摘要
为了解决传统虾蟹养殖投饵装置投饵过于集中的问题，以及研究渔场分布规律在虾蟹养殖中的应用，通过整体结构布局、储料舱、投饵装置、垃圾收集装置、控制系统和动力装置等方面的研究，完成了移动式自主投饵装置的机械结构及智能控制系统设计，进行了稳定性和运动可行性分析，并试制投饲装置样机，进行了水下立体投饲试验。该装置可搭载5 kg饵料，通过推进装置和压水舱进行水下立体投饲，能够模拟自然水域中虾蟹的行为模式，优化饲料分布，从而更贴近自然生态的投饲环境。试验结果表明，该装置可在水下6个不同深度进行投饲，投饲速度为4.9 kg/min，能够满足智能化立体投饲需求，并能收集养殖过程中产生的浮漂垃圾。该投饲装置投喂饲料灵活均匀，可代替人工投饲，减轻劳动强度。同时，可以借助该智能装置记录水体和虾蟹等相关参数，用于渔场分布状况的研究，进一步助力渔场分布规律在水产养殖中的应用，为智慧化精准化养殖提供新的思路。
智能投饲设备作为水产养殖的核心技术之一，有效降低了劳动强度，其发展和优化对提高养殖效率、降低环境影响具有重要意
目前最常见的投饵方式是人工投喂，但其在立体养殖的区域，无法有效对不同水深进行精准投喂，降低了水产养殖的效
综合以上研究，当前水产养殖投饲装置的研究工作主要聚焦在水面投
投饵装置的结构设计对其自身性能如运动稳定性、快速性阻力和耐波性有很大的影
基于投饵装置所携带的饵料负载量、密闭性及可靠性等问题，设计符合气密性的外壳体。考虑到垃圾收集与投喂饵料的要求，设计漂浮垃圾收集舱，密闭且体积可变的储料舱以及压水舱。设计一体式下料杆实现饵料搅拌、送料以及下料动作。结合投饵装置在水域中航行的灵活性，设计电磁阀将压水舱内给水与排水，控制投饵装置进行升降；同时为模拟自然水域中虾蟹的洄游行为，设计四向推进器，包括推进喷头、电磁阀及潜水式水泵，控制投饵装置四向移动。
投饵装置搭载水下深度传感器、水质传感器和水温传感器。水下深度传感器用于实时监测装置的水下位置和深度，以便确定最佳投饲位置。水质传感器用于检测养殖水域的水质情况。采用微控制器单元（MCU）作为主控制单元，负责接收传感器反馈数据并实现对泵喷推进器的精确控制。MCU还需集成通信模块，以便与外部监控系统进行数据交互和远程控制。结合水下深度传感器数据，实现对泵喷推进器的智能化运动控制，包括定点停留、沿指定路径移动和垂直调整等功能，以适应不同养殖环境的需求。
设计稳定可靠的电源管理系统，满足整个装置及控制系统的电能需求，同时考虑节能和环保要求。整合远程监控系统，实现对装置状态的实时监测和远程操控，并通过数据分析优化投饲策略，提高养殖效率。见
图1 浮漂垃圾收集与水下投饵装置结构框图
Fig.1 Structural diagram of floating garbage collection and underwater feeding device
总体布局的优劣直接影响水下机器人的使用性能。水下投饵装置主要由外壳体、漂浮垃圾收集舱、储料舱、压水舱、投饵装置、动力装置等组成。外壳体为水下投饵装置的外部框架，包括密封盖、密封塞、底座等。浮漂收集盖与浮漂收集筒浮动连接，形成漂浮垃圾收集舱，用于收集漂浮垃圾。浮漂收集盖活动套设于密封盖外侧，其中包括中空盖体、若干浮体、O型密封垫、弹性密封垫等。浮漂收集筒包括同心布置的储料内筒和外收集筒以及位于底部的排料腔。总体结构布局如
图2 装置结构图
Fig.2 Structural diagram of the device
1.密封盖； 2.漂浮收集盖； 3.漂浮收集筒； 4.下料内筒； 5.活塞式浮筒； 6.一体式下料杆； 7.外收集筒； 8.四向推进器； 9.推进喷头。
1. Sealing cover； 2. Floating collection cover； 3. Floating collection cylinder； 4. Cutting inner cylinder； 5. Piston float； 6. Integrated discharge rod； 7. External collection cylinder； 8. Four way thruster； 9. Pushing nozzle.
