一种自动巡检立体笼养家禽的机器人

1.本发明属于禽舍环境检测技术领域，尤其涉及一种自动巡检立体笼养家禽的机器人。


背景技术：

2.随着科技水平的不断发展，现有的养殖产业开始升级为立体多层笼养模式，在原有养殖面积的基础上提升了养殖规模。然而，这种养殖模式的禽舍内环境质量十分复杂，而且对于长期在禽舍内巡检的工作人员的呼吸系统会有较大的影响。传统环境质量检测装置为固定式检测，当禽舍室内面积较大时，需要设置多点检测，这种检测方式不能够完全描述整个禽舍内环境质量分布情况。
3.目前，家禽立体多层养殖模式下的自主巡检技术以及设备并不多，大多为人工巡检，通过肉眼观察家禽的生理状态、识别病死禽，而且是多层养殖，工人因要不断的弯腰而疲惫，从而会使得人工巡检效率低下，也会出现漏检、误检情况。因为，养殖数量相当庞大，现有的巡检设备只能对异常情况进行报警，而不能快速定位到具体笼位。其次，对于产蛋家禽，人工巡检的方式并不能准确识别产蛋效率低的家禽笼位，因而造成产蛋效率不能及时提升的问题。
4.因此，需要设计一种自动巡检立体笼养家禽的机器人以解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种自动巡检立体笼养家禽的机器人，以解决上述问题，达到实时监控立体笼养模式下家禽的行为，并能够有效解决人工巡检时遇到的问题，提高养殖效益的目的。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种自动巡检立体笼养家禽的机器人，包括运动机构，所述运动机构顶端固定连接有剪刀式举升机构，所述剪刀式举升机构顶端固定连接有环境数据采集单元、定位识别单元、家禽行为检测单元、中央数据处理单元，所述运动机构、环境数据采集单元、剪刀式举升机构、定位识别单元、家禽行为检测单元与所述中央数据处理单元电性连接，所述家禽行为检测单元用于监测家禽的声音信息、图像信息、视频信息，所述声音信息、图像信息、视频信息传递至所述中央数据处理单元，所述中央数据处理单元用于处理bp神经网络、卷积神经网络、所述声音信息、图像信息、视频信息。
7.优选的，所述家禽行为检测单元包括高清摄像头、双轴舵机云台、红外热像仪、声音辅助模块，所述高清摄像头、双轴舵机云台、红外热像仪、声音辅助模块与所述剪刀式举升机构顶端固定连接，所述高清摄像头、双轴舵机云台、红外热像仪、声音辅助模块与所述中央数据处理单元电性连接。
8.优选的，所述环境数据采集单元包括温度传感器、二氧化碳传感器、氨气传感器、粉尘浓度传感器、氧气浓度传感器，所述温度传感器、二氧化碳传感器、氨气传感器、粉尘浓度传感器、氧气浓度传感器与所述剪刀式举升机构顶端固定连接，所述温度传感器、二氧化
碳传感器、氨气传感器、粉尘浓度传感器、氧气浓度传感器与所述中央数据处理单元电性连接。
9.优选的，所述定位识别单元包括高清摄像头模块、补光灯，所述高清摄像头模块、补光灯与所述剪刀式举升机构顶端固定连接，所述高清摄像头模块、补光灯与所述中央数据处理单元电性连接。
10.优选的，所述运动机构包括底座，所述底座底部设置有直流电机模块，所述底座侧壁固定连接有若干红外测距传感器模块，所述红外测距传感器模块、直流电机模块与所述中央数据处理单元电性连接。
11.优选的，所述剪刀式举升机构包括固定底座，所述固定底座底端与所述底座顶端固定连接，所述固定底座顶端活动连接剪刀式升降支架底端，所述剪刀式升降支架顶端活动连接第一升降平台底端，所述第一升降平台顶端四角分别固定连接智能调节式升降支架底端，四个所述智能调节式升降支架相互平行且竖直设置，四个所述智能调节式升降支架之间共同滑动连接有第二升降平台，所述剪刀式升降支架底端固定连接步进电机滑台模组输出端，所述步进电机滑台模组与所述底座顶端固定连接，所述高清摄像头模块、补光灯、中央数据处理单元与所述第一升降平台顶端固定连接，所述高清摄像头、双轴舵机云台、红外热像仪、声音辅助模块、温度传感器、二氧化碳传感器、氨气传感器、粉尘浓度传感器、氧气浓度传感器与所述第二升降平台顶端固定连接。
12.优选的，所述bp神经网络处理声音信息的过程为：
