基于魚群識(shí)別的移動(dòng)式投餌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 耀 繆新穎

大連海洋大學(xué)信息工程學(xué)院 遼寧 大連 116023

0 引言

當(dāng)前魚類產(chǎn)品需求量增大,工廠化養(yǎng)殖關(guān)于投餌方式,有人工投,也有用自動(dòng)投餌機(jī)投,如固定式、軌道輸送式投餌系統(tǒng),都已被廣泛應(yīng)用,其中軌道式投餌系統(tǒng),即可節(jié)省空間又可解決固定式投喂不便的問題,但也會(huì)限制投餌機(jī)位置,不能較好地針對(duì)性分配餌料,造成餌料浪費(fèi)、水質(zhì)污染等問題[1]。本系統(tǒng)則針對(duì)上述問題設(shè)計(jì)一種可通過聲吶傳感器識(shí)別目標(biāo)魚群的位置信息,經(jīng)操作中心發(fā)出指令使移動(dòng)裝置通過環(huán)形軌道移動(dòng)到指定位置,繼而自動(dòng)投餌機(jī)投餌的移動(dòng)式投餌系統(tǒng),可以有效降低餌料浪費(fèi)、水質(zhì)污染并減少人工勞動(dòng)力,提高生產(chǎn)率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括聲吶傳感器、環(huán)形軌道、支柱及附著在支柱上的金屬識(shí)別片、控制單元、投餌裝置與移動(dòng)裝置,系統(tǒng)原理見圖1。

1)聲吶傳感器識(shí)別到養(yǎng)殖池內(nèi)魚群信息,繼而由單片機(jī)將魚群監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理；2)魚群信息處理完畢,同時(shí)單片機(jī)接收到限位開關(guān)信號(hào),由單片機(jī)反饋經(jīng)操作中心發(fā)出操縱指令；3)移動(dòng)裝置接收指令,三相異步電機(jī)被驅(qū)動(dòng)而反轉(zhuǎn),主動(dòng)T型輪被傳輸齒輪組驅(qū)動(dòng)而運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)從動(dòng)T型輪運(yùn)動(dòng)從而使移動(dòng)裝置向前移動(dòng)；4)投餌裝置移動(dòng)到魚群位置就近的金屬識(shí)別片位置,觸發(fā)軌道上的金屬識(shí)別片,其周圍產(chǎn)生的渦流致使電感式接近開關(guān)振蕩衰減至停振,從而使投餌機(jī)到達(dá)指定位置停止并進(jìn)行投餌工作,若識(shí)別到其他位置有魚群信息,則啟動(dòng)移動(dòng)裝置移動(dòng)到該位置進(jìn)行投餌工作；5)投餌裝置完成投餌工作后,經(jīng)操作中心啟動(dòng)移動(dòng)裝置返回原點(diǎn),等候下次投餌指令到來(lái)。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 主要技術(shù)指標(biāo)

目標(biāo)識(shí)別率：95%；投餌裝置額定負(fù)載25kg；移動(dòng)裝置最大移動(dòng)速度15m/min；餌料投飼精度0.6%～2.3%。

3 系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)方案可應(yīng)用在30～40立方米的養(yǎng)殖池。本系統(tǒng)選取長(zhǎng)寬高分別為9、4、3米的養(yǎng)殖池,根據(jù)上述工作原理,結(jié)合自動(dòng)控制原理、機(jī)械知識(shí),以節(jié)約性、可靠性及準(zhǔn)確性為原則,在技術(shù)指標(biāo)能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)下,設(shè)計(jì)了整個(gè)基于魚群識(shí)別的移動(dòng)式投餌系統(tǒng),見圖2：

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

1)聲吶傳感器分布支柱旁,用以識(shí)別目標(biāo)魚群,獲得到魚群信號(hào)1,從而單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理,見圖3。

圖3 系統(tǒng)信號(hào)處理流程圖

2)選用型號(hào)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(jià)格便宜等特點(diǎn)。

