沈啟揚(yáng)，朱虹，于慶旭，葛迅一，錢軍，黃煒

(1. 江蘇省農(nóng)機(jī)具開發(fā)應(yīng)用中心，南京市，210017； 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014； 3. 蘇州市農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站，江蘇蘇州，215128； 4. 常州市金壇區(qū)農(nóng)機(jī)化技術(shù)推廣中心，江蘇常州，213200)

0 引言

2019年中國(guó)河蟹養(yǎng)殖產(chǎn)量為778 682 t，其中江蘇省產(chǎn)量為364 840 t，約占全國(guó)河蟹養(yǎng)殖總產(chǎn)量的46.85%，位居第一。目前，國(guó)內(nèi)河蟹養(yǎng)殖水面一般為1～2 hm2，投餌喂料是河蟹養(yǎng)殖中任務(wù)繁重而又關(guān)鍵的一項(xiàng)工作，因?yàn)轱暳铣杀菊嫉秸麄€(gè)投資成本的50%以上[1]；由于河蟹不能大范圍運(yùn)動(dòng)，定點(diǎn)投喂不適合河蟹養(yǎng)殖，需要滿塘口撒喂，投喂工作量極大[2-5]。目前河蟹養(yǎng)殖主要采用人工撐船撒喂、背負(fù)式噴霧機(jī)灑喂、船體+簡(jiǎn)易小型電動(dòng)撒料機(jī)進(jìn)行投餌喂料的作業(yè)方式，存在投餌作業(yè)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，餌料拋撒分布一致性和均勻性差的問(wèn)題，河蟹長(zhǎng)期處于飽一頓饑一頓的狀態(tài)，不利于大規(guī)格河蟹的培育[6-10]。大規(guī)格河蟹價(jià)格比小規(guī)格河蟹價(jià)格高3～4倍，因此，河蟹養(yǎng)殖正由追求產(chǎn)量的“大養(yǎng)蟹”向以質(zhì)量效益為中心的“養(yǎng)大蟹”“養(yǎng)高品質(zhì)蟹”轉(zhuǎn)變。只有根據(jù)河蟹需求精準(zhǔn)投餌，才能保證養(yǎng)殖的河蟹個(gè)頭大而均等、河蟹蛻殼同步，回捕率高。

河蟹投餌的發(fā)展依賴于科技創(chuàng)新和科技進(jìn)步[11]。隨著農(nóng)業(yè)電氣化、自動(dòng)化技術(shù)和智能化的發(fā)展，出現(xiàn)一些自動(dòng)投餌設(shè)備[12-15]，如遙控自動(dòng)投餌船[16]、顆粒播撒無(wú)人機(jī)[17]等，為給廣大用戶提供參考，對(duì)已有利用自主導(dǎo)航精準(zhǔn)投餌作業(yè)的裝備進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)顆粒飼料撒播無(wú)人機(jī)和智能投餌(藥)船的投餌能力、投餌破損率、最大投餌幅寬、航線規(guī)劃能力、自主控制模式行駛軌跡精度、續(xù)航能力的測(cè)定，測(cè)試機(jī)具作業(yè)性能；通過(guò)對(duì)生產(chǎn)率、投餌效率比、經(jīng)濟(jì)效益的測(cè)定，測(cè)試機(jī)具效能。

1 河蟹養(yǎng)殖投餌要求

養(yǎng)河蟹需要大范圍移動(dòng)均勻投餌。由于河蟹喜歡在淺水處覓食，且夜間覓食更多，因此在投喂時(shí)，應(yīng)在岸邊淺水處多點(diǎn)均勻投喂(圖1)，當(dāng)單個(gè)池塘養(yǎng)殖面積較大時(shí)需采用全覆蓋滿塘均勻投餌(圖2)。此外，可根據(jù)池塘形狀尺寸、水草覆蓋率、增氧管路、電線排布等設(shè)定投餌路線。

