摘 要：家禽設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境中自動導(dǎo)向車（Automated Guided Vehicle，AGV）的發(fā)展成為養(yǎng)殖智能化的關(guān)鍵，通過AGV搭載相關(guān)的檢測器件可以對家禽養(yǎng)殖設(shè)施內(nèi)部進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測和生物體征識別等相關(guān)操作，極大降低人工勞動強(qiáng)度，提高養(yǎng)殖智能化水平。本文通過對現(xiàn)有設(shè)施養(yǎng)殖AGV導(dǎo)航方式進(jìn)行總結(jié)分析并結(jié)合現(xiàn)有室內(nèi)導(dǎo)航先進(jìn)方法，將可應(yīng)用于家禽養(yǎng)殖環(huán)境中AGV導(dǎo)航方式分為固定軌跡式、室內(nèi)基站式和即時定位與地圖構(gòu)建式，并對其進(jìn)行分類闡述，以期為家禽養(yǎng)殖環(huán)境中AGV導(dǎo)航定位的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：設(shè)施養(yǎng)殖；AGV；智能化；導(dǎo)航定位

基金項目：山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程（CXGC2024A08；CXGC2024D11）

第一作者：李浩（1996—），男，主要從事智能農(nóng)業(yè)裝備研究，E-mail：lwlh1115@sina.com

通信作者：殷若新（1977—），男，副研究員，主要從事智慧養(yǎng)殖與環(huán)境控制研究，E-mail：272877931@qq.com

收稿日期：2024-01-17

中圖分類號：S818 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-1085（2024）09-0040-05

設(shè)施養(yǎng)殖作為一種環(huán)境可控、單位面積產(chǎn)出率高、高效集約化的生產(chǎn)方式，近年來，在我國迅速發(fā)展[1]。

家禽養(yǎng)殖行業(yè)作為設(shè)施養(yǎng)殖中占比較大的行業(yè)，隨著家禽養(yǎng)殖規(guī)模化的發(fā)展，設(shè)施養(yǎng)殖單體規(guī)模逐漸增大，設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測和家禽個體健康巡檢成為一個難點，傳統(tǒng)人工巡檢作業(yè)方式勞動強(qiáng)度大、作業(yè)效率低且存在疫病防控風(fēng)險[2-3]。因此，隨著養(yǎng)殖裝備的進(jìn)步和人工成本的日益攀升，借助自動導(dǎo)向車（Automated Guided Vehicle，AGV）平臺進(jìn)行家禽設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境內(nèi)部巡檢成為發(fā)展趨勢，AGV平臺因具有擴(kuò)展性強(qiáng)、承載力高、運行距離長等優(yōu)點成為家禽設(shè)施養(yǎng)殖規(guī)?；h(huán)境下解決環(huán)境監(jiān)測和家禽健康巡檢的最優(yōu)解決方案。AGV平臺與普通運載平臺相比優(yōu)勢主要在于其自主導(dǎo)航定位系統(tǒng)。設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境內(nèi)導(dǎo)航定位有別于室外導(dǎo)航定位，由于家禽養(yǎng)殖設(shè)施外部金屬桁架對信號的屏蔽作用，傳統(tǒng)的GPS和通信基站定位等室外定位方式顯然不能應(yīng)用于設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境內(nèi)部AGV導(dǎo)航定位。因此，研究適合家禽設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境中AGV導(dǎo)航定位方式對家禽智能化養(yǎng)殖裝備的發(fā)展具有重要的意義。本文分類綜述了現(xiàn)有室內(nèi)導(dǎo)航定位方式以及現(xiàn)階段已應(yīng)用于家禽設(shè)施養(yǎng)殖內(nèi)部的導(dǎo)航定位方式，以期為后續(xù)發(fā)展提供技術(shù)路線參考。

1 固定軌跡式

固定軌跡式導(dǎo)航定位方法主要通過在AGV運行路徑的地面或者空中搭建固定式的導(dǎo)引裝置以此來控制AGV的運行路線，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、技術(shù)要求較低等優(yōu)點，現(xiàn)有的固定軌跡式導(dǎo)航定位方法基本可以分為軌道式和循跡式。

