基于智能巡檢機器人的家禽健康管理系統(tǒng)研究

連京華 孫凱 祝偉 殷若新 韓艷 李惠敏

摘要：家禽健康管理一直是家禽養(yǎng)殖的重點和難點?；谥悄苎矙z機器人的家禽健康管理系統(tǒng)可實現(xiàn)家禽的精細化健康管理，是一種創(chuàng)新型智能化管理模式。智能巡檢機器人具有自主移動和自動避障功能，并搭載舍內環(huán)境指標監(jiān)測、家禽體溫檢測、家禽聲音監(jiān)聽、家禽行為監(jiān)視以及病死禽定位等多項功能模塊，可將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息通過無線通訊網(wǎng)絡傳至服務器端的監(jiān)控平臺進行存儲、分析與決策，實現(xiàn)環(huán)境的智能調控、監(jiān)測異常情況的自動報警以及疾病預警和快速處置，為家禽的健康生產(chǎn)保駕護航。

關鍵詞：智能巡檢機器人;家禽;健康管理系統(tǒng)

中圖分類號：S126文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2019）07-0152-04

隨著信息技術和計算機科學的發(fā)展，人工智能被越來越多地應用到各個行業(yè)，家禽養(yǎng)殖業(yè)也已步入了人工智能的新時代。智能機器人作為人工智能領域的分支之一，在我國畜牧產(chǎn)業(yè)中應用較多，例如：乳業(yè)中應用的“利拉伐”全自動擠奶機器人[1]，羊業(yè)中的“魔法”剪毛機器人[2]，畜禽場應用的智能消毒機器人[3]，牛、羊牧場中跟蹤監(jiān)控的視覺機器人[4]，豬、羊、禽等肉類屠宰機器人[2]等。近年來家禽業(yè)關于智能機器人的研究報道也越來越多，如農(nóng)場機器人和自動化公司（Farm Robotics and Automation SL）研發(fā)的機器人，安裝在禽舍天花板上，攜帶傳感器，可以實時監(jiān)測禽舍和家禽的情況[5];何林飛[6]研發(fā)的禽蛋撿拾并聯(lián)機器人，可實現(xiàn)禽蛋從傳送帶到裝盤的自動化過程。將家禽的傳統(tǒng)養(yǎng)殖與人工智能技術融合發(fā)展，實現(xiàn)家禽生產(chǎn)管理的智能化、無人化和高效化，是新時代家禽業(yè)發(fā)展的需要。

目前家禽養(yǎng)殖呈現(xiàn)高度集約化、規(guī)模化，飼養(yǎng)方式多為階梯式或H型籠養(yǎng)，籠層可高達5層以上，單位面積飼養(yǎng)密度大幅提高的同時，也給人工管理帶來了諸多不便。如在日常管理中，需對逐層、逐個雞籠的雞群進行巡視，以了解雞群動態(tài)，若雞籠超過4層，則巡視時費時費力，極易使人產(chǎn)生疲勞感和厭煩情緒，影響對雞群動態(tài)的關注度?；诖?，我們設計了一款智能巡檢機器人，不僅可以在禽舍內沿規(guī)劃路徑自主行走，自動升降，實現(xiàn)多點線式監(jiān)測和巡回式多層監(jiān)測，而且搭載多項監(jiān)測模塊，可實時監(jiān)測雞舍內溫濕度、光照、有害氣體濃度等環(huán)境指標以及家禽的體溫、聲音、行為動態(tài)，并能將所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息無線傳輸至服務器監(jiān)控平臺，利用家禽健康管理功能軟件進行分析、判別，及時發(fā)現(xiàn)家禽的異常情況和疫病兆頭，盡早處置和采取防范措施，避免疾病的發(fā)生和大面積傳播，更好地實現(xiàn)家禽健康管理和高效安全生產(chǎn)。

1 智能巡檢機器人的設計

我們基于功能符合實際生產(chǎn)需求、結構科學合理、尺寸和體積適宜標準雞舍的原則，綜合考慮標準化雞舍縱向籠列的水平間距（或籠具至墻面水平間距）、照明燈具高度及其他可能影響到機器人運行的因素，設計了一款智能巡檢機器人（圖1）。該機器人的長、寬、高分別為90、72、160 cm，主要分為智能巡航模塊、自適應升降模塊、信息采集與傳輸模塊三部分，可代替人工對雞舍進行自動巡視。

1.1 智能巡航模塊

包括驅動系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、慣性導航模塊等，可實現(xiàn)機器人自主移動、自動避障、自行回歸充電等基本功能。

1.2 自適應升降模塊

包括升降支架、升降動力系統(tǒng)、承載平臺等，可調控信息采集模塊的升降，實現(xiàn)多層雞籠的高效巡視。

1.3 信息采集與傳輸模塊

包括各環(huán)境參數(shù)傳感器、紅外線熱成像儀、拾音器、高清廣角攝像頭和全向無線網(wǎng)橋傳輸模塊等，可實現(xiàn)雞群體溫、聲音、動態(tài)及環(huán)境指標的實時采集與傳輸。

