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(浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江 舟山，316022)

工廠(chǎng)化循環(huán)水養(yǎng)殖模式是一種新型的高效現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖模式，以養(yǎng)殖水的循環(huán)利用為核心特征，具有節(jié)水、節(jié)電、節(jié)地等優(yōu)點(diǎn)，成為水產(chǎn)養(yǎng)殖可持續(xù)發(fā)展的方向與研究熱點(diǎn)[1-7]。工廠(chǎng)化循環(huán)水養(yǎng)殖模式中的重點(diǎn)之一是飼料投喂[8]，目前有多種類(lèi)型的自動(dòng)投飼機(jī)、增氧式投飼機(jī)、螺旋輸送式供料投飼機(jī)和機(jī)械振動(dòng)分料供料式投飼機(jī)等[9-13]。近幾年，智能投飼成為研究的熱點(diǎn)，如針對(duì)工廠(chǎng)化養(yǎng)殖的軌道式投飼系統(tǒng)[14]、梭子蟹單筐養(yǎng)殖自動(dòng)投飼系統(tǒng)[15]、新型對(duì)蝦養(yǎng)殖投飼裝置[16]等。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)企業(yè)如廈門(mén)新穎佳生物科技公司等開(kāi)發(fā)出了多款多層水槽立體式工廠(chǎng)化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，相比單層系統(tǒng)，其節(jié)水、節(jié)地優(yōu)勢(shì)突出，養(yǎng)殖密度大，養(yǎng)殖效率更高。由于多層水槽結(jié)構(gòu)空間局促，人工投喂時(shí)，投喂不均衡，可能引起局部的細(xì)菌超標(biāo)導(dǎo)致病害爆發(fā)。

針對(duì)多層水槽式循環(huán)水工廠(chǎng)化養(yǎng)殖系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一款微型智能投飼車(chē)，以MK60DN512DZ(簡(jiǎn)稱(chēng)K60)單片機(jī)為主控芯片，以四輪小車(chē)為底盤(pán)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，舵機(jī)打向，輔以紅外對(duì)管識(shí)別路徑，加上特定跑道的設(shè)計(jì)，能在自主識(shí)別投喂區(qū)域?qū)崿F(xiàn)定點(diǎn)定量的投飼和補(bǔ)料，提高養(yǎng)殖自動(dòng)化程度。

1 投飼車(chē)總體設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多層水槽式循環(huán)水工廠(chǎng)化養(yǎng)殖模式下，每層的平鋪面積較大，要使得投喂均勻，必須在每層的中部位置也進(jìn)行一定的投喂。由于每層之間的空間較狹小，無(wú)法使用大型裝置，因此投飼裝置應(yīng)包括行走、轉(zhuǎn)向、定點(diǎn)尋跡、投料、儲(chǔ)料和控制等功能。設(shè)計(jì)一款尺寸適當(dāng)?shù)闹悄芡讹曑?chē)系統(tǒng)可以很好地滿(mǎn)足以上的需求。該投飼車(chē)主要由循跡小車(chē)、投飼裝置和控制系統(tǒng)三大部分組成。循跡小車(chē)選用后驅(qū)四輪小車(chē)作為行走裝置，由后置立式舵機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，通過(guò)紅外傳感器進(jìn)行循跡和識(shí)別特定投飼點(diǎn)；投飼裝置通過(guò)加裝儲(chǔ)料裝置來(lái)對(duì)飼料進(jìn)行稱(chēng)重、儲(chǔ)存和備料，并進(jìn)行投飼；投飼車(chē)上的控制系統(tǒng)可控制投飼車(chē)運(yùn)行及自動(dòng)投飼。如圖1所示，以三層水槽為例，智能投飼車(chē)在三層水槽式循環(huán)水工廠(chǎng)化養(yǎng)殖系統(tǒng)中工作，在水槽上方架設(shè)特定投飼跑道，投飼小車(chē)在軌跡線(xiàn)和相關(guān)標(biāo)記的引導(dǎo)下單向運(yùn)行工作，補(bǔ)料點(diǎn)設(shè)置在水槽的末端，方便人工上料。

