羊场自动导航喷药机器人设计与实验

• Published in: 智慧农业（中英文） Vol. 6; no. 4; pp. 103 - 115
• Main Authors: 范铭铄, 周平, 李淼, 李华龙, 刘先旺, 麻之润
• Format: Journal Article
• Language: Chinese
• Published: 中国农业科学院农业信息研究所 30.07.2024; 中国科学院合肥物质科学研究院 智能机械研究所,安徽合肥 230031,中国%中国科学院合肥物质科学研究院 智能机械研究所,安徽合肥 230031,中国; 中国科学技术大学 研究生院科学岛分院,安徽合肥 230026,中国
• Subjects: 语义分割; 计算机视觉; 喷药机器人; 中心点计算; 注意力模块; DAENet; 自动导航; centerpoint calculation; spraying robot; semantic segmentation; automatic navigation; attention module; computer vision
• ISSN: 2096-8094
• DOI: 10.12133/j.smartag.SA202312016

[目的/意义]大规模肉羊畜舍人工消毒存在费时费力、覆盖不全和消毒不彻底的问题，为保持畜舍卫生和肉羊健康，本研究提出一种羊场自动导航喷药机器人。[方法]从硬件、语义分割模型和控制算法3个方面设计了自动导航喷药机器人。硬件部分包括履带底盘、摄像头和折叠式喷药装置。语义分割模型部分通过引入压缩通道网络注意力（Squeeze-and-Excitation Network，SENet）和基于场景改进的十字交叉注意力（Criss-Cross Attention，CCA）模块，提出一种双注意力ENet语义分割模型（Double Attention ENet，DAENet）。在控制算法方面，针对机器人在面对岔路时无法控制行进方向的问题，利用模拟真实道路的方法，在羊舍外的道路上绘出车道线，提出了道路中心点识别和车道线中心点识别两种算法来计算机器人行进过程中的导航点。为了实现上述两种算法，使用了两台摄像头并设计了摄像头切换算法，依靠此算法实现两台摄像头的切换，并控制喷药装置的开关；提出了一种偏移量与速度计算算法控制机器人履带左右轮速度，实现对于机器人行走的控制。[结果和讨论]DAENet模型在图像分割任务中的平均交并比（Mean Intersection over Union，mIoU）达到了0.945 3；摄像头切换算法测试结果表明摄像头的切换时间在15 s以内，机器人能正确、快速地带动喷药装置的开关；中心点与偏移量计算算法测试的结果表明，在处理多帧视频流时，算法平均处理一帧图片所用的时间为0.04~0.055 s，帧率为20~24 f/s，满足实际工作的实时性要求；羊场实地的整体测试结果表明，机器人完成了两个羊舍的自动导航和消毒任务，并且未碰撞路边料槽，行进轨迹偏移量未超过0.3 m。在0.2 m/s的行进速度下，药箱里的药液能够满足两个羊舍的消毒任务。机器人处理图像的平均帧率为22.4 f/s，对于信息处理的准确性和实时性能够满足实验指标要求。喷药覆盖圈舍地面超过90%，满足实验指标要求。[结论]本研究提出的羊舍自动导航喷药机器人以语义分割模型DAENet为基础，中心点识别算法为核心，通过与硬件设计和控制算法的相互配合，能够在确保安全性和实时性的前提下，实现在羊舍内的自动导航和全覆盖喷药。