随着我国对虾养殖业的快速发展，各地养殖规模不断扩大，劳动力需求也不断扩大^{[1, 2]}。其中，投饲是对虾养殖业中必不可少的环节，也是消耗人力最重要的因素。目前鱼类养殖可以采取定点投喂方式，已有专门的投饲机，从而大大降低了劳动强度。但由于对虾的生活习性与鱼类不同，一般均匀分布在整个池塘，经常在池塘岸边觅食，所以，需要将饲料投放在池塘四周或全池均匀抛撒^[3]。由于缺少专门的投饲设备，目前的虾塘饲料由人工投喂，这种投喂方法耗时费力,且难以做到投饲均匀，饲料利用率较低，同时残余饲料还会导致水质恶化，增加养殖风险^{[4, 5, 6]}。随着劳动力的价格不断上升，投饲环节已成为对虾养殖业发展的一个限制因素。因此，研制一种虾塘投饲机是广大虾塘养殖者的迫切需求^{[7, 8, 9, 10, 11]}。

在虾塘投饲机方面国内已经有相关的研究，一些企业开发了自动投饲设备，如气动式投饲机，但基本都是定点投饲，不能投喂到整个池塘。根据对虾的生活习性，需要设计一种投饲船，以一定的速度沿着池塘岸边航行，与堤岸保持固定的距离，同时投放饲料^{[12, 13, 14]}。目前，保持一定距离航行的研究方法众多，如无线电定位系统中的GPS定位测量方法^{[15, 16, 17, 18]}，离岸测距方法^{[19, 20]}，Zigbee三点测距定位方法^{[21, 22, 23, 24]}等，但对于常见的对虾精养池塘，这些定位方法成本高，操作复杂^{[25, 26]}。本文针对航行方法做了进一步研究，设计出一套利用牵引绳固定在池塘四周，船体通过牵引绳导引沿池塘四周航行的装置。

文中研制的投饲设备能沿池塘四周自动行走进行自动投饲，以期能降低对虾养殖成本，为实现自动化投饲奠定基础。

根据对虾投喂的要求，投饲船以一定的速度沿着池塘岸边航行，与堤岸保持一定的距离，同时投放饲料。因此投饲船的轨迹为一条与堤岸等距离的轨迹线，如图 1所示。

图 1(Fig. 1)

图 1 船载投饲机航行轨迹示意图 Fig. 1 Track diagram of feeding machine

对虾船载投饲机主要由行走平台和导向装置两大部分组成，行走平台又包括行走装置和电气控制系统。如图 2所示，安装时，在浮船上安装电池箱、投饲机、滑动叉和推进器，通过浮体支架连接组成船载投饲机的行走平台。导向装置为四条沿池塘四周的牵引绳，牵引绳穿过导向支架，通过花篮螺丝相连接，从而拼接为一条沿池塘四周的环形航道，通过调节导向支架的高度使其上下移动。行走平台通过滑动叉与牵引绳相接触，从而引导其航行方向；通过电气控制系统来控制投饲船的航速和投饲机下料；本设计是通过行走平台与导向装置相连接的机械结构，使行程误差更低，能够得到更加理想的航行轨迹。

图 2(Fig. 2)

图 2 船载投饲机结构示意图 Fig. 2 Structure diagram of the boat feeding machine 1.浮船; 2.固定支架; 3.电池箱; 4.滑动叉; 5.投饲机; 6.导向支架; 7.牵引绳; 8.推进器。 1. floating boat; 2.the fixed bracket; 3.the battery box; 4.slide fork; 5. feeding machine; 6. the guide bracket; 7. hauling cable; 8.propeller.

