家禽設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境中AGV導(dǎo)航方式研究進(jìn)展

摘 要：家禽設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境中自動(dòng)導(dǎo)向車（Automated Guided Vehicle，AGV）的發(fā)展成為養(yǎng)殖智能化的關(guān)鍵，通過AGV搭載相關(guān)的檢測(cè)器件可以對(duì)家禽養(yǎng)殖設(shè)施內(nèi)部進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)和生物體征識(shí)別等相關(guān)操作，極大降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高養(yǎng)殖智能化水平。本文通過對(duì)現(xiàn)有設(shè)施養(yǎng)殖AGV導(dǎo)航方式進(jìn)行總結(jié)分析并結(jié)合現(xiàn)有室內(nèi)導(dǎo)航先進(jìn)方法，將可應(yīng)用于家禽養(yǎng)殖環(huán)境中AGV導(dǎo)航方式分為固定軌跡式、室內(nèi)基站式和即時(shí)定位與地圖構(gòu)建式，并對(duì)其進(jìn)行分類闡述，以期為家禽養(yǎng)殖環(huán)境中AGV導(dǎo)航定位的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：設(shè)施養(yǎng)殖；AGV；智能化；導(dǎo)航定位

基金項(xiàng)目：山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程（CXGC2024A08；CXGC2024D11）

第一作者：李浩（1996—），男，主要從事智能農(nóng)業(yè)裝備研究，E-mail：lwlh1115@sina.com

通信作者：殷若新（1977—），男，副研究員，主要從事智慧養(yǎng)殖與環(huán)境控制研究，E-mail：272877931@qq.com

收稿日期：2024-01-17

中圖分類號(hào)：S818 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-1085（2024）09-0040-05

設(shè)施養(yǎng)殖作為一種環(huán)境可控、單位面積產(chǎn)出率高、高效集約化的生產(chǎn)方式，近年來，在我國迅速發(fā)展[1]。

家禽養(yǎng)殖行業(yè)作為設(shè)施養(yǎng)殖中占比較大的行業(yè)，隨著家禽養(yǎng)殖規(guī)?；陌l(fā)展，設(shè)施養(yǎng)殖單體規(guī)模逐漸增大，設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)和家禽個(gè)體健康巡檢成為一個(gè)難點(diǎn)，傳統(tǒng)人工巡檢作業(yè)方式勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低且存在疫病防控風(fēng)險(xiǎn)[2-3]。因此，隨著養(yǎng)殖裝備的進(jìn)步和人工成本的日益攀升，借助自動(dòng)導(dǎo)向車（Automated Guided Vehicle，AGV）平臺(tái)進(jìn)行家禽設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境內(nèi)部巡檢成為發(fā)展趨勢(shì)，AGV平臺(tái)因具有擴(kuò)展性強(qiáng)、承載力高、運(yùn)行距離長等優(yōu)點(diǎn)成為家禽設(shè)施養(yǎng)殖規(guī)模化環(huán)境下解決環(huán)境監(jiān)測(cè)和家禽健康巡檢的最優(yōu)解決方案。AGV平臺(tái)與普通運(yùn)載平臺(tái)相比優(yōu)勢(shì)主要在于其自主導(dǎo)航定位系統(tǒng)。設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境內(nèi)導(dǎo)航定位有別于室外導(dǎo)航定位，由于家禽養(yǎng)殖設(shè)施外部金屬桁架對(duì)信號(hào)的屏蔽作用，傳統(tǒng)的GPS和通信基站定位等室外定位方式顯然不能應(yīng)用于設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境內(nèi)部AGV導(dǎo)航定位。因此，研究適合家禽設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境中AGV導(dǎo)航定位方式對(duì)家禽智能化養(yǎng)殖裝備的發(fā)展具有重要的意義。本文分類綜述了現(xiàn)有室內(nèi)導(dǎo)航定位方式以及現(xiàn)階段已應(yīng)用于家禽設(shè)施養(yǎng)殖內(nèi)部的導(dǎo)航定位方式，以期為后續(xù)發(fā)展提供技術(shù)路線參考。

