CN110250069B - 一种河蟹养殖自动精细投饵的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种河蟹养殖自动精细投饵的实现方法，用于实现自动导航投饵船船速与流量可测可控，抛幅可控，剩余饵料可测的功能。该发明通过GPS系统测得船在一段时间内的位置变化，求得平均船速，通过调整船速给定值，对船速实施转速闭环控制；通过进行抛撒饵料试验，确定抛幅‑抛盘转速(电压)和流量‑振动电机(电压)关系曲线；在投饵机底部安装称重传感器，通过加料试验，确定投饵机毛重—称重传感器输出电压关系曲线，通过测取称重传感器阻值获得剩余饵料值；考虑河蟹养殖池塘深沟、水草种植区不投饵的特点，采用一系列拐点来定义轨迹的设计，每个拐点由该点的位置(经度、纬度)、该点至下一拐点直线段的船速、饵料抛幅、流量5个参数描述。
Description
技术领域
本发明涉及河蟹养殖投饵作业领域，特别是一种河蟹养殖自动精细投饵的实现方法。
技术背景
近些年，养殖河蟹的地区越来越多，河蟹养殖已成为中国渔业生产中发展最为迅速、最具潜力的支柱产业。
由于河蟹养殖具有较强的地域限制，河蟹不能大范围运动，只能在自身附近区域觅食；饵料的分布不均匀很容易造成投饵量过多或不足，投放过多的饵料不仅会增加成本，还会导致水质的污染；同时，争食与好斗是河蟹的天性，在密度大、饵料少时会相互残杀；另外河蟹过度密集容易造成水体中溶解氧的降低，从而导致河蟹因溶解氧低而逃窜。此外，饵料投喂量必须依据河蟹的生长周期以及水质和水温等环境情况进行综合设定和调节。显然，人工投喂方式以及传统的定点投喂机是无法精确控制饵料投喂的量以及投喂的均匀程度。另外，河蟹有昼伏夜出的生活习性，饵料投喂以晚间投饵为主，白天投饵为辅。
发明内容
本发明的目的是提供一种河蟹养殖自动精细投饵的实现方法。可以实现对河蟹养殖池塘的全自动均匀投饲，精细投饵，起到提高工作效率、节省农业劳动力，降低农民劳动强度和降低养殖成本的作用，促进水产养殖业的健康发展。
1.一种河蟹养殖自动精细投饵的实现方法，包括以下步骤：
(a)采用自动导航投饵船作为河蟹养殖投饵作业工具；
(b)根据GPS系统测得船在一段时间内的位置变化，可求得平均船速，通过调整船速给定值，对船速实施转速闭环控制，即可实现投饵船船速的可测可控；
(c)通过进行抛撒饵料试验，确定抛幅-抛盘转速(电压)关系曲线，改变抛盘电机的电压即可改变饵料的抛幅，实现投饵船的抛幅可控；
(d)通过进行抛撒饵料试验，确定流量-振动电机(电压)关系曲线，改变振动电机的电压即可改变饵料投喂的流量，由于饵料流量与饵料的形状、规格等多种因素相关，需结合称重传感器某一时间段前后的数据进行自动校准，继而实现流量可控可测；
(e)在投饵机底部安装称重传感器，通过加料试验，确定投饵机毛重-称重传感器输出电压关系曲线，通过测取称重传感器输出电压即可获得剩余饵料值，从而实现剩余饵料可测；
(f)考虑河蟹养殖池塘一般深沟不投饵，水草种植区不投饵的特点，采用一系列拐点来定义轨迹的设计，每个拐点由该点的位置(经度、纬度)、该点至下一拐点直线段的船速、饵料抛幅、流量5个参数描述；
(g)对流量进行计算：
i段流量＝i段船速*i段抛幅*i段饵料密度 ②
设：每段饵料密度均为常数C1
则总投饵量＝饵料密度*∑(i段抛幅*i段长度) ③
当总投饵量、各段抛幅及长度已知，由③可求出饵料密度，再由②可得到i段流量。
2.所述步骤a中所述的自动导航投饵船，船体采用双浮体结构，在船体平台上安装了用于固定投饵机的支架、驱动明轮和控制柜。在支架和投饵机之间安装称重传感器，用来测量投饵机中饵料剩余量。在控制柜中放置电源总开关、控制板以及用于投饵船供电的48V/100Ah铅酸蓄电池。明轮电机采用的是48V电源供电。由于投饵机中安装有额定电压为12V的抛盘电机和额定电压为12V的振动电机，所以需要将48V电压经过DC-DC电压转换电路转换为12V，给振动电机和抛盘电机供电。投饵机中的抛料机构采用的是离心式的单抛盘结构。分别在控制柜和投饵机上各放置一个GPS定位天线，用于定位和船速的测定。