圖1 岸邊淺水處投餌路線

圖2 全覆蓋滿塘均勻投餌路線

2 試驗(yàn)機(jī)型及工作原理

顆粒飼料撒播無(wú)人機(jī)為3WWDZ-15.1B型顆粒飼料撒播無(wú)人機(jī)(下文簡(jiǎn)稱：無(wú)人機(jī))，無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)如表1所示。該機(jī)型可在投餌區(qū)域自動(dòng)規(guī)劃投餌裝備的作業(yè)航線，投餌裝備從出發(fā)點(diǎn)出發(fā)，以自主控制模式沿自動(dòng)規(guī)劃的作業(yè)航線進(jìn)行投餌作業(yè)，當(dāng)顆粒物料投餌完，投餌裝備可安全自動(dòng)返回。

智能投餌(藥)船為SAN320型智能投餌(藥)船(下文簡(jiǎn)稱：無(wú)人船)，無(wú)人船結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)如表2所示。該機(jī)型可在投餌區(qū)域人工規(guī)劃投餌裝備的作業(yè)航線(包括不規(guī)則路線)，投餌裝備從出發(fā)點(diǎn)出發(fā)，以自主控制模式沿規(guī)劃好的作業(yè)航線進(jìn)行投餌作業(yè)，當(dāng)顆粒物料投餌完，投餌裝備可安全自動(dòng)返回出發(fā)點(diǎn)?？梢淮瓮瑫r(shí)完成投餌和施藥作業(yè)。

表1 無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)Tab. 1 UAV structure and performance parameters

表2 無(wú)人船結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)Tab. 2 Unmanned ship structure and performance parameters

3 材料和方法

3.1 試驗(yàn)條件

蘇州浪里王蝦蟹生態(tài)雙主養(yǎng)殖基地(下文簡(jiǎn)稱：蘇州試驗(yàn)地點(diǎn))，塘口尺寸規(guī)則，單個(gè)塘口占地面積為1.33 hm2，水草覆蓋率為60%～70%，水深度為0.5～1.5 m，主要飼養(yǎng)螃蟹品種為中華絨螯蟹“長(zhǎng)江1號(hào)”，養(yǎng)殖密度約12 000 只/hm2，隨著螃蟹的體重增加，投餌量需逐步增加，投餌質(zhì)量范圍為7.5～30 kg/hm2，每天早、晚共需投餌2次。飼料選用大顆粒飼料。江蘇金壇數(shù)字化漁場(chǎng)(下文簡(jiǎn)稱：常州試驗(yàn)地點(diǎn))，塘口尺寸規(guī)則，單個(gè)塘口面積為0.6～1.45 hm2。養(yǎng)殖條件與蘇州類似，飼料選用小顆粒飼料。

3.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)DG32/Z003—2019《智能投餌(藥)機(jī)》、DG/T 064—2019《投飼機(jī)》、NY/T3881—2021《遙控飛行播種機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》、GB/T 5667—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)試驗(yàn)方法》、《河蟹養(yǎng)殖智能投餌裝備技術(shù)試驗(yàn)示范》項(xiàng)目試驗(yàn)大綱，在蘇州和常州兩地開展顆粒飼料撒播無(wú)人機(jī)、智能投餌(藥)船以及人工投餌作業(yè)性能和效能評(píng)定進(jìn)行試驗(yàn)。作業(yè)性能試驗(yàn)包括投餌能力、投餌破碎率、最大投餌寬幅、航線規(guī)劃能力、自主控制模式行駛軌跡精度、續(xù)航能力。效能評(píng)定包括生產(chǎn)率、投餌效率比、經(jīng)濟(jì)效益。

3.2.1 性能試驗(yàn)方法

1) 投餌能力。投餌能力即為單位時(shí)間內(nèi)最小至最大投餌質(zhì)量的范圍。將準(zhǔn)備投餌的顆粒飼料稱重后裝入物料箱，并記錄裝入的顆粒飼料質(zhì)量。將投餌裝備的間歇閉合時(shí)間調(diào)節(jié)到最短，供料量調(diào)節(jié)到最小和最大檔位，分別記錄拋投完的時(shí)間，按式(1)計(jì)算最小和最大檔位投餌量。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。

C=m/t

(1)

