張 帆，李海軍，雷禾雨，王浩鵬

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

0 引言

養(yǎng)羊業(yè)是我國畜牧業(yè)的重要組成部分之一，隨著國民營養(yǎng)意識(shí)的提高，羊肉制品的消費(fèi)力度不斷擴(kuò)大、加工手段不斷改進(jìn)、銷量迅速增長。需求和效益的提高，極大調(diào)動(dòng)了農(nóng)戶養(yǎng)羊的積極性。從肉羊的養(yǎng)殖規(guī)模來看，養(yǎng)殖由散養(yǎng)和小規(guī)模飼養(yǎng)向規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化飼養(yǎng)方向發(fā)展[1]?，F(xiàn)階段中小型養(yǎng)羊場還是以傳統(tǒng)的人工飼喂為主，極少一部分養(yǎng)殖場應(yīng)用經(jīng)過簡單改裝的飼喂機(jī)械，前者人工成本高，后者飼喂流程繁瑣，且投料量均勻性差。羊只飼喂機(jī)器人的行走控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅可以推進(jìn)飼喂設(shè)備智能化的過度，而且為標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械化飼喂提供行走控制的技術(shù)參考。該控制系統(tǒng)可以完成自動(dòng)行走控制和手動(dòng)行走控制，自動(dòng)行走控制模式：羊只飼喂機(jī)器人可以按照實(shí)際飼喂需求布置磁條路徑，羊只飼喂機(jī)器人可以識(shí)別磁條路徑，實(shí)現(xiàn)全程無人化飼喂。手動(dòng)行走控制模式：羊只飼喂機(jī)器人可以根據(jù)羊舍結(jié)構(gòu)的臨時(shí)變化實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手動(dòng)操作飼喂。這兩種工作模式的結(jié)合互補(bǔ)可以更好地滿足中小型養(yǎng)殖場的實(shí)際飼喂需求，避免飼養(yǎng)員同羊只的接觸頻率，降低人畜共患病風(fēng)險(xiǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

本設(shè)計(jì)采用自動(dòng)控制與手動(dòng)控制相結(jié)合的方式，可以完成中小型養(yǎng)羊場顆粒飼料全程無人化飼喂和遠(yuǎn)程手動(dòng)飼喂。利用AGV磁導(dǎo)航傳感器實(shí)時(shí)采集磁條信息，并將這些信息以開關(guān)量的形式傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)編寫好的程序進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)的相對(duì)速度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋跡功能。飼喂人員利用2.4 G無線技術(shù)對(duì)羊只飼喂機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程手動(dòng)控制。

1.2 技術(shù)原理

圖1為羊只飼喂機(jī)器人行走系統(tǒng)典型部件布局示意圖，主要應(yīng)運(yùn)技術(shù)是AGV磁導(dǎo)航傳感器路徑自主識(shí)別技術(shù)和2.4 G無線通訊技術(shù)。

自動(dòng)行走控制系統(tǒng)是利用AGV磁導(dǎo)航傳感器實(shí)時(shí)采集磁條相對(duì)于傳感器的位置信息，磁導(dǎo)航傳感器相對(duì)于磁條的不同位置會(huì)接通不同通道的檢測電路，這些信號(hào)以開關(guān)量的形式實(shí)時(shí)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)這些信號(hào)及時(shí)判斷磁導(dǎo)航傳感器與磁條的相對(duì)位置[2-3]。單片機(jī)向驅(qū)動(dòng)器發(fā)出不同頻率的脈沖，進(jìn)而控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使車體在不斷“微調(diào)”中沿磁條行進(jìn)，實(shí)現(xiàn)羊只飼喂機(jī)器人自動(dòng)尋跡。為了保證羊只飼喂機(jī)器人飼喂過程的可靠性，在羊只飼喂機(jī)器人車架4個(gè)頂角處裝有HC-SR04超聲波傳感器，當(dāng)飼喂過程中遇到障礙物時(shí)向單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，接通步進(jìn)電機(jī)的使能端，使羊只飼喂機(jī)器人自動(dòng)停車，待故障排除后重新運(yùn)行控制程序。

