CN110892873A - 一种基于物联网的智能化种鹅选育管理系统及运行方法 - Google Patents

Abstract

一种基于物联网的智能化种鹅选育管理系统及运行方法，属于畜禽养殖领域。本发明可以使得鹅蛋传送过程速度平稳，减少了鹅蛋与管壁的碰撞，保障了鹅蛋的完整性；通过集成的方式实现了对鹅蛋的自动清洗烘干和打码覆膜，减少了空间的占有率，大大的降低了生产成本；采用在接收槽本体表面固定压电传感器进行定位，通过吸盘和平面关节型机器人相结合的结构，实现自动化抓取，提高鹅蛋收集效率，降低了鹅蛋收集成本。

Description

一种基于物联网的智能化种鹅选育管理系统及运行方法

技术领域

本发明涉及一种基于物联网的智能化种鹅选育管理系统及运行方法，属于畜禽养殖领域。

背景技术

随着科学技术的不断发展和完善，在家禽养殖上追求的是实现机械设备的自动化、智能化操作，种鹅养殖实现了规模化和智能化，实现了对种鹅身份识别和产蛋喷墨打码。但依然存在以下问题：

1.养殖者需要对鹅蛋进行打码，那将鹅蛋平稳的传送到打码处是鹅蛋成功打码的重要保障。传统的传送管道是利用重力势能让鹅蛋在管道里自己滚落，在打码处通过限位装置静止打码。但这种传统的传送管道会使鹅蛋撞击管壁，产生较大的撞击甚至损坏，并且鹅蛋滚落速度太快，可能因此撞击限位装置造成蛋壳破损。

2.传统的鹅蛋打码装置不能对鹅蛋进行清洗，需要布置专门的清洗装置，烘干装置，所占空间需求大，提高了生产成本。由于是喷墨打码，二维码也会存在非人为因素的破坏等问题，对二维码的保护也是一定的问题。

3.但如何自动化地将鹅蛋整齐的收集在一起是个难题。传统的鹅蛋收集是通过人工抓取放入收集箱，这种传统的鹅蛋收集人工成本高而且收集效率低。基于此，自动化收集是目前鹅蛋收集的合适选择，没有人工成本而且效率高。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于物联网的智能化种鹅选育管理系统及运行方法，本发明可以使得鹅蛋传送过程速度平稳，减少了鹅蛋与管壁的碰撞，保障了鹅蛋的完整性；通过集成的方式实现了对鹅蛋的自动清洗烘干和打码覆膜，减少了空间的占有率，大大的降低了生产成本；采用在接收槽本体表面固定压电传感器进行定位，通过吸盘和平面关节型机器人相结合的结构，实现自动化抓取，提高鹅蛋收集效率，降低了鹅蛋收集成本。

本发明的技术方案如下：

一种基于物联网的智能化种鹅选育管理系统，其特征是，包括产蛋房、与产蛋房出口连通的输送机构、与输送机构末端相连的集成式打码机构以及设置于集成式打码机构末端的接收槽机构；

所述集成式打码机构，包括传送带、设置于传送带两侧的支架、连接两支架的导轨以及依次滑动连接于导轨上的自洁净清洗装置、自动烘干装置、自动打码装置、自动覆膜装置，所述自洁净清洗装置、自动烘干装置、自动打码装置、自动覆膜装置位于传送带上方；

所述接收槽机构，包括接收槽本体、控制主板一、压电传感器、无线坐标接收模块、气动吸附装置、平面关节机器人和收集盒；所述压电传感器固定在接收槽本体表面，所述气动吸附装置固定在平面关节机器人机械臂上，所述平面关节型机器人和收集盒位于接收槽本体同一侧；

种鹅在产蛋房产蛋后，鹅蛋由输送机构入集成式打码机构的传送带上，集成式打码机构依次对鹅蛋需要打码处进行清洁、烘干、打码、覆膜，而后鹅蛋进入接收槽本体，压电传感器采集鹅蛋信息，并传送给控制主板一，由控制主板一将控制指令通过无线坐标接收模块传送给平面关节机器人，使平面关节机器人的气动吸附装置吸附鹅蛋并自旋转，将鹅蛋放入收集盒内。

优选的，所述集成式打码机构中，传送带输入端设有激光扫描装置，所述支架上设有控制主板二以及无线轮廓接收模块；所述控制主板二由主控制器和无线通信模块集成，所述激光扫描装置与主控制器连接，主控制器通过无线通信模块与无线轮廓接收模块相连。

优选的，所述集成式打码机构中，所述自洁净装置由毛刷传送带、超声波装置、水管、清洗槽和电机组成；所述超声波装置设置于清洗槽，所述清洗槽底部设置水管；所述毛刷传送带由电机驱动，并绕若干滚轮分布呈多边形结构，使毛刷传送带具有一可与下方鹅蛋接触的凸出部分、具有一可伸入清洗槽内的凸出部分。

优选的，所述集成式打码机构中，所述自动覆膜装置由覆膜溶剂管道和喷嘴组成。

优选的，所述接收槽机构中，所述控制主板一由单片机、数字信号处理器和无线通信模块集成，所述压电传感器采集到鹅蛋在接收槽本体内的加速度，经过电荷放大器输出采集值，传输给数字信号处理器，单片机将由数字信号处理器处理后的参数通过无线通讯模块输送给无线坐标接收模块。

优选的，所述接收槽机构中，所述气动吸附装置由与平面关节机器人相连的壳体、吸盘、接触传感器、升降机构、负压发生器和气缸组成；所述气缸安装于壳体内侧壁,气缸的输出轴安装有电机,所述电机的输出轴安装有齿轮；

