李明鄭文鐘洪一前

水產(chǎn)養(yǎng)殖在浙江省農(nóng)業(yè)中占有重要地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年全省漁業(yè)總產(chǎn)值為962.01億元，占農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值比例為30.58%；同期淡水漁業(yè)產(chǎn)值為234.93億元，占漁業(yè)產(chǎn)值比例為24.42%[1]。投餌作業(yè)是水產(chǎn)養(yǎng)殖的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。目前國(guó)內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖投餌作業(yè)主要有人工投餌和簡(jiǎn)易機(jī)械投餌兩種方式。人工投餌存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、喂料技術(shù)因人而異、飼料落點(diǎn)不均勻等缺點(diǎn)，進(jìn)而帶來局部水域餌料殘留過多、水體環(huán)境惡化等問題；簡(jiǎn)易投餌機(jī)雖然目前國(guó)內(nèi)使用范圍較廣，但此類投餌機(jī)大多存在定時(shí)不準(zhǔn)確、可靠性低、投餌與間歇時(shí)間設(shè)置不合理、投餌距離不可調(diào)、餌料損耗高和儲(chǔ)料量小等諸多缺點(diǎn)。由此可見，現(xiàn)行的人工投餌和簡(jiǎn)易投餌機(jī)均無法適應(yīng)當(dāng)今國(guó)內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)?；?、現(xiàn)代化和自動(dòng)化發(fā)展的需要。鑒于此，在參考借鑒國(guó)內(nèi)外有關(guān)水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)投餌機(jī)械研制相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上[2-4]，結(jié)合水產(chǎn)養(yǎng)殖工藝對(duì)投餌作業(yè)的要求，利用GPS導(dǎo)航、自動(dòng)控制、信息通訊等高新技術(shù)研制一種自動(dòng)巡航式投餌船，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，以期為加快水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)代化和推進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖“機(jī)器換人”提供裝備技術(shù)支撐。

1 總體結(jié)構(gòu)和主要指標(biāo)

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

不同的水產(chǎn)養(yǎng)殖品種對(duì)飼料投喂要求是不同的。如對(duì)蝦有群聚且活動(dòng)區(qū)域相對(duì)固定的特性，根據(jù)對(duì)蝦這一生活習(xí)性，投餌船在進(jìn)行飼料投喂時(shí)，要與堤岸保持一定距離且以一定速度沿池塘岸邊航行；而魚類則沒有與對(duì)蝦類似的生活習(xí)性，生活區(qū)域不固定。為適應(yīng)不同種類水產(chǎn)養(yǎng)殖對(duì)象的飼料投喂要求，投餌船設(shè)計(jì)時(shí)確定了兩種工作模式即手動(dòng)遙控和自動(dòng)巡航兩種工作模式。在手動(dòng)遙控模式下，投餌船的航向和航行速度由操作人員控制；在自動(dòng)巡航模式下，控制系統(tǒng)根據(jù)自身獲取的探測(cè)信息自動(dòng)調(diào)整投餌船的航行速度和航向。根據(jù)投餌船的功能要求和設(shè)計(jì)目標(biāo)，投飼船結(jié)構(gòu)及設(shè)備布置如圖1所示。

圖1 投餌船結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 主要性能指標(biāo)

根據(jù)魚、蝦等水產(chǎn)動(dòng)物品種的養(yǎng)殖技術(shù)規(guī)程和日常操作規(guī)范，結(jié)合南方地區(qū)池塘的地形、地貌、氣候等自然條件，確定設(shè)計(jì)無人駕駛投餌船應(yīng)滿足的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 研制開發(fā)投餌船的主要性能指標(biāo)

2 樣機(jī)組成系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)

2.1 行走系統(tǒng)

投餌船在作業(yè)水域的行駛過程可分解為直線行駛和轉(zhuǎn)彎2個(gè)基本運(yùn)動(dòng)。要完成上述基本運(yùn)動(dòng)，需要行走裝置、轉(zhuǎn)向裝置及控制系統(tǒng)的三者配合。

