胡慶松 曹佳瑞 鄭 波 陳雷雷 李 俊

(上海海洋大學(xué)工程學(xué)院， 上海 201306)

0 引言

我國(guó)蝦類養(yǎng)殖總產(chǎn)量達(dá)216萬(wàn)t，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，在水產(chǎn)養(yǎng)殖中占有重要地位[1]。養(yǎng)魚(yú)投餌已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，但蝦塘養(yǎng)殖還是依賴人工撒料。隨著勞動(dòng)力成本提高，人工投喂餌料已成為限制蝦類養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。此外，人工餌料拋撒不均勻，蝦攝食的領(lǐng)地性特征導(dǎo)致其生長(zhǎng)規(guī)格差別較大，且局部餌料過(guò)剩易形成水體環(huán)境污染[2-3]。蝦類養(yǎng)殖塘中存在的增氧機(jī)固定繩等障礙物浮于水面之上，嚴(yán)重影響船體行駛。螺旋槳驅(qū)動(dòng)容易產(chǎn)生纏繞，故設(shè)計(jì)流線型船體并采用明輪驅(qū)動(dòng)是可行的方案之一[4]。自主導(dǎo)航技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域獲得了很多應(yīng)用[5-14]，也陸續(xù)研發(fā)了一些自主投餌、割草等裝置[15-19]，在導(dǎo)航、全塘投喂等方面獲得了突破，但在可靠性等方面還存在一些問(wèn)題，因此尚未得到大規(guī)模推廣。

為解決這一問(wèn)題，從滿足蝦類養(yǎng)殖需求出發(fā)，設(shè)計(jì)基于明輪驅(qū)動(dòng)的蝦塘自主導(dǎo)航投餌船。從全封閉式船體、明輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、餌料傳送機(jī)構(gòu)、自動(dòng)導(dǎo)航控制策略與算法等方面進(jìn)行高可靠性設(shè)計(jì)，并將投餌船進(jìn)行長(zhǎng)周期測(cè)試，以期為投餌船的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

移動(dòng)式蝦類養(yǎng)殖投餌船主要由雙體式船體、明輪推進(jìn)器、螺旋輸送裝置、拋料裝置等部分構(gòu)成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。投餌船船體尺寸為1.8 m×1.1 m×1 m，船體采用PE材料滾塑成型，為全封閉結(jié)構(gòu)，最大負(fù)載量60 kg，空載吃水深度為0.21 m，滿載吃水深度0.27 m。單體船穩(wěn)定性較差，雙體船航行可控性更好，以雙體船作為裝置載體進(jìn)行投餌平臺(tái)設(shè)計(jì)。其中，料倉(cāng)位于船體上部，用來(lái)存放餌料；螺旋輸送裝置位于料倉(cāng)下部，用來(lái)輸送餌料至拋料裝置；電源和板卡控制盒分別置于料倉(cāng)側(cè)面和螺旋輸送裝置側(cè)面；拋料盤(pán)位于船體尾部船艙開(kāi)口部位，用來(lái)拋撒餌料；明輪安裝在船體兩側(cè)，作為動(dòng)力裝置。船體配備一個(gè)容量為12 V/60 A·h動(dòng)力鋰電池供電，具有無(wú)污染、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 移動(dòng)式蝦類養(yǎng)殖投餌船結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure diagram of mobile shrimp pond feeding device1.船體 2.板卡控制盒 3.料倉(cāng) 4.螺旋輸送電機(jī) 5.倉(cāng)蓋 6.鋰電池 7.拋料盤(pán) 8.下料板 9.拋料電機(jī) 10.螺旋輸送裝置 11.明輪 12.直流電機(jī) 13.減速裝置 14.防纏繞保護(hù)罩

1.2 工作原理

為了靈活應(yīng)對(duì)多種環(huán)境的投餌需求，移動(dòng)式蝦類養(yǎng)殖投餌船設(shè)有遙控和自主導(dǎo)航兩種控制方式，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of system structure

