牛舍清潔機(jī)器人設(shè)計(jì)及模型建立

陳蕾

摘要：開發(fā)一種能夠用于牛舍自主充電與自主加水的輪式清潔機(jī)器人。闡述了牛舍清潔機(jī)器人的發(fā)展以及研究意義，對(duì)牛舍清潔機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)超聲波測距工作原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并且構(gòu)建環(huán)境模型，從而能夠全天候的對(duì)牛舍進(jìn)行清潔工作，時(shí)刻保證牛舍的清潔與衛(wèi)生。

關(guān)鍵詞：牛舍清潔機(jī)器人；智能；路徑規(guī)劃；超聲波傳感器

中圖分類號(hào)：TP242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.01.001

0引言

現(xiàn)如今，科技發(fā)展迅速，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展更是廣泛應(yīng)用到社會(huì)、家庭的各個(gè)方面，自主式智能清潔機(jī)器人在目前服務(wù)機(jī)器人中最具有代表性，自主式智能清潔機(jī)器人的推廣更是普遍，在自主式智能清潔機(jī)器人中，牛舍清潔機(jī)器人的問世，將會(huì)在未來無人作業(yè)牛舍清潔領(lǐng)域起到巨大的作用，牛舍、豬舍的清潔工作不但辛苦，而且氣味難聞，工作人員若沒有將其清潔干凈，很可能會(huì)使奶?；忌先榉垦椎燃膊?，因此為了使牛舍24 h保持干凈與衛(wèi)生，且節(jié)省大量的勞動(dòng)力，設(shè)計(jì)與研究這類清潔機(jī)器人對(duì)社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展將會(huì)有著非常深遠(yuǎn)的意義[1]。

1牛舍清潔機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)

牛舍清潔機(jī)器人系統(tǒng)主要包括機(jī)器人本體、牛舍的工作環(huán)境及需要做的清潔工作任務(wù)。

牛舍清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要包括傳感部分、電源、控制系統(tǒng)、清掃噴水功能以及行走機(jī)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)主要包括行走驅(qū)動(dòng)單元、運(yùn)動(dòng)控制單元、電源管理單元。行走機(jī)構(gòu)包括車輪、電機(jī)與減速裝置。清掃噴水功能包括泵、水箱、噴頭和刮糞板。傳感部分主要包括機(jī)身的超聲波傳感器及碰板，碰板系統(tǒng)是雙自由度，其他的系統(tǒng)都是單自由度與牛舍清潔機(jī)器人機(jī)身連接[2]。

牛舍清潔機(jī)器人的主要傳感部件包括紅外探測傳感器與超聲波傳感器。紅外探測傳感器主要是通過紅外波發(fā)射與接收，來檢測出牛舍清潔機(jī)器人周圍有無障礙物，從而避免牛舍清潔機(jī)器人與障礙物之間的碰撞。超聲波傳感器的作用是檢測清潔機(jī)器人與墻或者牛欄等障礙物之間的距離，對(duì)于牛舍環(huán)境地圖的建立有著重要的作用，最終確定清潔機(jī)器人在牛舍環(huán)境地圖中的具體位置。碰撞開關(guān)是用來輔助傳感器部件，當(dāng)紅外線檢測不到某些障礙物的情況下，如障礙物比較小或者紅外傳感器對(duì)障礙物的顏色不敏感的時(shí)候，碰撞開關(guān)則會(huì)起作用，也是屬于接觸避障，直流減速電機(jī)本身所帶的光電碼盤是用在獲取牛舍清潔機(jī)器人的速度和其距離信息，牛舍清潔機(jī)器人通過控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)不同傳感信號(hào)的檢測與處理，分析并實(shí)現(xiàn)其行走路徑的規(guī)劃，通過牛舍清潔機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)兩邊的減速電機(jī)，從而帶動(dòng)牛舍清潔機(jī)器人的左右輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主移動(dòng)的功能，同時(shí)，牛舍清潔機(jī)器人機(jī)身攜帶的水箱與刮糞板裝置，通過不斷的噴水進(jìn)行軟化牛舍的牛群糞便，刮糞板將其糞便刮至漏縫地板下，從而進(jìn)行牛舍地面的清潔工作，牛舍清潔機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)架構(gòu)圖如圖1所示。

2超聲波傳感器的工作原理

在我們身邊，我們聽到的各種聲音，均是由物體振動(dòng)所產(chǎn)生，振動(dòng)的頻率超過一定的范圍值時(shí)，叫做超聲波，振動(dòng)的頻率低于一定的范圍值時(shí)叫做次聲波。目前我們所常用的超聲波頻率很高，一般它的方向性好、穿透的能力強(qiáng)，且沿著直線型傳播。超聲波測量距離的儀器就是通過超聲波遇到雜質(zhì)或者分界面的時(shí)候產(chǎn)生反射波的這一特性研制而成，為了研制超聲波測量距離的一種傳感器，我們可以通過超聲波傳播的頻率越高，反射能力越強(qiáng)的特性，超聲波在空氣中的傳播速度很慢，我們可以通過測量其波的傳播時(shí)間、測量距離或者厚度來進(jìn)行應(yīng)用[3]。

