牛舍清洁机器人设计及模型建立

陈蕾

摘要：开发一种能够用于牛舍自主充电与自主加水的轮式清洁机器人。阐述了牛舍清洁机器人的发展以及研究意义，对牛舍清洁机器人的总体结构进行设计，对超声波测距工作原理进行了详细介绍，并且构建环境模型，从而能够全天候的对牛舍进行清洁工作，时刻保证牛舍的清洁与卫生。

关键词：牛舍清洁机器人；智能；路径规划；超声波传感器

中图分类号：TP242文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.01.001

0引言

现如今，科技发展迅速，机器人技术的发展更是广泛应用到社会、家庭的各个方面，自主式智能清洁机器人在目前服务机器人中最具有代表性，自主式智能清洁机器人的推广更是普遍，在自主式智能清洁机器人中，牛舍清洁机器人的问世，将会在未来無人作业牛舍清洁领域起到巨大的作用，牛舍、猪舍的清洁工作不但辛苦，而且气味难闻，工作人员若没有将其清洁干净，很可能会使奶牛患上乳房炎等疾病，因此为了使牛舍24 h保持干净与卫生，且节省大量的劳动力，设计与研究这类清洁机器人对社会生产的发展将会有着非常深远的意义[1]。

1牛舍清洁机器人的整体结构

牛舍清洁机器人系统主要包括机器人本体、牛舍的工作环境及需要做的清洁工作任务。

牛舍清洁机器人的结构主要包括传感部分、电源、控制系统、清扫喷水功能以及行走机构。控制系统主要包括行走驱动单元、运动控制单元、电源管理单元。行走机构包括车轮、电机与减速装置。清扫喷水功能包括泵、水箱、喷头和刮粪板。传感部分主要包括机身的超声波传感器及碰板，碰板系统是双自由度，其他的系统都是单自由度与牛舍清洁机器人机身连接[2]。

牛舍清洁机器人的主要传感部件包括红外探测传感器与超声波传感器。红外探测传感器主要是通过红外波发射与接收，来检测出牛舍清洁机器人周围有无障碍物，从而避免牛舍清洁机器人与障碍物之间的碰撞。超声波传感器的作用是检测清洁机器人与墙或者牛栏等障碍物之间的距离，对于牛舍环境地图的建立有着重要的作用，最终确定清洁机器人在牛舍环境地图中的具体位置。碰撞开关是用来辅助传感器部件，当红外线检测不到某些障碍物的情况下，如障碍物比较小或者红外传感器对障碍物的颜色不敏感的时候，碰撞开关则会起作用，也是属于接触避障，直流减速电机本身所带的光电码盘是用在获取牛舍清洁机器人的速度和其距离信息，牛舍清洁机器人通过控制器实现对不同传感信号的检测与处理，分析并实现其行走路径的规划，通过牛舍清洁机器人的电机驱动电路来驱动两边的减速电机，从而带动牛舍清洁机器人的左右轮的转动，实现机器人自主移动的功能，同时，牛舍清洁机器人机身携带的水箱与刮粪板装置，通过不断的喷水进行软化牛舍的牛群粪便，刮粪板将其粪便刮至漏缝地板下，从而进行牛舍地面的清洁工作，牛舍清洁机器人的总体设计架构图如图1所示。

2超声波传感器的工作原理

在我们身边，我们听到的各种声音，均是由物体振动所产生，振动的频率超过一定的范围值时，叫做超声波，振动的频率低于一定的范围值时叫做次声波。目前我们所常用的超声波频率很高，一般它的方向性好、穿透的能力强，且沿着直线型传播。超声波测量距离的仪器就是通过超声波遇到杂质或者分界面的时候产生反射波的这一特性研制而成，为了研制超声波测量距离的一种传感器，我们可以通过超声波传播的频率越高，反射能力越强的特性，超声波在空气中的传播速度很慢，我们可以通过测量其波的传播时间、测量距离或者厚度来进行应用[3]。

