用于水面機器人的物料投料噴灑機構設計

梁宇，陳世龍，李宗睿，戚 鐸，邵良靖，張芮琦

（同濟大學 機械與能源工程學院，上海 201800）

0 引 言

隨著人民生活水平的提高，人們的飲食結構發生了較大的變化，對魚蝦類水產品的需求量越來越大。近十年，我國水產養殖業快速發展，取得了較好的經濟及社會效益。目前我國已是世界上最大的漁業生產國，水產品產量連續26年居世界第一，占全球水產品產量1/3以上，為城鄉居民提供1/4優質動物蛋白[1]。但隨著我國養殖業的不斷發展，養殖密度不斷增加、養殖業資源極大浪費、勞動生產率低、水產病害頻發、養殖風險大等問題嚴重制約水產養殖業的發展。如何精確投料喂食，控制養殖成本，改善水體，減輕污染等綠色養殖問題已受到越來越多人的重視。

為了解決水產養殖中存在的上述問題，近幾年出現了自動投料系統，如蝦塘移動式投餌系統[2]等。水產養殖投料船中投料機構一般由送料機構與拋灑機構組成。送料機構主要有電磁鐵吸拉式送料機構[3]、皮帶式送料機構、螺旋輸送式送料機構[4]、偏心輪振動式的平衡式抖料機構[5]。電磁鐵吸拉式送料機構震動較大，存在安全隱患，因此已較少使用。目前養殖行業常用的送料機構主要以螺旋輸送式送料機構和皮帶式送料機構。常用的噴灑機構主要有無動力源噴灑機構[6]、使用風力輸送飼料[7]和使用圓盤噴灑3種類型。圓盤離心式噴灑機構是最常使用的一種噴灑機構。

目前，市面上已有的用于中小型水域的物料噴灑水面機器人，但其主要采用人工操作控制物料噴灑，投撒物料多為飼料[8]，不能夠準確控制物料的噴灑量、噴灑點以及噴灑速度等。部分船體掛載有水質傳感器實時采集數據[9]，僅用于采集水樣，而不具備對水體實時監控與調節的功能。為了解決這些問題，本文擬設計一種基于物聯網技術，利用水下視覺圖像和水質檢測結果，自動控制水面機器人的物料輸送灑料裝置，實現物料按需按量、定點自動投放的功能，達到物料準確準投放和局部水質調節的目的。

1 總體方案設計

1.1 工作要求及工作原理

本文所設計的物料輸送與噴灑裝置是圖1所示水面機器人的一個組成部分。該水面機器人主要用于中小型養殖水域水產品的輔助養殖及局部水質調節。機器人所搭載的物料輸送與噴灑裝置主要用于魚蝦類等水產品的喂食投料，也可用于局部水質顆粒狀調節劑的定點投放。物料輸送與噴灑系統的基本要求及工作流程如圖2所示。

圖1 水面機器人組成

圖2 物料輸送及噴灑裝置工作流程

圖2所示的水面機器人物料投放系統中，物料存儲在上方的存儲器中，并利用重力下落到物料輸送機構中。當接收到水質監測系統發送的水質狀態參數和及水質檢測的位置信息后，控制系統按照所需調節劑的投放量控制輸送機構按照一定的運轉速度運轉一定的時間，將所需量的調節劑輸送至物料噴灑機構，噴灑機構將調節劑噴灑到水中。飼料投放功能與水質調控功能的工作原理近似，利用水下視覺系統獲得的水下魚群、蝦群等水生物的分布信息和位置信息，通過控制系統控制物料輸送及噴灑裝置，實現定點定量投放飼料。

1.2 方案設計

根據圖2所示的物料輸送及噴灑裝置的工作原理，分析中小型水域的水面環境及投料的工作要求，參考現有離散型物料的輸送與噴灑方式，給出了物料輸送機構和噴灑機構的幾種選型方案及方案分析結果，見表1和表2所列，裝置的總體方案如圖3所示。

表1 物料輸送機構方案

表2 噴灑機構方案

圖3 噴灑機構總體結構

考慮水面工作環境、小船空間相對較小，選擇螺旋輸送式送料機構。物料從進料口進入，受螺旋葉片法向推力作用隨葉片向前運動，實現物料的輸送。通過設計螺旋輸送器的直徑、螺距和旋轉速度可控制物料的輸送量。

