◎ 文/胡茂林 姚宏偉 潘亦鵬,3* 丘仲鋒

為解決內(nèi)陸水域養(yǎng)殖中存在的勞動(dòng)強(qiáng)度大、機(jī)械化程度低等問(wèn)題，本研究提出了利用兩棲機(jī)器人輔助水產(chǎn)養(yǎng)殖的方法，闡述了各結(jié)構(gòu)的特征與具體實(shí)施方式。通過(guò)對(duì)養(yǎng)殖方法與管理模式進(jìn)行優(yōu)化與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該機(jī)器人可以切實(shí)幫助養(yǎng)殖戶減少勞動(dòng)量，節(jié)約人力成本，增加生產(chǎn)效率。

淡水養(yǎng)殖作為漁業(yè)及三農(nóng)產(chǎn)業(yè)中的重要組成部分，一直以來(lái)存在著相對(duì)勞動(dòng)密集、過(guò)度依賴養(yǎng)殖戶經(jīng)驗(yàn)、養(yǎng)殖過(guò)程較為粗放、智能化設(shè)備和現(xiàn)代化管理缺位等問(wèn)題。盡管近年來(lái)我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖格局已經(jīng)發(fā)生了巨大變化，實(shí)現(xiàn)了部分機(jī)械設(shè)備與人力的結(jié)合，先進(jìn)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)在生產(chǎn)過(guò)程中得到了初步運(yùn)用，但總體仍存在著設(shè)備功能分散、操作門檻較高、后期運(yùn)維復(fù)雜等問(wèn)題。為解決上述問(wèn)題，本研究對(duì)運(yùn)用兩棲機(jī)器人助力水產(chǎn)養(yǎng)殖展開(kāi)探索，從切實(shí)幫助養(yǎng)殖戶減少勞動(dòng)量出發(fā)，改善生產(chǎn)流程，降低養(yǎng)殖成本，提高生產(chǎn)效率。

一、基于兩棲機(jī)器人構(gòu)建的智能淡水養(yǎng)殖系統(tǒng)

（一）履帶式兩棲機(jī)器人

市面上的魚(yú)塘用水面機(jī)械僅支持水域作業(yè)，無(wú)法自主上岸轉(zhuǎn)換場(chǎng)地。若要實(shí)現(xiàn)多塘作業(yè)，仍然需要人工輔助將機(jī)器進(jìn)行轉(zhuǎn)移作業(yè)。機(jī)器本身重量大，需要耗費(fèi)大量的人力去搬運(yùn)，在搬運(yùn)過(guò)程中，由于機(jī)體外殼脆弱等原因，養(yǎng)殖戶要耗費(fèi)心神去注意設(shè)備的維護(hù)。而設(shè)置在岸邊的風(fēng)送型或斜盤型投餌機(jī)無(wú)法拋灑濕料、需要在田間布置電路等問(wèn)題。裝備有履帶式底盤的主動(dòng)式兩棲機(jī)器人（參數(shù)詳見(jiàn)表1）解決了這些痛點(diǎn)，明輪機(jī)構(gòu)與履帶機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了兩棲運(yùn)載模式的結(jié)合，能夠滿足多塘作業(yè)需求，能使機(jī)器人具有良好的適應(yīng)性與通過(guò)性，可在水產(chǎn)養(yǎng)殖田不同位置及不同水產(chǎn)養(yǎng)殖田間來(lái)回切換，進(jìn)行多輪飼料投放，提高作業(yè)效率、減少人力耗費(fèi)且飼料投放均勻。

履帶式兩棲機(jī)器人示意圖

1.履帶機(jī)構(gòu)

履帶系統(tǒng)相較于輪式系統(tǒng)具有更大的接觸面積，這意味著履帶能夠在爬坡過(guò)程中提供更好的附著力和牽引力，這有助于在陡峭或者濕滑的地形上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定爬升，適用于魚(yú)塘養(yǎng)殖的實(shí)際情況。由于履帶的接觸面積較大，其單位面積上的壓力較低。這使得履帶式機(jī)器人能在較為松軟的地面保持穩(wěn)定，減少陷入的可能性，并且避免了對(duì)魚(yú)塘輪廓的破壞。根據(jù)履帶剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系設(shè)計(jì)并優(yōu)化底盤長(zhǎng)寬比與履帶寬度，達(dá)成了較好的轉(zhuǎn)向性能與通過(guò)性能，可自主攀爬上45°的斜坡，并且可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向以適應(yīng)狹窄的田間小道。除此之外，履帶系統(tǒng)還具有更好的承載性、穩(wěn)定性與耐用性。