所述负压发生器固定于壳体内侧顶部，所述升降机构包括与负压发生器的通气软管连通的硬质通气管以及安装于硬质通气管外侧壁的齿条，所述吸盘安装于硬质通气管底部，并置于壳体下方，所述接触传感器安装于吸盘；

升降机构自由落体，使吸盘与鹅蛋接触，此时接触传感器触发负压发生器，吸盘产生负压吸附鹅蛋；接着气缸控制齿轮移动以与升降机构的齿条啮合，然后控制齿轮旋转，使升降机构上升；最后平面关节机器人自旋转，将鹅蛋放入收集盒内。

优选的，所述接收槽机构中，所述硬质通气管顶部设有外突的限位块，所述壳体内侧顶部设有限位腔，壳体底部设有供硬质通气管穿过的通孔，该通孔内侧对称设有一对L型限位导轨，一对L型限位导轨分别置于硬质通气管两侧；所述负压发生器、硬质通气管的限位块置于限位腔内，硬质通气管下降时，限位腔与限位块配合，齿条底部与L型限位导轨配合，可对硬质通气管进行限位。

优选的，所述输送机构包括螺旋轨迹的鹅蛋传送管道，该鹅蛋传送管道包括与产蛋房出口连通并倾斜布置的管道本体、布满管道本体管壁的若干橡胶滚珠、若干连杆，所述管道本体的管壁设有若干道螺旋槽，每道螺旋槽铺满若干橡胶滚珠，形成螺旋轨迹，每个橡胶滚珠通过连杆与对应螺旋槽处的管道本体相连接。

优选的，所述输送机构还包括点阵式平台，该点阵式平台包括与鹅蛋传送管道末端连接的平台本体、摄像机、若干升降杆、若干膜压力传感器、若干伺服电缸以及PLC、计算机，所述伺服电缸呈点阵式布置于平台本体上；所述升降杆与所述伺服电缸一一对应并相连接，位于对应伺服电缸的上端，所述膜压力传感器与所述升降杆一一对应，并位于对应升降杆的上表面，所述摄像机安装于平台本体上方；

鹅蛋与膜压力传感器接触而产生信号，将位置信息传递给PLC，PLC控制摄像机位移，将拍摄到的鹅蛋图像上传给计算机，计算机判断升降杆是否位于鹅蛋轮廓内，继而通过PLC控制位于鹅蛋轮廓内的升降杆上升，通过控制升降杆的升降完成对鹅蛋的传送，使其进入集成式打码机构的传送带上。

上述基于物联网的智能化种鹅选育管理系统的运行方法，其特征是，包括以下步骤：

1)种鹅进入产房产蛋，RFID读写器读取种鹅脚脚环上的RFID标签，获取到种鹅的信息，传输给工业控制计算机；

2)种鹅产蛋后，以尖头或者圆头滚落至鹅蛋传送管道进行传送，鹅蛋进入倾斜摆放的管道后，沿着螺旋轨迹进行滚动，由于鹅蛋的滚落有一定的速度，在螺旋轨迹上铺满了橡胶滚珠来辅助滚动，同时避免了鹅蛋对管壁内壁的碰撞；由于鹅蛋在管道内是沿着一定轨迹的螺旋线滚动的，使鹅蛋进行旋转、平稳滚落至点阵式平台；

3)此时位于点阵平台上方的摄像机移动到鹅蛋上方进行摄像，将拍摄到的图像数据传输给计算机，计算机模拟计算出鹅蛋的轮廓；然后运用OpenCV视觉库的pointPolygonTest检测升降杆中心点是否在轮廓内，接着通过PLC控制伺服电缸对在轮廓内的升降杆进行上升；并且在升降杆上升至与鹅蛋表面接触时停止上升，会在鹅蛋下方形成了一个适应鹅蛋体积的凹槽，最后PLC控制伺服电缸通过升降杆的升降完成对鹅蛋的传送；

4)鹅蛋离开点阵平台后，滚落至进入集成式打码机构的传送带上，按照工序对鹅蛋上表面进行清洗、烘干、打码、覆膜；

5)最后鹅蛋滚落至接收槽本体，压电传感器采集鹅蛋信息，并传送给控制主板一，由控制主板一将控制指令通过无线坐标接收模块传送给平面关节机器人，使平面关节机器人的气动吸附装置吸附鹅蛋并自旋转，将鹅蛋放入收集盒内。

本发明的有益效果如下：

1.采用螺旋轨迹的鹅蛋传送管道，利用橡胶滚珠组成的螺旋轨迹，在传送管道内平稳传送，能使鹅蛋保持既定的方向并且避免了鹅蛋对管道内壁的碰撞，并且用连杆将滚珠连接起来，管道采用聚四氟乙烯这种具有一定弹性的材质，能适应不同体积的鹅蛋在管道内的滚动，并且在鹅蛋滚出管道后能够复原到原始形状。螺旋轨迹的鹅蛋传送管道不仅具有对鹅蛋传送平稳、保护鹅蛋的完整性的特点，而且具有较低的生产成本。

2.点阵式平台，利用安装在每个升降杆表面地膜压力传感器实现了鹅蛋在平台上的定位，通过图像传输及OpenCV视觉库函数确定鹅蛋位于鹅蛋轮廓内的升降杆，采用PLC控制伺服电机实现了鹅蛋所处升降杆的升降运动的功能，使其稳定传送，保证了鹅蛋传送的稳定性和减少了碰撞所带来的破损，提高了鹅蛋的传动效率。