圖1 系統(tǒng)簡(jiǎn)易示意圖

智能投飼車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個(gè)投飼車(chē)由四輪循跡小車(chē)的車(chē)身車(chē)架、行走電機(jī)、轉(zhuǎn)向舵機(jī)、紅外對(duì)管、控制系統(tǒng)板、稱(chēng)重臺(tái)、推料舵機(jī)、三面圍板、一帶二的推料桿等組成。該系統(tǒng)中采用的投飼車(chē)車(chē)架尺寸為300 mm×170 mm×200 mm，投飼車(chē)質(zhì)量1.56 kg。結(jié)合儲(chǔ)料裝置尺寸，規(guī)定最大儲(chǔ)料量為2.5 kg。

1.2 工作原理

1.2.1 循跡小車(chē)設(shè)計(jì)

循跡小車(chē)設(shè)計(jì)主要包括行走裝置、轉(zhuǎn)向裝置、定點(diǎn)循跡裝置等。1)行走裝置：由后驅(qū)四輪小車(chē)的車(chē)身車(chē)架和電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、車(chē)輪等組成。選用功率80 W的775電機(jī)雙滾珠軸承馬達(dá)作為行走裝置的動(dòng)力源，通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)控制小車(chē)的行走。2)轉(zhuǎn)向裝置：由轉(zhuǎn)向舵機(jī)、舵機(jī)支架和轉(zhuǎn)向推臂組成。本系統(tǒng)選用型號(hào)FUTABA S3010舵機(jī)作為轉(zhuǎn)向舵機(jī)，當(dāng)其接收到控制系統(tǒng)發(fā)出的轉(zhuǎn)向信號(hào)時(shí)，舵機(jī)產(chǎn)生一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，與舵機(jī)連接的轉(zhuǎn)向推臂進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，使小車(chē)前輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)向。由于舵機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)較大，故需加裝舵機(jī)支架保持舵機(jī)的穩(wěn)定。3)定點(diǎn)循跡裝置：主要用于循跡和投飼區(qū)域的識(shí)別，由4對(duì)紅外對(duì)管和相應(yīng)的控制模塊組成。本系統(tǒng)選用工作電壓3.3～5 V，檢測(cè)距離范圍2～30 cm的紅外對(duì)管，位于小車(chē)前端，當(dāng)小車(chē)前端行走到標(biāo)記點(diǎn)時(shí)，紅外對(duì)管識(shí)別標(biāo)識(shí)并將信號(hào)傳回控制系統(tǒng)使小車(chē)做出相應(yīng)動(dòng)作。

圖2 智能投飼車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 投飼裝置

三面圍板、稱(chēng)重臺(tái)、前擋板、后擋板、推料舵機(jī)、一帶二的推料桿等組成了投飼裝置，從功能上又可細(xì)分成儲(chǔ)料裝置和投料裝置。1)儲(chǔ)料裝置：為半開(kāi)放式儲(chǔ)料箱，由三面圍板、帶稱(chēng)重傳感器的稱(chēng)重臺(tái)以及后擋板組成，主要是對(duì)飼料進(jìn)行儲(chǔ)存并通過(guò)稱(chēng)重傳感器對(duì)飼料稱(chēng)重，協(xié)助系統(tǒng)進(jìn)行投料和補(bǔ)料。儲(chǔ)料箱頂部用來(lái)進(jìn)料，后擋板為可移動(dòng)設(shè)計(jì)，收回到位后為儲(chǔ)料箱的后擋門(mén)。稱(chēng)重臺(tái)尾部采用防漏陡坡設(shè)計(jì)，防止行走過(guò)程中后擋板不嚴(yán)造成飼料泄漏。后擋板采用兩側(cè)防灑包角設(shè)計(jì)，幫助后擋板收回時(shí)固定鎖住兩側(cè)箱體圍板。2)投料裝置：主要由推料舵機(jī)、一拖二的推料桿和前擋板、后擋板等組成。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出投飼指令后，投飼舵機(jī)緩慢連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，推桿隨著舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)向后推動(dòng)前后擋板，前擋板緩慢向后移動(dòng)將儲(chǔ)料箱中的飼料推出，后擋板也向后動(dòng)作，并脫離箱體形成空洞，空洞對(duì)準(zhǔn)跑道上的投飼區(qū)，飼料被推入水槽中，完成投飼，若遇阻力較大，可反復(fù)嘗試多次，最終完成投飼目標(biāo)才停止。