1 固定軌跡式

固定軌跡式導(dǎo)航定位方法主要通過在AGV運(yùn)行路徑的地面或者空中搭建固定式的導(dǎo)引裝置以此來控制AGV的運(yùn)行路線，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、技術(shù)要求較低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)有的固定軌跡式導(dǎo)航定位方法基本可以分為軌道式和循跡式。

1.1 軌道式

軌道式導(dǎo)航方式是指AGV平臺(tái)運(yùn)行在固定軌道之上，沿著軌道進(jìn)行運(yùn)動(dòng)作業(yè)，常用軌道式導(dǎo)航方式主要分為懸掛式和地面式[4]。因其穩(wěn)定性高、導(dǎo)航定位難度低，在設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境中得到了較大規(guī)模的應(yīng)用。

在懸掛式導(dǎo)軌研究方面，楊存志等[5]設(shè)計(jì)研制的設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境下奶牛精準(zhǔn)飼喂機(jī)器人，采用環(huán)形懸掛式的軌道作為AGV平臺(tái)導(dǎo)航定位方式，極大地簡化了導(dǎo)航定位的難度，行走機(jī)構(gòu)懸掛在軌道上，驅(qū)動(dòng)AGV平臺(tái)沿著軌道進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，編碼器記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)AGV平臺(tái)實(shí)時(shí)運(yùn)行位置進(jìn)行定位。胥若愚[6]設(shè)計(jì)研制的養(yǎng)殖場軌道式巡檢機(jī)器人，采用懸掛式軌道作為導(dǎo)航定位方式，建立了基于軌道式導(dǎo)航定位的機(jī)器人D-H模型，并設(shè)計(jì)了一種設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境下的軌道式巡檢方案。經(jīng)過系統(tǒng)仿真與算法優(yōu)化，采用“S”型加減速曲線進(jìn)行控制，使巡檢機(jī)器人的運(yùn)功控制更加穩(wěn)定平順。

在地面式導(dǎo)軌研究方面，王子懿[7]設(shè)計(jì)的3-UPU軌道式擠奶機(jī)器人，利用TRIZ創(chuàng)新理論設(shè)計(jì)了地面軌道式AGV平臺(tái)，運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)仿真，建立軌道耦合模型。該設(shè)計(jì)具有較高的導(dǎo)航定位精度，極大提高了設(shè)施養(yǎng)殖中作業(yè)裝備的作業(yè)精準(zhǔn)度。

1.2 循跡式

循跡式導(dǎo)航定位主要采用磁信號(hào)或者地面標(biāo)志物的形式。磁信號(hào)導(dǎo)航定位多通過在地面安裝磁釘、磁條或者布設(shè)漆包線連接定頻電流等方式來產(chǎn)生磁信號(hào)，通過AGV平臺(tái)攜帶的電磁傳感器和里程計(jì)進(jìn)行導(dǎo)航定位。地面標(biāo)志物導(dǎo)航定位主要利用機(jī)器視覺進(jìn)行地面紋理分析和標(biāo)志物識(shí)別進(jìn)行路徑導(dǎo)航與實(shí)時(shí)定位。循跡式相較于軌道式具有布設(shè)成本、靈活性高、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，已逐漸成為設(shè)施環(huán)境內(nèi)部較為流行的導(dǎo)航定位方式。

在電磁導(dǎo)航研究方面，朱文龍[8]設(shè)計(jì)的基于電磁導(dǎo)航定位的移動(dòng)式智能養(yǎng)殖系統(tǒng)，采用電磁導(dǎo)線作為AGV平臺(tái)的路徑識(shí)別方式，運(yùn)用PID控制算法進(jìn)行車輛精準(zhǔn)導(dǎo)航，光電編碼器為AGV平臺(tái)提供精準(zhǔn)定位，通過AGV平臺(tái)搭載的數(shù)據(jù)采集裝置可對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，便于養(yǎng)殖人員對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)管，極大地降低了養(yǎng)殖人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

