集成吊轨清扫的吊轨巡检机器人及猪群热成像巡检的猪舍通风动态匹配系统及方法与流程

本发明属于畜禽养殖智能装备与物联网自动化控制，具体涉及为一种集成吊轨清扫的吊轨巡检机器人及猪群热成像巡检的猪舍通风动态匹配系统及方法。

背景技术：

1、规模化密闭猪舍是现代生猪养殖的主流模式，猪舍内部环境直接决定猪只健康水平、应激程度与养殖生产性能。密闭猪舍普遍采用顶部吊轨轨道式巡检机器人，利用机器人搭载多类传感器沿吊轨往复移动，实现猪舍全域环境巡检、猪只状态监测。

2、但是，现有技术在实际应用时仍存在如下多方面问题：

3、第一，吊轨轨道易积污，巡检机器人行走可靠性差。猪舍内部会持续产生饲料碎屑、猪毛、粉尘、絮状悬浮物，长期沉降堆积在吊轨的走行面上；现有吊轨巡检机器人没有配套轨道清扫机构，吊轨走行面堆积杂物后，会造成行走轮打滑、行走阻力增大、定位偏移，严重时会出现行走轮卡滞、机器人脱轨故障；人工高空清理吊轨轨道作业难度大、作业风险高，无法做到常态化实时清扫，只能定期停机人工清理，降低巡检设备的有效作业时长。

4、第二，传统猪舍通风系统感知手段失真：传统猪舍通风大多采用定点布置的温湿度传感器采集空气环境参数，依靠异步电机风机进行简单阈值启停控制。定点传感器只能采集局部点位空气温度，无法反映猪只真实体感温度；猪只体感温度受体表温度、空气温湿度、环境风速、猪群密度、猪只行为姿态多重因素耦合影响，仅依靠空气温度容易发生冷热应激误判，造成猪只热应激或者冷应激。

5、第三，热成像测温在猪舍复杂环境下应用存在多重技术问题。若采用热成像采集猪只体表温度，传统方案需要人工手动框选 roi 感兴趣区域，猪只存在趴卧、侧躺、站立多种姿态，还存在局部遮挡，人工 roi 方式无法自动化适配姿态变化；猪舍内部加热灯、饮水管路、设备散热形成大量强热源，热成像采集画面会产生鬼影噪声、固定图案噪声，造成测温偏差；单帧热成像图像还会受到舍内气流扰动、局部遮挡干扰，单帧测温数据波动大，测量结果不稳定；现有技术缺少针对猪只耳根、背部中线、腹股沟等生理关键测温部位的差异化权重处理，没有结合猪只热平衡物理模型反演真实体感温度，测温结果难以直接用于通风决策。

6、第四，通风控制策略僵化，缺少空间分布维度。现有通风控制大多采用全舍统一的开关或者简单 pid 控制，不考虑猪舍内部不同栏位区域猪群密度差异、行为差异、局部热负荷分布差异，无法生成猪舍空间热负荷分布图；缺少多维度高热负荷判定逻辑，没有行为约束的分区风量分配策略，容易出现局部区域通风不足或者通风过量，过量通风还会产生穿堂风，引发猪只冷应激，损害动物福利。