1.2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)投飼系統(tǒng)工作的控制，主要由控制系統(tǒng)板、嵌入在其他裝置的傳感器和輸入輸出設(shè)備等組成，具體包括K60最小系統(tǒng)板、OLED顯示屏模塊、HX711稱(chēng)重A/D轉(zhuǎn)換模塊、紅外對(duì)管模塊等。本系統(tǒng)單片機(jī)選用MK60DN512ZVLQ10單片機(jī)，0.96寸OLED顯示屏模塊，紅外對(duì)管模塊選用的比較器為L(zhǎng)M393。整個(gè)控制裝置通過(guò)一個(gè)大容量鋰電池供電。電流輸入升壓電路，經(jīng)處理后將電壓分成5 V和12 V，其中，12 V分給電機(jī)，5 V通過(guò)穩(wěn)壓電路后分別供給單片機(jī)、按鍵、舵機(jī)、OLED顯示屏、紅外對(duì)管、稱(chēng)重傳感器模塊等電子元件。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件電路功能如圖3所示，主要由K60核心控制板、紅外對(duì)管模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)、輸入輸出模塊等組成。

圖3 硬件電路功能框圖

2.1 K60核心控制板

核心控制板是以32位微控制器芯片K60為核心，該芯片集合了PWM、PIT、PORTE等多個(gè)功能的模塊，可以輸出需要的PWM波，對(duì)舵機(jī)和電機(jī)分別進(jìn)行角度和速度控制，通過(guò)PORTE中斷模塊對(duì)按鍵模塊信息進(jìn)行反饋。

2.2 電源模塊

系統(tǒng)采用一塊7.2 V、2 000 mAh鎳鉻電池供電，而單片機(jī)核心板、OLED顯示屏模塊、稱(chēng)重傳感器模塊、紅外對(duì)管模塊等均需要5 V電源，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊則需要12 V電源。由于各個(gè)電路模塊所需工作電壓和工作電流各不相同，因此，電源模塊采用穩(wěn)壓模塊將充電電池電壓轉(zhuǎn)換成各個(gè)模塊所需要的工作電壓。本系統(tǒng)的穩(wěn)壓芯片主要采用TPS系列中的TPS7350芯片進(jìn)行5 V穩(wěn)壓，該系列芯片具有封裝體積小巧、線(xiàn)性度好、輸出電流大、穩(wěn)定性好、壓降小等特點(diǎn)。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和電機(jī)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用MOS半橋驅(qū)動(dòng)，在MOS管(場(chǎng)效應(yīng)管)的導(dǎo)通壓降下，導(dǎo)通電阻小，柵極驅(qū)動(dòng)不需要電流，損耗小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，自帶保護(hù)二極管，熱阻特性好。775電機(jī)在驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)控制下，通過(guò)電壓的大小正負(fù)來(lái)控制小車(chē)的加速、減速、前進(jìn)、后退等。

2.4 基于PWM的舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制

本系統(tǒng)選用型號(hào)BDS1000M舵機(jī)作為投飼舵機(jī)，推桿采用直徑8 mm、高12 cm的金屬桿。系統(tǒng)中使用的舵機(jī)均采取PWM進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，通過(guò)改變其占空比來(lái)改變舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，從而達(dá)到轉(zhuǎn)向和推料動(dòng)作。PWM控制具有頻率高、效率高、功率密度高、可靠性高等特點(diǎn)，適用于本系統(tǒng)中舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制的需求。