由于履帶強(qiáng)大的牽引力，該機(jī)器人也可以用于捕撈作業(yè)中，在收網(wǎng)環(huán)節(jié)牽引漁網(wǎng)，代替人工，減少勞動(dòng)量。

2.明輪機(jī)構(gòu)

水中行駛時(shí)，機(jī)器人動(dòng)力源為履帶帶動(dòng)的低速明輪，放置在主動(dòng)輪中間，通過(guò)對(duì)主動(dòng)輪的差速設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、轉(zhuǎn)向及后退。明輪由從動(dòng)輪、槳板法蘭與槳板構(gòu)成，整體結(jié)構(gòu)為定蹼6葉槳，在面積較小或水深較淺的水域可以實(shí)現(xiàn)靈活準(zhǔn)確地移動(dòng)，適應(yīng)不同池塘復(fù)雜的水面條件。

槳板上的開(kāi)孔可以起到給魚(yú)塘增氧的作用，低速的明輪相對(duì)于螺旋槳推進(jìn)器的優(yōu)勢(shì)在于不會(huì)劃傷魚(yú)蝦且不會(huì)纏繞水草。底盤在水中的運(yùn)動(dòng)模式采用直線和原地轉(zhuǎn)彎相結(jié)合方式，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，降低了控制難度，提升了抗干擾能力。

3.拌料與擠出機(jī)構(gòu)

拌料與擠出機(jī)構(gòu)示意圖

在兩棲底盤的基礎(chǔ)上，上殼體設(shè)置了一個(gè)集攪拌和出料功能于一體的料倉(cāng)。通過(guò)將料倉(cāng)與擠出裝置相結(jié)合的方式，打破了只能投放成品飼料的限制，實(shí)現(xiàn)了飼料從加工到投放的全自動(dòng)一體化，同時(shí)額外具備了濕料的加工技術(shù)，使產(chǎn)品更具通用性和實(shí)用性。此外，這個(gè)料倉(cāng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)飼料的攪拌以及定點(diǎn)、定量投放。通過(guò)在魚(yú)塘和機(jī)器人上的各種傳感器，我們可以實(shí)時(shí)獲取環(huán)境和魚(yú)群信息。結(jié)合相關(guān)算法模型，系統(tǒng)能夠進(jìn)行智能路徑規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)智能投喂。部分養(yǎng)殖物種具有領(lǐng)地性特征，活動(dòng)范圍有限，人工拋灑飼料由于餌料量不均勻，容易導(dǎo)致部分個(gè)體無(wú)法充分進(jìn)食，進(jìn)而導(dǎo)致個(gè)體生長(zhǎng)差異性大等問(wèn)題。相較于傳統(tǒng)的人工投喂方式，這套系統(tǒng)能夠根據(jù)魚(yú)塘的實(shí)際需要，自動(dòng)調(diào)整投喂次數(shù)、數(shù)量、時(shí)間和地點(diǎn)。高度的自動(dòng)化不僅減少了人工干預(yù)，而且可全程記錄投喂數(shù)據(jù)，有利于后期對(duì)養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和優(yōu)化。因此，這種兩棲履帶式底盤結(jié)合智能投喂系統(tǒng)，無(wú)疑是實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖投喂效率提高的重要?jiǎng)?chuàng)新。

4.高精度定位與自主路徑規(guī)劃系統(tǒng)

機(jī)器人采用基于連續(xù)運(yùn)行參考站技術(shù)（CORS）的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)（RTK）實(shí)時(shí)定位。高覆蓋率、高實(shí)時(shí)性、高精確度和高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)使得全球定位系統(tǒng)（GPS）在測(cè)繪行業(yè)中廣泛應(yīng)用，其在地形圖測(cè)繪方面具有巨大優(yōu)勢(shì)。但是，獲取高精確度坐標(biāo)時(shí)，僅使用單個(gè)的GPS模塊會(huì)出現(xiàn)較大誤差，易出現(xiàn)故障，對(duì)環(huán)境要求較高。因此，RTK被提出，該技術(shù)可以消除電離層、對(duì)流層等誤差，大大提高了測(cè)量精度。隨著技術(shù)的進(jìn)步，RTK技術(shù)逐漸無(wú)法滿足當(dāng)前需求，CORS應(yīng)運(yùn)而生。RTK和CORS結(jié)合可以提供厘米級(jí)的定位精度和導(dǎo)航精度，從而可以精準(zhǔn)控制農(nóng)機(jī)的行駛路線和位置。較傳統(tǒng)基站模式，CORS具有精度高、收斂快、范圍大的優(yōu)點(diǎn)，作業(yè)距離可達(dá)40km或者更遠(yuǎn)，能夠完全滿足作業(yè)需求。