水下投饵装置在水面航行时，利用浮漂收集盖的自重及其在浮漂收集筒内水中的漂浮力，使浮漂收集盖随浮漂收集筒内水位的高度同步上升或下降。在装置内部设有垃圾拦截网，浮漂垃圾跟随水流进入浮漂收集筒内，浮漂收集筒内的水通过水泵定时抽出，从而自动连通或关闭内收集孔和外收集孔，而水中的浮漂垃圾被垃圾拦截网拦截留在浮漂垃圾收集筒内，从而实现自动进水及漂浮垃圾的自动收集。见
图3 漂浮垃圾收集装置图
Fig.3 Diagram of floating refuse collection device
上部的储料舱与下部的压水舱采用活塞式的结构设计，整体容积不变，利用压水舱进水量与排放的饵料形成质量互补，可在保证不同下潜深度的同时，最大限度地提高了机器人的饵料载容量；采用一体式下料杆的结构设计（
图4 一体式下料杆图
Fig.4 Integrated cutting rod diagram
浮漂收集盖与浮漂收集筒采用可拆卸连接，当需要收集漂浮垃圾时，将浮漂收集盖浮动设置在浮漂收集筒内；当需要进行水下航行投喂时，将浮漂收集盖浮动通过卡条旋紧并密封固定在挡板内侧的卡块上，通过水泵向浮漂收集舱内充水，利用压力差水流从顶部浮漂收集盖的喷射孔喷出，形成向下的推力，控制机器人下潜至预设深度。储料内筒整体采用密闭设计，采用活塞式浮筒将其内部空间分割为体积互补的压水舱和储料舱，采用水泵控制压水舱的水容量，通过控制水舱的水容量控制自身质量，继而调控浮力大小辅助控制设备在水中下降或上浮。
本研究设计的水下投饵装置是为虾蟹养殖设计的移动式自主投饵装置。它采用泵喷推进器作为驱动装置，底部配备有4个十字分布的推进器，以实现水下运动和精确操控。该水下投饵装置使用STM32F407 Core Board作为主控模块，泵喷推进器作为推进模块，通过PWM信号控制，实现机器人的水下运动；搭载深度传感器、水质传感器、水温传感器和GPS模块，以获取水下环境的各种信息并实现定位和姿态控制。见
图5 上浮下潜示意图
Fig.5 Diagram of floating and diving
图6 控制系统结构简图
Fig.6 Control system structure diagram
泵喷推进器驱动虾蟹养殖用移动式自主投饵装置主要在虾蟹养殖塘内实现立体投放饲料、垃圾收集和水质监测功能。GPS模块、深度传感器、水质传感器和水温传感器将水下投饵装置的坐标、深度以及水质数据发送给主控模块，主控模块将数据打包，通过串口传输给ESP8266，该模块使用TCP协议将数据包无线传输给PC上位机，上位机软件通过解析数据包将坐标数据、深度数据及水质数据显示在QT界面上，上位机可将移动指令通过ESP8266传输给主控模块，主控模块输出PWM信号使推进模块工作，实现水下投饵装置水下移动的功能。
上位机软件通过Wi-Fi连接上ESP8266后，可在软件界面上显示水下投饵装置当前的坐标信息及深度数据；界面右下角显示pH、浊度和温度等各种水质数据；在打开自动投喂开关后，可以查看历史投喂量曲线、预测投喂量曲线以及剩余饵料量。上位机软件可以有效及时反馈装置当前状态，保证装置正常工作。
水下投饵装置的稳定性是指装置在水下运动或停止时，不受外界扰动或内部干扰而保持平衡和稳定的能力。稳定性是水下投饵装置设计和运动控制的一个重要指标，关系到装置的安全性、运动性能、有效性和可靠性。水下投饵装置的稳定性设计主要是把机器人的重心和浮心设计到一条铅垂线上，并使重心在稳心之下。经SolidWorks软件设计计算机体各部件质量如
| 部件 Parts | 质量 Mass/kg |
|---|---|
| 外壳体 Shell body | 2.445 |
| 储料舱 Material storage compartment | 1.312 |