2.5 紅外對(duì)管模塊

系統(tǒng)選用工作電壓3.5～5 V、檢測(cè)距離范圍2～30 cm的RISYSTEM紅外對(duì)管，位于小車(chē)前端，當(dāng)小車(chē)前端行走到標(biāo)記點(diǎn)時(shí)，紅外對(duì)管將識(shí)別后的信號(hào)傳回控制系統(tǒng)使小車(chē)做出相應(yīng)動(dòng)作。系統(tǒng)的循跡也是通過(guò)兩對(duì)紅外對(duì)管識(shí)別循跡線(xiàn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)執(zhí)行部件的控制運(yùn)行，達(dá)到自動(dòng)定點(diǎn)定量投飼的目的。圖4為控制流程。首先初始化轉(zhuǎn)向舵機(jī)、推料舵機(jī)、電機(jī)、稱(chēng)重傳感器、OLED顯示屏模塊的所有引腳，接著OLED顯示屏開(kāi)始顯示初始界面并顯示壓力傳感器經(jīng)過(guò)換算之后的值，通過(guò)中斷函數(shù)檢測(cè)按鍵是否按下，當(dāng)檢測(cè)到按鍵按下之后，OLED顯示屏進(jìn)入設(shè)置界面，通過(guò)按鍵設(shè)置好各個(gè)點(diǎn)的投飼量，之后投飼車(chē)從起點(diǎn)啟動(dòng)，4對(duì)紅外對(duì)管捕捉軌道信息，由左至右依次為1、2、3、4號(hào)燈，2、3號(hào)燈控制投飼車(chē)左右轉(zhuǎn)向，1號(hào)燈識(shí)別投料點(diǎn)，4號(hào)燈識(shí)別終點(diǎn)。投飼車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制投飼車(chē)的方向，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定點(diǎn)之后投飼車(chē)電機(jī)反轉(zhuǎn)制動(dòng)，同時(shí)投料舵機(jī)開(kāi)始進(jìn)行投飼動(dòng)作，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的投飼值之后，推料舵機(jī)動(dòng)作停止，投飼車(chē)啟動(dòng)重復(fù)之前的動(dòng)作，如此循環(huán)達(dá)到定點(diǎn)定量投飼的目的。當(dāng)投飼車(chē)儲(chǔ)料量不足規(guī)定的M值時(shí)，投飼車(chē)直接駛向終點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)料或上料，裝料完成后重啟投飼車(chē)進(jìn)行工作。

圖4 智能投飼車(chē)運(yùn)行控制流程圖

4 試驗(yàn)測(cè)試

4.1 試驗(yàn)跑道設(shè)計(jì)

本投飼車(chē)系統(tǒng)主要針對(duì)多層水槽式循環(huán)水工廠(chǎng)化養(yǎng)殖系統(tǒng)。本投飼車(chē)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境選用在水槽上方加裝特定白色板狀軌道，軌道寬度250 mm。圖5為跑道設(shè)定示意圖，跑道位于養(yǎng)殖槽水面上方，跑道兩側(cè)有擋板，中間有一根黑色尋跡線(xiàn)，在每個(gè)投喂點(diǎn)都有一個(gè)黑色標(biāo)記點(diǎn)，既可用來(lái)識(shí)別投喂點(diǎn)，又可用來(lái)定投喂口的距離，幫助投飼車(chē)精確定點(diǎn)。圖6為投喂區(qū)域放大圖，中間黑色循跡線(xiàn)將投喂區(qū)一分為二，投喂區(qū)除中間尋跡線(xiàn)外沒(méi)有其他阻擋，其寬度正好和儲(chǔ)料箱寬度相同；兩側(cè)的補(bǔ)投區(qū)為網(wǎng)篩狀，網(wǎng)孔直徑為飼料最大直徑的2～3倍。補(bǔ)投區(qū)既可讓投飼車(chē)通過(guò)，也可讓溢出的飼料能順利投喂下去。標(biāo)記點(diǎn)區(qū)域和飼料投喂區(qū)域的距離可以適當(dāng)調(diào)節(jié)，以確保裝置中的飼料正好推入投喂區(qū)，車(chē)輛前端正好位于標(biāo)記點(diǎn)。終點(diǎn)補(bǔ)料區(qū)與普通投飼點(diǎn)有所不同，就是投喂區(qū)不是毫無(wú)遮擋的空洞設(shè)計(jì)，而是同補(bǔ)投區(qū)一樣采用網(wǎng)篩狀設(shè)計(jì)，上料或補(bǔ)料還是采用人工操作。

