侯云濤+吳澤全+東忠閣+郭洋

摘要：研究設(shè)計(jì)一種適用于漏縫地板的自走式奶牛場自動化清潔設(shè)備，可按預(yù)定軌跡清理奶牛場的各個(gè)區(qū)域；智能避障功能，不會對人畜造成傷害；工作過程安靜，不會對奶牛的日常起居造成影響，對促進(jìn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)升級和奶業(yè)發(fā)展有著重要意義。

關(guān)鍵詞：奶牛場；自動化；清潔設(shè)備；預(yù)定軌跡；智能避障

中圖分類號：S818 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2017）09-0026-03

在農(nóng)牧養(yǎng)殖業(yè)中，奶牛糞便產(chǎn)生的污染比較嚴(yán)重。據(jù)測定，1頭體重為500～600 kg的成年奶牛每天排糞量為30～50 kg，如果按1頭奶牛日均排糞35 kg計(jì)算，養(yǎng)殖規(guī)模200頭的奶牛場排出的糞便總量為2 555 t/a，排糞量巨大。我國奶牛場普遍采用人工清糞方式，每名工人利用手推車可完成約80頭奶牛的清糞工作，養(yǎng)殖規(guī)模200頭的奶牛場需3人，按照月工資2 500元計(jì)算，3人用工成本為9萬元/a，且強(qiáng)度大、工作環(huán)境差。為此，在充分調(diào)研國內(nèi)奶牛飼養(yǎng)狀況和消化國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，自主研發(fā)一種自走式奶牛場自動化清潔設(shè)備（以下簡稱自動化清潔設(shè)備）。該設(shè)備能夠自動化、全天候工作，且行駛速度適合，運(yùn)行噪音極小，對牛群日常管理和奶牛個(gè)體起居不會造成任何影響和傷害。

1 自動化清潔設(shè)備設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械機(jī)構(gòu)

自動化清潔設(shè)備（見圖1）的機(jī)械行走機(jī)構(gòu)由2個(gè)同軸的驅(qū)動后輪和1個(gè)位于車體前端的刮糞板組成。這三點(diǎn)高度一致，刮糞板起到萬向從動輪轉(zhuǎn)向和支撐點(diǎn)的作用。2個(gè)后輪分別由2個(gè)獨(dú)立的直流24 V伺服電機(jī)提供動力。在驅(qū)動輪的作用下，設(shè)備可以沿目標(biāo)方向前行，利用轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。設(shè)備具有質(zhì)量輕、承載大、機(jī)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。

由圖1可知，系統(tǒng)由左右2個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動輪驅(qū)動，可完成直行、左右轉(zhuǎn)向、后退等動作。防撞圈繞軸心旋轉(zhuǎn)，當(dāng)側(cè)面墻體與防撞輪接觸時(shí)，驅(qū)動輪輪通過旋轉(zhuǎn)減少摩擦力；當(dāng)防撞輪正面碰到障礙物時(shí)，由控制系統(tǒng)判斷是否啟動避障程序，避免對人畜和設(shè)備造成傷害。電瓶為整個(gè)設(shè)備提供直流電力，包括電機(jī)、水泵、控制系統(tǒng)、傳感器和開關(guān)等。當(dāng)?shù)退灰何粋鞲衅靼l(fā)出需要補(bǔ)水信號時(shí)，設(shè)備行駛到加水站，補(bǔ)水開關(guān)裝置打開活門進(jìn)行加水；當(dāng)高水位液位傳感器發(fā)出水箱已滿信號后，加水站閥門關(guān)閉，補(bǔ)水裝置關(guān)閉活門，設(shè)備駛離加水站。

1.2 控制系統(tǒng)

自動化清潔設(shè)備的控制系統(tǒng)主要由嵌入式ARM控制板、驅(qū)動電機(jī)、超聲波傳感器、陀螺儀和電流檢測傳感器組成。打開電源開關(guān)后，只需按一下機(jī)身或遙控器上的啟動按鈕，設(shè)備便開始自主工作或者按遙控指令工作；在指定的區(qū)域避障、行走，實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的路徑規(guī)劃；工作完后回到起始位置，并自動停止。

為在實(shí)現(xiàn)避開障礙和路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上完成自主式行駛，設(shè)備必須能夠精確檢測周圍的工作環(huán)境?？紤]到工作場所的復(fù)雜性、成本、安裝尺寸等，排除在路徑關(guān)鍵位置設(shè)置輔助導(dǎo)航裝置（如采用標(biāo)識路標(biāo)、GPS等）的方式，依靠主動檢測途徑感知工作環(huán)境。