主控制器采用ST公司基于Cortex-M4內(nèi)核設(shè)計(jì)的低成本、高效率、功耗低的32位處理器STM32F407。自主導(dǎo)航模式中，主控制器獲取定位信息(GPS模塊)、姿態(tài)信息(電子羅盤(pán))后使用開(kāi)發(fā)的導(dǎo)航算法進(jìn)行處理，根據(jù)處理的結(jié)果調(diào)用PWM(Pulse width modulation)驅(qū)動(dòng)模塊(驅(qū)動(dòng)明輪和餌料輸送裝置)和GPIO (General purpose input output)輸出模塊(控制拋料盤(pán))，控制船體的航行和投餌。433 MHz通信模塊與STM32F407通過(guò)串口進(jìn)行通信，接收來(lái)自上位機(jī)的指令，并將船體位置、航向等信息上傳至上位機(jī)。電源模塊提供電壓有3.3、5、12 V。

GPS采用的是NEO-M8N模塊，它是一款高性能、高靈敏度的GPS導(dǎo)航定位模塊，RF架構(gòu)和干擾抑制可以保證芯片在反GNSS環(huán)境下保持良好的性能。電子羅盤(pán)采用的是邁科傳感科技的SCM345型號(hào)產(chǎn)品，它是一款高精度三維電子羅盤(pán)，采用三維補(bǔ)償專利技術(shù)，當(dāng)羅盤(pán)水平放置在船體上時(shí)，可在船體受風(fēng)向、風(fēng)力影響橫滾或俯仰傾斜為±40°的角度范圍內(nèi)提供準(zhǔn)確的航向數(shù)據(jù)，航向精度為1°，具有體積小、功耗低、高可靠性等特點(diǎn)，可以滿足要求。

1.3 主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.3.1明輪推進(jìn)器

實(shí)際池塘養(yǎng)殖中，由于存在增氧機(jī)固定繩等障礙物，而空氣螺旋槳成本和維護(hù)要求較高，故采用成本低、低速機(jī)動(dòng)性好、航控性較好、可順利跨過(guò)障礙物的明輪作為推進(jìn)器[20]。明輪材料采用航空鋁，硬度高，抗氧化性好，結(jié)構(gòu)為定蹼式6葉槳，并在旋轉(zhuǎn)與非旋轉(zhuǎn)部件間隙處設(shè)有不銹鋼防纏繞罩，如圖3所示。根據(jù)船體航行速度不小于0.6 m/s要求，船體采用12 V/60 W的GPG-07SC型有刷直流電動(dòng)機(jī)，通過(guò)不需油脂潤(rùn)滑的不銹鋼鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)明輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)明輪的轉(zhuǎn)速差控制船體前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)向。

圖3 明輪驅(qū)動(dòng)投餌船F(xiàn)ig.3 Paddle-driven feeding boat

1.3.2螺旋輸送與拋料裝置

與固定式養(yǎng)魚(yú)用投餌機(jī)不同，若直接將投餌機(jī)料倉(cāng)放置于船尾，隨著餌料的投放，投餌船重心會(huì)有很大的變化，導(dǎo)致船體驅(qū)動(dòng)性能變化較大。為解決這一問(wèn)題，將料倉(cāng)置于船體重心位置，通過(guò)螺旋輸送方式將餌料輸送至尾部的拋料盤(pán)，拋料盤(pán)通過(guò)電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)，將餌料拋向池塘。為了保證1～3 kg/min下料量、低破碎率、拋料均勻性和寬度，采用直徑為70 mm、螺距為40 mm、長(zhǎng)度為500 mm的螺旋軸，如圖4所示。采用折彎角度為12°的5葉槳拋料盤(pán)，其橫向斷面均勻性較好。螺旋輸送電動(dòng)機(jī)采用12 V/60 W、額定轉(zhuǎn)速為1 800 r/min的GPG-07SC型有刷直流電動(dòng)機(jī)；拋料電動(dòng)機(jī)采用12 V/50 W、額定轉(zhuǎn)速為2 500 r/min的扁平電動(dòng)機(jī)。