7、第五，风机执行机构响应滞后。传统异步电机风机调速范围窄，响应速度慢；风量到转速转换缺少前馈补偿，仅依靠单纯反馈 pid，面对猪舍瞬态热负荷变化跟踪滞后，风量不能实时匹配猪群动态热负荷，造成能耗浪费，环控效果差；并且传统送风窗大多为单一向下送风，气流集中直吹下方栏位，容易造成局部风速过高，周边栏位新风供给不足，舍内气流场分布不均匀，容易诱发猪只冷应激。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种吊轨清扫机构，解决猪舍吊轨走行面容易堆积粉尘、猪毛、饲料碎屑，人工清理困难，巡检机器人行走轮打滑、卡滞、脱轨的硬件问题；同时还提供一种吊轨巡检机器人，实现机器人巡检作业的同时同步完成轨道清扫，无需单独停机清扫作业，解决定点环境传感器感知失真、猪舍复杂场景热成像测温精度差、传统经验模型体感温度计算不准的问题；同时还提供一种猪群热成像巡检的猪舍通风动态匹配系统及方法，通过构建猪舍网格热负荷分布图，融合猪群热应激指数、猪群密度、行为活跃度，实现空间维度热负荷表征，解决通风控制策略僵化、风机执行响应滞后的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种吊轨清扫机构，包括固定于猪舍天花板底面的吊轨，在吊轨的底部设有横向设置的连接横座，在连接横座的顶面固定有两组对称式分布于吊轨左右两侧并且竖向设置的连接竖座，在连接竖座上转动安装有以弹性方式始终接触吊轨走行面的清扫轮。清扫机构依托连接横座、连接竖座实现清扫轮的安装，清扫轮对称布置在吊轨左右两侧，并且弹性抵靠吊轨走行面；巡检机器人移动过程中，清扫轮持续对吊轨走行面进行滚刷清扫，将堆积在走行面上的猪毛、粉尘、饲料碎屑刮除；不需要人工高空作业清理吊轨，清扫作业跟随巡检同步完成，避免吊轨积污造成巡检行走轮打滑、卡滞故障，提升巡检机器人运行稳定性。

4、为了实现清扫轮的弹性接触，在连接竖座上贯穿开设有竖向滑槽，在竖向滑槽内固定连接有竖向导杆，在竖向导杆上滑动安装有滑座，在滑座的左右两侧均固定有限制滑座旋转并使其仅能上下滑动的限位挡块，并在竖向导杆上装套有推动滑座向下滑动的顶簧，其中清扫轮转动安装于滑座内侧面上。通过竖向导杆、滑座、限位挡块、顶簧组成弹性浮动结构；限位挡块约束滑座只能沿竖向导杆上下滑动而不能发生周向转动；顶簧持续向下推压滑座，使清扫轮始终压紧贴合吊轨走行面；当吊轨存在加工误差、安装挠度变形、轨道表面存在大块杂物凸起时，清扫轮可以向上浮动避让，不会出现清扫轮卡死、损坏，保证清扫轮与走行面持续有效接触，自适应轨道形变，提升清扫可靠性。

5、一种吊轨巡检机器人，包括沿吊轨行走的巡检机器人主体，在巡检机器人主体的前后端依次安装有前防撞吸能盒和后防撞吸能盒，并在前防撞吸能盒的前方与后防撞吸能盒的后方依次安装有上述吊轨清扫机构，在巡检机器人主体的底部安装有感知模块和通信模块，在巡检机器人主体的顶部安装有边缘计算与中央控制模块。吊轨清扫机构分别布置机器人前端、后端，机器人向前行进时前端清扫机构清扫轨道，向后回退巡检时后端清扫机构清扫轨道，机器人往复巡检全程均可同步清扫吊轨走行面；前后防撞吸能盒可以缓冲机器人遇到障碍物时的冲击，保护清扫机构与机器人本体；底部布置感知模块向下采集猪舍内部猪群与环境数据，通信模块完成数据交互，顶部布置边缘计算与中央控制模块完成本地数据运算处理，硬件布局合理，实现轨道清扫、移动感知、边缘计算一体化。

6、为了实现驱动行走，该巡检机器人主体包括主壳体，在主壳体顶部前端通过前支臂转动安装有两组对称式沿吊轨移动的主动轮，在主壳体顶部后端通过后支臂转动安装有两组对称式沿吊轨移动的从动轮，在主壳体内部安装有伺服电机以及被伺服电机驱动旋转的主动链轮，在前支臂内隐藏设有与主动轮同轴对接的从动链轮，其中主动链轮与从动链轮之间通过链条传动连接，在主壳体内还安装有向所有电性结构供电的蓄电池。个采用主动轮与从动轮配合的双组轮系结构，对称布置保证机器人吊挂行走受力均衡；伺服电机-主动链轮-链条-从动链轮实现动力传递，链条传动布置在支臂内部，避免猪舍粉尘腐蚀传动部件；内置蓄电池为本机全部电气部件供电，支持脱离外接线缆的往复吊轨巡检，结构紧凑，传动可靠，适合高粉尘猪舍恶劣工况。

