河蟹养殖船载自动均匀投饵系统设计及效果试验

针对目前河蟹养殖投饵喂料劳动强度大、自动化程度低、投饲饵料分布不均匀等问题,该文提出了一种空气螺旋桨风力驱动船载自动投饵系统及均匀投饵方法。该系统由空气螺旋桨风力驱动船、自动投饵装置、ARM(advanced RISC machine)主控制器、GPRS(general packet radio service)通信模块和GPS(global positioning system)导航装置等组成。采用空气螺旋桨风力驱动,可解决常规作业船水下螺旋桨吸卷缠绕水草影响行驶问题;利用喂料器落料流速可控、抛料器抛幅可调、料仓内剩余饵料量可测的自动投饵装置,可解决投饵喂料分布不均匀问题。该系统以S3C2440为主控制器,通过GPRS通信模块M590接收作业指令。该文对投饵装置抛料器、饲料颗粒斜抛运动、饵料在水面上的累积密度分布进行建模,建立投饵均匀度目标函数,采用遗传算法GA进行最优运行参数求解,确定船载自动投饵系统最优运行参数:当饵料分布密度期望值为9 g/m2时,2个相邻投饵行程宽度的最优值为8.21 m,自动投饵装置投饵扇角的最优值为80°,喂料器单位时间内落料量的最优值为32.01 g/s,下方投饵行程船速的最优值为0.43 m/s,上方投饵行程船速的最优值为0.43 m/s,抛盘转速的最优值为1 480 r/min;并通过GPS导航装置BD982实现路径跟踪,完成自动均匀投饵作业。对饲料颗粒斜抛运动、饵料平均累积密度和分布密度均方差等进行仿真,在水平地面上与人工抛洒饵料进行对比试验,并在池塘内进行投饵试验,结果表明,该系统可使投饲饵料分布均匀度较人工投饵提高3倍以上,投饲饵料分布密度均值与设定值的相对误差为5.11%,为适应河蟹昼伏夜出的生活习性,可在夜晚进行投饲,使用1套该船载自动投饵系统能够精细管理6.67 hm2左右河蟹养殖池塘,相当于5个农村劳动力投饵喂料,节省人力提高效率,提高饲料的利用率15%以上,能使饲料节约15%以上,产量提高20%以上;同时,该船载自动投饵系统可以定时定量均匀投饲,保证养殖的河蟹个头大小均等,提高产值,大幅提高养殖面积增加效益。该文可为河蟹养殖全池自动均匀投饵喂料和其他水产养殖中需要沿池或全池自动均匀投饲研究提供重要参考。     

池塘养殖全自动精准投饲系统设计与应用

目前池塘养殖过程中需要人工搬运饲料,劳动强度大、人工成本高。现有投饲设备缺少称量和自动控制功能,存在投饲量控制不精准、自动化程度低、难以集成管控等问题。为此,该研究设计了一种全自动精准投饲系统,主要由机械设备、自动控制系统、信息管理系统等组成。基于"控制在本地、管理在云端"原则确定了系统结构。采用大料仓投饲机和散装饲料实现饲料出厂、运输、装料和投料全程机械化作业。开发了基于可编程逻辑控制器和称重传感器的自动控制系统,实现设备全自动运行和投饲量精准控制。控制系统与信息管理系统对接,实现投饲管控与企业生产经营管理的一体化。通过对视频监控设备的集成实现投饲过程的可视化监控。该系统在某大型养殖企业投入生产应用,建立了800 hm2的全自动投饲养殖示范基地,基本实现投饲过程的无人化作业。与传统小型投饲机、人工搬运和加装饲料的投饲方式相比,该系统可以减少劳动力成本70%、节约饲料用量3%,有效降低成本,取得了良好经济效益,具有实际工程应用价值。     

我国智能投饲技术研究进展

智能投饲技术是将传感器、机器视觉、机器声学、物联网等智能化信息技术应用于投饲装备,能够根据养殖水质、生物行为等按需投喂的一项新技术,可提高饲料利用率,降低养殖成本,符合可持续发展理念.从"基于水质参数的智能投饲技术,基于机器视觉的智能投饲技术,基于机器声学的智能投饲技术,基于图像和声音信息结合的智能投饲技术"几个分支简...     