圖4 螺旋輸送裝置Fig.4 Screw conveyor

2 導(dǎo)航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)動(dòng)模型構(gòu)建

采用直線和原地轉(zhuǎn)彎相結(jié)合的運(yùn)動(dòng)方式，即直線運(yùn)動(dòng)到轉(zhuǎn)彎點(diǎn)時(shí)先減速到零，進(jìn)行原地轉(zhuǎn)彎后再加速到巡航速度。該運(yùn)動(dòng)方式可以形成折線而非帶圓弧的巡航軌跡，在滿足投餌需求的前提下實(shí)現(xiàn)航速和航向更好的解耦，降低控制難度，提升抗干擾能力。直線和原地轉(zhuǎn)彎是投餌船工作中的兩個(gè)基本運(yùn)動(dòng)形式，對(duì)其進(jìn)行建模是對(duì)投餌船進(jìn)行控制的基礎(chǔ)。

2.1.1直線運(yùn)動(dòng)模型

單個(gè)明輪推力計(jì)算公式為[21]

Fe=CFSFρn2D2

(1)

其中

SF=2bh

(2)

式中Fe——單個(gè)明輪推力，N

CF——推進(jìn)力系數(shù)

SF——明輪水力作用面積，m2

b——明輪寬度，m

h——明輪底部邊緣到吃水線的距離，m

ρ——水密度，kg/m3

n——明輪工作轉(zhuǎn)速，r/s

D——明輪直徑，m

推進(jìn)力系數(shù)取3，明輪寬度為0.075 m，明輪底部邊緣到吃水線的距離滿載時(shí)為0.25 m，則明輪水力作用面積為0.037 5 m2，水的密度為1 000 kg/m3，明輪的工作轉(zhuǎn)速1 r/s，明輪直徑0.48 m，將以上數(shù)據(jù)代入公式(1)，并通過(guò)計(jì)算，可得船體平衡狀態(tài)下的總推力為51.84 N。

船體直線航行時(shí)阻力計(jì)算公式為[22]

Fz=Czρv2S/2

(3)

式中Fz——船體直線航行時(shí)阻力，N

Cz——阻率

v——船體運(yùn)行速度，m/s

S——船體吃水面積，m2

船體滿載運(yùn)行平衡狀態(tài)時(shí)船體運(yùn)行速度為0.72 m/s，船體吃水面積3.1 m2，根據(jù)船體受力平衡狀態(tài)方程得到阻率為0.06。

根據(jù)牛頓第二定律，加速和減速過(guò)程中船體動(dòng)態(tài)過(guò)程可以描述為

(4)

式中m*——船載總質(zhì)量，kg

由于明輪轉(zhuǎn)速變化量小，變化時(shí)間短，因此可把明輪推力看作滿載平衡時(shí)推力，即51.84 N。則式(4)表示為

(5)

(6)

所以在加速階段的速度為

v=0.75tanh(0.53t+0.53C0)

(7)

式中C0——常數(shù)t——時(shí)間，s

當(dāng)時(shí)間為零，船體運(yùn)行速度也為零時(shí)，代入式(7)可得C0為零，式(7)表示為

v=0.75tanh(0.53t)

(8)

當(dāng)加速到0.72 m/s時(shí)，加速時(shí)間為3.67 s，實(shí)際測(cè)試時(shí)間為3.5 s。

同理，在減速階段，明輪反轉(zhuǎn)，所以式(4)變?yōu)?/p>

(9)

(10)

所以減速階段的速度為

v=0.74tan(-0.53t+C1)

(11)

式中C1——常數(shù)

當(dāng)時(shí)間為0，船體運(yùn)行速度為0.72 m/s時(shí)，代入式(11)可得C1為0.77，式(11)表示為

v=0.74tan(-0.53t+0.77)

(12)

當(dāng)減速到速度為0時(shí)，減速時(shí)間為1.45 s，實(shí)際測(cè)試時(shí)間為1.5 s。

這里將驅(qū)動(dòng)力作為常量進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)上述構(gòu)建的模型進(jìn)行了多組試驗(yàn)，船體運(yùn)行速度、加減速時(shí)間與模型計(jì)算結(jié)果誤差較小，說(shuō)明所建模型具有較高的準(zhǔn)確性。