1.1 軌道式

軌道式導(dǎo)航方式是指AGV平臺運行在固定軌道之上，沿著軌道進(jìn)行運動作業(yè)，常用軌道式導(dǎo)航方式主要分為懸掛式和地面式[4]。因其穩(wěn)定性高、導(dǎo)航定位難度低，在設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境中得到了較大規(guī)模的應(yīng)用。

在懸掛式導(dǎo)軌研究方面，楊存志等[5]設(shè)計研制的設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境下奶牛精準(zhǔn)飼喂機(jī)器人，采用環(huán)形懸掛式的軌道作為AGV平臺導(dǎo)航定位方式，極大地簡化了導(dǎo)航定位的難度，行走機(jī)構(gòu)懸掛在軌道上，驅(qū)動AGV平臺沿著軌道進(jìn)行運動，編碼器記錄運行數(shù)據(jù)對AGV平臺實時運行位置進(jìn)行定位。胥若愚[6]設(shè)計研制的養(yǎng)殖場軌道式巡檢機(jī)器人，采用懸掛式軌道作為導(dǎo)航定位方式，建立了基于軌道式導(dǎo)航定位的機(jī)器人D-H模型，并設(shè)計了一種設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境下的軌道式巡檢方案。經(jīng)過系統(tǒng)仿真與算法優(yōu)化，采用“S”型加減速曲線進(jìn)行控制，使巡檢機(jī)器人的運功控制更加穩(wěn)定平順。

在地面式導(dǎo)軌研究方面，王子懿[7]設(shè)計的3-UPU軌道式擠奶機(jī)器人，利用TRIZ創(chuàng)新理論設(shè)計了地面軌道式AGV平臺，運用多體動力學(xué)仿真，建立軌道耦合模型。該設(shè)計具有較高的導(dǎo)航定位精度，極大提高了設(shè)施養(yǎng)殖中作業(yè)裝備的作業(yè)精準(zhǔn)度。

1.2 循跡式

循跡式導(dǎo)航定位主要采用磁信號或者地面標(biāo)志物的形式。磁信號導(dǎo)航定位多通過在地面安裝磁釘、磁條或者布設(shè)漆包線連接定頻電流等方式來產(chǎn)生磁信號，通過AGV平臺攜帶的電磁傳感器和里程計進(jìn)行導(dǎo)航定位。地面標(biāo)志物導(dǎo)航定位主要利用機(jī)器視覺進(jìn)行地面紋理分析和標(biāo)志物識別進(jìn)行路徑導(dǎo)航與實時定位。循跡式相較于軌道式具有布設(shè)成本、靈活性高、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點，已逐漸成為設(shè)施環(huán)境內(nèi)部較為流行的導(dǎo)航定位方式。

在電磁導(dǎo)航研究方面，朱文龍[8]設(shè)計的基于電磁導(dǎo)航定位的移動式智能養(yǎng)殖系統(tǒng)，采用電磁導(dǎo)線作為AGV平臺的路徑識別方式，運用PID控制算法進(jìn)行車輛精準(zhǔn)導(dǎo)航，光電編碼器為AGV平臺提供精準(zhǔn)定位，通過AGV平臺搭載的數(shù)據(jù)采集裝置可對養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)測，便于養(yǎng)殖人員對養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程實時監(jiān)管，極大地降低了養(yǎng)殖人員勞動強(qiáng)度。

在地面標(biāo)志物導(dǎo)航定位研究方面，王紅君等[9]采用圖像處理技術(shù)對溫室環(huán)境中可通行路徑進(jìn)行特征識別與提取，為AGV平臺提供導(dǎo)航信息。將環(huán)境照片采集后，利用RGB和HIS兩個色彩空間對圖像進(jìn)行不同色彩分量處理并依次進(jìn)行比對，最終對H分量用OTSU法進(jìn)行分割處理，可以在排除光照干擾的情況下較好地識別出作物與通行路徑，同時利用Hough變換對可通行路徑中的導(dǎo)航線進(jìn)行提取，為AGV平臺提供導(dǎo)航定位。李天華等[10]針對拱棚溫室導(dǎo)航過程中干擾物對AGV平臺導(dǎo)航精度的影響，利用通行路徑盡頭橫向中心點作為導(dǎo)航信息標(biāo)點，在導(dǎo)航過程中，攝像頭視軸始終與可通行路徑平行，利用色度法對環(huán)境因素進(jìn)行處理，計算導(dǎo)航信息標(biāo)點的坐標(biāo)從而得到AGV平臺的位姿以便于及時調(diào)整。通過建模仿真并進(jìn)行試驗，該方式可以顯著提高導(dǎo)航精度。

