多層水槽式工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)智能投飼車設計

肖紅俊，劉 凱，李莉莉，馮燕爾

(浙江海洋大學船舶與機電工程學院，浙江 舟山，316022)

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式是一種新型的高效現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖模式，以養(yǎng)殖水的循環(huán)利用為核心特征，具有節(jié)水、節(jié)電、節(jié)地等優(yōu)點，成為水產(chǎn)養(yǎng)殖可持續(xù)發(fā)展的方向與研究熱點[1-7]。工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式中的重點之一是飼料投喂[8]，目前有多種類型的自動投飼機、增氧式投飼機、螺旋輸送式供料投飼機和機械振動分料供料式投飼機等[9-13]。近幾年，智能投飼成為研究的熱點，如針對工廠化養(yǎng)殖的軌道式投飼系統(tǒng)[14]、梭子蟹單筐養(yǎng)殖自動投飼系統(tǒng)[15]、新型對蝦養(yǎng)殖投飼裝置[16]等。近年來，國內(nèi)企業(yè)如廈門新穎佳生物科技公司等開發(fā)出了多款多層水槽立體式工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，相比單層系統(tǒng)，其節(jié)水、節(jié)地優(yōu)勢突出，養(yǎng)殖密度大，養(yǎng)殖效率更高。由于多層水槽結構空間局促，人工投喂時，投喂不均衡，可能引起局部的細菌超標導致病害爆發(fā)。

針對多層水槽式循環(huán)水工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)，設計了一款微型智能投飼車，以MK60DN512DZ(簡稱K60)單片機為主控芯片，以四輪小車為底盤，電機驅(qū)動，舵機打向，輔以紅外對管識別路徑，加上特定跑道的設計，能在自主識別投喂區(qū)域?qū)崿F(xiàn)定點定量的投飼和補料，提高養(yǎng)殖自動化程度。

1 投飼車總體設計

1.1 結構設計

多層水槽式循環(huán)水工廠化養(yǎng)殖模式下，每層的平鋪面積較大，要使得投喂均勻，必須在每層的中部位置也進行一定的投喂。由于每層之間的空間較狹小，無法使用大型裝置，因此投飼裝置應包括行走、轉(zhuǎn)向、定點尋跡、投料、儲料和控制等功能。設計一款尺寸適當?shù)闹悄芡讹曑囅到y(tǒng)可以很好地滿足以上的需求。該投飼車主要由循跡小車、投飼裝置和控制系統(tǒng)三大部分組成。循跡小車選用后驅(qū)四輪小車作為行走裝置，由后置立式舵機實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，通過紅外傳感器進行循跡和識別特定投飼點；投飼裝置通過加裝儲料裝置來對飼料進行稱重、儲存和備料，并進行投飼；投飼車上的控制系統(tǒng)可控制投飼車運行及自動投飼。如圖1所示，以三層水槽為例，智能投飼車在三層水槽式循環(huán)水工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)中工作，在水槽上方架設特定投飼跑道，投飼小車在軌跡線和相關標記的引導下單向運行工作，補料點設置在水槽的末端，方便人工上料。

圖1 系統(tǒng)簡易示意圖Fig.1 Simple diagram of the system

智能投飼車機械結構如圖2所示，整個投飼車由四輪循跡小車的車身車架、行走電機、轉(zhuǎn)向舵機、紅外對管、控制系統(tǒng)板、稱重臺、推料舵機、三面圍板、一帶二的推料桿等組成。該系統(tǒng)中采用的投飼車車架尺寸為300 mm×170 mm×200 mm，投飼車質(zhì)量1.56 kg。結合儲料裝置尺寸，規(guī)定最大儲料量為2.5 kg。

