設施豬場懸掛式軌道巡檢機器人設計與試驗

摘要：為解決豬場傳統巡檢方式成本高、效率差、智能化水平低等問題，以中小型規模設施豬場結構特點為依據，提出基于懸掛軌道的巡檢方案，設計一種懸掛式智能巡檢機器人，開發適用于典型豬場環境的巡檢機器人運動控制系統和上位機軟件，并進行現場測試。結果表明：設置實現巡檢機器人常態巡檢速度可大于0.15 m/s，單次運動定位誤差小于2.5 mm，巡檢定位誤差整體小于10 mm，誤差率小于0.18%，巡檢機器人可進行環境數據和圖像自動獲取，為后續的生豬健康狀況分析提供數據支撐。該研究可為巡檢機器人在中小規模生豬養殖場的應用與推廣提供參考。

關鍵詞：設施豬場；巡檢機器人；懸掛式；運動控制；傳感器

中圖分類號：S815.5； TP242.6" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 09?0047?07

Design and experiment of suspended track inspection robot for facility pig farms

Liu Jun Zheng Yifeng Pi Jie Kong Jie Chen Xia

（1. College of Artificial Intelligence， Nanjing Agricultural University， Nanjing， 210014， China; 2. Institute of

Agricultural Facilities and Equipment， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences， Nanjing， 210018， China; 3. School

of Mechanical Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing， 211167， China; 4. School of Agricultural

Equipment Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， 212013， China）

Abstract： In order to solve the problems of high cost， poor efficiency and low intelligence level of traditional inspection methods of pig farms， based on the structural characteristics of pig farms in small and medium?scale facilities， an inspection scheme based on suspended rails was proposed， and a mechanical structure of a suspended intelligent inspection robot was designed. The motion control system and host computer software of the inspection robot suitable for the typical pig farm environment were developed， and the field test was carried out. The test results show that the normal inspection speed of the inspection robot can be set to be greater than 0.15 m/s， the positioning error of a single movement is less than 2.5 mm， the overall inspection positioning error is less than 10 mm， and the error rate is less than 0.18%. The inspection robot can automatically acquire environmental data and images to provide data support for further analysis of the health status of pigs. This research can provide a reference for the application and promotion of inspection robots in small and medium?sized pig farms.

Keywords： facility pig farm; inspection robot; suspended; motion control; sensor

0 引言

生豬養殖產業是我國農業經濟的重要組成部分，2022年我國生豬存欄量達4.3億頭，累計出欄量達3.6億頭[1]，保持快速增長的趨勢。規?；?、集約化養殖已成為中國乃至世界生豬養殖行業的發展趨勢，現代化規模生豬養殖場占比逐漸提高。目前，中國規?；i場占整個養豬業的52.3%以上[2]。

隨著生豬養殖需求和規模逐漸擴大，加之人口老齡化加劇，農村人口減少，導致生豬養殖業勞動力匱乏[3]，而傳統的人工巡檢方式效率較低，易造成生豬應激，存在人畜交叉感染的風險[4]?，F代科技進程的發展，適用于“機器換人”場景的巡檢機器人在各行業不斷涌現，Wang等[5]研究了一種變電站巡檢機器人，有效解決了機器人視線受限和室內外出入問題。Guo等[6]設計了一種基于QT和RT-Thread的煤礦巡檢機器人及其控制系統，提高了巡檢實時性。張世昂等[7]研發了一種農業巡檢小車，用于農場、果園或溫室農作物生長狀況的巡檢。曾志雄等[8]設計了一種基于麥克納姆輪的設施豬場巡檢車，搭載獨立減震懸掛系統，可在狹窄過道自主作業，并發明了一種基于UWB的定位系統[9]，較大提升了定位準確度。劉艷昌等[10]研發了一種基于巡檢機器人的生豬健康養殖監控系統，健康異常行為識別率達93.5%。肖德琴等[11]開發了一種生豬體溫紅外巡檢裝置及系統，實現了對豬只體溫、健康每日監測以及疫情防治工作。

