【全文】羊场自动导航喷药机器人设计与实验
引用格式：范铭铄, 周平, 李淼, 李华龙, 刘先旺, 麻之润. 羊场自动导航喷药机器人设计与实验[J]. 智慧农业(中英文), 2024, 6(4): 103-115.
DOI： 10.12133/j.smartag.SA202312016
Citation:FAN Mingshuo, ZHOU Ping, LI Miao, LI Hualong, LIU Xianwang, MA Zhirun. Automatic Navigation and Spraying Robot in Sheep Farm[J]. Smart Agriculture, 2024, 6(4): 103-115.
DOI： 10.12133/j.smartag.SA202312016
羊场自动导航喷药机器人设计与实验
范铭铄1，2， 周平2， 李淼2， 李华龙2， 刘先旺2， 麻之润2
（1.中国科学技术大学 研究生院科学岛分院，安徽合肥 230026，中国； 2.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）
0 引 言
想象一下，在广阔的羊场中，如何实现高效、无死角的消毒？随着全球畜牧业飞速发展，养殖场卫生和动物健康已成为核心挑战。肉羊作为高敏感牲畜，其健康状况直接受环境影响，及时消毒至关重要。羊舍内部空间大，消毒点繁多——地面、墙壁、围栏、料槽和水槽等，人工操作不仅耗时耗力，还易留死角。
人工智能和自动化技术的崛起，正推动畜禽养殖迈向智能化。低成本、高精度的自动导航喷药机器人应运而生，成为研究热点。例如，Adams团队开发了牧场环卫机器人，融合无迹卡尔曼滤波和GPS实现精准定位；Muthugala等人针对墙体消毒，提出模糊逻辑系统以优化机器人路径；Patel等人采用紫外线消毒技术，确保360°覆盖；Bijay等人利用纯跟踪算法和激光雷达提升导航避障能力；Navone团队则通过语义分割解决GPS信号遮挡问题。国内学者如鞠庆、冯青春、徐济双和朱立学等，也纷纷推出创新方案，涵盖室内定位、喷药仿真和路径规划。羊舍环境复杂——泥泞地面、多尘空气、狭窄通道，以及多变天气，对机器人导航构成严峻考验。
为突破这些瓶颈，本研究推出基于语义分割和中心点识别算法的自动导航喷药机器人，打造高效、全面的消毒解决方案。硬件上，采用履带式底盘应对复杂地形，折叠式喷药装置确保全覆盖，双摄像头系统智能捕捉路况。模型部分，创新轻量化ENet改进模型，实现实时精准道路分割。控制算法集成中心点识别、速度偏移计算和摄像头切换，赋予机器人多场景适应力。
1 机器人硬件设计
1.1 底盘设计
履带式底盘以其卓越的通过性和耐用性，成为复杂环境的首选。机器人尺寸为960 mm×700 mm×320 mm，底盘高75 mm，履带宽150 mm，自重120 kg，载重达200 kg。材质选用304不锈钢和合金钢，确保坚固耐用。橡胶履带内嵌凯夫拉纤维，提升耐磨性。驱动系统采用双直流无刷电机，功率785 W，扭矩37.5 N·m，最大爬坡30°。克里斯蒂独立悬挂设计，轻松适应凹凸地形。内置仓室容纳电池和控制模块，保障运行平衡。最高时速6.5 km/h，底盘实物如图1a，技术特征如图1b。
图1 羊场自动导航喷药机器人底盘
Fig. 1 Chassis of the automatic robot working in sheep farm
1.2 电源和续航
机器人配备48V 30 AH三元锂电池，整机功率1~2 kW，工作温度范围广。8A快充设计，一次充电支持约3天喷药任务，完美契合羊场需求。
1.3 折叠式喷药系统
喷药系统核心为折叠式设计，集成药箱、水泵、伸缩杆和多喷头喷杆。药箱采用PVC方形结构，容量充足。水泵高效抽取药液，通过电动推杆控制伸缩杆展开，实现喷药杆全覆盖。折叠状态节省空间，展开后精准喷洒，如图2所示。
图2 羊舍自动导航喷药机器人的喷药装置
Fig. 2 The spraying device of the sheep shed automatic navigation spraying robot
1.4 机器人整体结构
不锈钢外壳与底盘紧密结合，内部布局药箱和控制单元。后置屏幕实时监控运行状态，手动/自动旋钮切换模式。双摄像头分别置于上下方，充当视觉哨兵。整体结构如图3a-c，展现智能与坚固的完美融合。
图3 羊舍自动导航喷药机器人整体结构设计
Fig. 3 The overall structural design of the sheep shed automatic navigation spraying robot
2 语义分割模型
本研究创新提出DAENet模型，融合双注意力机制，精准分割道路与车道线。基于ENet架构，引入CCA和SENet模块，捕获多尺度上下文信息，提升特征提取能力。
2.1 基于场景改进的十字交叉注意力
CCA模块通过十字交叉路径聚合全局特征，增强空间关系感知。针对计算复杂度，设计CCM模块，并行多尺度卷积，高效获取长程依赖。结构如图4-6，实现精度与速度的平衡。
图4 CCA的网络结构
Fig. 4 The network structure of CCA