2.1.2原地轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)模型

明輪驅(qū)動(dòng)船體原地轉(zhuǎn)彎時(shí)，轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為

T=2FeL/2

(13)

式中L——船體寬度，m

T——轉(zhuǎn)矩，N·m

原地轉(zhuǎn)彎時(shí)，船體受到的阻力矩計(jì)算公式為

Tz=λωz

(14)

式中ωz——船體轉(zhuǎn)動(dòng)瞬時(shí)角速度，rad/s

λ——阻尼系數(shù)

Tz——阻力矩，N·m

當(dāng)船體原地轉(zhuǎn)彎處于平衡狀態(tài)時(shí)，船體寬為1.1 m，根據(jù)公式(13)得轉(zhuǎn)矩為28.51 N·m，船體轉(zhuǎn)動(dòng)瞬時(shí)角速度為0.628 rad/s，根據(jù)力矩平衡方程，得到阻力系數(shù)為45.4。

由力矩平衡方程知

(15)

式中J——船體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2

由于原地轉(zhuǎn)彎時(shí)明輪轉(zhuǎn)速變化量小，變化時(shí)間短，可把動(dòng)力矩看作滿載平衡時(shí)力矩，即28.51 N·m。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，由SolidWorks建模分析得原地轉(zhuǎn)彎時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為26.9 kg·m2，則式(15)表示為

(16)

(17)

所以在非勻速階段的角速度為

ωz=C2e-1.69t+0.63

(18)

式中C2——常數(shù)

當(dāng)時(shí)間為0，角速度也為0時(shí)，代入式(18)可得C2為-0.63，式(18)表示為

ωz=-0.63e-1.69t+0.63

(19)

當(dāng)角速度加速到0.628 rad/s時(shí)，加速時(shí)間為3.41 s，實(shí)際測(cè)試時(shí)間為3.5 s。這里將動(dòng)力矩作為常量是一種近似計(jì)算，根據(jù)上述構(gòu)建的模型進(jìn)行了多組試驗(yàn)，船體原地轉(zhuǎn)彎角速度、轉(zhuǎn)彎時(shí)間等與計(jì)算結(jié)果誤差較小，說(shuō)明所建模型具有較高的準(zhǔn)確性。

2.2 自動(dòng)導(dǎo)航路徑規(guī)劃與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)使用基于RTK (Real time kinematic)模式的高精度GPS系統(tǒng)采集池塘四角坐標(biāo)，進(jìn)一步根據(jù)投喂路徑計(jì)算和設(shè)定航道關(guān)鍵點(diǎn)(出發(fā)點(diǎn)、插入點(diǎn)、轉(zhuǎn)彎點(diǎn))處的位置坐標(biāo)，插入點(diǎn)根據(jù)直線運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)度進(jìn)行確定。將關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)下載至投餌船控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)出發(fā)點(diǎn)和插入點(diǎn)及轉(zhuǎn)彎點(diǎn)之間的位置信息進(jìn)行相應(yīng)的直行和轉(zhuǎn)彎動(dòng)作。

