基于魚群識別的移動式投餌系統設計

張 耀 繆新穎

大連海洋大學信息工程學院 遼寧 大連 116023

0 引言

當前魚類產品需求量增大,工廠化養殖關于投餌方式,有人工投,也有用自動投餌機投,如固定式、軌道輸送式投餌系統,都已被廣泛應用,其中軌道式投餌系統,即可節省空間又可解決固定式投喂不便的問題,但也會限制投餌機位置,不能較好地針對性分配餌料,造成餌料浪費、水質污染等問題[1]。本系統則針對上述問題設計一種可通過聲吶傳感器識別目標魚群的位置信息,經操作中心發出指令使移動裝置通過環形軌道移動到指定位置,繼而自動投餌機投餌的移動式投餌系統,可以有效降低餌料浪費、水質污染并減少人工勞動力,提高生產率。

1 系統總體設計

系統包括聲吶傳感器、環形軌道、支柱及附著在支柱上的金屬識別片、控制單元、投餌裝置與移動裝置,系統原理見圖1。

1)聲吶傳感器識別到養殖池內魚群信息,繼而由單片機將魚群監測信號進行處理；2)魚群信息處理完畢,同時單片機接收到限位開關信號,由單片機反饋經操作中心發出操縱指令；3)移動裝置接收指令,三相異步電機被驅動而反轉,主動T型輪被傳輸齒輪組驅動而運動,帶動從動T型輪運動從而使移動裝置向前移動；4)投餌裝置移動到魚群位置就近的金屬識別片位置,觸發軌道上的金屬識別片,其周圍產生的渦流致使電感式接近開關振蕩衰減至停振,從而使投餌機到達指定位置停止并進行投餌工作,若識別到其他位置有魚群信息,則啟動移動裝置移動到該位置進行投餌工作；5)投餌裝置完成投餌工作后,經操作中心啟動移動裝置返回原點,等候下次投餌指令到來。

圖1 系統原理圖

2 主要技術指標

目標識別率：95%；投餌裝置額定負載25kg；移動裝置最大移動速度15m/min；餌料投飼精度0.6%～2.3%。

3 系統具體設計

本設計方案可應用在30～40立方米的養殖池。本系統選取長寬高分別為9、4、3米的養殖池,根據上述工作原理,結合自動控制原理、機械知識,以節約性、可靠性及準確性為原則,在技術指標能實現的基礎下,設計了整個基于魚群識別的移動式投餌系統,見圖2：

圖2 系統結構設計圖

1)聲吶傳感器分布支柱旁,用以識別目標魚群,獲得到魚群信號1,從而單片機進行信號處理,見圖3。

圖3 系統信號處理流程圖

2)選用型號40 A25 TR-2型的聲吶傳感器,具有靈敏度高、耗電量低、尺寸小重量輕、價格便宜等特點。

圖4 聲吶傳感器探測最大范圍平面圖

由圖4可知,在養殖池上,聲吶傳感器分別放于長的一側離端點2米的位置處,按其方向角最大即45°、檢測范圍最大即8米來算,其一側可檢測到約7.42米的范圍內,大于其一側最大7米的范圍,即聲吶傳感器放置的位置可使聲吶傳感器探測到整個養殖池內魚群信息。

3)控制單元包括監控中心、操作平臺、單片機、設置在投餌裝置上的限位開關,限位開關連接單片機。

4)投餌及移動裝置設計：

圖5 移動裝置和投餌系統圖

投餌裝置包括設置在移動裝置上的自動投餌機和電感式接近開關,見圖5；投餌機接近金屬識別片時,其周圍產生的渦流致使開關振蕩衰減至停振,從而使投餌裝置到達指定位置進行投餌工作。自動投餌機可選用市面上主電機功率為20～120W、存放餌料10～25kg、投餌距離2～15m、覆蓋面積為4～20畝即可滿足要求。

移動裝置包括環形軌道、驅動及傳動結構。軌道總長33.7m,由兩個半徑為7.85m的半圓和兩根長度為9m的直軌組成的閉環式跑道形軌道。驅動結構由傳輸齒輪組、三相異步電機、主動及從動T型輪組成；主動T型輪被電機通過傳輸齒輪組驅動而運動,從動T型輪以此被帶動,投餌裝置進而向前移動；而傳動結構則通過減速傳輸齒輪組驅動主動、從動T型輪運動,使投餌系統沿環形軌道運行,見圖6。最后移動裝置運行到原點時,通過限位開關保護投餌裝置[3]。

圖6 傳動結構平面圖

移動裝置中,T型滾輪直徑D為0.06m,電機輸出軸齒輪數Z6為20及與之嚙合的大齒輪數Z7為60,而與大齒輪同軸的小齒輪齒數Z5為20及與之嚙合的主動T型輪齒數Z2為50,則計算減速傳輸齒輪傳動比

設定軌道輪與軌道間摩擦力μ=0.15,主動輪驅動力等于8倍投餌裝置滿載質量

設計移動裝置速度15m/min,則

假設每一級的齒輪傳動效率為93%,則

式中：

F—主動輪驅動力(N)M—主動輪驅動力矩(N·m)

n0—滾輪最低轉速(r/min)n1—電機最低轉速(r/min)

D—T型輪直徑(m)V—移動裝置速度(m/min)

T—電機輸出力矩(N·m)P—電機功率(kw)

由此得出,電機功率不得低于0.185kw同時轉速要大于1527.3r/min,故選擇型號為Y90s-2的三相異步電機作為移動裝置驅動,其構造簡單、操作性能好、價格便宜、可節省各種材料,可以滿足系統投餌性能的要求[2]。

4 結語

筆者設計了一種適用于工廠化養殖、基于魚群識別且可移動動的新型的自動投餌系統。該系統使用簡單、便利,只需聲吶傳感器識別目標魚群的大致范圍,便可進行投餌工作,提高餌料利用率,減少餌料及勞動力成本,且可降低水質污染,調整整體水體質量,提高生產效率。