农业养殖机器人的环境感知与自主导航技术研究

农业养殖机器人的环境感知与自主导航技术研究

李爱萍、孙自忠、张丁墁

杭州绿立农牧科技有限公司

摘要：随着社会的发展，科技不断进步，物联网技术在农业、养殖业等领域逐渐应用，衍生出农业物联网概念。农业物联网是指通过各种传感器来获取养殖业、种植业及农产品等方面的信息，并将获取的信息通过无线通信手段传输到应用端，对信息进行整合和展示，达到远程监控的目的，实现农业生产过程的智能化，同时有效提高生产效率和产品质量。目前多数养殖场中的环境检测大多是通过人工巡视方式进行，对环境的管控不够准确及时，为改善养殖环境，设计了基于物联网的养殖环境监测系统，以优化养殖环境，促进畜禽生长，通过物联网技术与养殖业的结合，实现养殖的智能化、精准化。农业养殖机器人作为这一变革的核心，其环境感知与自主导航技术显得尤为关键。本文将从多个方面对农业养殖机器人的环境感知与自主导航技术进行深入探究。

关键词：农业养殖机器人；环境感知；自主导航；技术研究

引言

农业养殖机器人是一种在农业养殖领域应用的机器人技术。它们被设计用来执行各种养殖任务，如喂食、清洁、监控动物的健康状况以及执行其他日常养殖任务。这些机器人通常配备了传感器、图像识别技术和其他先进设备，以实现对养殖环境的精确监测和控制。

1 农业养殖机器人在养殖产业中的应用意义

1.1提高生产效率

农业养殖机器人的应用能够帮助养殖户降低劳动成本，提高生产效率。这主要体现在两方面，一是减少人工作业，二是降低饲养管理成本。在使用养殖机器人之后，养殖场的管理人员可以通过网络远程控制设备的运行，不需要进行实地操作。养殖管理人员可以通过监控屏幕，及时了解畜禽的活动情况和生长状态。如果发现畜禽出现异常情况，比如体温过高、精神萎靡等现象，管理人员可以立即对畜禽进行处理。这样不仅可以提升养殖场的生产效率，同时也减少了人工操作的次数，降低养殖管理人员的劳动强度。

1.2节约养殖成本

随着我国畜禽养殖产业的快速发展，养殖成本过高成为制约我国畜禽养殖产业发展的关键因素。因此，在当前畜禽养殖产业发展的新时期背景下，通过引入养殖机器人来提升畜禽养殖产业的现代化水平，已成为畜禽养殖产业发展的必然趋势。通过养殖机器人的应用，能够显著提高畜禽养殖产业的工作效率，并节约大量人力成本，有效提升养殖效益。

1.3促进养殖标准化

从本质上来看，农业养殖机器人的应用与发展，将会带动我国畜禽养殖产业的整体发展，从而进一步促进畜禽养殖产业的标准化和规模化发展。尤其在当前互联网技术飞速发展的背景下，运用养殖机器人来规范养殖行为、提高养殖水平、降低养殖风险，可以实现对畜禽养殖产业的标准化管理，使我国畜禽养殖产业健康稳定发展。农业养殖机器人在畜禽养殖中的应用与推广，还将会对我国畜禽养殖产业的品牌化、标准化和产业化发展起到促进作用。

1.4提升疾病防控水平

畜禽疾病的防控工作是目前畜禽养殖产业发展的主要工作内容，由于传统畜禽养殖产业的疫病防控水平不高，导致畜禽疾病的防控效果不理想。在当前农业养殖机器人广泛应用的情况下，对畜禽疾病防控水平的提升具有重要意义。通过对养殖机器人的应用，能够有效提升畜禽养殖产业中疾病防控水平。养殖机器人可以对畜禽养殖产业中疾病进行精准监测，一旦发现疾病发生，可以立即报警并发出预警信息，同时养殖机器人还可以及时向养殖场户发送畜禽病死的相关信息。

