養殖場畜禽糞便清掃智能機器人設計＊

焦文瑾，成維莉，王思璇

（江蘇農牧科技職業學院，江蘇 泰州 225300）

智慧農業是一種新興的農業模式，融合了物聯網、無線網絡互連、傳感器和軟件等多種現代化技術，其優點是自動化、智能化、高效率。畜牧業作為農業的重要分支，也朝著自動化、智能化的方向發展。目前，這種新的模式已被廣泛用于飼料加工和投喂、畜禽舍環境控制、畜禽疫病防治等工作中，使用傳感器采集數據，并通過網絡發送到控制中心，控制中心對數據進行分析并作出決策，實現及時處理和精準控制，并使資源利用率達到最大化。人工智能在畜牧業的廣泛應用，不僅節約了人力成本，也提高了工作效率，改善了畜禽的生存環境，可以說是一舉多得，從而推動了中國畜牧業快速發展[1]。

1 研究背景及目的

在畜禽養殖行業中，垃圾清理，特別是畜禽糞便的清掃，一直是個難題。傳統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，工作環境差。因畜禽養殖環境的特殊性，養殖工人常常要在潮濕的環境下進行工作。養殖場中的各種垃圾和動物糞便長時間暴露在空氣中，容易產生各種難聞的氣味。惡劣的工作環境讓清掃工人難以適應，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，甚至動用強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度。況且，養殖場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，導致清掃的效率低下。針對上述問題，本項目將設計一種處理畜禽糞便的智能清掃機器人，該機器人針對復雜的畜禽養殖環境，在清掃工作中加入了傳感器模塊來感應和識別障礙物，并加入路徑規劃及避障策略，使得智能清掃機器人在較為復雜的環境中也能很好地工作[2]，具有高效、智能的特點，能夠很好地緩解勞動力不足的現狀，為中國畜禽養殖業的智能化發展提供技術支持。

現代畜禽養殖場一般有集中的飼養區域，由于不同動物的生活習性不同，一些大型養殖場還配有專門的放養區域，如圖1 所示。

圖1 養殖場地形圖

集中飼養區域多為方形結構，中間是過道，兩側分為多個飼養區域，由柵欄或矮墻隔開。這種區域障礙物較多，清掃時合理的路徑規劃和良好的避障措施非常重要，對于一些角落的清掃也要加大力度。同時，由于場地比較封閉狹小，工作時也要保持安全的行進速度。放養區域多為草地，地形比較平坦開闊，清掃工作相對簡單，需要注意對場地植被的保護。

綜合畜禽養殖場的各種特點，制定了以下設計方案。

2 整體設計方案

2.1 系統結構

本項目機器人集傳感器系統、主控制系統、驅動系統于一體。其主要工作原理是通過傳感器系統檢測并識別前方狀況，再通過無線技術將信息傳送給主控制系統，由主控制系統對其進行分析后，向驅動系統發送信號，驅動系統則根據具體信號作出相應反應，其工作流程如圖2 所示。

圖2 主要工作流程圖

當傳感器沒有檢測到障礙物時，主控制器控制驅動系統繼續前進；當傳感器檢測到障礙物時，機器人停下，由主控制系統分析障礙物的大小并發出相應指令。對于小型障礙物（如糞便、垃圾等），則控制驅動系統使其清掃；反之，對于大型障礙物（如圍欄、墻壁等），則控制驅動系統避讓或掉頭。

2.2 主要組成部分

清掃機器人主要由硬件系統和軟件系統組成，考慮到畜禽養殖場工作的特殊性（保證畜禽正常生活、保護養殖場地等），為了避免機器人產生負面的影響，本系統還設有安全系統。

3 系統硬件設計

3.1 基礎硬件

基礎硬件分為電源、紅外遙控和電動機，具體情況如下。

電源：使用2 塊工作電壓為12 V 的鉛蓄電池，其電量足以保證機器人連續工作數小時，能夠反復充電使用，滿足清掃工作需求。

紅外遙控：利用帶有紅外發射器的遙控器控制機器人的啟動和關閉。在不同的工作環境下還可以調整機器人的輸出功率，以提高清掃工作的效率。

電動機：它是可以將電能轉換成動能的機器，主要應用在本系統的驅動系統和執行系統的部分零件中。本系統采用調速電動機，可以根據輸入電功率的大小改變轉動速度。

3.2 傳感器系統

本機器人采用的傳感器系統主要有超聲波傳感器和壓力傳感器。

3.2.1 超聲波傳感器

本系統機器人采用HY-SRF05 超聲波模塊，其工作距離可達2～450 cm，檢測精度可達3 mm，完全能夠滿足清掃工作的需要。在本系統中，采用超聲波傳感器有2 個用途：①超聲波識別。其工作原理是，機器人向前方發出超聲波，超聲波觸碰到障礙物后返回，并被傳感器接收。根據發出和接收的時間差，來判斷距障礙物的距離，憑借模塊高精度的特點，就可以判斷障礙物的形狀和大小。②超聲波測速。其工作原理是，在機器人行進過程中，取前方參照物上的一點，短時間內2 次向其發出超聲波，得出2 次發出和接收的時間差T1、T2和2 次發出的時間間隔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量，在防止溢出的同時，延長垃圾箱的使用壽命。當垃圾總質量達到設定值時，其對傳感器的壓力達到特定值，再由壓力傳感器發送信號給主控制器，使機器人暫停工作。