3.所述步骤b中所述的船载GPS系统，通过GPS双天线定向(移动站主天线和副天线)测量经纬度位置，然后根据两点连线(基线)确定其相对于正北方的夹角。
利用载波相位差分定位，通过位置差分测量速度，利用时间t和t+h的位置向量r1和r2计算作业船的速度
其计算公式是
该式计算出的速度，是作业船在时间段h内的平均速度。再通过调整船速给定值，对船速实施转速闭环控制，保证船的稳定航行。
4.所述步骤c中所述的抛盘电机电压。进行抛撒饵料试验时，首先控制振动电机的电压为常量。抛盘电机的额定电压为12V，调节抛盘电机电压来改变饵料投喂的抛幅，进而确定抛幅-抛盘电机(电压)关系曲线。当电压过低时，抛盘电机转速过低乃至不转动，会造成饵料不能及时地抛撒出去，洒落在船体上，将这段电压值称为抛盘电机的死区电压。因此设定抛盘电机电压的占空比来改变抛盘电机电枢平均电压，继而控制电机速度，改变饵料投喂的流量。这里设定电压的占空比为60％、80％和100％，即控制抛盘电机电压依次为7.2V、9.6V和12V。
5.所述步骤d中所述的振动电机电压。进行抛撒饵料试验时，控制抛盘电机的电压为常量，振动电机的额定电压为12V，调节振动电机电压来改变饵料投喂的流量，进而确定流量-振动电机电压关系曲线；当电压过低时，投饵机下料过慢乃至停止下料，将这段电压值称为振动电机的死区电压，设定振动电机电压的占空比来改变振动电机电枢平均电压，继而控制电机速度，改变饵料投喂的流量，这里设定电压的占空比为60％、80％和100％，即控制振动电机电压依次为7.2V、9.6V和12V。流量-振动电机电压关系曲线方程式为y＝-0.7488x3+18.702x2-131.34x+285.76,4.5＜x＜12，x为振动电机电压，单位V，y为流量，单位g/s。振动电机电压在5.5～11V范围内，流量与振动电机电压近似呈线性关系。
6.所述步骤e中所述的称重传感器。在投饵机底部安装称重传感器，通过不断往料仓里添加饵料，确定投饵机毛重-称重传感器输出电压关系曲线，通过测取称重传感器输出电压值即可获得相对应的剩余饵料值，从而实现剩余饵料可测；
7.所述步骤f中所述的拐点设置，考虑河蟹养殖池塘一般深沟不投饵，水草种植区不投饵的特点，采用一系列拐点来定义轨迹的设计，每个拐点由该点的位置(经度、纬度)、该点至下一拐点直线段的船速、饵料抛幅、流量5个参数描述。拐点的设置与河塘边界、深沟和水草种植区的位置、抛幅和部分障碍物位置有关。在已知池塘边界的情况下，除去养殖船与池塘边界之间的安全距离区域，就是养殖船作业区域。在无障碍物的情况下，保持抛幅为最大值，在靠近障碍物时，调整抛幅，避免饵料抛撒到障碍物上，造成浪费。通过平移整个表示区域边界的直线，直线交点确定目标路径的拐点，其中平移的距离是抛幅。
8.所述步骤g中所述的流量计算。每次投饵前，先根据蟹苗投放时间、投放规格、投放数量、天气状况、池塘水温等数据确定总投饵量。具体的流量公式如下：
i段流量＝i段船速*i段抛幅*i段饵料密度 ②
设：每段饵料密度均为常数C1
则总投饵量＝饵料密度*∑(i段抛幅*i段长度) ③
当总投饵量、各段抛幅及长度已知，由③可求出饵料密度，再由②可得到i段流量。
由于饵料流量与饵料的形状、规格等多种因素相关，需再结合称重传感器某一时间段前后的数据进行自动校准，继而实现流量可控可测。
本发明的有益效果为：本发明采用一系列拐点来定义轨迹的设计，采用GPS双天线定向，通过测量移动站主天线和副天线的经纬度位置，然后根据两点连线(基线)确定其相对于正北方的夹角确定前进方向，根据GPS系统测得船在一段时间内的位置变化，求出平均船速，通过调整船速给定值，对船速实施转速闭环控制，从而确保船的平稳运行；对于靠近障碍物和边界的区域，可以通过调整抛盘电机电压的方式来对抛幅进行调节，从而达到饵料合理利用的目的；由称重传感器输出电压得出当前投饵机毛重，结合已投饵的距离和已抛撒的饵料重量，通过调节振动电机的电压，实现对当前流量的实时控制，从而达到对剩余抛撒路程的全覆盖，实现精细投饵。
附图说明
图1自动导航投饵船结构图
图2抛幅-抛盘转速(电压)关系曲线
图3流量-振动电机(电压)关系曲线
图4轨迹拐点设定图