3.集成式打码机构，通过超声波清洗槽清洗毛刷，可以实现自洁净，减少了人工清洗成本，对鹅蛋进行喷墨打码实现了提高了对种鹅低产个体筛选的准确率，覆膜减少了二维码非人为因素的破坏。通过集成的方式减少了空间的占有率，而且大大的降低了生产成本，提高了打码效率。集成式打码机构了对鹅蛋的自动清洗烘干和打码覆膜，实现了对种鹅低产个体筛选的准确率，对促进养殖服务业优质高效生产和提高经济效益具有特殊的现实意义。

4.接收槽机构，利用压电传感器测出鹅蛋在接收槽内滚动的加速度，积分求得速度和滚动距离，进行坐标转换实现鹅蛋的定位。利用可以远离升降机构的齿轮实现了自由落体的升降机构，避免了机械下降时对鹅蛋的压力过大导致的鹅蛋破损，采用塑胶材质的吸盘能很好地吸附鹅蛋，通过平面关节型机器人的平面转动，可以将鹅蛋整齐的放置在收纳箱内，不仅减少了人工成本，还提高了鹅蛋收集的效率。

附图说明

图1是本发明系统的整体结构示意图；

图2-1是本发明螺旋轨迹的鹅蛋传送管道结构示意图；

图2-2是本发明鹅蛋传送管道中滚珠连接示意图；

图2-3是本发明鹅蛋传送管道的螺旋形数学模型示意图；

图3-1是本发明点阵式平台的整体结构示意图；

图3-2是本发明点阵式平台中鹅蛋的前进示意图；

图3-3是本发明点阵式平台的工艺流程图；

图3-4是本发明点阵式平台的系统原理图；

图4-1是本发明集成式打码机构的整体结构示意图；

图4-2是本发明实施例集成式打码机构中轮廓提取流程图；

图4-3是本发明实施例集成式打码机构中的鹅蛋轮廓拟合主视图；

图4-4是本发明实施例集成式打码机构中的鹅蛋轮廓拟合侧视图；

图4-5是本发明实施例集成式打码机构中的运行图；

图5-1是本发明接收槽机构的整体结构示意图；

图5-2是本发明接收槽机构中气动吸附装置的升降原理图；

图5-3是本发明接收槽机构运行图；

图中：产蛋房1、鹅蛋传送管道2、点阵式平台3、集成式打码机构4、接收槽机构5；脚环1-1；管道本体2-1、橡胶滚珠2-2、连杆2-3；平台本体3-1、挡板3-2、摄像机3-3、升降杆3-4、膜压力传感器3-5、伺服电缸3-6；

支架4-1、毛刷传送带4-2-1、超声波装置4-2-2、水管4-2-3、清洗槽4-2-4、电机4-2-5、自动烘干装置4-3、自动打码装置4-4、覆膜溶剂管道4-5-1、喷嘴4-5-2、导轨4-6、激光扫描装置4-7、传送带4-8、控制主板二4-9、无线轮廓接收模块4-10。

收槽本体5-1、控制主板一5-2、压电传感器5-3、电荷放大器5-4、无线坐标接收模块5-5、吸盘5-6-1、接触传感器5-6-2、升降机构5-6-3、壳体5-6-4、负压发生器5-6-5、气缸5-6-6、通气软管5-6-7、齿轮5-6-8、L型限位导轨5-6-9、齿条5-6-10、限位块5-6-11、限位腔5-6-12、平面关节机器人5-7、收集盒5-8。

具体实施方式

如图1所示，一种基于物联网的智能化种鹅选育管理系统，包括产蛋房1、与产蛋房出口连通的输送机构、与输送机构末端相连的集成式打码机构4以及设置于集成式打码机构末端的接收槽机构5。

集成式打码机构，包括传送带4-8、设置于传送带两侧的支架4-1、连接两支架的导轨4-6以及依次滑动连接于导轨上的自洁净清洗装置4-3、自动烘干装置4-3、自动打码装置4-4、自动覆膜装置，自洁净清洗装置、自动烘干装置、自动打码装置、自动覆膜装置位于传送带上方。

接收槽机构，包括接收槽本体5-1、控制主板一5-2、压电传感器5-3、无线坐标接收模块5-5、气动吸附装置、平面关节机器人5-7和收集盒5-8；压电传感器固定在接收槽本体表面，气动吸附装置固定在平面关节机器人机械臂上，平面关节型机器人和收集盒位于接收槽本体同一侧。

种鹅进入产蛋房1，RFID读写器读取种鹅脚脚环1-1上的RFID标签，获取到种鹅的信息，传输给工业控制计算机；种鹅在产蛋房产蛋后，鹅蛋由输送机构入集成式打码机构的传送带上，集成式打码机构依次对鹅蛋需要打码处进行清洁、烘干、打码、覆膜，而后鹅蛋进入接收槽本体，压电传感器采集鹅蛋信息，并传送给控制主板一，由控制主板一将控制指令通过无线坐标接收模块传送给平面关节机器人，使平面关节机器人的气动吸附装置吸附鹅蛋并自旋转，将鹅蛋放入收集盒内。

一，如图2-1至2-2所示，螺旋轨迹的鹅蛋传送管道，由管道本体2-1、橡胶滚珠2-2和连杆2-3组成。管道本体采用的聚四氟乙烯材质，具有一定的弹性，能适应不同体积大小鹅蛋进入管道后，进行弹性扩展，并且能在鹅蛋滚出管道后，能形状复原。橡胶滚珠采用的是橡胶材质，避免了滚珠与鹅蛋接触时造成的破损，并且起到了传动的作用。连杆两端固定在管道本体内，采用过盈配合，不仅起到了传动的作用，还对管道本体进行连接，起到了一定的加固作用，连杆中部与滚珠相连接，采用间隙配合，便于滚珠的滚动，所述连杆采用的是聚四氟乙烯材质，具有一定的弹性。

