循環(huán)水養(yǎng)殖車間巡檢機器人系統(tǒng)研究與設(shè)計

陳溢強，吳振陸，李泳陽，成偉琳

（廣東海洋大學(xué)，廣東 湛江 524088）

0 引 言

循環(huán)水養(yǎng)殖車間是一種在室內(nèi)進(jìn)行魚類產(chǎn)品生產(chǎn)的場景，是現(xiàn)代養(yǎng)殖技術(shù)的體現(xiàn)。隨著養(yǎng)殖車間規(guī)模的擴大，養(yǎng)殖池內(nèi)魚類數(shù)量大幅增加，魚群密度的增大容易導(dǎo)致水體污染或水質(zhì)變化，魚群異常難以及時發(fā)現(xiàn)等原因制約著養(yǎng)殖車間的穩(wěn)定運行。由于車間的養(yǎng)殖機制為循環(huán)水養(yǎng)殖，各個養(yǎng)殖池之間共用同一養(yǎng)殖水源，如果不能及時發(fā)現(xiàn)魚體異常，將會引起致病菌在養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)急速傳播，因此對養(yǎng)殖池內(nèi)魚類生物的健康狀況進(jìn)行監(jiān)測尤為重要。

傳統(tǒng)的車間水養(yǎng)殖沒有信息化技術(shù)的支持，難以適應(yīng)水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的高速發(fā)展。在水養(yǎng)殖車間規(guī)模擴大的背景下，使用傳統(tǒng)人工巡檢方式對魚類生物的健康狀態(tài)、行為特征進(jìn)行觀察，成本與勞動強度較高。而且受限于工作人員的時間精力，養(yǎng)殖池中的異常情況往往容易被忽略，導(dǎo)致魚類生物的死亡率和發(fā)病率較高。其次，對于養(yǎng)殖池的巡檢頻率通常需要憑工作人員的經(jīng)驗確定，缺乏統(tǒng)一的量化標(biāo)準(zhǔn)。因此本文將設(shè)計一種巡檢機器人對車間內(nèi)各養(yǎng)殖池進(jìn)行規(guī)律化巡檢，用以降低工作人員的工作強度以及減少養(yǎng)殖池內(nèi)異常情況的發(fā)現(xiàn)時間。

1 項目的實施意義

巡檢機器人可實現(xiàn)全自動化循環(huán)水養(yǎng)殖車間巡檢，以機器巡檢代替人工巡檢，大幅降低了工作人員的工作強度。數(shù)字化車間數(shù)據(jù)采集使得工作人員能夠更直觀地了解養(yǎng)殖車間的信息，減少人工巡檢不全面所帶來的不良影響，有助于工作人員及時發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖池內(nèi)的異常情況，保證相應(yīng)的養(yǎng)殖生產(chǎn)能夠更加高效穩(wěn)定地開展，有效降低生產(chǎn)風(fēng)險。巡檢機器人充分發(fā)揮了其機動性強的優(yōu)勢，取代了傳統(tǒng)軌道式投料機器人，在不需額外鋪設(shè)軌道的情況下，實現(xiàn)了定點定量飼料投放，減少水環(huán)境污染，降低飼養(yǎng)成本，提升車間水養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益。循環(huán)水養(yǎng)殖車間如圖1所示。

圖1 循環(huán)水養(yǎng)殖車間

2 智能巡檢機器人的設(shè)計

2.1 設(shè)計目標(biāo)

循環(huán)水養(yǎng)殖車間巡檢機器人的設(shè)計目標(biāo)是根據(jù)工作人員的具體需求，實現(xiàn)全自動化車間巡檢，在巡檢過程中采集養(yǎng)殖車間內(nèi)的各項信息，并將匯集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確直觀地呈現(xiàn)給工作人員。為保障巡檢任務(wù)的完成，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，巡檢機器人應(yīng)具備對外界環(huán)境變化的感知能力，針對外部環(huán)境的不確定因素及時做出自適應(yīng)調(diào)整。此外，為進(jìn)一步提高養(yǎng)殖車間的自動化及科學(xué)管理水平，巡檢機器人應(yīng)具備一定的實用拓展功能，如定點定量飼料投放、車間物料運輸?shù)取?/p>