在地面標(biāo)志物導(dǎo)航定位研究方面，王紅君等[9]采用圖像處理技術(shù)對(duì)溫室環(huán)境中可通行路徑進(jìn)行特征識(shí)別與提取，為AGV平臺(tái)提供導(dǎo)航信息。將環(huán)境照片采集后，利用RGB和HIS兩個(gè)色彩空間對(duì)圖像進(jìn)行不同色彩分量處理并依次進(jìn)行比對(duì)，最終對(duì)H分量用OTSU法進(jìn)行分割處理，可以在排除光照干擾的情況下較好地識(shí)別出作物與通行路徑，同時(shí)利用Hough變換對(duì)可通行路徑中的導(dǎo)航線進(jìn)行提取，為AGV平臺(tái)提供導(dǎo)航定位。李天華等[10]針對(duì)拱棚溫室導(dǎo)航過程中干擾物對(duì)AGV平臺(tái)導(dǎo)航精度的影響，利用通行路徑盡頭橫向中心點(diǎn)作為導(dǎo)航信息標(biāo)點(diǎn)，在導(dǎo)航過程中，攝像頭視軸始終與可通行路徑平行，利用色度法對(duì)環(huán)境因素進(jìn)行處理，計(jì)算導(dǎo)航信息標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)從而得到AGV平臺(tái)的位姿以便于及時(shí)調(diào)整。通過建模仿真并進(jìn)行試驗(yàn)，該方式可以顯著提高導(dǎo)航精度。

2 基站式

基站式導(dǎo)航定位方式類似于傳統(tǒng)的室外GPS與通信基站導(dǎo)航定位，通過在室內(nèi)搭建固定式的信號(hào)收發(fā)基站，利用AGV平臺(tái)自身所攜帶的信號(hào)收發(fā)器進(jìn)行信號(hào)交換，通過計(jì)算與不同室內(nèi)基站信號(hào)接收時(shí)差得到自身所處的實(shí)時(shí)位置，進(jìn)而經(jīng)過運(yùn)算得到運(yùn)行姿態(tài)等信息。根據(jù)室內(nèi)基站技術(shù)的不同可分為超帶寬（Ultra wideband， UWB）、WiFi、藍(lán)牙等方式。

2.1 超寬帶式（UWB）

UWB技術(shù)是一種用帶寬超過500 MHz以上信號(hào)的傳輸信息技術(shù)，具有功率低、速率快、穿透性和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，近年來在室內(nèi)導(dǎo)航定位方面得到較大規(guī)模應(yīng)用[11]。姚立健等[12]創(chuàng)新提出了一種基于UWB的路徑跟蹤方法，通過4個(gè)固定式的信號(hào)收發(fā)基站組建室內(nèi)定位系統(tǒng)，利用加權(quán)最小二乘法極大提高了移動(dòng)標(biāo)簽的定位精度，利用MATLAB進(jìn)行算法仿真并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法可以極大地提高導(dǎo)航定位的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。

2.2 WiFi式

WiFi定位技術(shù)主要利用多個(gè)信號(hào)接入點(diǎn)構(gòu)成WLAN，根據(jù)移動(dòng)終端與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信號(hào)傳輸進(jìn)行終端定位，在室內(nèi)WiFi定位研究方面，成霏雪[13]綜合考量AP數(shù)量對(duì)定位信號(hào)的影響，結(jié)合信息熵和互信息，創(chuàng)新提出了一種AP選擇算法，并引入?yún)^(qū)域生長算法以提高AP在WiFi定位系統(tǒng)中的作用。通過實(shí)驗(yàn)仿真與結(jié)果分析，表明該算法可以極大提高WiFi定位系統(tǒng)中的定位精度并極大地降低數(shù)據(jù)冗余。