2 智能巡檢機器人基本功能的實現(xiàn)

2.1 自主移動與導航定位

巡檢機器人的自主移動和定位依靠慣性導航系統(tǒng)來實現(xiàn)。該系統(tǒng)是一種自主式導航系統(tǒng)，利用慣性元件（加速度計）測量機器人的加速度，經(jīng)積分和運算獲取速度和位置，從而達到對機器人導航定位的目的[7]。主要涉及地圖、路徑規(guī)劃和定位，地圖是映射巡檢機器人運行環(huán)境的模型，是巡檢機器人路徑規(guī)劃的平臺;路徑規(guī)劃是指巡檢機器人按照某一性能指標，在地圖中搜尋一條從起始狀態(tài)到目標狀態(tài)的最優(yōu)無碰路徑;而定位是確定巡檢機器人在運行環(huán)境中相對于全局坐標的位置及其本身的姿態(tài)，是保障巡檢機器人導航質量的基本環(huán)節(jié)[8]。

2.2 自動避障

采用激光雷達避障系統(tǒng)實現(xiàn)巡檢機器人行進中自動避障。機器人利用激光雷達精準判斷和測距前方和周邊的障礙物，在與障礙物間隔一定距離時自動停止，并修正方向躲避障礙物繼續(xù)前行。

2.3 智能升降

升降平臺采用剪叉式機械結構，在動力驅使下可攜帶所有監(jiān)測設備進行垂直方向的升降運動。當檢測完一層雞籠后，機器人原路返回，同時檢測平臺自動上升或下降至一定高度，從而實現(xiàn)對不同層次雞籠的監(jiān)測。

2.4 自主回歸充電

巡檢機器人可進行動力電源的自檢，當檢測到自身電量不足時，可根據(jù)電磁定位引導控制算法自動返回充電站充電。充電站利用紅外引導校準方式，實現(xiàn)機器人與充電站的準確對接。

3 家禽健康管理功能的實現(xiàn)

3.1 舍內環(huán)境智能監(jiān)控

舍內環(huán)境監(jiān)控是家禽飼養(yǎng)過程中極為重要的一個環(huán)節(jié)，一般通過設置固定監(jiān)測點進行。但由于固定監(jiān)測布點太少，且僅監(jiān)測溫濕度，不能全面、精準地反映整棟禽舍環(huán)境及空氣中有害物質的狀況。而巡檢機器人搭載的環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，可通過傳感器實時監(jiān)測舍內溫度、濕度及空氣中氨氣、粉塵、二氧化碳等有害物質濃度，并可將采集的數(shù)據(jù)無線傳輸至服務器監(jiān)控平臺，利用平臺的專業(yè)化智能處理系統(tǒng)對海量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析，當某項指標超出預設的閾值范圍時，系統(tǒng)就會進行異常報警，并向現(xiàn)場的環(huán)控器發(fā)送調控指令，啟動相關環(huán)控設備，實現(xiàn)遠程控制。

3.2 家禽體溫異常檢測

雞屬于恒溫動物，通常體溫穩(wěn)定在41℃左右，當患急性傳染病時體溫會急劇升高，而患營養(yǎng)缺乏病和部分中毒病則會導致體溫下降[9]。因而，體溫高低是鑒別家禽患病與否的重要癥狀之一。巡檢機器人搭載的體溫檢測儀是利用紅外熱成像原理，即利用光學成像物鏡接收被測家禽的紅外輻射，將能量分布反映到紅外探測器的光敏元件上，生成紅外熱像圖[10]，并轉換成溫度數(shù)值，從而實現(xiàn)非接觸性精準測溫。個體病理狀態(tài)下測得的紅外熱像圖譜與正常健康狀態(tài)下的紅外熱像圖譜不同，特別是頭部和腿/足部表面溫度存在較大差異[11]，通過比對和分析兩種狀態(tài)下不同體表區(qū)域的溫度，可初步判定是否為病理性發(fā)燒。

3.3 家禽聲音監(jiān)聽

聲音監(jiān)聽技術是現(xiàn)代家禽健康管理的一項重要新技術。通過監(jiān)聽家禽呼吸道發(fā)出的特征性聲音判斷家禽是否患病。通常來說，禽舍內會有各種各樣嘈雜的聲音，但在家禽患有呼吸道疾病時，會發(fā)出特征性聲音，如打噴嚏、咳嗽、喘鳴、呼吸羅音等。利用拾音器采集禽舍內的音頻，上傳至服務器監(jiān)控平臺，然后利用家禽聲譜分析技術對大量聲譜圖進行智能化分析和辨別，捕捉呼吸系統(tǒng)所發(fā)出的異常音頻，及時發(fā)現(xiàn)家禽異常。聲音監(jiān)聽效果易受到環(huán)境噪音的影響，如在音頻采集過程中不可避免地受到舍內風機噪聲的干擾，從而降低識別的準確率[12]。因此，最好選在夜晚安靜時監(jiān)聽，準確率更高，效果更好。