由此可見，智能化巡檢設備替代人力巡檢方式已經逐步被各行業所接受，運用智能化機械設備完成豬場管理的智慧養豬技術也將成為規模養殖新趨勢。國內外雖針對巡檢機器人進行了大量研究工作，但針對適應國內規模豬場場景的巡檢研究不夠完善。本文以某中小型規模生豬養殖場的設施結構為例，設計一種懸掛式軌道巡檢機器人，開發適用于典型設施豬場的機器人控制系統和上位機軟件，為視覺和環境傳感器信息獲取工作提供搭載平臺。為巡檢機器人在中小規模生豬養殖場的應用與推廣提供參考。

1 豬場巡檢方案總體設計

依據鎮江丹徒某中小型生豬養殖場的設施結構為藍本，該養殖場具備江蘇區域設施豬場典型的結構特征。具體參數為：豬場內總寬約13 m，總長約36 m，屋脊呈三角形，由5條大梁固定支撐，最高點離地4.3 m；豬欄為雙列式分布，每列10欄，欄寬約3 m，欄高約1 m；兩列間設有約2 m的工作通道，供養殖人員巡檢。結合豬舍內環境特點進行分析，豬欄成列整齊排列，巡檢線路固定，采用地面巡檢和鋪設軌道巡檢兩種方式均可。但工作通道狹窄，豬欄較高，地面輪式巡檢機器人視野嚴重受限，需安裝高支架來保障圖像傳感器的視野范圍，而過度提升高度則會導致機器重心偏高，穩定性較差，不利于圖像獲取。地面輪式機器人過分依賴導航算法和傳感器，不滿足豬舍對巡檢裝備可靠性的要求[12]。如圖1所示，懸掛式巡檢機器人依托于導軌，搭載視覺和環境傳感器，既可以靈活調整巡檢位置和視野，也可以滿足巡檢安全性和穩定性的需求。因此，綜合考慮豬場設施結構，采用懸掛軌道式巡檢機器人方案，通過頂端焊接和兩端固定的方式，在工作通道上方架設工字型鋼材軌道，采用齒輪齒條的傳動方式，用于巡檢機器人懸掛和行走。

2 巡檢機器人本體設計

目前，豬場巡檢機器人暫無國家標準，通過文獻調研[13?16]和走訪，總結出豬場懸掛式巡檢機器人需具備主要功能：（1）后臺通信功能；（2）導航定位功能；（3）運動控制功能；（4）供電管理功能；（5）安全防撞功能。除以上基本功能外，機器人還需要滿足以下設計要求：（1）環境適應力強：巡檢平臺的結構和硬件需能夠在有害氣體侵蝕的豬場環境中長時間生存和運行。（2）低成本：在確保功能完整和可靠性的同時，將成本降低，推動大規模應用。（3）小體積：控制巡檢機器人的重量，便于安裝和集成，并增強其穩定性。

2.1 機械結構設計

巡檢機器人的主要結構組成及分布設計如圖2所示，主要由外殼、機架、行走驅動機構、升降機構、監控云臺和控制艙等組成，整體尺寸（長×寬×高）為596 mm×280 mm×400 mm，重量約28 kg。

機架結構是巡檢機器人的主要承力結構，為降低成本，在設計時非一體成型，由底盤、異性鋼板拼合而成。機架結構外部與外殼連接，內部承載行走驅動機構、升降機構和控制艙，下方懸掛監控云臺，通過8個運動輪與導軌接觸，機器人的整體重量全部施加在運動輪的軸承上，因此對機架和運動輪強度有較高要求。為保證機架設計的可靠性，采用ANSYS進行靜力學仿真[17]。巡檢機器人的整體重量均勻作用在底板；運動輪設置3.5 kg負載。結構設置為鋼材料，劃分網格大小為1 mm，得到機架和運動論靜態結構仿真結果如圖3所示?？梢钥闯?，機架結構的形變量約為0.1 mm，運動輪形變量遠小于1 mm，表明該結構強度較高，且有很大的負載余量，符合安全性要求。

2.2 硬件系統設計

巡檢機器人硬件系統設計采用邏輯獨立、模塊明確、易于維護的策略，保障機器人控制可靠。如圖4所示，采用模塊化結合的方式，各部分可拆分為各自獨立的模塊[18]。系統采用TCP/IP協議完成主控制器和監控云臺、工控機等模塊的通信。在導軌凹槽架設坦克鏈，通過高柔線纜和高柔網線實現機器人供電和通信。