式中：C——投餌量，kg/min；

m——拋投的顆粒飼料質(zhì)量，kg；

t——拋投時(shí)間，min。

2) 投餌破損率。物料箱中裝入新的顆粒飼料，以最大投餌能力狀態(tài)試驗(yàn)，在出料口處用軟布袋收集拋出的顆粒飼料并稱重，用網(wǎng)孔邊長(zhǎng)尺寸為顆粒直徑0.8倍左右的試驗(yàn)篩進(jìn)行篩分，將篩下的細(xì)粉和碎粒稱重，按式(2)計(jì)算投餌破碎率，重復(fù)3次，取平均值。

B1=m1/m2×100%-B

(2)

式中：B——飼料原始碎率；

B1——投餌破碎率；

m1——篩下物(細(xì)粉和碎粒)的質(zhì)量，kg；

m2——收集顆粒飼料的質(zhì)量，kg。

3) 最大投餌幅寬。最大投餌幅寬試驗(yàn)(圖3)在投餌試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，沿播幅方向，即投餌裝備的預(yù)設(shè)行駛航線的垂直方向，無(wú)人機(jī)試驗(yàn)時(shí)將收集器連續(xù)排列成一排，無(wú)人船試驗(yàn)時(shí)將收集器等間距按規(guī)律排列成一排，試驗(yàn)時(shí)均沿中軸線行駛投餌。加注額定容量顆粒飼料，測(cè)試投餌裝備最大投餌能力時(shí)的投餌幅寬，無(wú)人機(jī)以3 m作業(yè)高度、3 m/s行駛速度，在采樣區(qū)前50 m開始投餌，后50 m停止，一次完成投餌作業(yè)；無(wú)人船架設(shè)在移動(dòng)小車上，無(wú)人船加注額定容量顆粒飼料，以1 m/s 速度行駛，在采樣區(qū)前10 m開始投餌，后10 m停止，一次完成投餌作業(yè)。從采樣區(qū)兩端逐個(gè)收集盒進(jìn)行檢查，兩端首個(gè)有顆粒飼料的收集盒作為投餌播幅兩個(gè)邊界，投餌播幅邊界間的距離為投餌幅寬。測(cè)量3次取平均值，最終確定最大投餌幅寬。

4) 航線規(guī)劃能力。操作者在地面控制端規(guī)劃好投餌區(qū)域，系統(tǒng)可自動(dòng)規(guī)劃投餌裝備的作業(yè)航線，機(jī)手啟動(dòng)投餌裝備，投餌裝備從出發(fā)點(diǎn)出發(fā)，以自主控制模式沿自動(dòng)規(guī)劃的作業(yè)航線進(jìn)行投餌作業(yè)，當(dāng)顆粒物料投餌完，投餌裝備可安全自動(dòng)返回出發(fā)點(diǎn)。

(a) 無(wú)人機(jī)方案

(b) 無(wú)人船方案

5) 自主控制模式行駛軌跡精度。在試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)預(yù)設(shè)投餌裝備行駛航線，無(wú)人機(jī)的航線長(zhǎng)度不小于120 m，行駛速度為3 m/s，無(wú)人船的航線長(zhǎng)度不小于50 m，行駛速度為1 m/s。操控投餌裝備以自主控制模式沿預(yù)設(shè)航線行駛，同時(shí)以不大于0.1 s的時(shí)間間隔對(duì)投餌裝備的空間位置進(jìn)行連續(xù)測(cè)量和記錄，自主控制模式行駛精度試驗(yàn)方法如圖4所示，重復(fù)3次。

圖4 自主控制模式行駛精度試驗(yàn)方法

將記錄的航跡經(jīng)緯度坐標(biāo)按cgcs2000的格式進(jìn)行直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；投餌裝備的空間位置坐標(biāo)記為(xi，yi，zi)，i=0，1，2，…，n，其中i=0時(shí)為行駛過(guò)程中剔除加速區(qū)間段的穩(wěn)定區(qū)開始位置，i=n時(shí)為行駛過(guò)程中剔除減速區(qū)間段的穩(wěn)定區(qū)終止位置。

整條航線的平面位置坐標(biāo)記為ax+by+c=0，a、b、c系數(shù)依據(jù)航線方向和位置而定，按式(3)、式(4)分別計(jì)算偏航距(水平)Li和速度偏差Vi，測(cè)量值應(yīng)為測(cè)量區(qū)間內(nèi)計(jì)算的最大值。

(3)

Vi=|vi-vset| (i=0，1，2，…，n)