（1）行走裝置。投餌船的行駛需要船體和相應(yīng)驅(qū)動(dòng)裝置的配合。根據(jù)研制投餌船的相關(guān)技術(shù)性能指標(biāo)，投餌船采用船體尺寸為235 cm×105 cm×43 cm（長(zhǎng)×寬×高）的平底船，選擇浙江省臺(tái)州市光悅游艇有限公司生產(chǎn)的48V4.0HP無人船推進(jìn)器作為動(dòng)力推進(jìn)裝置，為船體前進(jìn)提供所需的推力，該無人船推進(jìn)器具有體積小、質(zhì)量小、易于控制等特點(diǎn)。

（2）轉(zhuǎn)向裝置。投餌船行駛時(shí)改變航向就能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。轉(zhuǎn)向裝置主要由航向控制器、控制連桿和水刀三個(gè)部件組成。根據(jù)所用平底船的結(jié)構(gòu)特征，在平底船尾部加裝了兩塊50 cm×15 cm（長(zhǎng)×寬）且相距20 cm的塑料薄板作為投餌船的水刀，航向控制器在投餌船行駛中接收到巡航控制系統(tǒng)指令后，通過控制連桿改變電動(dòng)螺旋槳的推進(jìn)方向，實(shí)現(xiàn)投餌船轉(zhuǎn)向即航行路線和航向的改變。

2.2 投喂系統(tǒng)

精準(zhǔn)投喂是本樣機(jī)研制的主要目標(biāo)之一。實(shí)現(xiàn)投餌船精準(zhǔn)投喂需要在飼料投放前了解魚（蝦）在養(yǎng)殖池塘中的空間分布。投喂系統(tǒng)由以下兩部分構(gòu)成。

（1）魚（蝦）探測(cè)裝置。投餌船的探測(cè)裝置由超聲波傳感器、數(shù)據(jù)處理控制軟件模塊等組成。投餌船在養(yǎng)殖池塘內(nèi)按一定的速度和線路巡航時(shí)，當(dāng)探測(cè)裝置的超聲波傳感器在池塘中發(fā)現(xiàn)魚（蝦）群后，會(huì)將相應(yīng)信息傳送給數(shù)據(jù)處理控制模塊部件，再由控制模塊向投料裝置發(fā)送是否拋料作業(yè)的指令。

（2）投料裝置。它是執(zhí)行飼料投放功能的設(shè)備，主要包括料倉、下料裝置、拋料機(jī)構(gòu)和配套電機(jī)。整個(gè)投餌設(shè)備安裝在船體中偏后部位置，以避免料倉中飼料量減少引起投飼船重心位置變化，進(jìn)而影響投餌船行駛的穩(wěn)定性。當(dāng)投料裝置接收到開始投餌指令時(shí)，下料裝置的控制閥門和拋料電機(jī)的開關(guān)同時(shí)開啟，料倉中的飼料經(jīng)下料器閥門口落到由電機(jī)帶動(dòng)的高速旋轉(zhuǎn)的拋料盤中被甩出，投料的時(shí)機(jī)和時(shí)間長(zhǎng)短由投餌船的飼料投喂控制系統(tǒng)決定。

2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由軟件模塊、信號(hào)接收器、自動(dòng)巡航控制器等電子器件組成。通過在控制系統(tǒng)各模塊中預(yù)先設(shè)定相應(yīng)的工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)投餌船的自動(dòng)巡航和飼料投喂作業(yè)。

（1）自動(dòng)巡航控制系統(tǒng)。自動(dòng)巡航是指投餌船能按預(yù)先設(shè)定線路行駛，在行駛中能自動(dòng)調(diào)整投餌船的航行路線和航向。系統(tǒng)開發(fā)時(shí)采用深圳市凌涵科技有限公司生產(chǎn)的Ublox-NEO-M8N GPS導(dǎo)航定位模塊，并結(jié)合用計(jì)算機(jī)C語言開發(fā)的相應(yīng)軟件控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)投餌船作業(yè)時(shí)按預(yù)先設(shè)定路線的自動(dòng)行駛和轉(zhuǎn)向。另外，系統(tǒng)開發(fā)時(shí)還增加了手動(dòng)遙控工作模式，該模式下使用人員通過操作睿斯凱企業(yè)生產(chǎn)的X7無線電遙控器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)推進(jìn)器的啟動(dòng)和停止、投餌船的航向和航行速度等的控制。

