CN105145451A

CN105145451A - 一种鱼、虾智能精准投饵系统及方法

Info

Publication number: CN105145451A
Application number: CN201510676420.6A
Authority: CN
Inventors: 叶章颖; 赵建; 王朔; 鲍伟君; 朱松明; 刘鹰; 裴洛伟; 陈华荣
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2015-10-19
Filing date: 2015-10-19
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2035-10-19
Also published as: CN105145451B

Abstract

本发明公开了一种鱼、虾智能精准投饵系统，主要包括DSP、PLC触摸屏一体机、主机显示器一体机及若干养殖池，每个养殖池一侧边缘设有圆形的荧光标记，其对侧边缘安置有投饵装置，投饵装置包括称重传感器及设于其上的风机、螺旋推进器和饵料存储仓，采用该系统进行鱼、虾智能精准投饵的方法主要是每次投饵前，通过摄像头，DSP利用计算机视觉技术对当前最佳投喂距离进行预估，继而PLC通过变频器控制风机和螺旋推进器的速率并开始投饵。采用本发明的系统进行鱼、虾的工厂化养殖的工序简单，快捷高效，可极大程度上避免节省人工成本，饵料成本，为实现养殖鱼、虾的高效益化、福利化提供技术支持。

Description

一种鱼、虾智能精准投饵系统及方法

技术领域

本发明属于水产养殖领域，涉及一种养殖鱼、虾的智能精准投饵系统，具体涉及一种基于计算机视觉技术和组态控制技术的鱼、虾智能精准投饵系统及方法。

背景技术

目前对于工厂化养殖鱼虾的饵料投喂主要依靠人工投饵以及机器定时定量投饵，人工投喂虽能较好地依靠人工经验对养殖对象的摄食欲望进行判断，提高饵料的利用率，但成本较高，费时费力；而一般的机器定时定量投喂虽然在一定程度上节省了人工成本，但容易造成饵料过量投喂或者投喂不足等情况；本发明提出的基于计算机视觉技术和组态控制技术的鱼虾智能投喂系统，能在人工成本被有效降低的情况下，提高饵料的利用，保证养殖鱼虾的福利化生长。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高效便捷的基于计算机视觉技术和组态控制技术的鱼虾智能精准投饵系统及方法，为水产养殖领域针对不同对象的合理化投喂提供技术支持。

本发明的鱼、虾智能精准投饵系统，包括DSP、PLC触摸屏一体机、主机显示器一体机及若干养殖池，每个养殖池一侧边缘设有圆形的荧光标记，其对侧边缘安置有投饵装置，投饵装置包括称重传感器及设于其上的风机、螺旋推进器和饵料存储仓，螺旋推进器的进料口连接饵料存储仓的出料口，螺旋推进器的出料口处设有投饵口，螺旋推进器连接风机，风机用于将位于投饵口处的饵料吹出进行投喂，饵料存储仓的侧壁上装有摄像头，摄像头位于投饵口正上方；

每个投饵装置还包括模拟量采集模块、变频器二和变频器一，称重传感器与模拟量采集模块连接，螺旋推进器与变频器一连接，风机与变频器二连接，模拟量采集模块、变频器一和变频器二均与PLC触摸屏一体机相接，摄像头与DSP相连，PLC触摸屏一体机、DSP均与主机显示器一体机相连。

应用上述鱼、虾智能精准投饵系统的方法，包括以下步骤：

1)建立有效投饵距离查询表：

A、摄像头具有三种安装角度，即与饵料存储仓仓壁夹角α为30°、45°或60°，投饵口具有四种安装角度，即与饵料存储仓仓壁的夹角β为45°、50°、55°或60°，二者按照不同的安置角度，共有12种不同安置组合；

在每种安置组合中，将荧光标记放在摄像头视线内的养殖池一侧边缘各个不同位置，在每一位置处，摄像头将实时画面传送至DSP，DSP对视频画面进行去噪处理，并在R分量下利用ACWE(无边界主动轮廓技术)对荧光标记进行识别、提取；