图5投饵机毛重-称重传感器输出电压关系曲线
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方案做进一步描述。
本发明提出了一种河蟹养殖自动精细投饵的实现方法，用于实现自动导航投饵船船速可测可控，抛幅可控，流量可控可测，剩余饵料可测的功能。具体步骤包括：
采用自动导航投饵船作为河蟹养殖投饵作业工具，根据GPS系统测得船在一段时间内的位置变化，可求得平均船速，通过调整船速给定值，对船速实施转速闭环控制，即可实现投饵船船速的可测可控；
通过进行抛撒饵料试验，确定抛幅-抛盘转速(电压)关系曲线，改变抛盘电机的电压即可改变饵料的抛幅，实现投饵船的抛幅可控；确定流量-振动电机(电压)关系曲线，改变振动电机的电压即可改变饵料投喂的流量，由于饵料流量与饵料的形状、规格多种因素相关，需结合称重传感器某一时间段前后的数据进行自动校准，继而实现流量可控可测；在投饵机底部安装称重传感器，通过加料试验，确定投饵机毛重-称重传感器输出电压关系曲线，通过测取称重传感器输出电压即可获得剩余饵料值，从而实现剩余饵料可测；
考虑河蟹养殖池塘一般深沟不投饵，水草种植区不投饵的特点，采用一系列拐点设置来定义投饵轨迹，每个拐点由该点的经度、纬度、该点至下一拐点直线段的船速、饵料抛幅、流量5个参数描述。
上述的自动导航投饵船，船体采用双浮体结构，在船体平台上安装了用于固定投饵机的支架、驱动明轮和控制柜；在支架和投饵机之间安装称重传感器，用来测量投饵机中饵料剩余量；在控制柜中放置电源总开关、控制板以及用于投饵船供电的48V/100Ah铅酸蓄电池；明轮电机采用的是48V电源供电，由于投饵机中安装有额定电压为12V的抛盘电机和额定电压为12V的振动电机，所以需要将48V电压经过DC-DC电压转换电路转换为12V，给振动电机和抛盘电机供电，投饵机中的抛料机构采用的是离心式的单抛盘结构；分别在控制柜和投饵机上各放置一个GPS定位天线，用于定位和船速的测定。
本发明具体内容主要分为投饵船船速测控实验、抛撒饵料试验、剩余饵料测试实验三个部分。投饵船船速测控实验主要是依据GPS系统测得一段时间内的位置变化；抛撒饵料试验主要是获得抛幅受抛盘电机电压，流量受振动电机电压变化的影响关系和轨迹拐点的设定；剩余饵料实验则是通过添加饵料得出对应的称重传感器电压变化关系。具体如下：
1、投饵船船速测控实验
在投饵船上放置GPS双天线(如图1)，通过测量移动站主天线和副天线的经纬度位置，然后根据两点连线(基线)确定其相对于正北方的夹角，配合基站完成定向。基线为2m时定向精度可达1°，随着基线长度的增加，定向精度也会相应提高。
利用载波相位差分定位，通过位置差分测量速度，利用时间t和t+h的位置向量r1和r2计算作业船的速度
其计算公式是
该式计算出的速度，是作业船在时间段h内的平均速度。再通过调整船速给定值，对船速实施转速闭环控制。
2、抛撒饵料试验
2.1抛幅监控实验
在下池塘进行投喂之前，先在地面上进行抛撒饵料实验，以便饵料的循环利用。
对于抛幅的监控，为了获取投饲机抛撒模型，采用静态试验法对饲料颗粒进行采集。饵料收集区域为空旷的长方形区域，以抛盘中心在水平地面的投影为原点，建立直角坐标系，y1轴为投饲机前进方向，x1轴为与其垂直的横轴方向，在该长方形区域内均匀摆放若干个饲料收集盒，形成一个矩阵。通过控制抛盘电机和振动电机的电压，其中抛盘电机和振动电机的额定电压均为12V，观测出对应的抛出饵料的分布区域，得出抛幅和抛盘电压的关系曲线，具体如图2所示。其中系列1、系列2、系列3、系列4、系列5、系列6、系列7、系列8、系列9依次表示为振动电压/抛盘电压为60％/60％、60％/80％、60％/100％、80％/60％、80％/80％、80％/100％、100％/60％、100％/80％和100％/100％。由图可得抛撒范围在投饵机投喂口的偏右2.4米左右的地方，有效抛幅为7m。
2.2流量测控实验
对于流量的测控，通过改变振动电机的电压即可改变饵料投喂的流量，进而确定流量-振动电机(电压)关系曲线。每次投饵前，先根据蟹苗投放时间、投放规格、投放数量、天气状况、池塘水温等数据确定总投饵量。具体的流量公式如下：