2 基站式

基站式導(dǎo)航定位方式類似于傳統(tǒng)的室外GPS與通信基站導(dǎo)航定位，通過在室內(nèi)搭建固定式的信號收發(fā)基站，利用AGV平臺自身所攜帶的信號收發(fā)器進(jìn)行信號交換，通過計算與不同室內(nèi)基站信號接收時差得到自身所處的實時位置，進(jìn)而經(jīng)過運算得到運行姿態(tài)等信息。根據(jù)室內(nèi)基站技術(shù)的不同可分為超帶寬（Ultra wideband， UWB）、WiFi、藍(lán)牙等方式。

2.1 超寬帶式（UWB）

UWB技術(shù)是一種用帶寬超過500 MHz以上信號的傳輸信息技術(shù)，具有功率低、速率快、穿透性和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，近年來在室內(nèi)導(dǎo)航定位方面得到較大規(guī)模應(yīng)用[11]。姚立健等[12]創(chuàng)新提出了一種基于UWB的路徑跟蹤方法，通過4個固定式的信號收發(fā)基站組建室內(nèi)定位系統(tǒng)，利用加權(quán)最小二乘法極大提高了移動標(biāo)簽的定位精度，利用MATLAB進(jìn)行算法仿真并進(jìn)行試驗驗證，結(jié)果表明該方法可以極大地提高導(dǎo)航定位的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。

2.2 WiFi式

WiFi定位技術(shù)主要利用多個信號接入點構(gòu)成WLAN，根據(jù)移動終端與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信號傳輸進(jìn)行終端定位，在室內(nèi)WiFi定位研究方面，成霏雪[13]綜合考量AP數(shù)量對定位信號的影響，結(jié)合信息熵和互信息，創(chuàng)新提出了一種AP選擇算法，并引入?yún)^(qū)域生長算法以提高AP在WiFi定位系統(tǒng)中的作用。通過實驗仿真與結(jié)果分析，表明該算法可以極大提高WiFi定位系統(tǒng)中的定位精度并極大地降低數(shù)據(jù)冗余。

2.3 藍(lán)牙式

藍(lán)牙定位主要采用Socket連接，移動客戶端向服務(wù)器終端發(fā)送請求并獲得ID，當(dāng)雙方距離滿足通信要求時，服務(wù)器端即可與移動客戶端建立連接完成定位。陳麗敏等[14]針對傳統(tǒng)室內(nèi)藍(lán)牙應(yīng)用中存在的問題，提出了改進(jìn)型的藍(lán)牙室內(nèi)算法，通過建立模型進(jìn)行軟件仿真并進(jìn)行實際試驗，結(jié)果表明該算法在室內(nèi)定位方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的藍(lán)牙定位算法。魏軍等[15]針對室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜多變的特征，提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的室內(nèi)藍(lán)牙定位算法，試驗結(jié)果表明，在10 m范圍內(nèi)該定位算法具有較好的穩(wěn)定性，并能降低整體誤差。

3 即時定位與地圖構(gòu)建式

隨著處理器技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)和視覺傳感器所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)可以在AGV平臺所搭載的卡片式處理器上進(jìn)行實時運算，因而即時定位與地圖構(gòu)建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）導(dǎo)航定位方式得以在AGV平臺大量應(yīng)用。即時定位與地圖構(gòu)建通過對所處環(huán)境特征進(jìn)行感知并識別，從而得到自身所處位置以及導(dǎo)航路線。在設(shè)施環(huán)境中，環(huán)境特征構(gòu)成相對穩(wěn)定，通過一次全局地圖構(gòu)建即可對整個環(huán)境特征進(jìn)行識別記錄，該方式根據(jù)環(huán)境感知方式的不同，分為激光雷達(dá)式和機(jī)器視覺式。