种鹅产蛋后，以尖头或者圆头滚落至管道进行传送，鹅蛋进入倾斜摆放的管道后，沿着螺旋轨迹进行滚动，由于蛋的滚落有一定的速度，在轨迹上铺满了橡胶滚珠来辅助滚动，同时避免了鹅蛋对管壁内壁的碰撞，滚珠通过连杆与管道本体相连接。由于鹅蛋在管道内是沿着一定轨迹的螺旋线滚动的，使鹅蛋进行旋转，保证了鹅蛋出管道时的速度的稳定性，以及鹅蛋滚动的平稳。

如图2-3所示，鹅蛋在螺旋轨迹管道滚动的数学建模具体步骤为：

第一步：以管道的轴向方向为x轴，管道口平面建立y轴和z轴：

式中，θ为螺旋在y轴和z轴平面中与y轴的夹角。螺旋模型为：F(x,y,z)＝F(x,rcosθ,rsinθ)；

第二步：设时间变量为t，建立鹅蛋滚动的时间数学模型：

式中，f(t)为鹅蛋在x轴上的位移函数,R为鹅蛋本身的最大直径，θ_t为时间的角度函数。则鹅蛋滚动的数学模型为：

F(x,y,z)＝F(f(t),Rcosθ_t,Rsinθ_t)

螺旋与管道中心线的夹角：

第三步，求得鹅蛋在管道坐标系中运动的速度分量：

第四步：求得第三步中f(t)、θ_t的表达式：

鹅蛋在x轴方向的加速度a_x＝gsinβ-μgcosβ

式中，μ为鹅蛋与橡胶滚珠接触的摩擦系数，β为管道放置时的倾斜角。

鹅蛋在管道内的自转角速度ω＝(tgα/r)v_z

式中，α为鹅蛋表面一点运动轨迹的切线与管道轴线的平行线夹角。

可以通过控制管道的倾斜角β和橡胶滚珠与鹅蛋的摩擦系数以及鹅蛋表面一点运动轨迹的切线与管道轴线的平行线夹角，对鹅蛋的运动表达式进行控制。

利用橡胶滚珠组成的螺旋轨迹，实现了鹅蛋在传送管道内平稳地螺旋传送，使鹅蛋在滚出管道后能保持一定的方向并且滚动稳定，橡胶滚珠不仅起到了传动作用而且避免了鹅蛋对管道内壁的碰撞，确保了鹅蛋的完整性；通过用连杆将滚珠与管道连接起来，管道采用聚四氟乙烯这种具有一定弹性的材质，能适应不同体积的鹅蛋在管道内的滚动，并且在鹅蛋滚出管道后能够复原到原始形状；本发明不仅具有对鹅蛋传送平稳、保护鹅蛋的完整性的特点，而且具有较低的生产成本。

二、如图3-1至3-2所示，种鹅产蛋点阵式平台，点阵式平台由平台本体3-1、摄像机3-3、升降杆3-4、膜压力传感器3-5、伺服电缸3-6和挡板3-2组成；挡板与平台本体相连接，位于所述平台本体两侧；升降杆与所述伺服电缸相连接，位于所述伺服电缸的上端；所述膜压力传感器位于所述升降杆的上表面。所述平台本体在鹅蛋传送方向的两侧分别设有硅胶材质的挡板。所述升降杆的最大上升高度为5cm,升降杆外部包覆有硅胶材质。所述平台本体上方安装有导轨以及有电机驱动的同步带，所述摄像机分别与导轨、同步带连接，PLC控制电机驱动，带动同步带，使摄像机在垂直于鹅蛋传送方向上沿导轨滑动(左右移动)。

如图3-3、图3-4所示，该种鹅产蛋点阵式平台的控制方法：

1)种鹅产蛋后，鹅蛋进入点阵式平台，由于鹅蛋与升降杆表面的膜压力传感器接触产生信号，并将该信号传送给PLC，实现了对鹅蛋所处位置的定位；

2)此时PLC控制位于平台本体上方的摄像机移动到鹅蛋上方进行摄像，将拍摄到的图像数据传输给计算机，计算机模拟计算出鹅蛋的轮廓；

3)然后计算机运用OpenCV视觉库的pointPolygonTest检测升降杆中心点是否在轮廓内，接着通过PLC控制伺服电缸对在轮廓内的升降杆进行上升；

4)在升降杆上升至与鹅蛋表面接触时，对应的膜压力传感器产生信号给PLC，PLC控制升降杆停止上升，会在鹅蛋下方形成了一个适应鹅蛋体积的凹槽；

5)鹅蛋前进方向确定，鹅蛋前部升降杆下降，鹅蛋开始向前进方向滚动，开始滚动后，鹅蛋后部升降杆下降，前部升降杆上升，依次升降，形成升降流态，使鹅蛋不断向前滚动；以此PLC控制伺服电缸通过升降杆的升降，通过鹅蛋前进方向的升降杆的升降流态地前进，完成对鹅蛋的传送。

