葉杰民，張麗珍，吳 迪，劉單寒，魯興益，王 萍

(1上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306；2上海海洋可再生能源工程技術(shù)研究中心，上海 201306)

中國自20世紀(jì)80年代開始池塘養(yǎng)殖南美白對蝦，人們已對其生活習(xí)性進行了持續(xù)深入探索和研究。南美白對蝦生活與覓食主要分布在池塘靠近堤岸附近區(qū)域[1-5]。根據(jù)這一特性，傳統(tǒng)的人工投喂方式是把飼料投喂在蝦塘四周的“食道”區(qū)域上，以獲得較好的養(yǎng)殖效果[6-8]，但人工投飼難以將飼料均勻拋撒到蝦塘“食道”上。

為了提高蝦類養(yǎng)殖的自動化水平，實現(xiàn)飼料沿著“食道”的均勻投放，學(xué)者們結(jié)合蝦塘的實際情況，開展了投飼船的研究。唐榮等[9]設(shè)計了一種采用蓄電池的電動投飼船及測控系統(tǒng)，能夠控制投飼船在蝦塘投飼；馬迪紅[10]設(shè)計了使用雙體船為移動載體的投飼系統(tǒng)，可以調(diào)控蝦塘投飼量大?。怀涛钠絒11]也采用雙體船為載體，設(shè)計了一套基于北斗自主導(dǎo)航的投飼裝置；王琢等[12]設(shè)計了載人式投飼船的推進系統(tǒng)，其投喂方式還是以人工投喂為主；Ruan等[13]研制了一款多功能可用于蝦塘的自動投飼船，設(shè)計了一種新的導(dǎo)航方法；洪揚等[14]設(shè)計制作了一種用于大中型蟹、蝦塘養(yǎng)殖池塘的移動投飼裝置，可以較為精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)投飼速度；胡慶松等[15]設(shè)計了基于明輪驅(qū)動的蝦塘投飼船，速度限定在3個檔位；胡慶松等[16]還設(shè)計了一種投飼船載專用振動式平衡下料系統(tǒng)。但是目前這些投飼船的投飼速率都沒有與船速相關(guān)聯(lián)，在船速受到風(fēng)等環(huán)境因素的影響時，會造成飼料在“食道”上投喂不均勻。

為此，設(shè)計了一種能實現(xiàn)蝦塘投飼船均勻投飼的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能根據(jù)當(dāng)前的實際船速，實時調(diào)整投飼船上投飼機的投飼速率，使飼料能均勻分布在蝦塘的整個“食道”上，達(dá)到均勻投飼的目的。

1 投飼船載自適應(yīng)速度投飼系統(tǒng)的組成

1.1 系統(tǒng)設(shè)計要求

投飼船載自適應(yīng)速度投飼系統(tǒng)是上海海洋大學(xué)自主研發(fā)的精準(zhǔn)投飼船的組成部分。如圖1所示，精準(zhǔn)投飼船由2個船體、料箱和投飼機構(gòu)組成。該系統(tǒng)主要針對的是長三角地區(qū)面積為0.47 hm2左右，邊長在30～100 m的養(yǎng)殖蝦塘[17-18]，“食道”寬2～3 m，距離蝦塘岸邊3～4 m，如圖2所示。投飼時，投飼船沿著“食道”行駛一周，投飼機構(gòu)將一次投飼量的飼料均勻投放在“食道”上，投飼船的行駛時間與投飼機構(gòu)投飼時間相等。由于“食道”周長固定，行駛時間取決于投飼船的行駛速度。理論上某一區(qū)域的投飼量與投飼速率、行駛速度相關(guān)，控制投飼速率與行駛速度實時匹配，使得每個區(qū)域投飼量相同。因此，以一定時間間隔檢測船速，根據(jù)此船速調(diào)整投飼速率是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。

圖1 精準(zhǔn)投飼船F(xiàn)ig.1 Precise feeding boat

圖2 蝦塘“食道”及UWB定位系統(tǒng)布局Fig.2 Layout of the feeding path and UWB positioningsystem in shrimp pond

1.2 投飼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

投飼船載自適應(yīng)速度投飼系統(tǒng)由投飼機構(gòu)、船速的獲取和自適應(yīng)速度投飼控制系統(tǒng)3部分組成。投飼機構(gòu)根據(jù)與船速對應(yīng)的投飼速率，通過由舵機驅(qū)動的搖桿滑塊機構(gòu)來控制投料口的開度，實現(xiàn)對投飼速率的控制。船速的獲取部分先通過UWB定位系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)定的時間間隔，將檢測到的船體位置信息輸入到STM32單片機控制系統(tǒng)中，再根據(jù)速度解算程序解算出實時的船速。自適應(yīng)速度投飼控制系統(tǒng)分為兩部分，一是用于計算參數(shù)和控制舵機的單片機，二是輸入和顯示有關(guān)參數(shù)的上位機。