2.2 設(shè)計要求

根據(jù)養(yǎng)殖池內(nèi)可能出現(xiàn)的異常情況，結(jié)合巡檢機器人所需執(zhí)行的巡檢任務(wù)以及養(yǎng)殖車間的環(huán)境特征，巡檢機器人應(yīng)具備以下功能。

2.2.1 自適應(yīng)路徑規(guī)劃與尋徑功能

由于循環(huán)水養(yǎng)殖車間內(nèi)養(yǎng)殖池的規(guī)模、位置會按照生產(chǎn)計劃進(jìn)行調(diào)整，巡檢機器人應(yīng)具備對巡檢路徑的自適應(yīng)調(diào)整功能，在實際運行中對養(yǎng)殖池的變化進(jìn)行探測，自動完成路徑更新；其次應(yīng)具備尋徑功能，可沿著車間內(nèi)地面上的標(biāo)識線自行尋徑行駛，同時準(zhǔn)確判斷所在位置，當(dāng)部分標(biāo)識線出現(xiàn)缺失、破損等情況，或因為其他因素造成偏航時，巡檢機器人可以短暫調(diào)用模糊尋徑機制，快速返回預(yù)定路徑行駛，提高尋徑容錯率。

2.2.2 養(yǎng)殖車間信息采集功能

巡檢機器人應(yīng)具備養(yǎng)殖車間信息采集功能，采集的信息包括圖像信息及現(xiàn)場環(huán)境信息。巡檢機器人可以實時采集養(yǎng)殖車間的圖像以及環(huán)境數(shù)據(jù)并上傳至服務(wù)器，其中，圖像采集的頻率、拍攝角度等相關(guān)參數(shù)可供工作人員調(diào)整。

2.2.3 遠(yuǎn)程控制功能

工作人員可通過微信小程序?qū)ρ矙z機器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，基本控制項目包括運動方向與速度、攝像頭角度等。針對養(yǎng)殖車間內(nèi)不同方位的養(yǎng)殖池可能存在規(guī)格不一致的情況，巡檢機器人應(yīng)具備控制攝像頭高度的功能。在養(yǎng)殖車間潮濕的環(huán)境下，巡檢機器人的通信穩(wěn)定性需滿足現(xiàn)場要求，具備一定的抗干擾能力。

2.2.4 自動避障功能

為提升巡檢機器人在巡檢過程中的穩(wěn)定性以及對場地的適應(yīng)性，巡檢機器人應(yīng)具備自動避障系統(tǒng)。當(dāng)巡檢機器人檢測到其周圍存在障礙物時，自動停止前進(jìn)，必要時進(jìn)行主動避讓，以減少對車間內(nèi)工作人員產(chǎn)生的影響；避障措施執(zhí)行后，返回原定巡檢路徑繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。

2.2.5 飼料投放功能

飼料投放功能作為巡檢機器人的實用拓展功能，可配合巡檢功能使用。工作人員可提前設(shè)定每個養(yǎng)殖池的飼料投放量以及投料時間，巡檢機器人在執(zhí)行巡檢任務(wù)時，可同步對相應(yīng)養(yǎng)殖池進(jìn)行飼料噴投。為了精準(zhǔn)控制飼料的投放量，巡檢機器人應(yīng)搭載稱重傳感器。

2.2.6 電源管理功能

為了保障巡檢機器人在執(zhí)行任務(wù)時的續(xù)航能力以及穩(wěn)定性，防止意外斷電情況的發(fā)生，巡檢機器人上應(yīng)具備一套電源管理系統(tǒng)，以對電池組進(jìn)行電量監(jiān)測、過放保護(hù)以及故障診斷。在巡檢狀態(tài)下，能根據(jù)不同的巡檢需求以及現(xiàn)場情況動態(tài)調(diào)整機器人的放電策略，優(yōu)化整體功耗，延長巡檢機器人的續(xù)航時間。