根据水产养殖技术规程和日常操作规范，结合实验池塘的地形、地貌、气候等自然条件，确定设计应满足的主要技术指标如表 1所示。

表 1(Tab.1)

表 1 主要技术指标Tab.1 Main technical parameters of prototype 项目item 参数parameter 投料方式 feeding mode 自由下落 料仓储存量/kg silo storage 60 行走速度/(m/min) running speed 38 最大投饲能力/(kg/h) maximum feeding ability 100 最大噪音/dB maximum noise ≤60

表 1 主要技术指标 Tab.1 Main technical parameters of prototype

行走装置主要由船体、投饲机和滑动叉组成。投饲机安装在船体中间部分，防止因饲料量变化时改变重心位置。两个滑动叉分别固定在船体前后两端，能上下运动和四周转动，如图 3所示。

图 3(Fig. 3)

图 3 行走装置结构示意图 Fig. 3 Structure diagram of walking device

船体由浮船、固定支架、电池箱(电池)和电动推进器组成。船体采用双体船结构，两条单体浮船通过支架连接，固定支架采用井字型连接，分散中间部分重力，避免支架变形断裂。船体长度1.8 m，宽度0.32 m，船体间距0.36 m。船载蓄电池为所有设备提供电能。选用两个12V 24AH铅酸蓄电池作为电源，为电动推动器、投饲机及控制系统供电。为满足电池安放和船体航行要求，电池箱采用450 mm×300 mm×300 mm的薄铁箱体，两边安装角钢，安装在船体的前端。为了满足航行要求，推进器采用直流电机驱动的水下电动推进器，一体结构，密封防水，配套专用的电机控制器，从而控制投饲船的航行速度。根据船载物体估计整体重量：

若选用船体长为1.8 m，宽度为0.32 m的浮船，一般每条浮船浮力为70 kg，则需要选用浮船数为：116/70=1.7，所以需要选用2条浮船。根据浮性原理，船体于水中的平衡条件是：重力等于浮力，重力与浮力的作用线在同一条水平线上。船在装载情况下总重量为Σm_i(单位为吨，用t表示)，此时排开水的重量为

根据平衡条件可得浮性方程式：

因为ΣW_i=Σm_i/1000，代入公式(1)(2)(3)得吃水深度：

因此选用长为1.8 m，宽为0.32 m的2条浮船吃水线为12 cm，浮船高度应大于12 cm，则选用浮船型号为1.8 m×0.32 m×0.21 m的两条作为船体的平台结构，中间间距为0.36 m，而电池箱的两边角钢架在船体上，中间夹住电池箱体，形成1.8 m×1.0 m×0.21 m的船体。

根据船体选用合适的推进器，根据设计要求最大船速约为1 m/s，当推力和阻力相等时，功率最大，则

水密度为1.0×10³ kg/m³，横截面积S为两条浮船和电池箱的总横截面积1.0 m×0.12 m=0.12 m²(忽略其中的间隙)，根据浮船形状和大小估计阻力系数C取2.0，代入得出推进器的功率为120 W，因有外界因素干扰导致功率损失，故选用200 W的直流电机驱动的水下电动推进器。

投饲机的下料方式采用下落式，通过推进器播散开，保证抛洒距离，节省动力，符合对虾的生活习性。选用下落式下料器安装在投饲机体的下端。为了满足池塘投饲需求，投饲机体选用550 mm×550 mm×600 mm的薄铁皮作为饲料容器。中间成陡坡型，便于饲料的下落，通过控制器来控制投饲机的停止与运行。

滑动叉主要是用来将船体和牵引绳接触、保持航行方向的装置，由U槽轮、挡板、下支架、上支架和弹簧组成，如图 4所示。整体结构采用套筒形式，U槽轮选用2.5寸型、槽深为8 mm、宽为22 mm的轨道轮，挡板在槽轮两侧，增加U型槽的深度，防止牵引绳逃出。下支架为18 mm×2 mm×400 mm的圆筒，上支架为25 mm×2 mm×350 mm中空型圆筒，下支架外套弹簧，上支架套合在下支架上，因弹簧的弹力使其保持一定高度，上支架下端焊接垫片，防止脱落。

图 4(Fig. 4)

图 4 滑动叉结构示意图 Fig. 4 Structure diagram of sliding fork 1.下支架; 2.弹簧; 3.上支架; 4.U槽轮; 5.挡板。 1. lower bracket; 2.spring; 3.upper bracket; 4.the U wheel; 5.baffle.