圖5 直行和轉(zhuǎn)彎示意圖Fig.5 Straight and turn diagram

如圖5所示，1、2、3、4、5、6為6個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，點(diǎn)0為船體當(dāng)前位置，點(diǎn)1為起點(diǎn)，航道方向?yàn)?→2→3→4→5→6。點(diǎn)0首先按1→2行走，主控制器不斷計(jì)算船體和前方點(diǎn)2的距離向點(diǎn)2運(yùn)行，當(dāng)點(diǎn)0與點(diǎn)2之間距離大于2 m時(shí)，船體按航道正常航行，當(dāng)點(diǎn)0與點(diǎn)2之間距離小于2 m時(shí)，主控制器認(rèn)為船體已接近位置點(diǎn)2，將下一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)3作為新的巡航目標(biāo)點(diǎn)，根據(jù)點(diǎn)2與點(diǎn)3的位置信息，進(jìn)行巡航。當(dāng)點(diǎn)0與點(diǎn)3之間距離大于2 m，船體按航道正常航行，當(dāng)點(diǎn)0與點(diǎn)3之間距離小于2 m時(shí)，主控制器認(rèn)為船體已接近位置點(diǎn)3，將下一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)4作為新的巡航目標(biāo)點(diǎn)，根據(jù)點(diǎn)3與點(diǎn)4的位置信息，進(jìn)行巡航。當(dāng)點(diǎn)0與點(diǎn)4之間距離大于2 m，船體按航道正常航行，當(dāng)點(diǎn)0與點(diǎn)4之間距離小于2 m時(shí)，主控制器認(rèn)為船體已接近位置點(diǎn)4，將下一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)5作為新的巡航目標(biāo)點(diǎn)，根據(jù)點(diǎn)4與點(diǎn)5的位置信息，主控制器判斷此處需先停止，正常投料，再進(jìn)行原地轉(zhuǎn)彎，然后向點(diǎn)5直線巡航。當(dāng)點(diǎn)0與點(diǎn)5之間距離大于2 m，船體按航道正常航行，當(dāng)點(diǎn)0與點(diǎn)5之間距離小于2 m時(shí)，主控制器認(rèn)為船體已接近位置點(diǎn)5，根據(jù)點(diǎn)5與點(diǎn)6的位置信息進(jìn)行直線巡航，最后當(dāng)點(diǎn)0與點(diǎn)6之間距離小于2 m時(shí)，船體減速運(yùn)行到目標(biāo)點(diǎn)6。

2.3 航向、航速控制算法

投餌船工作于池塘，其面積較小，環(huán)境較為單一，受到的干擾主要是快速變化的風(fēng)力和水流阻力。船體本身運(yùn)動(dòng)速度低，特別是本文中投餌船主要是直行和原地轉(zhuǎn)彎兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的動(dòng)作，目標(biāo)是進(jìn)行折線而非曲線運(yùn)動(dòng)，該控制目標(biāo)下的航速、航向控制具有較好的解耦效果，所以把船體的航行控制分為航向控制和航速控制兩部分，控制系統(tǒng)框圖如圖6所示[23-25]。①主控制器通過(guò)定位模塊獲取投餌船實(shí)際船速v2和實(shí)時(shí)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，并結(jié)合預(yù)設(shè)目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)計(jì)算目標(biāo)航向φ1。②利用電子羅盤(pán)解析出當(dāng)前航向φ2。③把目標(biāo)航向與當(dāng)前航向的差值Δφ作為PD控制器的輸入量，輸出量為φ*，把目標(biāo)航速與實(shí)際航速的差值Δv作為PI控制器的輸入量，輸出量為v*。最后，主控制器根據(jù)φ*和v*解耦結(jié)果進(jìn)行投餌船的自動(dòng)導(dǎo)航控制。航速控制采用PI控制，通過(guò)積分環(huán)節(jié)消除航速的穩(wěn)態(tài)誤差。航向控制采用PD控制，通過(guò)微分環(huán)節(jié)減小航向角超調(diào)量、保持船體穩(wěn)定。

控制系統(tǒng)把速度調(diào)整量v*(k)作為基準(zhǔn)，將左右明輪速度分別加上和減去φ*(k)/2來(lái)進(jìn)行解耦，得到左右明輪的速度分別為V1(k)和V2(k)?？刂破鞲鶕?jù)V1(k)及V2(k)的值設(shè)定PWM模塊的占空比，控制船體左右明輪轉(zhuǎn)速。