2农业养殖机器人面临的问题

2.1研发成本高、技术稳定性差

农业养殖机器人的研发涉及多个学科领域，包括机械工程、电子工程、计算机科学、生物学等。这种跨学科的研发工作，需要大量的人力、物力和财力投入。此外，由于农业养殖机器人的定制化需求较高，每个应用场最可能都需要进行特定的设计和优化，这也增加了研发成本。

农业养殖机器人需要适应复杂多变的养殖环境，这对机器人的技术稳定性提出了很高的要求。然而，目前许多农业养殖机器人的技术尚不成熟，容易出现各种故障，影响了其在实际应用中的效果。

智能化是农业养殖机器人发展的重要方向，但目前许多农业养殖机器人的智能化程度还不够高，无法实现自主决策、自主学习等功能。这限制了农业养殖机器人在提高养殖效率、降低成本等方面的作用。

2.2社会接受度低、环境适应性不足

农业养殖机器人作为新生事物，公众对其了解较少，加上部分人对其可能带来的就业影响表示担忧，导致社会接受度较低。这在一定程度上限制了农业养殖机器人的推广和应用。

农业养殖机器人的应用环境多样且复杂，包括不同的气候、地形和养殖方式等。目前许多农业养殖机器人在环境适应性方面还存在不足无法很好地适应各种应用场景。

3系统需求分析

3.1环境因素

环境感知技术是农业养殖机器人能够获取养殖环境信息的关键手段。通过激光雷达、摄像头、红外传感器等多种传感器，机器人能够实现对养殖环境的多维度感知，包括温度、湿度、光照、空气质量等关键指标。这些信息的获取为机器人的自主导航和决策提供了重要依据。

（1）温度

温度是畜禽环境中最重要的因素之一，对其健康和生产性能有着重要影响。适宜的养殖温度可以促进其生长发育，提高畜禽的产量和品质。过高或过低的温度都会对猪的健康状况和生产性能产生负面影响，包括生长速度缓慢、消耗能量增加、食欲减退和患肠胃疾病等问题。因此，养殖环境中的温度监测及调控对畜禽的生长发育非常重要。

（2）湿度

湿度是指在一个确定温度下，舍内单位体积空气中水汽成分的含量。湿度主要由畜禽饮水、排泄物蒸发和外界空气所含水汽组成，与温度协同作用，影响畜禽的散热能力。湿度会影响畜禽体表的水分蒸发和体热调节，在高温环境下，湿度过高会导致微生物繁殖，增加畜禽患病风险；当温度过低时，高湿度会使得畜禽体感温度降低，其消化食物产生的热量将更多地用来维持体温，食物转化率和利用率降低，导致畜禽生长缓慢。因此，需要严格控制温度和湿度，以保障畜禽的健康、快速生长。

（3）光照强度

光照强度影响畜禽的生物钟、视觉能力、免疫力和行动能力等。适宜的光照强度可以提高畜禽的视觉敏感度和增强其免疫力，降低畜禽的压力和焦虑感，提高畜禽的舒适感和生活质量，进而影响畜禽的肉质。另外，适当延长光照时间可以提高畜禽生长后期的采食量和日增重，促进肌肉与脂肪的沉积。光照时长与天气、季节变化关联较大，监测光照强度和自动控制补光能够促进畜禽快速生长，缩短喂养周期。

3.2功能需求

养殖环境监测系统功能需求主要包括3个部分：一是数据采集模块，通过传感器实时或定时采集猪舍环境信息；二是数据处理模块，选用单片机作为主控模块，处理和判断采集到的数据信息，并输出相应的控制信号，对畜禽舍环境进行调控或预警等；三是远程监测模块，将采集到的数据信息进行处理后通过无线通信技术传输到云平台，实现监测数据的可视化展示、历史数据的查看等功能。