据此选用合适的弹簧,使上下支架能上下滑动，从而满足牵引绳在中间部分的下垂距离和转弯时的接触坡度。因弹簧在较小的载荷条件下工作，可以按第Ⅱ类弹簧考虑。现选用Ⅱ组碳素弹簧钢丝。根据下支架和上支架的配合结构可以得出，弹簧需要的中径为D2≈22 mm，外径D≤25 mm，弹簧压缩变形量为λ₁=150 mm时，有滑动叉和钢丝绳的重力，合成压力为F₁=201 N，压缩变形量为λ₂=0时，滑动叉的重力为F₂=200 N，根据D-D2=3 mm，估算弹簧钢丝直径为3 mm，由此选取σ_B=1 618 MPa，则[Т]=0.4σ_B=647.2 MPa。

现取环绕比C=6，则得曲度系数K

于是有

则取弹簧钢丝标准直径d＝2.5 mm。此时D2＝22 mm为标准值。则D=D2+d＝24.5 mm＜25 mm。

考虑到支架的长度，因此选用22 mm×2.5 mm×200 mm的碳素压缩弹簧作为滑动叉的弹簧。

投饲船采用电动推进器为动力，铅酸蓄电池为电源，通过无线电遥控器控制推进器的启动、停止、速度档位及投饲机，如图 5所示。

图 5(Fig. 5)

图 5 推进器控制系统结构示意图 Fig. 5 Structure diagram of propulsion control system

电动推进器工作电压为直流12 V，最大工作电流32 A。推进器外接电缆包含4路不同颜色的接线，其中黑色线接电源负极，红、黄、蓝线中任意时刻1路线接电源正极，推进器工作在不同的速度档位定义如表 2所示。

表 2(Tab.2)

表 2 档位接线说明Tab.2 Instructions of the gear connection 线色 line color 定义 definition 说明 explain 红red 高速档接线 3路接线中任一路接电源正 极，对应不同的速度档位 黄yellow 中速档接线 蓝blue 低速档接线 黑black 负极 接电源负极

表 2 档位接线说明 Tab.2 Instructions of the gear connection

无线电遥控器包括发射器和接收器两部分。接收器有5路继电器输出(S1~S5)，与发射器上的5个按钮对应，通过发射器上的按钮可以控制接收器上对应继电器的通断。由于接收器自带的继电器触点容量较小，因此采用中间继电器来控制电动推进器。接收器自带的输出继电器S1～S3分别控制中间继电器K1～K3的线圈，电动推进器的蓝、黄、红线分别通过中间继电器K1～K3的常开触点与蓄电池正极连接。接收器自带继电器S5控制中间继电器K5，通过K5控制投饲机的启动和停止。中间继电器线圈工作电压为直流12 V，电路结构如图 6所示。

图 6(Fig. 6)

图 6 投饲船电控系统 Fig. 6 Electric control system of feeding boat

接收器自带的继电器S1～S4是互锁的，即任意时刻只能有1路继电器触点闭合，例如按下发射器上的按钮1时，接收器的继电器S1触点闭合，S2、S3、S4触点断开，此时中间继电器K1吸合，推进器在低速档运行；同样，按钮2、3、4和5分别控制中速挡、高速档、停止挡和投饲机的运行。发射器按钮定义如表 3所示。通过这5个按钮从而控制投饲船运行、停止和速度变化以及投饲机的运行和停止。

导向装置主要由牵引绳和导向支架组成，如图 7所示。根据船体稳定性和实际需要的要求，牵引绳选用2～5 mm的不锈钢钢丝绳，牵引绳总长度为池塘周长。为考虑安装方便，选用4条钢丝绳穿过支架，中间选用花篮螺丝相连接。导向支架为8 mm圆管弯曲而成，下端焊接薄片。将牵引绳绕过导向支架中的圆管，且导向支架两端截成30度倒角，便于滑动叉的顺利通过。再将四个相同此装置固定在岸边，可手动调节高度。

表 3(Tab.3)

