一种用于动物体重测量的视觉估重装置的制作方法

1.本发明一般地涉及动物体重测量技术领域。更具体地，本发明涉及一种用于动物体重测量的视觉估重装置。


背景技术：

2.养殖场是用于养殖牲畜或者禽畜的场所，随着技术的发展，养殖场不断规模化，智能化程度也在逐渐提高。在生猪养殖场，养殖场内的猪只可能处于不同的生长阶段或者属于不同的种类，例如仔猪，保育期的猪只，育肥期的猪只，怀孕期的母猪和用于配种的公猪等等。
3.母猪经过配种和妊娠期分娩得到仔猪，仔猪经过180天左右长成商品猪出栏。其中0-35天的仔猪称为“哺乳仔猪”，体重达到7kg。36-70天的仔猪称为“断奶仔猪”，体重达到20kg。71-110天的猪只称为“生长猪”，体重达到60kg。
4.其中，不同的生长阶段所需要的饲养条件也不相同(例如，需要不同类型的饲料和饲养环境)，而猪只体重是检测是否达到某个生长阶段的重要标志。不仅如此，猪只体重也是判断猪只是否健康的一项重要指标。因此，在养殖场中，对猪只的重量进行测量是一项重要的工作。现有技术中，对猪只的重量进行测量的方法包括人工体尺测量、平台秤测量和非接触式测量等方式。
5.人工体尺测量需要工作人员通过皮尺测量猪只尺寸，然后根据测量得到的尺寸对猪只重量进行估算，从而得到猪只体重。这种测量方式误差较大，测量效率极低；而且对于体型较大的猪只，在测量过程中还可能对工作人员的安全构成威胁。
6.平台秤测量能够得到较为准确的测量结果。但是首先，平台秤成本较高；其次，需要工作人员将猪只驱赶到平台秤上，在驱赶猪只的过程中，猪只会产生应激反应，影响其健康；再者，逐个对猪只进行测量，导致测量的效率不高，耗费时间较长；最后，对工作人员的安全仍有一定的威胁。
7.非接触式测量包括通过结构光相机获取猪只的3d点云数据，根据获取的3d点云数据和重量估计模型计算得到猪只体重，即猪只体重估计结果。非接触式测量方式为推动精准化、现代化和智能化养殖具有重要意义，不仅可以减少人力和物力的不必要损耗，而且可以减少人为干预，有利于生猪生长，保障了工作人员的安全。其中，结构光相机是一组由投影仪和摄像头组成的系统；用投影仪投射特定的光信息到物体表面后及背景后，由摄像头采集，根据物体造成的光信号的变化来计算物体的位置和深度等信息，进而复原整个三维空间。结构光相机能够获得被测物的3d点云数据。
8.非接触式测量面临的问题包括：由于猪只为活物，通常处于移动状态，因此需要工作人员保持结构光相机的拍摄角度，例如，需要工作人员保持结构光相机与地面平行(即结构光相机保持水平状态)，进而获取准确的猪只背部图像。若结构光相机处于非水平状态，由于拍摄角度与水平状态的拍摄角度不同，获取到的猪只背部点云信息会有所差异，而重量估计模型是在水平状态建立的，因此最终得到的猪只体重测量结果会与实际猪只体重有
一定误差。
9.为了减小因拍摄角度差异而导致的测量误差，需要工作人员在追踪猪只的过程中，调整结构光相机的状态，始终保持结构光相机与地面水平，进而确保体重估计结果的一致性。然而仅仅依靠人力很难保持结构光相机为水平状态，导致设备使用体验感差，实际使用效率低下，影响测量效率和测量精度。


技术实现要素：

10.本发明提供了一种用于动物体重测量的视觉估重装置，用于解决现有技术中测量工作效率低和精度差的问题。
11.根据本发明的一个方面，提供了一种用于动物体重测量的视觉估重装置，包括翻滚机构和俯仰机构：所述俯仰机构用于执行俯仰运动，其中所述俯仰机构上安装结构光相机(3)；所述翻滚机构用于执行翻滚运动，其中所述翻滚机构包括固定端和翻滚输出端，所述翻滚输出端连接所述俯仰机构，所述固定端连接一个手持杆(4)。
12.在一个实施例中，所述固定端连接一个手持杆(4)包括：所述固定端通过一个连接杆(5)连接所述手持杆(4)。
13.在一个实施例中，所述固定端通过一个连接杆(5)连接所述手持杆(4)，包括：所述固定端连接所述连接杆的第一端，所述连接杆的第二端连接所述手持杆(4)。
14.在一个实施例中，所述连接杆的第二端与所述手持杆(4)铰接。
15.在一个实施例中，所述连接杆的第二端设有调节机构，以调节连接杆(5)与手持杆(4)的夹角。
16.在一个实施例中，所述连接杆(5)为折弯结构。
17.在一个实施例中，所述翻滚机构包括翻滚电机(1)和第一姿态传感器，所述俯仰机构包括俯仰电机(2)和第二姿态传感器。
18.在一个实施例中，还包括控制器，所述控制器连接第一姿态传感器和第二姿态传感器，以获取第一姿态传感器采集的第一姿态信息和第二姿态传感器采集的第二姿态信息。
