自走式奶牛场自动化清洁设备的设计

侯云涛+吴泽全+东忠阁+郭洋

摘要：研究設计一种适用于漏缝地板的自走式奶牛场自动化清洁设备，可按预定轨迹清理奶牛场的各个区域；智能避障功能，不会对人畜造成伤害；工作过程安静，不会对奶牛的日常起居造成影响，对促进养殖产业升级和奶业发展有着重要意义。

关键词：奶牛场；自动化；清洁设备；预定轨迹；智能避障

中图分类号：S818 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2017）09-0026-03

在农牧养殖业中，奶牛粪便产生的污染比较严重。据测定，1头体重为500～600 kg的成年奶牛每天排粪量为30～50 kg，如果按1头奶牛日均排粪35 kg计算，养殖规模200头的奶牛场排出的粪便总量为2 555 t/a，排粪量巨大。我国奶牛场普遍采用人工清粪方式，每名工人利用手推车可完成约80头奶牛的清粪工作，养殖规模200头的奶牛场需3人，按照月工资2 500元计算，3人用工成本为9万元/a，且强度大、工作环境差。为此，在充分调研国内奶牛饲养状况和消化国外先进技术的基础上，自主研发一种自走式奶牛场自动化清洁设备（以下简称自动化清洁设备）。该设备能够自动化、全天候工作，且行驶速度适合，运行噪音极小，对牛群日常管理和奶牛个体起居不会造成任何影响和伤害。

1 自动化清洁设备设计

1.1 机械机构

自动化清洁设备（见图1）的机械行走机构由2个同轴的驱动后轮和1个位于车体前端的刮粪板组成。这三点高度一致，刮粪板起到万向从动轮转向和支撑点的作用。2个后轮分别由2个独立的直流24 V伺服电机提供动力。在驱动轮的作用下，设备可以沿目标方向前行，利用转速差实现转向。设备具有质量轻、承载大、机构简单等优点。

由图1可知，系统由左右2个独立的驱动轮驱动，可完成直行、左右转向、后退等动作。防撞圈绕轴心旋转，当侧面墙体与防撞轮接触时，驱动轮轮通过旋转减少摩擦力；当防撞轮正面碰到障碍物时，由控制系统判断是否启动避障程序，避免对人畜和设备造成伤害。电瓶为整个设备提供直流电力，包括电机、水泵、控制系统、传感器和开关等。当低水位液位传感器发出需要补水信号时，设备行驶到加水站，补水开关装置打开活门进行加水；当高水位液位传感器发出水箱已满信号后，加水站阀门关闭，补水装置关闭活门，设备驶离加水站。

1.2 控制系统

自动化清洁设备的控制系统主要由嵌入式ARM控制板、驱动电机、超声波传感器、陀螺仪和电流检测传感器组成。打开电源开关后，只需按一下机身或遥控器上的启动按钮，设备便开始自主工作或者按遥控指令工作；在指定的区域避障、行走，实现预先设定的路径规划；工作完后回到起始位置，并自动停止。

为在实现避开障碍和路径规划的基础上完成自主式行驶，设备必须能够精确检测周围的工作环境。考虑到工作场所的复杂性、成本、安装尺寸等，排除在路径关键位置设置辅助导航装置（如采用标识路标、GPS等）的方式，依靠主动检测途径感知工作环境。

控制系统需具备以下基本功能：1） 供电功能。为移动模块、数据采集模块、控制系统模块等提供所需电能，电量不足时进行充电。2） 移动功能。控制器驱动直流电机转动完成行走，调节行走速度，并根据实际情况转向。3） 数据采集功能。根据采集到的传感器信息决策机器人的行走路径和行走策略。4） 遥控编程功能。可通过便携式手持编辑器远距离设置和更改设备的预定行走路线及工作开始时间（设备可以工作6次/d），设置完毕后，自动化清洁设备处于自主工作状态，期间不需要人工干预。

控制系统的总体设计如图2所示。

2 自动化清洁设备需解决的关键技术问题

2.1 驱动电机电流检测传感器数据存在干扰

选用电流检测传感器监测驱动电机电流，根据检测电流变化判断设备是否碰撞障碍。碰撞到障碍物时，电机的阻力增大，相应电流也增大。

试验过程中，用万用表在线读取检测值时发现检测数据区分度很高。但是将电流检测传感器接入控制系统后，设备在未遇到障碍物的情况下做避障动作。后使用示波器对传感器输出数据进行监测发现，传感器数据波形有毛刺，脉冲干扰严重。

为解决该问题，开发设计了相应的滤波电路，结合滤波算法将电流检测传感器数据滤波后再接入控制系统。更改完毕后进行试验测试，测试结果表明：在行驶路径上碰撞到障碍物时，设备能迅速停止，之后按相应的避障路径绕开障碍物，并回到预先设定的轨迹。这说明改进后的方法有效解决了电流传感器脉冲干扰问题。

2.2 精确返回行驶轨迹起始点

自主巡径是自动化清洁设备的关键技术之一。自动化清洁设备能根据设定的路径行走，并自动返回充电区域充电。通过手持无线设备可完成行驶路线设置，包括运行周期设置和全天候定时运行设置。设置结束后切换到自动模式，设备即按照设置的路线自动寻径运行。特殊情况下，也可采用手动方式控制设备行走。运行参数设置包括行驶距离、行驶速度、行驶时间、转弯角度等。

运行参数设置完成后，自动化清洁设备从起始点（充电桩位置）出发。控制器根据传感器的反馈数据进行多源数据融合及智能决策，控制电机按照设定参数行驶，最终完成全部行驶路线，返回起始点（充电桩位置），充电并等待下一个任务。行走路径如图3所示。

当设备正常行驶时，充电电流为0；当充电器接触到充电站时，会检测到充电电流，即可判断机器人回到出发点。为此，在设备上配置充电电流检测传感器，以有效检测充电电流。

3 结论

通过对样机进行相关测试、运行，验证自动化清洁设备工作的实时性、准确性和可靠性。设备根据设置的清洁工作路线清理牛场，并具有智能行走功能，对人畜不会产生伤害。自动化清洁设备的设计和研制，对促进养殖产业技术升级换代具有重要意义，有助于我国奶牛养殖业由个体农户向规模化、集约化、国际化方向发展。

参考文献

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[3] 杨存志，贺刚，尧李慧，等.全自走牛舍清洁机器人的设计[J].农机化研究，2017，39（5）：90-94.

[4] 侯云涛，尧李慧，蔡晓华，等.自动清粪机器人路径规划方法的研究与实现[J].农机化研究，2017，39（6）：23-26.

Abstract： A kind of self-propelled automatic cleaning equipment suitable for the slatted floor was studied and designed， which could clean all areas of the dairy farm according to the desired trajectory； With intelligent obstacle avoidance， it was no harm to human animals； The working process was quiet and didn't affect the dairy cow's daily life. It was of great significance to promote the upgrading of culture industry and the development of dairy industry.

Key words： dairy farms； automation； cleaning equipment； desired trajectory； intelligent obstacle avoidanceendprint