表 3 发射器按钮定义Tab.3 Definition of emitter button 发射器按钮序号 launcher button number 接收器继电器通道序号 receiver relay channel number 中间继电器序号 intermediate relay number 控制功能 control function 按钮1 No.1 button S1 K1 低速档 按钮2 No.2 button S2 K2 中速档 按钮3 No.3 button S3 K3 高速档 按钮4 No.4 button S4 — 停止 按钮5 No.5 button S5 K5 投饲机

表 3 发射器按钮定义 Tab.3 Definition of emitter button

图 7(Fig. 7)

图 7 导向装置结构示意图 1.螺母; 2.牵引绳; 3.导向支架。 1.bolt and nut; 2. hauling cable; 3.guide bracket. Fig. 7 Structure diagram of the guide device

牵引绳为行走平台和导向装置的连接工具，必须保证其可靠性，选用4条钢丝绳作为牵引绳，引导行走平台按预定轨道行驶。钢丝绳只固定在池塘四角，因此中间部分必然会下垂，形成悬链线。以常见的养殖虾塘长边100 m作为目标计算形成的悬链线下垂高度和所需拉力值。则中点下垂高度为：

钢丝绳固定在导向支架上，水平拉力一般为4 000 N，则针对不同直径钢丝绳所下垂的高度不同，我们需要满足一定的范围条件，假设下垂高度y范围为0～0.2 m。则算出a的范围是大于6 000，根据H算出ρ的范围是0～0.67 N/m，根据钢丝绳的规格标准得出3.5 mm以下钢丝绳能满足下垂高度要求，但考虑行走装置的转向力、水平拉力和安全性能(取安全系数为2.0)，则选用直径为3 mm的钢丝绳最为合适。则：

取安全系数为2.0，那么F₀ /2=4.015 kN≥4 kN,满足设计要求。故选用3.0 mm的钢丝绳作为牵引绳，其中中间部分下垂高度为0.141 m。

导向支架主要是在池塘四周绕住钢丝绳，行走平台能绕过四分之一的弧形顺利转弯。设转弯半径为R，两个滑动叉之间距离约为船体长度的2/3值，即L为1 167 mm，行走平台推力为F，钢丝绳和不锈钢之间的摩擦系数为n=0.4，转弯角度为α。由此根据受力分析图计算出R值的范围，如图 8所示。

图 8(Fig. 8)

图 8 投饲装置和转弯装置相关尺寸关系 Fig. 8 Correlation of dimension between feeding device and turning device

得出R>437 mm，但由于钢丝绳为软性，在F的作用下必然会有所弯曲，摩擦力会大大增加，所以要经过不同半径的试验，在此可选取大于理论半径，即半径为800 mm的1/4的圆弧。

因此，导向支架选用半径为800 mm的1/4圆弧的圆管，中间穿过钢丝绳，形成转弯机构，另一端用钢丝绳牵引到池塘岸边固定，钢丝绳之间用花篮螺丝拉紧。从而形成绕过池塘四周的预定轨道，行走平台随轨道运行。

该对虾船载投饲机经过设计、制造和安装调试后，于2014年在水科院渔机所松江新桥实验中心水池进行性能试验,如图 9所示。该实验场地水域面积为圆形水池，水深为1.5 m。下水后，投饲船重心稳定，滑动叉和钢丝绳接触紧密。实验开始前，先选择不同的转弯半径，测试船体能否顺利通过四角及其稳定性。再选择一个合适半径的导向装置做下一步实验，先通过选取池塘四周中点和四角为测试点，取相等的距离，分别标记为1(弯)、2、3(弯)、4、5(弯)、6、7(弯)、8，再用计时器测量每段时间，算出平均速度，再测量投饲船在行走过程中的偏移量。

图 9(Fig. 9)

图 9 样机试验 Fig. 9 Prototype test

3.2 性能实验结果与分析

试验过程中，样机运行平稳，工作安全可靠，能实现自动起停和速度不同档位的变化，能很好地进行投饲。测得主要性能指标如下：行驶速度为11～39 m/min，船体偏移量控制在65 mm以内，料仓储存量为60 kg，投饲能力为2 kg/min。

