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。     

河蟹养殖全覆盖自动均匀投饲的轨迹规划与试验

河蟹养殖投饵喂料需要全塘均匀覆盖,目前主要靠人工驾驶或遥控船载投饲机在池塘中进行投喂,准确度和效率较低,难以保证投饲效果。针对以上情况,基于GPS（global positioning system）船载移动式自动投饲系统,研究了一种全覆盖轨迹规划方法,满足河蟹养殖池塘自动均匀投饲要求。该文利用轨迹规划系统建立池塘区域平面坐标系;以实际饵料累积密度与期望分布密度间的均方差最小作为衡量投饲均匀度的目标函数,求解出系统最优运行参数,生成往复遍历式自动投饲轨迹。仿真结果表明,在面积为2298.08 m2的不规则四边形池塘区域中,取饵料分布密度期望值为9 g/m2时,最优计算投饲系统运行参数对应的轨迹规划效果要优于传统经验估算参数。试验结果表明,当分别用两组参数进行自动投饲作业时,投饲船的实际航行轨迹与理论投饲轨迹都只有很小的偏移,与仿真结果具有一致性;同时,最优计算运行参数对应实际路径总长度、投饲路径长度、作业总时间、投饲时长、饵料分布密度均值、覆盖率等各项指标与仿真结果相比,相对误差分别为6.85%、2.71%、10.07%、10.41%、3.06%和1.87%,验证了全覆盖轨迹规划方法的可行性。该文可为河蟹养殖自动均匀投饲和其他水产养殖中需要沿池或全池自动均匀投饲轨迹规划研究提供重要参考。     

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。     

超高密度全封闭循环水养殖系统设计及运行效果分析

为进一步研究循环水养殖系统在高密度养殖生产过程中的水质变化情况、鱼类生长情况及应用推广价值,该文构建了一套超高密度全封闭循环水养殖系统,设计3条水处理环路,集成了鱼池双排水、竖流沉淀、转鼓式微滤机、移动床生物过滤、多腔喷淋式纯氧混合装置、二氧化碳脱气等高效水处理技术和装备。提出一种基于投饲量的循环水养殖系统设计计算方法,重点考虑氨氮、溶解氧和总悬浮颗粒物3个水质指标。使用该系统养殖吉富罗非鱼6个月,试验研究结果显示:鱼类生长情况良好,最高养殖密度104.2kg/m3。饵料系数1.4,成活率92.2%。水质检测结果显示:氨氮浓度维持在平均(1.09±0.55)mg/L;溶解氧维持在4～9mg/L范围内;pH值6.45～7.41。经济性分析研究结果表明,系统养殖运行成本约为25元/kg,略高于市场价格。但是,从环境成本考虑,系统的节水效果显著,日耗水仅为0.3～0.5m3。通过适当的精简并挑选合适的养殖品种,完全可以实现规模化的生产。     

基于升降套筒体积调整的海蟹养殖定量投饵机设计

为满足工厂化循环水养殖的需要,该文通过触摸屏后端控制单片机升降套筒调整体积定量设计了一套自动投饵机,克服了常用称重法的精度易受振动影响、行走式投饵设备称质量和行走不能同时进行的缺点,在保证性能的同时简化了结构、提高了效率。对系统投饵精度性能测试结果表明:该系统能够定时完成启停和控制过程,在设定投饵量在5～7 g/次时,误差控制在8%以内;设定投饵量在9～13 g时,误差不超过4%,可以满足工厂化海产养殖的需求。该研究可为今后海蟹类单筐养殖科学化、智能化提供参考价值。     

基于水质监测技术的水产养殖安全保障系统及应用

为解决水产养殖中的风险问题,设计了基于水质监测技术的水产养殖安全保障系统。系统由水质监测与信息处理系统、电路控制系统、增氧和投饲设备组成,系统根据养殖水体的溶氧变化调控增氧、水层交换和投饲。常规淡水鱼池塘养殖情况下,安全增氧时间不低于6.2 h/W·d·kg,机械增氧下限为3 mg/L,上限为5 mg/L,上限运行时滞为0.5～1 h,水层交换时滞为1～2 h。应用表明,系统比传统增氧方式节约运行时间33.4%,平均降低饲料系数21.6%,系统具有节能、节饲和保障养殖安全的效果。     

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。     

土壤中石油类污染物的化学氧化去除研究

用H2O2氧化处理柴油重度污染土壤,研究了土壤初始含油量、H2O2投加量、土壤pH值以及催化剂等的影响.结果表明,室温条件下向油污土壤中直接投加氧化剂的修复方法可行;H2O2的经济添加量为400 ml/kg土,低含油(20000 mg/kg)污土的去除率可达70.0%以上,高含油(50000 mg/kg)污土的去除率可达96.0%以上:pH 5～8范围内土壤介质对该法的应用影响不大;如用芬顿试剂处理高含油(50000 mg/kg))污土,H2O2只需100 ml/kg土或200 ml/kg土,就能达到85.0%以上的去油效果.     