圖6 組合導(dǎo)航控制框圖Fig.6 Combined navigation control block diagram

3 試驗(yàn)與可靠性分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

將投餌裝置制造和安裝后進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試及樣機(jī)的性能試驗(yàn)，主要對(duì)投餌裝置進(jìn)行自主導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)試和投餌能力測(cè)試。2019年4月28日在上海市崇明區(qū)崇東水產(chǎn)養(yǎng)殖合作社池塘進(jìn)行投餌試驗(yàn)，天氣為多云，風(fēng)力1～2級(jí)，溫度15～19℃。分別在兩種不同水域情況的養(yǎng)殖塘進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)路徑規(guī)劃測(cè)試，1號(hào)養(yǎng)殖塘，不規(guī)則四邊形水域，最長(zhǎng)邊約180 m，最短邊約150 m，水深約為1 m，面積約為29 000 m2，池塘中間有一排布線樁，四周有增氧機(jī)，靠近岸邊的地方有電線桿，路徑規(guī)劃時(shí)，需規(guī)避；2號(hào)養(yǎng)殖塘，不規(guī)則四邊形水域，最長(zhǎng)邊約280 m，最短邊約130 m，水深約1 m，面積約40 000 m2，池塘4個(gè)角落均有增氧機(jī)，路徑規(guī)劃時(shí)，需規(guī)避。

首先，在1號(hào)養(yǎng)殖塘進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)投餌試驗(yàn)，采用凹形路徑規(guī)劃，進(jìn)行自主導(dǎo)航試驗(yàn)。選取15個(gè)合適目標(biāo)點(diǎn)，經(jīng)緯度坐標(biāo)如表2所示，1號(hào)點(diǎn)設(shè)在碼頭邊，方便裝料及維護(hù)，試驗(yàn)如圖7所示。

表2 1號(hào)塘位置坐標(biāo)Tab.2 Position coordinates of No.1 pond

圖7 1號(hào)養(yǎng)殖塘試驗(yàn)Fig.7 Breeding test in No.1 pond

航道方向?yàn)閺?到15順序航行，最后回到起點(diǎn)。根據(jù)上位機(jī)接收的船體位置信息繪制投餌船航行軌跡如圖8所示，自主導(dǎo)航試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析如表3所示。由圖表可知，自主導(dǎo)航系統(tǒng)航行效果較好，能按預(yù)設(shè)軌跡投餌，導(dǎo)航偏航量不超過(guò)0.8 m。由于所采用導(dǎo)航模塊本身定位誤差在0.8 m左右，兩者疊加總誤差不超過(guò)1.6 m，滿足蝦塘投餌定位精度需求。

圖8 1號(hào)塘自主導(dǎo)航測(cè)試經(jīng)緯度軌跡Fig.8 Autonomous navigation test latitude and longitude trajectory of No.1 pond

參數(shù)平均速度/(m·s-1)直行最大誤差/m直行平均誤差/m轉(zhuǎn)彎最大誤差/m轉(zhuǎn)彎平均誤差/m數(shù)值0.720.80.50.50.4

然后，在2號(hào)養(yǎng)殖塘進(jìn)行系統(tǒng)投餌測(cè)試，試驗(yàn)如圖9所示，采用往返式路徑規(guī)劃，如圖10，分為5個(gè)航道進(jìn)行滿載投餌試驗(yàn)。選取16個(gè)航道目標(biāo)點(diǎn)，1號(hào)點(diǎn)設(shè)在碼頭邊，經(jīng)緯度坐標(biāo)如表4所示。

圖9 2號(hào)養(yǎng)殖塘試驗(yàn)Fig.9 Breeding test in No.2 pond

圖10 2號(hào)塘往返式路徑規(guī)劃Fig.10 Round-trip path planning of No.2 pond

投餌船從1到16順序航行，最后回到起點(diǎn)。進(jìn)行3次投餌試驗(yàn)，船體運(yùn)行穩(wěn)定，拋料盤(pán)拋撒寬度10 m左右，拋料均勻，能夠按照預(yù)設(shè)路徑巡航投餌，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。由數(shù)據(jù)可知，單臺(tái)投餌裝置投餌時(shí)長(zhǎng)在32 min左右，平均投餌1.3 kg/min，能夠覆蓋整個(gè)養(yǎng)殖池塘。投餌船投餌速率有機(jī)械和

表4 2號(hào)塘位置坐標(biāo)Tab.4 Position coordinates of No.2 pond

電氣兩種調(diào)整方式，可以滿足隨著養(yǎng)殖對(duì)象生長(zhǎng)帶來(lái)的不同投餌速率的使用要求。

表5 2號(hào)塘自主導(dǎo)航投餌試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.5 Autonomous navigation feeding test data in No.2 pond