手動(dòng)行走控制系統(tǒng)由遙控器、接收模塊和控制模塊組成。利用GT-24無線發(fā)射模塊建立遙控器與接收模塊的無線連接，遙控器指令通過GT-24無線發(fā)射模塊傳送到接收模塊，接收模塊根據(jù)遙控器的指令對(duì)應(yīng)的輸出高低電平操作控制單元，控制單元根據(jù)所接收到指令輸出不同頻率的脈沖控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手動(dòng)控制，為養(yǎng)殖場的遠(yuǎn)程無人化飼喂提供了技術(shù)保障。

表1 羊只飼喂機(jī)器人行走系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

羊只飼喂機(jī)器人行走系統(tǒng)主要由AGV磁條、16位AGV磁導(dǎo)航傳感器、單片機(jī)最小系統(tǒng)單元、STC 89C52RC單片機(jī)、GT-24數(shù)傳無線模塊、MA860H驅(qū)動(dòng)器、86BYG250H步進(jìn)電機(jī)組成。

2.1 自動(dòng)控制部分

自動(dòng)控制部分如圖3所示。其中AGV磁條充當(dāng)“信號(hào)源”，對(duì)外發(fā)出磁場信號(hào)。AGV磁導(dǎo)航傳感器充當(dāng)“信號(hào)識(shí)別器”，識(shí)別外部的磁場信號(hào)。

磁導(dǎo)航傳感器是路徑識(shí)別部分的核心檢測電子元器件，它的有效檢測距離為5～55 mm，反應(yīng)速度為1 ms，可以將檢測到磁條信息的有效信號(hào)利用NPN集電極開路傳送到單片機(jī)，可以很好地滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4為磁導(dǎo)航傳感器與STC89C52RC單片機(jī)連接原理圖，由于單片機(jī)自身功率有限，驅(qū)動(dòng)能力較弱，為了增強(qiáng)電路的穩(wěn)定性，在單片機(jī)的輸出端與磁導(dǎo)航傳感器的輸出端口串聯(lián)10 kΩ電阻，提高其輸出驅(qū)動(dòng)能力。單片機(jī)電壓與磁導(dǎo)航傳感器的電壓差異較大，為了避免磁導(dǎo)航傳感器流出的電流摧毀單片機(jī)，在磁導(dǎo)航傳感器的輸出端串聯(lián)1N4007二極管隔離單片機(jī)與傳感器。

2.2 動(dòng)力輸出部分

動(dòng)力輸出部分主要由驅(qū)動(dòng)器MA860H、86步進(jìn)電機(jī)86BYG250H、PX3行星減速器、8寸AGV充氣車輪組成。驅(qū)動(dòng)器在單片機(jī)的控制下輸出不同頻率的脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，輸出不同的轉(zhuǎn)速。通過行星減速器連接步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和AGV充氣車輪，同時(shí)增加步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩。AGV充氣車輪承載車身質(zhì)量并直接為羊只飼喂機(jī)器人提供驅(qū)動(dòng)力。動(dòng)力輸出部分結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型計(jì)算：

設(shè)別質(zhì)量約為100 kg，可載料質(zhì)量200～225 kg，總質(zhì)量G=325 kg；飼喂機(jī)器人行走速度V=6 m/min=0.1 m/s；驅(qū)動(dòng)輪直徑D=215 mm，機(jī)械傳動(dòng)效率η=0.75，電機(jī)轉(zhuǎn)速為n，功率為P。行走機(jī)械電機(jī)功率計(jì)算公式為：

取行走系數(shù)C=12 N/kN,則P=0.055 kW。

行走速度 V=πdn/60，則電機(jī)轉(zhuǎn)速 n=60×100/215π×3≈27 r/min。

考慮一定的安全系數(shù)和電機(jī)的體積，并且本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)為控制核心，選取T=12 N·m，0～200 r/min內(nèi)矩頻特性穩(wěn)定的86BYG250H步進(jìn)電機(jī)能夠滿足要求。

