自走式籠養動物定點精準飼喂車設計與試驗

摘要：針對單籠單飼籠養動物個體識別成本高、定點飼喂難度大、飼喂量精準度差，缺乏配套自動化飼喂設備等問題，設計一種自走式籠養動物定點精準飼喂車。聯合應用霍爾傳感器與激光測距傳感器對籠位、料位進行標定，采用激光測距傳感器實現籠位自動判定和料槽認址定位，采用螺旋輸料結構進行飼喂量標定和精準定量飼喂；通過飼喂中控系統，實現籠位動物信息管理、定時飼喂和分階段采食量設置等功能，飼喂車可自動判定籠養動物生長、生理、繁殖階段動態營養需要，完成精準變量飼喂。結果表明：滿載狀態下，飼喂車籠位識別率達到100%，停車定位偏差在3 mm以內；以預設的50 g、75 g、100 g、125 g為飼喂量，飼喂車實際飼喂量與設定飼喂量的最大偏差為2.32 g，平均偏差率小于1%，滿足單籠單飼動物定點精準飼喂要求。

關鍵詞：籠養動物；自走式；飼喂車；精準飼喂；認址定位

中圖分類號：S817.3

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 12-0081-06收稿日期：2023年8月15日

修回日期：2023年10月10日

*基金項目：江蘇省農業科技自主創新資金項目（CX（19）3022）；江蘇省現代農機裝備與技術示范推廣（試驗示范）項目（NJ2022—35）；國家兔產業技術體系—南京綜合試驗站項目（CARS—43—G—2）

第一作者：李健，男，1980年生，南京人，碩士，副研究員；研究方向為智能化養殖設備與技術。E-mail：610646428@qq.com

通訊作者：楊杰，男，1972年生，安徽蒙城人，碩士，研究員；研究方向為畜禽精準營養與飼喂技術。E-mail：598320394@qq.com

Design and experiment of a self-propelled precision feeding vehicle for caged animals

Li Jian， Zhang Xia， Qin Feng， Shao Le， Zhai Pin， Yang Jie

（Institute of Animal Science， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences， Key Laboratory of Crop and Livestock Integrated Farming， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing， 210014， China）

Abstract： Aiming at the problems of high cost of individual identification， difficulty in targeted feeding， poor accuracy in feeding amount， and lack of supporting automated feeding equipment for single cage and single feeding animals， a kind of self-propelled precision feeding vehicle for caged animals is designed. The combination of Hall sensor and laser ranging sensor is used to calibrate the position of cages and feeders. The laser ranging sensor is used to automatically determine the cages’ position and locate the feeders. The spiral feeding structure is used for feeding amount calibration and precise quantitative feeding. Through the feeding central control system， functions such as caged animal information management， timed feeding， and phased feed intake settings are achieved. The feeding vehicle can automatically determine the dynamic nutritional needs of cage animals during their growth， physiology， and reproduction stages， and complete precise variable feeding. The test results show that under full load， the cage position recognition rate of the feeding vehicle reaches 100%， and the parking positioning deviation is within 3 mm. Taking the preset 50 g， 75 g， 100 g， and 125 g as the feeding amounts， the maximum deviation between the actual feeding amount of the feeding vehicle and the set feeding amount is 2.32 g， with an average deviation rate of less than 1%， meeting the requirements for precise feeding of single cage and single feeding animals at designated points.

Keywords： caged animals; self-propelled; feeding cart; precise feeding; recognition location

0 引言

精準飼喂是現代畜牧業的重要組成部分。隨著傳感器和計算機技術的發展，條形碼、RFID等探測手段已成功用于奶牛、生豬等大家畜的自動識別和自動飼喂系統中^［1-3］，飼喂設備可根據動物生長、生產、生理、繁殖階段的動態、個性化需求，適時適量的完成飼料和營養素精準供給^［4-6］，顯著減少飼料浪費，提高生產效益^［7］。

家兔、種雞等籠養動物具有體型小，單次采食量少的特點，多采取單籠單槽飼養方式，并且單個料槽尺寸小，定點飼喂難度大，與豬、牛、羊等大家畜相比，飼喂精度要求更高，主要依賴人工投料，勞動強度大、投喂效率低、飼料投放量精準度差^［8］。現有單籠單槽飼喂設施多模仿豬、奶牛等動物的飼喂設備進行設計、制造，采用量杯^［9］、稱重^［10］結構完成投料的精準定量，由于單次喂料量大，允許誤差閾值寬，飼喂精度無法滿足籠養動物要求。

