丁培峰

（連云港東旺奶牛養(yǎng)殖有限公司，江蘇連云港 222248）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，人類對(duì)牛奶羊奶等奶制品和動(dòng)物肉制品的實(shí)際需求進(jìn)一步擴(kuò)大，我國(guó)動(dòng)物飼養(yǎng)逐漸向規(guī)?；?、高質(zhì)量化和精益化模式轉(zhuǎn)變，而規(guī)?；瘎?dòng)植物養(yǎng)殖場(chǎng)崛起所帶來(lái)的動(dòng)物糞便收集與處理成為困擾我國(guó)動(dòng)物養(yǎng)殖事業(yè)的重要問(wèn)題。動(dòng)物養(yǎng)殖所產(chǎn)生的大量糞便不僅會(huì)占用較大的空間，更會(huì)對(duì)周圍環(huán)境、土壤和水分等產(chǎn)生一定危害，因此，如何清理動(dòng)物的大量糞便成為動(dòng)物養(yǎng)殖業(yè)的重要思考內(nèi)容。另外，我國(guó)人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，不斷將人們從基礎(chǔ)體力勞動(dòng)中解放出來(lái)，而激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)又進(jìn)一步加大了對(duì)現(xiàn)代大型養(yǎng)殖場(chǎng)經(jīng)營(yíng)成本、生產(chǎn)成本和經(jīng)營(yíng)質(zhì)量的要求，如何在保證動(dòng)物養(yǎng)殖質(zhì)量符合現(xiàn)有食品條安全條件和其他標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，盡可能地降低實(shí)際經(jīng)營(yíng)成本也是值得思考的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，自動(dòng)清糞機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，不僅極大地減少了人類在動(dòng)物養(yǎng)殖場(chǎng)的基本勞動(dòng)，更為長(zhǎng)遠(yuǎn)降低動(dòng)物養(yǎng)殖場(chǎng)的實(shí)際成本做出了重要貢獻(xiàn)，因此，關(guān)于自動(dòng)清糞機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)探討和研究有著重要理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1 自動(dòng)清糞機(jī)器人的架構(gòu)

通常情況下，自動(dòng)清糞機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要包括上位機(jī)和下位機(jī)兩大部分，上位機(jī)通常負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)清糞機(jī)器人有關(guān)數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控，負(fù)責(zé)對(duì)下位機(jī)進(jìn)行相應(yīng)控制，而下位機(jī)則主要負(fù)責(zé)接收有關(guān)控制指令和接收指令，進(jìn)而對(duì)自動(dòng)清糞機(jī)器人的作業(yè)行為進(jìn)行控制。

圖1 自動(dòng)清糞機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)

圖1 即自動(dòng)清糞機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)示意。在自動(dòng)清糞機(jī)器人工作過(guò)程中，安裝在機(jī)器人上方的攝像頭將現(xiàn)場(chǎng)所拍攝到的相關(guān)場(chǎng)景，通過(guò)無(wú)線裝置直接發(fā)送到操作室的上位機(jī)，而操作工人在觀察上位機(jī)所顯示的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景基礎(chǔ)上，針對(duì)性地對(duì)畫面所顯示的相關(guān)位置進(jìn)行糞便清理工作。在此過(guò)程中，操作工人主要借助上位機(jī)控制界面向自動(dòng)清糞機(jī)器人發(fā)出清理糞便的指令，而該指令主要借助無(wú)線裝置發(fā)送給自動(dòng)清糞機(jī)器人上的無(wú)線接收模塊，在無(wú)線接收裝置將相應(yīng)的清理糞便指令傳送到下位機(jī)后，下位機(jī)按事前設(shè)定好的相關(guān)程序，在控制連接下位機(jī)繼電器的基礎(chǔ)上，利用繼電器控制自動(dòng)清糞機(jī)器人的總電機(jī)。最后，由總電機(jī)控制自動(dòng)清糞機(jī)器人的相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而完成整個(gè)糞便自動(dòng)清理的作業(yè)過(guò)程。