3.2 可靠性測(cè)試

為檢驗(yàn)投餌船的可靠性，特別把使用人員因素一并納入考慮，在由技術(shù)人員完成現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試后進(jìn)行可靠性測(cè)試。本次試驗(yàn)由一線養(yǎng)殖人員獨(dú)立實(shí)施，即在調(diào)試完成并對(duì)一線養(yǎng)殖人員進(jìn)行培訓(xùn)后完全由其自行操作，2019年5月19日正式開(kāi)始。在40 d測(cè)試中，投餌船總體使用正常，無(wú)機(jī)械損壞。60 A·h電池剩余40%電量的情況下可以連續(xù)工作2.8 h，實(shí)際應(yīng)用中2 d充電一次，每次工作30 min左右，40 d中未發(fā)現(xiàn)續(xù)航力問(wèn)題。在測(cè)試期間經(jīng)歷了大風(fēng)、大雨、操作失誤等，具體如下：

(1)大風(fēng)環(huán)境下的可靠性

5月25日，東南風(fēng)5～6級(jí)，導(dǎo)航系統(tǒng)正常工作，導(dǎo)航精度有所偏大但不影響投喂。解決辦法：在5～6級(jí)大風(fēng)下可以正常工作，但在更大風(fēng)力情況下應(yīng)該不能正常使用，待后期進(jìn)行測(cè)試。

(2)潮濕餌料導(dǎo)致積料

6月12日，養(yǎng)殖人員將微生物制劑溶液倒入餌料中，導(dǎo)致餌料粘結(jié)，螺旋輸送部位積料。解決辦法：目前投餌機(jī)采用了50 cm的螺旋輸送到拋料盤(pán)，以解決投喂過(guò)程中船體重心變化過(guò)大問(wèn)題，暫時(shí)不能用于投放濕料，后期根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求進(jìn)行新的整體抖動(dòng)式投餌裝置開(kāi)發(fā)。

(3)操作失誤下的可靠性

6月16日，拋料盤(pán)在未啟動(dòng)的情況下，操作人員開(kāi)啟螺旋輸送電機(jī)進(jìn)行工作，導(dǎo)致餌料在拋料口堆積。解決辦法：將控制算法進(jìn)行修改，把拋料盤(pán)電機(jī)工作作為螺旋輸送電機(jī)工作的先決條件，避免了在拋料口積料。

(4)大雨環(huán)境下的可靠性

6月17日，大雨，料倉(cāng)內(nèi)少量進(jìn)水，原因?yàn)樯刃螔伭峡诔?0°設(shè)計(jì)，拋料口為點(diǎn)焊而成，焊縫處有一定滲水；解決辦法為：在投餌船停泊時(shí)頭部略微上翹，避免進(jìn)水，后期加工中進(jìn)行全焊，避免滲水。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了基于明輪驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)式蝦塘自主投餌船，能夠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境，易于維護(hù)，加長(zhǎng)螺旋輸送機(jī)構(gòu)投餌機(jī)能夠?qū)⑻幱诖w重心位置的料倉(cāng)餌料送至拋料盤(pán)，前期試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中未發(fā)現(xiàn)機(jī)械損壞現(xiàn)象，具有較高的成熟度。

(2)對(duì)投餌船進(jìn)行了直線和原地轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)建模，自主導(dǎo)航系統(tǒng)控制策略較為合理，自主導(dǎo)航時(shí)，平均速度0.72 m/s，最大直線偏航量為0.8 m，最大轉(zhuǎn)彎偏航量為0.5 m，性能比較穩(wěn)定，能夠通過(guò)折線運(yùn)動(dòng)方式解決池塘中存在增氧機(jī)、電線桿等障礙物的巡航軌跡設(shè)計(jì)問(wèn)題，特別是在大風(fēng)環(huán)境下的正常使用顯示了控制系統(tǒng)較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。

(3)40 d測(cè)試結(jié)果表明，所研發(fā)的投餌船具有較高的可靠性，滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求。