2.3 巡檢機器人的選型設(shè)計

由于循環(huán)水養(yǎng)殖車間占地面積廣，巡檢機器人的巡檢路線相對復(fù)雜，巡檢路徑長，觀察角度廣，設(shè)計機器人時需要考慮其行走自由度、巡檢速度以及續(xù)航水平，機器人需要具有輕量級的運動方案，故巡檢機器人宜采用輪式或履帶式的運動機構(gòu)。該方案優(yōu)點是行走路線十分靈活、控制簡單并且具備較高的定位準(zhǔn)確度。基于養(yǎng)殖車間內(nèi)已有的良好生產(chǎn)環(huán)境，僅需鋪設(shè)標(biāo)識線表示機器人巡檢路徑，機器人即可根據(jù)鋪設(shè)的標(biāo)識線靈活地做出路徑規(guī)劃，進(jìn)行巡檢。巡檢機器人的運動速度與運動機構(gòu)息息相關(guān)，輪式機器人得益于其車輪的快速轉(zhuǎn)動能力，可以達(dá)到快速運動的目的；履帶式機器人具有抓地力強的特點，面對惡劣環(huán)境仍有良好的行走能力。考慮到其在能耗、續(xù)航方面的要求，結(jié)合實際的生產(chǎn)情況，輪式巡檢機器人更適宜在大面積、環(huán)境良好的循環(huán)水養(yǎng)殖車間進(jìn)行巡檢。循環(huán)水養(yǎng)殖巡檢機器人如圖2所示。

圖2 循環(huán)水養(yǎng)殖巡檢機器人

2.4 巡檢機器人的功能設(shè)計

巡檢機器人采用外設(shè)資源豐富、性能強、功耗低的STM32F407VGT6 作為主控制器，巡檢機器人由多個子系統(tǒng)組成，其中環(huán)境數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)包括敏感氣體傳感器、溫濕度傳感器以及光照傳感器，運動控制系統(tǒng)用于控制巡檢機器人的運動以及調(diào)整攝像頭的高度與拍攝角度，自學(xué)習(xí)尋徑系統(tǒng)與智能防碰撞系統(tǒng)協(xié)同工作，以輔助巡檢機器人實現(xiàn)按設(shè)定路線安全巡檢，巡檢過程中可啟用飼料投放系統(tǒng)進(jìn)行定點定量投料。系統(tǒng)中所有用電器均由不間斷電源管理系統(tǒng)供電。系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，燈光報警系統(tǒng)發(fā)出提示信息。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2.4.1 自學(xué)習(xí)尋徑系統(tǒng)

巡檢機器人的尋徑系統(tǒng)由尋徑傳感器以及尋徑算法組成。尋徑傳感器采用的是灰度傳感器，它會根據(jù)地面的材質(zhì)及其本身的顏色而產(chǎn)生不同的信號，得到環(huán)境反饋，從而達(dá)到尋徑的效果。循環(huán)水養(yǎng)殖車間的巡檢路線會根據(jù)生產(chǎn)狀況調(diào)整，而調(diào)整后，需要對場景的地圖進(jìn)行重新構(gòu)建，自學(xué)習(xí)尋徑系統(tǒng)將在增強巡檢機器人的環(huán)境適應(yīng)能力中發(fā)揮關(guān)鍵作用。其尋徑算法的概述如下：從區(qū)域起點出發(fā)，遇到路口后探索可行走的方向，按照左、前、右的優(yōu)先級進(jìn)行探索，探索完畢其中一個方向后將返回到上級分岔路口，繼續(xù)探索其余方向，直至所有的區(qū)域終點都被探索完成，所有的路口以及區(qū)域終點將被記錄并且上傳到服務(wù)器，在服務(wù)器中進(jìn)行渲染，為管理者構(gòu)建可視化地圖，自動規(guī)劃巡檢路線。路徑自學(xué)習(xí)流程如圖4所示。

圖4 路徑自學(xué)習(xí)流程圖

2.4.2 運動控制系統(tǒng)

運動控制系統(tǒng)由機器人運動部分和攝像頭云臺控制部分組成，機器人運動部分負(fù)責(zé)控制行進(jìn)速度以及方向，攝像頭云臺控制部分負(fù)責(zé)控制云臺轉(zhuǎn)動和升降。基于四輪驅(qū)動的機械結(jié)構(gòu)之上，主控制器對電機的速度進(jìn)行監(jiān)測，運用PID 控制算法，精準(zhǔn)控制電機的轉(zhuǎn)動速度，根據(jù)速度的目標(biāo)值與實際值的誤差值，進(jìn)行比例、積分和微分的運算，運算方法如公式（1）所示，得到修正值后，對電機的轉(zhuǎn)動速度進(jìn)行糾正，進(jìn)而保證巡檢機器人的行進(jìn)速度；調(diào)整四個車輪的內(nèi)外轉(zhuǎn)速差，使得巡檢機器人可以進(jìn)行原地轉(zhuǎn)動以及在巡檢中改變運動方向，保障巡檢機器人運行期間行進(jìn)的靈活性以及穩(wěn)定性。在巡檢機器人行進(jìn)的過程中，主控制器控制云臺轉(zhuǎn)動，帶動攝像頭進(jìn)行左右和俯仰以調(diào)整拍攝角度，通過升降桿調(diào)整拍攝高度。電機與云臺協(xié)同工作，進(jìn)而實現(xiàn)高效完成巡檢任務(wù)。