為了實(shí)現(xiàn)無(wú)人化自主投喂與爬塘，在操控軟件預(yù)先設(shè)定魚(yú)塘尺寸與位置、需要避開(kāi)的障礙物后，機(jī)器人將通過(guò)毫米波雷達(dá)掃描對(duì)魚(yú)塘岸線區(qū)域進(jìn)行更加精細(xì)的掃描與建模。機(jī)器人在Pixhawk自動(dòng)駕駛儀（一種廣泛用于無(wú)人機(jī)、無(wú)人車等領(lǐng)域的開(kāi)源硬件平臺(tái)）中進(jìn)行作業(yè)路徑規(guī)劃。Pixhawk自動(dòng)駕駛儀可通過(guò)運(yùn)行ArduPilot或PX4等開(kāi)源固件實(shí)現(xiàn)機(jī)器控制和路徑規(guī)劃功能，并且實(shí)現(xiàn)路線自主計(jì)算、平順與優(yōu)化等功能。路徑位置記錄文件也將與各傳感器數(shù)據(jù)記錄文件等一并上傳至數(shù)據(jù)中心，以作為日后研究與總結(jié)規(guī)律的數(shù)據(jù)支撐。

5.浮態(tài)控制系統(tǒng)

機(jī)器人作業(yè)過(guò)程中，對(duì)機(jī)器人浮態(tài)的最大影響因素為風(fēng)力環(huán)境與投料過(guò)程中總重量減少導(dǎo)致的重心變化。浮態(tài)控制系統(tǒng)從組合慣導(dǎo)元件中獲得基于多傳感器的航行器姿態(tài)矩陣，通過(guò)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的復(fù)合運(yùn)算與期望值實(shí)時(shí)比對(duì)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)精、準(zhǔn)、穩(wěn)的姿態(tài)控制和實(shí)時(shí)糾偏，提高了投飼機(jī)器人在水面的穩(wěn)定性和抗流能力，提高了航行器在大擾動(dòng)不確定環(huán)境下的魯棒性，突破了姿態(tài)穩(wěn)定、快速起動(dòng)、高機(jī)動(dòng)性轉(zhuǎn)向等關(guān)鍵技術(shù)難題。

6.拓展性

除了基礎(chǔ)的兩棲底盤與投餌機(jī)構(gòu)外，該機(jī)器人可以額外搭載溶解氧傳感器、鹽度傳感器、溫度傳感器、pH傳感器等一系列傳感器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄與更新，還可搭載激光雷達(dá)和水下攝像頭以了解魚(yú)群健康狀況。該兩棲機(jī)器人具有模塊化特征，旨在為不同的水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)地和作業(yè)需求提供最佳解決方案。這種設(shè)計(jì)理念使得機(jī)器人具有更高的靈活性、可擴(kuò)展性和可維修性，在后期升級(jí)中也可以更加方便地進(jìn)行設(shè)備功能的增加與更換。

（二）補(bǔ)料/充電站及其配套設(shè)施

在理想的無(wú)人化智能養(yǎng)殖系統(tǒng)中，機(jī)器人的日常運(yùn)作與簡(jiǎn)單維?？梢宰詣?dòng)完成。在結(jié)束作業(yè)或作業(yè)過(guò)程中餌料耗盡之后，機(jī)器人將自主回到配套的補(bǔ)給艙進(jìn)行休整/清洗/數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器/補(bǔ)充餌料。補(bǔ)給倉(cāng)的另一側(cè)設(shè)有控制箱與本地服務(wù)器，負(fù)責(zé)控制補(bǔ)給倉(cāng)的電力設(shè)備以及收發(fā)兩棲機(jī)器人的各種狀態(tài)信息，同時(shí)也方便工作人員進(jìn)行維護(hù)與固件升級(jí)等操作。補(bǔ)給倉(cāng)還有內(nèi)置的備用電池組以防停電等情況的發(fā)生。補(bǔ)給倉(cāng)本身也將用作CORS基站，給機(jī)器人提供高精確度的位置信息。

