多功能家禽散養巡檢車模型的行走、撿拾模塊設計與應用

冷春蔚 朱子儀 馬紹朔

（商丘師范學院，商丘 476000）

黨的十九大報告中提出鄉村振興戰略，國務院辦公廳出臺的《關于促進畜牧業高質量發展的意見》，明確提出加強為中小養殖戶提供機械化生產、產品儲運等實用科技服務。我國家禽養殖業正處于生態健康養殖階段，但同時存在著養殖觀念落后、智能養殖技術欠缺、家禽防疫及環境污染等問題[1-3]。

家禽飼養中，散養模式能為家禽提供廣闊的活動空間。然而，對于一個規模化中大型農場來說，自由散養模式需要進行大量的工作，如定時喂養、家禽生命體征預警和禽蛋撿拾。機械化和智能化的開發設備可以解決勞動力短缺、飼料供應不足、禽蛋拾取與挑揀費時以及人類和鳥類安全等問題。

利用散養模式過程中，從科學、安全和高效家禽飼養需求出發，開發出具備全地形適應、環境預警和禽蛋撿拾功能的智能巡檢設備，將是解決勞動力不足、飼養安全水平不高、無法適應生產需要等問題的關鍵所在。

針對這種情況，設計并研制了多功能家禽散養巡檢車，著重研究行走、撿拾模塊，為散養家禽養殖業的高質量發展提供技術和裝備支撐，促進家禽養殖向智能化和自動化方向發展[4-5]。

1 多功能家禽散養巡檢車硬件設計

多功能家禽散養巡檢車系統結構包括巡檢車（硬件）和開發控制（軟件）兩部分，如圖1 所示。

圖1 巡檢車系統結構

巡檢車主體由運動控制系統、數據收發系統兩部分組成。運動控制系統由電機驅動及控制模塊、超聲波避障模塊、紅外循跡模塊、有源蜂鳴器報警模塊及藍牙模塊等組成。超聲波傳感器和紅外傳感器主要基于當前的運動狀態和障礙物的位置，對如何避開障礙物做出一般性決定。在運動控制系統接收來自終端的藍牙信號后，通過直流電機驅動的行駛部分響應命令繞過障礙物。同時，紅外循跡模塊可以確保巡檢車在指定范圍內巡邏。

信息采集系統與收發系統由Wi-Fi 模塊連接，主控制器收到工作指令后預檢車輛狀態，通過內置全球定位系統（Global Positioning System，GPS）可查詢巡檢車的當前位置信息，在終端同步其狀態信息。為了提升決策的準確性，決策模型會定期動態更新，數據模型會將來自多個傳感器的數據集成至實際運行過程中，以實現自動決策并執行其他任務。選定的傳感器數據將實時上傳到數據服務器，以重新編程解決方案模型，并實現持續的更新和重復。

撿拾裝置由適用于禽蛋的三段式平行撿拾器和智能伸縮臂組成，當主控制器判斷夾持目標禽蛋撿拾成功后，伸縮臂將禽蛋收入巡檢車的收納盒。視覺設備由OV2640 模塊組成的雙目攝像頭及高清攝像頭構成，分別實現的禽蛋識別與完好度檢測及實時行駛狀況的監控傳輸。

本系統采用雙微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）設計，巡檢車主體以ARDUINO UNO R3 作為主控制板，撿拾裝置以ESP32-CAM 作為主控制板。

2 巡檢車行走模塊

2.1 麥輪設計分析

巡檢車行走模塊采用4 個麥克納姆輪驅動的方式實現對小車的全方向運動控制。巡檢車行走模塊包含互為鏡像的2 個左旋輪（A 輪）和2 個右旋輪（B 輪），左旋輪和右旋輪呈手性對稱。設巡檢車整體前進時的主輪轉向為正，電機正轉；后退時主輪轉向為負，電機反轉。在電機正轉時，A 輪受摩擦力作用向右前方運動，而電機反轉時具有向左后方運動的趨勢。A 輪和B 輪的力矩分解如圖2 所示。