具体地，所述点阵式平台对应的数学模型是m×n个a_ij组成的矩阵，其中1≤i≤m，1≤j≤n，0≤a_ij≤1。

具体地，所述每个升降杆4下方都配有一个伺服气缸6，确保每个升降杆都能实现升降功能。

具体地，所述升降杆4形状均采用圆柱体外形。所述升降杆的升降是通过PLC的升降指令控制伺服电缸，结合编码器的反馈位置信号控制机械执行机构运作。

具体地，所述膜压力传感器5设置在升降杆表面，每个升降杆表面都设有膜压力传感器，通过感应有无鹅蛋在平台上滚落，传递信号给PLC控制中心，实现对需要升降平台的定位功能。

具体地，所述PLC采用的型号为DVP-32EH，具有16个输入点和16个输出点，通过RS232串口与计算机进行通信，进行图像的传输和进行轮廓内升降杆的确定。

具体地，所述轮廓内升降杆确定的步骤为：

第一步：拍摄鹅蛋照片，并且将图片传输给计算器；

第二步：计算机进行预处理，并将连通区进行去噪；

第三步：对图像进行直线拟合和霍夫直线检测，确定鹅蛋在点阵平台上俯视视角的轮廓；

第四步：通过OpenCV视觉库中的pointPolygonTest，通过C++：doublepointPolygonTest(InputArraycontour,Point2fpt,boolmeasureDist)来判断升降杆的中心点是否在鹅蛋轮廓内，当measureDist设置为false时，返回-1、0、1三个固定值。若返回值为+1，表示点在鹅蛋轮廓内部，返回值为-1，表示在鹅蛋轮廓外部，返回值为0，表示在鹅蛋轮廓上。

利用安装在每个升降杆表面地膜压力传感器实现了鹅蛋在平台上的定位，通过图像传输及OpenCV视觉库函数确定鹅蛋位于鹅蛋轮廓内的升降杆，采用PLC控制伺服电机实现了鹅蛋所处升降杆的升降运动的功能，使其稳定传送，保证了鹅蛋传送的稳定性和减少了碰撞所带来的破损，提高了鹅蛋的传动效率。每个升降杆下方都配有一个伺服气缸，确保每个升降杆都能实现升降功能。

三，如图4-1所示，集成式打码机构，包括自洁净清洗装置，自动烘干装置4-3，自动打码装置4-4，自动覆膜装置，传送带4-8，激光扫描装置4-7，支架4-1、导轨4-6，控制主板二4-9以及无线轮廓接收模块4-10。自洁净装置由毛刷传送带4-2-1、超声波装置4-2-2、水管4-2-3、清洗槽4-2-4和电机4-2-5组成；自动覆膜装置由覆膜溶剂管道4-5-1和喷嘴4-5-2组成；控制主板二4-9由主控制器和无线通信模块集成。

具体地，所述自洁净清洗装置、自动烘干装置、自动打码装置和自动覆膜装置固定在导轨上，通过有电机驱动的同步带实现在导轨上的直线移动(沿传送带输送方向,即X向)，支架可以升降实现上下移动(即Z向)，两根支架上设有Y向的轨道(图中省略未画出)，导轨6的两端分别安装于该Y向轨道(导轨6在Y向轨道上直线运动，即垂直于传送带输送方向)，上述结构构成三自由度装置，实现了装置基于鹅蛋不同轮廓在空间坐标系内地精确移动。

具体地，所述自洁净清洗装置，通过超声波对经过清洗槽4-2-4的毛刷传送带进行清洗，确保了毛刷的清洁干净，实现了自洁净的功能。水管4-2-3能够起到定时排放污水和注入洁净水，确保了水源的洁净。

具体地，所述毛刷传送带采用软毛刷，避免了毛刷清洗过程中，对鹅蛋表面造成的损坏。毛刷清洗时，传送带两端会有固定装置伸出轻微限制住鹅蛋实现固定清洗。

该集成式打码机构的控制方法，鹅蛋位于传送带输入端时，激光扫描装置对鹅蛋进行激光扫描，主控制器将激光扫描得到的鹅蛋点云集经过无线通信模块传输给交互计算机，交互计算机根据接收到的信息得出鹅蛋的轮廓和坐标信息，同时交互计算机将轮廓和坐标信息发出，自洁净清洗装置通过无线轮廓接收模块将轮廓和坐标信息，规划出清洗路线，此时电机4-2-5转动带动毛刷传送带转动4-2-1，通过毛刷与蛋表面的摩擦接触对要打码的鹅蛋表面进行清洗，清洗完成后传送带4-8传送鹅蛋至自动烘干装置4-3对清洗过的鹅蛋表面进行热风干，烘干完成后鹅蛋被传送至自动打码装置4-4，自动打码装置对鹅蛋进行打码，以二维码的形式印在鹅蛋表面，最后鹅蛋被传送至自动覆膜装置，轮廓和坐标信息经无线轮廓接收模块传输至自动覆膜装置，进行喷嘴4-5-2轨迹的规划。

如图4-2、图4-3所示，具体地，所述激光扫描装置4-7用于对鹅蛋的轮廓提取，具体步骤为：

第一步：鹅蛋经过传送带传送到激光扫描装置区域，激光扫描得到鹅蛋主视的点云数据和侧视的点云数据。点云数据之间进行配对，变化关系为：

式中R为旋转变换矩阵，T为平移变换矩阵。

第二步：对扫描得到的点云数据进行降噪和平滑。

第三步：对点云数据进行精简，并对精简得到的轮廓进行拟合。

第四步：对图像进行三维坐标转换并确定洗车轨迹。如图3、图4所示的a～h点，以y轴为基准，设毛刷坐标为m(o,p,q)。

(1)当a_y<p<b_y,l_ab每次朝Y轴移动的固定距离为d，以i为计数。开始以o＝e_x,p＝a_y+id向z轴正向运动，直至q＝q_h，然后以q＝q_h向x轴正向移动直至o＝f_g,最后以o＝f_g，p＝a_y+id向z轴负方向运动，直至q＝q_f。

