劉磊LIU Lei

（重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400000）

0 引言

根據(jù)中國農(nóng)業(yè)部印發(fā)的《全國生豬發(fā)展規(guī)劃（2016-2020）》，我國生豬產(chǎn)業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級關(guān)鍵時(shí)期，整個(gè)養(yǎng)殖業(yè)存在五大問題：環(huán)境壓力加大、資源約束趨緊、國際競爭加劇、疾病隱患明顯、市場波動加深[1-2]。其中最大的問題就是環(huán)境問題，缺乏衛(wèi)生的養(yǎng)殖加大了環(huán)境污染，同時(shí)也提高了疾病發(fā)生幾率，也就是引發(fā)了疫病隱患這一大問題。2018 年爆發(fā)的非洲瘟疫，使我國生豬養(yǎng)殖業(yè)受到嚴(yán)重的打擊，而惡劣的環(huán)境有利于疾病的滋生和傳播，可見環(huán)境問題是目前生豬養(yǎng)殖業(yè)面臨的最大問題[3]。生豬養(yǎng)殖廠正在向規(guī)?；s化發(fā)展。其規(guī)模越來越大，這使得人力成本也隨之增加。

針對這些問題，使豬舍向自動化發(fā)展也是同樣重要的。為推動養(yǎng)殖場的自動化以及解決污漬清潔問題，本設(shè)計(jì)擬設(shè)計(jì)一種可以自動清潔養(yǎng)殖場豬舍的清潔機(jī)器人。

1 清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

我國豬舍打掃常規(guī)是用人力用鏟鏟走糞便，且豬舍糞便容易粘連地面，使用人力鏟十分費(fèi)力；傳統(tǒng)的家用清潔機(jī)器人的清潔機(jī)構(gòu)很難適用于豬舍打掃，故設(shè)計(jì)時(shí)依然使用鏟。就目前而言，使用鏟進(jìn)行清潔的裝置，常常用于除雪車上，這種機(jī)構(gòu)用于豬舍清潔，就是將機(jī)器人代替人工鏟糞便，適用性強(qiáng)。但是除雪車的鏟通常為剛性的，用于豬舍就不太適用，要讓地面清潔干凈，又不能因地面平整問題而影響機(jī)器人運(yùn)行，故在設(shè)計(jì)時(shí)參考汽車減震器在鏟頭中加入緩沖裝置，讓鏟具有一定的柔性。本設(shè)計(jì)清潔機(jī)器人可以分為兩大模塊：清潔模塊，控制模塊。清潔機(jī)器人的整機(jī)結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。

圖1 清潔機(jī)器人模型圖

1.1 清潔模塊

清潔模塊主要由鏟頭與電動推桿以及固定桿之間通過導(dǎo)軌和滑塊連接，使得鏟頭在豎直方向上可以相對推桿移動。鏟頭與電動推桿之間的鏟頭與推桿連接裝置上安裝有一對壓力傳感器，用于感知鏟頭是否已經(jīng)貼到地面，方便控制鏟頭高度。電動推桿的作用在于能夠使鏟頭做半圓弧運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)一個(gè)傾倒的動作。清潔模塊整體高度的控制通過帶鎖伺服電機(jī)控制的滑臺實(shí)現(xiàn)。（圖2）

圖2 清潔機(jī)器人清潔模塊

本設(shè)計(jì)參考了汽車減震器設(shè)計(jì)了一種鏟頭與推桿連接裝置，讓其能夠隨地面的坡度升降，并且能夠感知地面對鏟頭的壓力，反饋給控制器，可以對鏟頭進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，以適合當(dāng)前狀態(tài)的運(yùn)行。

1.2 控制模塊

主控板使用英偉達(dá)開發(fā)板，操作系統(tǒng)為linux 系統(tǒng)。底層驅(qū)動控制器使用32 位底層驅(qū)動單片機(jī)。主要控制的電機(jī)有5 個(gè)，分別是輪驅(qū)動電機(jī)：一對差速驅(qū)動24V120W 直流電機(jī)。清潔模塊上3 個(gè)電機(jī)，分別是：一對24V 電動推桿電機(jī)，一個(gè)控制滑臺的伺服電機(jī)?？刂魄鍧崣C(jī)器人的移動主要通過英偉達(dá)主控板實(shí)現(xiàn)，外部感知使用激光雷達(dá)感知，鏟頭與地面的接觸有一對壓力傳感器感知。（圖3）

圖3 清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖

2 清潔機(jī)器人的路徑控制策略

本設(shè)計(jì)的清潔機(jī)器人主要用于豬舍的清潔，根據(jù)國標(biāo)GB/T 17824.1-2008 以及現(xiàn)場調(diào)研可以得知我國豬舍類型大體可以根據(jù)外有無排污通道分為2 種類型；有排污通道的豬舍，在清潔機(jī)器人清潔的過程中，可以直接將污漬推入排污通道，無需將污漬運(yùn)出，機(jī)器人只需做往返運(yùn)動，路徑控制較為簡單，故本文設(shè)計(jì)主要考慮無排污通道的情況。（圖4）

圖4 無排污通道豬舍

清潔機(jī)器人主要對豬舍內(nèi)豬圈進(jìn)行清潔，本設(shè)計(jì)清潔過程可以分為鏟和倒的過程，在運(yùn)行的過程中放下鏟頭對地面進(jìn)行清潔，當(dāng)鏟頭滿時(shí)會進(jìn)行一個(gè)傾倒的動作。本設(shè)計(jì)的清潔過程可用圖5 表示。