(4)

式中：Li——偏航距(水平)，m；

xi——采集航跡點(diǎn)位置的東西方向坐標(biāo)值，m；

yi——采集航跡點(diǎn)位置的南北方向坐標(biāo)值，m；

zi——采集航跡點(diǎn)位置的高度坐標(biāo)值，m；

Vi——速度偏差，m/s；

vi——采集航跡點(diǎn)位置的行駛速度，m/s；

vset——預(yù)設(shè)的行駛速度，m/s。

6) 續(xù)航能力。無(wú)人機(jī)使用滿電電池，加入額定容量的顆粒飼料，操控?zé)o人機(jī)在試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)以3 m/s作業(yè)速度、最小投餌量進(jìn)行投餌，在其發(fā)出顆粒飼料撒完的提示信息后，將無(wú)人機(jī)飛至岸邊上空，保持無(wú)人機(jī)在岸邊上空懸停，直至其發(fā)出電量不足報(bào)警后停止，記錄單架次最大作業(yè)時(shí)間為t1、起航至停止總時(shí)間t2。計(jì)算t2/t1數(shù)值，重復(fù)3 次，取最小值。因無(wú)人船充滿電能滿足1天工作量，故不再做續(xù)航能力試驗(yàn)。

3.2.2 效能評(píng)定

1) 生產(chǎn)率。投餌裝備使用滿電電池，加入額定容量的試驗(yàn)飼料，按照正常生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行試驗(yàn)，分別記錄班次作業(yè)面積U、純作業(yè)時(shí)間Tc、工藝服務(wù)時(shí)間(換電池、加飼料等)、充電時(shí)間、機(jī)具故障時(shí)間和機(jī)具轉(zhuǎn)移時(shí)間等；作業(yè)時(shí)間Tz包含純作業(yè)時(shí)間Tc和工藝服務(wù)時(shí)間(換電池、加飼料等)；班次時(shí)間Tb包含作業(yè)時(shí)間Tz、充電時(shí)間、機(jī)具故障時(shí)間和機(jī)具轉(zhuǎn)移時(shí)間等。純作業(yè)生產(chǎn)率、作業(yè)生產(chǎn)率、班次生產(chǎn)率分別按式(5)～式(7)計(jì)算。

(5)

(6)

(7)

式中：Wc——純作業(yè)生產(chǎn)率，hm2/h；

Wz——作業(yè)生產(chǎn)率，hm2/h；

Wb——班次生產(chǎn)率，hm2/h。

2) 投餌效率比。投餌效率比試驗(yàn)與生產(chǎn)效率試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，先測(cè)算人工投餌班次小時(shí)生產(chǎn)率，再計(jì)算無(wú)人機(jī)、無(wú)人船相對(duì)人工作業(yè)的投餌效率比，投餌效率比η按式(8)計(jì)算。

(8)

3) 經(jīng)濟(jì)效益。由于時(shí)間和天氣條件等限制，目前田間試驗(yàn)僅在3個(gè)池塘中試驗(yàn)，本文根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況估算得到無(wú)人機(jī)、無(wú)人船和人工的班次生產(chǎn)效率，來(lái)估算常州試驗(yàn)地點(diǎn)各機(jī)具的經(jīng)濟(jì)效益，常州試驗(yàn)地點(diǎn)共15個(gè)池塘，總面積為15.934 hm2，假設(shè)各機(jī)具壽命年限均為6年，每年機(jī)具的維修費(fèi)按照機(jī)具價(jià)格5%計(jì)算，折舊費(fèi)、電耗費(fèi)按照式(9)、式(10)計(jì)算。

(9)

電耗費(fèi)=電費(fèi)價(jià)格×電機(jī)數(shù)量×電機(jī)功率/75%

(10)

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 智能投餌裝備作業(yè)性能試驗(yàn)