超聲波傳感器主要的組成部件是壓電晶片，可以接收和發(fā)射超聲波，壓電陶瓷片或者石英晶片均可用來制作壓電晶片，壓電的陶瓷片的優(yōu)點(diǎn)是其靈敏度很高，缺點(diǎn)是其熱穩(wěn)定性低，超聲波傳感器的核心是壓電陶瓷晶片，除了壓電晶片外，超聲波傳感器還包括金屬網(wǎng)格和錐形輻射喇叭等組成，金屬網(wǎng)格的作用是保護(hù)，錐形輻射喇叭的作用是發(fā)射與接收超聲波，使其能量得以集中，超聲波傳感器在使用的時(shí)候包括反射式與直射式兩種形式，當(dāng)我們?cè)诎l(fā)送裝置雙振子端施加電壓時(shí)，通過逆電壓效應(yīng)來發(fā)送超聲波信號(hào)[4]，超聲波接收裝置通過正壓電效應(yīng)，對(duì)接收到的超聲波信號(hào)進(jìn)行放大處理。其工作原理具體如圖2所示。

3環(huán)境模型建立

牛舍清潔機(jī)器人通常情況下會(huì)工作在一個(gè)包括很多固定障礙物的封閉空間，清潔機(jī)器人一般工作在一個(gè)包含有各種孤立障礙物的封閉區(qū)域中。全區(qū)域覆蓋的路徑規(guī)劃是建立在由各種基本無障礙區(qū)域路徑規(guī)劃與障礙物連接起來的組合區(qū)域之上的。而全區(qū)域路徑規(guī)劃又不僅僅是基本無障礙區(qū)域路徑規(guī)劃的簡單疊加，而是需要考慮避障以及高覆蓋率和低重復(fù)率等指標(biāo)。這就需要能夠準(zhǔn)確的感知周圍的環(huán)境，并建立地圖模型，規(guī)劃出連續(xù)的一系列路徑，以達(dá)到要求的指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)全覆蓋清掃。在進(jìn)行環(huán)境模型建立的過程中需要獲得周圍環(huán)境信息，對(duì)這些環(huán)境信息進(jìn)行表示，最后根據(jù)環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)更新環(huán)境地圖。牛舍清潔機(jī)器人工作環(huán)境大多是不確定的，當(dāng)其在行走的過程中，利用牛舍清潔機(jī)器人機(jī)身安裝的傳感器感知周圍環(huán)境并獲取信息，從而建立相應(yīng)的地圖模型，生成機(jī)器人的行走路線。清潔機(jī)器人沿邊學(xué)習(xí)規(guī)則為在其沿邊行走的過程中，通過左/右側(cè)超聲波傳感器測得機(jī)器人到房間內(nèi)障礙物邊界的距離信息，并存儲(chǔ)在數(shù)組中。同時(shí)記錄編碼器測得的機(jī)器人沿邊行走的橫向和縱向距離以及轉(zhuǎn)角信息。與之前國內(nèi)外學(xué)者所做的研究不同的是機(jī)器人并不是簡單的沿環(huán)境的墻壁或靠墻障礙物行走一周，最終只描繪出環(huán)境的輪廓信息，而是在學(xué)習(xí)完房間的一條邊后，統(tǒng)計(jì)超聲波傳感器測得的房間障礙物邊界距離數(shù)據(jù)，找到合適的距離，作為清潔機(jī)器人向中擴(kuò)展清掃的距離，劃分出相應(yīng)的子區(qū)域，進(jìn)而進(jìn)行子區(qū)域的遍歷[5]。

牛舍清潔機(jī)器人在進(jìn)行環(huán)境模型建立過程中主要運(yùn)用的是沿邊學(xué)習(xí)，其具體特征包括牛舍清潔機(jī)器人從原點(diǎn)出發(fā)，通過其自身的紅外傳感器以及碰撞開關(guān)，保證機(jī)器人沿墻壁或牛欄前進(jìn)，在行駛過程中，機(jī)身安裝的超聲波傳感器獲取牛舍中的障礙物距離信息，并保存在數(shù)組中，同時(shí)，牛舍清潔機(jī)器人安裝的編碼器與陀螺儀傳感器通過擴(kuò)展卡爾曼濾波進(jìn)行信息融合，估計(jì)出牛舍清潔機(jī)器人的位置，記錄牛舍清潔機(jī)器人在沿邊學(xué)習(xí)中機(jī)身位置的變化，根據(jù)機(jī)身安裝的陀螺儀傳感器測出的角度信息，進(jìn)而判斷出牛舍清潔機(jī)器人當(dāng)前的方向，根據(jù)編碼器獲取的數(shù)據(jù)計(jì)算出移動(dòng)的距離。在沿邊學(xué)習(xí)結(jié)束后，通過超聲波傳感器及編碼器可獲取牛舍的長和寬，牛舍清潔機(jī)器人在通過其左右轉(zhuǎn)彎的次數(shù)可以判斷其前進(jìn)的方向是橫向或縱向。

4結(jié)語

闡述了牛舍清潔機(jī)器人的發(fā)展及研究意義，并對(duì)其超聲波傳感器的工作原理進(jìn)行詳細(xì)的介紹，對(duì)牛舍清潔機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最終建立基于全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃的環(huán)境模型，對(duì)清潔機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展有著重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

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