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专刊--农业机器人与智能装备

畜禽舍防疫消毒机器人设计与试验

  • 冯青春 , 1, 2 ,
  • 王秀 1, 2 ,
  • 邱权 1, 2 ,
  • 张春凤 2, 3 ,
  • 李斌 1, 2 ,
  • 徐瑞峰 2, 3 ,
  • 陈立平 , 1, 2, 3
展开
  • 1. 北京农业智能装备技术研究中心,北京 100097
  • 2. 国家农业智能装备工程技术研究中心,北京 100097
  • 3. 农业智能装备技术北京市重点实验室,北京 100097
陈立平(1973-),女,博士,研究员,研究方向为精准农业与农业智能装备技术。电话:010-51503425。E-mail:

冯青春(1987-),男,博士,副研究员,研究方向为农业机器人技术。E-mail:

收稿日期: 2020-10-28

  修回日期: 2020-12-20

  网络出版日期: 2021-02-05

基金资助

国家重点研发计划项目(2017YFD0701605)

Design and Test of Disinfection Robot for Livestock and Poultry House

  • FENG Qingchun , 1, 2 ,
  • WANG Xiu 1, 2 ,
  • QIU Quan 1, 2 ,
  • ZHANG Chunfeng 2, 3 ,
  • LI Bin 1, 2 ,
  • XU Ruifeng 2, 3 ,
  • CHEN Liping , 1, 2, 3
Expand
  • 1. Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097, China
  • 2. National Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097, China
  • 3. Beijing Key Laboratory of Intelligent Equipment Technology for Agriculture, Beijing 100097, China

Received date: 2020-10-28

  Revised date: 2020-12-20

  Online published: 2021-02-05

本文亮点

针对畜禽养殖防疫消毒劳动强度大、安全性差的问题,设计了防疫消毒机器人系统,以实现畜禽舍防疫消毒喷雾的智能化作业。机器人系统由移动承载平台、防疫喷雾部件、环境监测传感器以及控制器等4部分构成,支持全自动运行和遥控操作2种工作模式。针对畜禽舍内弱光、低应激的工况条件,提出了“磁标-射频识别”组合的导航路径探测方法,实现在畜禽舍内养殖笼架间的自主移动。设计了风助式药液喷嘴,可同步实现消毒药液的雾化和扩散。通过对喷嘴内腔风场进行流体动力学仿真,对喷嘴气体导流和药液雾化部件结构参数进行了优化设计,确定了锥形导流垫块和雾化栅板的倾角分别为75°和90°。最后,在禽舍内对机器人导航和喷雾性能进行了现场测试。试验结果表明,机器人移动平台可满足0.1~0.5 m/s速度范围的自动巡线导航,其实际轨迹相对磁钉标记的最大偏移量为50.8 mm;风助式喷嘴可适用于200~400 mL/min流量的药液喷洒,形成的雾滴直径(DV.9)为51.82~137.23 μm,雾滴沉积密度为116~149 个/cm2。本畜禽舍防疫消毒机器人可实现养殖舍内消毒和免疫药液的智能化喷雾作业。

本文引用格式

冯青春 , 王秀 , 邱权 , 张春凤 , 李斌 , 徐瑞峰 , 陈立平 . 畜禽舍防疫消毒机器人设计与试验[J]. 智慧农业, 2020 , 2(4) : 79 -88 . DOI: 10.12133/j.smartag.2020.2.4.202010-SA005

Highlights

In order to improve the efficiency and safety of epidemic prevention and disinfection operations for livestock and poultry breeding, the disinfection robot system and the automatic disinfecting mode were researched in this study. The robot system is composed of four components, namely the automatic bearing vehicle, the disinfection spraying unit, the environmental monitoring sensors, and the controller. The robot supports two working modes: fully automatic mode and remote control mode. Aiming at the low-light and low-stress condition in the livestock and poultry houses, the method for detecting navigation path based on "Magnet-RFID" marks in the ground was proposed to realize the robot's automatic moving between the cages. In view of the large-flow and long-range requirements of the disinfectant's spraying, the air-assisted nozzle was designed, which could atomize and disperse the liquid independently. Based on the CFD simulation of airflow in the nozzle, the nozzle's parts structural parameters were optimized, as the angle of the cone-shaped guide pad and the inclination angle of the grid respectively determined as 75°and 90°. Finally, the robot's performance was tested in a poultry house in Beijing. The results showed that, the robot's mobile platform could automatically navigate at the speed of 0.1-0.5 m/s, and the maximal deviation distance between the actual trajectory and the expected path was 50.8 mm. The air-assisted nozzle could realize the atomization and diffusion of the liquid medicine at the same time, and was suitable for spraying the liquid medicine with a flow rate of 200-400 mL/min. The diameter (DV.9) of the liquid droplets formed was 51.82-137.23 μL, and became larger as the flow rate of the liquid medicine increased. The deposition density of spray droplets formed by the nozzle was 116-149/cm2, and decreased as the spray distance increased. The size and density of the liquid droplets of the spray nozzle in different areas of the cage all met the index requirements for effectively killing adherent pathogenic microorganisms. The robot could be applied as an automatic sprayer for disinfectant and immune reagent in the livestock and poultry house.