4环境感知措施

4.1温度控制

育雏期的畜禽本身不具备良好的环境适应能力，免疫系统正处在逐步完善的阶段，如果在养殖场内部管理方面存在问题便会引发畜禽大面积患病甚至发生死亡的现象。一旦养殖场内温度失衡便会导致大量畜禽患病，需要养殖场管理人员依照畜禽生长需求来调整温度管控方案。想要对种畜禽育雏期的温度进行良好地调控，就需要对育雏舍的温度进行重视。一般是在进雏后的1～3d时，要将温度保持在32～34℃，到4～7d的时候要将温度保持在30～31℃，从第2天开始，每周的温度要下降2～3℃，最后要将温度维持在18～21℃的范围当中。在对育雏室的温度进行测定的时候，要对温度计的放置高度进行重视，同时还要保证热源距离的适中。对于经验丰富的饲养员来说，还需要对畜禽的日常行为进行关注，将其作为依据来对温度进行灵活地调控。总体来说，温度调节的原则就是畜禽分布均匀且活动自如。

4.2湿度调控

畜禽在生长当中会受到养殖场内部湿度管控成效的影响而产生个体发育上的差异，如果养殖场内湿度过高则会诱发室温管控失衡等情况，容易出现垫料霉变的现象。养殖场内如果存在湿度不达标的问题，则会使得畜禽出现皮肤干燥开裂等问题，进而降低畜禽的生长成效。一般来说，在进雏的第1～8天，需要将育雏室的湿度控制在60%～65%的范围当中。在育雏的第1周，整体的环境都相对比较干燥，鸡舍内的温度也比较高，因此湿度不能处在过低的状态中，不然很容易导致畜禽脱水死亡的现象。

4.3合理光照

畜禽自身的生长成效本身会受到阳光照射的影响，如果在育雏阶段养殖场内光照条件不达标，则会在引发畜禽骨质疏松的同时降低畜禽的生长速度。在另一方面，光照时间过长会导致畜禽发育过快，降低畜禽的繁育能力。畜禽在出生3d内要保持全天光照，之后随着畜禽日龄的增加而逐步减少光照量。光照强度过高还会引发畜禽的各类自残行为，会给生长造成不利的影响，一般来说在第1周时需要让畜禽熟悉环境，可以采用较强的光照，之后最好是采用弱光照射。

4.4智能化通风

在现代化的养殖场，智能化通风和智能化饲喂的应用均相对较早，大部分养殖场都可以实现智能化的控制，例如冬天通风、夏天通风以及过渡通风（从寒冷向温和季节）。以往的设计是级别性的控制，养殖场温度超过设定的目标温度之后按照级别控制，可能启动一台风机，如果不够，再启动一台风机，这种控制叫“跳跃式的控制”。现在则更加人性化，叫“曲线形控制”，养殖场的温度是曲线形的变化，非跳跃性的变化。曲线形的通风方式可以大大减少畜禽的应激，实现节省水电费用，减少粪污处理的难度，监控室内的NH3（氨气）、CO2（二氧化碳）含量，并自动调节。智能化通风系统可以监测每台通风设备的运行情况和能耗，对设备运行过程中可能出现的故障进行提前预判，及时做出预警。还可以在云平台的环境控制页面查看各养殖舍、单元下的设备运行信息，例如温度异常、设备异常等情况，也能实时展示。

4.5环境监测

养殖产业在实际发展过程中，对养殖环境的要求较高。由于该行业在养殖过程中使用的多为密闭式养殖舍，这就需要对舍内的空气质量进行实时监测，从而保证空气质量符合标准。而对于这种环境监测系统，可由多个环境监测传感器组成，通过多种传感器对养殖舍空气质量进行实时监测。同时，在进行环境监测系统的设计时，可根据实际情况进行设计，并将多个传感器安装于养殖舍内部的不同位置。对于养殖产业而言，由于该行业在发展过程中对生长环境提出了较高要求，因此在实际运行过程中，养殖人员需加强对养殖产业内部环境的管理力度。一是进行科学饲养管理。二是做好内部消毒工作。在进行养殖产业内部环境监测系统设计时，需做好消毒工作。在此过程中，需通过合理地利用智能消毒设备来提升消毒工作的效率和质量。三是定期进行饲料检测。在对养殖产业进行环境监测过程中，需定期对饲料进行检测。通过这种方式能够保证养殖产业在生产过程中使用到的饲料符合标准要求。