圖4 聲吶傳感器探測(cè)最大范圍平面圖

由圖4可知,在養(yǎng)殖池上,聲吶傳感器分別放于長(zhǎng)的一側(cè)離端點(diǎn)2米的位置處,按其方向角最大即45°、檢測(cè)范圍最大即8米來(lái)算,其一側(cè)可檢測(cè)到約7.42米的范圍內(nèi),大于其一側(cè)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(cè)到整個(gè)養(yǎng)殖池內(nèi)魚群信息。

3)控制單元包括監(jiān)控中心、操作平臺(tái)、單片機(jī)、設(shè)置在投餌裝置上的限位開關(guān),限位開關(guān)連接單片機(jī)。

4)投餌及移動(dòng)裝置設(shè)計(jì)：

圖5 移動(dòng)裝置和投餌系統(tǒng)圖

投餌裝置包括設(shè)置在移動(dòng)裝置上的自動(dòng)投餌機(jī)和電感式接近開關(guān),見圖5；投餌機(jī)接近金屬識(shí)別片時(shí),其周圍產(chǎn)生的渦流致使開關(guān)振蕩衰減至停振,從而使投餌裝置到達(dá)指定位置進(jìn)行投餌工作。自動(dòng)投餌機(jī)可選用市面上主電機(jī)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(dòng)裝置包括環(huán)形軌道、驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。軌道總長(zhǎng)33.7m,由兩個(gè)半徑為7.85m的半圓和兩根長(zhǎng)度為9m的直軌組成的閉環(huán)式跑道形軌道。驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)由傳輸齒輪組、三相異步電機(jī)、主動(dòng)及從動(dòng)T型輪組成；主動(dòng)T型輪被電機(jī)通過傳輸齒輪組驅(qū)動(dòng)而運(yùn)動(dòng),從動(dòng)T型輪以此被帶動(dòng),投餌裝置進(jìn)而向前移動(dòng)；而傳動(dòng)結(jié)構(gòu)則通過減速傳輸齒輪組驅(qū)動(dòng)主動(dòng)、從動(dòng)T型輪運(yùn)動(dòng),使投餌系統(tǒng)沿環(huán)形軌道運(yùn)行,見圖6。最后移動(dòng)裝置運(yùn)行到原點(diǎn)時(shí),通過限位開關(guān)保護(hù)投餌裝置[3]。

圖6 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)平面圖

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

設(shè)定軌道輪與軌道間摩擦力μ=0.15,主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力等于8倍投餌裝置滿載質(zhì)量

設(shè)計(jì)移動(dòng)裝置速度15m/min,則

假設(shè)每一級(jí)的齒輪傳動(dòng)效率為93%,則

式中：

F—主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力(N)M—主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力矩(N·m)

n0—滾輪最低轉(zhuǎn)速(r/min)n1—電機(jī)最低轉(zhuǎn)速(r/min)

D—T型輪直徑(m)V—移動(dòng)裝置速度(m/min)

T—電機(jī)輸出力矩(N·m)P—電機(jī)功率(kw)

由此得出,電機(jī)功率不得低于0.185kw同時(shí)轉(zhuǎn)速要大于1527.3r/min,故選擇型號(hào)為Y90s-2的三相異步電機(jī)作為移動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng),其構(gòu)造簡(jiǎn)單、操作性能好、價(jià)格便宜、可節(jié)省各種材料,可以滿足系統(tǒng)投餌性能的要求[2]。

4 結(jié)語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)了一種適用于工廠化養(yǎng)殖、基于魚群識(shí)別且可移動(dòng)動(dòng)的新型的自動(dòng)投餌系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用簡(jiǎn)單、便利,只需聲吶傳感器識(shí)別目標(biāo)魚群的大致范圍,便可進(jìn)行投餌工作,提高餌料利用率,減少餌料及勞動(dòng)力成本,且可降低水質(zhì)污染,調(diào)整整體水體質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率。