2 自動(dòng)清糞機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

由于本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)清糞機(jī)器人采用的控制板為l298，載有相應(yīng)的芯片驅(qū)動(dòng)板，同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩路直流電機(jī)，而每一路直流電機(jī)的控制終端都分別有3 個(gè)接口，且只有當(dāng)電機(jī)控制終端的使能端接口輸入較高電平時(shí)，整個(gè)驅(qū)動(dòng)板才會(huì)輸出電流，完成自動(dòng)清糞機(jī)器人電機(jī)的整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程。此外，當(dāng)下位機(jī)通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)兩路直流電機(jī)控制終端的接口時(shí)，就能完成整個(gè)自動(dòng)清糞機(jī)器人電機(jī)的正反方向轉(zhuǎn)動(dòng)控制，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的目的（圖2）。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理

就自動(dòng)清糞機(jī)器人無(wú)線通信系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)問(wèn)題而言，由于無(wú)線通信環(huán)節(jié)是整個(gè)自動(dòng)清糞機(jī)器人設(shè)計(jì)的重要部分，直接關(guān)系到自動(dòng)清糞機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)和遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)之間的密切配合度，更是整個(gè)遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)和自動(dòng)清糞機(jī)器人圖像信息顯示和各種控制數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)耐ǖ?。圖像無(wú)線傳輸系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將移動(dòng)的自動(dòng)清糞機(jī)器人前方拍攝到的相關(guān)圖像傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，形成一定的視頻文件供遠(yuǎn)程控制處的計(jì)算機(jī)和操作工人需要，而數(shù)據(jù)無(wú)線通信系統(tǒng)則主要負(fù)責(zé)傳遞自動(dòng)清糞機(jī)器人和上位機(jī)之間機(jī)器人的移動(dòng)狀態(tài)、機(jī)器人狀態(tài)參數(shù)以及遠(yuǎn)程控制指令等，從而為整個(gè)自動(dòng)清糞機(jī)器人完成糞便自動(dòng)清理工作提供技術(shù)支撐。在自動(dòng)清糞機(jī)器人無(wú)線通信系統(tǒng)模塊圖像無(wú)線傳輸子模塊系統(tǒng)中，由于圖像無(wú)線傳輸系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)中不容缺失的重要部分，更是直接為自動(dòng)清糞機(jī)器人、操作人員提供相應(yīng)視頻信息和可靠數(shù)據(jù)的重要條件，因此，只有操作人員借助相關(guān)視頻數(shù)據(jù)盡可能全面地了解自動(dòng)清糞機(jī)器人的實(shí)際工作環(huán)境時(shí)，才能將機(jī)器人周圍的工作環(huán)境是否清潔和是否需要進(jìn)一步進(jìn)行糞便處理等相關(guān)指令反饋給無(wú)線通信系統(tǒng)模塊，才能根據(jù)相關(guān)信息匯總作出是否發(fā)布指令驅(qū)動(dòng)自動(dòng)清糞機(jī)器人的相關(guān)決定。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

就本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)清糞機(jī)器人而言，其下位機(jī)軟件主要采用C 語(yǔ)言進(jìn)行編寫，程序編寫方便快捷的同時(shí)具有結(jié)構(gòu)清晰的特點(diǎn)，更能方便地對(duì)硬件系統(tǒng)實(shí)際操作能力進(jìn)行高效率編譯。同時(shí)，利用C 語(yǔ)言對(duì)下位機(jī)運(yùn)行程序進(jìn)行編碼，也比一般匯編語(yǔ)言高級(jí)很多，能夠有效提升源代碼的可讀性。在此過(guò)程中，整個(gè)自動(dòng)清糞機(jī)器人的主要程序設(shè)計(jì)思路為：開機(jī)時(shí)對(duì)機(jī)器人程序系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后利用自動(dòng)清糞機(jī)器人拍攝頭像所拍攝到的圖片傳遞給控制中心，進(jìn)而等待控制中心操作人員發(fā)送相關(guān)指令，當(dāng)收到控制中心所發(fā)出的實(shí)施指令時(shí)，進(jìn)一步將收集到的相關(guān)指令傳輸給下位機(jī)進(jìn)行處理，而下位機(jī)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)清糞機(jī)器人做出相應(yīng)的糞便清理行為。