1.2 工作原理

1.2.1 循跡小車設計

循跡小車設計主要包括行走裝置、轉(zhuǎn)向裝置、定點循跡裝置等。1)行走裝置：由后驅(qū)四輪小車的車身車架和電機、電機驅(qū)動、車輪等組成。選用功率80 W的775電機雙滾珠軸承馬達作為行走裝置的動力源，通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)對電機的正反轉(zhuǎn)來控制小車的行走。2)轉(zhuǎn)向裝置：由轉(zhuǎn)向舵機、舵機支架和轉(zhuǎn)向推臂組成。本系統(tǒng)選用型號FUTABA S3010舵機作為轉(zhuǎn)向舵機，當其接收到控制系統(tǒng)發(fā)出的轉(zhuǎn)向信號時，舵機產(chǎn)生一定角度的轉(zhuǎn)動，與舵機連接的轉(zhuǎn)向推臂進行相應的運動，使小車前輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)向。由于舵機產(chǎn)生的振動較大，故需加裝舵機支架保持舵機的穩(wěn)定。3)定點循跡裝置：主要用于循跡和投飼區(qū)域的識別，由4對紅外對管和相應的控制模塊組成。本系統(tǒng)選用工作電壓3.3～5 V，檢測距離范圍2～30 cm的紅外對管，位于小車前端，當小車前端行走到標記點時，紅外對管識別標識并將信號傳回控制系統(tǒng)使小車做出相應動作。

圖2 智能投飼車機械結構圖Fig.2 Mechanical structure of intelligent feeding car

1.2.2 投飼裝置

三面圍板、稱重臺、前擋板、后擋板、推料舵機、一帶二的推料桿等組成了投飼裝置，從功能上又可細分成儲料裝置和投料裝置。1)儲料裝置：為半開放式儲料箱，由三面圍板、帶稱重傳感器的稱重臺以及后擋板組成，主要是對飼料進行儲存并通過稱重傳感器對飼料稱重，協(xié)助系統(tǒng)進行投料和補料。儲料箱頂部用來進料，后擋板為可移動設計，收回到位后為儲料箱的后擋門。稱重臺尾部采用防漏陡坡設計，防止行走過程中后擋板不嚴造成飼料泄漏。后擋板采用兩側防灑包角設計，幫助后擋板收回時固定鎖住兩側箱體圍板。2)投料裝置：主要由推料舵機、一拖二的推料桿和前擋板、后擋板等組成。當控制系統(tǒng)發(fā)出投飼指令后，投飼舵機緩慢連續(xù)轉(zhuǎn)動一定的角度，推桿隨著舵機的轉(zhuǎn)動向后推動前后擋板，前擋板緩慢向后移動將儲料箱中的飼料推出，后擋板也向后動作，并脫離箱體形成空洞，空洞對準跑道上的投飼區(qū)，飼料被推入水槽中，完成投飼，若遇阻力較大，可反復嘗試多次，最終完成投飼目標才停止。

1.2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)實現(xiàn)對整個投飼系統(tǒng)工作的控制，主要由控制系統(tǒng)板、嵌入在其他裝置的傳感器和輸入輸出設備等組成，具體包括K60最小系統(tǒng)板、OLED顯示屏模塊、HX711稱重A/D轉(zhuǎn)換模塊、紅外對管模塊等。本系統(tǒng)單片機選用MK60DN512ZVLQ10單片機，0.96寸OLED顯示屏模塊，紅外對管模塊選用的比較器為LM393。整個控制裝置通過一個大容量鋰電池供電。電流輸入升壓電路，經(jīng)處理后將電壓分成5 V和12 V，其中，12 V分給電機，5 V通過穩(wěn)壓電路后分別供給單片機、按鍵、舵機、OLED顯示屏、紅外對管、稱重傳感器模塊等電子元件。

2 硬件電路設計

控制系統(tǒng)硬件電路功能如圖3所示，主要由K60核心控制板、紅外對管模塊、電機驅(qū)動、電機、輸入輸出模塊等組成。

圖3 硬件電路功能框圖Fig.3 Functional block diagram of hardware circuit

2.1 K60核心控制板

核心控制板是以32位微控制器芯片K60為核心，該芯片集合了PWM、PIT、PORTE等多個功能的模塊，可以輸出需要的PWM波，對舵機和電機分別進行角度和速度控制，通過PORTE中斷模塊對按鍵模塊信息進行反饋。