(2)当b_y<p<c_y，开始以o＝f_x，p＝b_y+id向z轴正向移动，直至q＝q_c，然后以o＝o_g向o＝o_h移动，最后以o＝o_h，p＝b_y+id向z轴负方向移动直至o＝o_e。

(3)当c_y<p<d_y,开始以o＝e_x,p＝c_y+id向z轴负向运动，直至q＝q_h，然后以q＝q_h向x轴正向移动直至o＝f_g，最后以o＝f_g，p＝c_y+id向z轴正方向运动，直至q＝q_f。a_y表示a点在y轴的坐标值(其余同理)，l_ab表示线段ab方程(其余同理)。

具体地，所述鹅蛋轮廓通过控制主板4-9上的主控制器将激光扫描得到的鹅蛋点云集经过无线通信模块传输给交互计算机，交互计算机根据接收到的信息得出鹅蛋的轮廓和坐标信息，同时交互计算机将轮廓和坐标信息发出，集成装置通过无线轮廓接收模块4-10接收到轮廓信息。

具体地，所述自动打码装置4-4通过RS485模块与上位机相连接。通过mobebusRTU通讯协议进行RS485半双工通信，将鹅蛋所对应的信息传输给打码器，实现喷墨打码标识。

具体地，所述自动覆膜装置采用的是将聚乙烯注入覆膜溶剂管道4-5-1，经过喷嘴4-5-2喷射到鹅蛋表面进行覆膜，聚乙烯喷膜在鹅蛋表面对二维码进行了保护，避免了二维码因为摩擦、水浸泡变得模糊，减少了非人为因素对二维码的破坏。

具体地，所述喷嘴4-5-2的喷射高度为h，喷嘴4-5-2喷膜轨迹形成的具体的操作步骤为：

第一步：设置n个平行于喷嘴喷膜法向平行面，将覆膜表面进行等距切割，平行面的间距m表达式为：m＝D/n，其中D表示平行面之间的最大值。

第二步：取一平行面H_i，在其两侧m/2处各取一个平行面，根据激光扫描得到的点云，得到两个点云集，将两个点云集内的点进行最小距离配对连线，设两个点云集的两点为A_i和B_i,连线l_i为：

第三步：设连线l于平行面H的交点K_i为(x_i,y_i,z_i)，

式中，x_mia为点云在x分量的最小值，H_j为平行面，j＝0,1,….,n-1。

第四步：按照以上三步求出喷膜路径的所有点。

第五步：喷嘴喷膜必须垂直于鹅蛋表面，覆膜鹅蛋表面可以看成一个球体表面，喷嘴的路径取决于喷膜的高度h，采用轮廓扫描时所建立的坐标系，得到喷嘴的路径点Q(x_a,y_a,z_a)坐标：

式中，

具体地，所述一种能够清洗鹅蛋和覆膜的集成式打码装置及控制方法采用的是专家控制系统，自洁净的链条传动速度、超声波的频率、毛刷运动方向、打码和覆膜高度都是可以调控的。

通过集成的方式将四个装置集成一个装置，大大地减少了空间的占有率。自洁净清洗装置可以实现毛刷的自洁净功能，避免了人工换洗毛刷的成本；自动烘干装置烘干鹅蛋表面方便打码覆膜；自动打码装置对鹅蛋进行打码标识；自动覆膜装置对鹅蛋上的二维码进行保护。该装置机械自动化程度高，空间占有率少，能够实现自洁净，效率高，提高了种鹅低产个体筛选的准确率，对促进养殖服务业优质高效生产和提高经济效益具有特殊的现实意义。

四，如图5-1、5-2所示，鹅蛋接收槽，包括接收槽本体5-1、控制主板5-2、压电传感器5-3、电荷放大器5-4、无线坐标接收模块5-5、气动吸附装置、平面关节机器人5-7和收集盒5-8；所述控制主板一5-2由单片机、数字信号处理器和无线通信模块集成；所述压电传感器固定在接收槽表面；所述气动吸附装置固定在平面关节机器人机械臂上；所述吸盘与所述升降机构螺旋连接；所述平面关节型机器人、气动吸附装置和收集盒位于接收槽本体同一侧。

如图5-3所示，当鹅蛋滚落至接收槽内，由于鹅蛋具有初速度，压电传感器5-3采集到鹅蛋在接收槽5-1内的加速度，经过电荷放大器5-4输出采集值，经过数字信号处理得到鹅蛋在定位坐标系内速度和滚动距离，实现定位功能。单片机将速度和滚动距离参数通过无线通讯模块输送给无线坐标接收模块5-5，此时平面关节型机器人5-7对鹅蛋进行定位，气缸5-6-6控制齿轮5-6-8远离升降机构，升降机构5-6-3进行自由落体运动，吸盘5-6-1接触到鹅蛋后，接触传感器5-6-2传递信号，此时高压气体通过负压发生器5-6-5，吸盘5-6-1呈现负压吸附鹅蛋，气缸5-6-6控制齿轮5-6-8靠近升降机构5-6-3，当齿轮与齿条接触后，升降机构上升，实现鹅蛋的吸附、提升，最后放置到收集盒5-8，完成鹅蛋的收集。

