水產(chǎn)養(yǎng)殖船的設(shè)計(jì)研究

常施薇 陳 玲

（南通理工學(xué)院 電氣與能源工程學(xué)院，南通 226002）

漁業(yè)是我國(guó)的一種傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。由于水產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)和藥用價(jià)值已逐漸被人們認(rèn)識(shí)，因此市場(chǎng)對(duì)水產(chǎn)品的需求量逐年遞增。近年來(lái)，全球氣候形勢(shì)嚴(yán)峻，漁船在海上作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)性增加，單純依靠天然漁業(yè)資源已無(wú)法滿足市場(chǎng)需求量。發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖是填補(bǔ)水產(chǎn)品供貨的唯一途徑。然而，傳統(tǒng)的承包養(yǎng)殖水產(chǎn)需要工人撐船定點(diǎn)投喂，對(duì)工人技術(shù)經(jīng)驗(yàn)有一定的要求，且投餌的路徑隨機(jī)性大，投入時(shí)間成本高。因?yàn)楣と瞬涣私怍~群行跡和養(yǎng)殖環(huán)境，還會(huì)出現(xiàn)投餌不均浪費(fèi)的問題，嚴(yán)重制約了養(yǎng)殖效率和規(guī)模。為了提高水產(chǎn)養(yǎng)殖的效率，需要在自動(dòng)均勻投餌和養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控領(lǐng)域不斷進(jìn)行改善和優(yōu)化。因此，本文設(shè)計(jì)了一款能夠自主航行的水產(chǎn)養(yǎng)殖船，基于對(duì)魚群的監(jiān)測(cè)進(jìn)行自動(dòng)均勻投餌。

1 水產(chǎn)養(yǎng)殖船的構(gòu)成

水產(chǎn)養(yǎng)殖船主要由雙體船、航行控制系統(tǒng)、動(dòng)力裝置、自動(dòng)拋餌裝置、魚群感應(yīng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與反饋系統(tǒng)、無(wú)線通信系統(tǒng)以及地面站監(jiān)控裝置等組成，如圖1所示。該船可實(shí)現(xiàn)自主航行，通過(guò)GPS進(jìn)行定位，利用船上的圖像識(shí)別裝置實(shí)時(shí)采集水域的環(huán)境影像，通過(guò)無(wú)人機(jī)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程水域的航拍功能，通過(guò)船上搭載的多種傳感器及輔助設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)魚群的監(jiān)測(cè)，基于數(shù)據(jù)分析控制餌料的自動(dòng)均勻拋灑。

2 水產(chǎn)養(yǎng)殖船的船型設(shè)計(jì)

水產(chǎn)養(yǎng)殖船的船身主體采用小水線面雙體船。小水線面雙體船型如圖2所示，其主船體由兩個(gè)潛水體和一個(gè)水上箱體構(gòu)成，中間有兩個(gè)流線型支柱連接起來(lái)，水線面處只有兩個(gè)細(xì)長(zhǎng)支柱，因而水線面積小[1]。遠(yuǎn)離水表面的下潛體占雙體船排水量的大部分，當(dāng)它在波浪中航行時(shí)，所受到波浪擾動(dòng)力比常規(guī)單體船和常規(guī)雙體船小很多。所以，水線面雙體船的耐波性比同等排水量的單體船好，且橫搖周期長(zhǎng)，能夠有效避開不規(guī)則海浪中產(chǎn)生的諧波，避免諧搖運(yùn)動(dòng)對(duì)船體的影響。小水線面雙體船的兩個(gè)螺旋槳安裝在水下潛體尾部，能夠保證兩個(gè)螺旋槳有較大的回轉(zhuǎn)力矩，回轉(zhuǎn)性能良好，具有較好的操縱性[2]。此外，螺旋槳工作區(qū)域伴流均勻，使得船身效率較高。此船型甲板面積比同等排水量的單體船要大很多，使用空間富足，有利于船體布置。

圖2 水產(chǎn)養(yǎng)殖船船型設(shè)計(jì)方案

水產(chǎn)養(yǎng)殖船的水下單體設(shè)計(jì)是從船首V型過(guò)渡到船尾U型。船首V型設(shè)計(jì)由于橫向斜升角較大，大大減小了船在波浪中的沖擊力，并增大了船舶橫搖的阻尼，改善了船舶升沉和搖首狀況，因而能明顯提供船舶的適航性、航向穩(wěn)定性和耐波性。V型的船首設(shè)計(jì)有利于降低船舶在波浪中航行時(shí)興波阻力，保持高航速。船尾的U型設(shè)計(jì)有利于軸向伴流分布均勻，船體振動(dòng)較小，提高了推進(jìn)效率，且減少了螺旋槳的空泡和激振力。實(shí)物模型制作見圖3。