3.4 家禽行為監(jiān)視

行為監(jiān)視技術是目前比較容易做到的健康管理技術。利用高清數(shù)碼攝像機，實時采集家禽的各種行為動態(tài)視頻圖像，通過無線通信模塊傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺進行分析判別[10]。監(jiān)控平臺嵌入了家禽行為圖像識別系統(tǒng)，預置大量禽只正常生理活動如站立、靜臥、采食、飲水、產(chǎn)蛋等表現(xiàn)時的各式各樣行為動態(tài)圖像，特別是啄羽（啄肛）、扭頸、吊頸、頭部痘痂、足部發(fā)炎、外傷出血等異常圖像。將現(xiàn)場采集的視頻信息自動與之識別，判定家禽行為是否正常，及時捕捉反常行為動態(tài)和意外情況。

3.5 病死禽定位

通過巡檢機器人監(jiān)測到的某區(qū)域籠具內家禽個體體溫升高或捕捉到的一定范圍內家禽聲譜或行為圖像異常，監(jiān)控平臺可以第一時間對異常情況進行區(qū)域鎖定，便于人工及時采取處置措施。

4 數(shù)據(jù)信息的傳輸與分析處理

巡檢機器人監(jiān)測到的環(huán)境指標數(shù)據(jù)、紅外熱像圖、音頻、視頻圖像等信息，均通過通信鏈無線輸出，傳至異地服務器監(jiān)控終端。通信鏈路設計采用2.4/5.8 G無線通信，帶寬150 M，可實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)和圖像的即時、穩(wěn)定傳輸。

服務器監(jiān)控終端接收并存儲傳來的各路數(shù)據(jù)信息，利用環(huán)境監(jiān)控軟件及家禽體溫、聲音和行為專業(yè)處理軟件對數(shù)據(jù)信息進行智能化分析，最終形成決策和預警，如在發(fā)現(xiàn)信息異常情況下啟動報警程序;實現(xiàn)數(shù)據(jù)、圖像實時監(jiān)控和歷史查詢;實現(xiàn)機器人運動姿態(tài)控制、運行軌跡查詢、機器人參數(shù)設定及通信控制等。

5 智能巡檢機器人的應用場景

主要應用于家禽籠養(yǎng)模式，包括階梯式籠養(yǎng)、H型籠養(yǎng)或本交籠養(yǎng)，且舍內的籠具、籠具之間地面水平間距、設施設備等固定不變，地面為水泥硬化平整地面，以保證智能巡檢機器人在舍內具有固定的、相對簡單的應用場景。在激光雷達和慣性導航的支持下，智能巡檢機器人可在禽舍內設計規(guī)劃路徑，并按規(guī)劃路徑自主行走、避障和拐彎，實現(xiàn)橫向逐籠巡檢，同時通過智能升降模塊實現(xiàn)縱向逐層巡檢，使禽舍巡檢不留任何死角。也可對舍內局部位置進行重點監(jiān)測，如監(jiān)聽到雞只有喘鳴異常音，可對疑似發(fā)聲的區(qū)域進行重點監(jiān)聽，最終辨別定位。

6 討論與結論

智能巡檢機器人嫁接家禽健康管理新技術是家禽飼養(yǎng)管理的重大創(chuàng)新，是現(xiàn)代人工智能技術在家禽養(yǎng)殖業(yè)中的具體應用。近年來，在國家層面大力倡導“智能+”的背景下，要高度重視人工智能與傳統(tǒng)家禽業(yè)的融合發(fā)展，深入研究人工智能技術在家禽生產(chǎn)各個方面的應用，用新一代信息技術促進我國智能化家禽業(yè)的實現(xiàn)。

應用基于智能巡檢機器人的家禽健康管理系統(tǒng)，不僅可以代替人工日常繁重的巡視，使健康巡視智能化，而且可實現(xiàn)大環(huán)境到個體體溫、聲音和動態(tài)的檢測和監(jiān)控，能及時發(fā)現(xiàn)異常情況和疾病趨勢，防患未然。但有的健康管理技術如家禽體溫檢測技術、家禽聲音監(jiān)聽技術還不夠成熟，技術上有一定的難度，有待進一步研究和優(yōu)化。

目前的智能巡檢機器人受功能需求和工藝材質的影響，外型比較粗獷，體積大、質量重，今后還需結合實際應用效果進一步調整優(yōu)化，以實現(xiàn)其可加工復制和商品化。

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