近年来，中国畜禽养殖业规模和产值不断增加，2019年总产值达到3.3万亿元，约占农业总产值的30%，且畜禽产品种类、总量和产值等均距世界前列。然而随着畜禽养殖集约化程度不断提高，高密度养殖对畜禽舍内防疫安全形成巨大挑战。液体药剂喷洒是畜禽养殖过程中最基础、最有效、最广泛的防疫措施，包括消毒喷雾和防疫喷雾两类作业方式。其中，消毒液喷雾可以消灭散播于外界环境中的病原微生物和有害物质，切断传播途径，阻止疫病的传入和蔓延，减少有害物质排放的风险，是预防和控制传染病、维持养殖环境生态安全的必要途径。防疫喷雾是将稀释的疫苗雾滴散布于养殖舍空气中，随动物呼吸而进入体内，具有应激刺激小、免疫保护快、免疫效率高、通用性好等功能，是禽类养殖环境免疫的必要环节。由于防疫消毒喷雾作业频次高、操作规范严格、作业环境恶劣，依靠人工进行防疫消毒耗时费力，且不利于保证作业标准和防疫效果，因此，研发和应用自动化防疫消毒设备，代替或辅助人力作业，对于保障中国畜禽养殖安全和高效生产具有重要意义。
养殖舍内自动化防疫消毒喷雾作业设备是国内外养殖装备行业的研究热点，现有设备主要分为固定式和移动式两类。固定式喷雾设备主要为养殖舍顶部安装的喷雾管道，通过随管道阵列分布的喷头向下方喷洒药剂，其喷雾效率高，但是药液雾滴空间沉积均匀性差，且无法满足免疫喷雾对器械的清洁性要求。移动式喷雾设备主要通过移动平台承载喷雾部件在养殖舍内移动喷雾，以实现不同区域的防疫消毒，其通用性强，可兼顾消毒和免疫喷雾作业，但目前主要以背负式或手推式的半自动设备为主，作业效率较低。近年来，随着养殖模式集约化和标准化程度的不断提高，研发和应用全自动移动式防疫消毒机器人，可有效促进养殖舍内智能化高效管理。国外以法国OCTOPUS公司的SCARIFIER消毒机器人为代表，实现了散养肉鸡舍内的无人化消毒防疫，并形成了商业化应用。养殖舍内自主移动和药液高效雾化喷洒是机器人防疫消毒的必要前提。国外当前针对散养鸡舍采用的激光导航和超声雾化技术，存在移动平台生产成本高、药液扩散范围小的问题，难以满足国内集约化笼养禽舍防疫消毒作业需要。
本研究针对畜禽养殖舍内智能化防疫喷雾需要，设计了防疫消毒机器人系统，并对其作业原理和关键部件进行了详细介绍，对机器人的自动导航和消毒喷雾性能进行了试验测试和分析为养殖舍内的无人化防疫消毒作业提供技术支撑。
1 机器人系统构成及其作业原理1.1 机器人系统构成图1为防疫消毒机器人系统结构，主要由移动承载平台、药液喷洒部件、环境监测传感器以及控制器等4部分构成。
图1 防疫消毒机器人系统
注： 1.环境监测传感器 2.药液箱 3.消毒液喷嘴 4.移动承载平台5. 免疫试剂喷嘴 6.控制器
Fig. 1 Disinfection robot system
环境监测传感器包括机载摄像机和有害气体、温度、湿度和粉尘检测传感器，用以实时探测养殖舍内不同空间位置的环境信息，为机器人喷雾或人工管理提供决策依据。药液喷洒部件包括消毒喷雾和免疫喷雾两种雾化喷嘴，以满足消毒液喷洒和免疫试剂喷雾的特定要求。移动承载平台用于承载机器人在畜禽舍内按既定路线巡行导航。机器人控制器包括机载控制器、远程电脑监控终端和用户手持终端。
操作人员可根据防疫消毒需要，通过电脑或手机终端将消毒时间、药液剂量和作业范围等机器人作业参数远程发送于控制器，控制器根据预设程序自动进行定时变量喷雾。
1.2 智能防疫消毒作业原理防疫消毒机器人支持自动和遥控两种作业模式，其作业流程如图2所示。在自动模式下，用户按照既定防疫规范要求，设置养殖场内药液喷洒时间、剂量和作业范围，形成机器人防疫消毒作业计划。机器人按照预设参数自动启动，在养殖舍内巡线移动。根据控制器预设的药液喷雾要求，自动调节电磁阀开闭频率控制消毒液喷洒流量、调节风机转速控制消毒液喷洒距离，从而实现养殖环境内的无人化消毒作业。在遥控模式下，用户通过电脑或手机终端向机器人发送操作指令，根据用户自主判断，对养殖场内不同作业区域的消毒剂量和喷雾距离进行动态调节。
图2 防疫消毒机器人作业流程
Fig. 2 Operation process of disinfection robot
2 关键部件设计2.1 自动导航承载平台移动平台作为机器人系统的移动承载部件，需要搭载药液喷雾、环境监测和控制器等其他执行部件，在畜禽舍内自动导航巡行。鉴于养殖舍内光照弱、管道和沟壑起伏、移动空间狭窄的特征，移动平台（图3）驱动地盘采用“玛蒂尔达”型履带结构，以保障机器人对舍内管道和沟槽的通过性。机器人采用“磁标-射频识别（Magnet-RFID）”组合标记（图4）进行导航路径探测，其中地表预埋磁钉标记形成直行路线，磁钉之间由机载惯导传感器实时感知机器人姿态；RFID标签埋置于机器人移动路径的转弯处，其内部存储对应路径点的转角编码数据。当移动平台读取到转弯数据后，继续直行至下一个磁钉处，按照预定角度原地调整自身姿态转弯后继续直行，如此沿路标轨迹在养殖舍内移动，直到移动至停止路标。直行过程中，每经过一个磁钉，测算一次车身姿态，以更新惯导传感器的定位数据，消除惯导误差。
图3 机器人移动平台
Fig. 3 Robot mobile platform