1 引 言

近年来,中国畜禽养殖业规模和产值不断增加,2019年总产值达到3.3万亿元1,约占农业总产值的30%,且畜禽产品种类、总量和产值等均距世界前列。然而随着畜禽养殖集约化程度不断提高,高密度养殖对畜禽舍内防疫安全形成巨大挑战2,3。液体药剂喷洒是畜禽养殖过程中最基础、最有效、最广泛的防疫措施4-7,包括消毒喷雾8,9和防疫喷雾10两类作业方式。其中,消毒液喷雾可以消灭散播于外界环境中的病原微生物和有害物质,切断传播途径,阻止疫病的传入和蔓延,减少有害物质排放的风险,是预防和控制传染病、维持养殖环境生态安全的必要途径。防疫喷雾是将稀释的疫苗雾滴散布于养殖舍空气中,随动物呼吸而进入体内,具有应激刺激小、免疫保护快、免疫效率高、通用性好等功能,是禽类养殖环境免疫的必要环节。由于防疫消毒喷雾作业频次高、操作规范严格、作业环境恶劣,依靠人工进行防疫消毒耗时费力,且不利于保证作业标准和防疫效果,因此,研发和应用自动化防疫消毒设备,代替或辅助人力作业,对于保障中国畜禽养殖安全和高效生产具有重要意义。
养殖舍内自动化防疫消毒喷雾作业设备是国内外养殖装备行业的研究热点,现有设备主要分为固定式11-13和移动式14,15两类。固定式喷雾设备主要为养殖舍顶部安装的喷雾管道,通过随管道阵列分布的喷头向下方喷洒药剂,其喷雾效率高,但是药液雾滴空间沉积均匀性差,且无法满足免疫喷雾对器械的清洁性要求。移动式喷雾设备主要通过移动平台承载喷雾部件在养殖舍内移动喷雾,以实现不同区域的防疫消毒,其通用性强,可兼顾消毒和免疫喷雾作业,但目前主要以背负式或手推式的半自动设备为主,作业效率较低。近年来,随着养殖模式集约化和标准化程度的不断提高,研发和应用全自动移动式防疫消毒机器人15-18,可有效促进养殖舍内智能化高效管理。国外以法国OCTOPUS公司的SCARIFIER消毒机器人18为代表,实现了散养肉鸡舍内的无人化消毒防疫,并形成了商业化应用。养殖舍内自主移动和药液高效雾化喷洒是机器人防疫消毒的必要前提。国外当前针对散养鸡舍采用的激光导航和超声雾化技术,存在移动平台生产成本高、药液扩散范围小的问题,难以满足国内集约化笼养禽舍防疫消毒作业需要。
本研究针对畜禽养殖舍内智能化防疫喷雾需要,设计了防疫消毒机器人系统,并对其作业原理和关键部件进行了详细介绍,对机器人的自动导航和消毒喷雾性能进行了试验测试和分析为养殖舍内的无人化防疫消毒作业提供技术支撑。

2 机器人系统构成及其作业原理

2.1 机器人系统构成

图1为防疫消毒机器人系统结构,主要由移动承载平台、药液喷洒部件、环境监测传感器以及控制器等4部分构成。
图1 防疫消毒机器人系统

注: 1.环境监测传感器 2.药液箱 3.消毒液喷嘴 4.移动承载平台5. 免疫试剂喷嘴 6.控制器

Fig. 1 Disinfection robot system

环境监测传感器包括机载摄像机和有害气体、温度、湿度和粉尘检测传感器,用以实时探测养殖舍内不同空间位置的环境信息,为机器人喷雾或人工管理提供决策依据。药液喷洒部件包括消毒喷雾和免疫喷雾两种雾化喷嘴,以满足消毒液喷洒和免疫试剂喷雾的特定要求。移动承载平台用于承载机器人在畜禽舍内按既定路线巡行导航。机器人控制器包括机载控制器、远程电脑监控终端和用户手持终端。
操作人员可根据防疫消毒需要,通过电脑或手机终端将消毒时间、药液剂量和作业范围等机器人作业参数远程发送于控制器,控制器根据预设程序自动进行定时变量喷雾。