2.3 藍(lán)牙式

藍(lán)牙定位主要采用Socket連接，移動(dòng)客戶端向服務(wù)器終端發(fā)送請(qǐng)求并獲得ID，當(dāng)雙方距離滿足通信要求時(shí)，服務(wù)器端即可與移動(dòng)客戶端建立連接完成定位。陳麗敏等[14]針對(duì)傳統(tǒng)室內(nèi)藍(lán)牙應(yīng)用中存在的問題，提出了改進(jìn)型的藍(lán)牙室內(nèi)算法，通過建立模型進(jìn)行軟件仿真并進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)，結(jié)果表明該算法在室內(nèi)定位方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的藍(lán)牙定位算法。魏軍等[15]針對(duì)室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜多變的特征，提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的室內(nèi)藍(lán)牙定位算法，試驗(yàn)結(jié)果表明，在10 m范圍內(nèi)該定位算法具有較好的穩(wěn)定性，并能降低整體誤差。

3 即時(shí)定位與地圖構(gòu)建式

隨著處理器技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)和視覺傳感器所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)可以在AGV平臺(tái)所搭載的卡片式處理器上進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算，因而即時(shí)定位與地圖構(gòu)建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）導(dǎo)航定位方式得以在AGV平臺(tái)大量應(yīng)用。即時(shí)定位與地圖構(gòu)建通過對(duì)所處環(huán)境特征進(jìn)行感知并識(shí)別，從而得到自身所處位置以及導(dǎo)航路線。在設(shè)施環(huán)境中，環(huán)境特征構(gòu)成相對(duì)穩(wěn)定，通過一次全局地圖構(gòu)建即可對(duì)整個(gè)環(huán)境特征進(jìn)行識(shí)別記錄，該方式根據(jù)環(huán)境感知方式的不同，分為激光雷達(dá)式和機(jī)器視覺式。

3.1 激光雷達(dá)式

激光雷達(dá)主要通過向周圍發(fā)射激光束來獲取外界環(huán)境特征，通過檢測(cè)所處環(huán)境特征與全局特征進(jìn)行比對(duì)來進(jìn)行定位與導(dǎo)航。因激光束在平面上的投影點(diǎn)為離散點(diǎn)，因此，對(duì)于面狀特征物體可以進(jìn)行較為準(zhǔn)確的感知，對(duì)于網(wǎng)狀和點(diǎn)狀特征物體的感知準(zhǔn)確度相對(duì)較差。孫阿猛[16]通過對(duì)粒子自調(diào)節(jié)分布方法進(jìn)行改進(jìn)并對(duì)全局和局部路徑規(guī)劃算法進(jìn)行選擇優(yōu)化，并在設(shè)施環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了激光雷達(dá)在設(shè)施環(huán)境中導(dǎo)航定位的可行性。侯加林等[17]采用雙激光雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)，使用cartographer 算法用于整體環(huán)境定位與地圖構(gòu)建，采用Dijkstra算法和動(dòng)態(tài)窗口算法用于全局和局部路徑規(guī)劃，試驗(yàn)結(jié)果表明該導(dǎo)航定位方式具有較小的導(dǎo)航定位偏差，可以滿足設(shè)施環(huán)境中AGV平臺(tái)的導(dǎo)航定位精度要求。