李麗華等^［11］設計了適于單籠單飼種雞的個體精準飼喂系統，采用對射式光電傳感器和超高頻RFID掃碼完成種雞料槽定位和身份識別，通過稱重傳感器精準控制飼料投喂量。夏尚飛等^［12］設計的家兔變量飼喂系統，運用色標傳感器探測色卡，判定料槽位置和飼喂量，實現精準定位飼喂。但是，籠養動物單位價值低，每籠裝卸RFID標簽和色卡，顯著增加識別成本和工人勞動強度；通過稱重結構控制飼喂量，結構復雜，電器原件易受養殖舍氨氣等有害氣體影響，相關精準飼喂技術未能在養殖行業推廣運用。

目前，認址技術不斷發展成熟，形成包括激光測距認址、編碼器認址、接近開關認址等多種方式。其中激光測距認址方式結構簡單、環境適應能力強、設備準停定位精度高，廣泛用于工農業生產計數、定位領域。霍爾型接近開關性能穩定，響應快，壽命長，抗干擾能力強，并具有防水、防震、耐腐蝕等特點，但是探測距離短，在籠養舍飼環境中，易出現籠具、軌道變形和磁鐵移位等問題，引起探測距離變化，影響探測效果。

基于此，本研究針對單籠單槽動物飼養場景，設計一種自走式籠養動物定點精準飼喂車（以下簡稱飼喂車），聯合采用霍爾傳感器與激光測距傳感器進行籠位、料位標定，采用激光測距傳感器進行籠位、料位判定，簡化飼喂車定位結構，提高認址穩定性，顯著降低判定成本，并集成機電一體控制技術、軟件技術等，自動根據籠養動物生長、生理、繁殖階段動態營養需要，完成精準變量飼喂。

1 飼喂車總體設計和工作原理

1.1 總體設計

家兔等單籠單飼動物舍飼結構一般采用單層、多層（層疊式、階梯式）籠養模式，以2～3層結構居多，并且過道較窄，普遍在0.8～1.2 m之間；籠位長度約為50 cm左右，料槽長度在20 cm以內，寬度小于15 cm，單籠單次飼喂量在150 g以內，對料槽定位和飼喂量精度要求高。傳統的行車式、播種式飼喂機需安裝地軌，占用過道空間，不利于日常養殖管理，并且無法自動精準完成籠位判定和精準定量飼喂。

自走式籠養動物定點精準飼喂車主要由中控系統、行走系統、喂料系統和動力系統組成，如圖1所示，采取籠上雙軌運行方式，以原有籠架為基點，在其上焊接固定金屬支柱，作為飼喂車軌道支撐；軌道在籠具上方，沿養殖籠安裝方向中軸線安裝鋪設，實現飼喂車籠上行走喂料，不占用過道空間，方便日常飼養管理。行走電機采用直流雙軸減速電機，通過聯軸器向兩側主動輪輸出動力；電機安裝在飼喂車底部，有效減少養殖舍粉塵、霧滴對電機的侵蝕影響。為提高飼喂車籠位、料位定位精度，飼喂車采用霍爾傳感器和激光測距傳感器聯合完成籠位、料位的自動標定，記錄每個籠位、料位的位置信息。

根據養殖籠層數不同，本研究設計的飼喂車喂料系統，提供雙向2通道、4通道、6通道螺旋式輸料結構，飼料通過下料管導入料槽。為降低重量，提高整體結構強度和耐候性，飼喂車料倉、輸料管、下料管等部件全部采用304不銹鋼材質，螺旋式輸料結構采用實心尼龍絞龍；為提高投料精度和均勻度，減少飼料粉化率，輸料管采用內徑約48 mm無縫不銹鋼鋼管，尼龍絞龍螺旋葉片直徑47 mm，與鋼管內壁間隙約0.5 mm，螺距控制在15～20 mm，螺旋軸直徑20～25 mm。在行走飼喂過程中，飼喂車采用激光測距傳感器，精準判定籠位和料位，讀取籠位信息；通過控制各個通道螺旋式輸料結構運行時間，可精準完成各籠位的精準變量飼喂。

