水产养殖两栖机器人初探

◎ 文/胡茂林 姚宏伟 潘亦鹏,3* 丘仲锋

为解决内陆水域养殖中存在的劳动强度大、机械化程度低等问题，本研究提出了利用两栖机器人辅助水产养殖的方法，阐述了各结构的特征与具体实施方式。通过对养殖方法与管理模式进行优化与实验验证，该机器人可以切实帮助养殖户减少劳动量，节约人力成本，增加生产效率。

淡水养殖作为渔业及三农产业中的重要组成部分，一直以来存在着相对劳动密集、过度依赖养殖户经验、养殖过程较为粗放、智能化设备和现代化管理缺位等问题。尽管近年来我国水产养殖格局已经发生了巨大变化，实现了部分机械设备与人力的结合，先进生产经验在生产过程中得到了初步运用，但总体仍存在着设备功能分散、操作门槛较高、后期运维复杂等问题。为解决上述问题，本研究对运用两栖机器人助力水产养殖展开探索，从切实帮助养殖户减少劳动量出发，改善生产流程，降低养殖成本，提高生产效率。

一、基于两栖机器人构建的智能淡水养殖系统

（一）履带式两栖机器人

市面上的鱼塘用水面机械仅支持水域作业，无法自主上岸转换场地。若要实现多塘作业，仍然需要人工辅助将机器进行转移作业。机器本身重量大，需要耗费大量的人力去搬运，在搬运过程中，由于机体外壳脆弱等原因，养殖户要耗费心神去注意设备的维护。而设置在岸边的风送型或斜盘型投饵机无法抛洒湿料、需要在田间布置电路等问题。装备有履带式底盘的主动式两栖机器人（参数详见表1）解决了这些痛点，明轮机构与履带机构实现了两栖运载模式的结合，能够满足多塘作业需求，能使机器人具有良好的适应性与通过性，可在水产养殖田不同位置及不同水产养殖田间来回切换，进行多轮饲料投放，提高作业效率、减少人力耗费且饲料投放均匀。

履带式两栖机器人示意图

1.履带机构

履带系统相较于轮式系统具有更大的接触面积，这意味着履带能够在爬坡过程中提供更好的附着力和牵引力，这有助于在陡峭或者湿滑的地形上实现稳定爬升，适用于鱼塘养殖的实际情况。由于履带的接触面积较大，其单位面积上的压力较低。这使得履带式机器人能在较为松软的地面保持稳定，减少陷入的可能性，并且避免了对鱼塘轮廓的破坏。根据履带剪切应力-剪切位移关系设计并优化底盘长宽比与履带宽度，达成了较好的转向性能与通过性能，可自主攀爬上45°的斜坡，并且可以实现原地转向以适应狭窄的田间小道。除此之外，履带系统还具有更好的承载性、稳定性与耐用性。

由于履带强大的牵引力，该机器人也可以用于捕捞作业中，在收网环节牵引渔网，代替人工，减少劳动量。

2.明轮机构

水中行驶时，机器人动力源为履带带动的低速明轮，放置在主动轮中间，通过对主动轮的差速设计实现机器人的前进、转向及后退。明轮由从动轮、桨板法兰与桨板构成，整体结构为定蹼6叶桨，在面积较小或水深较浅的水域可以实现灵活准确地移动，适应不同池塘复杂的水面条件。

桨板上的开孔可以起到给鱼塘增氧的作用，低速的明轮相对于螺旋桨推进器的优势在于不会划伤鱼虾且不会缠绕水草。底盘在水中的运动模式采用直线和原地转弯相结合方式，即直线运动到转弯点时先减速到零，进行原地转弯后再加速到巡航速度。该运动方式可以形成折线而非带圆弧的巡航轨迹，在满足投饵需求的前提下实现航速和航向更好的解耦，降低了控制难度，提升了抗干扰能力。

3.拌料与挤出机构

拌料与挤出机构示意图

在两栖底盘的基础上，上壳体设置了一个集搅拌和出料功能于一体的料仓。通过将料仓与挤出装置相结合的方式，打破了只能投放成品饲料的限制，实现了饲料从加工到投放的全自动一体化，同时额外具备了湿料的加工技术，使产品更具通用性和实用性。此外，这个料仓能够实现对饲料的搅拌以及定点、定量投放。通过在鱼塘和机器人上的各种传感器，我们可以实时获取环境和鱼群信息。结合相关算法模型，系统能够进行智能路径规划，从而实现智能投喂。部分养殖物种具有领地性特征，活动范围有限，人工抛洒饲料由于饵料量不均匀，容易导致部分个体无法充分进食，进而导致个体生长差异性大等问题。相较于传统的人工投喂方式，这套系统能够根据鱼塘的实际需要，自动调整投喂次数、数量、时间和地点。高度的自动化不仅减少了人工干预，而且可全程记录投喂数据，有利于后期对养殖经验总结和优化。因此，这种两栖履带式底盘结合智能投喂系统，无疑是实现水产养殖投喂效率提高的重要创新。

4.高精度定位与自主路径规划系统

机器人采用基于连续运行参考站技术（CORS）的网络实时动态载波相位差分技术（RTK）实时定位。高覆盖率、高实时性、高精确度和高性价比等优点使得全球定位系统（GPS）在测绘行业中广泛应用，其在地形图测绘方面具有巨大优势。但是，获取高精确度坐标时，仅使用单个的GPS模块会出现较大误差，易出现故障，对环境要求较高。因此，RTK被提出，该技术可以消除电离层、对流层等误差，大大提高了测量精度。随着技术的进步，RTK技术逐渐无法满足当前需求，CORS应运而生。RTK和CORS结合可以提供厘米级的定位精度和导航精度，从而可以精准控制农机的行驶路线和位置。较传统基站模式，CORS具有精度高、收敛快、范围大的优点，作业距离可达40km或者更远，能够完全满足作业需求。