圖2 麥克納姆輪力矩分解示意圖

以車體底部幾何中心為原點擬建立平面直角坐標系，如圖3 所示。巡檢車的移動方向可分解為X、Y兩個方向。ω為車體繞原點自轉的角速度，L1為底盤幾何中心到輪軸中心的水平距離，L2為底盤幾何中心到輪軸中心的垂直距離，μ為巡檢車移動時輥子的分力方向。設麥克納姆輪的輪轂軸與輥子轉軸的夾角為α，即45°。

圖3 巡檢車底盤綜合受力分析

2.2 行走模塊驅動裝置

采用4 臺12 V 直流減速TT 馬達提供動力支持，電機減速比為2.5、軸長約為60 mm、額定調速范圍為150～900 r·min-1、額定輸出功率為25W，通過脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）電機調速實現各直流無刷電機正轉、反轉、急停和加速等動作。本設計選用的麥輪外徑約4.6 cm，沿軸旋轉一周可使車主體沿指定方向前進約29 cm，選用的直流減速TT 馬達，在12 V 額定電壓下，轉速可穩定達到13 r·s-1，在減速比為2.5 的齒輪組作用下，輸出約5 r·s-1。該驅動裝置可支持工作行駛最高速率約為145 cm·s-1。

3 電機驅動

電機驅動芯片采用L298N，其輸出端接至直流減速電機，該芯片檢測外部電阻并反饋控制電路。L298N 通過控制主控芯片上的輸入/ 輸出（Input/Output，I/O）端，直接通過電源調節輸出電壓，即可實現電機的正轉、反轉、停止，系統采用PWM 的方法，通過改變平均電壓值調整電機轉速。

3.1 藍牙收發模塊

選用的HC-05 藍牙模塊經杜邦線與MCU 的I/O口相連。電機驅動器在收到MCU 經由HC-05 發出的藍牙信號時，電機便會做出相應的動作。

3.2 超聲波避障裝置

超聲波避障裝置選用HC-SR04 超聲波測距模塊。HC-SR04 超聲波距離傳感器配備2 組傳感器，發射器的部分可將MCU 引腳發出的電信號轉換為40 kHz超聲波脈沖信號。接收器部分負責將監聽到的脈沖轉換為輸出脈沖信號，其信號寬度的作用在于確定脈沖傳播的距離。該模塊體積小，易于安裝使用，并提供2～400 cm 非接觸范圍，不動測量角度最大15°，精度可達3 mm。

實際配置中，將超聲傳感器安裝于MG995 伺服電機上，二者整體安裝在二自由度云臺上，實現超聲傳感器水平方向的180°旋轉，豎直方向的90°旋轉。

3.3 紅外循跡模塊

紅外循跡模塊選用的TCRT5000 由一個發射管和一個接收管組成，當發射管的信號經反射被接收管接收后，接收端電阻發生變化，在電路上一般以電壓的變化形式體現，再經模數轉換器（Analog to Digital Converter，ADC）轉換或LM324 等電路整形后得到處理后的輸出結果。電阻的變化取決于接收管所接收的紅外信號強度，受反射面顏色和反射面到接收管距離兩方面影響，實際測試中檢測反射距離為1～250 mm。該裝置使用比較器輸出，信號干凈，驅動能力強，同時配有多圈可調精密電位器調節靈敏度。

3.4 撿拾裝置設計

抓取對象的結構和形態對于末端夾持器的機械結構設計很重要，研究選擇中原地區較為常見盧氏雞的雞蛋作為測量對象。盧氏雞一般年均產蛋量在110～150 枚。隨機選擇9 個相近的該品種雞蛋，測量尺寸和質量、密度等相關數據，結果如表1 所示。

表1 雞蛋相關數據

雞蛋為非對稱的橢球體結構，通過測量可以看出雞蛋的質量一般在65 g 左右，直徑約4.25 cm，高度約6.22 cm。根據這些數據可以合理地對末端夾持器進行結構設計和參數設定，其中拾取裝置的臂長將超過50 cm。