控制系統(tǒng)需具備以下基本功能：1） 供電功能。為移動模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制系統(tǒng)模塊等提供所需電能，電量不足時(shí)進(jìn)行充電。2） 移動功能?？刂破黩?qū)動直流電機(jī)轉(zhuǎn)動完成行走，調(diào)節(jié)行走速度，并根據(jù)實(shí)際情況轉(zhuǎn)向。3） 數(shù)據(jù)采集功能。根據(jù)采集到的傳感器信息決策機(jī)器人的行走路徑和行走策略。4） 遙控編程功能?？赏ㄟ^便攜式手持編輯器遠(yuǎn)距離設(shè)置和更改設(shè)備的預(yù)定行走路線及工作開始時(shí)間（設(shè)備可以工作6次/d），設(shè)置完畢后，自動化清潔設(shè)備處于自主工作狀態(tài)，期間不需要人工干預(yù)。

控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

2 自動化清潔設(shè)備需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

2.1 驅(qū)動電機(jī)電流檢測傳感器數(shù)據(jù)存在干擾

選用電流檢測傳感器監(jiān)測驅(qū)動電機(jī)電流，根據(jù)檢測電流變化判斷設(shè)備是否碰撞障礙。碰撞到障礙物時(shí)，電機(jī)的阻力增大，相應(yīng)電流也增大。

試驗(yàn)過程中，用萬用表在線讀取檢測值時(shí)發(fā)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)區(qū)分度很高。但是將電流檢測傳感器接入控制系統(tǒng)后，設(shè)備在未遇到障礙物的情況下做避障動作。后使用示波器對傳感器輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，傳感器數(shù)據(jù)波形有毛刺，脈沖干擾嚴(yán)重。

為解決該問題，開發(fā)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的濾波電路，結(jié)合濾波算法將電流檢測傳感器數(shù)據(jù)濾波后再接入控制系統(tǒng)。更改完畢后進(jìn)行試驗(yàn)測試，測試結(jié)果表明：在行駛路徑上碰撞到障礙物時(shí)，設(shè)備能迅速停止，之后按相應(yīng)的避障路徑繞開障礙物，并回到預(yù)先設(shè)定的軌跡。這說明改進(jìn)后的方法有效解決了電流傳感器脈沖干擾問題。

2.2 精確返回行駛軌跡起始點(diǎn)

自主巡徑是自動化清潔設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)之一。自動化清潔設(shè)備能根據(jù)設(shè)定的路徑行走，并自動返回充電區(qū)域充電。通過手持無線設(shè)備可完成行駛路線設(shè)置，包括運(yùn)行周期設(shè)置和全天候定時(shí)運(yùn)行設(shè)置。設(shè)置結(jié)束后切換到自動模式，設(shè)備即按照設(shè)置的路線自動尋徑運(yùn)行。特殊情況下，也可采用手動方式控制設(shè)備行走。運(yùn)行參數(shù)設(shè)置包括行駛距離、行駛速度、行駛時(shí)間、轉(zhuǎn)彎角度等。

運(yùn)行參數(shù)設(shè)置完成后，自動化清潔設(shè)備從起始點(diǎn)（充電樁位置）出發(fā)?？刂破鞲鶕?jù)傳感器的反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合及智能決策，控制電機(jī)按照設(shè)定參數(shù)行駛，最終完成全部行駛路線，返回起始點(diǎn)（充電樁位置），充電并等待下一個(gè)任務(wù)。行走路徑如圖3所示。

當(dāng)設(shè)備正常行駛時(shí)，充電電流為0；當(dāng)充電器接觸到充電站時(shí)，會檢測到充電電流，即可判斷機(jī)器人回到出發(fā)點(diǎn)。為此，在設(shè)備上配置充電電流檢測傳感器，以有效檢測充電電流。

3 結(jié)論

通過對樣機(jī)進(jìn)行相關(guān)測試、運(yùn)行，驗(yàn)證自動化清潔設(shè)備工作的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和可靠性。設(shè)備根據(jù)設(shè)置的清潔工作路線清理牛場，并具有智能行走功能，對人畜不會產(chǎn)生傷害。自動化清潔設(shè)備的設(shè)計(jì)和研制，對促進(jìn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級換代具有重要意義，有助于我國奶牛養(yǎng)殖業(yè)由個(gè)體農(nóng)戶向規(guī)?；?、集約化、國際化方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 王興旺，杜富林，高民.奶農(nóng)收入的影響因素研究[J].畜牧與飼料科學(xué)，2012，33（Z1）：94-96.

[2] 張爭勁. 睢寧縣奶牛業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及對策[J].中國畜牧業(yè)，2015（9）：78-79.

[3] 楊存志，賀剛，堯李慧，等.全自走牛舍清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2017，39（5）：90-94.

[4] 侯云濤，堯李慧，蔡曉華，等.自動清糞機(jī)器人路徑規(guī)劃方法的研究與實(shí)現(xiàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2017，39（6）：23-26.

Abstract： A kind of self-propelled automatic cleaning equipment suitable for the slatted floor was studied and designed， which could clean all areas of the dairy farm according to the desired trajectory； With intelligent obstacle avoidance， it was no harm to human animals； The working process was quiet and didn't affect the dairy cow's daily life. It was of great significance to promote the upgrading of culture industry and the development of dairy industry.

Key words： dairy farms； automation； cleaning equipment； desired trajectory； intelligent obstacle avoidanceendprint