基于鱼群识别的移动式投饵系统设计

张 耀 缪新颖

大连海洋大学信息工程学院 辽宁 大连 116023

0 引言

当前鱼类产品需求量增大,工厂化养殖关于投饵方式,有人工投,也有用自动投饵机投,如固定式、轨道输送式投饵系统,都已被广泛应用,其中轨道式投饵系统,即可节省空间又可解决固定式投喂不便的问题,但也会限制投饵机位置,不能较好地针对性分配饵料,造成饵料浪费、水质污染等问题[1]。本系统则针对上述问题设计一种可通过声呐传感器识别目标鱼群的位置信息,经操作中心发出指令使移动装置通过环形轨道移动到指定位置,继而自动投饵机投饵的移动式投饵系统,可以有效降低饵料浪费、水质污染并减少人工劳动力,提高生产率。

1 系统总体设计

系统包括声呐传感器、环形轨道、支柱及附着在支柱上的金属识别片、控制单元、投饵装置与移动装置,系统原理见图1。

1)声呐传感器识别到养殖池内鱼群信息,继而由单片机将鱼群监测信号进行处理；2)鱼群信息处理完毕,同时单片机接收到限位开关信号,由单片机反馈经操作中心发出操纵指令；3)移动装置接收指令,三相异步电机被驱动而反转,主动T型轮被传输齿轮组驱动而运动,带动从动T型轮运动从而使移动装置向前移动；4)投饵装置移动到鱼群位置就近的金属识别片位置,触发轨道上的金属识别片,其周围产生的涡流致使电感式接近开关振荡衰减至停振,从而使投饵机到达指定位置停止并进行投饵工作,若识别到其他位置有鱼群信息,则启动移动装置移动到该位置进行投饵工作；5)投饵装置完成投饵工作后,经操作中心启动移动装置返回原点,等候下次投饵指令到来。

图1 系统原理图

2 主要技术指标

目标识别率：95%；投饵装置额定负载25kg；移动装置最大移动速度15m/min；饵料投饲精度0.6%～2.3%。

3 系统具体设计

本设计方案可应用在30～40立方米的养殖池。本系统选取长宽高分别为9、4、3米的养殖池,根据上述工作原理,结合自动控制原理、机械知识,以节约性、可靠性及准确性为原则,在技术指标能实现的基础下,设计了整个基于鱼群识别的移动式投饵系统,见图2：

图2 系统结构设计图

1)声呐传感器分布支柱旁,用以识别目标鱼群,获得到鱼群信号1,从而单片机进行信号处理,见图3。

图3 系统信号处理流程图

2)选用型号40 A25 TR-2型的声呐传感器,具有灵敏度高、耗电量低、尺寸小重量轻、价格便宜等特点。

图4 声呐传感器探测最大范围平面图

由图4可知,在养殖池上,声呐传感器分别放于长的一侧离端点2米的位置处,按其方向角最大即45°、检测范围最大即8米来算,其一侧可检测到约7.42米的范围内,大于其一侧最大7米的范围,即声呐传感器放置的位置可使声呐传感器探测到整个养殖池内鱼群信息。

3)控制单元包括监控中心、操作平台、单片机、设置在投饵装置上的限位开关,限位开关连接单片机。

4)投饵及移动装置设计：

图5 移动装置和投饵系统图

投饵装置包括设置在移动装置上的自动投饵机和电感式接近开关,见图5；投饵机接近金属识别片时,其周围产生的涡流致使开关振荡衰减至停振,从而使投饵装置到达指定位置进行投饵工作。自动投饵机可选用市面上主电机功率为20～120W、存放饵料10～25kg、投饵距离2～15m、覆盖面积为4～20亩即可满足要求。

移动装置包括环形轨道、驱动及传动结构。轨道总长33.7m,由两个半径为7.85m的半圆和两根长度为9m的直轨组成的闭环式跑道形轨道。驱动结构由传输齿轮组、三相异步电机、主动及从动T型轮组成；主动T型轮被电机通过传输齿轮组驱动而运动,从动T型轮以此被带动,投饵装置进而向前移动；而传动结构则通过减速传输齿轮组驱动主动、从动T型轮运动,使投饵系统沿环形轨道运行,见图6。最后移动装置运行到原点时,通过限位开关保护投饵装置[3]。

图6 传动结构平面图

移动装置中,T型滚轮直径D为0.06m,电机输出轴齿轮数Z6为20及与之啮合的大齿轮数Z7为60,而与大齿轮同轴的小齿轮齿数Z5为20及与之啮合的主动T型轮齿数Z2为50,则计算减速传输齿轮传动比

设定轨道轮与轨道间摩擦力μ=0.15,主动轮驱动力等于8倍投饵装置满载质量

设计移动装置速度15m/min,则

假设每一级的齿轮传动效率为93%,则

式中：

F—主动轮驱动力(N)M—主动轮驱动力矩(N·m)

n0—滚轮最低转速(r/min)n1—电机最低转速(r/min)

D—T型轮直径(m)V—移动装置速度(m/min)

T—电机输出力矩(N·m)P—电机功率(kw)

由此得出,电机功率不得低于0.185kw同时转速要大于1527.3r/min,故选择型号为Y90s-2的三相异步电机作为移动装置驱动,其构造简单、操作性能好、价格便宜、可节省各种材料,可以满足系统投饵性能的要求[2]。

4 结语

笔者设计了一种适用于工厂化养殖、基于鱼群识别且可移动动的新型的自动投饵系统。该系统使用简单、便利,只需声呐传感器识别目标鱼群的大致范围,便可进行投饵工作,提高饵料利用率,减少饵料及劳动力成本,且可降低水质污染,调整整体水体质量,提高生产效率。