蝦塘投飼船載自適應速度投飼系統設計與實現

葉杰民，張麗珍，吳 迪，劉單寒，魯興益，王 萍

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

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

為了提高蝦類養殖的自動化水平，實現飼料沿著“食道”的均勻投放，學者們結合蝦塘的實際情況，開展了投飼船的研究。唐榮等[9]設計了一種采用蓄電池的電動投飼船及測控系統，能夠控制投飼船在蝦塘投飼；馬迪紅[10]設計了使用雙體船為移動載體的投飼系統，可以調控蝦塘投飼量大小；程文平[11]也采用雙體船為載體，設計了一套基于北斗自主導航的投飼裝置；王琢等[12]設計了載人式投飼船的推進系統，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，設計了一種新的導航方法；洪揚等[14]設計制作了一種用于大中型蟹、蝦塘養殖池塘的移動投飼裝置，可以較為精準地調節投飼速度；胡慶松等[15]設計了基于明輪驅動的蝦塘投飼船，速度限定在3個檔位；胡慶松等[16]還設計了一種投飼船載專用振動式平衡下料系統。但是目前這些投飼船的投飼速率都沒有與船速相關聯，在船速受到風等環境因素的影響時，會造成飼料在“食道”上投喂不均勻。

為此，設計了一種能實現蝦塘投飼船均勻投飼的系統，該系統能根據當前的實際船速，實時調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，達到均勻投飼的目的。

1 投飼船載自適應速度投飼系統的組成

1.1 系統設計要求

投飼船載自適應速度投飼系統是上海海洋大學自主研發的精準投飼船的組成部分。如圖1所示，精準投飼船由2個船體、料箱和投飼機構組成。該系統主要針對的是長三角地區面積為0.47 hm2左右，邊長在30～100 m的養殖蝦塘[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。理論上某一區域的投飼量與投飼速率、行駛速度相關，控制投飼速率與行駛速度實時匹配，使得每個區域投飼量相同。因此，以一定時間間隔檢測船速，根據此船速調整投飼速率是系統設計的關鍵。

圖1 精準投飼船Fig.1 Precise feeding boat

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

1.2 投飼系統結構

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

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動的角度，控制系統控制舵機轉動該角度，帶動投料口打開到對應的開度。同時單片機將投飼船的位置坐標、實時速度與投料口開度傳輸到上位機中顯示出來。

2 投飼機構

2.1 投飼機構結構

投飼機構安裝在料箱的出料口處(圖1)，其結構見圖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。投飼機構通過搖桿滑塊機構將舵機的旋轉運動轉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 投飼機構結構圖Fig.3 Structure drawing of the feeding mechanism

2.2 舵機轉角的控制

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，轉速在無負載且電壓為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°。對應的控制關系為：0.5～2.5 ms脈沖對應舵機轉角0°～180°，由此可以得到脈沖寬度和轉動角度之間的關系為：

(1)

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

2.3 舵機轉角與開度的關系

由于投料口的開度是舵機控制的，所以需要確定舵機轉角與投料口開度之間的關系。投飼機構的機構簡圖如圖4所示。

圖4 投飼機構結構簡圖Fig.4 Structure sketch of the feeding mechanism

(2)

再根據二角和差公式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)，經整理得到轉動角度β和開度S的關系為：

(4)

式中：S為投料口開度，m；β為搖桿的轉動角度，(°)。

3 投飼船的速度獲取

3.1 投飼船坐標位置的獲取

采用UWB定位技術[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簽，如圖2所示。將A基站作為坐標原點(0,0)，B、C基站分別為X，Y軸上的一點，根據定位標簽與3個基站之間距離解算出當前標簽(即船)的x、y坐標。

定位標簽的輸入輸出端與STM32單片機相連，在UWB定位系統工作時，定位標簽將位置信息以ASCII碼的格式，通過TTL自由協議端口傳輸到STM32單片機。單片機根據ASCII碼表[29]中的對應關系，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”對應的是“:” “0x0d”對應的是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志。獲取到位置信息的ASCII碼后，將其轉換成十進制信息：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據。

3.2 實時船速的計算

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

(5)

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

在船體到達轉彎處時，船體處于靜止狀態，系統停止對速度獲取。等到船體轉彎結束開始直線運動時，系統重新開始對船速獲取。

4 自適應速度投飼控制系統

4.1 投料口開度與船速之間的關系

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

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

V2=ηs

(6)

式中：s為投料口開度，m；V2為投飼速率，kg/s;η為試驗得到的關系系數，kg/(s·m)。通過試驗統計，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系：

(8)

4.2 船速與舵機轉角之間的關系

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

(9)

此式可以根據實時船速V1計算出舵機轉角β，控制系統通過式(1)關系控制搖桿旋轉角度，及時調整投料口開度，改變投飼速率。

4.3 自適應速度投飼控制系統的實現

自適應速度投飼控制系統的硬件主要包括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，將其參數設置完成后，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，能滿足控制系統響應速度快的要求。

自適應速度投飼控制系統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 集成開發環境中，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定位系統傳輸過來的位置信息，通過LoRa模塊獲取的間隔時間T，根據式(5)計算出間隔時間內的平均船速V1。舵機控制程序獲取上位機輸入的Q和L后，根據式(9)和式(1)計算得出對應船速V1的舵機轉動角度β和需要的脈沖寬度。將脈沖寬度傳給舵機，實現舵機的控制。

上位機的功能是方便參數輸入和修改，以及顯示輸出參數。系統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和、速度和投料口開度大小。

5 自適應速度投飼系統的測試

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

由于水面試驗會受到風浪流的影響，船速無法精準控制，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據，用小車代替投飼船體，將控制板卡和投飼機構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，在投料口的側面標記標尺，在標尺上端固定攝像機(手機)，記錄試驗中投料口開度情況。搭載精準投喂控制系統的可變速小車如圖5所示。

圖5 搭載精準投喂控制系統的可變速小車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設定為200 m，投飼量Q設置為20 kg，船速計算的時間間隔設定為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，控制系統把計算獲得的小車行駛速度值保存到文件，并傳輸到上位機上顯示，手機拍攝帶有刻度標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定位系統獲取的速度與實際速度的誤差在2%以內。

在上位機中顯示的投料口開度是根據式(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尺上的位置。標尺的最小單位為mm，若觀測結果在標尺刻度上，記為整數值；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行值是根據式(9)計算出的對應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，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時間在0.7 s以內。

以上表明該自適應速度投飼系統能滿足均勻投飼的實際需求。

6 結論

設計了一種蝦塘投飼船載自適應速度投飼系統，該投飼系統通過UWB定位技術計算出精確的實時行駛速度，通過設計的搖桿滑塊機構實現對投飼速率的控制，通過控制系統實現投飼速率自動與船速相適應，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，該自適應速度投飼系統投飼速率誤差在2.5%以內，可以滿足使用要求。與人工投喂和現有的移動投飼船相比，該投飼系統能根據實時船速調整相應的投飼速率，實現均勻投喂，從而減少飼料的浪費。為了方便觀測和獲取試驗數據，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、水面風浪等因素會對開度實際大小產生影響，影響投飼的均勻性。為了更加適應實際情況，使飼料的投喂精準均勻，后期應設計投料口開度的反饋系統，根據反饋信息自動修正開度大小，這是下一步應研究的內容。

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