4.1.1 投餌能力

通過(guò)預(yù)試驗(yàn)，確定無(wú)人機(jī)投餌大顆粒飼料和小顆粒飼料時(shí)，最小投餌能力的倉(cāng)門開度大小均為20%，最大投餌能力的開度大小均為100%。將準(zhǔn)備的飼料稱重后裝入料箱，分別記錄無(wú)人機(jī)倉(cāng)門開度大小為20%和100%時(shí)的投餌作業(yè)時(shí)間，試驗(yàn)過(guò)程中采用塑料薄膜罩在排料口，收集離心圓盤撒出的顆粒飼料，防止顆粒飼料飛濺。無(wú)人船投餌大顆粒飼料和小顆粒飼料時(shí)，最小投餌能力的下料狀態(tài)均為4檔，最大投餌能力的下料狀態(tài)均為10檔。將準(zhǔn)備的顆粒飼料稱重后裝入料箱，分別記錄最小和最大投餌能力時(shí)的投餌作業(yè)時(shí)間。采用塑料薄膜或絨布罩在排料口，收集離心圓盤撒出的顆粒飼料，防止顆粒飼料飛濺。

無(wú)人機(jī)投餌大顆粒飼料時(shí)投餌能力為2.04～32.30 kg/min，無(wú)人機(jī)投餌小顆粒飼料時(shí)投餌能力為3.28～35.10 kg/min。無(wú)人船投餌大顆粒飼料時(shí)投餌能力為0.75～3.02 kg/min，無(wú)人船投餌小顆粒飼料時(shí)投餌能力為1.00～1.94 kg/min。

4.1.2 投餌破損率

無(wú)人機(jī)和無(wú)人船均采用塑料薄膜或絨布罩在排料口四周，無(wú)人機(jī)下方布置收集盒，離心圓盤撒出的顆粒飼料撞擊在蓬松狀態(tài)的塑料薄膜或絨布上，落在下方的收集盒內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)束后，記錄收集盒內(nèi)顆粒飼料質(zhì)量，大顆粒飼料采用孔徑2.5 mm標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分，小顆粒飼料采用孔徑1.6 mm標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分，再記錄標(biāo)準(zhǔn)篩內(nèi)的顆粒飼料質(zhì)量，計(jì)算篩下物(細(xì)粉和碎粒)的質(zhì)量。無(wú)人機(jī)投餌破損率試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示，無(wú)人船投餌破損率試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表3 無(wú)人機(jī)投餌破損率試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab. 3 Test datas of UAV feeding damage rate

由表3可以看出，無(wú)人機(jī)投餌大顆粒飼料的破損率平均值為0.28%，投餌小顆粒飼料的破損率平均值為0.32%；由表4可以看出，無(wú)人船投餌大顆粒飼料的破損率平均值為2.07%，投餌小顆粒飼料的破損率平均值為1.80%；均符合DG32/Z003—2019《智能投餌(藥)機(jī)》、DG/T 064—2019《投餌機(jī)》破損率指標(biāo)要求。

表4 無(wú)人船投餌破損率試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab. 4 Test datas of unmanned ship feeding damage rate

4.1.3 最大投餌幅寬

無(wú)人機(jī)最大投餌幅寬測(cè)定是將90個(gè)收集盒連續(xù)排成一排，收集盒寬度A為165 mm，收集盒布置的幅寬為14.85 m，收集盒內(nèi)加入適量的水，防止顆粒飼料進(jìn)入收集盒中再?gòu)椞鰜?lái)；無(wú)人機(jī)的倉(cāng)門開度大小100%、離心圓盤速度1 300 r/min，在采樣區(qū)前50 m開始投餌，等投餌機(jī)構(gòu)工作穩(wěn)定后，沿著中間軸線的預(yù)設(shè)航線，以3 m高度、3 m/s速度勻速行駛，離開采樣區(qū)后50 m停止投餌，依次清點(diǎn)各收集盒中顆粒飼料數(shù)量。無(wú)人船最大投餌幅寬測(cè)定是將26個(gè)收集盒排成一排，收集盒寬度A為165 mm，收集盒之間距離C為250 mm，收集盒布置幅寬為10.54 m，收集盒內(nèi)加入適量的水，防止顆粒飼料進(jìn)入收集盒中再?gòu)椞鰜?lái)；將無(wú)人船固定在電動(dòng)三輪車上，排料口離地距離為0.8 m，采用下料狀態(tài)10檔、投餌狀態(tài)10檔進(jìn)行最大投餌幅寬試驗(yàn)。在采樣區(qū)前10 m開始投餌，等投餌機(jī)構(gòu)工作穩(wěn)定后，沿著中間軸線的預(yù)設(shè)航線，電動(dòng)三輪車以約1 m/s速度勻速行駛，離開采樣區(qū)后10 m 停止投餌，依次清點(diǎn)各收集盒中顆粒飼料數(shù)量。