i段流量＝i段船速*i段抛幅*i段饵料密度 ②
设：每段饵料密度均为常数C1
则总投饵量＝饵料密度*∑(i段抛幅*i段长度) ③
当总投饵量、各段抛幅及长度已知，由③可求出饵料密度，再由②可得到i段流量。
由于饵料流量与饵料的形状、规格等多种因素相关，需再结合称重传感器某一时间段前后的数据进行自动校准，继而实现流量可控可测。
由图3可以看出，振动电机电压与流量关系曲线方程式为y＝-0.7488x3+18.702x2-131.34x+285.76，4.5＜x＜12，x为振动电机电压，单位V，y为流量，单位g/s。振动电机电压在5.5～11V范围内，流量与振动电机电压近似呈线性关系
2.3轨迹拐点设定实验
考虑河蟹养殖池塘一般深沟不投饵，水草种植区不投饵的特点，采用一系列拐点来定义轨迹的设计，每个拐点由该点的位置(经度、纬度)、该点至下一拐点直线段的船速、饵料抛幅、流量5个参数描述。拐点的设置与河塘边界、深沟和水草种植区的位置、抛幅和部分障碍物位置有关，所以在抛撒饵料之前需先确定出河塘边界、深沟、障碍物和水草种植区的地理位置。正常情况下保持固定抛幅进行饵料抛撒实验，当靠近河塘边界、深沟、障碍物和水草种植区的时候，减小抛幅进行规避，避免饵料的浪费，具体如图4所示。
3、剩余饵料测试实验
在安装投饵机的时候需要先在投饵机的下面安装一个称重传感器，通过不断的加定量的饵料，确定投饵机毛重—称重传感器输出电压关系曲线，通过测取称重传感器输出电压即可获得剩余饵料值，具体如图5所示。如图可知，称重传感器输出电压和投饵机毛重的关系曲线为y＝-2*E-6x3+0.0002*x2+0.033x+0.0866,0＜x＜120，x为投饵机毛重，单位kg，y为称重传感器输出电压，单位V。投饵机毛重在0～80kg范围内，称重传感器输出电压和投饵机毛重近似呈线性关系。
综上，本发明的一种河蟹养殖自动精细投饵的实现方法，用于实现自动导航投饵船船速与流量可测可控，抛幅可控，剩余饵料可测的功能。该发明通过GPS系统测得船在一段时间内的位置变化，求得平均船速，通过调整船速给定值，对船速实施转速闭环控制；通过进行抛撒饵料试验，确定抛幅-抛盘转速(电压)和流量-振动电机(电压)关系曲线；在投饵机底部安装称重传感器，通过加料试验，确定投饵机毛重—称重传感器输出电压关系曲线，通过测取称重传感器阻值获得剩余饵料值；考虑河蟹养殖池塘深沟、水草种植区不投饵的特点，采用一系列拐点来定义轨迹的设计，每个拐点由该点的位置(经度、纬度)、该点至下一拐点直线段的船速、饵料抛幅、流量5个参数描述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种河蟹养殖自动精细投饵的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用自动导航投饵船作为河蟹养殖投饵作业工具，根据GPS系统测得船在一段时间内的位置变化，可求得平均船速，通过调整船速给定值，对船速实施转速闭环控制，即可实现投饵船船速的可测可控；
通过进行抛撒饵料试验，确定抛幅-抛盘转速关系曲线，改变抛盘电机的电压即可改变饵料的抛幅，实现投饵船的抛幅可控；确定流量-振动电机电压关系曲线，改变振动电机的电压即可改变饵料投喂的流量，由于饵料流量与饵料的形状、规格多种因素相关，需结合称重传感器某一时间段前后的数据进行自动校准，继而实现流量可控可测；在投饵机底部安装称重传感器，通过加料试验，确定投饵机毛重-称重传感器输出电压关系曲线，通过测取称重传感器输出电压即可获得剩余饵料值，从而实现剩余饵料可测；
考虑河蟹养殖池塘一般深沟不投饵，水草种植区不投饵的特点，采用一系列拐点设置来定义投饵轨迹，每个拐点由该点的经度、纬度、该点至下一拐点直线段的船速、饵料抛幅、流量5个参数描述；