在上位機中輸入一次投飼量Q、食道周長L和間隔時間T，由單片機計算出舵機需要轉(zhuǎn)動的角度，控制系統(tǒng)控制舵機轉(zhuǎn)動該角度，帶動投料口打開到對應(yīng)的開度。同時單片機將投飼船的位置坐標(biāo)、實時速度與投料口開度傳輸?shù)缴衔粰C中顯示出來。

2 投飼機構(gòu)

2.1 投飼機構(gòu)結(jié)構(gòu)

投飼機構(gòu)安裝在料箱的出料口處(圖1)，其結(jié)構(gòu)見圖3，圖3中S代表投料口的開度。投飼機采用振動下料，通過振動電機的振動保證飼料從投料口均勻出料。搖桿與舵機盤相連，滑塊與出料門固定連接。投飼機構(gòu)通過搖桿滑塊機構(gòu)將舵機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滑塊的直線運動，從而控制出料門的左右移動，控制投料口開度大小。

圖3 投飼機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure drawing of the feeding mechanism

2.2 舵機轉(zhuǎn)角的控制

選用的是型號為MG996R的金屬銅齒輪舵機[19]，工作電壓3.0～7.2 V，工作扭矩13 kg·cm，轉(zhuǎn)速在無負(fù)載且電壓為4.8 V時速度為0.98 rad/s，舵機的控制需要一個20 ms左右的時基脈沖，其角度控制的脈沖寬度范圍為0.5～2.5 ms，總間隔為2 ms，量程為180°。對應(yīng)的控制關(guān)系為：0.5～2.5 ms脈沖對應(yīng)舵機轉(zhuǎn)角0°～180°，由此可以得到脈沖寬度和轉(zhuǎn)動角度之間的關(guān)系為：

(1)

式中：y為脈沖寬度，ms ；β為轉(zhuǎn)動角度，(°)。根據(jù)式(1)可以通過控制輸出的脈沖寬度來控制舵機的轉(zhuǎn)角。

2.3 舵機轉(zhuǎn)角與開度的關(guān)系

由于投料口的開度是舵機控制的，所以需要確定舵機轉(zhuǎn)角與投料口開度之間的關(guān)系。投飼機構(gòu)的機構(gòu)簡圖如圖4所示。

圖4 投飼機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Structure sketch of the feeding mechanism

(2)

再根據(jù)二角和差公式sin(β+γ)=sinβcosγ+cosβsinγ，可以得到：

(3)

式中：γ=60°，a=S，b的長度為C點到A點的距離，等于0.03 m，代入式(3)，經(jīng)整理得到轉(zhuǎn)動角度β和開度S的關(guān)系為：

(4)

式中：S為投料口開度，m；β為搖桿的轉(zhuǎn)動角度，(°)。

3 投飼船的速度獲取

3.1 投飼船坐標(biāo)位置的獲取

采用UWB定位技術(shù)[20-22]來獲取投飼船的位置信息。選用型號為D-DWM-PG2.5評估板，采用TOA/TDOA (Time/Time Difference of Arrival，到達(dá)時間)估計方法[23-25]中的DS-TWR(Double-sided Two-way Ranging，雙邊雙向測距)法[26-28]來檢測船體的位置。使用UWB定位功能對投飼船進行二維定位，需要3個安裝在蝦塘岸邊的基站(1個主基站A，2個副基站B、C)和1個放置在投飼船上的定位標(biāo)簽，如圖2所示。將A基站作為坐標(biāo)原點(0,0)，B、C基站分別為X，Y軸上的一點，根據(jù)定位標(biāo)簽與3個基站之間距離解算出當(dāng)前標(biāo)簽(即船)的x、y坐標(biāo)。

定位標(biāo)簽的輸入輸出端與STM32單片機相連，在UWB定位系統(tǒng)工作時，定位標(biāo)簽將位置信息以ASCII碼的格式，通過TTL自由協(xié)議端口傳輸?shù)絊TM32單片機。單片機根據(jù)ASCII碼表[29]中的對應(yīng)關(guān)系，對位置信息進行提取，具體過程是通過識別一段輸出信息的前后特殊符號來獲取位置信息的ASCII碼，“0x58”對應(yīng)的是“:” “0x0d”對應(yīng)的是CR，也就是回車鍵，將這兩段ASCII碼作為讀取本段時間的位置信息的起始和終止標(biāo)志。獲取到位置信息的ASCII碼后，將其轉(zhuǎn)換成十進制信息：先從符號開始，首先判斷位置信號中是否帶有負(fù)號，其次再從最高位依次開始處理，逐個十進制位進行累加得到真實的位置數(shù)據(jù)。