室内工厂化水产养殖自动投饲系统设计与试验

为了提高室内工厂化水产养殖自动投饲系统定时、定量精度,并减少养殖过程中的饲料浪费,降低劳动强度,运用轨道传动、滑轨供电、超声波定位、无线通讯和计算机软件等技术开发了新型轨道式自动投饲系统。计算分析得,当选用HW100×100型钢制作轨道,以直径为0.06m的T型锻钢轨道轮、减速比为20:1的2级传动齿轮组和24V直流电机驱动系统行走时,电机功率需0.2kW以上,转速为2000r/min,输出扭矩要求0.58N.m以上。应用Solidworks软件设计了轨道式自动投饲系统样机,并进行了投饲量精度和定位误差性能测试试验,结果表明:该系统可以顺利完成自动启停与运行控制,其行走速度达到19m/min,定位误差在58～118mm范围内,料仓储料量20kg,投饲能力3kg/min,投饲量误差在0.5%～2.2%范围内。研究结果可为轨道式自动投饲系统设计与后续研究提供参考。     

Design and experiments of automatic feeding system for indoor industrialization aquaculture

为了提高室内工厂化水产养殖自动投饲系统定时、定量精度,并减少养殖过程中的饲料浪费,降低劳动强度,运用轨道传动、滑轨供电、超声波定位、无线通讯和计算机软件等技术开发了新型轨道式自动投饲系统。计算分析得,当选用HW100×100型钢制作轨道,以直径为0.06 m的T型锻钢轨道轮、减速比为20∶1的2级传动齿轮组和24 V直流电机驱动系统行走时,电机功率需0.2 kW以上,转速为2 000 r/min,输出扭矩要求0.58 N·m以上。应用Solidworks软件设计了轨道式自动投饲系统样机,并进行了投饲量精度和定位误差性能测试试验,结果表明：该系统可以顺利完成自动启停与运行控制,其行走速度达到19 m/min,定位误差在58～118 mm范围内,料仓储料量20 kg,投饲能力3 kg/min,投饲量误差在0.5%～2.2%范围内。研究结果可为轨道式自动投饲系统设计与后续研究提供参考。     

蔬菜移栽机斜插夹钵式取投苗装置研制

针对目前中国蔬菜穴盘苗全自动移栽作业,取投苗装置复杂、易失败等问题,该文设计了一种斜插夹钵式取投苗装置。通过对取投苗装置原理的分析,运用投影法对装置进行设计,确定了装置各结构参数。为保证装置具有良好的取投苗效果,对苗盘倾斜角度及苗夹入穴参数进行了设计,同时分析其运动过程,对比仿真轨迹曲线和试验实际轨迹曲线,验证了方案的可行性。综合考虑影响取投苗效果的因素,以取投苗成功率作为取投苗效果评价指标,选取弹簧刚度系数、主动杆转速、苗盘倾斜角度为试验因素,进行正交试验。试验结果表明:在给定因素水平下,当弹簧刚度系数为500 N/m,主动杆转速为12 r/min,苗盘倾斜角度为45°时,取投苗效果最佳,此时基质破碎率为3.13%,钵苗脱落率为2.43%,取投苗成功率为94.44%,装置的可靠性较高。研究结果可为全自动化移栽研究提供参考。     

机械驱动式辣椒穴盘苗自动取投苗系统设计与试验

针对目前半自动移栽机人工取投苗劳动强度大、工作效率低,控制系统复杂等问题,该研究结合当前新疆穴盘苗移栽作业模式和农艺要求,模仿人工取喂苗的方式设计了一种机械驱动式辣椒穴盘苗自动取投苗系统。该自动取投苗系统由地轮提供动力,通过穴盘进给装置的横向送苗驱动机构和纵向送苗驱动机构驱动穴盘横向、纵向准确移位,实现128穴整盘穴盘苗的自动进给,通过机械取投苗装置实现穴盘苗的自动取投。根据"己"字型穴盘进给方案和机械手取投苗轨迹与姿态要求,确定了机械取投苗装置偏转驱动机构和拔取驱动机构各构件的尺寸参数,构建了机械自动取投苗机构驱动装置的运动学模型,分析得出机械手末端位移、速度、加速度方程以及偏转、拔取驱动装置的主要参数和运动规律。为验证该系统的作业性能,利用Solidworks软件对机械手取投苗轨迹和运动规律进行仿真分析,选取苗龄60d、基质含水率24.61%～31.57%的辣椒穴盘苗进行室内样机穴盘进给位移可靠性试验和取投苗试验。试验结果表明,机械手仿真运动轨迹满足设计要求;穴盘纵向和横向进给位移与理论偏差小于1 mm,满足穴盘进给装置的供苗要求;在取投苗速度64～88株/min范围内,随着取苗速度的增加,取苗成功率、投苗成功率先增大后减少,输苗成功率总体波动较小,取投苗总成功率先增大后减少,取投苗速度80株/min时效果最佳,此时系统平均取投苗总成功率、取苗成功率、投苗成功率、输苗成功率分别为92.54%、92.93%、99.57%和100.00%,作业过程中无伤苗情况,满足穴高45 mm的辣椒穴盘苗栽植前自动进给穴盘苗、取投苗、输苗等作业要求。研究结果可为后续机械式自动穴盘移栽机的设计提供参考。     

