基于智能巡檢機(jī)器人的家禽健康管理系統(tǒng)研究

連京華 孫凱 祝偉 殷若新 韓艷 李惠敏

摘要：家禽健康管理一直是家禽養(yǎng)殖的重點(diǎn)和難點(diǎn)。基于智能巡檢機(jī)器人的家禽健康管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)家禽的精細(xì)化健康管理，是一種創(chuàng)新型智能化管理模式。智能巡檢機(jī)器人具有自主移動(dòng)和自動(dòng)避障功能，并搭載舍內(nèi)環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測、家禽體溫檢測、家禽聲音監(jiān)聽、家禽行為監(jiān)視以及病死禽定位等多項(xiàng)功能模塊，可將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)傳至服務(wù)器端的監(jiān)控平臺進(jìn)行存儲、分析與決策，實(shí)現(xiàn)環(huán)境的智能調(diào)控、監(jiān)測異常情況的自動(dòng)報(bào)警以及疾病預(yù)警和快速處置，為家禽的健康生產(chǎn)保駕護(hù)航。

關(guān)鍵詞：智能巡檢機(jī)器人;家禽;健康管理系統(tǒng)

中圖分類號：S126文獻(xiàn)標(biāo)識號：A文章編號：1001-4942（2019）07-0152-04

隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，人工智能被越來越多地應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)，家禽養(yǎng)殖業(yè)也已步入了人工智能的新時(shí)代。智能機(jī)器人作為人工智能領(lǐng)域的分支之一，在我國畜牧產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用較多，例如：乳業(yè)中應(yīng)用的“利拉伐”全自動(dòng)擠奶機(jī)器人[1]，羊業(yè)中的“魔法”剪毛機(jī)器人[2]，畜禽場應(yīng)用的智能消毒機(jī)器人[3]，牛、羊牧場中跟蹤監(jiān)控的視覺機(jī)器人[4]，豬、羊、禽等肉類屠宰機(jī)器人[2]等。近年來家禽業(yè)關(guān)于智能機(jī)器人的研究報(bào)道也越來越多，如農(nóng)場機(jī)器人和自動(dòng)化公司（Farm Robotics and Automation SL）研發(fā)的機(jī)器人，安裝在禽舍天花板上，攜帶傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測禽舍和家禽的情況[5];何林飛[6]研發(fā)的禽蛋撿拾并聯(lián)機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)禽蛋從傳送帶到裝盤的自動(dòng)化過程。將家禽的傳統(tǒng)養(yǎng)殖與人工智能技術(shù)融合發(fā)展，實(shí)現(xiàn)家禽生產(chǎn)管理的智能化、無人化和高效化，是新時(shí)代家禽業(yè)發(fā)展的需要。

目前家禽養(yǎng)殖呈現(xiàn)高度集約化、規(guī)模化，飼養(yǎng)方式多為階梯式或H型籠養(yǎng)，籠層可高達(dá)5層以上，單位面積飼養(yǎng)密度大幅提高的同時(shí)，也給人工管理帶來了諸多不便。如在日常管理中，需對逐層、逐個(gè)雞籠的雞群進(jìn)行巡視，以了解雞群動(dòng)態(tài)，若雞籠超過4層，則巡視時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，極易使人產(chǎn)生疲勞感和厭煩情緒，影響對雞群動(dòng)態(tài)的關(guān)注度。基于此，我們設(shè)計(jì)了一款智能巡檢機(jī)器人，不僅可以在禽舍內(nèi)沿規(guī)劃路徑自主行走，自動(dòng)升降，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)線式監(jiān)測和巡回式多層監(jiān)測，而且搭載多項(xiàng)監(jiān)測模塊，可實(shí)時(shí)監(jiān)測雞舍內(nèi)溫濕度、光照、有害氣體濃度等環(huán)境指標(biāo)以及家禽的體溫、聲音、行為動(dòng)態(tài)，并能將所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息無線傳輸至服務(wù)器監(jiān)控平臺，利用家禽健康管理功能軟件進(jìn)行分析、判別，及時(shí)發(fā)現(xiàn)家禽的異常情況和疫病兆頭，盡早處置和采取防范措施，避免疾病的發(fā)生和大面積傳播，更好地實(shí)現(xiàn)家禽健康管理和高效安全生產(chǎn)。