B、利用计算机视觉技术计算荧光标记面积S以及其8个极限像素点的坐标：两个水平切线点A1、A2，两个垂直切线点B1、B2，两个45°斜切线点C1、C2，两个135°斜切线点D1、D2，获得一组参数组合；

C、人工量出荧光标记处于每一位置时，点A2距离投饵口的直线距离L；

D、对每种安置组合建立其有效投饵距离查询表：表中每组参数组合映射唯一一个直线距离L；获得各安置组合的有效投饵距离查询表；

2)人工选择当前投饵装置应用的养殖对象为鱼或虾,并调整投饵口和摄像头各自位置确定安置组合；摄像头将实时画面传送至DSP，DSP对视频画面进行去噪处理，并在R分量下利用ACWE(无边界主动轮廓)技术对荧光标记进行识别、提取，获得实时参数组合；查询步骤1)建立的有效投饵距离查询表，获得相应的预估投饵距离；

3)DSP将2)中所预估的投饵距离发送至主机显示器一体机，主机显示器一体机继而将该信息反馈至PLC触摸屏一体机，PLC触摸屏一体机根据所投喂饵料种类以及事先拟合好的饵料投出抛物线方程，计算出该投饵距离内变频器一和变频器二的最佳参数设置组合；利用该参数组合可使在预估的投饵距离内经投饵口喷洒出的饵料的作用范围最大化；

4)当养殖对象为鱼时：PLC触摸屏一体机按照3)中计算出的变频器一和变频器二的最佳参数组合进行投饵，同时摄像头将鱼群实时摄食画面传输至DSP进行鱼群摄食Kinetic动能E计算，具体为：

①DSP利用粒子平流方案particleadvectionscheme对当前画面中鱼群目标进行提取(无需进行背景去除)；

②DSP在Cr分量下对经①处理好的画面进行鱼群摄食Kenetic动能计算，公式如下：

E = Σ_{i = 1}^{m} v_{i} \times I_{v}

其中m为所提取鱼群中的目标个数，v_i为鱼群中每个目标的速度，I_v为速度熵(entropy)，即在不同速度范围内目标个数所占百分比的熵之和。

再将计算结果经主机显示器一体机同步发送至PLC触摸屏一体机，PLC触摸屏一体机根据Kenetic动能大小实时调整变频器一和变频器二的参数，继而改变投饵量；

当养殖对象为虾时：PLC触摸屏一体机根据3)中计算出的变频器一进行投饵，当当前投喂量已完成设定投喂量的90％时，PLC触摸屏一体机改变变频器一和变频器二的参数组合，使得经投饵口喷洒饵料速率降低，继续投饵；当继续投饵量达到99％时，PLC触摸屏一体机继续改变变频器一和变频器二的参数组合，使得经投饵口喷洒饵料速率进一步降低，继续投饵；反复如此，直至最后未投饵量低于称重传感器的最小灵敏度为止。

本发明的有益效果是：

本发明的基于计算机视觉技术和组态控制技术的鱼虾智能精准投饵系统，结构简单，操作方便，所采用的计算机视觉技术和组态控制技术分别主要由DSP和PLC执行，可在保证在较低的人工成本以及较高饵料利用率的前提下实现养殖对象的福利化生长。采用本发明的系统进行鱼虾的智能投饵，方法简单，快捷高效，可极大程度上避免不必要的人工成本，提高饵料的利用率，为养殖鱼虾的福利化生长提供技术支持。