河蟹养殖自动作业船导航控制系统设计与测试

针对河蟹养殖过程中存在的水草清理难度大、喂料投饵不均匀、人力成本高等问题,该文设计了一种基于ARM(advanced RISC machine)和GPS/INS(global positioning system/inertial navigation system)组合导航的多功能全自动河蟹养殖作业船导航控制系统。该系统由明轮驱动船、ARM主控制器、GPS/INS组合导航装置等组成。为降低传统的基于有限目标点航道位置计算方法的复杂度并减小船体偏离航道的误差,该文提出了一种基于实时插点的航道位置计算方法,实时地解算出当前时刻的目标位置,并设计了相应的转弯及航道切换策略。针对明轮船具有非线性、大时滞、欠阻尼的运动特点,设计了基于模糊PID(proportion integration differentiation)的航向、航速双闭环运动控制算法;基于嵌入式Linux操作系统,设计了船载子系统软件,并编写了上位机监控程序对船载子系统的运行状态进行实时监控。利用河蟹养殖作业船试验平台进行了航速及自动导航试验,并对有限目标点和实时插点的航道位置计算方法的控制效果进行了对比。试验结果表明:船体速度响应较快,超调量不超过5%,稳态误差可控制在3%以内;采用有限点的航道位置计算方法时,船体在转弯与直行时偏离航道的最大误差分别为2.12和1.52m;采用实时插点的航道位置计算方法时,船体在转弯与直行时偏离航道的最大误差分别为0.36和0.09m,分别下降了83.02%和94.08%,船体的控制精度得到了全面的改善。该文可以为多功能河蟹养殖作业船的研究提供重要参考。     

池塘水产养殖精准投喂系统研制与试验

针对传统池塘养殖多依靠经验粗放式投喂而导致生产效率低、环境压力大、养殖风险高的问题，该研究提出一种适配池塘养殖的精准投喂系统。该系统主要包括水质监测、决策控制、驱动执行和远程监控等模块。以影响鱼类摄食需求的关键因子溶解氧、温度、体质量等为输入参数，以摄食需求量为输出参数，基于蚁群优化算法的模糊PID控制技术实现精准投喂。为验证系统的实用性和有效性，以精养草鱼为对象开展池塘养殖对比试验，从调控性能、生长性能、经济效益和环境效益等方面进行综合评价。结果表明：所提出的精准投喂系统控制性能稳定可靠，控制误差小于7%，与传统投喂系统相比，Nash-Sutcliffe效率系数（N_NS）提高至0.913，均方根误差（R_RMSE）降低16.10。草鱼生长参数不存在显著差异性（P>0.05），但饵料系数显著降低11.73%（P<0.05），养殖收益提高1.46万元/hm²，吨产减排约241.40 kg。所研制的精准投喂系统具有较好的综合应用性能，可为其他养殖模式、鱼类精准投喂设施研发提供参考和技术支持。     

基于蚁群优化最小二乘支持向量回归机的河蟹养殖溶解氧预测模型

养殖池塘溶解氧是河蟹赖以生存的重要指标,及时准确地掌握溶解氧浓度变化趋势是确保高密度河蟹健康养殖的关键。为提高溶解氧预测精度和效率,该文提出了蚁群算法(ACA)优化最小二乘支持向量回归机(LSSVR)的河蟹养殖溶解氧预测方法。采用蚁群算法对最小二乘支持向量回归机的模型参数进行优化,并以自动获取的最佳参数组合构建溶解氧与其影响因子间非线性预测模型。利用该模型对江苏宜兴市2010年7月20日～7月28日期间高密度养殖池塘溶解氧进行预测。研究表明,该预测模型取得较好的预测效果,与支持向量回归机和BP神经网络相比,模型评价指标均方根误差、相对均方误差均值、平均绝对误差和和决定系数和运行时间分别为0.0328、0.0016、0.0448、0.9916和3.3275s均优于其他预测方法,ACA-LSSVR模型不仅计算复杂度低、收敛速度快、预测精度高、泛化能力强,还能满足实际高密度河蟹养殖溶解氧管理的需要,为其他领域的水质预测提供参考。     