3.2 實時船速的計算

假定船一直沿著食道行走，在轉(zhuǎn)彎處船體會停在轉(zhuǎn)彎點調(diào)整方向，直到船體轉(zhuǎn)到下一段食道方向再繼續(xù)前進。根據(jù)獲取到的某一時間間隔首末時間點投飼船的位置信息，計算該段時間內(nèi)的平均船速，即實時船速V1：

(5)

式中：T為設(shè)定的間隔時間，s；(x1,y1)為起始點的船體坐標(biāo)，m；(x2,y2) 為結(jié)束時的船體坐標(biāo)，m。

在船體到達(dá)轉(zhuǎn)彎處時，船體處于靜止?fàn)顟B(tài)，系統(tǒng)停止對速度獲取。等到船體轉(zhuǎn)彎結(jié)束開始直線運動時，系統(tǒng)重新開始對船速獲取。

4 自適應(yīng)速度投飼控制系統(tǒng)

4.1 投料口開度與船速之間的關(guān)系

要獲得實時船速與舵機轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，需要先通過投飼速率和投料口開度之間的關(guān)系，得到投料口開度和船速之間的關(guān)系。

投飼速率與投料口開度之間的關(guān)系是通過試驗獲取的，試驗記錄固定質(zhì)量的飼料通過不同投料口開度所需時間，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，通過雙移速方差分析得投料口開度與投飼速率之間的關(guān)系：

V2=ηs

(6)

式中：s為投料口開度，m；V2為投飼速率，kg/s;η為試驗得到的關(guān)系系數(shù)，kg/(s·m)。通過試驗統(tǒng)計，得到η=10 kg/(s·m)。

(7)

式中：L為食道周長，m；Q為一次投飼量，kg。Q為投飼前的已知值，將式(6)代入式(7)，得到投料口開度與船速的關(guān)系：

(8)

4.2 船速與舵機轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系

由于投料口的開度是通過舵機旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)的，所以需要建立船速與舵機轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，將式(4)代入式(8)，可以得到船速V1與舵機轉(zhuǎn)角β之間的關(guān)系：

(9)

此式可以根據(jù)實時船速V1計算出舵機轉(zhuǎn)角β，控制系統(tǒng)通過式(1)關(guān)系控制搖桿旋轉(zhuǎn)角度，及時調(diào)整投料口開度，改變投飼速率。

4.3 自適應(yīng)速度投飼控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

自適應(yīng)速度投飼控制系統(tǒng)的硬件主要包括STM32單片機、PC上位機和2個通訊模塊。

通訊方式選擇的是LoRa通訊協(xié)議模塊[30]，選用的型號為上海卓嵐ZLAN9743，工作電壓為DC9～24 V。將LoRa模塊通過專屬的軟件，將其參數(shù)設(shè)置完成后，通過RS232串口，一個LoRa模塊與投飼船上的STM32單片機連接，另一個與上位機建立通訊。單片機選用型號為STM32F103ZET6，具有較強的運算能力以及足夠快的運算速度，能滿足控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快的要求。

自適應(yīng)速度投飼控制系統(tǒng)的軟件主要由單片機軟件和上位機軟件組成。

其中單片機軟件在Keil uvision5 集成開發(fā)環(huán)境中，用 C 語言編寫，主要有船速計算程序和舵機控制程序。船速計算程序接收UWB定位系統(tǒng)傳輸過來的位置信息，通過LoRa模塊獲取的間隔時間T，根據(jù)式(5)計算出間隔時間內(nèi)的平均船速V1。舵機控制程序獲取上位機輸入的Q和L后，根據(jù)式(9)和式(1)計算得出對應(yīng)船速V1的舵機轉(zhuǎn)動角度β和需要的脈沖寬度。將脈沖寬度傳給舵機，實現(xiàn)舵機的控制。

上位機的功能是方便參數(shù)輸入和修改，以及顯示輸出參數(shù)。系統(tǒng)的輸入量為一次投料量Q、食道周長(投飼船路程)L和間隔時間T。輸出量為投飼船的位置坐標(biāo)和、速度和投料口開度大小。

