图4 “磁标-射频识别”导航标记设置

Fig. 4 “Magnet-RFID” navigation mark

机器人沿磁钉路标导航原理如图5所示。磁钉传感器安装于移动平台底部中心，且相对小车后轴（驱动轴）距离为ll。设其探测得到磁钉相对小车中心线偏移距离为dd，则认为以后轴中心pp为圆心，当前小车需要矫正的偏移角度θ=actan(dl)θ=actan(dl)。若后轴长度表示为LL，两端左、右驱动轮直径为DD，则其各自转角ωlωl、ωrωr需满足ωl=−ωr=θLDωl=-ωr=θLD，其中θθ为弧度单位，即若小车需要向左偏转θθ角度，需要右驱动前进ωrωr，左后轮后退ωlωl。反之若小车需向右偏转，则左轮向前、右轮向后。

图5 防疫消毒机器人移动导航原理示意图

Fig. 5 Navigation principle of the disinfection robot

鉴于养殖设备和空间消毒作业大流量、远射程的需求，采用气液外混式喷头结构［19,20］作为消毒液雾化和扩散一体化喷洒部件。如图6所示为风助式消毒液雾化喷嘴，主要由风机、导流罩、药液管、端盖、出风口、出液口、导流栅板和导流垫块等构成。其中导流垫块前端为栅板结构，且中心孔与药液管联通。空气由直流风机自喷嘴后端吸入，在导流罩内腔体形成高压，并经前端垫块与端盖间隙形成涡流，在栅板处分流后从出风口喷出。栅板分流的高速气体在出风口汇集，与从垫块中心流出的药液形成冲击，使得药液碎裂成雾滴，且雾滴随气体喷射至空气中，从而实现对药液的雾化与扩散。

图6 风助式消毒液雾化喷嘴

注： 1.风机 2.导流罩 3.药液管 4.端盖 5.出风口 6.出液口 7.导流栅板 8.导流垫块

Fig.6 Air-assisted disinfectant atomization nozzle

排风量和风压是喷嘴风机选型的关键参数。根据风量置换原则［21］，单位时间雾化喷嘴预期形成的雾化区域可近似作为风机风量。假设药液自喷嘴漂移扩散呈锥形，令喷嘴射程为LL，喷雾对象高度为HH，机器人自主导航移动速度为VV，喷嘴风量衰减系数为KK，则作业区域内的风量需求为Q=VHLK/2Q=VHLK/2。风机的风压PP包括动压P1P1和静压P2P2。动压是指给气体增加动能，使气体产生高速运动的压力；静压是指气流克服喷头内涡流室的阻力所需压力。令常温空气密度为ρρ，排气口气流速度为νν，沿程阻力系数为ξξ，则动压和静压分别表示为P1=ρν2/2P1=ρν2/2和P2=ξρν2/2P2=ξρν2/2。本研究选用X300型直流无刷离心式风机（生产商：宁波东莱机电有限公司）作为防疫消毒机器人结构进行试验。

受喷嘴内腔结构导流限制，气流自喷嘴排出形成的流体特征，决定了药液雾化和扩散效果。喷嘴内部的锥形导流垫块和栅板是影响气流形态的关键部件，为明确其对喷雾效果的影响，利用计算机流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真技术［22,23］，基于Ansys Fluent软件对喷嘴腔体内的气场进行仿真，分析气流速度、压力与轨迹的变化特征，从而确定喷嘴锥形导流垫块和栅板的最优结构参数。

（1）腔内导流垫块锥角仿真。如图7所示，对锥形导流垫块半锥角为15°、30°、45°、60°、75°和90°的流场区域进行建模，得到喷嘴腔体内气流压力和速度分布图。气体自风机进入腔体，在锥形导流垫块后端，腔内空气压强变化幅度很小，当气流绕过锥形导流垫块后，压强急剧下降。气流到达喷嘴出口附近，由于端盖的阻挡，气流压力快速回升，并且垫块半锥角越大，腔体内的气压越大（图7（a））。气流速度变化主要表现为在通过垫块后变向，且与端盖冲击，在气流出口和端盖内壁位置形成上下两处涡流（图7（b））。出口涡流促进液滴冲击，有助于药液雾化；端盖内壁涡流则会引起涡流耗散，从而造成气流能量损失。由CFD仿真结果可得，喷嘴出口形成涡流的半锥角至少为60°，且随角度增大，喷嘴两个部位的涡流同时增大。为克服端盖处涡流的不利影响、充分发挥喷嘴出口涡流的气体雾化效应，本研究取垫块最优半锥角为75°。

图7 风助式消毒液雾化喷嘴腔体气流受锥形导流垫块角度影响仿真

Fig. 7 Simulation of the airflow in the air-assisted disinfectant atomization nozzle cavity affected by the angle of the cone-shaped guide pad

（2）出口导流栅板倾角仿真。气流受喷嘴腔内锥形垫块空间挤压影响，其速度和压力增大，需由导流栅板进行分流后，以在喷嘴出口汇聚形成冲击气流对药液进行雾化扩散。如图8（a）所示，设均匀分布于喷口四周上的六片栅板倾角为β，其主要影响出风口气流扩散角和风速大小。将β设为30°、60°和90°三种布置方式，以垫块半锥角为75°时的风场参数为输入，对喷嘴出口附近气流场进行模拟。在倾斜栅板导流作用下，从喷口吹出的气流轨迹呈螺旋形，随栅板倾角β增加，出口气流的速度和扩散角相应增大（图8（b））。因此，本研究取最大栅板倾角β为90°。

图8 风助式消毒液雾化喷嘴出口气流受栅板倾角角度影响仿真

Fig. 8 Simulation of the air-assisted disinfectant atomization nozzle outlet airflow influenced by the inclination angle of the grid

为验证防疫消毒机器人关键部件实际性能，2020年5月，课题组在北京农职院养殖示范基地的阶梯式笼养禽舍进行现场试验。环境温度25.8℃，空气湿度55.4%RH，无风。试验过程中，机器人在笼架中间的过道自主导航移动，如图9所示。对2排50 m长度区域的笼架进行喷雾，其中笼架中间过道为水泥地面、其末端转弯区域地面铺设可拆卸木板。笼架内、外边沿相距喷嘴射程方向的远距离分别为2.0和0.5 m。导航效果评估方面，在机器人底部中心固定标记笔，用其在地面的画线标记表示机器人实际的移动轨迹。鉴于机器人导航误差主要存在于两个相邻磁钉之间形成的惯导误差，以各个磁钉为中心且与轨迹线相切圆的半径的平均值表示为自动导航轨迹平均偏差。根据移动轨迹线与磁标布置路径的距离偏差，对0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 m/s等5等速度模式下机器人的导航精度进行试验。