由于豬場潮濕多灰的現象難以避免，單片機在該環境中極易出現損壞現象，因此主控制器選用小型PLC AMX-FX3U-26MT-E作為機器人的控制核心。該PLC支持TCP協議通訊，具備26個I/O口；可為步進電機脈沖提供6路高速輸入和2路高速輸出；為溫濕度傳感器提供2路模擬量輸入，支持模擬量擴展搭載更多環境傳感器；指令速度0.18 μs/步，為機器人正常運行提供可靠及時的控制指令。

行走驅動機構中的步進電機與齒輪組與導軌的齒條嚙合，齒輪將圓周力傳遞到齒條上。機器人啟動瞬間，驅動力需要克服靜摩擦力，才能使機器人發生位移。步進電機所需扭矩計算如式（1）所示。

T/rngt;f （1）

f=μmg （2）

式中： T——步進電機扭矩；

r——齒輪半徑，取值0.03 m；

n——減速比；

f——靜摩擦力；

μ——靜摩擦系數，取值0.06；

m——機器人質量，取值28 kg；

g——重力加速度，取值9.8 N/kg。

代入計算得出，當T×ngt;0.5 N ? m時，步進電機提供的驅動力可以克服最大靜摩擦力。因此，選用57BYG250C型步進電機，靜扭力約1.25 N · m，配合1∶5減速器（n=5）電機扭矩可達到6.25 N · m，保障機器人實現平穩、變速啟動和運行。升降機構由電機絲桿結構組成，控制環境傳感器出入外殼，實現高效監控，降低環境傳感器的損耗。

此外，采用E6B2-CWZ6C型號光電編碼器，外部齒輪與步進驅動電機齒輪嚙合，最高相應頻率100 kHz，實現機器人實時精準定位[19]。監控云臺包括?？低暻驒C攝像頭DS-2DE2402IW-DE3和艾睿AT300紅外熱像儀，支持全天遠程360°監控和數據采集。千兆交換機MSCS1505M用于將PLC、視覺傳感器、工控機等硬件組網通信[20]。工控機顯示機器人采集的各項數據、視頻圖像及PLC控制的運動系統各項狀態參數，并向機器人發送控制數據。外殼前后安裝接近開關檢測運行導軌兩端安裝的金屬擋板，檢測距離20 mm，保障機器人運行時安全防撞。

3 巡檢機器人軟件設計

3.1 運動控制系統設計

通過分析巡檢機器人控制系統的需求，將PLC控制程序按功能劃分為行走機構控制、安全保護機制和升降機構控制。上位機與PLC基于ModBus TCP/IP通信協議，遵循MC A-1E幀協議，PLC作為Server端，使用二進制碼通信。PLC使用默認地址：192.168.1.18。上位機向PLC下達命令采用的協議格式如表1所示。

通過上位機向PLC下達運動控制指令，PLC向步進電機驅動器發送脈沖信號，實現機器人基本運動功能：前進、后退、停止和返回原點位置。運動控制基本功能指令格式如表2所示。

為真正解決機器人在豬場環境的巡檢難點，根據豬場典型現象進行運動控制軟件優化，具體的運動控制系統設計如圖5所示。

1） 由于導軌在豬場環境中易發生積灰現象，機器人在啟動時常發生劇烈震動，采用了直接啟動和階躍啟動相結合的控制方式。當指令速度小于0.1 m/s時，向步進電機發送指令速度對應的脈沖數啟動；當指令速度超過0.1 m/s時，PLC執行階躍啟動命令，在1 s內以指令速度的一半啟動，1 s后速度提升至指令速度，保障巡檢機器人在軌道啟動的穩定性。

2） 為保障機器人在軌道的運行安全性，將接近開關設置為常閉，當接近開關檢測到金屬物體時斷開，會對步進電機進行正轉或反轉限位。此外，增加了安裝保障機制，設定的距離終點和原點10 cm位置的安全位，機器人在進入安全位后以固定低速（0.05 m/s）運動，從根本上避免發生因運動速度過快無法及時剎車造成安全事故的現象。