從采樣區(qū)兩端逐個(gè)收集盒進(jìn)行檢查，兩端首個(gè)有顆粒飼料的收集盒作為投餌播幅兩個(gè)邊界，投餌播幅邊界間的距離為投餌幅寬，無(wú)人機(jī)投餌小顆粒飼料時(shí)，圖5為無(wú)人機(jī)顆粒飼料數(shù)量分布曲線圖，無(wú)人機(jī)的倉(cāng)門開度大小為100%、離心圓盤速度1 300 r/min時(shí)，無(wú)人機(jī)投餌小顆粒飼料的最大投餌幅寬平均值超過(guò)14.85 m。無(wú)人船投餌小顆粒飼料時(shí),圖6為無(wú)人船顆粒飼料數(shù)量分布曲線圖，無(wú)人船采用下料狀態(tài)10檔、投餌狀態(tài)10檔時(shí)，無(wú)人船投餌小顆粒飼料的最大投餌幅寬平均值超過(guò)10.402 m。

圖5 無(wú)人機(jī)顆粒飼料數(shù)量分布曲線圖

圖6 無(wú)人船顆粒飼料數(shù)量分布曲線圖

4.1.4 航線規(guī)劃能力

無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃能力試驗(yàn)(圖7)是機(jī)手在遙控器APP軟件上的地圖上添加作業(yè)區(qū)域，設(shè)置作業(yè)幅寬，無(wú)人機(jī)APP軟件自動(dòng)規(guī)劃好無(wú)人機(jī)的飛行作業(yè)航線；在物料箱中加入適量顆粒飼料，點(diǎn)擊開始，無(wú)人機(jī)自動(dòng)開始投餌作業(yè)，作業(yè)完畢自動(dòng)返回起飛點(diǎn)。無(wú)人船航線規(guī)劃能力試驗(yàn)(圖8)是機(jī)手在無(wú)人船手機(jī)APP軟件上的地圖上可以添加若干個(gè)軌跡點(diǎn)，本次試驗(yàn)人工共添加4個(gè)軌跡點(diǎn)，APP軟件根據(jù)打點(diǎn)先后順序生成無(wú)人船的作業(yè)航線；在物料箱中加入適量顆粒飼料，點(diǎn)擊投餌巡航，無(wú)人船自動(dòng)駛向第1個(gè)軌跡點(diǎn)，到達(dá)第1個(gè)軌跡點(diǎn)后，自動(dòng)調(diào)整船頭方向，自動(dòng)打開投餌機(jī)構(gòu)開始投餌作業(yè)，依次駛向第2、3、4和1個(gè)軌跡點(diǎn)，到達(dá)第1軌跡點(diǎn)后投餌機(jī)構(gòu)停止作業(yè)。

圖7 無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃能力試驗(yàn)

無(wú)人機(jī)具有航線規(guī)劃能，在地面控制端添加作業(yè)區(qū)域，無(wú)人機(jī)可根據(jù)作業(yè)區(qū)域自動(dòng)規(guī)劃無(wú)人機(jī)的作業(yè)航線；無(wú)人機(jī)可自主從出發(fā)點(diǎn)出發(fā)，依據(jù)自主控制模式沿自動(dòng)規(guī)劃作業(yè)航線進(jìn)行投餌作業(yè)，顆粒物料投餌完，可安全自動(dòng)返回出發(fā)點(diǎn)。無(wú)人船不具有航線規(guī)劃能，需人工在地面控制端逐個(gè)添加軌跡點(diǎn)，無(wú)人船根據(jù)各軌跡點(diǎn)的先后順序生成無(wú)人船的作業(yè)航線；點(diǎn)擊開始作業(yè)命令，無(wú)人船可沿人工規(guī)劃作業(yè)航線進(jìn)行投餌作業(yè)，可安全自動(dòng)返回。

圖8 無(wú)人船航線規(guī)劃能力試驗(yàn)