7、为了实现感知、通信及控制，该感知模块包括红外热成像仪、环境传感器组和可见光相机，其中环境传感器组至少包括温湿度传感器、氨气传感器和co2传感器，通过感知模块实现热成像温度场采集、环境气体参数采集、猪群图像采集；该通信模块包括工业交换机和远程监控终端，通过通信模块完成本地组网以及远程监控；该边缘计算与中央控制模块包括边缘计算单元、中央控制器和数据存储单元，边缘计算单元承担图像预处理、算法运算，中央控制器完成通风决策逻辑，数据存储单元保存热成像帧、环境时序数据、控制日志；将多源感知、边缘算法运算、控制逻辑集成在巡检机器人本体，为后续通风动态匹配提供完整的感知与运算硬件基础。

8、为了实现散热，在主壳体的底部还安装多个散热窗，其中散热窗分为靠近伺服电机所在处的电机散热窗以及靠近蓄电池所在处的电池散热窗。猪舍内部环境温度高，伺服电机、蓄电池工作会持续发热；分类设置电机散热窗、电池散热窗，分别对动力部件与储能部件针对性散热，降低工作温升，避免电机过热降功率、蓄电池高温衰减，提升机器人在猪舍高温环境下连续工作的可靠性。

9、一种猪群热成像巡检的猪舍通风动态匹配系统，包括固定于猪舍天花板顶面的送风通道，在送风通道的入口端设有向其内部送风的永磁同步风机，在送风通道的底面安装有多个贯穿天花板并且向猪只所在处送风的送风窗，并在送风通道正下方所在的天花板处固定有吊轨，在吊轨上设有上述吊轨巡检机器人，在永磁同步风机的一旁连接有能够接收吊轨巡检机器人指令的永磁直驱风机驱动器，在送风窗上开设有分别朝四个不同方位送风的送风口。送风通道布置在天花板上方，通过送风窗向猪舍栏位分区送风；吊轨布置在送风通道正下方天花板，巡检机器人沿吊轨移动完成全域感知；永磁直驱风机驱动器接收巡检机器人上边缘计算与中央控制模块下发控制指令，驱动永磁同步风机无级调速；硬件系统形成 “移动感知-本地运算-风机执行” 完整闭环系统，实现感知硬件与通风执行硬件的系统集成；此外，送风窗设置朝向四个不同方位的送风口，可将气流向四周栏位均匀扩散，避免单方向送风造成局部风速过高形成穿堂风；能够对送风窗周边多个栏位区域同时供给新风，提升舍内气流分布均匀性；配合分区风量调节，可减少猪只局部直吹冷应激；硬件系统形成 “移动感知-本地运算-风机执行” 完整闭环系统，实现感知硬件与通风执行硬件的系统集成。

10、一种猪群热成像巡检的猪舍通风动态匹配方法，该方法采用上述猪群热成像巡检的猪舍通风动态匹配系统进行实施，其工作步骤如下：

11、s1、多源数据采集：吊轨式巡检机器人沿吊轨往复移动，红外热成像仪采集猪群热成像温度场以及地面、墙体、设备背景温度场；环境传感器组采集空间分布的温湿度、氨气、co2参数；可见光相机采集猪群图像，识别猪群密度、姿态，通过光流法计算行为活跃度；

12、s2、热成像多算法预处理：边缘计算单元对原始热成像执行多尺度非均匀性校正；基于 cbam 注意力机制自适应提取猪只体表温度，对耳根、背部中线、腹股沟、鼻镜、尾根分配差异化测温权重；再通过扩展卡尔曼滤波对连续多帧体表温度进行最优估计，输出稳定的猪只体表温度；同时采用克里金插值生成空气温度插值场；

13、s3、体感温度与热应激指数计算：基于猪只热平衡物理方程构建体感温度模型，根据猪只站立或趴卧姿态选用对应的对流换热系数-风速拟合关系；利用模糊隶属度函数计算冷、舒适、热应激隶属度，求解热应激指数 tsi；