具体地，本实例所用的压电传感器5-3采用的是KS76压电传感器，结合AD108运算放大器和TMS320F240数字信号处理器，实现了鹅蛋在接收槽上的坐标转换。本实施例所用无线通信模块采用的是nRF24L01无线收发模块。本实施例所用的单片机是AVR单片机的ArduinoUNOR3开发板，将数字信号处理器处理的速度、位置信息经无线通信模块传递给无线坐标接收模块5-5。

具体地，所述压电传感器5-3的定位方法具体步骤为：

第一步：当鹅蛋滚落至接收槽，铺在接收槽表面的压电元件输出鹅蛋在运动坐标系中的数值；

第二步：通过数字信号处理器对输出的数值进行坐标转换，将输出值转换为定位坐标系中的值；

第三步：在定位坐标系中求得鹅蛋的滚落的速度，确定位置，实现定位功能。

具体地，所述鹅蛋滚落的速度、滚落位置确定方程，通过设置时间周期T，在设置的时间周期内，对加速度的减少值作n次采集，记为C_m-1，设鹅蛋滚落至接收槽时的速度为v_m-1则t_m时刻时v_m为：

式中，f^b为坐标转换系数，Δ_t为误差修正值。

则t_m时刻时鹅蛋的前进距离x_m为：

求得距离起点的位置，从而实现了定位功能，方便了吸盘的定位抓取。

具体地，所述吸盘5-6-1采用的是塑胶材质，当升降机构自由落体时能避免吸盘与鹅蛋接触时压力过大导致鹅蛋破损，起到了保护鹅蛋的功能。

具体地，所述吸盘外部装有接触传感器5-6-2，实现了当升降机构自有落体下降，吸盘接触到鹅蛋时，高压气体通过负压发生器，吸盘表面呈现负压，实现鹅蛋的自动吸附功能。

具体地，如图5-2所示，所述升降机构5-6-3采用的是通过齿轮5-6-8旋转进行上升，自由落体进行下降，当无线轮廓接收模块接收到鹅蛋的位置信息，平面关节型机器人5-7进行定位转动，使吸盘5-6-1位于鹅蛋正上方，气缸5-6-6控制位于升降机构5-6-3一侧的齿轮5-6-8远离升降机构，使其做自由落体，待传感器检测到吸盘和鹅蛋接触后，气缸控制齿轮5-6-8向升降机构靠近，再电动控制升降机构上升实现升降功能。

具体地，所述气动吸附装置和平面关节型机器人是三自由度，分别为平面关节型机器人5-7机械臂绕Z轴的旋转，齿轮5-6-8的水平位移和升降机构5-6-3的垂直升降。

具体地，所述收纳箱8采用的是分布格式，共设置了20个格子，按照5行4列排列，每个格子的大小为7cm×7cm。

利用压电传感器测出鹅蛋在接收槽内滚动的加速度，积分求得速度和滚动距离，进行坐标转换实现鹅蛋的定位。利用可以远离升降机构的齿轮实现了自由落体的升降机构，避免了机械下降时对鹅蛋的压力过大导致的鹅蛋破损，采用塑胶材质的吸盘能很好地吸附鹅蛋，通过平面关节型机器人的平面转动，可以将鹅蛋整齐的放置在收纳箱内，不仅减少了人工成本，还提高了鹅蛋收集的效率。

Claims (10)

1.一种基于物联网的智能化种鹅选育管理系统，其特征是，包括产蛋房、与产蛋房出口连通的输送机构、与输送机构末端相连的集成式打码机构以及设置于集成式打码机构末端的接收槽机构；

所述集成式打码机构，包括传送带、设置于传送带两侧的支架、连接两支架的导轨以及依次滑动连接于导轨上的自洁净清洗装置、自动烘干装置、自动打码装置、自动覆膜装置，所述自洁净清洗装置、自动烘干装置、自动打码装置、自动覆膜装置位于传送带上方；

所述接收槽机构，包括接收槽本体、控制主板一、压电传感器、无线坐标接收模块、气动吸附装置、平面关节机器人和收集盒；所述压电传感器固定在接收槽本体表面，所述气动吸附装置固定在平面关节机器人机械臂上，所述平面关节型机器人和收集盒位于接收槽本体同一侧；

种鹅在产蛋房产蛋后，鹅蛋由输送机构入集成式打码机构的传送带上，集成式打码机构依次对鹅蛋需要打码处进行清洁、烘干、打码、覆膜，而后鹅蛋进入接收槽本体，压电传感器采集鹅蛋信息，并传送给控制主板一，由控制主板一将控制指令通过无线坐标接收模块传送给平面关节机器人，使平面关节机器人的气动吸附装置吸附鹅蛋并自旋转，将鹅蛋放入收集盒内。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智能化种鹅选育管理系统，其特征是，所述集成式打码机构中，传送带输入端设有激光扫描装置，所述支架上设有控制主板二以及无线轮廓接收模块；所述控制主板二由主控制器和无线通信模块集成，所述激光扫描装置与主控制器连接，主控制器通过无线通信模块与无线轮廓接收模块相连。

3.根据权利要求2所述的一种基于物联网的智能化种鹅选育管理系统，其特征是，所述集成式打码机构中，所述自洁净装置由毛刷传送带、超声波装置、水管、清洗槽和电机组成；所述超声波装置设置于清洗槽，所述清洗槽底部设置水管；所述毛刷传送带由电机驱动，并绕若干滚轮分布呈多边形结构，使毛刷传送带具有一可与下方鹅蛋接触的凸出部分、具有一可伸入清洗槽内的凸出部分。