圖5 清潔過程流程圖

在清潔開始時(shí)，需要現(xiàn)設(shè)置清潔的單間數(shù)N，在清潔機(jī)器人運(yùn)行時(shí)，在過道中行駛時(shí)會識別單間，在控制時(shí)單間的優(yōu)先度最大，故先進(jìn)入單間。在進(jìn)入單間清潔的時(shí)候，將通過A*算法實(shí)現(xiàn)全路徑規(guī)劃，下章將會詳細(xì)描述。在鏟頭上安裝有傳感器，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，將判單為鏟頭裝滿，將進(jìn)行傾倒動作，若傾倒過后未實(shí)現(xiàn)全路徑行駛，將進(jìn)行二次清潔。

2.1 A*算法描述

設(shè)計(jì)時(shí)路徑規(guī)劃的方法為A* 算法，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中f（n）為第n 個(gè)節(jié)點(diǎn)的評估函數(shù)；g（n）式狀態(tài)空間起始點(diǎn)到n 點(diǎn)評估；h（n）從n 點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)最佳路徑評估[4-8]。式（1）中，h（n）計(jì)算方式：

其中（xn-1，yn-1）表示當(dāng)前點(diǎn)的位置坐標(biāo)，（xn，yn）表示目標(biāo)點(diǎn)n 的位置坐標(biāo)。

在使用A*算法進(jìn)行全覆蓋路徑規(guī)劃時(shí)，容易在豬圈內(nèi)清潔完成后出現(xiàn)無法走出豬圈的問題，及無法實(shí)現(xiàn)全覆蓋?？紤]到此情況，可以基于豬舍對A*算法進(jìn)行改進(jìn)。

2.2 適用于清潔機(jī)器人的全覆蓋A*算法

由清潔過程必須實(shí)現(xiàn)全覆蓋，對目標(biāo)點(diǎn)設(shè)定評估優(yōu)先度代價(jià)s（n），將其帶入式（1）。則可以得到：

針對豬舍分布情況，可以將清潔分為2 大部分，及N個(gè)豬圈單間和過道。設(shè)置總區(qū)域?yàn)镾={x，y}，可清潔區(qū)域豬圈內(nèi)為S1，可清潔區(qū)域過道為S2，不可清潔區(qū)域?yàn)镾0。豬舍單間內(nèi)的優(yōu)先度最高，則評價(jià)優(yōu)先度代價(jià)：s1（n）＜s2（n），可設(shè)區(qū)域代價(jià)之差為：

對于評估優(yōu)先度代價(jià)s（n）的取值，參考式（1），可以得：

對于N 的取值，可以通過試驗(yàn)確定最佳取值。

設(shè)置當(dāng)前終點(diǎn)為起點(diǎn)，重新設(shè)置最新的終點(diǎn)，直到實(shí)現(xiàn)全覆蓋。使A*算法適用于全覆蓋，傳統(tǒng)的方法是將已經(jīng)走過的地方看作為存在障礙物，規(guī)避已經(jīng)清潔過的地方，但是這樣將會出現(xiàn)一個(gè)問題，及清潔過程將留下死區(qū)；考慮到這個(gè)問題，在清潔機(jī)器人清潔過的區(qū)域，將重新設(shè)置當(dāng)前區(qū)域評價(jià)優(yōu)先度代價(jià)s（n）及：

及若在遇到已經(jīng)清潔過的位置時(shí)，優(yōu)先度將會花費(fèi)雙倍的代價(jià)，及機(jī)器人會優(yōu)先行走未走過的區(qū)域，也防止清潔過程出現(xiàn)死區(qū)。

2.3 基于MATLAB 仿真建模

通常每個(gè)格子水平和豎直時(shí)相鄰時(shí)g（n）=10，對角線相鄰時(shí)取g（n）=14。考慮兩種情況，第一種為設(shè)置終點(diǎn)后出現(xiàn)障礙物，第二種情況為第一種情況下，周圍存在已清潔區(qū)域。仿真結(jié)果如圖6、圖7 所示。

圖6 一般環(huán)境仿真

圖7 考慮已走路徑仿真

根據(jù)圖6、圖7 可以看出，在考慮優(yōu)先度的時(shí)候，路線會優(yōu)先走為走過的路線，能夠?qū)崿F(xiàn)最大程度的路徑覆蓋。

針對豬舍的布局（通道寬為1.4m，豬圈單間為3×3m）以及車身最寬部位為鏟頭部分寬0.7m，故可建立模型柵格圖。設(shè)起始點(diǎn)為（1，8），終點(diǎn)為（1，7）。清潔機(jī)器人在豬舍的運(yùn)動仿真如圖8 所示。

圖8 豬舍內(nèi)路徑仿真

3 總結(jié)

針對國內(nèi)豬舍缺少智能清潔設(shè)備，設(shè)計(jì)一款豬舍清潔機(jī)器人具有很強(qiáng)的工程意義。本文介紹了主題結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以及使用適用于清潔機(jī)器人的A* 算法進(jìn)行了MATLAB 路徑仿真。設(shè)計(jì)一款用于豬舍清潔的機(jī)器人，能夠填補(bǔ)了國內(nèi)豬舍缺少智能清潔設(shè)備的空缺，對養(yǎng)殖場的發(fā)展有實(shí)際的工程意義，本設(shè)計(jì)目前處于初步樣機(jī)階段，對以后清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了參考意義。