2.2 智能防疫消毒作业原理

防疫消毒机器人支持自动和遥控两种作业模式,其作业流程如图2所示。在自动模式下,用户按照既定防疫规范要求,设置养殖场内药液喷洒时间、剂量和作业范围,形成机器人防疫消毒作业计划。机器人按照预设参数自动启动,在养殖舍内巡线移动。根据控制器预设的药液喷雾要求,自动调节电磁阀开闭频率控制消毒液喷洒流量、调节风机转速控制消毒液喷洒距离,从而实现养殖环境内的无人化消毒作业。在遥控模式下,用户通过电脑或手机终端向机器人发送操作指令,根据用户自主判断,对养殖场内不同作业区域的消毒剂量和喷雾距离进行动态调节。
图2 防疫消毒机器人作业流程

Fig. 2 Operation process of disinfection robot

3 关键部件设计

3.1 自动导航承载平台

移动平台作为机器人系统的移动承载部件,需要搭载药液喷雾、环境监测和控制器等其他执行部件,在畜禽舍内自动导航巡行。鉴于养殖舍内光照弱、管道和沟壑起伏、移动空间狭窄的特征,移动平台(图3)驱动地盘采用“玛蒂尔达”型履带结构,以保障机器人对舍内管道和沟槽的通过性。机器人采用“磁标-射频识别(Magnet-RFID)”组合标记(图4)进行导航路径探测,其中地表预埋磁钉标记形成直行路线,磁钉之间由机载惯导传感器实时感知机器人姿态;RFID标签埋置于机器人移动路径的转弯处,其内部存储对应路径点的转角编码数据。当移动平台读取到转弯数据后,继续直行至下一个磁钉处,按照预定角度原地调整自身姿态转弯后继续直行,如此沿路标轨迹在养殖舍内移动,直到移动至停止路标。直行过程中,每经过一个磁钉,测算一次车身姿态,以更新惯导传感器的定位数据,消除惯导误差。
图3 机器人移动平台

Fig. 3 Robot mobile platform

图4 “磁标-射频识别”导航标记设置

Fig. 4 “Magnet-RFID” navigation mark

机器人沿磁钉路标导航原理如图5所示。磁钉传感器安装于移动平台底部中心,且相对小车后轴(驱动轴)距离为 l。设其探测得到磁钉相对小车中心线偏移距离为 d,则认为以后轴中心 p为圆心,当前小车需要矫正的偏移角度 θ = a c t a n ( d l )。若后轴长度表示为 L,两端左、右驱动轮直径为 D,则其各自转角 ω l ω r需满足 ω l = - ω r = θ L D,其中 θ为弧度单位,即若小车需要向左偏转 θ角度,需要右驱动前进 ω r,左后轮后退 ω l。反之若小车需向右偏转,则左轮向前、右轮向后。
图5 防疫消毒机器人移动导航原理示意图

Fig. 5 Navigation principle of the disinfection robot

3.2 风助式药液喷嘴

鉴于养殖设备和空间消毒作业大流量、远射程的需求,采用气液外混式喷头结构19,20作为消毒液雾化和扩散一体化喷洒部件。如图6所示为风助式消毒液雾化喷嘴,主要由风机、导流罩、药液管、端盖、出风口、出液口、导流栅板和导流垫块等构成。其中导流垫块前端为栅板结构,且中心孔与药液管联通。空气由直流风机自喷嘴后端吸入,在导流罩内腔体形成高压,并经前端垫块与端盖间隙形成涡流,在栅板处分流后从出风口喷出。栅板分流的高速气体在出风口汇集,与从垫块中心流出的药液形成冲击,使得药液碎裂成雾滴,且雾滴随气体喷射至空气中,从而实现对药液的雾化与扩散。
图6 风助式消毒液雾化喷嘴

注: 1.风机 2.导流罩 3.药液管 4.端盖 5.出风口 6.出液口 7.导流栅板 8.导流垫块

Fig.6 Air-assisted disinfectant atomization nozzle

排风量和风压是喷嘴风机选型的关键参数。根据风量置换原则21,单位时间雾化喷嘴预期形成的雾化区域可近似作为风机风量。假设药液自喷嘴漂移扩散呈锥形,令喷嘴射程为 L,喷雾对象高度为 H,机器人自主导航移动速度为 V,喷嘴风量衰减系数为 K,则作业区域内的风量需求为 Q = V H L K / 2。风机的风压 P包括动压 P 1和静压 P 2。动压是指给气体增加动能,使气体产生高速运动的压力;静压是指气流克服喷头内涡流室的阻力所需压力。令常温空气密度为 ρ,排气口气流速度为 ν,沿程阻力系数为 ξ,则动压和静压分别表示为 P 1 = ρ ν 2 / 2 P 2 = ξ ρ ν 2 / 2。本研究选用X300型直流无刷离心式风机(生产商:宁波东莱机电有限公司)作为防疫消毒机器人结构进行试验。