4.1.5 自主控制模式行駛軌跡精度

無(wú)人機(jī)自主控制模式行駛軌跡精度試驗(yàn)是將高精度位姿信息檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備的移動(dòng)端固定在無(wú)人機(jī)上，機(jī)手在遙控器APP軟件的地圖上添加A、B點(diǎn)，作業(yè)幅寬選取4 m，無(wú)人機(jī)作業(yè)速度為3 m/s，高度為3 m，試驗(yàn)重復(fù)3次。無(wú)人船自主控制模式行駛軌跡精度試驗(yàn)是將高精度位姿信息檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備的移動(dòng)端固定在無(wú)人船上端，機(jī)手在手機(jī)APP軟件的地圖上添加軌跡點(diǎn)，本試驗(yàn)共添加4個(gè)軌跡點(diǎn)，第1軌跡點(diǎn)到第2軌跡點(diǎn)的航線為航線A，第3軌跡點(diǎn)到第4軌跡點(diǎn)為航線C，航線A和航線C平行，2條航線的距離為6 m，無(wú)人船的作業(yè)速度為1 m/s，試驗(yàn)重復(fù)3次。

高精度位姿信息檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備自動(dòng)記錄無(wú)人機(jī)行駛軌跡。表5為無(wú)人機(jī)自主控制模式行駛軌跡精度結(jié)果，表6為無(wú)人船自主控制模式行駛軌跡精度結(jié)果。

表5 無(wú)人機(jī)自主控制模式行駛軌跡精度結(jié)果Tab. 5 Accuracy results of UAV autonomous control mode driving trajectory

從表5、表6可以看出，無(wú)人機(jī)最大水平偏航距為-0.17 m，符合NY/T 3881—2021《遙控飛行播種機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》偏航距(水平)±0.4 m指標(biāo)要求。無(wú)人船最大水平偏航距為-0.73 m(圖10無(wú)人船航線規(guī)劃能力試驗(yàn))，符合DG32/Z003—2019《智能投餌(藥)機(jī)》行駛軌跡精度(直線)±2.5 m指標(biāo)要求。

表6 無(wú)人船自主控制模式行駛軌跡精度結(jié)果Tab. 6 Accuracy results of unmanned ship autonomous control mode driving trajectory

4.1.6 無(wú)人機(jī)續(xù)航能力

無(wú)人機(jī)續(xù)航能力試驗(yàn)是將無(wú)人機(jī)加入額定容量的顆粒飼料，機(jī)手在遙控器APP軟件的地圖上添加A、B點(diǎn)，作業(yè)幅寬為10 m，作業(yè)速度為3 m/s，高度為3 m，無(wú)人機(jī)投餌大顆粒飼料時(shí)倉(cāng)門開度采用30%、離心圓盤轉(zhuǎn)速為1 050 r/min，無(wú)人機(jī)投餌小顆粒飼料時(shí)倉(cāng)門開度采用20%、離心圓盤轉(zhuǎn)速為600 r/min；分別記錄單架次作業(yè)時(shí)間為t1，物料箱內(nèi)顆粒飼料撒完后，保持無(wú)人機(jī)在岸邊上空懸停，直至其發(fā)出電量不足報(bào)警后停止，記錄起航至停止的總時(shí)間t2。試驗(yàn)重復(fù)3次。無(wú)人船由于充滿一次電可以滿足1天作業(yè)量，故不再做續(xù)航能力試驗(yàn)。

無(wú)人機(jī)續(xù)航能力試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表7所示，符合NY/T 3881—2021《遙控飛行播種機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》最大續(xù)航能力1.2倍的指標(biāo)要求。

表7 無(wú)人機(jī)續(xù)航能力試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab. 7 UAV endurance test datas