2.2 電源模塊

系統(tǒng)采用一塊7.2 V、2 000 mAh鎳鉻電池供電，而單片機核心板、OLED顯示屏模塊、稱重傳感器模塊、紅外對管模塊等均需要5 V電源，電機驅(qū)動模塊則需要12 V電源。由于各個電路模塊所需工作電壓和工作電流各不相同，因此，電源模塊采用穩(wěn)壓模塊將充電電池電壓轉(zhuǎn)換成各個模塊所需要的工作電壓。本系統(tǒng)的穩(wěn)壓芯片主要采用TPS系列中的TPS7350芯片進行5 V穩(wěn)壓，該系列芯片具有封裝體積小巧、線性度好、輸出電流大、穩(wěn)定性好、壓降小等特點。

2.3 電機驅(qū)動電路和電機

電機驅(qū)動模塊采用MOS半橋驅(qū)動，在MOS管(場效應管)的導通壓降下，導通電阻小，柵極驅(qū)動不需要電流，損耗小，驅(qū)動電路簡單，自帶保護二極管，熱阻特性好。775電機在驅(qū)動電路驅(qū)動控制下，通過電壓的大小正負來控制小車的加速、減速、前進、后退等。

2.4 基于PWM的舵機轉(zhuǎn)向控制

本系統(tǒng)選用型號BDS1000M舵機作為投飼舵機，推桿采用直徑8 mm、高12 cm的金屬桿。系統(tǒng)中使用的舵機均采取PWM進行轉(zhuǎn)向控制，通過改變其占空比來改變舵機轉(zhuǎn)動角度，從而達到轉(zhuǎn)向和推料動作。PWM控制具有頻率高、效率高、功率密度高、可靠性高等特點，適用于本系統(tǒng)中舵機轉(zhuǎn)向控制的需求。

2.5 紅外對管模塊

系統(tǒng)選用工作電壓3.5～5 V、檢測距離范圍2～30 cm的RISYSTEM紅外對管，位于小車前端，當小車前端行走到標記點時，紅外對管將識別后的信號傳回控制系統(tǒng)使小車做出相應動作。系統(tǒng)的循跡也是通過兩對紅外對管識別循跡線。

3 軟件設計

整個控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)對各個執(zhí)行部件的控制運行，達到自動定點定量投飼的目的。圖4為控制流程。首先初始化轉(zhuǎn)向舵機、推料舵機、電機、稱重傳感器、OLED顯示屏模塊的所有引腳，接著OLED顯示屏開始顯示初始界面并顯示壓力傳感器經(jīng)過換算之后的值，通過中斷函數(shù)檢測按鍵是否按下，當檢測到按鍵按下之后，OLED顯示屏進入設置界面，通過按鍵設置好各個點的投飼量，之后投飼車從起點啟動，4對紅外對管捕捉軌道信息，由左至右依次為1、2、3、4號燈，2、3號燈控制投飼車左右轉(zhuǎn)向，1號燈識別投料點，4號燈識別終點。投飼車運行過程中，轉(zhuǎn)向舵機控制投飼車的方向，當?shù)竭_指定點之后投飼車電機反轉(zhuǎn)制動，同時投料舵機開始進行投飼動作，當達到設定的投飼值之后，推料舵機動作停止，投飼車啟動重復之前的動作，如此循環(huán)達到定點定量投飼的目的。當投飼車儲料量不足規(guī)定的M值時，投飼車直接駛向終點進行補料或上料，裝料完成后重啟投飼車進行工作。

