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1、规模化养鸡场智能巡检机器人的 结构设计与分析2江苏华丽智能科技股份有限公司，常州 2131723徐州工程学院电气与控制工程学院，徐州 221008摘要：针对鸡禽养殖过程中的每日巡检问题，设计了一种适用于规模化养鸡 场且具有自适应升降功能的智能巡检机器人。通过分析规模化养鸡巡检机器人的 运动控制原理，建立了基于阿克曼转向原理的巡检机器人运动学模型，并选择最 合适的加减速运动控制算法以实现对规模化养鸡场机器人运动速度的平滑调节。 其次，根据规模化养鸡场智能巡检机器人工作背景和工作环境的特殊性，对系统 的功能需求进行了分析，从而确定了该巡检机器人的总体设计方案并且绘制了其 整体系统框图。关键词：规模
2、化养鸡场；巡检机器人；运动模型；结构设计0引言由于规模化的蛋鸡养殖大多处于封闭或半封闭的环境中，每天会产生大量的 粪便，鸡舍内的温度也相对较高，稍不注意就会使得养殖场内“恶臭满盈”。较 差的养殖环境，增大了蛋鸡患病、死亡的风险，也减少了蛋鸡的产蛋量。同时， 疫苗接种和卫生工作仍然存在不足。在规模化养殖过程中，很多养殖户缺乏科学 有效的卫生防疫知识，不能及时了解鸡的患病情况和养殖场的卫生情况，从而增 加蛋鸡患病概率，加大养殖风险。卫生防疫工作对于规模化的蛋鸡养殖至关重要 目前，我国鸡类养殖巡检领域主要还是以人工为主，要求巡检人员具有丰富的相 关知识和经验，增加了养殖成本，同时规模化养鸡场产生大量
3、鸡粪，环境中的恶 臭气体，严重危害了巡检人员的身体健康。因此，研发一款适应于规模化养鸡场 的智能巡检机器人，具备鸡脸识别、行为特征分析、路径规划、自主避障以及自 主回归感应式充电的功能，能够有效监测多层笼养鸡的健康状况，并进行相关数 据分析与传输，对于我国鸡类养殖业集约化、规模化的发展具有重大意义。1巡检机器人运动控制原理分析1.1阿克曼转向原理分析在鸡禽养殖过程中，通过巡查笼养鸡的生长健康状况，能够及时发现问题并 采取相应措施，从而减少养鸡场的经济损失。规模化养鸡智能巡检机器人的主要 工作是在养鸡场中进行长时间的巡检并且能够在指定的位置停止从而对鸡舍中的 鸡只进行识别和检查，巡检机器人的底层
4、运动控制系统可以接收来自上位机所发 出的指令从而使机器人可以实现前进后退、转弯和制动等动作变化1。目前，业内常见的移动机器人驱动方式主要有两轮差速、前置前驱、前置后 驱以及四轮驱动等。相比较后本文最终采用前轮舵机转向后轮双电机驱动的四驱 移动底盘结构，该结构能够基本满足巡检机器人在规模化养鸡场里日常的巡检工 作和运动状态的改变E。此外，本设计选择目前一般四轮车辆应用最多且较为成 熟的阿克曼转向作为该规模化养鸡场智能巡检机器人在工作下的运动模式：即前 轮同侧偏转后轮驱动的转向模式，如图1所示，图（a）为直行，图（b）为左向 转弯，图（c）为右向转弯。图1 机器人转向模式在现实生活四轮车辆转弯过程
5、中,如果要使所有的四个车轮均处在纯滚动的 状态, 则需要车辆内侧轮胎的转弯半径小于外侧轮胎，这就是著名的阿克曼转向 原理。当规模化养鸡场巡检机器人改变自身运动状态时，通过控制舵机的转角和 两个电机的转速就可以使得其达到所需的转弯角度和前进速度，从而实现巡检机 器人运动位置信息的唯一确定。根据巡检机器人的运动速度提前计算出当前时刻 所需的两后轮的速度进而转换为两驱动电机当前时刻的实时转速，再根据巡检机 器人运动方向提前计算出舵机的转向角度，就可以达到巡检机器人任意时刻运动 状态的连续变化。1.2加减速运动控制算法选择在巡检机器人的工作过程中，只有其运动速度足够平滑与稳定才能使机器人 的运动具有良
6、好的稳定性和连贯性5-6。本文通过比较巡检机器人在运动过程中的 几种常见的加减速算法，根据实际情况选择最合适的加减速运动控制算法以实现 对规模化养鸡场机器人运动速度的平滑调节。S型曲线加减速算法是一种比较新的运动控制算法，它主要用来解决梯形和 指数加减速算法应用过程中加速度有突变的问题，由于其系统在加减速过程中速 度曲线变化呈现S型，故称其为S型曲线加减速运动控制算法。S型曲线加减速 算法并不是一种固定不变的算法，一般情况下可以划分为7个阶段：加加速段、 匀加速段、减加速段、匀速段、加减速段、匀减速段和减减速段。其运动规律如 图2所示。S型曲线加减速算法的核心思想是让加速度不产生突变，以保证机
7、器 人运动的速度可实现平滑过渡，可以很灵活的应用到各种实际情况当中7。S型 曲线加减速算法在整个运动过程中均没有速度和加速度突变的情况产生，启动和 制动时的平稳性较高。因此本文采用S型曲线加减速运动控制算法实现对规模化 养鸡场巡检机器人速度的平滑调节。图2 S型曲线加减速运动控制算法曲线2巡检机器人总体方案及机械本体设计2.1系统需求分析规模化养鸡场智能巡检机器人本质上是移动机器人中的一种，其相关功能的实现都是以移动 机器人为基础的，它的主要构成分为六部分：移 动底盘、运动控制系统、自动寻迹系统、图像识 别系统和、无线充电系统和通信系统。其中移动 底盘用来实现巡检机器人的机械移动即机器人应当具