| 投饵装置 Bait feeding device | 0.533 |
| 动力装置 Power device | 0.632 |
机体的总质量为构成机体各部分质量之和，计算公式：
| （1） |
式中：为机体的总质量，kg；为构成机体各部分质量之和，kg。
浮力方程式为
| （2） |
式中： 为机体的排水量，kg；为水密度，t/
当机体在水中达到平衡时，其浮力等于重力，故
| （3） |
根据SolidWorks软件模型测算，机体排水体积V=0.002 6
当进行水下投饵任务时，根据投饵任务将对应饵料装进储料舱，通过将压水舱内部注水增加机体质量使重力大于最大浮力，从而完成下沉任务。当给压水舱注满水时，根据
| （4） |
式中：为水的密度；为注入水的体积。压水舱增加的质量为1.05 kg，机体总质量为4.932 kg，满足总装机质量大于最大浮力的要求。
图7 速度关系简图
Fig.7 Velocity relationship diagram
验证虾蟹养殖用移动式自主投饵装置能否完成设计功能，根据设计要求及参数试制了一台装置样机，并在养殖水域进行功能试验。
根据
| 名称 Name | 长度 Length/mm |
|---|---|
| 产品半径 Product radius | 115 |
| 密封盖高度 Sealing cover height | 56 |
| 外筒高度 Outer cylinder height | 169 |
| 内筒半径 Inner cylinder radius | 99 |
| 浮筒高度 Float height | 35 |
| 搅拌扇叶半径 Stirring fan blade radius | 50 |
| 一体式搅拌总高度 Integrated mixing total height | 86 |
| 潜水式水泵最大长度 Maximum length of submersible water pump | 60 |
| 内筒高度 Inner cylinder height | 69 |
| 四相多通阀长度 Length of four phase multi way valve | 86 |
| 喷管半径 Nozzle radius | 10 |
为验证该装置能否完成设计工作，2024年3月15日在安徽巢湖某水产养殖塘内进行了虾蟹养殖用移动式自主投饵装置测试验证，如
图8 投饲装置工作图
Fig.8 Working diagram of the feeding device
图9 投饲深度曲线
Fig.9 Feeding depth curve
本研究对水产养殖投饲方法进行了深入研究，完成移动式自主投饵装置的整体结构、储料舱、垃圾收集装置和投饲装置的机械结构设计，并针对该装置的工况进行了相应的控制系统和推进装置设计，完成了投饲装置的稳定性和运动可行性分析，验证了装置在多个水下深度进行立体投饲的能力。该装置可以在水下多个深度进行立体投饲，确保饲料均匀分布，该装置在水面工作时可以收集水面垃圾以避免养殖环境污染。这为水产养殖环境的保护和整治提供了有效的解决方法，有利于提升养殖场的环境质量。该装置在水下20、40、100、150、180和200 cm等多个深度进行了试验，运用小水域进行模拟渔场分布规律的研究。未来可以进一步改进装置，实现定量投饲、自动巡航等智能化功能，进一步提高养殖效率和资源利用率，并进一步扩展其渔场分布规律研究的功能。同时，还可以结合大数据和人工智能技术，对养殖过程进行监控和优化，实现精准养殖和智慧管理。随着技术的不断发展和完善，相信这一装置能为水产养殖业的可持续发展和环境保护作出更大的贡献。
利益冲突
作者声明本文无利益冲突
参考文献
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