基于智能巡检机器人的家禽健康管理系统研究

连京华 孙凯 祝伟 殷若新 韩艳 李惠敏

摘要：家禽健康管理一直是家禽养殖的重点和难点。基于智能巡检机器人的家禽健康管理系统可实现家禽的精细化健康管理，是一种创新型智能化管理模式。智能巡检机器人具有自主移动和自动避障功能，并搭载舍内环境指标监测、家禽体温检测、家禽声音监听、家禽行为监视以及病死禽定位等多项功能模块，可将监测到的数据信息通过无线通讯网络传至服务器端的监控平台进行存储、分析与决策，实现环境的智能调控、监测异常情况的自动报警以及疾病预警和快速处置，为家禽的健康生产保驾护航。

关键词：智能巡检机器人;家禽;健康管理系统

中图分类号：S126文献标识号：A文章编号：1001-4942（2019）07-0152-04

随着信息技术和计算机科学的发展，人工智能被越来越多地应用到各个行业，家禽养殖业也已步入了人工智能的新时代。智能机器人作为人工智能领域的分支之一，在我国畜牧产业中应用较多，例如：乳业中应用的“利拉伐”全自动挤奶机器人[1]，羊业中的“魔法”剪毛机器人[2]，畜禽场应用的智能消毒机器人[3]，牛、羊牧场中跟踪监控的视觉机器人[4]，猪、羊、禽等肉类屠宰机器人[2]等。近年来家禽业关于智能机器人的研究报道也越来越多，如农场机器人和自动化公司（Farm Robotics and Automation SL）研发的机器人，安装在禽舍天花板上，携带传感器，可以实时监测禽舍和家禽的情况[5];何林飞[6]研发的禽蛋捡拾并联机器人，可实现禽蛋从传送带到装盘的自动化过程。将家禽的传统养殖与人工智能技术融合发展，实现家禽生产管理的智能化、无人化和高效化，是新时代家禽业发展的需要。

目前家禽养殖呈现高度集约化、规模化，饲养方式多为阶梯式或H型笼养，笼层可高达5层以上，单位面积饲养密度大幅提高的同时，也给人工管理带来了诸多不便。如在日常管理中，需对逐层、逐个鸡笼的鸡群进行巡视，以了解鸡群动态，若鸡笼超过4层，则巡视时费时费力，极易使人产生疲劳感和厌烦情绪，影响对鸡群动态的关注度。基于此，我们设计了一款智能巡检机器人，不仅可以在禽舍内沿规划路径自主行走，自动升降，实现多点线式监测和巡回式多层监测，而且搭载多项监测模块，可实时监测鸡舍内温湿度、光照、有害气体浓度等环境指标以及家禽的体温、声音、行为动态，并能将所监测到的数据信息无线传输至服务器监控平台，利用家禽健康管理功能软件进行分析、判别，及时发现家禽的异常情况和疫病兆头，尽早处置和采取防范措施，避免疾病的发生和大面积传播，更好地实现家禽健康管理和高效安全生产。

1 智能巡检机器人的设计

我们基于功能符合实际生产需求、结构科学合理、尺寸和体积适宜标准鸡舍的原则，综合考虑标准化鸡舍纵向笼列的水平间距（或笼具至墙面水平间距）、照明灯具高度及其他可能影响到机器人运行的因素，设计了一款智能巡检机器人（图1）。该机器人的长、宽、高分别为90、72、160 cm，主要分为智能巡航模块、自适应升降模块、信息采集与传输模块三部分，可代替人工对鸡舍进行自动巡视。

1.1 智能巡航模块

包括驱动系统、动力系统、惯性导航模块等，可实现机器人自主移动、自动避障、自行回归充电等基本功能。

1.2 自适应升降模块

包括升降支架、升降动力系统、承载平台等，可调控信息采集模块的升降，实现多层鸡笼的高效巡视。

1.3 信息采集与传输模块

包括各环境参数传感器、红外线热成像仪、拾音器、高清广角摄像头和全向无线网桥传输模块等，可实现鸡群体温、声音、动态及环境指标的实时采集与传输。

2 智能巡检机器人基本功能的实现

2.1 自主移动与导航定位

巡检机器人的自主移动和定位依靠惯性导航系统来实现。该系统是一种自主式导航系统，利用惯性元件（加速度计）测量机器人的加速度，经积分和运算获取速度和位置，从而达到对机器人导航定位的目的[7]。主要涉及地图、路径规划和定位，地图是映射巡检机器人运行环境的模型，是巡检机器人路径规划的平台;路径规划是指巡检机器人按照某一性能指标，在地图中搜寻一条从起始状态到目标状态的最优无碰路径;而定位是确定巡检机器人在运行环境中相对于全局坐标的位置及其本身的姿态，是保障巡检机器人导航质量的基本环节[8]。

2.2 自动避障

采用激光雷达避障系统实现巡检机器人行进中自动避障。机器人利用激光雷达精准判断和测距前方和周边的障碍物，在与障碍物间隔一定距离时自动停止，并修正方向躲避障碍物继续前行。

2.3 智能升降

升降平台采用剪叉式机械结构，在动力驱使下可携带所有监测设备进行垂直方向的升降运动。当检测完一层鸡笼后，机器人原路返回，同时检测平台自动上升或下降至一定高度，从而实现对不同层次鸡笼的监测。

