养殖场畜禽粪便清扫智能机器人设计＊

焦文瑾，成维莉，王思璇

（江苏农牧科技职业学院，江苏 泰州 225300）

智慧农业是一种新兴的农业模式，融合了物联网、无线网络互连、传感器和软件等多种现代化技术，其优点是自动化、智能化、高效率。畜牧业作为农业的重要分支，也朝着自动化、智能化的方向发展。目前，这种新的模式已被广泛用于饲料加工和投喂、畜禽舍环境控制、畜禽疫病防治等工作中，使用传感器采集数据，并通过网络发送到控制中心，控制中心对数据进行分析并作出决策，实现及时处理和精准控制，并使资源利用率达到最大化。人工智能在畜牧业的广泛应用，不仅节约了人力成本，也提高了工作效率，改善了畜禽的生存环境，可以说是一举多得，从而推动了中国畜牧业快速发展[1]。

1 研究背景及目的

在畜禽养殖行业中，垃圾清理，特别是畜禽粪便的清扫，一直是个难题。传统畜禽粪便清扫大多由人工完成，人工清扫存在着许多问题。首先，工作环境差。因畜禽养殖环境的特殊性，养殖工人常常要在潮湿的环境下进行工作。养殖场中的各种垃圾和动物粪便长时间暴露在空气中，容易产生各种难闻的气味。恶劣的工作环境让清扫工人难以适应，因而降低工作效率。其次，粪便清理难度大。有些粪便较为黏稠，粘在地上难以清理干净，往往需要工人使用更大力气，甚至动用强力的清洁剂才能处理干净，这不仅增加了成本，而且增加了工人的工作强度。况且，养殖场难免存在各种犄角旮旯，人工清扫工具难以介入，人工清扫也难免有所遗漏，导致清扫的效率低下。针对上述问题，本项目将设计一种处理畜禽粪便的智能清扫机器人，该机器人针对复杂的畜禽养殖环境，在清扫工作中加入了传感器模块来感应和识别障碍物，并加入路径规划及避障策略，使得智能清扫机器人在较为复杂的环境中也能很好地工作[2]，具有高效、智能的特点，能够很好地缓解劳动力不足的现状，为中国畜禽养殖业的智能化发展提供技术支持。

现代畜禽养殖场一般有集中的饲养区域，由于不同动物的生活习性不同，一些大型养殖场还配有专门的放养区域，如图1 所示。

图1 养殖场地形图

集中饲养区域多为方形结构，中间是过道，两侧分为多个饲养区域，由栅栏或矮墙隔开。这种区域障碍物较多，清扫时合理的路径规划和良好的避障措施非常重要，对于一些角落的清扫也要加大力度。同时，由于场地比较封闭狭小，工作时也要保持安全的行进速度。放养区域多为草地，地形比较平坦开阔，清扫工作相对简单，需要注意对场地植被的保护。

综合畜禽养殖场的各种特点，制定了以下设计方案。

2 整体设计方案

2.1 系统结构

本项目机器人集传感器系统、主控制系统、驱动系统于一体。其主要工作原理是通过传感器系统检测并识别前方状况，再通过无线技术将信息传送给主控制系统，由主控制系统对其进行分析后，向驱动系统发送信号，驱动系统则根据具体信号作出相应反应，其工作流程如图2 所示。

图2 主要工作流程图

当传感器没有检测到障碍物时，主控制器控制驱动系统继续前进；当传感器检测到障碍物时，机器人停下，由主控制系统分析障碍物的大小并发出相应指令。对于小型障碍物（如粪便、垃圾等），则控制驱动系统使其清扫；反之，对于大型障碍物（如围栏、墙壁等），则控制驱动系统避让或掉头。

2.2 主要组成部分

清扫机器人主要由硬件系统和软件系统组成，考虑到畜禽养殖场工作的特殊性（保证畜禽正常生活、保护养殖场地等），为了避免机器人产生负面的影响，本系统还设有安全系统。

3 系统硬件设计

3.1 基础硬件

基础硬件分为电源、红外遥控和电动机，具体情况如下。

电源：使用2 块工作电压为12 V 的铅蓄电池，其电量足以保证机器人连续工作数小时，能够反复充电使用，满足清扫工作需求。

红外遥控：利用带有红外发射器的遥控器控制机器人的启动和关闭。在不同的工作环境下还可以调整机器人的输出功率，以提高清扫工作的效率。

电动机：它是可以将电能转换成动能的机器，主要应用在本系统的驱动系统和执行系统的部分零件中。本系统采用调速电动机，可以根据输入电功率的大小改变转动速度。

3.2 传感器系统

本机器人采用的传感器系统主要有超声波传感器和压力传感器。

3.2.1 超声波传感器

本系统机器人采用HY-SRF05 超声波模块，其工作距离可达2～450 cm，检测精度可达3 mm，完全能够满足清扫工作的需要。在本系统中，采用超声波传感器有2 个用途：①超声波识别。其工作原理是，机器人向前方发出超声波，超声波触碰到障碍物后返回，并被传感器接收。根据发出和接收的时间差，来判断距障碍物的距离，凭借模块高精度的特点，就可以判断障碍物的形状和大小。②超声波测速。其工作原理是，在机器人行进过程中，取前方参照物上的一点，短时间内2 次向其发出超声波，得出2 次发出和接收的时间差T1、T2和2 次发出的时间间隔ΔT，通过以下公式求出速度V。