飼喂車采用電池供電，其動力系統由12 V，30 Ah鋰電池組、繼電器組、充電器、電量顯示模塊組成，通過電量顯示模塊，操作人員可實時掌握飼喂車電量剩余情況，及時充電；同時動力系統配有3.3 V、5 V、12 V和24 V等電源轉換模塊給飼喂車的中控芯片、傳感器、人機界面、飼喂電機、行走電機等組件供電。

中控系統電路以STM32F103VCT6單片機作為核心控制模塊，采用C語言完成嵌入式系統開發，并開發人機界面，完成飼喂參數設置、籠位信息管理、籠位和料位標定、飼喂量校準標定、自動飼喂等功能。

飼喂車中控系統、行走系統、喂料系統和動力系統采取模塊化設計方式，通過卡扣、螺絲等固定結構完成快速組裝，之間的線路通過IP68防護等級的航空接頭快速連接；中控系統和動力系統安裝在獨立防塵控制箱內；便于飼喂車拆裝和日常故障排查。

1.2 工作原理

飼喂車使用前，首先通過中控系統人機界面，預設動物分階段每日飼喂頻次、飼喂量（飼喂曲線）及定時飼喂時間；然后，完成料位和籠位信息標定和編號，完成飼喂量校準標定；最后，依照籠位編號，對籠養動物有無、性別、生長和繁殖階段等信息進行錄入、管理。

飼喂車使用時，在單片機控制下，定時啟動飼喂程序，飼喂車攜帶飼料，沿養殖籠安裝方向運行，通過籠位、料位精準判定結構，識別料槽（投喂）位置，并停車，識別、讀取籠位信息，比對預設的飼喂曲線，確定特定籠位動物飼喂量，單片機按照飼喂量，控制飼喂電機向料槽內精準投放飼料；投料結束后，喂料車繼續前進，進行下一個籠位的識別、定位和飼喂。當飼喂車完成所有籠位投料后，自動返回初始位置，并在設置的定時飼喂時間啟動，自動執行下一次飼喂任務。

2 飼喂機關鍵系統設計

2.1 精準行走系統設計

2.1.1 行走結構設計

行走結構由行走電機、聯軸器、軸承、主動輪、從動輪和行走軌道組成。軌道采用鍍鋅圓管，安裝于養殖籠頂部。行走電機采用直流24 V雙軸蝸輪蝸桿減速電機，轉速38 r/min，通過聯軸器與兩側主動輪軸連接；同時，行走電機帶自鎖功能，使飼喂機停車后不出現滑行位移，保證喂料位置精度。主動輪、從動輪采用金屬U型輪，為防止卡軌，U型輪槽寬與軌道圓管直徑比為1.1∶1～1.5∶1。

2.1.2 籠位、料位精準標定結構和流程設計

籠位、料位精準標定結構由籠位標定尺、N52強力磁鐵、霍爾型接近開關（探測距離10 mm）、激光測距傳感器（探測頻率20～30 Hz，測量范圍0.01～100 m，測量精度±1 mm）、反光板組成。激光測距傳感器安裝在飼喂車與反光板相對一側的箱體立面上，反光板設置在軌道終點位置處。

由于養殖籠安裝完成后，籠位、料位基本不再變化，在飼喂車使用前，只要進行一次籠位、料位標定即可永久使用。如圖2所示，使用籠位標定尺確定每個料槽中心點，并在軌道對應位置依次放置N52強力磁鐵；在飼喂車下方與磁鐵對應位置，安裝霍爾型接近開關；啟動籠位、料位標定程序，激光測距傳感器實時探測飼喂車與反光板距離位置數據，并首先自動記錄飼喂車起始位置數據，完成起始位置標定；接著，驅動飼喂車沿養殖籠安裝方向運行，

當霍爾型接近開關探測到磁鐵時，飼喂車停車，系統記錄位置數據，并編輯、記錄籠位編號；然后，飼喂車繼續運行，依次完成每個籠位、料位的標定；當激光測距傳感器探測距離＜3 cm時，飼喂車返程后退，系統將激光測距傳感器測定數據與標定的起始位置數據實時比對，當測定數據與標定數據吻合時，飼喂車回到起始位置停止，完成所有籠位、料位標定；取下安裝在飼喂車上的霍爾型接近開關和用于進行定位的N52強力磁鐵，用于對下一臺飼喂車的籠位、料位標定。籠位、料位標定流程如圖3所示。