图5 RCCA级联结构
Fig. 5 RCCA cascade structure
图6 CCM的网络结构
Fig. 6 The network structure of context convolution module
2.2 基于双注意力机制的ENet模型
DAENet精简为5阶结构，集成SENet和CCA-CCM并行模块，强化特征表达。初始化模块增强自适应能力，残差机制防止网络退化，上采样层确保细节恢复。网络结构如图7，实现高效实时分割。
图7 基于双注意力机制的ENet模型
Fig. 7 ENet model based on dual attention
3 导航算法设计
3.1 道路与车道线中心点识别算法
在复杂环境中，机器人如何精准定位？通过语义分割生成伪彩色图像，道路和车道线被清晰标记。中心点算法动态计算行进路径，确保机器人始终沿中心线前进。
3.1.1 道路中心点识别算法
针对羊舍内部道路，算法扫描每行像素，定位道路区域中心。公式计算横向坐标，加权平均得出导航点，实现稳定导向。
3.1.2 车道线中心点识别算法
当机器人驶出羊舍，车道线成为导航关键。算法识别黄色像素簇，计算中心点，平滑切换导航模式。
3.2 摄像头切换算法
双摄像头智能切换，是机器人的“眼睛”。羊舍内启用上路摄像头，喷药装置开启；驶出后切换下路摄像头，关闭喷药。时间阈值控制切换逻辑，确保无缝衔接。
3.3 偏移量与速度计算算法
实时偏移量计算是导航核心。通过图像中心与路径中心的偏差，动态调整左右轮速度。阈值滤波消除微小波动，保障行进平稳。
3.4 导航喷药算法整体设计
整个系统工作流程如图8所示：手动启动后，机器人自主导航，智能切换摄像头和喷药装置，完成多羊舍消毒任务。串口通信确保软硬件协同，实现全自动化操作。
图8 羊舍自动导航喷药机器人系统的工作流程
Fig. 8 The workflow of the sheep shed automatic navigation spraying robot system
4 机器人测试与实验
4.1 DAENet模型实验
在高端硬件平台上，DAENet模型经过万次迭代训练，mIoU高达0.9453，证明其分割精度卓越。训练过程平滑，实时性达标，如图9所示。
注：浅蓝色为每个step的mIoU； 深蓝色线为平滑后的曲线。
图9 DAENet模型训练过程中的mIoU
Fig. 9 mIoU during training process of DAENet model
4.2 摄像头切换算法测试
实地测试中，机器人精准切换摄像头。羊舍内道路分割清晰（图10），羊舍外车道线识别准确（图11），验证算法可靠性。
注：图b中绿色像素的RGB为（0，128，0），代表道路；黄色像素RGB为（128，128，0），代表车道线。
图11 羊舍外车道线中心点计算图像
Fig. 11 Image for calculating the center points of lane lines outside the sheep shed
4.3 中心点与偏移量计算算法测试
部署于Jetson平台，算法实时处理视频流，偏移量计算精准。连续帧测试显示，处理速度20-24f/s，完全满足实时需求（图12，表1）。
图12 羊舍道路分割结果
Fig. 12 Results of road segmentation in the sheep shed
4.4 机器人在羊场的整体测试
4.4.1 实验环境
测试位于安徽阜阳绿荣牧业，场地涵盖12个羊舍，路面崎岖，杂草羊粪遍布。实验聚焦两个羊舍，路径140米，含直路和弯道（图13）。
图13 羊舍自动导航喷药机器人的测试环境
Fig. 13 Test environment for sheep shed automatic navigation spraying robot
4.4.2 实验评价指标
设定严格标准：mIoU>90%，帧率≥20f/s，切换时间≤15s，横向偏差<0.3m，覆盖率>90%。
4.4.3 实验过程
机器人以0.2m/s速度自主导航，实时监控状态。标记物记录路径偏差，日志分析性能（图14）。
图14 自动导航喷药机器人实验过程
Fig. 14 Automatic navigation and spraying robot during test
4.4.4 实验结果
机器人成功完成双羊舍任务。摄像头切换迅捷（表2），横向偏差控制在0.3m内，稳定性高（表3）。平均帧率22.4f/s，喷药覆盖率超90%（图15），全面达标。
图15 羊舍自动导航喷药机器人的喷药效果
Fig. 15 Spraying effectiveness of the sheep shed automatic navigation spraying robot
5 结 论
本研究成功研发羊舍自动导航喷药机器人，集成DAENet语义分割模型和智能导航算法，实现高效精准消毒。实地测试表明，机器人导航稳定，喷药覆盖广，帧率实时，为智能养殖提供可靠解决方案。
利益冲突声明：本研究不存在研究者以及与公开研究成果有关的利益冲突。
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