2.4.3 圖像采集系統(tǒng)

巡檢機器人搭載具有三自由度的云臺和攝像頭，云臺允許安裝在其機身上的攝像頭可以進(jìn)行水平轉(zhuǎn)動360°以及以水平面為界的俯仰角各為45°的拍攝，可根據(jù)場景需求調(diào)整高度，使得拍攝的圖像角度十分靈活，能在保證圖像質(zhì)量的情況下滿足不同的圖像采集需求。采集的圖像以及傳感器數(shù)據(jù)通過無線通信系統(tǒng)實時傳輸，由服務(wù)器進(jìn)行后續(xù)的處理和存儲。

2.4.4 無線通信系統(tǒng)

無線通信系統(tǒng)的作用是維系巡檢機器人與控制軟件間的通信，系統(tǒng)采用ESP-32S 作為通信模塊，該通信模塊尺寸小，待機功耗低，深度睡眠電流低至6 mA。巡檢機器人通過通信模塊將采集的傳感器數(shù)據(jù)以及圖像上傳，交由服務(wù)器進(jìn)行后續(xù)處理。小程序下發(fā)的指令通過通信模塊傳達(dá)至主控制器中，主控制器根據(jù)接收的指令控制巡檢機器人各子系統(tǒng)的工作。

2.4.5 智能防碰撞系統(tǒng)

巡檢機器人的載物平臺上搭載超聲波測距以及紅外傳感器，可檢測前方障礙物或人員，同時為通過測距判斷自身位置，實現(xiàn)智能防撞避障功能。當(dāng)巡檢路徑上工作人員遮擋道路或者存在障礙物時，巡檢機器人會迅即停止移動，同時發(fā)出警示聲，提醒工作人員注意躲避，與此同時，若檢測到障礙物長時間未移動，機器人將主動繞開障礙物，返回原定巡檢路徑繼續(xù)進(jìn)行巡檢。考慮到工作人員以及財產(chǎn)安全，巡檢機器人的機身上貼有警示標(biāo)志，以提醒工作人員進(jìn)行避讓，防止造成人員或設(shè)備損傷。

2.4.6 飼料投放系統(tǒng)

基于巡檢機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，機器人擁有一定的承重能力，可在機器人上方的平臺處架設(shè)飼料投放系統(tǒng)進(jìn)行飼料投放。飼料投放系統(tǒng)包括漏斗、稱重傳感器、鼓風(fēng)機以及承載鼓風(fēng)機的轉(zhuǎn)動云臺。稱重傳感器運用帶HX711AD 模塊的10 kg 量程稱重壓力傳感器，四個稱重模塊組成一組，飼料額定載重為25 kg，主控制器通過讀取傳感器模塊數(shù)據(jù)獲得飼料的實時重量，以判斷當(dāng)前養(yǎng)殖池的投料是否足夠以及漏斗是否需要補充飼料。主控制器控制鼓風(fēng)機底部的螺旋扇葉轉(zhuǎn)動產(chǎn)生壓強差，使鼓風(fēng)機內(nèi)空氣快速流動，吹動飼料從噴射口中投放到養(yǎng)殖池中。自動調(diào)整螺旋扇葉轉(zhuǎn)速可以調(diào)整投放距離，自動轉(zhuǎn)動云臺允許鼓風(fēng)機調(diào)整方向，同時可以對投料管道進(jìn)行伸縮調(diào)整，適應(yīng)養(yǎng)殖池的高度，達(dá)到飼料均勻投放的效果。