附图说明

图1是本发明的鱼、虾智能精准投饵系统；

图2是荧光标记的示意图；

图中：1-荧光标记；2-养殖池；3-变频器一；4-变频器二；5-模拟量采集模块；6-DSP；7-PLC触摸屏一体机；8-主机显示器一体机；9-称重传感器；10-风机；11-饵料存储仓；12-螺旋推进器；13-投饵口；14-摄像头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参照图1，本发明的基于计算机视觉技术和组态控制技术的鱼虾智能精准投饵系统，包括DSP6、PLC触摸屏一体机7、主机显示器一体机8及若干养殖池2，每个养殖池2一侧边缘设有圆形的荧光标记1，其对侧边缘安置有投饵装置，投饵装置包括称重传感器9及设于其上的风机10、螺旋推进器12和饵料存储仓11，螺旋推进器12的进料口连接饵料存储仓11的出料口，螺旋推进器12的出料口处设有投饵口13，螺旋推进器12连接风机10，风机10用于将位于投饵口处的饵料吹出进行投喂，饵料存储仓11的侧壁上装有摄像头14，摄像头14位于投饵口正上方；

每个投饵装置还包括模拟量采集模块5、变频器二4和变频器一3，称重传感器9与模拟量采集模块5连接，螺旋推进器12与变频器一3连接，风机10与变频器二4连接，模拟量采集模块5、变频器一3和变频器二4均与PLC触摸屏一体机7相接，摄像头14与DSP6相连，PLC触摸屏一体机7、DSP6均与主机显示器一体机8相连。

荧光标记1安置在摄像头14视野范围内并正对投饵口13，摄像头14可与饵料存储仓11仓壁呈三个角度安置，夹角α可以为30°、45°、60°；投饵口13可与饵料存储仓11仓壁呈四个角度安置，夹角β可以为45°、50°、55°、60°。其次，PLC触摸屏一体机7和主机显示器一体机8上可反复进行饵料存储仓中饵料质量的清零工作；PLC触摸屏一体机和主机显示器一体机上可同时显示多个投饵装置的多种投饵信息：饵料余量、所投饵料种类、下次投饵时间、上次投饵时间、当日已投饵次数、当日已投饵量、下次投饵量、上次投饵量、当日还剩投饵次数、当日还剩投饵量；PLC触摸屏一体机和主机显示器一体机上还可同时设置和更改多个投饵装置的多种投饵信息：养殖对象(鱼或虾)、一个月内的每日投饵时间、一个月内的每日每次投饵量、饵料存储仓内的饵料警戒余量、当前所投饵料种类。该系统针对的养殖对象鱼为游泳型鱼类，即抢食型鱼类；当投喂对象是鱼时，摄像头会实时将鱼摄食画面传输至DSP进行处理；针对的养殖对象虾为南美白对虾；当投喂对象是虾时，摄像头不会实时将虾摄食画面传输至DSP进行处理；当饵料存储仓内的饵料余量小于设定的饵料警戒余量时，PLC触摸屏一体机和主机显示器一体机上对应的投饵装置选项将会发出警报；每次投饵时，当预先设定的时间内所设定饵料量还未投喂完毕时，系统将默认设备出现故障，PLC触摸屏一体机和主机显示器一体机上亦会同时发出设备故障警报。

应用该系统进行鱼、虾智能精准投饵的方法，具体为：

1)建立有效投饵距离查询表：

A、摄像头14具有三种安装角度，即与饵料存储仓11仓壁夹角α为30°、45°或60°，投饵口13具有四种安装角度，即与饵料存储仓11仓壁的夹角β为45°、50°、55°或60°，二者按照不同的安置角度，共有12种不同安置组合；

在每种安置组合中，将荧光标记1放在摄像头14视线内的养殖池2一侧边缘各个不同位置，在每一位置处，摄像头将实时画面传送至DSP，DSP6对视频画面进行去噪处理，并在R分量下利用ACWE(无边界主动轮廓技术)对荧光标记1进行识别、提取；

B、利用计算机视觉技术计算荧光标记1面积S以及其8个极限像素点的坐标：两个水平切线点A1、A2，两个垂直切线点B1、B2，两个45°斜切线点C1、C2，两个135°斜切线点D1、D2，获得一组参数组合；