19.在一个实施例中，所述控制器连接翻滚电机(1)和俯仰电机(2)，所述控制器根据所述第一姿态信息控制所述翻滚电机(1)，根据所述第二姿态信息控制所述俯仰电机(2)。
20.在一个实施例中，所述控制器连接翻滚电机(1)和俯仰电机(2)，所述控制器根据所述第一姿态信息和/或第二姿态信息控制所述翻滚电机(1)和所述俯仰电机(2)。
21.本发明提供的用于动物体重测量的视觉估重装置，包括翻滚机构和俯仰机构，翻滚机构用于驱动整个俯仰机构，俯仰机构上安装结构光相机，通过翻滚机构和俯仰机构，能够使结构光相机保持水平状态。本发明实施例的结构简单，易于工作人员进行使用和操作。
22.进一步的，本发明实施例通过姿态传感器采集视觉估重装置的姿态信息，进而控制翻滚电机和俯仰电机，实现对视觉估重装置姿态的自动调节。
23.进一步的，本发明实施例为翻滚电机和俯仰电机分配独立的姿态传感器，而且翻滚电机和俯仰电机根据各自的姿态传感器采集的姿态信息实现控制，有利于实现对外界扰动的自适应，从而提高了控制精度和稳定性。
附图说明
24.通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：
25.图1为根据本发明实施例的用于动物体重测量的视觉估重装置的正视图；
26.图2为根据本发明实施例的用于动物体重测量的视觉估重装置的右视图；
27.图3为根据本发明实施例的用于动物体重测量的视觉估重装置的局部视图；
28.图4为根据本发明实施例的控制电路的原理示意图。
具体实施方式
29.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。
30.图1展示了根据本发明实施例的用于动物体重测量的视觉估重装置的正视图。图2展示了根据本发明实施例的用于动物体重测量的视觉估重装置的右视图。图3展示了根据本发明实施例的用于动物体重测量的视觉估重装置的局部视图。
31.如图1至图3所示的视觉估重装置可以用于牲畜的体重测量，例如猪、牛和羊等。其中，视觉估重装置包括翻滚机构和俯仰机构，所述俯仰机构用于执行俯仰运动，其中所述俯仰机构上安装结构光相机3；所述翻滚机构用于执行翻滚运动，其中所述翻滚机构包括固定端和翻滚输出端，所述翻滚输出端连接所述俯仰机构，所述固定端连接一个手持杆4。
32.如图2所示，翻滚机构以虚线为轴转动，例如翻滚机构包括翻滚电机1，翻滚电机1的转动轴线为所述虚直线。基于此，翻滚机构能够实现翻滚运动，如图1所示，翻滚机构呈u型，u型的底部为所述翻滚机构的固定端，固定端安装所述翻滚电机1。u型的两端为所述翻滚机构的两个悬伸臂22，两个悬伸臂22的前端构成所述翻滚机构的翻滚输出端，所述翻滚机构的翻滚输出端连接俯仰机构。即两个悬伸臂22之间铰接设置俯仰机构，俯仰机构能够沿图2所示的虚弧线旋转。例如俯仰机构具有俯仰电机2，俯仰电机2固定在所述一个悬伸臂22上。基于此，结构光相机3能够实现俯仰运动。
33.在其他实施例中，也可以将翻滚电机1安装到手持杆4或者连接杆5上，只要使翻滚电机1的输出轴传动连接u型的翻滚机构即可。另外，还可以将俯仰电机2安装于u型的翻滚机构上，只要使俯仰电机2的输出轴传动连接结构光相机3即可。
34.在生猪养殖场中，工作人员需要手持视觉估重装置对栏位中的每只生猪进行检测，通常工作人员需要举起视觉估重装置，使之处于如图2所示状态对生猪进行检测。通过控制翻滚电机1进行翻滚运动，u型的翻滚机构可以处于最低处，通过控制俯仰电机2进行俯仰运动，结构光相机3可以处于水平状态。
35.在一个实施例中，翻滚机构的固定端通过一个连接杆5连接所述手持杆4。如图2所示，连接杆5的第一端(左端)连接翻滚电机1，连接杆5的第二端(右端)连接手持杆4。所述连接杆5的第二端(右端)与所述手持杆4铰接。连接杆5与手持杆4之间具有一定的夹角。
36.为了使视觉估重装置处于如图2所示状态，本发明实施例中设置了一个连接杆5，
用于方便工作人员实际使用。连接杆5与手持杆4之间的夹角可以是小于直角的角度。