13.s11、家禽声音数据采集；
14.s12、家禽声音数据预处理；
15.s13、家禽声音特征参数提取；
16.s14、训练集的标定及建立；
17.s15、训练bp神经网络声音识别模型；
18.s16、声音识别模型应用于家禽声音识别。
19.优选的，所述卷积神经网络处理图像信息的过程为：
20.s21、家禽图像数据采集；
21.s22、训练集的标定及建立；
22.s23、训练卷积神经网络图像识别模型；
23.s24、图像识别模型应用于家禽图像识别。
24.与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
25.本发明可以高效、精准采集大型立体多层养殖禽舍内立体的环境质量信息、家禽的行为信息以及生理状态，通过后台电脑的大数据对采集信息处理后能够及时对禽舍内的设施进行调控，通过中央处理单元将家禽的声音、图像以及视频信息进行实时处理后，能够及时定位异常家禽或病死禽所处的位置，并快速做出相应的处理，以防止大面积感染。本发明能够代替人工进行高频率、长时间以及全覆盖形式的日常巡检工作，大大提高巡检效率，且避免巡检人员由于长期暴露于复杂环境成分下对呼吸系统影响的问题。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所
需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
27.图1为本发明的结构示意图一；
28.图2为本发明的结构示意图二；
29.图3为本发明bp神经网络的训练流程图；
30.图4为本发明卷积神经网络的训练流程图。
31.其中，1、运动机构；101、红外测距传感器模块；102、直流电机模块；2、环境数据采集单元；201、温度传感器；202、二氧化碳传感器；203、氨气传感器；204、粉尘浓度传感器；205、氧气浓度传感器；3、剪刀式举升机构；301、固定底座；302、剪刀式升降支架；303、第一升降平台；304、第二升降平台；305、智能调节式升降支架；306、步进电机滑台模组；4、定位识别单元；401、高清摄像头模块；402、补光灯；5、家禽行为检测单元；501、高清摄像头；502、双轴舵机云台；503、红外热像仪；504、声音辅助模块；6、中央数据处理单元。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
34.参照图1-图4，本发明提供一种自动巡检立体笼养家禽的机器人，包括运动机构1，运动机构1顶端固定连接有剪刀式举升机构3，剪刀式举升机构3顶端固定连接有环境数据采集单元2、定位识别单元4、家禽行为检测单元5、中央数据处理单元6，运动机构1、环境数据采集单元2、剪刀式举升机构3、定位识别单元4、家禽行为检测单元5与中央数据处理单元6电性连接，家禽行为检测单元5用于监测家禽的声音信息、图像信息、视频信息，声音信息、图像信息、视频信息传递至中央数据处理单元6，中央数据处理单元6用于处理bp神经网络、卷积神经网络、声音信息、图像信息、视频信息。
35.进一步优化方案，家禽行为检测单元5包括高清摄像头501、双轴舵机云台502、红外热像仪503、声音辅助模块504，高清摄像头501、双轴舵机云台502、红外热像仪503、声音辅助模块504与剪刀式举升机构3顶端固定连接，高清摄像头501、双轴舵机云台502、红外热像仪503、声音辅助模块504与中央数据处理单元6电性连接。
36.高清摄像头501与声音辅助模块504协同工作，可以解决高清摄像头501拍摄过程中的图像粘连或家禽身位被阻碍的问题。
37.双轴舵机云台502配合高清摄像头501进行拍照以及录像；红外热像仪503可以实时检测笼内家禽的体温特征。
38.双轴舵机云台502能够自主调节高清摄像头501的拍摄角度，更清楚地、更完整地提取笼内的家禽图片。
39.声音辅助模块504具有两方面的用途；一方面用于录取家禽夜间的声音；另一方
面，家禽行为检测单元5中的高清摄像头501所拍摄的图片经中央数据处理单元6处理过后发现家禽阻挡情况后，声音辅助模块504可发出一定频率的声音刺激家禽在笼内走动，高清摄像头501可进行二次拍照识别。
