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水产养殖轨道式精准饲料投喂系统设计与试验
摘 要：
针对水产养殖过程中饲料投喂劳动强度大、投喂不均匀、效率低等问题，设计了一款基于地轨的轨道式精准饲料投喂系统，整套系统集机械结构设计、自动控制系统、上位机监视投喂信息管理系统于一体。通过对系统的行走装置、料仓、下料装置、称重装置等主要关键部件进行设计与理论分析，确定了系统的结构参数，基于 SIEMENS SMART S7-200 PLC 开发了自动控制系统，并以行驶速度、定位精度、投喂速度、投喂精度、饲料破碎率为试验指标进行饲料投喂试验。结果显示：系统运行稳定可靠，可以顺利自动启停，行驶速度为 12.7m/min，定位精度误差范围在 39~58mm，投喂速度为 3.31kg/min，投喂精度误差 < 0.63%，饲料破碎率低于 1%。整个投喂全程自动化运行，上位机能够实时监视系统的行驶过程和投喂过程。研究表明，该系统提高了饲料利用率，降低了劳动成本和投饲成本，同时一体化的投饲设备能更好管理使用，为水产养殖自动化提供了可行方案。
中国是世界第一水产养殖大国和水产品出口大国，2020-2022 年全国水产品养殖产量逐年增加。随着养殖规模扩大，传统人工投喂模式无法满足现代规模化养殖需求，存在劳动强度大、投喂效率低、投饲不均匀等问题，饲料投喂不当还会影响鱼体生长、污染水源，不符合绿色发展理念。因此，研究自动化投饲设备对水产养殖业发展意义重大。
投饲设备正朝着全程机械化发展，现有自动投饲设备多集中在气力式和固定式，轨道式投饲设备研究较少。目前研发的轨道式投饲设备存在造价高、应用场景单一等问题。本研究设计了一款在养殖池边缘架设轨道的投饲设备，成本适中、自动化程度高，具备多种功能，并进行了样机试制。
1 系统总体结构与工作原理
1.1 系统总体结构
基于应用场景和设计要求，设计的轨道式精准投喂系统集成了机械结构、自动控制系统和上位机监视投喂信息管理系统。机械结构包括行走装置和投喂装置，行走装置用于实现系统的行走定位功能，投喂装置用于实现精准投喂功能。自动控制系统控制整个系统自动化运行，上位机监视系统的行走和投喂过程，并存储投喂信息。系统主要技术参数涵盖整机尺寸、养殖桶与轨道间距、功率、电压、料仓储料量等多个方面。
系统工作时，沿轨道行走，到达指定养殖池后发出投喂指令，二级螺旋下料装置伸出，一级和二级螺旋下料装置启动，称重传感器实时检测饲料质量实现精准下料。投喂完成后，二级螺旋下料装置缩回，系统继续前往下一个养殖池投喂，所有任务完成后回到停车原点充电待机。触摸屏可实时监视运行和投喂过程，显示料仓剩余饲料质量并记录投喂数据。
2 系统关键部件结构设计
2.1 行走装置结构设计
行走装置是实现系统前进、后退、定位的主要部件，由轨道与轨道轮、传动装置、磁铁安装板、电感式接近开关安装板组成。
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轨道与轨道轮：轨道由特定规格的方钢和镀锌圆钢焊接而成，两侧平行，设有固定磁铁安装板的通孔。选用 U 型轮作为轨道轮，材料为 45 钢，能保证运行稳定性。 -
传动装置：由传动轴、联轴器、行走电机组成，行走电机通过联轴器与传动轴相连，为系统提供驱动力。通过计算最大静摩擦力、电机所需最小功率、轨道轮转速等参数，选用了合适型号的双轴直流减速电机作为行走电机。 -
磁铁安装板与电感式接近开关安装板：磁铁安装板存放磁铁，电感式接近开关安装板固定开关，两者孔位对应。通过磁铁和电感式接近开关的配合，可获取多个状态用于定位，选用的电感式接近开关检测精准、安全稳定。 
2.2 料仓结构设计
2.3 下料装置结构设计
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一级螺旋下料装置：是固定件，通过法兰与料仓连接，由下料电机、联轴器等部件组成，将饲料输送到二级螺旋下料装置。 
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二级螺旋下料装置：是移动件，沿直线导轨往复运动，由 H 型支架、推杆电机等部件组成，将饲料输送到养殖池。设计了满面式螺旋叶片，通过计算确定了螺旋叶片直径、螺旋轴直径、螺距等参数，还选择了合适型号的直线导轨。
2.4 称重装置结构设计
3 控制系统设计
3.1 控制系统硬件设计
3.2 控制系统软件设计
3.4 人机交互界面设计
4 系统性能测试
4.1 试验条件与测试内容
4.2 试验材料与设备
5 结果与分析
5.1 行驶速度试验
5.2 定位精度试验
5.3 自动识别所需投喂养殖池准确性试验
5.4 投喂精度和投喂速度试验
5.5 饲料破碎率测试
5.6 比较分析
6 结论