3） 由PLC向步進電機驅動器發送固定的脈沖信號實現升降機構控制，傳感器通過步進電機正反轉，升降出入外殼執行環境監測任務，保障了傳感器不會長期暴露于豬場環境中，提高了傳感器的使用壽命。

3.2 上位機軟件設計

3.2.1 巡檢模塊設計

巡檢模塊是上位機系統的核心功能，需要根據豬場中豬欄的分布狀況，設計巡檢關鍵邏輯。本文參考人工檢測模式，以每個豬欄中間位置作為具有代表性的數據檢測點，選取10個機器人巡檢停留位置。巡檢機器人在懸掛軌道上做往復運動，運動至預置位時進行環境數據采集工作。具體分布如圖6所示。

巡檢邏輯執行流程如圖7所示。機器人支持兩種巡檢模式，常規路徑巡檢和特定路徑巡檢。執行常規路線巡檢時，機器人首先判斷當前位置與巡檢點1的位置關系，執行前進或后退命令，到達目標后停止運行，開始計時。根據工控機的設定，機器人停留指定時間，并開始按時間間隔，對豬只狀態拍照和錄像；若需要進行環境數據獲取，則啟動升降機構，將溫濕度傳感器暴露于空氣中。停留時間結束后，機器人繼續前往下一個巡檢點。到達終點位置的豬欄（10，11）時，攝像頭云臺自動旋轉180°，開始進行豬欄11～豬欄20的監控任務。原點至終點的往返作為一輪巡檢，第一輪巡檢任務結束后，返回原點進行定位修正，并判斷是否達到設定的巡檢總次數，若未達到，則開始下一輪巡檢任務。特定路線巡檢為在自定義的預置位進行巡檢任務。巡檢前，需先設定好機器人停留的位置點和時間，開始巡檢后，機器人會根據設定的先后順序，依次在位置點停留。停留期間執行的命令與常規路徑巡檢時相同。

3.2.2 人機交互界面設計

針對巡檢機器人的軟硬件配套和操作應用，遵循操作簡便、動態監控、準確及時、運行可靠的原則，開發了基于C#的上位機操作和監控軟件。人機交互界面如圖8所示，主要窗口包括：機器人運動狀態；機器人手動控制；機器人巡檢位置；視頻監控；設置；傳感器狀態監測；機器人位置示意；照片和錄像儲存。界面通過讀取PLC寄存器數據，實時顯示機器人的位置和速度、傳感器工作狀態、可見光和紅外相機拍攝的錄像、機器人當前巡檢狀態等信息，并集成有網絡通信、數據處理與存儲等功能。

操作人員可通過監控機器人當前狀態，對機器人下發“前進”“后退”“停止”和“回原點”等基本命令，可以通過視頻監控窗口調整相機的位姿，并對相機監控的畫面進行拍照和錄像，還可以通過“設置”彈窗規定機器人運行軌道的總里程和最高運行速度。此外，上位機軟件可以根據豬場的設施結構和豬欄的實際位置，通過設置自動巡檢次數、預置位和停留時間，為機器人定制巡檢任務。到達預置位后，機器人根據設置的拍照、錄像和環境檢測要求記錄監控數據，數據以jpg、mp4、xlsx等類型自動存放至“records”文件夾。上位機的所有操作會以lt;infogt;和lt;Errorgt;日志形式記錄在“logs”文件夾。

4 現場測試與分析

2022年2—3月于江蘇省農業科學院農業設施與裝備研究所研發了試驗級巡檢平臺，驗證了機器人結構和軟硬件設計的可行性。結合豬場實際情況，對機器人軟硬件進行了優化，機器人及控制系統如圖8（a）、圖8（b）所示。為驗證巡檢平臺設計的可行性和穩定性，2022年4—5月于鎮江丹徒區某生豬養殖場進行機器人巡檢速度與定位精度測試試驗，機器人在豬場運行的場景如圖8（c）所示。以靠近原點的機器人左端面作為機器人位置測量基準，在導軌外側貼合長度36 m、分度值1 mm的卷尺，用以確定機器人的實際位置。定位精度測試分為兩個階段，第一階段為單次運動測試，測試機器人在以不同速度運行固定距離后產生的絕對誤差值；第二階段為巡檢狀態測試，模擬機器人處于真實的巡檢狀態下運行時產生的誤差。在此過程中，測試機器人的最大運行速度和傳感器狀態。