圖5 跑道設(shè)定示意圖

圖6 投喂區(qū)域放大圖

4.2 結(jié)果與分析

在試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中設(shè)置M值為100 g，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，投飼車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，達(dá)到研究的預(yù)定要求。

(1)投飼車(chē)尺寸小、運(yùn)行速度快，速度在(0.5～2.2)m/s范圍連續(xù)可調(diào)，與常規(guī)的投飼系統(tǒng)[15-18]相比，單位時(shí)間內(nèi)可跑完的路徑更長(zhǎng)、投飼的點(diǎn)更多，有利于飼料在養(yǎng)殖池中更均衡的投放，從而減少因飼料局部堆積、密度超標(biāo)引起的病變和病害。

(2)投飼車(chē)自動(dòng)投飼精度較高，其定位精度誤差在2 cm以?xún)?nèi)，投飼量誤差在10 g以?xún)?nèi)。因其開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)用于空間較為局促的工廠(chǎng)化循環(huán)水養(yǎng)殖設(shè)施，尺寸較小，投飼點(diǎn)的開(kāi)口也比較小，精度要求較高。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果來(lái)看，投飼精度可滿(mǎn)足實(shí)際需求，因飼料浪費(fèi)較少，飼料利用率較高。

(3)投飼車(chē)造價(jià)低，整個(gè)系統(tǒng)建造成本在300元以下，與其他自動(dòng)化投飼系統(tǒng)[19-20]相比，成本節(jié)約50%以上，同時(shí)還節(jié)約了人力成本，是“機(jī)器換人”產(chǎn)業(yè)升級(jí)的有益實(shí)踐。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)運(yùn)行中也發(fā)現(xiàn)了一些不足，如投飼車(chē)投飼中產(chǎn)生誤差等，其可能原因有：紅外對(duì)管、稱(chēng)量傳感器自身的誤差范圍；由于儲(chǔ)料裝置制作粗糙，投飼車(chē)運(yùn)行途中特別是啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中飼料遺落造成了一定的誤差；推料舵機(jī)的推進(jìn)動(dòng)作和實(shí)際推料效果會(huì)造成一定的誤差等。

5 結(jié)論

針對(duì)多層水槽式循環(huán)水工廠(chǎng)化養(yǎng)殖系統(tǒng)需求開(kāi)發(fā)出基于K60單片機(jī)的智能投飼車(chē)，可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)定量的自動(dòng)投飼，解決人工投料勞動(dòng)強(qiáng)度大、飼料利用率低等缺點(diǎn)；投飼車(chē)成本低廉、靈活度高，可提高工廠(chǎng)化養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益。本智能投飼車(chē)能自動(dòng)識(shí)別路徑和投飼區(qū)，準(zhǔn)確定位投飼點(diǎn)或終點(diǎn)并完成投飼動(dòng)作或補(bǔ)料動(dòng)作，定位和定量精度基本能滿(mǎn)足投飼需求。但投飼車(chē)設(shè)計(jì)部分仍有待提高，如對(duì)儲(chǔ)料箱和推料機(jī)構(gòu)進(jìn)行更合理的設(shè)計(jì)，還可增加藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)模塊或GSM模塊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)的遠(yuǎn)程控制等。

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