3.3 運動系統

該機器人擁有2 個驅動輪和2 個從動輪，其中，后輪為驅動輪，2 個驅動輪由2 個功率可調的電動機單獨控制，可以通過控制2 個輪子的轉速來實現機器人的轉向。2 個前輪為從動輪，從動輪選用的是萬向輪，能夠靈活地向各個方向轉動，能夠很好地適應養殖場的各種復雜地形，和驅動輪配合也能更好地完成清掃工作[4]。

3.4 執行系統

機器人的執行系統由圓形拖把、鐵鏟、吸塵口和垃圾儲存箱組成。具體結構如下：前段上部分為2 個圓形的拖把，下部分為可伸縮式的鐵鏟，兩部分均可自由活動；中段為吸塵口和2 個電動機（分別連接鐵鏟和圓形拖把）；后段連接1 個垃圾儲存箱。當檢測到前方有糞便時，2 個圓形拖把以相反的方向向內旋轉，將前方糞便掃到吸塵口旁，再通過吸塵口將糞便吸進垃圾儲存箱。遇到比較黏稠、難以清掃的糞便時，可由鐵鏟先將其鏟起，再進行下一步清掃工作。相比于人工清掃，其優點是，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小垃圾并且減少遺漏，垃圾箱可以暫時儲存部分垃圾，以保證清掃工作的持續進行。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，還可對地面進行拖洗，一舉多得，以達到更好的清潔效果[5]。

4 系統軟件設計

4.1 基礎軟件

基礎軟件主要用來采集和處理數據，主控制器通過收集各個傳感器檢測到的數據，并且對各種數據進行綜合分析，自動選擇最合適的工作方案，并且向其他各系統傳達相應信息。

4.2 路徑規劃

畜禽養殖場的地形復雜，給糞便清掃工作帶來了許多不便。人工清掃時，由于人體靈活的優點，足以在根據地形及時調整工作方式，以達到工作效率的最大化。然而，對于機器人來說，錯綜復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劃，提高工作的效率。

畜禽養殖場的地形大致分成2 類，可分別采取不同的路徑規劃方案，具體如下。

在相對平坦開闊的地形中，采用S 形路徑的方案，即在角落處規定一個起點，向一個方向直線行走，在檢測到大型障礙物時向左或右（根據實際情況確定）轉90°，向前行走一個機身位，再向左或右（與之前同向）轉90°，然后繼續向前直線行走，如此往復。該方案的優點是整個場地全面覆蓋，極少有遺漏地點[6]。

在相對崎嶇閉塞的地形中，采用隨機選擇路徑的方案，即在一定區域內隨機行走，此方案的優點是同一地點多次清掃，清潔更加徹底，也更加適合特殊地形的清掃工作。但其缺點也較為明顯，即方案實施的困難（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到工作效率的最大化[7]。

5 安全系統

在畜禽養殖工作中，相較于人工清掃，清掃機器人可能存在以下問題。

機器人在進行清掃工作時，電動機和部分執行系統會發出噪聲，可能會影響畜禽的正常生活，甚至使其受到驚嚇；機器人行進過程中由于速度過快或失控等問題，可能會對畜禽和場內工人造成傷害；對于一些特殊場地（如草坪），在清掃工作過程中可能會對其植被產生破壞，從而破壞養殖場的環境。

針對以上問題，本項目設計了安全措施。機器人的外殼由較軟的隔音材料制成，減小噪聲的同時又能夠在發生意外時盡可能減少對畜禽和工人的傷害。超聲波傳感器附帶有測速功能，當檢測到機器人行進速度過快時（超出設定速度）會向主控制器發出信號，由主控制器控制運動系統使其減速，將速度控制在一定范圍內，避免因速度過快導致機器人失控撞傷畜禽和工人。同時，機器人整體采用較輕的材質，以減輕對植被的壓力。在清掃過程中，當傳感器檢測到附近有植被時，機器人的尖銳物體（如鐵鏟）會收起至內部，以避免對植被產生傷害。

6 結束語

智慧農業的發展促使了本系統的產生，人工智能技術為本系統提供了技術支持。畜禽糞便清掃機器人具有自動化、智能化的特點，其使用方便，干凈環保，很好地解決了人工清掃的諸多問題，減少了畜禽養殖業的人工成本，提高了清掃工作的效率，將有效地促進中國畜禽養殖業的發展。