4.1 單次運動測試

采用控制變量法對測試機器人進行固定距離運動測試?？紤]到豬對設備運動的應激反應，現場試驗反應將機器人限制在速度0.2 m/s以內運行，并進行運動測試。首先，測試機器人以相同速度運行不同距離時產生的定位誤差，試驗分為9組，機器人分別以0.1 m/s、0.15 m/s、0.2 m/s的速度，運行10 m、20 m和30 m，每組試驗每天重復5次，連續1周，取平均絕對誤差值。當機器人以相同速度運行不同距離時，產生的定位絕對誤差基本相同，以0.1 mm左右幅度波動，表明運行距離對機器人誤差影響較小。隨著運行速度增加，機器人在單次運動中產生的誤差明顯增加，最大絕對誤差為2.5 mm，表明速度過快對機器人穩定性造成了一定影響，測試結果如表3所示。

4.2 巡檢狀態測試

固定距離測試僅能反映機器人執行單次啟停的定位誤差，當機器人在真實巡檢場景運行時，運行速度、啟停次數不同，以及設備發熱、顛簸振動等現象，均會導致定位誤差積累。因此，將巡檢測試分為3組，機器人分別以0.1 m/s、0.15 m/s和0.2 m/s的速度巡檢，3個速度每日進行兩輪巡檢，連續1周。機器人到達每個巡檢點停留時間10 s，記錄運行距離、耗時、啟停次數和定位誤差積累，實測點如圖6所示。機器人工作時的常態巡檢速度為0.15 m/s，運行狀態測試的數據統計如表4所示。可以發現，定位誤差大多發生在機器人啟動和停止狀態，誤差積累隨著巡檢輪數和啟停次數增加而上升。一輪巡檢后，定位誤差積累約9.8 mm。計算機器人到達每個實測點的誤差率α（α=t/l），可以看出，誤差率最大時僅0.18%左右。

為進一步探索機器人在豬場環境的運行速度要求，分析機器人以不同速度執行巡檢任務時的運行狀態。分析結果如圖9所示，機器人在0.1 m/s和0.15 m/s狀態運行時定位誤差積累曲線較平緩，表明在該狀態下機器人運行較為平穩，一輪巡檢后，0.1 m/s狀態定位誤差5.4 mm，誤差率約0.1%；0.15 m/s狀態誤差9.8 mm，誤差率約0.18%。在0.2 m/s狀態下，機器人巡檢耗時最短，但定位誤差積累曲線陡峭，一輪巡檢后誤差約26.7 mm，誤差率約0.5%。結合現場實際狀況，0.1 m/s狀態巡檢時運行平穩，但速度較慢，0.2 m/s狀態速度較快，但不適宜用于該豬場環境，因此，0.15 m/s狀態兼備穩定和運行速度，是機器人在該環境最適合的運行速度。

4.3 傳感器狀態測試

在巡檢測試過程中，進行豬場環境數據獲取。在每個常規巡檢點停留10 s，停留期間執行拍照1張/s，錄像10 s。機器人執行常規路徑巡檢20輪，停留巡檢點400次，可見光照片和紅外熱像照片應收8 000張，實收8 000張，視頻錄制應收400條，實收400條，以及記錄部分豬場環境溫濕度信息，如圖10、圖11所示。統計實際獲取數據與設置計算次數的個數一致，環境溫濕度數據與現場檢測結果吻合，表明控制系統整體運行穩定，傳感信息獲取正常且有效。

5 結論

1） 以中小型規模設施豬場結構特點為依據，提出懸掛軌道的巡檢方案，設計一種懸掛式軌道巡檢機器人。對機器人機械結構和硬件進行研究分析，并開發巡檢機器人的運動控制系統和上位機軟件。

2） 設計的巡檢機器人，常態巡檢速度可超過0.15 m/s，單次運動定位誤差小于2.5 mm，巡檢定位誤差整體小于10 mm，誤差率僅0.18%。巡檢機器人搭載環境和視覺傳感器，可以根據巡檢控制系統在預置位進行自動圖像采集和環境數據獲取，為進一步生豬健康狀況分析提供數據支撐。

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