40.进一步优化方案，环境数据采集单元2包括温度传感器201、二氧化碳传感器202、氨气传感器203、粉尘浓度传感器204、氧气浓度传感器205，温度传感器201、二氧化碳传感器202、氨气传感器203、粉尘浓度传感器204、氧气浓度传感器205与剪刀式举升机构3顶端固定连接，温度传感器201、二氧化碳传感器202、氨气传感器203、粉尘浓度传感器204、氧气浓度传感器205与中央数据处理单元6电性连接。
41.温度传感器201、二氧化碳传感器202、氨气传感器203、粉尘浓度传感器204、氧气浓度传感器205在巡检过程中不间断的测试环境信息，当环境参数超过设定阈值时，巡检机器人将超标参数与位置上报到中央数据处理单元6中，实现环境参数预警。中央数据处理单元6优选为计算机。
42.进一步优化方案，定位识别单元4包括高清摄像头模块401、补光灯402，高清摄像头模块401、补光灯402与剪刀式举升机构3顶端固定连接，高清摄像头模块401、补光灯402与中央数据处理单元6电性连接。
43.高清摄像头模块401用于拍摄笼位二维码信息以及笼内产蛋家禽的产蛋情况，并传递至中央数据处理单元6。
44.高清摄像头模块401与补光灯402两者配合拍摄粘贴于立体养殖笼具的二维码，中央数据处理单元6读取二维码中的笼具位置信息并储存记录。首先，二维码信息中的笼具位置信息，结合环境数据采集单元2所采集的环境质量信息制作出舍内环境质量立体模型，以便使管理人员更好调控禽舍内机械系统，其次，二维码中可包含笼内家禽数量以及批次等重要信息，最后，二维码的位置可以使得巡检机器人的精准定位。
45.进一步优化方案，运动机构1包括底座，底座底部设置有直流电机模块102，底座侧壁固定连接有若干红外测距传感器模块101，红外测距传感器模块101、直流电机模块102与中央数据处理单元6电性连接。
46.红外测距传感器模块101的数量优选为三个，分别设置在底座的前方以及两侧。红外测距传感器模块101用于检测机器人距周围障碍物、两侧笼具以及禽舍内墙壁的距离信息，以保证机器人能够在禽舍内自由行走。
47.进一步优化方案，剪刀式举升机构3包括固定底座301，固定底座301底端与底座顶端固定连接，固定底座301顶端活动连接剪刀式升降支架302底端，剪刀式升降支架302顶端活动连接第一升降平台303底端，第一升降平台303顶端四角分别固定连接智能调节式升降支架305底端，四个智能调节式升降支架305相互平行且竖直设置，四个智能调节式升降支架305之间共同滑动连接有第二升降平台304，剪刀式升降支架302底端固定连接步进电机滑台模组306输出端，步进电机滑台模组306与底座顶端固定连接，高清摄像头模块401、补光灯402、中央数据处理单元6与第一升降平台303顶端固定连接，高清摄像头501、双轴舵机云台502、红外热像仪503、声音辅助模块504、温度传感器201、二氧化碳传感器202、氨气传感器203、粉尘浓度传感器204、氧气浓度传感器205与第二升降平台304顶端固定连接。
48.通过步进电机滑台模组306对第一升降平台303和第二升降平台304的高度进行无极调节，实现笼养模式下的各层间巡检。
49.进一步优化方案，bp神经网络处理声音信息的过程为：
50.s11、家禽声音数据采集；通过声音辅助模块504获取家禽夜间发出的声音。
51.s12、家禽声音数据预处理；对于s1中获得的家禽声音数据，通过预加重、分帧加窗和语音端点检测预处理操作，提高家禽声音数据的质量并减小声音数据量的大小。
52.s13、家禽声音特征参数提取；对于s2中家禽声音数据通过傅里叶变换后，获取家禽声音的功率谱，进行mel滤波器滤波，并对获得滤波后的对数进行离散余弦变换得到家禽声音的静态及动态特征，最后从中获取家禽声音的梅尔频率倒谱系数。
53.s14、训练集的标定及建立；通过有经验的养殖人员对s1中所录取的家禽声音数据进行标定，通过听家禽的声音判断家禽是否处于热应激状态、饥饿状态或者是正常状态并进行家禽声音片段分类标定，并建立bp神经网络的训练集。
