自走式奶牛場自動化清潔設備的設計

侯云濤+吳澤全+東忠閣+郭洋

摘要：研究設計一種適用于漏縫地板的自走式奶牛場自動化清潔設備，可按預定軌跡清理奶牛場的各個區域；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，對促進養殖產業升級和奶業發展有著重要意義。

關鍵詞：奶牛場；自動化；清潔設備；預定軌跡；智能避障

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

在農牧養殖業中，奶牛糞便產生的污染比較嚴重。據測定，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計算，養殖規模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，養殖規模200頭的奶牛場需3人，按照月工資2 500元計算，3人用工成本為9萬元/a，且強度大、工作環境差。為此，在充分調研國內奶牛飼養狀況和消化國外先進技術的基礎上，自主研發一種自走式奶牛場自動化清潔設備（以下簡稱自動化清潔設備）。該設備能夠自動化、全天候工作，且行駛速度適合，運行噪音極小，對牛群日常管理和奶牛個體起居不會造成任何影響和傷害。

1 自動化清潔設備設計

1.1 機械機構

自動化清潔設備（見圖1）的機械行走機構由2個同軸的驅動后輪和1個位于車體前端的刮糞板組成。這三點高度一致，刮糞板起到萬向從動輪轉向和支撐點的作用。2個后輪分別由2個獨立的直流24 V伺服電機提供動力。在驅動輪的作用下，設備可以沿目標方向前行，利用轉速差實現轉向。設備具有質量輕、承載大、機構簡單等優點。

由圖1可知，系統由左右2個獨立的驅動輪驅動，可完成直行、左右轉向、后退等動作。防撞圈繞軸心旋轉，當側面墻體與防撞輪接觸時，驅動輪輪通過旋轉減少摩擦力；當防撞輪正面碰到障礙物時，由控制系統判斷是否啟動避障程序，避免對人畜和設備造成傷害。電瓶為整個設備提供直流電力，包括電機、水泵、控制系統、傳感器和開關等。當低水位液位傳感器發出需要補水信號時，設備行駛到加水站，補水開關裝置打開活門進行加水；當高水位液位傳感器發出水箱已滿信號后，加水站閥門關閉，補水裝置關閉活門，設備駛離加水站。

1.2 控制系統

自動化清潔設備的控制系統主要由嵌入式ARM控制板、驅動電機、超聲波傳感器、陀螺儀和電流檢測傳感器組成。打開電源開關后，只需按一下機身或遙控器上的啟動按鈕，設備便開始自主工作或者按遙控指令工作；在指定的區域避障、行走，實現預先設定的路徑規劃；工作完后回到起始位置，并自動停止。

為在實現避開障礙和路徑規劃的基礎上完成自主式行駛，設備必須能夠精確檢測周圍的工作環境。考慮到工作場所的復雜性、成本、安裝尺寸等，排除在路徑關鍵位置設置輔助導航裝置（如采用標識路標、GPS等）的方式，依靠主動檢測途徑感知工作環境。

控制系統需具備以下基本功能：1） 供電功能。為移動模塊、數據采集模塊、控制系統模塊等提供所需電能，電量不足時進行充電。2） 移動功能?？刂破黩寗又绷麟姍C轉動完成行走，調節行走速度，并根據實際情況轉向。3） 數據采集功能。根據采集到的傳感器信息決策機器人的行走路徑和行走策略。4） 遙控編程功能。可通過便攜式手持編輯器遠距離設置和更改設備的預定行走路線及工作開始時間（設備可以工作6次/d），設置完畢后，自動化清潔設備處于自主工作狀態，期間不需要人工干預。

控制系統的總體設計如圖2所示。

2 自動化清潔設備需解決的關鍵技術問題

2.1 驅動電機電流檢測傳感器數據存在干擾

選用電流檢測傳感器監測驅動電機電流，根據檢測電流變化判斷設備是否碰撞障礙。碰撞到障礙物時，電機的阻力增大，相應電流也增大。

試驗過程中，用萬用表在線讀取檢測值時發現檢測數據區分度很高。但是將電流檢測傳感器接入控制系統后，設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據進行監測發現，傳感器數據波形有毛刺，脈沖干擾嚴重。

為解決該問題，開發設計了相應的濾波電路，結合濾波算法將電流檢測傳感器數據濾波后再接入控制系統。更改完畢后進行試驗測試，測試結果表明：在行駛路徑上碰撞到障礙物時，設備能迅速停止，之后按相應的避障路徑繞開障礙物，并回到預先設定的軌跡。這說明改進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

自主巡徑是自動化清潔設備的關鍵技術之一。自動化清潔設備能根據設定的路徑行走，并自動返回充電區域充電。通過手持無線設備可完成行駛路線設置，包括運行周期設置和全天候定時運行設置。設置結束后切換到自動模式，設備即按照設置的路線自動尋徑運行。特殊情況下，也可采用手動方式控制設備行走。運行參數設置包括行駛距離、行駛速度、行駛時間、轉彎角度等。

運行參數設置完成后，自動化清潔設備從起始點（充電樁位置）出發?？刂破鞲鶕鞲衅鞯姆答仈祿M行多源數據融合及智能決策，控制電機按照設定參數行駛，最終完成全部行駛路線，返回起始點（充電樁位置），充電并等待下一個任務。行走路徑如圖3所示。

當設備正常行駛時，充電電流為0；當充電器接觸到充電站時，會檢測到充電電流，即可判斷機器人回到出發點。為此，在設備上配置充電電流檢測傳感器，以有效檢測充電電流。

3 結論

通過對樣機進行相關測試、運行，驗證自動化清潔設備工作的實時性、準確性和可靠性。設備根據設置的清潔工作路線清理牛場，并具有智能行走功能，對人畜不會產生傷害。自動化清潔設備的設計和研制，對促進養殖產業技術升級換代具有重要意義，有助于我國奶牛養殖業由個體農戶向規?；⒓s化、國際化方向發展。

參考文獻

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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