本文設計的水面機器人主要用于中小型水域飼料和水質調節劑的噴灑，對物料的完整性要求不高，故選用圓盤離心式方案，通過設計噴灑圓盤直徑大小和旋轉速度，實現物料的噴灑。

1.3 主要參數計算

由上述分析可知，螺旋輸送機構的主要結構參數有螺旋的直徑D，螺距S，螺旋的長度L等，如圖4所示。

圖4 螺旋輸送機構主要結構參數

噴灑機構的主要結構參數有圓盤的直徑D1等，如圖5所示。

圖5 離心噴灑機構主要結構參數

查閱《非標準機械設備設計手冊》可知，螺旋輸送機的直徑經驗公式如下：

式中：D為螺旋外徑（單位：mm）；K為物料特性參數；Q為輸送能力（單位：t/h）；φ為填充系數；λ為物料單位容積質量（單位：t/m3）；ε為傾斜輸送系數。

根據實際工況[10]，確定物料特性、所需輸送能力、填充系數、單位容積質量及傾斜輸送系數后可確定所需螺旋外徑。物料為磨琢性物料，取K=0.056 5，φ=0.27，λ=0.7 t/m3。綜合考慮物料的輸送要求和水面機器人的整體協調性，取外徑為D=60 m。螺旋的螺距通常使用下式計算確定[11]：

式中：K1為螺距與螺旋直徑比值，對于標準的水平布置的輸送機，K1為0.8～1.0，故選擇螺距S=60 mm。一般軸徑計算公式為：

考慮整體尺寸及實際工況，選擇軸徑d=10 mm。

根據實際工況和水面機器人的空間約束，將螺旋輸送器的長度取為L=150 mm。

物料離開轉盤時，線速度與轉盤邊線線速度相同，即：

式中：v為物料線速度（單位：m/s）；D為轉盤直徑（單位：m）；n為轉盤轉速。

物料離開轉盤后近似看作做平拋運動，則物料噴灑最遠距離為：

式中：s為噴灑最遠距離（單位：m）；v為物料線速度（單位：m/s）；h為轉盤距水面高度（單位：m）；g為重力加速度，g=9.8 m2/s。

本文所使用的水面機器人（見圖1）中，噴灑裝置布置在雙船體的中部靠近尾部，噴灑高度約為h=80 mm，最遠距離沒有嚴格要求，噴灑盤的直徑D1主要受雙船體聯結橋空間的限制，取D1=200 mm，可以通過電機轉速調節噴灑的距離。

2 驅動系統設計

物料輸送與噴灑裝置的驅動包含輸送螺旋機構電機和物料噴灑機構電機。螺旋機構電機的選擇一般由下述經驗公式獲得。電機的選型主要由極限轉速nmax和電機功率確定。螺旋電機的極限轉速用下式計算：

式中：A為物料綜合特性系數；D為螺旋外徑（單位：mm）。

將計算上述獲得的A值和D值代入式（6）中，得到nmax=204 r/min。

螺旋輸送機構的電機功率P與輸送螺旋的結構參數、所用材料、物料的填充系數等有關，功率P一般采用下式計算：

式中：Q為物料為輸送能力（單位：t/h）；L為輸送距離（單位：m）；μ為物料運行阻力系數；H為傾斜高度（單位：m）。

物料為輸送能力可用下式計算：

式（8）中各符號的意義同前。對于用于水質調控的水面機器人，根據實際工況要求，取式（7）進行計算。將表3所列參數代入式（7），得到的電機功率為計算得到螺旋輸送系統所需功率P=0.484 W，考慮一定的安全系數，選擇ZYTD-520（12V-3500R）直流電機（減速比為1/86）。

表3 部分參數取值

噴灑機構電機主要用于驅動噴灑圓盤轉動，無外加。為了采購安裝及維修方便，取與螺旋輸送機構相同的電機，即能夠滿足噴灑機構對電機轉速的要求。

3 結 語

本文設計了一種用于水面機器人的物料噴灑裝置，可實現物料按需按量、定點自動精準投放的功能。該物料噴灑裝置的水面機器人主要用于中小型養殖水域。改物料噴灑裝置與水質檢測系統配合，利用控制系統發出的信息，實現水質調節劑的自動投放、達到調節局部水域水質的目的。該水面機器人也可用于魚蝦類的飼料投放，與水下視覺系統配合，可實現精準投料，降低飼養成本，減少水環境污染。