3 自動(dòng)清糞機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡模型

由于本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)清糞機(jī)器人兩個(gè)后輪作為相對(duì)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)輪，分別由直流電機(jī)控制，借助轉(zhuǎn)速控制方向，不僅具備了自重較輕、承載能力較大、結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)勢(shì)，更具有驅(qū)動(dòng)和控制相對(duì)方便、行走速度較快以及靈活機(jī)動(dòng)等重要特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，本文根據(jù)相關(guān)學(xué)者所提出的輪式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模理論，利用幾何中心和質(zhì)心不重合的非理想約束簡(jiǎn)化模型對(duì)自動(dòng)清糞機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡模擬。簡(jiǎn)化后的自動(dòng)清糞機(jī)器人運(yùn)行機(jī)構(gòu)主要包括同軸的驅(qū)動(dòng)后輪和刮糞板，三點(diǎn)所確定的平面能有效借助刮糞板充當(dāng)從動(dòng)輪轉(zhuǎn)向作用。同時(shí)，自動(dòng)清糞機(jī)器人的兩個(gè)后輪由獨(dú)立的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，前方刮糞板能有效作為支撐輪，在后方驅(qū)動(dòng)輪的作用下使自動(dòng)清糞機(jī)器人向目標(biāo)方向移動(dòng)。

4 機(jī)器人運(yùn)行軌跡規(guī)劃算法的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)

一般而言，自動(dòng)清糞機(jī)器人的基本行為主要包括Changedirection 行為、Follow-wall 行為和Move-to-alone 行為。

（1）Change-direction 行為主要是自動(dòng)清糞機(jī)器人在預(yù)先所設(shè)定好的軌跡上行駛，當(dāng)突然碰撞到進(jìn)入預(yù)定軌跡中的人或其他動(dòng)態(tài)障礙物時(shí)，借助電流傳感器檢測(cè)到相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流瞬間增大的方式，而迫使自動(dòng)清糞機(jī)器人立即停止前進(jìn)行為，并在向后行駛一定距離后進(jìn)行方向旋轉(zhuǎn)以避開動(dòng)態(tài)障礙物。

（2）Follow-wall 行為是自動(dòng)清糞機(jī)器人按照預(yù)先設(shè)定好的軌跡正常行駛，而周邊環(huán)境具有一定數(shù)目的固定的可測(cè)量距離的靜態(tài)障礙物時(shí)，該行為模式被激活。機(jī)器人借助相應(yīng)的超聲波傳感器，不斷檢測(cè)周邊靜態(tài)障礙物之間的距離，通過(guò)控制系統(tǒng)判別距離是否符合預(yù)先設(shè)定值，從而判別整個(gè)自動(dòng)清糞機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡是否偏離。

（3）Move-to-alone 行為則主要是指自動(dòng)清糞機(jī)器人在正常行走過(guò)程中，周邊環(huán)境無(wú)可供超聲波傳感器測(cè)量距離的靜態(tài)障礙物存在時(shí)的實(shí)際運(yùn)行模式。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，自動(dòng)清糞機(jī)器人在對(duì)其養(yǎng)殖場(chǎng)靜態(tài)障礙物和不時(shí)出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)障礙物進(jìn)行分析探究的基礎(chǔ)上，所提出的路徑規(guī)劃算法能有效縮短動(dòng)態(tài)環(huán)境中機(jī)器人所需的實(shí)際行走路程。同時(shí)，加大對(duì)自動(dòng)清糞機(jī)器人工作目標(biāo)、周邊工作環(huán)境以及行程路線等的調(diào)整，而大幅度提升機(jī)器人對(duì)周圍環(huán)境的適應(yīng)能力，借助改變機(jī)器人行為狀態(tài)、參數(shù)信息和改變行為算法模型等諸多方式，加強(qiáng)自動(dòng)清糞機(jī)器人的實(shí)際工作效率，也為我國(guó)智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展提出了一定思路。