圖3 水產(chǎn)養(yǎng)殖船模型實(shí)物

3 功能架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 自主航行功能的設(shè)計(jì)

水產(chǎn)養(yǎng)殖船使用螺旋槳作為推進(jìn)器，將左右螺旋槳對(duì)稱布置于兩個(gè)單體的尾側(cè)。在它的兩個(gè)單體內(nèi)部安裝有兩個(gè)直流電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)船體的直行、轉(zhuǎn)彎以及停止等操作。分揀船通過(guò)ARM9處理器、GPS定位系統(tǒng)，結(jié)合慣性導(dǎo)航設(shè)備，輸出信號(hào)控制電機(jī)，使得分揀船能夠按照設(shè)定的軌跡路線巡航。為穩(wěn)定分揀船的巡航路線，GPS經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)解析，基于慣性導(dǎo)航設(shè)備信息獲得實(shí)時(shí)航向角φ1。φ1與目標(biāo)航向角φ2比較，可得到航向角的差值。基于PD控制運(yùn)算，可得到φ。基于分揀船實(shí)際的偏離情況分析，將±φ/2賦予左右電機(jī)，可保持船舶航向。同時(shí)，GPS會(huì)實(shí)時(shí)獲取速度信息。基于慣性導(dǎo)航設(shè)備信息獲得實(shí)時(shí)速度v1，將實(shí)時(shí)速度v1與目標(biāo)速度v2進(jìn)行比較，得到速度的差值，再基于PI運(yùn)算得到v'，同時(shí)賦予左右電機(jī)，具體控制如圖4所示。

圖4 航行控制圖

3.2 魚群探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

船上配備有魚群感應(yīng)系統(tǒng)。當(dāng)魚群探測(cè)器感應(yīng)到船體周圍有大量魚群時(shí)，攝像設(shè)備和魚群探測(cè)器同時(shí)可以全方位觀測(cè)魚群具體方位，從而有針對(duì)性地進(jìn)行投餌。基于魚群感應(yīng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，控制器會(huì)發(fā)出拋灑飼料的作業(yè)命令[3]，然后拋餌裝置自動(dòng)進(jìn)行拋餌，減少了餌料的浪費(fèi)，同時(shí)提高了養(yǎng)殖的科學(xué)性。傳統(tǒng)的人工投喂是利用人工撐船的方式進(jìn)行投喂，不能實(shí)現(xiàn)均勻拋餌，且浪費(fèi)了餌料。

3.3 自動(dòng)拋餌功能的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的自動(dòng)投餌機(jī)由料箱、供料裝置、投料裝置以及控制器等部分組成。控制器可以根據(jù)實(shí)際需求調(diào)節(jié)投餌機(jī)的投餌流量和餌料拋灑的幅度[4]。水產(chǎn)養(yǎng)殖船船體兩側(cè)艙室為餌料艙，艙室出料口能通過(guò)感應(yīng)控制自動(dòng)開關(guān)，使餌料從出料口均勻漏出，完成投餌作業(yè)。當(dāng)餌料艙沒有餌料時(shí)，它會(huì)自動(dòng)停止投喂并示警[5]。該系統(tǒng)可以降低餌料破碎率，避免因投餌過(guò)量造成的飼料浪費(fèi)等問題。為了實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的科學(xué)管理，可以根據(jù)魚群探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)水下魚群游行軌跡。控制器再對(duì)作業(yè)船行跡做規(guī)劃，從而在航行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均勻投餌，提高餌料的利用率，實(shí)現(xiàn)生態(tài)養(yǎng)殖。

4 結(jié)語(yǔ)

為了解決傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖的不足，設(shè)計(jì)了一款水產(chǎn)養(yǎng)殖船，能夠?qū)崿F(xiàn)自主航行的同時(shí)，基于魚群感應(yīng)系統(tǒng)完成餌料的自動(dòng)均勻拋灑，節(jié)約了水產(chǎn)養(yǎng)殖的管理時(shí)間，降低了養(yǎng)殖成本，提高了水產(chǎn)養(yǎng)殖的智能化水平，在節(jié)約勞動(dòng)力的同時(shí)降低了餌料浪費(fèi)與損耗，提高了養(yǎng)殖效率和規(guī)模。