3.1 激光雷達(dá)式

激光雷達(dá)主要通過向周圍發(fā)射激光束來獲取外界環(huán)境特征，通過檢測所處環(huán)境特征與全局特征進(jìn)行比對來進(jìn)行定位與導(dǎo)航。因激光束在平面上的投影點為離散點，因此，對于面狀特征物體可以進(jìn)行較為準(zhǔn)確的感知，對于網(wǎng)狀和點狀特征物體的感知準(zhǔn)確度相對較差。孫阿猛[16]通過對粒子自調(diào)節(jié)分布方法進(jìn)行改進(jìn)并對全局和局部路徑規(guī)劃算法進(jìn)行選擇優(yōu)化，并在設(shè)施環(huán)境中進(jìn)行試驗，驗證了激光雷達(dá)在設(shè)施環(huán)境中導(dǎo)航定位的可行性。侯加林等[17]采用雙激光雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)，使用cartographer 算法用于整體環(huán)境定位與地圖構(gòu)建，采用Dijkstra算法和動態(tài)窗口算法用于全局和局部路徑規(guī)劃，試驗結(jié)果表明該導(dǎo)航定位方式具有較小的導(dǎo)航定位偏差，可以滿足設(shè)施環(huán)境中AGV平臺的導(dǎo)航定位精度要求。

3.2 機(jī)器視覺式

機(jī)器視覺導(dǎo)航主要通過AGV平臺搭載的攝像頭對環(huán)境特征進(jìn)行識別來導(dǎo)航與定位，該方式對環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，對不同特征物體特征均具有較高的識別準(zhǔn)確度。張善福等[18]針對室內(nèi)紋理特征稀疏等問題，利用改進(jìn)型LSD算法對線特征進(jìn)行提取，提出了一種點線特征結(jié)合的視覺SLAM算法，配合慣性測量模塊可以對AGV平臺的位姿進(jìn)行精確估計，對比其他公開數(shù)據(jù)，該方法可顯著提高室內(nèi)定位精度。孫新柱等[19]針對視覺SLAM室內(nèi)定位精度問題，提出一種點線面多重特征的視覺SLAM方法，通過方向引導(dǎo)的方法對主平面進(jìn)行篩選并與跟蹤平面進(jìn)行比較，以此降低誤差，試驗結(jié)果表明該方法較傳統(tǒng)方法誤差可減少近40%，同時可靠性與穩(wěn)定性具有較大提升。

4 總結(jié)與展望

隨著家禽養(yǎng)殖規(guī)?；约半娮蛹夹g(shù)的發(fā)展，家禽設(shè)施養(yǎng)殖AGV平臺也逐漸向智能化、無人化方向發(fā)展。綜合現(xiàn)有設(shè)施內(nèi)部導(dǎo)航技術(shù)與家禽設(shè)施養(yǎng)殖內(nèi)部環(huán)境而言，固定軌跡式導(dǎo)航因其導(dǎo)航路徑需提前進(jìn)行布設(shè)，成本較高，同時由于路徑相對固定，靈活性較差，對一些需要重點監(jiān)測的點位無法做到最優(yōu)路線規(guī)劃，影響AGV平臺運行效率，電磁線、磁條等由于金屬導(dǎo)磁原因在靠近雞籠的地方使用時會出現(xiàn)導(dǎo)航信號差等缺點?；臼綄?dǎo)航由于養(yǎng)殖籠具與家禽個體的遮擋，會出現(xiàn)信號減弱甚至消失，嚴(yán)重影響導(dǎo)航的穩(wěn)定。即時定位與地圖構(gòu)建導(dǎo)航方式不需要提前布設(shè)導(dǎo)航引導(dǎo)標(biāo)志與基站，靈活性高，可進(jìn)行自主路徑規(guī)劃，運行效率高，對于重點監(jiān)測點位可以優(yōu)化巡檢路徑，進(jìn)行重點監(jiān)測。

綜上所述，在后續(xù)的發(fā)展過程中，應(yīng)重點研發(fā)家禽設(shè)施環(huán)境SLAM導(dǎo)航定位技術(shù)，根據(jù)家禽舍內(nèi)環(huán)境特點，優(yōu)化相關(guān)檢測參數(shù)，使其可以適用于禽舍場景，以此減少硬件布設(shè)成本，提高禽舍AGV平臺的智能化水平，減少規(guī)模化雞舍巡檢過程中勞動力的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姜賽珂，張美娜，李雪，等.設(shè)施內(nèi)自主移動裝備導(dǎo)航控制技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報，2022，43（03）：159-169.