37.由于不同猪舍的栏位高度不同，工作人员的身高和臂长也不相同，因此，为了便于工作人员在不同的猪舍中使用该视觉估重装置，可以将连接杆5的第二端与手持杆4设置为铰接连接方式，连接杆5与手持杆4的连接点为铰接端6，并且在连接杆5的第二端设置调节机构，以调节连接杆5与手持杆4的夹角。作为举例，调节机构可以是一个调节螺母(图中未示出)，为了调节连接杆5与手持杆4的夹角，首先松开调节螺母，设置好连接杆5与手持杆4的夹角，然后拧紧调节螺母即可。基于此，调节螺母相当于起到了粗调的作用，可以在一定程度上减少翻滚机构和俯仰机构的调节量。在其他实施例中，调节机构也可以采用除调节螺母以外的其他机构，例如设置插销与连接杆和手持杆配合以调节连接杆与手持杆的夹角。
38.在一个实施例中，所述连接杆5可以是直杆或者弯杆，例如本实施例中的连接杆5采用折弯结构。相比采用直杆，采用折弯结构能够缓解设备重力的影响，提高设备的使用寿命。
39.上文介绍了用于动物体重测量的视觉估重装置的机械结构，下文对用于动物体重测量的视觉估重装置的控制电路和控制方法进行说明。
40.为了实现视觉估重装置的姿态自动调节，本发明实施例还设置了控制器和姿态传感器。姿态传感器实时反馈当前视觉估重装置的姿态信息，控制器获取所述姿态信息，计算出当前视觉估重装置与目标姿态的误差，根据所述误差调节翻滚电机和俯仰电机。作为举例，目标姿态为水平状态，记水平状态的翻滚角为0
°
，俯仰角为0
°
；若计算出当前视觉估重装置与目标姿态的误差包括：翻滚角误差为4
°
，俯仰角误差为-5
°
，则根据所述误差控制翻滚电机和俯仰电机，使翻滚电机和俯仰电机旋转，最终使视觉估重装置的姿态为水平状态。
41.其中，姿态传感器是基于mems(micro electromechanical system，微机电系统)技术的高性能三维运动姿态测量系统。它包含三轴陀螺仪、三轴加速度计，三轴电子罗盘等运动传感器，通过内嵌的低功耗处理器(例如arm处理器)得到经过温度补偿的三维姿态与方位等数据。利用基于四元数的三维算法和特殊数据融合技术，实时输出以四元数、欧拉角表示的零漂移三维姿态方位数据。
42.当视觉估重装置受到外界环境影响(主要是工作人员手持时的抖动)而发生震动或者倾斜时，姿态传感器中的陀螺仪就能够测量得到结构光相机视轴的偏差，经过控制算法计算并且输出合适的控制信号来驱动翻滚电机和俯仰电机运动，从而产生平衡力矩，使视觉估重装置消除偏差，保持水平状态。
43.在一个实施例中，上述控制算法可以采用pid算法，pid算法简单、易于工程实现，广泛地应用于过程控制和伺服控制中，只要能够对视觉估重装置建立较为精确的数学模型，即可实现较为精准的控制。在其他实施例中，还可以在pid算法的基础上加入校正，从而适应于系统的负载和扰动发生实时变动的情况。例如，可以在常规pid算法的基础上加入卡尔曼滤波算法，使结构光相机的稳定性更好，减小姿态误差。又如，还可以采用自适应模糊pid控制算法，以提高控制的稳定性和快速性。再如，还可以采用滑膜变结构控制器，这种控制方式能够优化快速性和控制精度之间的矛盾，有效地提高系统的稳定性和跟踪精度。还如，还可以采用神经网络算法、遗传算法等对pid的参数进行优化，从而有效地对负载的变化和各种扰动因素进行补偿。
44.需要说明的是，关于上述控制算法等属于现有技术，故而在此仅进行简要说明，不再进行详细解说。
45.图4展示了根据本发明实施例的控制电路结构原理图。如图4所示，用于动物体重测量的视觉估重装置的控制电路，包括控制器，控制器采样连接第一姿态传感器a和第二姿态传感器b，控制器控制连接翻滚电机1和俯仰电机2。控制器连接第一姿态传感器a和第二姿态传感器b，以获取第一姿态传感器a采集的第一姿态信息和第二姿态传感器b采集的第二姿态信息。
46.其中，姿态传感器中的加速度计输出三轴加速度，陀螺仪输出三轴角速度。将加速度计和陀螺仪输出的数据进行融合，即可解算出三个姿态角信息，即姿态信息。在一个实施例中，姿态传感器可以采用mpu6050。
47.其中，控制器可以采用单片机，例如arm处理器等低功耗高性能处理器，包括stm32处理器等。优选地，可以采用支持视频、图像编解码和特殊图像的预处理和后处理功能的处理器。
48.其中，翻滚电机1和俯仰电机2可以采用无刷直流电机。无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成。其不需要电刷和换向器，采用晶体管构成的开关电路实现换向的功能。无刷直流电机的体积小，调速性能好，运行可靠，非常适于在本发明实施例的视觉估重系统中使用。无刷直流电机的调速是通过直流电压来控制的，作为举例，可以采用pwm方法来控制无刷直流电机的输入电压；pwm占空比与等效电压成正比。无刷直流电机需要驱动器进行驱动，驱动器由功率电子器件(构成逆变桥)和集成电路等构成，其用于接受电机的启动、停止、制动信号，以控制电机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥中各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。