碟式太阳能自动跟踪系统传动机构的误差分析

虽然碟式太阳能集热发电的效率高、开发潜力巨大,但是需要实时对太阳的位置进行精确跟踪。为了提高碟式太阳能自动跟踪系统的精度,该文设计了一种碟式太阳能自动跟踪系统的工作原理图和传动机构,并使用ADAMS软件对其进行了物理仿真,仿真主要基于传动机构运动学特性,包括跟踪角度及主驱动件的角速度、角加速度等方面。分析结果显示传动机构运动学误差约为0.02°,与目前整机系统最小误差±0.20o的标准相比,仅为其误差量的10%。同时,对碟式太阳能自动跟踪系统的误差进行了分析,该研究为提高碟式太阳能自动跟踪系统精度提供了一定的理论依据。     

Cd、Zn污染对玉米的毒害效应

采用均匀设计，研究土壤Cd、Zn污染对玉米的毒害效应。结果表明：玉米生物量随Cd、Zn投加量的增加而下降,在Cd的投加量为4mg／kg至20mg／kg,Zn的投加量为200～1000mg／kg的范围内，其下降量之和大于Cd～Zn复合污染造成的下降量。这表明在Cd和Zn投加范围内。Cd、Zn对玉米的毒害存在拮抗作用。     

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。     

果园单轨运输机在轨状态感知系统研制

针对山地果园单轨运输机作业环境受限、定位精度较低等问题,该研究基于高频RFID（Radio Frequency Identification）混合测速定位方法,设计了一套果园单轨运输机在轨状态精准感知系统。感知系统以STM32F103RCT6芯片为主控单元,利用双RFID阅读器读取基准定位标签组的时间差,使用混合测速定位方法,实时计算运输机的作业状态信息;设计了移动端监测软件,通过LoRa通信模块远程获取运输机实时作业状态信息。试验结果表明,运输机在平地路况中运行稳定,感知系统计算的全程平均行驶速度为0.49 m/s,依据秒表记录计算的全程平均行驶速度为0.48 m/s,二者速度相差2%;基准定位标签组间距为3.42 m时,运输机全程平均定位误差为6.18±0.60 cm;基准定位标签组间距为6.84 m时,运输机全程平均定位误差为6.46±1.14 cm。该研究验证了基于高频RFID精准感知单轨运输机在轨状态的可行性,提升了运输机作业安全性和智能性,可为实现果园生产精准作业提供可靠数据支持。     

自控型供沙漏斗的研制

在对自行研制的自控型供沙漏斗的结构、工作原理进行详细论述的基础上 ,对其稳定性和转速与供沙速率间的关系进行了测试 ,结果表明在 90次测试中最大相对误差不超过 15 .5 % ,供沙速率不随时间发生显著变化 ;转速与供沙速率间存在非常显著的线性关系 ,随着转速的增大供沙速率稳定增加 ;该漏斗可提供 0～ 112 0 g/ s供沙速率 ,可为相关领域的研究提供技术服务     

山地果园单轨运输机超声波避障系统的设计与试验

为避免山地果园单轨运输机运行时碰到前方穿越的移动物体或轨道上的静止障碍物,提高运输机工作的安全性和稳定性,研制了山地果园单轨运输机超声波避障系统。该系统由核心微处理器、超声波探头及收发电路、电源模块、无线通信模块和按键等组成。以规则物块、不规则小石块等作为轨道上的障碍物,以树枝、侧枝较多的盆栽柑橘树作为轨道旁的非障碍物,将超声波探头安装在3个不同位置,使运输机工作在慢、中、快3个不同的速度,测试了避障系统的工作性能。试验结果表明,在一定条件下,避障系统能识别轨道上的障碍物和轨道旁的非障碍物。该研究提升了单轨运输机在轨道上无人驾驶运行的安全性和可靠性。     