3.3 基于流体仿真的喷嘴结构参数设计

受喷嘴内腔结构导流限制,气流自喷嘴排出形成的流体特征,决定了药液雾化和扩散效果。喷嘴内部的锥形导流垫块和栅板是影响气流形态的关键部件,为明确其对喷雾效果的影响,利用计算机流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)仿真技术22,23,基于Ansys Fluent软件对喷嘴腔体内的气场进行仿真,分析气流速度、压力与轨迹的变化特征,从而确定喷嘴锥形导流垫块和栅板的最优结构参数。
(1)腔内导流垫块锥角仿真。如图7所示,对锥形导流垫块半锥角为15°、30°、45°、60°、75°和90°的流场区域进行建模,得到喷嘴腔体内气流压力和速度分布图。气体自风机进入腔体,在锥形导流垫块后端,腔内空气压强变化幅度很小,当气流绕过锥形导流垫块后,压强急剧下降。气流到达喷嘴出口附近,由于端盖的阻挡,气流压力快速回升,并且垫块半锥角越大,腔体内的气压越大(图7(a))。气流速度变化主要表现为在通过垫块后变向,且与端盖冲击,在气流出口和端盖内壁位置形成上下两处涡流(图7(b))。出口涡流促进液滴冲击,有助于药液雾化;端盖内壁涡流则会引起涡流耗散,从而造成气流能量损失。由CFD仿真结果可得,喷嘴出口形成涡流的半锥角至少为60°,且随角度增大,喷嘴两个部位的涡流同时增大。为克服端盖处涡流的不利影响、充分发挥喷嘴出口涡流的气体雾化效应,本研究取垫块最优半锥角为75°。
图7 风助式消毒液雾化喷嘴腔体气流受锥形导流垫块角度影响仿真

Fig. 7 Simulation of the airflow in the air-assisted disinfectant atomization nozzle cavity affected by the angle of the cone-shaped guide pad

(2)出口导流栅板倾角仿真。气流受喷嘴腔内锥形垫块空间挤压影响,其速度和压力增大,需由导流栅板进行分流后,以在喷嘴出口汇聚形成冲击气流对药液进行雾化扩散。如图8(a)所示,设均匀分布于喷口四周上的六片栅板倾角为β,其主要影响出风口气流扩散角和风速大小。将β设为30°、60°和90°三种布置方式,以垫块半锥角为75°时的风场参数为输入,对喷嘴出口附近气流场进行模拟。在倾斜栅板导流作用下,从喷口吹出的气流轨迹呈螺旋形,随栅板倾角β增加,出口气流的速度和扩散角相应增大(图8(b))。因此,本研究取最大栅板倾角β为90°。
图8 风助式消毒液雾化喷嘴出口气流受栅板倾角角度影响仿真

Fig. 8 Simulation of the air-assisted disinfectant atomization nozzle outlet airflow influenced by the inclination angle of the grid

30° 60° 90°
(a)出风口导流栅板倾角 (b)出风口气流轨迹随栅板倾角变化情况

4 试验方案与结果分析

4.1 现场试验方案

为验证防疫消毒机器人关键部件实际性能,2020年5月,课题组在北京农职院养殖示范基地的阶梯式笼养禽舍进行现场试验。环境温度25.8℃,空气湿度55.4%RH,无风。试验过程中,机器人在笼架中间的过道自主导航移动,如图9所示。对2排50 m长度区域的笼架进行喷雾,其中笼架中间过道为水泥地面、其末端转弯区域地面铺设可拆卸木板。笼架内、外边沿相距喷嘴射程方向的远距离分别为2.0和0.5 m。导航效果评估方面,在机器人底部中心固定标记笔,用其在地面的画线标记表示机器人实际的移动轨迹。鉴于机器人导航误差主要存在于两个相邻磁钉之间形成的惯导误差,以各个磁钉为中心且与轨迹线相切圆的半径的平均值表示为自动导航轨迹平均偏差。根据移动轨迹线与磁标布置路径的距离偏差,对0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 m/s等5等速度模式下机器人的导航精度进行试验。
图9 防疫消毒机器人现场试验