54.s15、训练bp神经网络声音识别模型；通过s1至s4后所得到的家禽声音数据的训练集，训练bp神经网络声音识别模型。
55.s16、声音识别模型应用于家禽声音识别。将已经训练好的bp神经网络声音识别模型用于立体笼养模式下夜间家禽声音的识别。
56.bp神经网络的输入层、输出层、隐含层神经元个数分别为3、2、4；输入层第1层至隐含层第2层权重设定为[100,100,100],输入层第2层至输出层权值设置为[3,3,3]；将原始sigmoid激活函数更改为swish激活函数以优化bp神经网络精度；以自适应学习率规则设置初始学习率为0.001；以训练过程中自动保存最优模型策略设置迭代次数为10000。
[0057]
进一步优化方案，卷积神经网络处理图像信息的过程为：
[0058]
s21、家禽图像数据采集；通过声音辅助模块504对立体笼养中的家禽发出特定的频率声音，使笼内家禽产生应激行为，再通过高清摄像头501配合双轴舵机云台502对产生应激行为的家禽进行图像采集，并将目标图像的大小调整至n*n像素；
[0059]
s22、训练集的标定及建立；对s21中所获得的应激家禽图片，进行人工加框以及标定，作为卷积神经网络的训练集；卷积神经网络yolov5网络；
[0060]
s23、训练卷积神经网络图像识别模型；通过s22的图像训练集对yolov5网络训练；
[0061]
s24、图像识别模型应用于家禽图像识别。将已经训练好的yolov5网络图像识别模型用于立体笼养模式病禽、死禽检测。
[0062]
卷积神经网络主要由cspdarknet和panet组成，尺寸为640
×
640
×
3的图像经多个3
×
3、1
×
1的卷积运算、池化降维、残差操作、全连接分类后得到特征结果；采用adam优化器进行权值的反向传播；其损失函数包含目标分类损失、边界框坐标损失以及目标置信度损失3部分：损失函数计算数值为上述3类损失数值之和。
[0063]
本发明的一种自动巡检立体笼养家禽的机器人，通过搭建多种环境传感器，对立体笼养模式下的禽舍进行实时环境质量监控。并利用基于bp神经网络的声音识别模型判断家禽在夜间相对安静情况下出现应激行为，利用基于yolov5神经网络的图像识别模型对笼内病禽以及死禽的检测。通过声音识别模型与图像识别模型的结合达到实时监控立体笼养模式下家禽的行为，并能够有效解决人工巡检时遇到的问题，提高养殖效益。
[0064]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必
须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0065]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种自动巡检立体笼养家禽的机器人，其特征在于，包括运动机构(1)，所述运动机构(1)顶端固定连接有剪刀式举升机构(3)，所述剪刀式举升机构(3)顶端固定连接有环境数据采集单元(2)、定位识别单元(4)、家禽行为检测单元(5)、中央数据处理单元(6)，所述运动机构(1)、环境数据采集单元(2)、剪刀式举升机构(3)、定位识别单元(4)、家禽行为检测单元(5)与所述中央数据处理单元(6)电性连接，所述家禽行为检测单元(5)用于监测家禽的声音信息、图像信息、视频信息，所述声音信息、图像信息、视频信息传递至所述中央数据处理单元(6)，所述中央数据处理单元(6)用于处理bp神经网络、卷积神经网络、所述声音信息、图像信息、视频信息。2.根据权利要求1所述的一种自动巡检立体笼养家禽的机器人，其特征在于，所述家禽行为检测单元(5)包括高清摄像头(501)、双轴舵机云台(502)、红外热像仪(503)、声音辅助模块(504)，所述高清摄像头(501)、双轴舵机云台(502)、红外热像仪(503)、声音辅助模块(504)与所述剪刀式举升机构(3)顶端固定连接，所述高清摄像头(501)、双轴舵机云台(502)、红外热像仪(503)、声音辅助模块(504)与所述中央数据处理单元(6)电性连接。3.