14、s4、构建热负荷分布图：将猪舍空间划分为 m×n 网格单元；逐网格统计猪群密度、行为活跃度，计算网格综合热负荷指数；通过双三次 b 样条插值生成热负荷分布曲面；维护循环缓冲区保存多周期历史热负荷矩阵，计算热负荷变化速率作为前馈预警依据；

15、s5、通风决策与分区风量分配：执行多维度高热负荷判定，结合绝对阈值、相对百分位、热负荷上升速率，叠加时间窗口持续时间防抖动约束，并识别特殊场景高热负荷；调用模糊 pid 控制器或备选 mpc 模型预测控制器计算全舍目标总风量；执行分区风量分配：按热负荷占比得到基准风量，结合猪群行为状态施加风量上下限约束，完成总量再平衡，施加相邻分区风量平滑约束；氨气浓度超阈值时强制设置基础通风下限；

16、s6、闭环通风执行：通过前馈-反馈复合控制将各分区目标风量转换为永磁同步风机转速指令下发驱动器；永磁同步风机执行调速，回传转速、电流、振动状态；

17、s7、滚动迭代：进入下一轮巡检周期，重复步骤 s1-s6，持续动态匹配猪舍通风量；

18、本方法依托前述硬件系统，集成一整套完整算法链路；通过多源移动采集获取猪舍空间分布数据；通过多尺度非均匀校正抑制猪舍加热灯等强热源带来的鬼影噪声；cbam注意力机制实现无人工 roi 的体表温度提取，结合猪生理关键部位差异化权重；扩展卡尔曼滤波消除单帧图像瞬时扰动；克里金插值生成连续空气温度场；基于热平衡物理模型反演体感温度，区分姿态的对流换热系数，模糊隶属度得到热应激指数；构建网格热负荷分布图，利用历史矩阵计算热负荷变化速率用于前馈预警；多维度高热负荷判定加时间防抖避免误触发；支持模糊 pid、mpc 两种控制模式；分区风量分配引入行为约束、总量再平衡、相邻平滑约束抑制穿堂风；氨气超标强制基础通风；前馈-反馈复合控制实现风机快速响应；周期滚动迭代持续动态调控通风，从传统 “控制空气温度” 升级为 “控制猪群体感热状态”，实现按需通风。

19、其中，在步骤s5中，当判定得到持续性高热负荷网格时，调度吊轨式巡检机器人对该区域进行加密采样。识别持续性高热负荷区域之后，调度巡检机器人对该网格区域加密采样，缩小巡检采样间隔，获取更多该区域的热成像、环境数据，提升高热风险区域的数据采集密度，进一步提升该区域通风决策的准确性，实现感知与控制联动。

20、在步骤s6 中，风量-转速转换：前馈项基于风机特性曲线，利用电机转矩估算系统阻力进行开环补偿；反馈项基于转速偏差 pid 闭环修正，输出最终转速指令。通过采用前馈与反馈复合控制，前馈项利用风机特性曲线、电机转矩估算系统阻力做开环补偿，提前补偿系统阻力变化带来的转速偏差，反馈 pid 对实际转速与目标转速的偏差做闭环修正，相比单一反馈 pid，显著缩短风机转速响应时间，实现风量对热负荷变化的快速跟踪。

21、本发明的有益效果分为硬件装备层面、感知测温层面、决策控制层面、风机执行层面、养殖应用层面：

22、一、硬件装备层面

23、1、设置前后双组弹性浮动吊轨清扫机构，清扫轮依靠顶簧始终压紧吊轨走行面，吊轨随机器人往复巡检同步清扫，无需人工高空停机清理吊轨；清扫轮可以自适应吊轨变形、局部凸起杂物，浮动避让不发生卡死损坏；有效清除吊轨表面猪毛、粉尘、饲料碎屑，避免行走轮打滑、卡滞、脱轨，显著提升吊轨巡检机器人在猪舍高粉尘恶劣工况下运行可靠性；