C、人工量出荧光标记1处于每一位置时，点A2距离投饵口13的直线距离L；

2)人工选择当前投饵装置应用的养殖对象为鱼或虾,并调整投饵口13和摄像头14各自位置确定安置组合；摄像头将实时画面传送至DSP，DSP6对视频画面进行去噪处理，并在R分量下利用ACWE技术对荧光标记1进行识别、提取，获得实时参数组合；查询步骤1建立的有效投饵距离查询表，获得相应的预估投饵距离；

3)DSP6将2)中所预估的投饵距离发送至主机显示器一体机8，主机显示器一体机8继而将该信息反馈至PLC触摸屏一体机7，PLC触摸屏一体机7根据所投喂饵料种类以及事先拟合好的饵料投出抛物线方程，计算出该投饵距离内变频器一3和变频器二4的最佳参数设置组合；利用该参数组合可使在预估的投饵距离内经投饵口13喷洒出的饵料的作用范围最大化；

4)当养殖对象为鱼时：PLC触摸屏一体机7按照3)中计算出的变频器一3和变频器二4的最佳参数组合进行投饵，同时摄像头14将鱼群实时摄食画面传输至DSP6进行鱼群摄食Kinetic动能E计算，具体为：

①DSP6利用粒子平流方案particleadvectionscheme对当前画面中鱼群目标进行提取无需进行背景去除；

②DSP6在Cr分量下对经①处理好的画面进行鱼群摄食Kenetic动能计算，公式如下：

E = Σ_{i = 1}^{m} v_{i} \times I_{v}

再将计算结果经主机显示器一体机8同步发送至PLC触摸屏一体机7，PLC触摸屏一体机7根据Kenetic动能大小实时调整变频器一3和变频器二4的参数，继而改变投饵量；

当养殖对象为虾时：PLC触摸屏一体机7根据3)中计算出的变频器一3和变频器二4的最佳参数组合以及人工事先在PLC触摸屏一体机7和主机显示器一体机8上设置的投饵信息进行投饵，当当前投喂量已完成设定投喂量的90％时，PLC触摸屏一体机7改变变频器一3和变频器二4的参数组合，使得经投饵口13喷洒饵料速率降低，继续投饵；当继续投饵量达到99％时，PLC触摸屏一体机7继续改变变频器一3和变频器二4的参数组合，使得经投饵口13喷洒饵料速率进一步降低，继续投饵；反复如此，直至最后未投饵量低于称重传感器9的最小灵敏度为止。

以上公开的仅为本专利的具体实施例，但本专利并非局限于此，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，做出的变形应视为属于本发明保护范围。

Claims

1.一种鱼、虾智能精准投饵系统，其特征在于包括DSP(6)、PLC触摸屏一体机(7)、主机显示器一体机(8)及若干养殖池(2)，每个养殖池(2)一侧边缘设有圆形的荧光标记(1)，其对侧边缘安置有投饵装置，投饵装置包括称重传感器(9)及设于其上的风机(10)、螺旋推进器(12)和饵料存储仓(11)，螺旋推进器(12)的进料口连接饵料存储仓(11)的出料口，螺旋推进器(12)的出料口处设有投饵口(13)，螺旋推进器(12)连接风机(10)，风机(10)用于将位于投饵口处的饵料吹出进行投喂，饵料存储仓(11)的侧壁上装有摄像头(14)，摄像头(14)位于投饵口正上方；

每个投饵装置还包括模拟量采集模块(5)、变频器二(4)和变频器一(3)，称重传感器(9)与模拟量采集模块(5)连接，螺旋推进器(12)与变频器一(3)连接，风机(10)与变频器二(4)连接，模拟量采集模块(5)、变频器一(3)和变频器二(4)均与PLC触摸屏一体机(7)相接，摄像头(14)与DSP(6)相连，PLC触摸屏一体机(7)、DSP(6)均与主机显示器一体机(8)相连。

2.如权利要求1所述的鱼、虾智能精准投饵系统，其特征在于，所述的摄像头(14)与饵料存储仓(11)仓壁的夹角α为30°、45°或60°；所述的投饵口(13)与饵料存储仓(11)仓壁的夹角β为45°、50°、55°或60°。

