发酵养殖床服务机器人

郭明+朱雨珂+李思全

去年暑假，科技活动小组的同学去宁乡县青龙寨生态养殖园考察，发现养殖场使用了一种新型环保养殖设施：利用发酵床内米糠锯末中的放线菌分解粪便来防止污染。

为提高发酵床的活性和效率，使粪便与米糠锯末等填料均匀混合，一般需要2至3天翻耕使其降温。传统的方式是采用人力、用钉耙翻耙，既费力耗时且效果不佳。为解决这些问题，我们研制了发酵养殖床服务机器人。

一、控制系统设计

以高性能、低功耗的cortexA8单片机构成主控系统，通过机器视觉、超声和电子鼻技术，实时检测发酵床粪便堆积图像、温湿度及功能菌活性，通过物联网遥控或全自动工作模式，准确寻找粪便源，按照“之”字形或“回”字形路线实施均匀疏散翻耕。

1.控制系统与单片机操作系统选择

由于控制器不仅控制电机，还要接收各种传感器数据，将数据发送至远程控制中心，同时接收远程机器人控制指令，因此要求其具有较高的速度，能运行Linux系统，采用先进的片内AMBA总线技术，进行多任务处理。控制系统框如图1。

2.主控板、内部总线与和传感器的设计

选用富士康A20主控板以满足单片机、各种传感器与接口以及整个系统运行的需要。

由于控制系统为“单主机-多从机”模式，因此采用使用最广的串行总线标准RS485。它可实现1km距离的传输，传输速率可达1Mbps；Modbus协议简单，软件编程较易实现，开发周期短。

传感器模块主要包括数字温湿度模块、超声波传感器模块（双模式）、微型无线高清监控、高效图像压缩技术及超低待机功耗的摄像头一体机模块。

二、运动及功能系统设计

1.电机车轮的选择及运动功能的实现

机器人驱动选择相对速度快、精确稳定、成本较低的直流伺服电机，而铲斗和机械臂采用适用低速精确控制的步进电机。驱动轮方面，圆形驱动轮易原地打滑，无法前进与后退；针形轮和风车轮效果较好，因针形驱动轮稳定性更好而被选用。

2.翻耕平整结构与机械臂结构设计

机器人的翻耕轮和耙子可根据实际生产需要，实现不同深度的翻耕和耙匀。机械臂主要由四连杆机构、皮带传动轮和步进电机组成。通过控制电机旋转的速率和方向，带动机械臂和疏散装置升降。

3.疏散抛洒结构设计

要实现机械替代人工疏散抛洒粪便，寻找一种体积合适、功率大、效率高且操作方便的装置是设计的关键。我们做了以下方案：

（1）把粪便搅成糊状，再喷洒至发酵养殖床表面。由于该设计影响了发酵养殖床的湿度、不利于生态菌发酵，且喷洒装置易堵塞、效率低而被放弃。

（2）把粪便收集后移至发酵养殖床外晒干或烤干的干粉式设计。该设计工艺繁琐，耗能过高，因而也被放弃。

（3）为实施收集、搅碎、抛洒的功能，我们从挖掘机铲斗、厨房排气扇以及抛秧机的结构中获得灵感，设计了“喇叭形多孔铲斗+减速电机+叶轮”的疏散抛洒结构，其工作原理如下：

机器人驱动轮带动铲斗前行，大电机带动机械臂上下运动；设计一种喇叭结构的铲斗，在铲斗左、右、底三面钻好大小合适的小孔；在铲斗内安装适配的微型步进电机，电机轴上安装可自由旋转的叶轮；改变电机旋转的方向和速率，即可控制叶轮离心力和风力大小、方向，实现机器人的疏散抛洒和收集等功能。

三、嵌入式操作系统的选择

嵌入式Linux操作系统是一个功能强大、稳定和通用的开放源码操作系统，可提供丰富的跨硬件平台支持。它支持多用户、多进程和TCP/IP等网络协议，具有图形用户界面和强大的开发工具。

四、样机的实验室组装

主要设备与工具：电脑、数控机床、电烙铁、喷漆枪，万用表、套装组合工具等。

主要原材料与零部件：电路板、减速电机（DC-25mm×2、DC-37mm、DC-10mm）；传感器（温度、湿度、视觉、超声）；铝合金板材、梁材、螺丝、螺帽、塑料板材；电阻、电容、电感、集成块、油漆等。

按设计图组装：安装底盘及主控板；安装传感器、电机与车壳；安装机械臂与疏散抛洒机构。

五、样机的测试

1.操作系统与蓝牙通信测试

选择C语言与图形化编程结合的方式，使用笔记本电脑或智能手机对样机模型进行测试。结果显示系统能正常运行。

编写机器人与手机蓝牙通信程序，并安装在手机上。机器人始终放在实验室发酵养殖床内，移动手机的位置，蓝牙通信距离从0m至100m范围内都能正常通信和控制。笔记本电脑测试操作系统能正常运行。

2.温湿度监控与自动翻耕功能测试

按设计把温湿度传感器模块与主控板相连后编写代码。由于温度计能检测的温度范围m1为-25℃至100℃，对应0至255（机器人固定的取值范围）之间的值，为了直接显示温度值，测试程序通过一次函数fetm=m1×0.5-25.0对检测的值进行了变换。

当发酵养殖床测试正常发酵（假设检测处温度≤58.5℃）时，机器人原地不动，否则提示需要翻耕发酵养殖床信息（也可发送短信至手机或电脑），选择翻耕路线，将发酵养殖床全部翻耕一遍。

机器人温度测试程序在有超声模块的前提下，可选择“之字形”路线（子程序流程如图2）。在有定位模块运行时，也可选择“回字形”路线子程序。

3.运动与避障功能测试

主要器材：自制的模拟发酵养殖床、发酵养殖床疏散翻耕机器人、小矿泉水瓶、智能手机等。

实验过程：根据样机运动功能测试试验结果，选择双前驱电机安装模式；利用超声波传感器的声波发送与接收原理实现避障试验（在模拟发酵养殖床内放置4个小矿泉水瓶作为障碍物）。

实验表明，发酵养殖床疏散翻耕机器人能顺利避开障碍物。

4.铺垫、疏散、抛洒、翻耕、平整和收集功能测试

实验场及器材：同上。

实验过程：铺垫发酵养殖床填料；疏散抛洒粪便；将发酵养殖床填料翻耕平整；收集发酵成熟的发酵养殖床填料。

实验表明，上述功能均能达到设计要求。（指导老师：段家铁 蒋银生）