Fig.9 Field test of disinfection robot

为进行喷雾效果评估,在笼架内各层沿机器人移动方向、喷嘴喷雾方向等间距(0.5 m)放置水敏纸,作为雾滴沉降效果采样点,如图10所示,笼架内布置的水敏纸与机器人喷嘴距离分别为0.5、1.0、1.5和2.0 m。利用扫描仪采集水敏纸图片,通过雾滴分析软件获得沉积雾滴大小和密度参数24,25。以试验区域笼架内水敏纸雾滴大小和密度的平均值作为机器人喷嘴在笼架内扩散附着效果的评价指标。此外,为了获得与消毒喷嘴相匹配的输入药液流量,分别对100、200、300、400和500 mL/min等5档药液流量进行试验。在0.5 m/s移动速度下,喷嘴分别以5种流量对药液进行喷洒。
图10 雾滴沉积效果(水敏纸)

Fig.10 Droplet deposition on water sensitivity paper

4.2 结果与分析

鉴于机器人在原地调整姿态进行转弯,行进过程中均为直行状态,因此,机器人导航控制效果主要决定于其在直行路段的轨迹跟踪精度。机器人自动导航轨迹偏差测量方法如图11(a)所示,预埋磁钉间隔800 mm,试验过程中机器人作业距离110 m,共经过125个磁钉、5个RFID标记。机器人分别以0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 m/s速度各运行5次,每个运行速度对应的导航轨迹平均偏差及最大偏差统计结果如图11(b)所示。尽管机器人在0.1~0.5 m/s速度下均可以进行直线轨迹导航,但是随着速度增加,其自动导航轨迹偏差从8.5 mm增加到35.6 mm,且在0.5 m/s速度下的最大偏差为50.8 mm。偏差主要由惯导累计误差和机器人姿态控制误差引起。本研究机器人采用长度200 mm的磁钉传感器,可检测机器人中心线两侧100 mm范围的磁钉,因此,当前导航偏差可被有效检测和校正。
图11 机器人移动轨迹偏差统计

Fig.11 Robot movement trajectory deviation statistics

在笼架内相距喷嘴不同距离的水敏纸上沉积的雾滴特征参数统计结果如图12所示,其中雾滴直径采用DV.9粒径19表示,沉积密度采用单位面积分布的雾滴数量表示。
图12 雾滴沉积参数统计

Fig. 12 Parameters statistics of droplet deposition

由雾滴沉积特征统计结果可得,消毒液雾滴大小主要受药液流量影响,随着药液流量增大,雾滴直径随之增加。在100、200、300、400和500 mL/min 5档喷雾流量,相距喷嘴2.0 m区域(笼架边沿)形成的雾滴直径(DV.9)分别为31.49、51.82、101.58、137.23和185.46 μm。鉴于养殖笼架和食槽上附着病原体的最佳杀灭雾滴的粒径为50~150 μm26,因此,防疫消毒机器人单个喷嘴适宜采用的喷雾流量为200~400 mL/min。消毒液雾滴沉积密度范围为116~149 个/cm2,其主要受喷雾距离影响,随着喷雾距离增大而减小。在相距喷嘴2.00 m处区域(笼架边沿)沉积的雾滴密度分别为120、125、127、123和116 个/cm2。鉴于有效杀灭附着性病原生物的雾滴沉积密度要求不低于28 个/cm2[26,喷嘴在笼架内部形成的雾滴最小沉积密度为116 个/cm2,达到了防疫杀菌要求。

5 结 论

本研究针对畜禽养殖智能化防疫消毒作业需要,研发了防疫消毒机器人,研究了“磁标-射频识别”组合的导航路径探测方法,设计了风助式药液雾化扩散喷嘴,可实现养殖舍内消毒和免疫药液的智能化喷雾作业。
(1)机器人移动平台可满足养殖舍内笼架通道间的自动巡线导航移动,在0.1~0.5 m/s移动速度范围内,移动轨迹偏差随着移动速度增加而增大,最大偏移量为50.8 mm。
(2)风助式喷嘴可同时实现药液的雾化和扩散,适用于200~400 mL/min流量药液的喷洒,形成的药液雾滴直径(DV.9)为51.82~137.23 μm,且随着药液流量增加而变大。喷嘴形成的雾滴沉积密度为116~149 个/cm2,且随着喷雾距离增加而减小。喷嘴在笼架内不同区域的药液雾滴大小和密度均满足有效杀灭附着性病原微生物的指标要求。

脚注

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