所述进行抛撒饵料试验时，控制抛盘电机的电压为常量，振动电机的额定电压为12V，调节振动电机电压来改变饵料投喂的流量，进而确定流量-振动电机电压关系曲线；当电压过低时，投饵机下料过慢乃至停止下料，将这段电压值称为振动电机的死区电压，设定振动电机电压的占空比来改变振动电机电枢平均电压，继而控制电机速度，改变饵料投喂的流量，这里设定电压的占空比为60％、80％和100％，即控制振动电机电压依次为7.2V、9.6V和12V，流量-振动电机电压关系曲线方程式为y＝-0.7488x3+18.702x2-131.34x+285.76，4.5＜x＜12，x为振动电机电压，单位V，y为流量，单位g/s，振动电机电压在5.5～11V范围内，流量与振动电机电压呈线性关系。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的自动导航投饵船，船体采用双浮体结构，在船体平台上安装了用于固定投饵机的支架、驱动明轮和控制柜；在支架和投饵机之间安装称重传感器，用来测量投饵机中饵料剩余量；在控制柜中放置电源总开关、控制板以及用于投饵船供电的48V/100Ah铅酸蓄电池；明轮电机采用的是48V电源供电，由于投饵机中安装有额定电压为12V的抛盘电机和额定电压为12V的振动电机，所以需要将48V电压经过DC-DC电压转换电路转换为12V，给振动电机和抛盘电机供电，投饵机中的抛料机构采用的是离心式的单抛盘结构；分别在控制柜和投饵机上各放置一个GPS定位天线，用于定位和船速的测定。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述GPS系统，通过GPS双天线定向测量经纬度位置，然后根据两点连线确定其相对于正北方的夹角；利用载波相位差分定位，通过位置差分测量速度，利用时间t和t+h的位置向量r1和r2计算作业船的速度
其计算公式是
该式计算出的速度，是作业船在时间段h内的平均速度，再通过调整船速给定值，对船速实施转速闭环控制，保证船的稳定航行。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进行抛撒饵料试验时，首先控制振动电机的电压为常量，抛盘电机的额定电压为12V，调节抛盘电机电压来改变饵料投喂的抛幅，进而确定抛幅-抛盘电机关系曲线；当电压过低时，抛盘电机转速过低乃至不转动，会造成饵料不能及时地抛撒出去，洒落在船体上，将这段电压值称为抛盘电机的死区电压，因此设定抛盘电机电压的占空比来改变抛盘电机电枢平均电压，继而控制电机速度，改变饵料投喂的流量，这里设定电压的占空比为60％、80％和100％，即控制抛盘电机电压依次为7.2V、9.6V和12V。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述拐点设置与河塘边界、深沟和水草种植区的位置、抛幅和部分障碍物位置有关，在已知池塘边界的情况下，除去养殖船与池塘边界之间的安全距离区域，就是养殖船作业区域；在无障碍物的情况下，保持抛幅为最大值，在靠近障碍物时，调整抛幅，避免饵料抛撒到障碍物上；通过平移整个表示区域边界的直线，直线交点确定目标路径的拐点，其中平移的距离是抛幅。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每次投饵前，先根据蟹苗投放时间、投放规格、投放数量、天气状况、池塘水温的数据确定总投饵量，所述流量公式如下：
i段流量＝i段船速*i段抛幅*i段饵料密度 ②
设：每段饵料密度均为常数C1；
则总投饵量＝饵料密度*∑(i段抛幅*i段长度) ③
当总投饵量、各段抛幅及长度已知，由③可求出饵料密度，再由②可得到i段流量；
由于饵料流量与饵料的形状、规格因素相关，需再结合称重传感器某一时间段前后的数据进行自动校准，继而实现流量可控可测。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，剩余饵料实验中，确定投饵机毛重-称重传感器输出电压关系曲线为y＝-2*E-6x3+0.0002*x2+0.033x+0.0866,0＜x＜120，x为投饵机毛重，单位kg，y为称重传感器输出电压，单位V，投饵机毛重在0～80kg范围内，称重传感器输出电压和投饵机毛重呈线性关系。
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