羊只饲喂机器人行走控制系统的设计

2020-03-17李海军雷禾雨王浩鹏

农业装备技术 2020年1期

张帆，李海军，雷禾雨，王浩鹏

（内蒙古农业大学机电工程学院,内蒙古呼和浩特 010018)

0 引言

养羊业是我国畜牧业的重要组成部分之一，随着国民营养意识的提高，羊肉制品的消费力度不断扩大、加工手段不断改进、销量迅速增长。需求和效益的提高，极大调动了农户养羊的积极性。从肉羊的养殖规模来看，养殖由散养和小规模饲养向规模化、标准化饲养方向发展[1]。现阶段中小型养羊场还是以传统的人工饲喂为主，极少一部分养殖场应用经过简单改装的饲喂机械，前者人工成本高，后者饲喂流程繁琐，且投料量均匀性差。羊只饲喂机器人的行走控制系统的设计不仅可以推进饲喂设备智能化的过度，而且为标准机械化饲喂提供行走控制的技术参考。该控制系统可以完成自动行走控制和手动行走控制，自动行走控制模式：羊只饲喂机器人可以按照实际饲喂需求布置磁条路径，羊只饲喂机器人可以识别磁条路径，实现全程无人化饲喂。手动行走控制模式：羊只饲喂机器人可以根据羊舍结构的临时变化实现远程手动操作饲喂。这两种工作模式的结合互补可以更好地满足中小型养殖场的实际饲喂需求，避免饲养员同羊只的接触频率，降低人畜共患病风险。

1 系统设计

1.1 设计依据

本设计采用自动控制与手动控制相结合的方式，可以完成中小型养羊场颗粒饲料全程无人化饲喂和远程手动饲喂。利用AGV磁导航传感器实时采集磁条信息，并将这些信息以开关量的形式传输给单片机，单片机根据编写好的程序进而控制步进电机的相对速度，实现自动寻迹功能。饲喂人员利用2.4 G无线技术对羊只饲喂机器人进行远程手动控制。

1.2 技术原理

图1为羊只饲喂机器人行走系统典型部件布局示意图，主要应运技术是AGV磁导航传感器路径自主识别技术和2.4 G无线通讯技术。

自动行走控制系统是利用AGV磁导航传感器实时采集磁条相对于传感器的位置信息，磁导航传感器相对于磁条的不同位置会接通不同通道的检测电路，这些信号以开关量的形式实时传送给单片机，单片机根据这些信号及时判断磁导航传感器与磁条的相对位置[2-3]。单片机向驱动器发出不同频率的脉冲，进而控制步进电动机的转速，使车体在不断“微调”中沿磁条行进，实现羊只饲喂机器人自动寻迹。为了保证羊只饲喂机器人饲喂过程的可靠性，在羊只饲喂机器人车架4个顶角处装有HC-SR04超声波传感器，当饲喂过程中遇到障碍物时向单片机发出信号，接通步进电机的使能端，使羊只饲喂机器人自动停车，待故障排除后重新运行控制程序。

手动行走控制系统由遥控器、接收模块和控制模块组成。利用GT-24无线发射模块建立遥控器与接收模块的无线连接，遥控器指令通过GT-24无线发射模块传送到接收模块，接收模块根据遥控器的指令对应的输出高低电平操作控制单元，控制单元根据所接收到指令输出不同频率的脉冲控制步进电机的转动，实现远程手动控制，为养殖场的远程无人化饲喂提供了技术保障。

表1 羊只饲喂机器人行走系统技术参数

2 系统硬件设计

羊只饲喂机器人行走系统主要由AGV磁条、16位AGV磁导航传感器、单片机最小系统单元、STC 89C52RC单片机、GT-24数传无线模块、MA860H驱动器、86BYG250H步进电机组成。

2.1 自动控制部分

自动控制部分如图3所示。其中AGV磁条充当“信号源”，对外发出磁场信号。AGV磁导航传感器充当“信号识别器”，识别外部的磁场信号。

磁导航传感器是路径识别部分的核心检测电子元器件，它的有效检测距离为5～55 mm，反应速度为1 ms，可以将检测到磁条信息的有效信号利用NPN集电极开路传送到单片机，可以很好地满足设计要求。

图4为磁导航传感器与STC89C52RC单片机连接原理图，由于单片机自身功率有限，驱动能力较弱，为了增强电路的稳定性，在单片机的输出端与磁导航传感器的输出端口串联10 kΩ电阻，提高其输出驱动能力。单片机电压与磁导航传感器的电压差异较大，为了避免磁导航传感器流出的电流摧毁单片机，在磁导航传感器的输出端串联1N4007二极管隔离单片机与传感器。

2.2 动力输出部分

动力输出部分主要由驱动器MA860H、86步进电机86BYG250H、PX3行星减速器、8寸AGV充气车轮组成。驱动器在单片机的控制下输出不同频率的脉冲驱动步进电机，输出不同的转速。通过行星减速器连接步进电动机和AGV充气车轮，同时增加步进电动机的输出扭矩。AGV充气车轮承载车身质量并直接为羊只饲喂机器人提供驱动力。动力输出部分结构示意图如图5所示。

驱动电机选型计算：

设别质量约为100 kg，可载料质量200～225 kg，总质量G=325 kg；饲喂机器人行走速度V=6 m/min=0.1 m/s；驱动轮直径D=215 mm，机械传动效率η=0.75，电机转速为n，功率为P。行走机械电机功率计算公式为：

取行走系数C=12 N/kN,则P=0.055 kW。

行走速度 V=πdn/60，则电机转速 n=60×100/215π×3≈27 r/min。

考虑一定的安全系数和电机的体积，并且本设计采用单片机为控制核心，选取T=12 N·m，0～200 r/min内矩频特性稳定的86BYG250H步进电机能够满足要求。

2.3 2.4 G收发系统设计

无线通讯系统由无线发射模块和无线接收模块组成[4]。该系统主要硬件有单片机最小系统单元、STC 89C52RC单片机和GT-24数传无线模块组成。

本设计采用GT-24数传无线模块，该模块是一款高速、稳定性高的工业级别无线收发一体数据模块。并且模块自带高性能PCB天线，精确阻抗匹配[5-6]。图6为GT-24数传无线模块，图7为STC 89C52RC单片机和GT-24数传无线模块连接图。

图8为2.4 G控制系统收发模块结构图。将控制程序烧写至遥控器单片机和接收模块单片机，建立发射单元与接收单元的无线通讯。利用遥控按键向发射单元发出指令，发射单元根据这些信号利用GT-24无线发射模块发出对应的指令[7]。GT-24无线接收模块在2.4 G环境下识别对应的信号并且将对应的信息以开关量的形式控制接收单元单片机，接收单元进而根据自身的控制程序操纵控制单元单片机，达到了远程操作羊只饲喂机器人的目的，实现了养殖场的无人化养殖。