2.3 2.4 G收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無線通訊系統(tǒng)由無線發(fā)射模塊和無線接收模塊組成[4]。該系統(tǒng)主要硬件有單片機(jī)最小系統(tǒng)單元、STC 89C52RC單片機(jī)和GT-24數(shù)傳無線模塊組成。

本設(shè)計(jì)采用GT-24數(shù)傳無線模塊，該模塊是一款高速、穩(wěn)定性高的工業(yè)級(jí)別無線收發(fā)一體數(shù)據(jù)模塊。并且模塊自帶高性能PCB天線，精確阻抗匹配[5-6]。圖6為GT-24數(shù)傳無線模塊，圖7為STC 89C52RC單片機(jī)和GT-24數(shù)傳無線模塊連接圖。

圖8為2.4 G控制系統(tǒng)收發(fā)模塊結(jié)構(gòu)圖。將控制程序燒寫至遙控器單片機(jī)和接收模塊單片機(jī)，建立發(fā)射單元與接收單元的無線通訊。利用遙控按鍵向發(fā)射單元發(fā)出指令，發(fā)射單元根據(jù)這些信號(hào)利用GT-24無線發(fā)射模塊發(fā)出對(duì)應(yīng)的指令[7]。GT-24無線接收模塊在2.4 G環(huán)境下識(shí)別對(duì)應(yīng)的信號(hào)并且將對(duì)應(yīng)的信息以開關(guān)量的形式控制接收單元單片機(jī)，接收單元進(jìn)而根據(jù)自身的控制程序操縱控制單元單片機(jī)，達(dá)到了遠(yuǎn)程操作羊只飼喂機(jī)器人的目的，實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)殖場的無人化養(yǎng)殖。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括自動(dòng)尋跡控制程序和GT-24數(shù)傳無線模塊收發(fā)端的參數(shù)匹配。實(shí)現(xiàn)了羊只飼喂機(jī)器人的自動(dòng)行走控制、手動(dòng)行走控制，提高了中小型養(yǎng)殖場的飼喂效率，解決了飼喂過程中人工投料的不均勻性和人工成本高的問題。

3.1 自動(dòng)尋跡控制模塊

自動(dòng)行走控制模塊包括磁條信息采集部分和單片機(jī)對(duì)磁條位置的判斷部分。首先磁導(dǎo)航傳感器識(shí)別磁條信息并且將這些信息以開關(guān)量的形式傳到單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)指令判斷磁條的相對(duì)位置，同時(shí)發(fā)出相應(yīng)的指令，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走。如圖9為羊只飼喂機(jī)器人自動(dòng)尋跡程序框圖。

3.2 2.4 G手動(dòng)控制模塊

遙控按鍵檢測流程圖如圖10所示。首先單片機(jī)上電并且默認(rèn)初始化內(nèi)部的寄存器和I/O端口，然后接收端檢測發(fā)射端是否有數(shù)據(jù)待傳，遙控按鍵是否按下，如果按下，執(zhí)行相應(yīng)的代碼，如果未按下則一直檢測其按鍵狀態(tài)。

4 結(jié)語

實(shí)現(xiàn)了羊只飼喂機(jī)器人通過AGV磁導(dǎo)航傳感器識(shí)別預(yù)先鋪設(shè)的磁條軌跡，飼喂人員也可以通過遙控器遠(yuǎn)程操縱羊只飼喂機(jī)器人，根據(jù)實(shí)際需求選擇自動(dòng)行走控制模式或手動(dòng)行走控制模式。

通過自動(dòng)行走控制模式和手動(dòng)行走控制模式的靈活轉(zhuǎn)換可以極大地提高中小型養(yǎng)殖場的飼喂效率，有效的降低了勞動(dòng)人員成本，提高了羊肉的經(jīng)濟(jì)附加值，加強(qiáng)了養(yǎng)殖戶的市場競爭力，同時(shí)，為養(yǎng)殖智能化提供技術(shù)參考。