基于FIA*-APF算法的蟹塘投饵船动态路径规划

为了提高无人投饵船在含障碍物河蟹养殖池塘自主巡航的作业效率和安全性,该研究提出基于改进A*算法与人工势场法相融合（fusion of improved A* and artificial potential field,FIA*-APF）的蟹塘投饵船动态路径规划算法。首先引入动态加权因子优化A*算法评价函数;其次加入转折惩罚函数并删除冗余点,接着利用B样条曲线对全局路径进行平滑处理;最后将改进A*算法得到的全局路径作为改进人工势场法中的引力路径,生成投饵船自主巡航高效路径。根据养殖池塘创建静态和动态2种仿真环境,分别对传统人工势场法（traditional artificial potential field,TAPF）、基于A*和人工势场法的融合算法（the A* and artificial potential field,TA*-APF）和FIA*-APF算法的性能进行20次测试。仿真试验结果表明：2种环境下,FIA*-APF算法的平均规划时间是TAPF算法的17.23%,是TA*-APF算法的51.96%,平均指令节点数量比TAPF算法减少50.64%,比TA*-APF算法减少65.03%,平均路径长度比TA*-APF算法减少2.82%。蟹塘试验结果表明：FIA*-APF算法的规划时间为TAPF算法的38.16%,为TA*-APF的62.42%,路径长度比TAPF算法减少29.13%,比TA*-APF减少10.15%;另外,TAPF和TA*-APF算法规划路径上大于60°的转角分别是FIA*-APF算法的3.28和2.62倍,大于100°的转角分别是FIA*-APF算法的3.73和1.67倍,该研究算法规划的路径更高效平滑。研究结果可为无人投饵船自主导航提供参考。     

基于改进YOLOv5s的轻量化蟹塘障碍物检测与定位方法

蟹塘中不定期放置不同类型、不同大小的养殖装置影响无人作业船的自动巡航作业,为了提高无人作业船的工作效率和安全性,该研究提出一种改进YOLOv5s的轻量化蟹塘障碍物检测模型,并结合深度相机对蟹塘障碍物进行定位。改进模型从平衡检测速度和检测精度的角度出发,首先将ShuffleNetV2轻量化网络作为主干特征提取网络,大幅缩减模型体积;其次在不增加计算量的同时引入SENet注意力机制,加强对蟹塘障碍物目标的特征感知;接着将SPPF模块改进为SPPFCSPC模块,增强不同尺度下蟹塘障碍物的检测效果;最后采用SIoU损失函数加速模型收敛,提高检测的准确性。改进模型结合RealSense D435i深度相机获取的彩色图像对障碍物进行检测,并得到障碍物中心点在蟹塘坐标系下的三维坐标和障碍物的投影宽度。试验结果表明,改进模型对竹竿、蟹笼、增氧机3类障碍物具有良好的区分度和识别效果,与原始YOLOv5s模型相比,改进模型的参数量和计算量分别减小了62.8%和80.0%,模型大小仅为5.5 MB,单张图像的检测速度达15.2 ms,检测速度提升了44.5%,平均精度均值（mean average prec...     

直升机航空施药全覆盖航线规划算法

为避免航空施药过程中由于多施、漏施、重施等现象造成的覆盖不精准问题,该研究开发了一种航程短,覆盖范围精准的航空施药全覆盖航线规划算法。首先基于区域全覆盖原理,通过对施药作业区域外喷雾航程计算与分析,得出在全覆盖的前提下,区域外最短喷雾航程计算公式。再结合全覆盖航线规划方法,得出全覆盖航空施药的最优航线规划算法,并通过软硬件设计实现了实时采集飞行轨迹,通过OneNet物联网平台与移动终端进行信息双向传输。最后分别对3种不同地形的试验场地进行了7个不同航向的全覆盖喷雾作业试验。试验结果表明,在3种试验场地中,按照规划航向作业的航程比试验组按照其他6个航向作业的航程短,航程比其他航向的航程最大可分别缩短4.920、6.903、59.913 km;且多余覆盖率均为最小,多余覆盖率最小分别为2.08%、7.17%、0.57%。作业面积越大,规划航向作业的航程缩短越明显,多余覆盖率越小,并且规则地形航线规划的多余覆盖率明显小于不规则地形。所提出的航空施药全覆盖航线规划算法,可为航空施药航线规划技术的发展提供理论支撑,为实际施药作业提供指导。     