1 智能巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)

我們基于功能符合實(shí)際生產(chǎn)需求、結(jié)構(gòu)科學(xué)合理、尺寸和體積適宜標(biāo)準(zhǔn)雞舍的原則，綜合考慮標(biāo)準(zhǔn)化雞舍縱向籠列的水平間距（或籠具至墻面水平間距）、照明燈具高度及其他可能影響到機(jī)器人運(yùn)行的因素，設(shè)計(jì)了一款智能巡檢機(jī)器人（圖1）。該機(jī)器人的長、寬、高分別為90、72、160 cm，主要分為智能巡航模塊、自適應(yīng)升降模塊、信息采集與傳輸模塊三部分，可代替人工對雞舍進(jìn)行自動(dòng)巡視。

1.1 智能巡航模塊

包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航模塊等，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主移動(dòng)、自動(dòng)避障、自行回歸充電等基本功能。

1.2 自適應(yīng)升降模塊

包括升降支架、升降動(dòng)力系統(tǒng)、承載平臺等，可調(diào)控信息采集模塊的升降，實(shí)現(xiàn)多層雞籠的高效巡視。

1.3 信息采集與傳輸模塊

包括各環(huán)境參數(shù)傳感器、紅外線熱成像儀、拾音器、高清廣角攝像頭和全向無線網(wǎng)橋傳輸模塊等，可實(shí)現(xiàn)雞群體溫、聲音、動(dòng)態(tài)及環(huán)境指標(biāo)的實(shí)時(shí)采集與傳輸。

2 智能巡檢機(jī)器人基本功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 自主移動(dòng)與導(dǎo)航定位

巡檢機(jī)器人的自主移動(dòng)和定位依靠慣性導(dǎo)航系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，利用慣性元件（加速度計(jì)）測量機(jī)器人的加速度，經(jīng)積分和運(yùn)算獲取速度和位置，從而達(dá)到對機(jī)器人導(dǎo)航定位的目的[7]。主要涉及地圖、路徑規(guī)劃和定位，地圖是映射巡檢機(jī)器人運(yùn)行環(huán)境的模型，是巡檢機(jī)器人路徑規(guī)劃的平臺;路徑規(guī)劃是指巡檢機(jī)器人按照某一性能指標(biāo)，在地圖中搜尋一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的最優(yōu)無碰路徑;而定位是確定巡檢機(jī)器人在運(yùn)行環(huán)境中相對于全局坐標(biāo)的位置及其本身的姿態(tài)，是保障巡檢機(jī)器人導(dǎo)航質(zhì)量的基本環(huán)節(jié)[8]。

2.2 自動(dòng)避障

采用激光雷達(dá)避障系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人行進(jìn)中自動(dòng)避障。機(jī)器人利用激光雷達(dá)精準(zhǔn)判斷和測距前方和周邊的障礙物，在與障礙物間隔一定距離時(shí)自動(dòng)停止，并修正方向躲避障礙物繼續(xù)前行。

2.3 智能升降

升降平臺采用剪叉式機(jī)械結(jié)構(gòu)，在動(dòng)力驅(qū)使下可攜帶所有監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行垂直方向的升降運(yùn)動(dòng)。當(dāng)檢測完一層雞籠后，機(jī)器人原路返回，同時(shí)檢測平臺自動(dòng)上升或下降至一定高度，從而實(shí)現(xiàn)對不同層次雞籠的監(jiān)測。

2.4 自主回歸充電

巡檢機(jī)器人可進(jìn)行動(dòng)力電源的自檢，當(dāng)檢測到自身電量不足時(shí)，可根據(jù)電磁定位引導(dǎo)控制算法自動(dòng)返回充電站充電。充電站利用紅外引導(dǎo)校準(zhǔn)方式，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與充電站的準(zhǔn)確對接。

3 家禽健康管理功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 舍內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控