圖4 智能投飼車運行控制流程圖Fig.4 Running control diagram of intelligent feeding car

4 試驗測試

4.1 試驗跑道設計

本投飼車系統(tǒng)主要針對多層水槽式循環(huán)水工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)。本投飼車系統(tǒng)運行環(huán)境選用在水槽上方加裝特定白色板狀軌道，軌道寬度250 mm。圖5為跑道設定示意圖，跑道位于養(yǎng)殖槽水面上方，跑道兩側有擋板，中間有一根黑色尋跡線，在每個投喂點都有一個黑色標記點，既可用來識別投喂點，又可用來定投喂口的距離，幫助投飼車精確定點。圖6為投喂區(qū)域放大圖，中間黑色循跡線將投喂區(qū)一分為二，投喂區(qū)除中間尋跡線外沒有其他阻擋，其寬度正好和儲料箱寬度相同；兩側的補投區(qū)為網(wǎng)篩狀，網(wǎng)孔直徑為飼料最大直徑的2～3倍。補投區(qū)既可讓投飼車通過，也可讓溢出的飼料能順利投喂下去。標記點區(qū)域和飼料投喂區(qū)域的距離可以適當調(diào)節(jié)，以確保裝置中的飼料正好推入投喂區(qū)，車輛前端正好位于標記點。終點補料區(qū)與普通投飼點有所不同，就是投喂區(qū)不是毫無遮擋的空洞設計，而是同補投區(qū)一樣采用網(wǎng)篩狀設計，上料或補料還是采用人工操作。

圖5 跑道設定示意圖Fig.5 Runway setting diagram

圖6 投喂區(qū)域放大圖Fig.6 Enlarged diagram of feeding area

4.2 結果與分析

在試驗測試過程中設置M值為100 g，根據(jù)測試結果，投飼車運行平穩(wěn)可靠，達到研究的預定要求。

(1)投飼車尺寸小、運行速度快，速度在(0.5～2.2)m/s范圍連續(xù)可調(diào)，與常規(guī)的投飼系統(tǒng)[15-18]相比，單位時間內(nèi)可跑完的路徑更長、投飼的點更多，有利于飼料在養(yǎng)殖池中更均衡的投放，從而減少因飼料局部堆積、密度超標引起的病變和病害。

(2)投飼車自動投飼精度較高，其定位精度誤差在2 cm以內(nèi)，投飼量誤差在10 g以內(nèi)。因其開發(fā)專門用于空間較為局促的工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖設施，尺寸較小，投飼點的開口也比較小，精度要求較高。根據(jù)系統(tǒng)運行結果來看，投飼精度可滿足實際需求，因飼料浪費較少，飼料利用率較高。

(3)投飼車造價低，整個系統(tǒng)建造成本在300元以下，與其他自動化投飼系統(tǒng)[19-20]相比，成本節(jié)約50%以上，同時還節(jié)約了人力成本，是“機器換人”產(chǎn)業(yè)升級的有益實踐。

在系統(tǒng)設計以及系統(tǒng)運行中也發(fā)現(xiàn)了一些不足，如投飼車投飼中產(chǎn)生誤差等，其可能原因有：紅外對管、稱量傳感器自身的誤差范圍；由于儲料裝置制作粗糙，投飼車運行途中特別是啟動和制動過程中飼料遺落造成了一定的誤差；推料舵機的推進動作和實際推料效果會造成一定的誤差等。

5 結論

針對多層水槽式循環(huán)水工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)需求開發(fā)出基于K60單片機的智能投飼車，可實現(xiàn)定點定量的自動投飼，解決人工投料勞動強度大、飼料利用率低等缺點；投飼車成本低廉、靈活度高，可提高工廠化養(yǎng)殖的經(jīng)濟效益。本智能投飼車能自動識別路徑和投飼區(qū)，準確定位投飼點或終點并完成投飼動作或補料動作，定位和定量精度基本能滿足投飼需求。但投飼車設計部分仍有待提高，如對儲料箱和推料機構進行更合理的設計，還可增加藍牙無線模塊或GSM模塊，以實現(xiàn)對小車的遠程控制等。

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