水产养殖船的设计研究

2021-07-02常施薇

现代制造技术与装备 2021年5期

常施薇陈玲

（南通理工学院电气与能源工程学院，南通 226002）

渔业是我国的一种传统产业。由于水产品的营养和药用价值已逐渐被人们认识，因此市场对水产品的需求量逐年递增。近年来，全球气候形势严峻，渔船在海上作业的风险性增加，单纯依靠天然渔业资源已无法满足市场需求量。发展水产养殖是填补水产品供货的唯一途径。然而，传统的承包养殖水产需要工人撑船定点投喂，对工人技术经验有一定的要求，且投饵的路径随机性大，投入时间成本高。因为工人不了解鱼群行迹和养殖环境，还会出现投饵不均浪费的问题，严重制约了养殖效率和规模。为了提高水产养殖的效率，需要在自动均匀投饵和养殖环境监控领域不断进行改善和优化。因此，本文设计了一款能够自主航行的水产养殖船，基于对鱼群的监测进行自动均匀投饵。

1 水产养殖船的构成

水产养殖船主要由双体船、航行控制系统、动力装置、自动抛饵装置、鱼群感应系统、数据处理与反馈系统、无线通信系统以及地面站监控装置等组成，如图1所示。该船可实现自主航行，通过GPS进行定位，利用船上的图像识别装置实时采集水域的环境影像，通过无人机装置实现对远程水域的航拍功能，通过船上搭载的多种传感器及辅助设备实现对鱼群的监测，基于数据分析控制饵料的自动均匀抛洒。

2 水产养殖船的船型设计

水产养殖船的船身主体采用小水线面双体船。小水线面双体船型如图2所示，其主船体由两个潜水体和一个水上箱体构成，中间有两个流线型支柱连接起来，水线面处只有两个细长支柱，因而水线面积小[1]。远离水表面的下潜体占双体船排水量的大部分，当它在波浪中航行时，所受到波浪扰动力比常规单体船和常规双体船小很多。所以，水线面双体船的耐波性比同等排水量的单体船好，且横摇周期长，能够有效避开不规则海浪中产生的谐波，避免谐摇运动对船体的影响。小水线面双体船的两个螺旋桨安装在水下潜体尾部，能够保证两个螺旋桨有较大的回转力矩，回转性能良好，具有较好的操纵性[2]。此外，螺旋桨工作区域伴流均匀，使得船身效率较高。此船型甲板面积比同等排水量的单体船要大很多，使用空间富足，有利于船体布置。

图2 水产养殖船船型设计方案

水产养殖船的水下单体设计是从船首V型过渡到船尾U型。船首V型设计由于横向斜升角较大，大大减小了船在波浪中的冲击力，并增大了船舶横摇的阻尼，改善了船舶升沉和摇首状况，因而能明显提供船舶的适航性、航向稳定性和耐波性。V型的船首设计有利于降低船舶在波浪中航行时兴波阻力，保持高航速。船尾的U型设计有利于轴向伴流分布均匀，船体振动较小，提高了推进效率，且减少了螺旋桨的空泡和激振力。实物模型制作见图3。

图3 水产养殖船模型实物

3 功能架构设计

3.1 自主航行功能的设计

水产养殖船使用螺旋桨作为推进器，将左右螺旋桨对称布置于两个单体的尾侧。在它的两个单体内部安装有两个直流电机，可以实现船体的直行、转弯以及停止等操作。分拣船通过ARM9处理器、GPS定位系统，结合惯性导航设备，输出信号控制电机，使得分拣船能够按照设定的轨迹路线巡航。为稳定分拣船的巡航路线，GPS经过数据解析，基于惯性导航设备信息获得实时航向角φ1。φ1与目标航向角φ2比较，可得到航向角的差值。基于PD控制运算，可得到φ。基于分拣船实际的偏离情况分析，将±φ/2赋予左右电机，可保持船舶航向。同时，GPS会实时获取速度信息。基于惯性导航设备信息获得实时速度v1，将实时速度v1与目标速度v2进行比较，得到速度的差值，再基于PI运算得到v'，同时赋予左右电机，具体控制如图4所示。

图4 航行控制图

3.2 鱼群探测系统的设计

船上配备有鱼群感应系统。当鱼群探测器感应到船体周围有大量鱼群时，摄像设备和鱼群探测器同时可以全方位观测鱼群具体方位，从而有针对性地进行投饵。基于鱼群感应系统的数据分析，控制器会发出抛洒饲料的作业命令[3]，然后抛饵装置自动进行抛饵，减少了饵料的浪费，同时提高了养殖的科学性。传统的人工投喂是利用人工撑船的方式进行投喂，不能实现均匀抛饵，且浪费了饵料。

3.3 自动抛饵功能的设计

设计的自动投饵机由料箱、供料装置、投料装置以及控制器等部分组成。控制器可以根据实际需求调节投饵机的投饵流量和饵料抛洒的幅度[4]。水产养殖船船体两侧舱室为饵料舱，舱室出料口能通过感应控制自动开关，使饵料从出料口均匀漏出，完成投饵作业。当饵料舱没有饵料时，它会自动停止投喂并示警[5]。该系统可以降低饵料破碎率，避免因投饵过量造成的饲料浪费等问题。为了实现水产养殖的科学管理，可以根据鱼群探测系统探测水下鱼群游行轨迹。控制器再对作业船行迹做规划，从而在航行过程中实现自动均匀投饵，提高饵料的利用率，实现生态养殖。