2.2 精準飼喂系統設計

飼喂車精準飼喂系統由行走結構、喂料結構和籠位、料位精準判定結構組成，自動精準實現籠位判定和料槽定位，并根據讀取的籠養動物生長、生理、繁殖階段信息，判定動態營養需要，完成精準變量飼喂。

2.2.1 精準喂料結構與飼喂量標定流程設計

飼喂車精準喂料結構由料倉、螺旋式輸料結構、下料管、喂料電機組成。料倉采用1.5 mm厚度304不銹鋼制成，并與輸料管無縫焊接。由于采用雙向2、4、6通道螺旋供料結構，可對單層和2～3層養殖籠兩側料槽同時投喂，較人工飼喂方式，顯著提高投喂效率。喂料電機驅動螺旋式輸料結構的螺旋軸旋轉，螺旋葉片推動料倉底部飼料沿螺旋軸方向移動，經下料管出料口落入料槽。

喂料電機采用30 r/min直流減速電機，由于輸料阻力很小，不影響電機轉速。同時，禽畜飼料屬于無黏性小顆粒物料，采用螺旋式輸料結構，飼料輸送量與螺旋旋轉圈數成正比，在電機轉速不變情況下，可通過控制投料時間精準控制飼料飼喂量^［13］。

由于品種、批次、配方、粒徑的不同，動物飼料的密度、填充系數等參數會發生相應變化，導致螺旋輸料結構單位時間飼料輸出量發生變化；同時，不同喂料電機及螺旋葉片也會造成各通道之間單位時間出料量存在差異。

所以，需適時進行喂料結構飼喂量標定：料倉滿載情況下，在系統人機界面，點擊喂料量校準按鈕，進行標定，單片機控制各通道喂料電機旋轉1 min；然后，人工對各通道（圖4中L2、R1、R2）輸出飼料進行收集、稱重，并將稱重結果填入各通道出料量對話框中，系統自動計算各路通道單位時間飼料輸出量，完成各通道特定品種、批次飼料的飼喂量標定。在飼喂車讀取特定籠位飼喂量時，系統會自動計算出各個通道電機工作的時間，實現精準定量飼喂。飼喂量標定流程如圖4所示。

2.2.2 籠位、料位精準判定結構與精準飼喂流程設計

如圖2所示，籠位、料位精準判定結構由激光測距傳感器和反光板組成。籠位、料位精準判定結構在飼喂車執行飼喂任務時工作：裝載飼料后，飼喂程序啟動，飼喂車沿養殖籠安裝方向運行，激光測距傳感器實時探測飼喂車與設置在終點位置的反光板距離，并與標定的料位距離數據實時比對，當測定數據與標定數據吻合時，喂料車停止，讀取料位信息，比對飼喂曲線，確定當前籠位飼喂量，系統自動計算出各個通道電機工作的時間，執行定點精準變量飼喂；飼喂完成后，喂料車繼續前進，進行下一個籠位的識別、定位和投喂；當激光測距傳感器探測距離＜3 cm時，飼喂車返程后退到起始位置，完成所有籠位飼喂任務。精準飼喂流程如圖5所示。

2.3 精準飼喂中控系統設計

精準飼喂中控系統主要實現籠養動物飼喂參數設置、籠位信息管理、籠位和料位標定、飼喂量校準標定等功能，并根據設置和判定信息，自動執行精準變量飼喂任務。

2.3.1 硬件設計

中控系統電路以STM32F103VCT6單片機作為核心控制模塊，控制電路包括微處理器芯片、晶振電路、復位電路、喂料電機控制電路、行走電機控制電路、傳感器認址判定電路、電源電路等。系統控制電路如圖6所示。

2.3.2 軟件設計

系統軟件設計包括人機界面設計及執行軟件設計，采用C語言開發。執行軟件控制飼喂車完成籠位和料位標定、飼喂量校準標定任務，并根據設置和判定信息，自動執行精準變量飼喂任務，流程如圖3～圖5所示。