超声波传感器主要的组成部件是压电晶片，可以接收和发射超声波，压电陶瓷片或者石英晶片均可用来制作压电晶片，压电的陶瓷片的优点是其灵敏度很高，缺点是其热稳定性低，超声波传感器的核心是压电陶瓷晶片，除了压电晶片外，超声波传感器还包括金属网格和锥形辐射喇叭等组成，金属网格的作用是保护，锥形辐射喇叭的作用是发射与接收超声波，使其能量得以集中，超声波传感器在使用的时候包括反射式与直射式两种形式，当我们在发送装置双振子端施加电压时，通过逆电压效应来发送超声波信号[4]，超声波接收装置通过正压电效应，对接收到的超声波信号进行放大处理。其工作原理具体如图2所示。

3环境模型建立

牛舍清洁机器人通常情况下会工作在一个包括很多固定障碍物的封闭空间，清洁机器人一般工作在一个包含有各种孤立障碍物的封闭区域中。全区域覆盖的路径规划是建立在由各种基本无障碍区域路径规划与障碍物连接起来的组合区域之上的。而全区域路径规划又不仅仅是基本无障碍区域路径规划的简单叠加，而是需要考虑避障以及高覆盖率和低重复率等指标。这就需要能够准确的感知周围的环境，并建立地图模型，规划出连续的一系列路径，以达到要求的指标，实现全覆盖清扫。在进行环境模型建立的过程中需要获得周围环境信息，对这些环境信息进行表示，最后根据环境信息进行实时更新环境地图。牛舍清洁机器人工作环境大多是不确定的，当其在行走的过程中，利用牛舍清洁机器人机身安装的传感器感知周围环境并获取信息，从而建立相应的地图模型，生成机器人的行走路线。清洁机器人沿边学习规则为在其沿边行走的过程中，通过左/右侧超声波传感器测得机器人到房间内障碍物边界的距离信息，并存储在数组中。同时记录编码器测得的机器人沿边行走的横向和纵向距离以及转角信息。与之前国内外学者所做的研究不同的是机器人并不是简单的沿环境的墙壁或靠墙障碍物行走一周，最终只描绘出环境的轮廓信息，而是在学习完房间的一条边后，统计超声波传感器测得的房间障碍物边界距离数据，找到合适的距离，作为清洁机器人向中扩展清扫的距离，划分出相应的子区域，进而进行子区域的遍历[5]。

牛舍清洁机器人在进行环境模型建立过程中主要运用的是沿边学习，其具体特征包括牛舍清洁机器人从原点出发，通过其自身的红外传感器以及碰撞开关，保证机器人沿墙壁或牛栏前进，在行驶过程中，机身安装的超声波传感器获取牛舍中的障碍物距离信息，并保存在数组中，同时，牛舍清洁机器人安装的编码器与陀螺仪传感器通过扩展卡尔曼滤波进行信息融合，估计出牛舍清洁机器人的位置，记录牛舍清洁机器人在沿边学习中机身位置的变化，根据机身安装的陀螺仪传感器测出的角度信息，进而判断出牛舍清洁机器人当前的方向，根据编码器获取的数据计算出移动的距离。在沿边学习结束后，通过超声波传感器及编码器可获取牛舍的长和宽，牛舍清洁机器人在通过其左右转弯的次数可以判断其前进的方向是横向或纵向。

4结语

阐述了牛舍清洁机器人的发展及研究意义，并对其超声波传感器的工作原理进行详细的介绍，对牛舍清洁机器人总体结构进行了设计，最终建立基于全区域覆盖路径规划的环境模型，对清洁机器人领域的发展有着重要的意义。

参考文献：

[1]李琳.清洁发展机制下碳排放权的会计处理模式[J].黑龙江八一农垦大学学报，2013（2）：95.

[2]周学益.清洁机器人全区域覆盖路径算法与避障控制研究[D].重庆：重庆大学，2007.

[3]万鸾飞.清洁机器人的路径规划及自充电系统[D].合肥：合肥工业大学，2009.

[4]高玉麒.家庭清扫机器人嵌入式覆盖算法与自主充电算法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006.

[5]王以伦，邓宝林，王洪涛，等.清洁机器人的自动避障控制系统[J].中国科技信息，2005.

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