2.4.7 不間斷電源管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)由電池組檢測、電池組切換、電源控制共三個子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)的工作原理如圖5所示。巡檢機器人上搭載了主電池組與若干備用電池組，電池組檢測系統(tǒng)用于檢測處于通電狀態(tài)的電池組，檢測項目包括電量，輸出功率、電池溫度等信息，無線通信系統(tǒng)將這些信息實時發(fā)送至服務(wù)器。當(dāng)檢測到電量過低、斷路、過放等異常情況時，電池組切換系統(tǒng)自動切斷異常電池組，同時在極短的時間內(nèi)切換至備用電池組，保證了巡檢機器人的穩(wěn)定運行。電源控制系統(tǒng)用于控制電池組的放電策略，能夠根據(jù)巡檢機器人的工作模式控制相關(guān)用電器的開啟與關(guān)閉，以降低功耗，延長續(xù)航時間。例如：當(dāng)采用手動巡檢模式時，電源控制系統(tǒng)將自動切斷尋徑傳感器的電源。

圖5 不間斷電源管理系統(tǒng)工作原理圖

3 應(yīng)用場景

該巡檢機器人的應(yīng)用前景廣闊，主要應(yīng)用于自動化養(yǎng)殖車間巡檢、定點定量飼料投放、養(yǎng)殖車間物資運輸?shù)取?/p>

3.1 自動化養(yǎng)殖車間巡檢

在養(yǎng)殖車間內(nèi)，巡檢機器人能在預(yù)定規(guī)劃的路線下自動完成日常巡檢任務(wù)，包括巡檢、監(jiān)測、采集圖像等，實現(xiàn)養(yǎng)殖車間的實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、反饋與傳輸。在路線規(guī)劃方面，應(yīng)用自適應(yīng)路徑規(guī)劃與尋徑算法，自動對場景內(nèi)的巡檢需求做出最佳路線擇選，降低整體巡檢時間。巡檢機器人通過測距進(jìn)行實時定位，利用自身搭載的高精度傳感器采集養(yǎng)殖車間的溫濕度、光照強度以及敏感氣體濃度等環(huán)境信息，將實時位置與環(huán)境信息一并反饋至工作人員的微信小程序中，幫助工作人員快速獲取養(yǎng)殖車間整體的生產(chǎn)環(huán)境信息，縮短工作人員對生產(chǎn)調(diào)整的反應(yīng)時間，提高養(yǎng)殖車間的科學(xué)管理水平。巡檢機器人微信小程序界面如圖6所示。

圖6 巡檢機器人微信小程序界面

3.2 養(yǎng)殖車間定點定量飼料投放

巡檢機器人的導(dǎo)航避障能力、飼料投放系統(tǒng)結(jié)合巡檢機器人微信小程序，可以實現(xiàn)循環(huán)水養(yǎng)殖車間定點定量飼料投放。工作人員在微信小程序中設(shè)定需要投放飼料的養(yǎng)殖池以及所需投放的飼料重量，機器人將自動執(zhí)行任務(wù)，在養(yǎng)殖車間內(nèi)進(jìn)行飼料投放。除了支持即時飼料定量投放任務(wù)，該機器人還支持定時飼料投放，提前預(yù)設(shè)飼料投放時間，到達(dá)預(yù)定時間后，巡檢機器人將前往目標(biāo)養(yǎng)殖池，執(zhí)行飼料投放任務(wù)，提升循環(huán)水養(yǎng)殖車間的自動化水平。

3.3 養(yǎng)殖車間物資運輸

巡檢機器人可以實現(xiàn)生產(chǎn)物資、工具以及產(chǎn)品的運送。在循環(huán)水養(yǎng)殖車間中，依賴于巡檢機器人穩(wěn)定的承重框架、高精度的自主導(dǎo)航技術(shù)與定位技術(shù)，各巡檢機器人之間可以在統(tǒng)一管理下協(xié)同運作，互不干擾，形成養(yǎng)殖車間物流運送體系。巡檢機器人可以實時、安全且高效地承擔(dān)起車間內(nèi)運輸?shù)娜蝿?wù)，降低養(yǎng)殖車間對人力資源的需求，節(jié)省勞動力方面的開銷。

4 結(jié) 論

巡檢機器人應(yīng)用到循環(huán)水養(yǎng)殖車間后，能夠有效提高巡檢效率以及提升循環(huán)水養(yǎng)殖車間的自動化與科學(xué)管理水平，節(jié)省人力成本。巡檢機器人將會在未來的循環(huán)水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)中，發(fā)揮越來越重要的作用。后續(xù)將為巡檢機器人加入AI 技術(shù)，利用機器視覺及時發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖池內(nèi)的異常情況并及時通報工作人員，降低工作人員就事故調(diào)整生產(chǎn)策略的滯后性。