中控系統人機界面由4個功能區塊組成：（1）定時喂料設置區，用戶可根據需要，設定每日動物飼喂的具體時間和飼喂頻次；根據系統設定的時間，飼喂車每日定時執行每次飼喂任務。（2）參數設置區，用戶可點擊“籠位標定”按鈕，進行籠位、料位自動標定；點擊飼喂量“校準”按鈕，執行飼喂量校準流程，并將1 min各通道投料量稱重，填入出料量對話框中，完成飼喂量標定；同時，還可以在出料量測試功能區，設置通道和出料量，測試特定通道投喂量的準確度。（3）手動控制區，用戶可手動控制飼喂車執行前進、后退和喂料等任務。（4）動物狀態管理區，用戶可進行籠養動物籠位編號、狀態及其開始時間的設置、查詢、修改等管理操作；并且，可對同批次轉入動物，在動物狀態表中，按不同飼喂通道進行批量設置和個別修改。同時，可點擊“飼喂周期設置”按鈕，進入飼喂周期設置界面，對不同飼喂周期的階段和飼喂量進行設置。

通過人機界面的設置，飼喂車可定時啟動，自動比對系統時間，判定籠位編號和動物狀態信息，并根據飼喂周期設置，按籠養動物生長、生理、繁殖階段動態營養需要，完成精準變量飼喂。

3 飼喂車性能試驗

為驗證飼喂車性能，在江蘇省農業科學院六合動物科學基地試驗兔場，選取層疊式雙層雙側兔籠，采用雙向4通道籠養動物定點精準飼喂車，開展料位識別、精準停車和定量投料試驗。試驗設計軌道長度44 m，籠位數量264個，其中每個通道飼喂66個籠位，籠體外側懸掛料槽。試驗飼料為生長兔全價顆粒飼料，密度約526 kg/m³。測定工具包括電子秤（量程0～5 kg，精度為0.01 g）和數顯游標卡尺。

1） 精準停車試驗。分別選取右側下層1號、5號、10號、20號、40號、60號籠位料槽，作為定點停車位置偏差測試點；對飼喂車下層投料口和對應料槽中點進行標記。飼喂車進行籠位、料位標定后，在料倉滿載狀態下，進行定點停車測試，重復測試10次。飼喂車以約4.5 m/min速度前進，觀察飼喂車對66個應停料位的識別率；使用游標卡尺，測定飼喂車投料口和對應料槽中點標記的距離，計算停車位置偏差。相關數據結果如表1所示，飼喂車10次測試，對66個料位識別率100%；飼喂車投料口與料槽定位誤差總體在3 mm以內，最大位置偏差為3.05 mm。所有投料口位于料槽開口范圍內，滿足籠養動物精準定點飼喂要求。

2） 精準飼喂試驗。飼喂車完成飼喂量標定后，分別以50 g、75 g、100 g、125 g的設定飼喂量對雙層雙側兔籠的264個籠位進行投喂，每個設定飼喂量隨機選擇10個料位，采用電子秤測定飼喂量。結果如表2所示，以預設50 g、75 g、100 g、125 g投喂，實際投料量變化范圍分別為48.22～52.31 g、73.63～77.05 g、97.41～102.32 g、123.93～127.10 g；實際投料量與設定飼喂量平均偏差率分別為0.66%、0.07%、0.14%、0.02%，均在1%以內；實際投料量與設定飼喂量最大偏差率分別為4.62%、2.73%、2.32%、1.68%，最大偏差為2.32 g；除設定量50 g組外，其他實際投料量與設定飼喂量最大偏差率控制在3%以內，能滿足籠養動物飼喂量精準度要求。

4 結論

1） 設計一種適合單籠單飼籠養動物的定點精準飼喂車，飼喂車聯合采用霍爾開關與激光測距傳感器進行籠位、料位標定，采用激光測距傳感器實現籠位判定和料位的自動認址定位，采用螺旋輸料結構進行飼喂量標定和精準定量飼喂；通過精準飼喂中控系統，完成籠位動物信息管理、定時飼喂、分階段采食量設置等功能，飼喂車自動判定籠養動物生長、生理、繁殖階段動態營養需要，完成精準變量飼喂。

2） 測試結果表明：滿載狀態下，飼喂車籠位識別率達到100%；料位定位偏差在3 mm以內；以預設的50 g、75 g、100 g、125 g為飼喂量，飼喂車實際飼喂量與設定飼喂量的最大偏差為2.32 g，平均偏差在1%以內，滿足單籠單飼動物定點精準飼喂要求。

參 考 文 獻

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