舍內(nèi)環(huán)境監(jiān)控是家禽飼養(yǎng)過程中極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，一般通過設(shè)置固定監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行。但由于固定監(jiān)測布點(diǎn)太少，且僅監(jiān)測溫濕度，不能全面、精準(zhǔn)地反映整棟禽舍環(huán)境及空氣中有害物質(zhì)的狀況。而巡檢機(jī)器人搭載的環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，可通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測舍內(nèi)溫度、濕度及空氣中氨氣、粉塵、二氧化碳等有害物質(zhì)濃度，并可將采集的數(shù)據(jù)無線傳輸至服務(wù)器監(jiān)控平臺，利用平臺的專業(yè)化智能處理系統(tǒng)對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，當(dāng)某項(xiàng)指標(biāo)超出預(yù)設(shè)的閾值范圍時(shí)，系統(tǒng)就會進(jìn)行異常報(bào)警，并向現(xiàn)場的環(huán)控器發(fā)送調(diào)控指令，啟動(dòng)相關(guān)環(huán)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

3.2 家禽體溫異常檢測

雞屬于恒溫動(dòng)物，通常體溫穩(wěn)定在41℃左右，當(dāng)患急性傳染病時(shí)體溫會急劇升高，而患營養(yǎng)缺乏病和部分中毒病則會導(dǎo)致體溫下降[9]。因而，體溫高低是鑒別家禽患病與否的重要癥狀之一。巡檢機(jī)器人搭載的體溫檢測儀是利用紅外熱成像原理，即利用光學(xué)成像物鏡接收被測家禽的紅外輻射，將能量分布反映到紅外探測器的光敏元件上，生成紅外熱像圖[10]，并轉(zhuǎn)換成溫度數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)非接觸性精準(zhǔn)測溫。個(gè)體病理狀態(tài)下測得的紅外熱像圖譜與正常健康狀態(tài)下的紅外熱像圖譜不同，特別是頭部和腿/足部表面溫度存在較大差異[11]，通過比對和分析兩種狀態(tài)下不同體表區(qū)域的溫度，可初步判定是否為病理性發(fā)燒。

3.3 家禽聲音監(jiān)聽

聲音監(jiān)聽技術(shù)是現(xiàn)代家禽健康管理的一項(xiàng)重要新技術(shù)。通過監(jiān)聽家禽呼吸道發(fā)出的特征性聲音判斷家禽是否患病。通常來說，禽舍內(nèi)會有各種各樣嘈雜的聲音，但在家禽患有呼吸道疾病時(shí)，會發(fā)出特征性聲音，如打噴嚏、咳嗽、喘鳴、呼吸羅音等。利用拾音器采集禽舍內(nèi)的音頻，上傳至服務(wù)器監(jiān)控平臺，然后利用家禽聲譜分析技術(shù)對大量聲譜圖進(jìn)行智能化分析和辨別，捕捉呼吸系統(tǒng)所發(fā)出的異常音頻，及時(shí)發(fā)現(xiàn)家禽異常。聲音監(jiān)聽效果易受到環(huán)境噪音的影響，如在音頻采集過程中不可避免地受到舍內(nèi)風(fēng)機(jī)噪聲的干擾，從而降低識別的準(zhǔn)確率[12]。因此，最好選在夜晚安靜時(shí)監(jiān)聽，準(zhǔn)確率更高，效果更好。

3.4 家禽行為監(jiān)視

行為監(jiān)視技術(shù)是目前比較容易做到的健康管理技術(shù)。利用高清數(shù)碼攝像機(jī)，實(shí)時(shí)采集家禽的各種行為動(dòng)態(tài)視頻圖像，通過無線通信模塊傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺進(jìn)行分析判別[10]。監(jiān)控平臺嵌入了家禽行為圖像識別系統(tǒng)，預(yù)置大量禽只正常生理活動(dòng)如站立、靜臥、采食、飲水、產(chǎn)蛋等表現(xiàn)時(shí)的各式各樣行為動(dòng)態(tài)圖像，特別是啄羽（啄肛）、扭頸、吊頸、頭部痘痂、足部發(fā)炎、外傷出血等異常圖像。將現(xiàn)場采集的視頻信息自動(dòng)與之識別，判定家禽行為是否正常，及時(shí)捕捉反常行為動(dòng)態(tài)和意外情況。