[2] 連京華，李惠敏，祝偉，等.家禽生產(chǎn)智能巡檢機(jī)器人的設(shè)計[J].中國家禽，2019，41（18）：72-75.

[3] 連京華，李惠敏，殷若新，等.家禽養(yǎng)殖業(yè)開啟人工智能新時代[J].家禽科學(xué)，2018 （10）：3-4.

[4] 楊亮，熊本海，王輝，等.家畜飼喂機(jī)器人研究進(jìn)展與發(fā)展展望[J].智慧農(nóng)業(yè)（中英文），2022，4（02）：86-98.

[5] 楊存志，李源源，楊旭，等.FR-200型奶牛智能化精確飼喂機(jī)器人的研制[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014，36（02）：120-122+126.

[6] 胥若愚.養(yǎng)殖場軌道式巡檢機(jī)器人軌跡規(guī)劃與控制研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2022.

[7] 王子懿.3-UPU軌道式擠奶機(jī)器人的設(shè)計與關(guān)鍵部件分析[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2021.

[8] 朱文龍.移動式智能養(yǎng)殖系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2017.

[9]王紅君，陳慧，岳有軍，等.基于多顏色空間分割的溫室環(huán)境視覺導(dǎo)航路徑信息提取[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（16）：202-206.

[10]李天華，吳增昊，廉憲坤，等.基于定向攝像頭的大拱棚運輸車視覺導(dǎo)航研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2018，49（S1）：8-13.

[11] 陳榮鑫，熊思進(jìn).基于超寬帶UWB技術(shù)的定位系統(tǒng)分析[J].電子技術(shù)，2023，52（09）：1-3.

[12] 姚立健，SANTOSH K P，楊自棟，等.基于超寬帶無線定位的農(nóng)業(yè)設(shè)施內(nèi)移動平臺路徑跟蹤研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35（02）：17-24.

[13]成霏雪.基于AP選擇算法的WiFi室內(nèi)定位研究[D].海口：海南大學(xué)，2023.

[14]陳麗敏，陳宇寧.基于藍(lán)牙無線技術(shù)的室內(nèi)定位方法研究[J].無線互聯(lián)科技，2023，20（13）：21-23+27.

[15]魏軍，羅恒，倪啟東，等.藍(lán)牙室內(nèi)定位算法優(yōu)化方法[J].蘇州科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2023，40（02）：78-84.

[16] 孫阿猛.基于激光雷達(dá)的設(shè)施農(nóng)業(yè)服務(wù)機(jī)器人自主導(dǎo)航技術(shù)研究[D].合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2021.

[17] 侯加林，蒲文洋，李天華，等.雙激光雷達(dá)溫室運輸機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)研制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36（14）：80-88.

[18] 張善福，胡步發(fā).一種基于點線融合的室內(nèi)視覺慣性SLAM方法[J].機(jī)械制造與自動化，2023，52（04）：202-205.

[19] 孫新柱，龔光強(qiáng)，陳孟元，等.室內(nèi)場景下基于曼哈頓約束的多重特征視覺SLAM方法[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報，2023，31（09）：890-899.

Research Progress of AGV Navigation Mode in Poultry Facility Culture Environment

LI Hao1，2，SUN Kai1，2，SHANG Qinghui1，2 ，LI Liyuan1，ZHANG Yan 3，YIN Ruoxin1，2

[1.Poultry Research Institute of Shandong Academy of Agricultural Sciences，Jinan 250100，China;

2.Shandong Data Open Innovation Application Laboratory（Intelligent breeding），Jinan 250100，China;

3. Zibo Public Resource Trading Center，Zibo 255000，China]

Abstract： The development of AGV in poultry facility culture environment has become the key to intelligent breeding. By carrying relevant detection devices on AGV， environmental monitoring and biological sign identification can be carried out in poultry facility， which greatly reduces the labor intensity and improves the intelligent level of breeding. Based on the summary and analysis of the existing AGV navigation modes in facility farming and the existing advanced indoor navigation methods， this paper divides the AGV navigation modes in poultry farming environment into fixed trajectory mode， indoor base station mode and instant positioning and map construction mode， and expounds them in a classified way， so as to provide reference for the development of AGV navigation and positioning in poultry farming environment.

Keywords： Facility culture; AGV; Intelligence; Navigation and positioning