批次式种子清选机自动控制系统设计

批次式种子清选机是为满足试验小区种子特殊加工要求而研制的专用装备。为解决种子批次处理过程中操作工序多、劳动强度大、作业效率低等问题,该研究基于ARM（Advanced RISC Machine）嵌入式系统设计了批次式种子清选机自动控制系统。该系统由给料余量监测、筛面变频振动、激振清筛控制、筛面倾角调节等功能模块组成,以物料位置和状态信息为主要控制条件,采用优先控制策略及变频控制优化模型,明确了给料速度、振动频率、激振频率、筛面倾角的控制方法,实现物料位置特征信息精准提取、工作参数动态调整、作业过程自动控制及筛面高效清理。控制系统运行准确性试验结果表明,筛面倾角、给料速度、振动频率变异系数均小于3.19%,满足使用要求。在前期研究基础上开展批次式清选机作业性能试验,综合考察清选机自动控制下的作业质量。试验结果表明：设定工况下自动控制系统运行正常、工作可靠,净度、种子获选率、批次作业时长、作业效率变异系数分别为0.15%、0.26% 、2.2%和2.19%,实现了批次式种子清选机的自动化作业。研究结果可为种子及其他颗粒物料的批次处理装备自动化设计提供参考,为智能装备的研发奠定基础。     

农用车辆自动导航定位方法

农用车辆自动导航技术可有效提高作业精度、实现农田规模化生产。该文以电瓶车为试验平台,使用 RTK DGPS、RTD GPS 和电子罗盘分别采集电瓶车的位置信息和航向角度信息,对农用车辆的导航定位方法进行了研究。试验时,以 RTK DGPS 采集的数据作为标准轨迹。在对试验数据进行空间配准后,采用 Kalman 滤波技术对 RTD GPS 和电子罗盘的数据进行了融合;通过计算综合权重值,对单 GPS 系统和融合系统的性能进行测试与评估,其值分别为 0.006、0.002。由此可知,采用 Kalman 滤波的电子罗盘和 RTD GPS 的组合导航系统,定位精度相对较高,稳定性较好,整体性能优于单 GPS 系统。     

砧木上苗定位机构吸附块仿真设计与性能试验

为解决嫁接机人工上苗过程中砧木子叶损伤和叶柄劈裂问题,采用正压气流压苗和负压吸附定位原理,设计一种辅助自动上苗作业的砧木上苗定位机构。通过建立机构有限元分析模型,在给定边界约束条件下利用CFD软件对吸附块内部气流场进行动力学仿真,获得气室内部流场分布情况及各因素对砧木子叶吸附力的影响。采用仿真正交试验对吸附块结构参数进行优化设计,确定吸附块各因素对吸孔平均吸力影响的主次顺序依次为出口负压、吸孔直径、吸孔深度;当吸附块出口负压3 kPa,吸孔直径1 mm和吸孔深度4 mm时,吸附块对子叶具有较好的吸附能力。上苗试验结果表明:该机构对白籽南瓜苗子叶吸附成功率为96.67%,压苗成功率为99.33%,综合上苗成功率为96.03%,伤苗率仅为0.67%,作业性能满足嫁接机自动上苗作业要求。子叶吸附失败原因是子叶方向和上苗高度控制不准确,以及子叶展角过小导致叶柄劈裂。吸附块作业面仿形和结构参数仿真试验对提高砧木柔性和安全上苗具有重要意义,大幅缩短了吸附块设计周期,研究结果为解决嫁接机自动上苗问题提供理论依据和设计参考。     

哺乳母猪精准饲喂下料控制系统的设计与试验

为满足哺乳母猪获得最大采食量并达到精准饲喂控制等需求,以哺乳母猪为试验对象,设计了一种新型哺乳母猪精准下料控制系统。研究通过控制电动杆的推杆速率、输入电压及电源功率的协同工作,以获得稳定的下料量;采用预设的个性化的采食量模型与变容积的精确控制技术,实现对预设饲喂量的准确投喂。系统设计了下料控制系统,主要由定量仓体、电动推杆、堵料上球及堵料下球等部件及嵌入式控制系统组成。试验结果表明,1)当电源功率为150 W时,推杆启动时电压变化略小,对单机下料的精准性影响较小,且当电动推杆速率为60 mm/s,输入电压为11.5 V,下料效果最好(P0.001),变异系数(CV=3.526%)最小;2)预设的采食量曲线接近哺乳母猪的采食规律,且采食量曲线收敛于对数曲线;3)智能饲喂系统采用4次/d的饲喂频率及与采食曲线的协同工作,与人工饲喂对比,能进一步促进采食量,且采用变化的饲喂时间间隔(06:00,10:00,15:00及22:00),并在不同时间点的饲喂采食量比例分别为30%、20%、20%、30%时,总的采食量最大。综上,该文设计低成本的哺乳母猪精准下料控制系统,采用基于电动推杆的控制机构与嵌入式系统的协同工作,设备控制简单,下料稳定,计量准确,与进口设备及以螺旋输送原理为基础的过往系统比较,成本具有明显优势,适合在中国大、中、小型的种猪场的哺乳车间推广应用。