（2）飼料投喂控制系統(tǒng)。飼料投喂控制系統(tǒng)的軟件模塊也采用計(jì)算機(jī)C語言開發(fā)，當(dāng)魚（蝦）探測(cè)裝置探測(cè)到魚（蝦）時(shí)，將此信息傳送給飼料投喂系統(tǒng)的控制軟件模塊，然后同時(shí)開啟投料系統(tǒng)中的下料裝置閥門和拋料機(jī)構(gòu)電機(jī)，投餌裝置就開始拋料作業(yè)，在拋灑一定數(shù)量飼料后，投料系統(tǒng)的控制軟件模塊又會(huì)發(fā)送停止投餌作業(yè)的指令，投餌裝置隨之停止作業(yè)；然后船體繼續(xù)行走，再重新探測(cè)魚（蝦）群決定投料的時(shí)機(jī)和地點(diǎn)。

2.4 電源管理系統(tǒng)

投餌船上需要用電的部件不僅多，而且各用電部件的電壓也不相同；因而需要根據(jù)投餌船各用電設(shè)備的功率總消耗和工作電壓，配置相應(yīng)電源和裝置以適應(yīng)各用電設(shè)備的工作電壓。

（1）供電電源選擇。自動(dòng)投餌船上所有用電設(shè)備需要電源支持。綜合考慮船上所有設(shè)備的用電功耗，投飼船采用12組3.5～4.2 V的DC鋰電池作為電源，經(jīng)過串聯(lián)后形成一個(gè)平均為48 V的DC總電源，進(jìn)而分別為投餌船的行駛驅(qū)動(dòng)裝置、航向控制裝置、魚（蝦）探測(cè)裝置、投料裝置等各個(gè)用電設(shè)備提供所需的相應(yīng)電能。

（2）用電裝置電壓確定。根據(jù)投餌船系統(tǒng)各設(shè)備工況和功耗的要求，各用電設(shè)備工作電壓參數(shù)如下：行駛系統(tǒng)中的螺旋槳推進(jìn)器工作電壓48 V，航向控制器的電機(jī)工作電壓為24 V、模塊工作電壓為5 V；投喂系統(tǒng)中的下料裝置控制閥門的電機(jī)工作電壓5 V，拋料機(jī)構(gòu)工作電壓48 V；自動(dòng)巡航控制系統(tǒng)中GPS工作電壓為3.3 V，信號(hào)接收器的工作電壓5 V。對(duì)上述各用電設(shè)備所需工作電壓，則通過在總電源輸出端加裝一個(gè)電壓調(diào)整模塊裝置來實(shí)現(xiàn)。

3 樣機(jī)試驗(yàn)

根據(jù)上述研究技術(shù)思路，項(xiàng)目實(shí)施研制出的投餌船樣機(jī)如圖2所示。

3.1 試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方法

（1）試驗(yàn)條件。水產(chǎn)養(yǎng)殖投餌船經(jīng)過設(shè)計(jì)、制造和安裝調(diào)試后，于 2017年10月至2018年2月近5個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，在金華市金東區(qū)萬豪山莊的魚塘進(jìn)行了多次的投餌船樣機(jī)試驗(yàn)和性能測(cè)試，池塘中的主要水產(chǎn)養(yǎng)殖品種為四大家魚和鯽魚。該魚塘的形狀呈不規(guī)則的長(zhǎng)方形，水域面積大約4 hm2，平均水深約為2.0 m。試驗(yàn)魚塘及周邊環(huán)境的基本情況如圖3所示。

圖2 研制的投餌船樣機(jī)

圖3 投餌船樣機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

（2）試驗(yàn)方法。試驗(yàn)前依靠人工養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)來設(shè)定投餌船的行走和投飼軌跡，并根據(jù)項(xiàng)目合同書中的技術(shù)性能指標(biāo)要求，分別在手動(dòng)遙控和自動(dòng)巡航兩種工作模式下，測(cè)試投餌船直線行駛、拐彎等動(dòng)作的穩(wěn)定性，以及船上投喂設(shè)備的穩(wěn)定性和拋撒飼料的均勻性等性能。同時(shí)對(duì)在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的各種問題采取各種有效措施加以解決，直至投餌船樣機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到項(xiàng)目合同書中的規(guī)定要求。在性能指標(biāo)自測(cè)達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，請(qǐng)浙江方圓檢測(cè)集團(tuán)股份有限公司對(duì)樣機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，以確保樣機(jī)性能指標(biāo)的權(quán)威性。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果和分析討論