2.4 自主回归充电

巡检机器人可进行动力电源的自检，当检测到自身电量不足时，可根据电磁定位引导控制算法自动返回充电站充电。充电站利用红外引导校准方式，实现机器人与充电站的准确对接。

3 家禽健康管理功能的实现

3.1 舍内环境智能监控

舍内环境监控是家禽饲养过程中极为重要的一个环节，一般通过设置固定监测点进行。但由于固定監测布点太少，且仅监测温湿度，不能全面、精准地反映整栋禽舍环境及空气中有害物质的状况。而巡检机器人搭载的环境智能监控系统，可通过传感器实时监测舍内温度、湿度及空气中氨气、粉尘、二氧化碳等有害物质浓度，并可将采集的数据无线传输至服务器监控平台，利用平台的专业化智能处理系统对海量数据进行统计、分析，当某项指标超出预设的阈值范围时，系统就会进行异常报警，并向现场的环控器发送调控指令，启动相关环控设备，实现远程控制。

3.2 家禽体温异常检测

鸡属于恒温动物，通常体温稳定在41℃左右，当患急性传染病时体温会急剧升高，而患营养缺乏病和部分中毒病则会导致体温下降[9]。因而，体温高低是鉴别家禽患病与否的重要症状之一。巡检机器人搭载的体温检测仪是利用红外热成像原理，即利用光学成像物镜接收被测家禽的红外辐射，将能量分布反映到红外探测器的光敏元件上，生成红外热像图[10]，并转换成温度数值，从而实现非接触性精准测温。个体病理状态下测得的红外热像图谱与正常健康状态下的红外热像图谱不同，特别是头部和腿/足部表面温度存在较大差异[11]，通过比对和分析两种状态下不同体表区域的温度，可初步判定是否为病理性发烧。

3.3 家禽声音监听

声音监听技术是现代家禽健康管理的一项重要新技术。通过监听家禽呼吸道发出的特征性声音判断家禽是否患病。通常来说，禽舍内会有各种各样嘈杂的声音，但在家禽患有呼吸道疾病时，会发出特征性声音，如打喷嚏、咳嗽、喘鸣、呼吸罗音等。利用拾音器采集禽舍内的音频，上传至服务器监控平台，然后利用家禽声谱分析技术对大量声谱图进行智能化分析和辨别，捕捉呼吸系统所发出的异常音频，及时发现家禽异常。声音监听效果易受到环境噪音的影响，如在音频采集过程中不可避免地受到舍内风机噪声的干扰，从而降低识别的准确率[12]。因此，最好选在夜晚安静时监听，准确率更高，效果更好。

3.4 家禽行为监视

行为监视技术是目前比较容易做到的健康管理技术。利用高清数码摄像机，实时采集家禽的各种行为动态视频图像，通过无线通信模块传输到监控平台进行分析判别[10]。监控平台嵌入了家禽行为图像识别系统，预置大量禽只正常生理活动如站立、靜卧、采食、饮水、产蛋等表现时的各式各样行为动态图像，特别是啄羽（啄肛）、扭颈、吊颈、头部痘痂、足部发炎、外伤出血等异常图像。将现场采集的视频信息自动与之识别，判定家禽行为是否正常，及时捕捉反常行为动态和意外情况。

3.5 病死禽定位

通过巡检机器人监测到的某区域笼具内家禽个体体温升高或捕捉到的一定范围内家禽声谱或行为图像异常，监控平台可以第一时间对异常情况进行区域锁定，便于人工及时采取处置措施。

4 数据信息的传输与分析处理

巡检机器人监测到的环境指标数据、红外热像图、音频、视频图像等信息，均通过通信链无线输出，传至异地服务器监控终端。通信链路设计采用2.4/5.8 G无线通信，带宽150 M，可实现多路数据和图像的即时、稳定传输。

服务器监控终端接收并存储传来的各路数据信息，利用环境监控软件及家禽体温、声音和行为专业处理软件对数据信息进行智能化分析，最终形成决策和预警，如在发现信息异常情况下启动报警程序;实现数据、图像实时监控和历史查询;实现机器人运动姿态控制、运行轨迹查询、机器人参数设定及通信控制等。

5 智能巡检机器人的应用场景

主要应用于家禽笼养模式，包括阶梯式笼养、H型笼养或本交笼养，且舍内的笼具、笼具之间地面水平间距、设施设备等固定不变，地面为水泥硬化平整地面，以保证智能巡检机器人在舍内具有固定的、相对简单的应用场景。在激光雷达和惯性导航的支持下，智能巡检机器人可在禽舍内设计规划路径，并按规划路径自主行走、避障和拐弯，实现横向逐笼巡检，同时通过智能升降模块实现纵向逐层巡检，使禽舍巡检不留任何死角。也可对舍内局部位置进行重点监测，如监听到鸡只有喘鸣异常音，可对疑似发声的区域进行重点监听，最终辨别定位。

6 讨论与结论

智能巡检机器人嫁接家禽健康管理新技术是家禽饲养管理的重大创新，是现代人工智能技术在家禽养殖业中的具体应用。近年来，在国家层面大力倡导“智能+”的背景下，要高度重视人工智能与传统家禽业的融合发展，深入研究人工智能技术在家禽生产各个方面的应用，用新一代信息技术促进我国智能化家禽业的实现。

应用基于智能巡检机器人的家禽健康管理系统，不仅可以代替人工日常繁重的巡视，使健康巡视智能化，而且可实现大环境到个体体温、声音和动态的检测和监控，能及时发现异常情况和疾病趋势，防患未然。但有的健康管理技术如家禽体温检测技术、家禽声音监听技术还不够成熟，技术上有一定的难度，有待进一步研究和优化。

目前的智能巡检机器人受功能需求和工艺材质的影响，外型比较粗犷，体积大、质量重，今后还需结合实际应用效果进一步调整优化，以实现其可加工复制和商品化。

参 考 文 献：

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[3]谷朝勇. 基于ARM7的畜牧养殖智能消毒机器人控制系统设计[J].电子技术，2010（9）：28-30.

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