同時(shí)將牛羊在食用過(guò)程中推搡到區(qū)域外的飼料推至食用區(qū)域內(nèi)，代替并節(jié)省人工作業(yè)，降低企業(yè)成本[15]。機(jī)器人在牛羊舍運(yùn)行時(shí)，需沿進(jìn)食道自動(dòng)移動(dòng)至牛羊飼料柵欄前且不干擾牛羊。機(jī)器人每次都從充電站出發(fā)，完成工作后再回到充電站。同時(shí)，不依賴于任何環(huán)境輔助，機(jī)器人完成在牛羊場(chǎng)自動(dòng)推送料，且確保機(jī)器人一旦碰到障礙物就停下，可行駛不同路線。機(jī)器人主要具有如圖1 所示的基本功能，包括自主建圖、POI 點(diǎn)標(biāo)定、自主路徑規(guī)劃、自動(dòng)充電、自動(dòng)避障以及系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能。

圖1 機(jī)器人基本功能Fig.1 Robot basic functions

（1）自主建圖：自動(dòng)構(gòu)建牛羊舍場(chǎng)景地圖，機(jī)器人閉環(huán)在牛羊舍每個(gè)角落行走一圈，利用激光雷達(dá)傳感器掃場(chǎng)景下輪廓，保存原始數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化成地圖文件；

（2）POI 點(diǎn)標(biāo)定：將牛羊舍場(chǎng)景中的特殊點(diǎn)標(biāo)定，如：初始點(diǎn)、充電點(diǎn)和導(dǎo)航點(diǎn)等；

（3）自主路徑規(guī)劃：機(jī)器人通過(guò)激光雷達(dá)傳感器掃描實(shí)時(shí)地圖與已有地圖對(duì)比，自主動(dòng)態(tài)規(guī)劃路徑到達(dá)飼喂點(diǎn)，采用最優(yōu)路徑并按照既定規(guī)劃路徑準(zhǔn)確行進(jìn)至目的地；

（4）自動(dòng)避障：機(jī)器人在行走過(guò)程中，會(huì)識(shí)別障礙物，并實(shí)時(shí)規(guī)劃路線，繞過(guò)障礙物繼續(xù)前往導(dǎo)航目的地；

（5）自動(dòng)充電：機(jī)器在電池電量低時(shí)，可以自動(dòng)返回至充電點(diǎn)充電；

（6）系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)：機(jī)器人可以對(duì)電池狀況，傳感器狀態(tài)，工作狀態(tài)等信息實(shí)時(shí)反饋。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)上述機(jī)器人作業(yè)環(huán)境，飼喂機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)主要包括如下三大功能模塊： 機(jī)器人移動(dòng)載體、螺旋混合送料機(jī)構(gòu)和絞輪推料裝置。

1）機(jī)器人移動(dòng)載體

機(jī)器人移動(dòng)載體以AGV 小車底盤開(kāi)發(fā)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。其行走方式為四輪承載，其中兩個(gè)前輪為驅(qū)動(dòng)輪，兩個(gè)后輪為萬(wàn)向輪作為從動(dòng)輪。

2）螺旋混合送料機(jī)構(gòu)

機(jī)器人通過(guò)螺旋混合機(jī)構(gòu)將各種草料及飼料充分混合均勻，采用電動(dòng)機(jī)控制雙螺旋送料機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)拋料。

3）絞輪推料裝置

絞輪推料裝置安裝在移動(dòng)載體前方，絞輪由移動(dòng)載體內(nèi)安裝的無(wú)刷伺服電機(jī)通過(guò)一級(jí)齒輪傳動(dòng)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞到絞輪，絞輪的旋料方向?yàn)榱喜鄯较颉ｏ暳蠈⒃诮g輪的作用下，被推搡至料槽內(nèi)，從而達(dá)到飼喂目的。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制軟件設(shè)計(jì)

飼喂機(jī)器人采用基于激光雷達(dá)SLAM 建圖方法，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在牛羊舍內(nèi)自主定位于自主導(dǎo)航，通過(guò)加裝超聲波雷達(dá)，機(jī)器人在遇到障礙物時(shí)自動(dòng)避障，并繼續(xù)沿著牛羊進(jìn)食通道前進(jìn)。機(jī)器人控制軟件功能模塊劃分如圖2 所示，包括手動(dòng)操作、導(dǎo)航與動(dòng)態(tài)避障、指定路徑、信息上傳存儲(chǔ)、跟隨人行走和自動(dòng)充電6 個(gè)部分。

圖2 機(jī)器人控制軟件功能模塊圖Fig.2 Robot control software function module diagram

3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

飼喂推料機(jī)器人硬件系統(tǒng)組成包括7 個(gè)部分，分別是：主控制器、觸摸顯示屏、4×4 矩陣鍵盤、通訊模塊、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及充電模塊，其中：傳感器模塊包括超聲波模塊、紅外模塊、攝像頭模塊與激光雷達(dá)傳感器模塊，機(jī)器人硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示，飼喂機(jī)器人硬件系統(tǒng)選型清單如表1 所示。

圖3 機(jī)器人硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Robot hardware system structure

表1 飼喂機(jī)器人硬件系統(tǒng)清單Tab.1 List of feeding robot hardware systems

上位機(jī)硬件選擇GS-SR03D-7 型主控制器，I7CPU，搭配Q170工業(yè)級(jí)芯片，2 個(gè)DDR4 SODIMM，32 GB；下位機(jī)硬件選擇STM32F407VE，自帶512512ROM。移動(dòng)客戶端采用Android 系統(tǒng)。

3.3 手機(jī)APP 設(shè)計(jì)

機(jī)器人人機(jī)交互客戶端采用Android 系統(tǒng)，選用K10G20-W-BT 型安卓屏一體機(jī)，APP 架構(gòu)如圖4所示，工作流程框架如圖5 所示。

圖4 APP 整體架構(gòu)圖Fig.4 APP overall architecture diagram

圖5 工作流程Fig.5 Work flow chart

4 結(jié)語(yǔ)

飼喂推料機(jī)器人樣機(jī)試制完成后，在甘肅省武威市普康集團(tuán)農(nóng)業(yè)有限公司進(jìn)行了試驗(yàn)，機(jī)器人自動(dòng)作業(yè)拋撒飼料并將散落的飼料推至食用區(qū)域內(nèi)，代替并節(jié)省2～3 人作業(yè)成本。同時(shí)還有具有以下優(yōu)點(diǎn)：①無(wú)人化操作，機(jī)器人24 h 運(yùn)行，提高牛羊采食量；②持續(xù)供應(yīng)飼料，改善牛羊交通，增加干物質(zhì)攝入量（+3.5%），夜間尤甚；③減少飼料殘?jiān)嵘齽?dòng)物健康水平；④粗糧飼料全天候供應(yīng)，增加推進(jìn)飼料頻率。

目前飼喂機(jī)器人在農(nóng)場(chǎng)中的應(yīng)用越來(lái)越多，通過(guò)結(jié)合新技術(shù)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能更精確加高效地完成飼喂任務(wù)，為我國(guó)農(nóng)場(chǎng)奶牛飼喂發(fā)展指明了方向。