4.6巡检机器人

目前巡检机器人在养殖场使用并不普遍，它是通过机器设备替代人工对畜禽进行管理，可以通过畜禽声音判断畜禽的意外情况（生病、打斗、挤压等）；监测其他设备的运行情况；监测包括温湿度、气味、NH3、硫化氢（H2S）等环境指标；观察畜禽活动的情况等。该设备某些功能的发挥需要更多的数据进入，因此采用这种设备需要更多、更大的群体，能够输入更多的数据，采集更多的信息，才能发挥更大的效能。养殖机器人是一个基础层，一个真正的智能化养殖场必须对单一的养殖机器人进行互联网对接，通过云平台进行管理，才能实时监控和统计养殖场的具体生产情况。

4.7自主导航技术

导航定位技术是农业养殖机器人实现精准定位和自主移动的基础。巡检机器人需要精准定位到自身位置，再以目标点为靶向进行导航完成任务作业。目前在畜牧机器人领域，定位与导航的实现通常运用激光导航、磁条导航以及多传感器融合等方法。激光导航即利用激光雷达，实时测量机器人自身与周围环境之间的距离关系，并通过激光SLAM技术生成其所在地图，从而实现导航目的。磁条导航是通过测量路径上的磁场信号来获取车辆自身相对于目标跟踪路径之间的位置偏差，从而实现车辆的控制与导航。多传感器融合则是选择一种或多种传感器相互配合，再搭配IMU、轮式里程计等辅助设备，增强定位与导航精度，从而实现导航目的。

通过这些技术，机器人能够在养殖环境中实现精准定位，并根据需要自主移动到指定位置。

4.8 自主决策与控制

自主决策与控制技术使农业养殖机器人能够根据环境感知信息自主做出决策，并控制自身行为。机器人通过内置算法对感知到的环境信息进行分析处理，判断当前环境下应采取的行为，如饲喂、清洁、巡检等，并自主执行相应任务。

4.9 路径规划与避障

路径规划与避障技术是实现农业养殖机器人自主导航的重要组成部分。机器人通过预先设定的路径或实时感知到的环境信息规划出最佳路径，并在移动过程中通过传感器实时检测障碍物，实现自动避障，确保安全。

4.10数据处理与分析

数据处理与分析技术是农业养殖机器人智能化、精细化的关键。机器人通过收集大量环境感知数据，运用数据分析方法，挖掘养殖环境中隐藏的规律和趋势，为养殖管理提供科学依据。

4.11精准饲喂与作业

精准饲喂与作业是农业养殖机器人实现精准农业管理的重要手段。通过环境感知技术和数据处理技术的结合，机器人能够实现对养殖动物个体的精准识别、饲喂量计算与投放，提高饲喂效率和养殖效益。

4.12异常行为识别

异常行为识别技术是农业养殖机器人实现智能监控和预警的关键。通过对养殖动物的行为进行实时监控和分析，机器人能够及时发现异常行为，如疾病、应激等，并及时采取相应措施，减少养殖损失。

4.13系统集成与优化

系统集成与优化是实现农业养殖机器人整体性能提升的关键环节。通过将各个技术模块进行有效集成，并进行持续优化和改进，能够提高机器人的工作效率、稳定性和可靠性，为农业养殖业的可持续发展提供有力支持。

结语

随着规模化养殖的逐渐普及，养殖场内畜禽数量众多，养殖人员的工作量巨大，且养殖过程烦琐，若不能及时监测养殖环境的异常情况，将导致畜禽生长受到影响。基于物联网设计了养殖环境监测系统，通过单片机、传感器和无线通信等技术，实现了养殖环境数据的实时采集和远程监控。智能化养殖与传统养殖相比，提高了养殖效率，提升了出栏的质量，减低了患病风险，增加了养殖收益，促进了养殖的智能化发展和传统养殖业的转型。

综上所述，环境感知与自主导航技术在农业养殖机器人中发挥着至关重要的作用。随着技术的不断进步和应用场景的不断拓展，农业养殖机器人将为实现农业现代化、智能化、绿色化做出重要贡献。

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