（1）試驗(yàn)結(jié)果。從試驗(yàn)過程看，在手動(dòng)遙控工作模式下，投餌船完全能夠根據(jù)操作人員給出的指令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)起停，按照一定速度進(jìn)行轉(zhuǎn)向、直行等相關(guān)行駛動(dòng)作，并在行駛過程中完成魚（蝦）群探測(cè)、飼料投喂等作業(yè)，同時(shí)投餌船行駛過程中具有良好的穩(wěn)定性、直線性等性能；在自動(dòng)巡航工作模式下，投餌船雖然能按預(yù)先設(shè)定的線路、拐點(diǎn)完成行駛、轉(zhuǎn)向等相應(yīng)動(dòng)作，也能夠在行駛過程中完成魚（蝦）群探測(cè)、飼料投喂等作業(yè)，然而在轉(zhuǎn)向后需要直行時(shí)，投餌船的行駛路線時(shí)常會(huì)呈現(xiàn)“S”形軌跡，使投餌船的實(shí)際行駛路線與預(yù)先設(shè)定的線路發(fā)生部分偏離，從而在一定程度上影響了投餌作業(yè)效果。

（2）分析討論。在自動(dòng)巡航模式下進(jìn)行投餌作業(yè)時(shí)，投餌船的行駛路線時(shí)常會(huì)呈現(xiàn)“S”形軌跡的原因主要有兩個(gè)方面：一是所選船型對(duì)自動(dòng)控制的適應(yīng)性不夠。試驗(yàn)時(shí)采用的船體是平底船，船體由于吃水淺，驅(qū)動(dòng)時(shí)水中所受阻力較小，當(dāng)橫向方向稍微受到一點(diǎn)外力就容易發(fā)生偏轉(zhuǎn)；若采用“V”形船體，船體吃水深，雖然行駛時(shí)水中所受阻力較大，但在橫向方向所受外力不大時(shí)就不易發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而能確保船體行駛的直線性。二是自動(dòng)導(dǎo)航控制軟件模塊的算法有待完善。投餌船若要能按預(yù)先設(shè)定路線自動(dòng)行駛，需要在行駛速度和所受扭力、阻力三者之間形成合理匹配，這需要控制系統(tǒng)的PID控制算法的支撐，但現(xiàn)有的增量式算法、位置式算法、微分先行算法三種PID控制算法并不能完全滿足投餌船自動(dòng)巡航過程中的控制要求，需要對(duì)控制系統(tǒng)中采用的PID控制算法進(jìn)行完善。

4 結(jié)論與建議

（1）投餌船樣機(jī)經(jīng)浙江方圓檢測(cè)集團(tuán)股份有限公司現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地檢測(cè)，達(dá)到預(yù)定的各項(xiàng)性能指標(biāo)要求（檢測(cè)報(bào)告編號(hào)：1811300804）。該投餌船由于具有手動(dòng)遙控和自動(dòng)巡航兩種操作模式，不僅能夠適應(yīng)魚、蝦等具有不同生活習(xí)性的水產(chǎn)品種的養(yǎng)殖投餌作業(yè)，而且還能大幅降低投餌作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高飼料利用率，減少飼料對(duì)水體環(huán)境的污染，因而具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

（2）雖然投餌船具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn) ，但在自動(dòng)巡航過程中的軌跡會(huì)出現(xiàn)“S”形路線，從而在一定程度上會(huì)影響飼料投放準(zhǔn)確率。為此，研發(fā)人員下一步將對(duì)投餌船自動(dòng)控制中的PID控制算法做進(jìn)一步改進(jìn)，同時(shí)采用“V”形船體替代試驗(yàn)中所用的平底船，實(shí)現(xiàn)投餌船在自動(dòng)巡航過程中能實(shí)時(shí)調(diào)整和穩(wěn)定船體航向，并避免出現(xiàn)“S”形行駛軌跡，由此確保投餌船在自動(dòng)巡航時(shí)行走路線的直線性，進(jìn)而提高飼料投放地點(diǎn)的準(zhǔn)確性和有效性。

[1]浙江省統(tǒng)計(jì)局,國(guó)家統(tǒng)計(jì)局浙江調(diào)查總隊(duì).浙江統(tǒng)計(jì)年鑒[Z]，2017.北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2018.

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