一種智能捕鼠裝置的研究

史楊，任宇翔，劉淋淋，高琦恒，周波，徐永良

（牡丹江醫學院 醫學影像學院，黑龍江 牡丹江 157011）

0 引言

隨著人們生活水平提高，老鼠經常出現在人們的生活中。傳統的捕鼠器和老鼠藥會造成很大的環境污染。據調查，現有市場上沒有一款老鼠藥能在幾分鐘內使老鼠致死。通常情況下，老鼠在中毒的2到8小時內仍然具有行動能力，并且行動范圍不受限制；如果行動至水庫或人類生活用水區域，尸體的腐爛和藥物的殘留會對周圍的水源造成二次污染，反而加速了病菌微生物的傳播[1]。現如今人們主要采用陷阱物理方法消滅老鼠，但是成效不明顯，后續打包處理工作繁瑣。

基于以上兩種情況，市場需要一款既不污染環境又能獨立運行的智能捕鼠裝置。

1 智能捕鼠裝置總體設計思路

智能捕鼠裝置主要由誘捕裝置和智能捕鼠器兩個部分構成，前者由誘捕丸和墻角模擬外殼組成。智能捕鼠器依靠驅動裝置提供動力，且包含紅外檢測和打包裝置系統。

（1）誘捕裝置：誘捕裝置中有粘板和誘捕丸。將誘捕丸放在圓形粘板上方，我們利用它的香味可引誘老鼠前來覓食。老鼠一旦觸碰到誘捕丸，就會掉落在下方的粘板，以限制老鼠行動，這為誘捕丸上含有的藥效強勁的溴敵隆致毒提供時間，也方便捕鼠器對老鼠的追蹤。

圖1 智能捕鼠器

（2）紅外檢測裝置：當老鼠掉入粘板，會觸動紅外線開啟系統，紅外檢測裝置將會把老鼠出現的信號發送給驅動裝置。

（3）驅動裝置：驅動裝置接收到信號后，滑輪裝置可根據信號進行快速自由移動的功能。

（4）打包裝置：打包裝置將儲藏室里喪失行動能力的老鼠真空抽氣并將其密封裝袋。

2 智能捕鼠裝置設計理論依據

（1）H∞濾波器執行紅外運動預測并跟蹤：所有不處于絕對零度的物體，均會發出不同波長的電磁輻射，物體的溫度越高，分子或原子的熱運動越劇烈，紅外輻射越強，且輻射的頻譜分布和波長與物體的性質和溫度有關。為了對體積小的老鼠進行濾波和預測，H∞濾波器以預測目標的一個領域作為匹配的搜索范圍，實現對紅外微小目標對象的跟蹤[2-4]。圖2中方形小矩形框是H∞濾波器的預測位置，要跟蹤的目標就是方框附近的白色小目標。從圖中能看出，背景的變化不會產生明顯干擾，濾波器能預測目標的位置；我們也可以看出只要選擇合適的跟蹤鄰域，是能快速地找到目標點的。只要預測位置與實際目標的位置比較接近，目標的相關匹配就相對容易。

圖2 第9、69、109 以及159 幀目標的預測位置和實際位置圖示

（2）控制系統設計移動：運動裝置內部通過各種類型的傳感器收集外部環境數據，計算機接收這些環境數據，并結合來自人機界面的任務命令進行任務分解處理。同時運動控制器接收來自編碼器等設備的反饋信號，這些反饋信號將用于監測運動控制結果，發送給計算機，形成一個閉環控制[5-6]。

根據上述的工作流程分析，結合本輪式移動裝置的實際情況，最終得出具體的控制系統命令傳遞圖。

圖3 控制系統命令傳遞圖

（3）復雜環境下路徑規劃：經過紅外探測感知周邊環境，利用啟發式搜索算法（A＊算法）在環境信息已知情況下的全局路徑規劃。通過修改啟發函數h(n)在評價函數f(n)中的權值，找到一條從起始點到目標點的全局最優路徑，并通過仿真實驗驗證了該算法具有減少計算復雜度和減少移動機器人運動復雜度等優點。

（4）老鼠尸體自動打包：根據老鼠儲存室的功能要求，我們運用基于齒輪和同步傳送帶組合傳動方式的開蓋和打包機械結構；采用了發熱芯作為熱熔斷的裝置；采用了真空吸氣式自動套裝垃圾袋的方式；設計了基于單片機的自動感應開蓋、自動封口和熱熔斷的控制系統，以便實施對老鼠尸體密封打包。

3 系統實驗

（1）準備階段。了解市場背景，該產品對女性顧客的需求匹配度更高，避免傳統捕鼠方法帶來的麻煩和危害。分析現有各類捕鼠器的優缺點，將該產品定位為安全、便捷、干凈的捕鼠器，設計出基本理論模型。并用電腦繪出具體裝置，購買材料。

（2）實施階段。預實驗：提前三天在實驗室內放入10只老鼠，實驗人員將裝置放在墻壁角落，處于陰暗環境中。實驗人員離開后開始觀察記錄。從第1只老鼠觸碰誘捕丸開始計時，老鼠掉入粘板后，智能捕鼠器依據紅外線準確追蹤到老鼠位置，通過傳送帶到達儲藏室，接著進入打包室，通過真空臭氣和熱塑處理，老鼠已被打包處理完成并送出。整個過程僅花費6分28秒。24小時后已成功打包7只并且死亡率和密閉性達到100%。

對照實驗：我們把智能捕鼠裝置，粘鼠板和普通老鼠藥分別放在同樣的模擬環境中，每個環境中分別投放20只老鼠，并每隔一天統計捕鼠成果并重復實驗共五天，分為1，2，3，4，5組。記錄實驗數據，繪制表格。

圖4 實驗數據和表格

（3）總結。通過預實驗，驗證了產品完全滿足我們設想的要求能捕捉并打包好老鼠，之后的對照實驗，證明了，在排除老鼠活動不確定的干擾下，在相同環境下我們的產品相對傳統的捕鼠裝置更高效。

4 結語

本產品采用熱紅外成像能輔助儀器更好地完成后續工作的進行。除此之外，本文還對圖像處理過程中的分辨力進行算法處理，提高圖像分辨率，比單純的可見光更加可靠，并對兩者進行有機結合。本文所設計的裝置對環境的適應力更強。設計與使用方法較傳統的捕鼠器具有明顯的創新，使用簡單且高效，且不需清掃，可以重復使用。符合現代社會對保護環境，節約資源的要求。