由于蛋殼易碎且易出現內部損傷，經過優化的末端夾指應具有一定的保護軟體功能。選用的兩指節型末端夾持器可以更牢固地抓取雞蛋這類橢球體的對象，具有控制難度小、成本低等優點，在此基礎上對末端夾持器機械結構與抓取功能的實現進行3 個方面的改進。第一，在兩側的主夾指上下各增加3 只夾指，一列呈4 只非水平排列的夾指，如圖4 所示。第二，末端夾持器的夾指分別在與雞蛋最寬處的接觸弧面上設計基于雞蛋上料前表面凹凸紋理的仿生紋路，增加夾爪與雞蛋的摩擦，更加貼合雞蛋表面，防止夾爪在抓取或者搬運雞蛋過程中出現掉落或破碎等情況。第三，在開合35°時的嚙齒處增加約2 mm 的空隙，在保證夾爪力度的同時，使夾爪具有調整的空間。

圖4 夾持器俯視圖

4 系統軟件設計

原型機在實際開發中采用了模塊化編程，即建立主函數、子函數、子過程等框架，并仔細定義和調試每個框架的輸入和輸出鏈接關系。

考慮后期維護等，上位機開發選用Arduino 平臺。Arduino 平臺具有以下特點：軟件模塊化設計完善，用C++將硬件抽象成類庫；多顯示器和靈活的窗口管理系統；代碼編輯器功能齊全，可以任意配置用戶喜愛的形式；強大的編譯工具，并且提供在線仿真和調試功能。其采用C++進行程序編寫，可讀性強，且具開源特性。

5 避障功能設計

本設計建立了巡檢車藍牙互聯及避障的系列流程，如圖5 所示。

圖5 藍牙連接及避障流程圖

小車在自動避障過程中采用傳感器采集信息。對于傳感器采集的數據，小車要判定在一個數值范圍內是否有障礙物，即需要確定一個安全距離。由于巡檢車采用四驅麥克納姆輪設計，無須轉彎即可轉變運動方向，綜合代碼延時及實物驗證最終將安全距離設定為17.43 cm。

超聲波測距模塊的安全距離設定是基于其測定的距離，然后通過編程實現。四周分布2 個紅外測距（避障）模塊的安全距離，使用電位器手動調節旋鈕即可設定，在安全距離內檢測到障礙物返回字符“0”，否則返回字符“1”。

6 示例分析

選用長為15 m、寬為2 m 的長方形散養區域（如圖6 所示）投放巡檢車，巡檢車抓取范圍為以自身為圓心、半徑為0.5 m 的區域，車沿預設路徑（虛線）前行，即可全覆蓋撿拾散養區禽蛋。

圖6 巡檢車路徑規劃示意圖

本示例提供了3 種散養區隨機位置的禽蛋、石塊和雞的投放方案，見表2。方案1 為基本對照組；方案2 在方案1 基礎上增加了石塊投放數量，以檢測巡檢車對障礙物的感應及躲避性能；方案3 在方案1 基礎上增加了禽蛋投放數量，進一步測試巡檢車的撿拾速率及撿拾裝置使用耐久性。每個方案的測試周期設定為車沿預設路徑繞場2 周，所得測試數據如表3 所示。其中，漏檢率的計算公式為

表2 方案設計

表3 測試結果

式中：N投為禽蛋投放數；N撿為禽蛋撿拾數。

撿拾成功率的計算公式為

式中：N石為撿拾石頭數量；N損為破損禽蛋數量。

結果顯示，方案2 中因石塊增多，巡檢車行駛路程較方案1 增加了4.17 m，但平均行駛速率僅降低了6.5%，表明巡檢車能夠快速檢測到行進過程中的障礙物并及時躲避。方案3 中行駛時長較方案1 增加了57.83 s，這是由于禽蛋投放數量增加了50 枚，導致撿拾時間增加，但漏撿率僅上升3%。綜合結果顯示，3 種測試方案的平均漏撿率低于7.7%。巡檢車工況下行駛速率為36.55 cm·s-1，表明所提出的巡檢車在執行實地禽蛋撿拾任務時具備穩定的性能和較高完成度。

7 結語

本巡檢車為國內禽類散養模式提供了一種新的方式，初步試驗表明，其工作過程可靠、穩定，可以成為家禽散養的智能化裝備，將進一步試制初代產品，投入實際散養環境進行測試。