3.2 機(jī)器視覺式

機(jī)器視覺導(dǎo)航主要通過AGV平臺(tái)搭載的攝像頭對(duì)環(huán)境特征進(jìn)行識(shí)別來導(dǎo)航與定位，該方式對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，對(duì)不同特征物體特征均具有較高的識(shí)別準(zhǔn)確度。張善福等[18]針對(duì)室內(nèi)紋理特征稀疏等問題，利用改進(jìn)型LSD算法對(duì)線特征進(jìn)行提取，提出了一種點(diǎn)線特征結(jié)合的視覺SLAM算法，配合慣性測(cè)量模塊可以對(duì)AGV平臺(tái)的位姿進(jìn)行精確估計(jì)，對(duì)比其他公開數(shù)據(jù)，該方法可顯著提高室內(nèi)定位精度。孫新柱等[19]針對(duì)視覺SLAM室內(nèi)定位精度問題，提出一種點(diǎn)線面多重特征的視覺SLAM方法，通過方向引導(dǎo)的方法對(duì)主平面進(jìn)行篩選并與跟蹤平面進(jìn)行比較，以此降低誤差，試驗(yàn)結(jié)果表明該方法較傳統(tǒng)方法誤差可減少近40%，同時(shí)可靠性與穩(wěn)定性具有較大提升。

4 總結(jié)與展望

隨著家禽養(yǎng)殖規(guī)?；约半娮蛹夹g(shù)的發(fā)展，家禽設(shè)施養(yǎng)殖AGV平臺(tái)也逐漸向智能化、無人化方向發(fā)展。綜合現(xiàn)有設(shè)施內(nèi)部導(dǎo)航技術(shù)與家禽設(shè)施養(yǎng)殖內(nèi)部環(huán)境而言，固定軌跡式導(dǎo)航因其導(dǎo)航路徑需提前進(jìn)行布設(shè)，成本較高，同時(shí)由于路徑相對(duì)固定，靈活性較差，對(duì)一些需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的點(diǎn)位無法做到最優(yōu)路線規(guī)劃，影響AGV平臺(tái)運(yùn)行效率，電磁線、磁條等由于金屬導(dǎo)磁原因在靠近雞籠的地方使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)航信號(hào)差等缺點(diǎn)?；臼綄?dǎo)航由于養(yǎng)殖籠具與家禽個(gè)體的遮擋，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)減弱甚至消失，嚴(yán)重影響導(dǎo)航的穩(wěn)定。即時(shí)定位與地圖構(gòu)建導(dǎo)航方式不需要提前布設(shè)導(dǎo)航引導(dǎo)標(biāo)志與基站，靈活性高，可進(jìn)行自主路徑規(guī)劃，運(yùn)行效率高，對(duì)于重點(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位可以優(yōu)化巡檢路徑，進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

綜上所述，在后續(xù)的發(fā)展過程中，應(yīng)重點(diǎn)研發(fā)家禽設(shè)施環(huán)境SLAM導(dǎo)航定位技術(shù)，根據(jù)家禽舍內(nèi)環(huán)境特點(diǎn)，優(yōu)化相關(guān)檢測(cè)參數(shù)，使其可以適用于禽舍場景，以此減少硬件布設(shè)成本，提高禽舍AGV平臺(tái)的智能化水平，減少規(guī)?；u舍巡檢過程中勞動(dòng)力的需求。

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Research Progress of AGV Navigation Mode in Poultry Facility Culture Environment

LI Hao1，2，SUN Kai1，2，SHANG Qinghui1，2 ，LI Liyuan1，ZHANG Yan 3，YIN Ruoxin1，2

[1.Poultry Research Institute of Shandong Academy of Agricultural Sciences，Jinan 250100，China;

2.Shandong Data Open Innovation Application Laboratory（Intelligent breeding），Jinan 250100，China;

3. Zibo Public Resource Trading Center，Zibo 255000，China]

Abstract： The development of AGV in poultry facility culture environment has become the key to intelligent breeding. By carrying relevant detection devices on AGV， environmental monitoring and biological sign identification can be carried out in poultry facility， which greatly reduces the labor intensity and improves the intelligent level of breeding. Based on the summary and analysis of the existing AGV navigation modes in facility farming and the existing advanced indoor navigation methods， this paper divides the AGV navigation modes in poultry farming environment into fixed trajectory mode， indoor base station mode and instant positioning and map construction mode， and expounds them in a classified way， so as to provide reference for the development of AGV navigation and positioning in poultry farming environment.

Keywords： Facility culture; AGV; Intelligence; Navigation and positioning