4.根据权利要求3所述的一种基于物联网的智能化种鹅选育管理系统，其特征是，所述集成式打码机构中，所述自动覆膜装置由覆膜溶剂管道和喷嘴组成。

5.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智能化种鹅选育管理系统，其特征是，所述接收槽机构中，所述控制主板一由单片机、数字信号处理器和无线通信模块集成，所述压电传感器采集到鹅蛋在接收槽本体内的加速度，经过电荷放大器输出采集值，传输给数字信号处理器，单片机将由数字信号处理器处理后的参数通过无线通讯模块输送给无线坐标接收模块。

6.根据权利要求5所述的一种基于物联网的智能化种鹅选育管理系统，其特征是，所述接收槽机构中，所述气动吸附装置由与平面关节机器人相连的壳体、吸盘、接触传感器、升降机构、负压发生器和气缸组成；所述气缸安装于壳体内侧壁,气缸的输出轴安装有电机,所述电机的输出轴安装有齿轮；

所述负压发生器固定于壳体内侧顶部，所述升降机构包括与负压发生器的通气软管连通的硬质通气管以及安装于硬质通气管外侧壁的齿条，所述吸盘安装于硬质通气管底部，并置于壳体下方，所述接触传感器安装于吸盘；

升降机构自由落体，使吸盘与鹅蛋接触，此时接触传感器触发负压发生器，吸盘产生负压吸附鹅蛋；接着气缸控制齿轮移动以与升降机构的齿条啮合，然后控制齿轮旋转，使升降机构上升；最后平面关节机器人自旋转，将鹅蛋放入收集盒内。

7.根据权利要求6所述的一种基于物联网的智能化种鹅选育管理系统，其特征是，所述接收槽机构中，所述硬质通气管顶部设有外突的限位块，所述壳体内侧顶部设有限位腔，壳体底部设有供硬质通气管穿过的通孔，该通孔内侧对称设有一对L型限位导轨，一对L型限位导轨分别置于硬质通气管两侧；所述负压发生器、硬质通气管的限位块置于限位腔内，硬质通气管下降时，限位腔与限位块配合，齿条底部与L型限位导轨配合，可对硬质通气管进行限位。

8.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智能化种鹅选育管理系统，其特征是，所述输送机构包括螺旋轨迹的鹅蛋传送管道，该鹅蛋传送管道包括与产蛋房出口连通并倾斜布置的管道本体、布满管道本体管壁的若干橡胶滚珠、若干连杆，所述管道本体的管壁设有若干道螺旋槽，每道螺旋槽铺满若干橡胶滚珠，形成螺旋轨迹，每个橡胶滚珠通过连杆与对应螺旋槽处的管道本体相连接。

9.根据权利要求8所述的一种基于物联网的智能化种鹅选育管理系统，其特征是，所述输送机构还包括点阵式平台，该点阵式平台包括与鹅蛋传送管道末端连接的平台本体、摄像机、若干升降杆、若干膜压力传感器、若干伺服电缸以及PLC、计算机，所述伺服电缸呈点阵式布置于平台本体上；所述升降杆与所述伺服电缸一一对应并相连接，位于对应伺服电缸的上端，所述膜压力传感器与所述升降杆一一对应，并位于对应升降杆的上表面，所述摄像机安装于平台本体上方；

鹅蛋与膜压力传感器接触而产生信号，将位置信息传递给PLC，PLC控制摄像机位移，将拍摄到的鹅蛋图像上传给计算机，计算机判断升降杆是否位于鹅蛋轮廓内，继而通过PLC控制位于鹅蛋轮廓内的升降杆上升，通过控制升降杆的升降完成对鹅蛋的传送，使其进入集成式打码机构的传送带上。

10.一种基于物联网的智能化种鹅选育管理系统的运行方法，其特征是，包括以下步骤：

1)种鹅进入产蛋房产蛋，RFID读写器读取种鹅脚脚环上的RFID标签，获取到种鹅的信息，传输给工业控制计算机；

2)种鹅产蛋后，以尖头或者圆头滚落至鹅蛋传送管道进行传送，鹅蛋进入倾斜摆放的管道后，沿着螺旋轨迹进行滚动，由于鹅蛋的滚落有一定的速度，在螺旋轨迹上铺满了橡胶滚珠来辅助滚动，同时避免了鹅蛋对管壁内壁的碰撞；由于鹅蛋在管道内是沿着一定轨迹的螺旋线滚动的，使鹅蛋进行旋转、平稳滚落至点阵式平台；

3)此时位于点阵平台上方的摄像机移动到鹅蛋上方进行摄像，将拍摄到的图像数据传输给计算机，计算机模拟计算出鹅蛋的轮廓；然后运用OpenCV视觉库的pointPolygonTest检测升降杆中心点是否在轮廓内，接着通过PLC控制伺服电缸对在轮廓内的升降杆进行上升；并且在升降杆上升至与鹅蛋表面接触时停止上升，会在鹅蛋下方形成了一个适应鹅蛋体积的凹槽，最后PLC控制伺服电缸通过升降杆的升降完成对鹅蛋的传送；

4)鹅蛋离开点阵平台后，滚落至进入集成式打码机构的传送带上，按照工序对鹅蛋上表面进行清洗、烘干、打码、覆膜；

5)最后鹅蛋滚落至接收槽本体，压电传感器采集鹅蛋信息，并传送给控制主板一，由控制主板一将控制指令通过无线坐标接收模块传送给平面关节机器人，使平面关节机器人的气动吸附装置吸附鹅蛋并自旋转，将鹅蛋放入收集盒内。

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