49.结合图1至图3所示出的，第一姿态传感器a设置在翻滚机构中，第二姿态传感器b设置在俯仰机构中。
50.在一个实施例中，控制器根据所述第一姿态信息控制所述翻滚电机1，根据所述第二姿态信息控制所述俯仰电机2。也就是说，第一姿态传感器a采集的第一姿态信息仅用于控制翻滚电机1，第二姿态传感器b采集的第二姿态信息仅用于控制俯仰电机2。
51.作为举例，第一姿态信息记为p1，第二姿态信息记为p2，水平状态的姿态信息记为p0，那么对于翻滚电机1而言，对应的第一误差值s1＝p1-p0，进而根据第一误差值s1和所采用的控制算法(例如pid算法)来确定翻滚电机1的调节量。那么对于俯仰电机2而言，对应的第二误差值s2＝p2-p0，进而根据第二误差值s2和所采用的控制算法(例如pid算法)来确定俯仰电机2的调节量。
52.这种控制方式的优势在于：一方面，对于翻滚电机1而言，其安装在翻滚机构上，通过第一姿态传感器a获取的第一姿态信息能够更加准确地反映翻滚电机1的姿态，通过第一姿态信息控制翻滚电机1能够使控制精度更高。同理，对于俯仰电机2而言，其安装在俯仰机构上，通过第二姿态传感器b获取的第二姿态信息能够更加准确地反映俯仰电机2的姿态，通过第二姿态信息控制俯仰电机2能够使控制精度更高。另一方面，本发明的实施例中，翻滚机构用于驱动整个俯仰机构，因此外界扰动(例如工作人员手持时的抖动)在俯仰机构产生的扰动量大于在翻滚机构产生的扰动量。换言之，俯仰机构所需要的调节量也大于翻滚
机构的调节量，因此，翻滚电机1和俯仰电机2分别采用各自的姿态传感器采集的信息来确定对应的调节量，从而与外界的扰动相适应，进而能够提高控制的精度和稳定性。
53.在另一个实施例中，控制器根据所述第一姿态信息或第二姿态信息控制所述翻滚电机1和所述俯仰电机2。作为举例，由于外界扰动在俯仰机构产生的扰动量大于在翻滚机构产生的扰动量，因此对安装在俯仰机构上、靠近结构光相机3的第二姿态传感器b的灵敏度要求较低，有利于降低成本，故而本实施例中采用第二姿态传感器b作为参考。第二姿态传感器b采集的第二姿态信息记为p2，水平状态的姿态信息记为p0，那么对整个装置而言(包括翻滚电机1和俯仰电机2)，对应的误差值为s＝p2-p0，进而根据误差值s和所采用的控制算法，以及整个装置的数学模型来确定翻滚电机1和俯仰电机2的调节量；例如根据整个装置的数学模型，翻滚电机1和俯仰电机2的控制参数不同，因此，基于相同的误差值s，翻滚电机1和俯仰电机2对应的控制量并不相同。
54.在又一个实施例中，控制器根据所述第一姿态信息和第二姿态信息控制所述翻滚电机1和所述俯仰电机2。作为举例，可以对第一姿态信息和第二姿态信息进行判断，若检测到第一姿态信息异常，则采用第二姿态信息用于控制，若检测到第二姿态信息异常，则采用第一姿态信息用于控制。在这种情况下，第一姿态传感器a和第二姿态传感器b相当于一种冗余机制。
55.另外，本说明书中所使用的术语“第一”或“第二”等用于指代编号或序数的术语仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”或“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本说明书的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个或更多个等，除非另有明确具体的限定。
56.虽然本说明书已经示出和描述了本发明的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式提供的。本领域技术人员会在不偏离本发明思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本发明的过程中，可以采用对本文所描述的本发明实施例的各种替代方案。所附权利要求书旨在限定本发明的保护范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的模块组成、等同或替代方案。