3.2.2 压力传感器

垃圾储存箱底部装有压力传感器，其作用是控制垃圾箱的最大存储量，在防止溢出的同时，延长垃圾箱的使用寿命。当垃圾总质量达到设定值时，其对传感器的压力达到特定值，再由压力传感器发送信号给主控制器，使机器人暂停工作。

3.3 运动系统

该机器人拥有2 个驱动轮和2 个从动轮，其中，后轮为驱动轮，2 个驱动轮由2 个功率可调的电动机单独控制，可以通过控制2 个轮子的转速来实现机器人的转向。2 个前轮为从动轮，从动轮选用的是万向轮，能够灵活地向各个方向转动，能够很好地适应养殖场的各种复杂地形，和驱动轮配合也能更好地完成清扫工作[4]。

3.4 执行系统

机器人的执行系统由圆形拖把、铁铲、吸尘口和垃圾储存箱组成。具体结构如下：前段上部分为2 个圆形的拖把，下部分为可伸缩式的铁铲，两部分均可自由活动；中段为吸尘口和2 个电动机（分别连接铁铲和圆形拖把）；后段连接1 个垃圾储存箱。当检测到前方有粪便时，2 个圆形拖把以相反的方向向内旋转，将前方粪便扫到吸尘口旁，再通过吸尘口将粪便吸进垃圾储存箱。遇到比较黏稠、难以清扫的粪便时，可由铁铲先将其铲起，再进行下一步清扫工作。相比于人工清扫，其优点是，铁铲能够轻易将黏稠难清扫的粪便铲起，圆形拖把配合吸尘口更容易清扫细小垃圾并且减少遗漏，垃圾箱可以暂时储存部分垃圾，以保证清扫工作的持续进行。各部分密切配合，提高工作效率。另外，圆形拖把上部分还可连接水箱，使其分为干湿2 种模式，清扫工作完成后，还可对地面进行拖洗，一举多得，以达到更好的清洁效果[5]。

4 系统软件设计

4.1 基础软件

基础软件主要用来采集和处理数据，主控制器通过收集各个传感器检测到的数据，并且对各种数据进行综合分析，自动选择最合适的工作方案，并且向其他各系统传达相应信息。

4.2 路径规划

畜禽养殖场的地形复杂，给粪便清扫工作带来了许多不便。人工清扫时，由于人体灵活的优点，足以在根据地形及时调整工作方式，以达到工作效率的最大化。然而，对于机器人来说，错综复杂的地形给清扫工作造成了巨大的困难。因此，在清扫工作中要更加注重路径的合理规划，提高工作的效率。

畜禽养殖场的地形大致分成2 类，可分别采取不同的路径规划方案，具体如下。

在相对平坦开阔的地形中，采用S 形路径的方案，即在角落处规定一个起点，向一个方向直线行走，在检测到大型障碍物时向左或右（根据实际情况确定）转90°，向前行走一个机身位，再向左或右（与之前同向）转90°，然后继续向前直线行走，如此往复。该方案的优点是整个场地全面覆盖，极少有遗漏地点[6]。

在相对崎岖闭塞的地形中，采用随机选择路径的方案，即在一定区域内随机行走，此方案的优点是同一地点多次清扫，清洁更加彻底，也更加适合特殊地形的清扫工作。但其缺点也较为明显，即方案实施的困难（程序编写等）和清扫死角较多。

具体工作中往往要2 种方案配合使用以达到工作效率的最大化[7]。

5 安全系统

在畜禽养殖工作中，相较于人工清扫，清扫机器人可能存在以下问题。

机器人在进行清扫工作时，电动机和部分执行系统会发出噪声，可能会影响畜禽的正常生活，甚至使其受到惊吓；机器人行进过程中由于速度过快或失控等问题，可能会对畜禽和场内工人造成伤害；对于一些特殊场地（如草坪），在清扫工作过程中可能会对其植被产生破坏，从而破坏养殖场的环境。

针对以上问题，本项目设计了安全措施。机器人的外壳由较软的隔音材料制成，减小噪声的同时又能够在发生意外时尽可能减少对畜禽和工人的伤害。超声波传感器附带有测速功能，当检测到机器人行进速度过快时（超出设定速度）会向主控制器发出信号，由主控制器控制运动系统使其减速，将速度控制在一定范围内，避免因速度过快导致机器人失控撞伤畜禽和工人。同时，机器人整体采用较轻的材质，以减轻对植被的压力。在清扫过程中，当传感器检测到附近有植被时，机器人的尖锐物体（如铁铲）会收起至内部，以避免对植被产生伤害。

6 结束语

智慧农业的发展促使了本系统的产生，人工智能技术为本系统提供了技术支持。畜禽粪便清扫机器人具有自动化、智能化的特点，其使用方便，干净环保，很好地解决了人工清扫的诸多问题，减少了畜禽养殖业的人工成本，提高了清扫工作的效率，将有效地促进中国畜禽养殖业的发展。