5 自適應(yīng)速度投飼系統(tǒng)的測試

為了檢驗自適應(yīng)速度投飼系統(tǒng)的正確性，需要進行船速獲取精度試驗和投飼機構(gòu)投料口開度試驗。

由于水面試驗會受到風(fēng)浪流的影響，船速無法精準(zhǔn)控制，也無法保持直線行駛。為了便于控制速度、觀察投餌情況和記錄數(shù)據(jù)，用小車代替投飼船體，將控制板卡和投飼機構(gòu)放在小車上在陸地進行模擬試驗。因為只需要記錄不同船速下投料口的開度，所以試驗時投飼機部分只保留投飼機構(gòu)，在投料口的側(cè)面標(biāo)記標(biāo)尺，在標(biāo)尺上端固定攝像機(手機)，記錄試驗中投料口開度情況。搭載精準(zhǔn)投喂控制系統(tǒng)的可變速小車如圖5所示。

圖5 搭載精準(zhǔn)投喂控制系統(tǒng)的可變速小車Fig.5 Variable speed car equipped with precise feeding control system

試驗在50 m × 50 m的空曠場地進行，在場地的3個角落分別放置UWB定位系統(tǒng)的3個基站，如圖6所示。

圖6 試驗場景圖Fig.6 Experimentscene diagram

行程L設(shè)定為200 m，投飼量Q設(shè)置為20 kg，船速計算的時間間隔設(shè)定為10 s?？刂菩≤囈?.5 m/s、1 m/s、1.5 m/s和2 m/s 4種速度分別勻速行駛100 s，小車試驗示意圖如圖7所示。

圖7 試驗示意圖Fig.7 Test diagram

在行駛過程中，控制系統(tǒng)把計算獲得的小車行駛速度值保存到文件，并傳輸?shù)缴衔粰C上顯示，手機拍攝帶有刻度標(biāo)尺的投料口的變化情況，以視頻文件保存。文件中記錄的小車行駛速度結(jié)果如表1。

表1 不同給定小車速度下獲取的小車速度值Tab.1 Speed values of the small vehicle obtained atdifferent given speeds

由表1可知，通過UWB定位系統(tǒng)獲取的速度與實際速度的誤差在2%以內(nèi)。

在上位機中顯示的投料口開度是根據(jù)式(8)解算的計算值，可能與實際值有誤差，因此通過手機拍攝的視頻來觀測在不同給定小車速度時投料門在標(biāo)尺上的位置。標(biāo)尺的最小單位為mm，若觀測結(jié)果在標(biāo)尺刻度上，記為整數(shù)值；在刻度之間，記0.5 mm。通過拍攝的視頻得到的投料口開度如表2所示。

表2 不同給定小車速度下得到的投料口開度Tab.2 The feeding port opening obtained at different givenboat speeds

表2中的第1行值是根據(jù)式(9)計算出的對應(yīng)不同給定速度的投料口理論開度。

由表2可知，投料口開度的誤差在2.5%以內(nèi)，即投飼速度的最大誤差為2.5%。在測試中，記錄到投料口變化響應(yīng)時間在0.7 s以內(nèi)。

以上表明該自適應(yīng)速度投飼系統(tǒng)能滿足均勻投飼的實際需求。

6 結(jié)論

設(shè)計了一種蝦塘投飼船載自適應(yīng)速度投飼系統(tǒng)，該投飼系統(tǒng)通過UWB定位技術(shù)計算出精確的實時行駛速度，通過設(shè)計的搖桿滑塊機構(gòu)實現(xiàn)對投飼速率的控制，通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)投飼速率自動與船速相適應(yīng)，使飼料均勻投放在蝦塘“食道”上。試驗表明，在船速0.5～2 m/s的工作情況下，該自適應(yīng)速度投飼系統(tǒng)投飼速率誤差在2.5%以內(nèi)，可以滿足使用要求。與人工投喂和現(xiàn)有的移動投飼船相比，該投飼系統(tǒng)能根據(jù)實時船速調(diào)整相應(yīng)的投飼速率，實現(xiàn)均勻投喂，從而減少飼料的浪費。為了方便觀測和獲取試驗數(shù)據(jù)，本研究只進行了陸地試驗。在實際水上行駛過程中，船體的振動、水面風(fēng)浪等因素會對開度實際大小產(chǎn)生影響，影響投飼的均勻性。為了更加適應(yīng)實際情況，使飼料的投喂精準(zhǔn)均勻，后期應(yīng)設(shè)計投料口開度的反饋系統(tǒng)，根據(jù)反饋信息自動修正開度大小，這是下一步應(yīng)研究的內(nèi)容。

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