3.应用如权利要求1所述的鱼、虾智能精准投饵系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立有效投饵距离查询表：

A、摄像头(14)具有三种安装角度，即与饵料存储仓(11)仓壁夹角α为30°、45°或60°，投饵口(13)具有四种安装角度，即与饵料存储仓(11)仓壁的夹角β为45°、50°、55°或60°，二者按照不同的安置角度，共有12种不同安置组合；

在每种安置组合中，将荧光标记(1)放在摄像头(14)视线内的养殖池(2)一侧边缘各个不同位置，在每一位置处，摄像头将实时画面传送至DSP，DSP(6)对视频画面进行去噪处理，并在R分量下利用ACWE技术对荧光标记(1)进行识别、提取；

B、利用计算机视觉技术计算荧光标记(1)面积S以及其8个极限像素点的坐标：两个水平切线点A1、A2，两个垂直切线点B1、B2，两个45°斜切线点C1、C2，两个135°斜切线点D1、D2，获得一组参数组合；

C、人工量出荧光标记(1)处于每一位置时，点A2距离投饵口(13)的直线距离L；

2)人工选择当前投饵装置应用的养殖对象为鱼或虾,并调整投饵口(13)和摄像头(14)各自位置确定安置组合；摄像头将实时画面传送至DSP，DSP(6)对视频画面进行去噪处理，并在R分量下利用ACWE技术对荧光标记(1)进行识别、提取，获得实时参数组合；查询步骤1)建立的有效投饵距离查询表，获得相应的预估投饵距离；

3)DSP(6)将2)中所预估的投饵距离发送至主机显示器一体机(8)，主机显示器一体机(8)继而将该信息反馈至PLC触摸屏一体机(7)，PLC触摸屏一体机(7)根据所投喂饵料种类以及事先拟合好的饵料投出抛物线方程，计算出该投饵距离内变频器一(3)和变频器二(4)的最佳参数设置组合；

4)当养殖对象为鱼时：PLC触摸屏一体机(7)按照3)中计算出的变频器一(3)和变频器二(4)的最佳参数组合进行投饵，同时摄像头(14)将鱼群实时摄食画面传输至DSP(6)进行鱼群摄食Kinetic动能E计算，并将计算结果经主机显示器一体机(8)同步发送至PLC触摸屏一体机(7)，PLC触摸屏一体机(7)根据Kenetic动能大小实时调整变频器一(3)和变频器二(4)的参数，继而改变投饵量；

当养殖对象为虾时：PLC触摸屏一体机(7)根据3)中计算出的变频器一(3)和变频器二(4)的最佳参数组合以及人工事先在PLC触摸屏一体机(7)和主机显示器一体机(8)上设置的投饵信息进行投饵，当当前投喂量已完成设定投喂量的90％时，PLC触摸屏一体机(7)改变变频器一(3)和变频器二(4)的参数组合，使得经投饵口(13)喷洒饵料速率降低，继续投饵；当继续投饵量达到99％时，PLC触摸屏一体机(7)继续改变变频器一(3)和变频器二(4)的参数组合，使得经投饵口(13)喷洒饵料速率进一步降低，继续投饵；反复如此，直至最后未投饵量低于称重传感器(9)的最小灵敏度为止。

4.根据权利要求3所述的鱼、虾智能精准投饵系统的应用方法，其特征在于，步骤4)所述的当养殖对象为鱼时进行鱼群摄食Kinetic动能E计算，具体为：

①DSP(6)利用粒子平流方案对当前画面中鱼群目标进行提取；

②DSP(6)在Cr分量下对经①处理好的画面进行鱼群摄食Kenetic动能计算，公式如下：

E = Σ_{i = 1}^{m} v_{i} \times I_{v}

其中m为所提取鱼群中的目标个数，v_i为鱼群中每个目标的速度，I_v为速度熵，即在不同速度范围内目标个数所占百分比的熵之和。