24、2、机器人配置前后防撞吸能盒，缓冲碰撞冲击，保护清扫机构与整机；采用链条内置式传动结构，抵御粉尘腐蚀；蓄电池本机供电，实现无拖缆往复巡检；针对伺服电机、蓄电池设置独立散热窗，高温猪舍环境下降低部件温升，延长设备使用寿命；

25、3、系统硬件一体化集成，吊轨巡检机器人同时承担轨道清扫、多源感知、边缘运算任务，感知硬件布置在送风通道正下方吊轨，感知视场覆盖猪只栏位；永磁直驱风机、送风通道、送风窗组成分区送风系统，形成完整闭环系统架构。

26、二、感知测温层面

27、1、不再依赖定点空气温度传感器，依托吊轨移动巡检实现猪舍全域空间分布式采集；同时采集猪只体表温度场、地面、墙体、设备背景温度场；环境传感器同步采集氨气、co2、温湿度；可见光相机识别猪群密度、姿态，光流法计算行为活跃度；

28、2、多尺度非均匀性校正算法抑制猪舍加热灯等强热源造成的热成像鬼影噪声，测温误差控制在 ±0.3℃；基于 cbam 注意力机制的体表温度提取，无需人工 roi 框选，自适应猪只趴卧、侧躺、站立多种姿态，对耳根、背部中线等生理关键测温部位分配差异化权重；扩展卡尔曼滤波对多帧温度做最优估计，消除气流、遮挡带来的单帧测温波动；克里金插值生成连续空气温度插值场，测温精度、自动化程度大幅提升。

29、三、决策控制层面

30、1、基于猪只热平衡物理能量平衡方程构建体感温度模型，区分站立、趴卧姿态选用不同对流换热系数-风速拟合关系；采用模糊隶属度计算热应激指数 tsi，相比传统经验公式更贴合猪只真实生理热状态；

31、2、构建 m×n 网格热负荷分布图，ahp 层次分析法标定权重，融合热应激指数、猪群密度、行为活跃度、体表温度偏移；双三次 b 样条插值生成连续热负荷曲面；维护循环缓冲区存储历史热负荷矩阵，计算热负荷变化速率实现前馈预警；

32、3、多维度高热负荷判定，融合绝对阈值、相对百分位、上升速率，叠加时间窗口持续时间防抖动约束，还包含猪群聚集、喘气识别、采食时段、夏季极端天气、风机故障邻区等特殊场景判定；识别持续性高热负荷网格，调度巡检机器人加密采样，实现感知与控制联动；

33、4、支持模糊 pid 在线参数整定，也可切换 mpc 模型预测控制；分区风量分配算法包含热负荷占比基准分配、行为状态风量上下限约束、总量再平衡、相邻分区平滑约束，抑制穿堂风；氨气超标强制基础通风下限；兼顾猪群热舒适与舍内空气质量。

34、四、风机执行层面

35、永磁同步风机搭配永磁直驱风机驱动器；风量-转速转换采用前馈-反馈复合控制；前馈项利用风机特性曲线结合电机转矩估算系统阻力实现开环补偿，反馈 pid 做转速偏差闭环修正；相比单纯反馈 pid，转速响应速度大幅提升，可以快速跟踪猪舍瞬态热负荷变化；永磁直驱取消皮带传动，机械损耗低，可实现宽范围无级调速，降低通风系统能耗；送风窗配置四向送风口，气流向四个方位扩散，改善猪舍内部气流场均匀性，减弱局部直吹效应，降低穿堂风带来的猪只冷应激风险。

36、五、养殖应用层面

37、1、本方案实现从 “控制空气温度” 向 “控制猪群体感热状态” 转变，有效降低猪只热应激、冷应激发生概率，改善猪只福利，降低料肉比；

38、2、实现按需分区通风，避免无效通风，实测通风能耗下降；

39、3、吊轨清扫机构保障巡检装备长期稳定运行，设备维护工作量低；系统支持远程监控，降低饲养人员工作负担，适合规模化密闭猪舍推广使用。