根据权利要求2所述的一种自动巡检立体笼养家禽的机器人，其特征在于，所述环境数据采集单元(2)包括温度传感器(201)、二氧化碳传感器(202)、氨气传感器(203)、粉尘浓度传感器(204)、氧气浓度传感器(205)，所述温度传感器(201)、二氧化碳传感器(202)、氨气传感器(203)、粉尘浓度传感器(204)、氧气浓度传感器(205)与所述剪刀式举升机构(3)顶端固定连接，所述温度传感器(201)、二氧化碳传感器(202)、氨气传感器(203)、粉尘浓度传感器(204)、氧气浓度传感器(205)与所述中央数据处理单元(6)电性连接。4.根据权利要求3所述的一种自动巡检立体笼养家禽的机器人，其特征在于，所述定位识别单元(4)包括高清摄像头模块(401)、补光灯(402)，所述高清摄像头模块(401)、补光灯(402)与所述剪刀式举升机构(3)顶端固定连接，所述高清摄像头模块(401)、补光灯(402)与所述中央数据处理单元(6)电性连接。5.根据权利要求4所述的一种自动巡检立体笼养家禽的机器人，其特征在于，所述运动机构(1)包括底座，所述底座底部设置有直流电机模块(102)，所述底座侧壁固定连接有若干红外测距传感器模块(101)，所述红外测距传感器模块(101)、直流电机模块(102)与所述中央数据处理单元(6)电性连接。6.根据权利要求5所述的一种自动巡检立体笼养家禽的机器人，其特征在于，所述剪刀式举升机构(3)包括固定底座(301)，所述固定底座(301)底端与所述底座顶端固定连接，所述固定底座(301)顶端活动连接剪刀式升降支架(302)底端，所述剪刀式升降支架(302)顶端活动连接第一升降平台(303)底端，所述第一升降平台(303)顶端四角分别固定连接智能调节式升降支架(305)底端，四个所述智能调节式升降支架(305)相互平行且竖直设置，四个所述智能调节式升降支架(305)之间共同滑动连接有第二升降平台(304)，所述剪刀式升降支架(302)底端固定连接步进电机滑台模组(306)输出端，所述步进电机滑台模组(306)与所述底座顶端固定连接，所述高清摄像头模块(401)、补光灯(402)、中央数据处理单元(6)与所述第一升降平台(303)顶端固定连接，所述高清摄像头(501)、双轴舵机云台(502)、红外热像仪(503)、声音辅助模块(504)、温度传感器(201)、二氧化碳传感器(202)、氨气传感器(203)、粉尘浓度传感器(204)、氧气浓度传感器(205)与所述第二升降平台(304)顶端固定连接。
7.根据权利要求1所述的一种自动巡检立体笼养家禽的机器人，其特征在于，所述bp神经网络处理声音信息的过程为：s11、家禽声音数据采集；s12、家禽声音数据预处理；s13、家禽声音特征参数提取；s14、训练集的标定及建立；s15、训练bp神经网络声音识别模型；s16、声音识别模型应用于家禽声音识别。8.根据权利要求1所述的一种自动巡检立体笼养家禽的机器人，其特征在于，所述卷积神经网络处理图像信息的过程为：s21、家禽图像数据采集；s22、训练集的标定及建立；s23、训练卷积神经网络图像识别模型；s24、图像识别模型应用于家禽图像识别。

技术总结
本发明的自动巡检立体笼养家禽的机器人，包括运动机构，运动机构顶端固定连接有剪刀式举升机构，剪刀式举升机构顶端固定连接有环境数据采集单元、定位识别单元、家禽行为检测单元、中央数据处理单元，运动机构、环境数据采集单元、剪刀式举升机构、定位识别单元、家禽行为检测单元与中央数据处理单元电性连接，中央数据处理单元用于处理BP神经网络的声音信息和卷积神经网络的图形信息。本发明可以高效、精准采集大型立体多层养殖禽舍内环境质量信息、家禽行为信息以及生理状态，并对病死禽快速定位到笼，实时分析家禽的产蛋效率；以高频率、长时间的巡检方式代替传统的人工巡检方式，极大提高巡检效率，降低人工成本，增加养殖效益。增加养殖效益。增加养殖效益。


技术研发人员：柏宗春 王慧鑫 刘建龙 段恩泽 柳雨京
受保护的技术使用者：江苏省农业科学院
技术研发日：2023.06.26
技术公布日：2023/9/19