选择中速挡空载的情况下，在不同半径的导向支架进行测试，由表 4的实验数据可知，半径在250 mm和525 mm时都不能通过或者反复多次才能通过，波动性很大。主要原因是钢丝绳为软性，第一个滑动叉通过转弯，而第二个还未进入，软性钢丝不能带动继续沿钢丝行走。只有当半径很大时，两个滑动叉在导向支架行走一段距离，才能顺利通过。

表 4(Tab.4)

表 4 不同转弯半径测试试验结果Tab.4 Test results of different turning radius 转弯半径 turning radius/mm R=250 R=525 R=800 行驶速度(m/min) running speed 0 5.0 17.1 能否通过 pass or not 不能通过 能通过 能通过 稳定性 stability 不稳定 不稳定 稳定

表 4 不同转弯半径测试试验结果 Tab.4 Test results of different turning radius

在半径为800 mm时，对投饲船进行实验。通过水池实验结果得出数据，如表 5所示，空载和满载情况下虽然存在一定的速度偏差，但能满足投饲和行走要求。其中转弯处速度较慢、波动较大的主要原因是由于导向支架为90度圆弧损耗了部分推进力，并且转弯处与牵引绳之间存在高度偏差；直线行走速度有偏差的主要原因是投饲船和钢丝绳与导向支架的滑动摩擦不同，钢丝绳不可能完全水平，推进器功率的变化等。理想状态是单个推进器的投饲船能够完全按照牵引绳的预定轨道行走，没有偏移，速度变化为0。转弯处也能很好地行走，没有波动。但考虑到实际情况，两个推进器成本高，控制复杂，容易碰到堤岸，水流过大又容易惊动对虾。故本套设计采用单螺旋桨，牵引绳牵引投饲船按预定轨道行走，存在速度变化、偏移量和波动性是可以接受的。

本对虾船载投饲装置结构简单，成本低，制造简便，与现有投饲机相比，最大优点在于它可以离岸保持固定距离移动投喂饲料，航行为机械导向，能够工作稳定，不受外界因素干扰，解决了目前对虾养殖中仍采用人力投饲这一缺点。

表 5(Tab.5)

表 5 运行状态测试试验结果Tab.5 Test results of operation status 项目 project 空载/(m/min) no-load 1(弯) 2 3(弯) 4 5(弯) 6 7(弯) 8 均值 低速 low speed 11.9 21.7 13.9 21.9 13.2 25.2 13.2 22.2 17.9 中速 medium speed 16.0 29.5 17.1 28.3 17.1 30.1 18.0 29.6 23.2 高速 high speed 22.4 38.6 23.1 39.4 22.4 38.7 23.4 38.6 30.8 偏移量/mm off set 61 22 60 27 60 23 64 23 42.5 项目 project 满载/(m/min) full-load 1(弯) 2 3(弯) 4 5(弯) 6 7(弯) 8 均值 低速 low speed 6.4 18.4 6.4 18.6 7.2 19.6 7.1 18.7 12.8 中速medium speed 12.3 26.5 12.9 26.4 12.5 26.6 13.1 26.9 20.0 高速 high speed 19.6 36.0 20.1 36.9 20.2 36.7 20.2 36.6 28.2 偏移量/mm off set 58 20 60 19 54 24 59 24 39.8

表 5 运行状态测试试验结果 Tab.5 Test results of operation status

在养殖池塘中行走平台投饲面积大，下料范围合适，符合对虾的生活习性，且可实现可控、均匀、有规律的大范围运动，其行走轨迹可绕池塘一圈，能全部覆盖池塘四周，达到对虾投饲的良好效果。

因本投饲装置需要移动投饲，池塘中还有其他装备，如增氧机、底质改良机等都会对本装置的运行有所影响。本装置又无法利用交流电，所用的蓄电池质量较大，也会带来不便。这些都是我们进一步研究所要考虑到的问题。

目前，我国移动式投饲装置尚不成熟，应用甚少。总体来看，本文所设计的新型对虾养殖投饲装置从生产实际考虑，具有科学性与实用性，该投饲装置在对虾养殖过程中的应用，能够解决部分劳动力，从而进一步促进对虾养殖业的快速发展。