稻田开放式自动化养鸭设备的研制及试验

为了解决鸭稻共作过程中依靠人工饲养鸭子费时费力的问题,加速推广具有良好经济效益和社会效益的水稻生态农业模式,该文设计了一种以单片机为控制核心,在无人值守情况下在稻田中自动化养鸭设备。该设备放置在稻田的输水渠上不占农田,由太阳能电池板产生的能量驱动,能够按照昼夜变化规律运行,早晨05:30后自动开门,傍晚18:00奏音乐唤鸭回笼并能自动补料、给水和关门。由于料斗放置在田间,饲料容易受潮而结拱影响补料量控制的精准度,设计了振动式料斗破拱装置,试验确定了破拱装置的振动偏心距为30 mm、转速为1 200 r/min。田间试验结果表明,在自动门延迟关门1 min和声音响度100 d B时,鸭群回笼率达到97.5%以上;自动化养鸭设备饲养鸭群体质量增长与人工喂养无显著性差异(P0.05)。该研究成果对鸭稻共作技术的推广应用具有重要意义。     

基于贝塞尔曲线的动态识别区农机避障路径实时规划

为解决农机田间作业避障路径实时规划问题,该研究提出一种在动态识别区内利用三阶贝塞尔曲线实时规划农机避障路径算法。首先构建农机作业行走动态识别区,在动态识别区内利用激光雷达感知障碍物。然后利用障碍物信息计算避障路径控制点选取范围,生成满足农机最小转弯半径等多约束条件下的路径簇,同时以曲率最小为目标从路径簇中选取最优避障路径。最后进行避障路径实时规划试验。试验结果表明,本文算法规划的避障路径最大曲率和平均曲率分别为0.126和0.054 m-1;路径跟踪过程中产生的最大横向误差和平均横向误差分别为0.12和0.057 m;拖拉机到障碍物外轮廓的距离大于0.375 m。和现有算法比较,本文算法规划的避障路径最大曲率和平均曲率分别减少25.9%和42.6%,路径跟踪过程中产生的最大横向误差和平均横向误差分别减少36.8%和28.8%。研究结果可为拖拉机无人驾驶作业提供技术支撑。     

基于塘内循环自净的河蟹生态养殖系统设计与试验

为了提高河蟹养殖品质和养殖池塘水质净化能力,该研究提出了一种通过养殖池塘内部结构改造实现池塘水体内部循环自净的技术,并设计了一套针对河蟹的生态养殖系统。应用软围隔将养殖塘划分为两个相对独立的功能区(养殖区和自净区),设计了浮式气提推水装置和射流装置作为塘内水循环动力系统,在推水装置的作用下,养殖区的水体流入自净区,经过滤、吸附、杀菌及降温等环节重新回到养殖区,形成"九分养蟹一分养水"的河蟹循环自净生态养殖模式。在崇明宝岛蟹业面积约为9 600 m~2的河蟹养殖池塘进行实施和试验,试验表明:合理配置气提推水装置可实现河蟹养殖池塘水体日循环2次以上;试验塘循环自净状态相较静水状态,水温均衡度提高10.17%,下层溶解氧水平提高18.57%,氨氮平均质量浓度下降19.2%;同时,养殖效果抽样对比显示试验塘200 g以上公蟹和150 g以上母蟹较对照塘分别增加了45%和35%。该研究设计的塘内循环自净的河蟹生态养殖系统能较好地净化养殖水体,有利于河蟹的生长,可为河蟹池塘生态高效养殖模式的构建和推广提供参考。     

基于无人机航向的不规则区域作业航线规划算法与验证

为尽可能地减少飞行总距离和多余覆盖面积,节省无人机的能耗和药液消耗,研究了一种基于作业方向的不规则区域作业航线规划算法。该算法根据指定的作业方向,可快速规划出较优的作业航线,也可在未指定作业方向的情况下,给出某一推荐的作业方向与航线,使整个作业过程能耗和药耗最优。仿真结果表明,在一块面积为983.125 m2的不规则凸五边形作业区域内,采用该算法进行航线规划,无人机作业的多余覆盖率最低可达到11.5%,而且作业面积越大,优化效果越明显,在同样的地块进行田间试验,得到最低多余覆盖率为2.8%,证明了该算法的可行性。该研究可为自主作业无人机的航线规划算法提供参考。