为了实现无人化自主投喂与爬塘，在操控软件预先设定鱼塘尺寸与位置、需要避开的障碍物后，机器人将通过毫米波雷达扫描对鱼塘岸线区域进行更加精细的扫描与建模。机器人在Pixhawk自动驾驶仪（一种广泛用于无人机、无人车等领域的开源硬件平台）中进行作业路径规划。Pixhawk自动驾驶仪可通过运行ArduPilot或PX4等开源固件实现机器控制和路径规划功能，并且实现路线自主计算、平顺与优化等功能。路径位置记录文件也将与各传感器数据记录文件等一并上传至数据中心，以作为日后研究与总结规律的数据支撑。

5.浮态控制系统

机器人作业过程中，对机器人浮态的最大影响因素为风力环境与投料过程中总重量减少导致的重心变化。浮态控制系统从组合惯导元件中获得基于多传感器的航行器姿态矩阵，通过对传感器数据的复合运算与期望值实时比对优化，实现精、准、稳的姿态控制和实时纠偏，提高了投饲机器人在水面的稳定性和抗流能力，提高了航行器在大扰动不确定环境下的鲁棒性，突破了姿态稳定、快速起动、高机动性转向等关键技术难题。

6.拓展性

除了基础的两栖底盘与投饵机构外，该机器人可以额外搭载溶解氧传感器、盐度传感器、温度传感器、pH传感器等一系列传感器，实现数据的实时记录与更新，还可搭载激光雷达和水下摄像头以了解鱼群健康状况。该两栖机器人具有模块化特征，旨在为不同的水产养殖场地和作业需求提供最佳解决方案。这种设计理念使得机器人具有更高的灵活性、可扩展性和可维修性，在后期升级中也可以更加方便地进行设备功能的增加与更换。

（二）补料/充电站及其配套设施

在理想的无人化智能养殖系统中，机器人的日常运作与简单维保可以自动完成。在结束作业或作业过程中饵料耗尽之后，机器人将自主回到配套的补给舱进行休整/清洗/数据上传至服务器/补充饵料。补给仓的另一侧设有控制箱与本地服务器，负责控制补给仓的电力设备以及收发两栖机器人的各种状态信息，同时也方便工作人员进行维护与固件升级等操作。补给仓还有内置的备用电池组以防停电等情况的发生。补给仓本身也将用作CORS基站，给机器人提供高精确度的位置信息。

激光雷达与红外系统指引机器人泊入正确位置后，补料仓将舱盖打开并投入下一次作业所需的饵料，储能系统通过机械引导装置与磁吸对接装置与充电口进行对接充电，并通过特殊设计防止过充、过放和短路等，在紧急情况下能够实现自动中止充电和补给操作的功能。舱室内的喷头将对底盘系统进行简易冲洗与烘干。机器人将上次作业日志打包发送至补给仓进行备份，再由补给仓发送至云端。养殖户可以在自己的手机上看到整个养殖系统的全部状态。

机器人下水测试

饲料由运料车直接补充进补给仓的饲料储藏罐或者由养殖户自行加注。存储罐内有储量传感器与温湿度传感器，可以准确了解每次输入/输出的饲料质量，并评估饲料保存条件。更先进的饲料桶可以分别储存多种饲料并且按一定比例进行配比。同时，该充电加料站设置多个充电口，方便2个或者多个养殖户进行共享充电加料。为今后的规模化第三方水产养殖服务打下基础。

二、现场试验

将机器人安装后进行系统调试及样机性能试验，主要进行自主导航系统测试和投饵能力测试。2023年3月，在江苏省南通市某池塘进行投饵试验，天气为多云，风力2级～3级，温度3℃～11℃，水塘为两块不规则四边形水域，面积为40亩，养殖品种为梭子蟹和青虾。两栖机器人承载45kg湿料（30kg干料与15L水）按照既定路线完成了搅拌、挤压、下塘、撒料、投饵与跨塘测试。实验成功完成了预定目标，定位精度、跨塘性能与出料情况比较理想，全塘作业用时1h，作业完成后仅耗电15%，作业时间相较于人工减少了60%，大大减少了劳动量，投饵效率远超市面上其他投饲船，受到了农民的一致肯定。

三、总结与展望

未来，随着我国水产养殖业不断发展，养殖规模不断扩大，水产养殖机械的市场需求也将日益增长。传统的养殖方式将逐渐被机械化、现代化的养殖模式所取代。通过多种传感器养殖者可实现对养殖环境进行实时监测和管理，制定更合理的养殖策略，有效提高养殖效率、降低成本。通过数据整理，对最优养殖方法进行总结，可实现科学管理、提高产品质量。采用先进的自动化设备和系统，如两栖投饵机器人等，可降低劳动强度、节约人力成本。同时，信息化可以提高养殖户之间的信息共享率，推动养殖行业技术创新和升级。

通过提升水产养殖业智能化、自动化、机械化和信息化程度，确保水产生物在最佳环境下生长，降低其死亡率，实现高产量、高品质、高收益，有助于推动我国水产养殖业健康可持续发展，不仅满足了国内市场的需求，还可促进我国水产养殖业在国际市场上树立良好的形象。通过发展两栖机器人与配套智能淡水养殖系统，池塘养殖模式将迎来新的变革，养殖从业者将从重体力劳动中解脱出来，该系统具有很大的发展潜力与广阔的应用前景。