激光雷達(dá)與紅外系統(tǒng)指引機(jī)器人泊入正確位置后，補(bǔ)料倉(cāng)將艙蓋打開(kāi)并投入下一次作業(yè)所需的餌料，儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)機(jī)械引導(dǎo)裝置與磁吸對(duì)接裝置與充電口進(jìn)行對(duì)接充電，并通過(guò)特殊設(shè)計(jì)防止過(guò)充、過(guò)放和短路等，在緊急情況下能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)中止充電和補(bǔ)給操作的功能。艙室內(nèi)的噴頭將對(duì)底盤系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)易沖洗與烘干。機(jī)器人將上次作業(yè)日志打包發(fā)送至補(bǔ)給倉(cāng)進(jìn)行備份，再由補(bǔ)給倉(cāng)發(fā)送至云端。養(yǎng)殖戶可以在自己的手機(jī)上看到整個(gè)養(yǎng)殖系統(tǒng)的全部狀態(tài)。

機(jī)器人下水測(cè)試

飼料由運(yùn)料車直接補(bǔ)充進(jìn)補(bǔ)給倉(cāng)的飼料儲(chǔ)藏罐或者由養(yǎng)殖戶自行加注。存儲(chǔ)罐內(nèi)有儲(chǔ)量傳感器與溫濕度傳感器，可以準(zhǔn)確了解每次輸入/輸出的飼料質(zhì)量，并評(píng)估飼料保存條件。更先進(jìn)的飼料桶可以分別儲(chǔ)存多種飼料并且按一定比例進(jìn)行配比。同時(shí)，該充電加料站設(shè)置多個(gè)充電口，方便2個(gè)或者多個(gè)養(yǎng)殖戶進(jìn)行共享充電加料。為今后的規(guī)模化第三方水產(chǎn)養(yǎng)殖服務(wù)打下基礎(chǔ)。

二、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

將機(jī)器人安裝后進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試及樣機(jī)性能試驗(yàn)，主要進(jìn)行自主導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)試和投餌能力測(cè)試。2023年3月，在江蘇省南通市某池塘進(jìn)行投餌試驗(yàn)，天氣為多云，風(fēng)力2級(jí)～3級(jí)，溫度3℃～11℃，水塘為兩塊不規(guī)則四邊形水域，面積為40畝，養(yǎng)殖品種為梭子蟹和青蝦。兩棲機(jī)器人承載45kg濕料（30kg干料與15L水）按照既定路線完成了攪拌、擠壓、下塘、撒料、投餌與跨塘測(cè)試。實(shí)驗(yàn)成功完成了預(yù)定目標(biāo)，定位精度、跨塘性能與出料情況比較理想，全塘作業(yè)用時(shí)1h，作業(yè)完成后僅耗電15%，作業(yè)時(shí)間相較于人工減少了60%，大大減少了勞動(dòng)量，投餌效率遠(yuǎn)超市面上其他投飼船，受到了農(nóng)民的一致肯定。

三、總結(jié)與展望

未來(lái)，隨著我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)不斷發(fā)展，養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴(kuò)大，水產(chǎn)養(yǎng)殖機(jī)械的市場(chǎng)需求也將日益增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的養(yǎng)殖方式將逐漸被機(jī)械化、現(xiàn)代化的養(yǎng)殖模式所取代。通過(guò)多種傳感器養(yǎng)殖者可實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理，制定更合理的養(yǎng)殖策略，有效提高養(yǎng)殖效率、降低成本。通過(guò)數(shù)據(jù)整理，對(duì)最優(yōu)養(yǎng)殖方法進(jìn)行總結(jié)，可實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理、提高產(chǎn)品質(zhì)量。采用先進(jìn)的自動(dòng)化設(shè)備和系統(tǒng)，如兩棲投餌機(jī)器人等，可降低勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約人力成本。同時(shí)，信息化可以提高養(yǎng)殖戶之間的信息共享率，推動(dòng)養(yǎng)殖行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和升級(jí)。

通過(guò)提升水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)智能化、自動(dòng)化、機(jī)械化和信息化程度，確保水產(chǎn)生物在最佳環(huán)境下生長(zhǎng)，降低其死亡率，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量、高品質(zhì)、高收益，有助于推動(dòng)我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展，不僅滿足了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求，還可促進(jìn)我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)上樹(shù)立良好的形象。通過(guò)發(fā)展兩棲機(jī)器人與配套智能淡水養(yǎng)殖系統(tǒng)，池塘養(yǎng)殖模式將迎來(lái)新的變革，養(yǎng)殖從業(yè)者將從重體力勞動(dòng)中解脫出來(lái)，該系統(tǒng)具有很大的發(fā)展?jié)摿εc廣闊的應(yīng)用前景。