8、备前进后退、制动、转向等 功能；运动控制系统是规模化养鸡场智能巡检机器人的执彳丁机构，具备使巡检机 器人在前进后退、制动和转向等不同的运动状态之间进行转变的功能，其构成部 分主要有控制器、驱动器、电源及相关传感器等。自主寻迹系统主要用于实现巡 检机器人在规模化养鸡场中的定位和避障功能。由于所设计的规模化养鸡场智能 巡检机器人其主要的目的是代替人工在复杂的养鸡场中监测笼养鸡只的健康状况, 因此，该机器人应当搭载高清摄像云台用于实现鸡只图像的采集，并能够实时的 与上位机进行数据交换与通信。此外，由于规模化养鸡场的鸡笼一般都有三至四 层，所以所设计的巡检机器人还应该具有一个自适应升降装置，同时为了满
9、足巡 检机器人在养鸡场里进行高强度的巡检工作，它还应该具备自主返回充电功能。2.2巡检机器人系统总体设计框图根据规模化养鸡场智能巡检机器人日常巡检的任务要求，结合前文的分析可 知，规模化养鸡场巡检机器人主要构成部分为移动底盘、云台升降机构、运动控 制系统、鸡只行为监测模块、通信模块和电源管理模块等。其中移动底盘、云台 升降机构属于机器人的机械本体结构，其由底层控制器STM32单片机通过电机驱 动器加以控制。此外它还能通过USB与控制巡检机器人导航寻迹和鸡只行为识别 的树莓派进行实时的通信。在规模化养鸡场巡检机器人的实际工作过程中，远程 控制计算机通过无线通信协议下达命令指令至树莓派芯片，树莓派
10、进而对指令进行解析，促使鸡只行为监测模块和自主导航寻迹模块进行工作，并将解析后的指 令通过USB发送给STM32单片机底层运动控制系统，从而控制各个运动机构的运 动。最后所有采集到的信息都将汇集到树莓派中再通过树莓派反馈至远程控制计 算机中。如此，一个完整的在线巡检流程便得以完成，规模化养鸡场巡检机器人 系统总体设计框图如图3所示。舵机转向后轮双电机驱动的运动学模型；选择了最合适的S型曲线加减速运动控制算法实现对规模 化养鸡场巡检机器人运动速度的平滑调节。(2) 根据规模化养鸡场巡检机器人工作环境的特殊性，分析了系统的功能需求，确定了该巡检机器人的总体设计方案并且绘制了整体系统框图。参考文献1
11、 段晓东变电站巡检机器人运动控制系统设计与实现D.廊坊：北华航 天工业学院,2019.2 徐保来，管贻生,苏泽荣，等.改进动态窗口法的阿克曼移动机器人局部路 径规划器J.机电工程技术，2016,45(09):21-26.3 任孝平，蔡自兴.基于阿克曼原理的车式移动机器人运动学建模J.智能 系统学报,2009,4(06):534-537.4 孟刚车辆的转向特性与阿卡曼转向原理的分析J.机械研究与应 用，2007(04):36-38.5 高敏.台式机器人运动控制算法的研究与实现D.绵阳：西南科技大 学，2016.6 Tsai M S， Huang Y C. A novel integrated d
12、ynamic acceleration/deceleration interpolation algorithm for a CNC controllerJ.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2016，87(1): 279-292.7 游达章，杨京，张业鹏,等.一种改进四次S曲线的加减速算法研究J.机 床与液压，2021，49(02):31-35.8 Li D， Wu J， Wan J， et al. The implementation and experimental research on an
13、S-curve acceleration and deceleration control algorithm with the characteristics of end-point and target speed modification on the flyJ. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2017， 91(1): 1145-1169.本文得到了江苏省现代农机装备与技术推广项目(名称：基于机器学习规模 化养鸡场智能巡检机器人关键技术研发，编号：NJ2020-01)、南京农业大学SRT 项目(名称：规模化养鸡场智能巡检机器人结构设计与运动控制研究，编号： 202110307050)和徐州市重点研发计划(名称：基于深度学习的养鸡场巡检机器 人研发，编号：KC21135)的支持。2-4