3.5 病死禽定位

通過巡檢機(jī)器人監(jiān)測到的某區(qū)域籠具內(nèi)家禽個(gè)體體溫升高或捕捉到的一定范圍內(nèi)家禽聲譜或行為圖像異常，監(jiān)控平臺可以第一時(shí)間對異常情況進(jìn)行區(qū)域鎖定，便于人工及時(shí)采取處置措施。

4 數(shù)據(jù)信息的傳輸與分析處理

巡檢機(jī)器人監(jiān)測到的環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)、紅外熱像圖、音頻、視頻圖像等信息，均通過通信鏈無線輸出，傳至異地服務(wù)器監(jiān)控終端。通信鏈路設(shè)計(jì)采用2.4/5.8 G無線通信，帶寬150 M，可實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)和圖像的即時(shí)、穩(wěn)定傳輸。

服務(wù)器監(jiān)控終端接收并存儲傳來的各路數(shù)據(jù)信息，利用環(huán)境監(jiān)控軟件及家禽體溫、聲音和行為專業(yè)處理軟件對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行智能化分析，最終形成決策和預(yù)警，如在發(fā)現(xiàn)信息異常情況下啟動(dòng)報(bào)警程序;實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、圖像實(shí)時(shí)監(jiān)控和歷史查詢;實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制、運(yùn)行軌跡查詢、機(jī)器人參數(shù)設(shè)定及通信控制等。

5 智能巡檢機(jī)器人的應(yīng)用場景

主要應(yīng)用于家禽籠養(yǎng)模式，包括階梯式籠養(yǎng)、H型籠養(yǎng)或本交籠養(yǎng)，且舍內(nèi)的籠具、籠具之間地面水平間距、設(shè)施設(shè)備等固定不變，地面為水泥硬化平整地面，以保證智能巡檢機(jī)器人在舍內(nèi)具有固定的、相對簡單的應(yīng)用場景。在激光雷達(dá)和慣性導(dǎo)航的支持下，智能巡檢機(jī)器人可在禽舍內(nèi)設(shè)計(jì)規(guī)劃路徑，并按規(guī)劃路徑自主行走、避障和拐彎，實(shí)現(xiàn)橫向逐籠巡檢，同時(shí)通過智能升降模塊實(shí)現(xiàn)縱向逐層巡檢，使禽舍巡檢不留任何死角。也可對舍內(nèi)局部位置進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，如監(jiān)聽到雞只有喘鳴異常音，可對疑似發(fā)聲的區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)聽，最終辨別定位。

6 討論與結(jié)論

智能巡檢機(jī)器人嫁接家禽健康管理新技術(shù)是家禽飼養(yǎng)管理的重大創(chuàng)新，是現(xiàn)代人工智能技術(shù)在家禽養(yǎng)殖業(yè)中的具體應(yīng)用。近年來，在國家層面大力倡導(dǎo)“智能+”的背景下，要高度重視人工智能與傳統(tǒng)家禽業(yè)的融合發(fā)展，深入研究人工智能技術(shù)在家禽生產(chǎn)各個(gè)方面的應(yīng)用，用新一代信息技術(shù)促進(jìn)我國智能化家禽業(yè)的實(shí)現(xiàn)。

應(yīng)用基于智能巡檢機(jī)器人的家禽健康管理系統(tǒng)，不僅可以代替人工日常繁重的巡視，使健康巡視智能化，而且可實(shí)現(xiàn)大環(huán)境到個(gè)體體溫、聲音和動(dòng)態(tài)的檢測和監(jiān)控，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況和疾病趨勢，防患未然。但有的健康管理技術(shù)如家禽體溫檢測技術(shù)、家禽聲音監(jiān)聽技術(shù)還不夠成熟，技術(shù)上有一定的難度，有待進(jìn)一步研究和優(yōu)化。

目前的智能巡檢機(jī)器人受功能需求和工藝材質(zhì)的影響，外型比較粗獷，體積大、質(zhì)量重，今后還需結(jié)合實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)一步調(diào)整優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)其可加工復(fù)制和商品化。

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