4.2 智能投餌裝備效能評(píng)定

4.2.1 生產(chǎn)率

無(wú)人機(jī)生產(chǎn)率試驗(yàn)在作業(yè)面積為1.333 hm2、1.1 hm2、0.867 hm2的池塘進(jìn)行。分別記錄班次作業(yè)面積、純作業(yè)時(shí)間、工藝服務(wù)時(shí)間(換電池、加飼料等)、機(jī)具故障時(shí)間和機(jī)具轉(zhuǎn)移時(shí)間等。無(wú)人機(jī)加入額定容量的試驗(yàn)飼料，機(jī)手在遙控器APP軟件上的地圖上添加A、B點(diǎn)，規(guī)劃好無(wú)人機(jī)的作業(yè)航線，無(wú)人機(jī)作業(yè)航線不受池塘形狀尺寸、水草覆蓋率、增氧管路、電線排布等影響，所以3個(gè)試驗(yàn)池塘的作業(yè)航線相似，無(wú)人機(jī)作業(yè)航線示意圖如圖9所示，無(wú)人機(jī)作業(yè)幅寬為10 m、作業(yè)速度3 m/s、飛行高度3 m，無(wú)人機(jī)投餌大顆粒飼料時(shí)采用倉(cāng)門大小30%、離心圓盤轉(zhuǎn)速1 050 r/min，無(wú)人機(jī)投餌小顆粒飼料時(shí)采用倉(cāng)門大小20%、離心圓盤轉(zhuǎn)速600 r/min。

圖9 無(wú)人機(jī)作業(yè)航線示意圖

無(wú)人船生產(chǎn)率試驗(yàn)在1.333 hm2(圖10(a))、0.853 hm2、1.087 hm2(圖10(b))的池塘進(jìn)行。分別記錄班次作業(yè)面積、純作業(yè)時(shí)間、工藝服務(wù)時(shí)間(換電池、加飼料等)、機(jī)具故障時(shí)間和機(jī)具轉(zhuǎn)移時(shí)間等。無(wú)人船加入額定容量的顆粒飼料，在手機(jī)APP軟件上的地圖上添加軌跡點(diǎn)，規(guī)劃好無(wú)人船的作業(yè)航線，無(wú)人船作業(yè)航線受池塘形狀尺寸、水草覆蓋率、增氧管路、電線排布等影響，所以3個(gè)試驗(yàn)池塘的作業(yè)航線不完全相同；無(wú)人船投餌大顆粒飼料時(shí)采用下料狀態(tài)5檔、投餌狀態(tài)5檔進(jìn)行試驗(yàn)，無(wú)人船投餌小顆粒飼料時(shí)采用下料狀態(tài)4檔、投餌狀態(tài)4檔進(jìn)行試驗(yàn)，作業(yè)速度均為1 m/s。

(a) 1.333 hm2 (b) 0.853 hm2、1.087 hm2

前期已經(jīng)規(guī)劃好各試驗(yàn)池塘的無(wú)人機(jī)航跡路線，無(wú)人機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)生機(jī)具故障，換塘作業(yè)時(shí)無(wú)機(jī)具轉(zhuǎn)移時(shí)間，主要是換電池和加飼料的工藝服務(wù)時(shí)間，由于加料口尺寸較小，且無(wú)漏斗等輔助工具，加飼料時(shí)間較長(zhǎng)。實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，需要給無(wú)人機(jī)電池充電，目前無(wú)人機(jī)正常配套1個(gè)充電器和4塊電池，1個(gè)充電器一次可充2組電池，每塊電池需要充電15 min左右。通過(guò)估算無(wú)人機(jī)班次小時(shí)生產(chǎn)率，常州試驗(yàn)地點(diǎn)共15個(gè)池塘，面積為15.934 hm2，假設(shè)一個(gè)班次連續(xù)投餌2遍，班次作業(yè)面積U為31.868 hm2，根據(jù)實(shí)際作業(yè)效率估算得到作業(yè)時(shí)間Tz為13384 s，配備4塊電池為滿電，每1塊電池只作業(yè)1塊池塘，電池充電時(shí)間可與作業(yè)時(shí)間重疊，2個(gè)池塘的作業(yè)時(shí)間，額外需增加充電時(shí)間79 s，可充滿2塊電池，共需充14次，充電總時(shí)間為1 106 s。假設(shè)故障時(shí)間為0，則非作業(yè)時(shí)間為1 106 s，班次時(shí)間Tb為4.03 h，通過(guò)估算得到無(wú)人機(jī)班次生產(chǎn)率Wb為7.918 hm2/h。

前期已經(jīng)規(guī)劃好各試驗(yàn)池塘的無(wú)人船航跡路線，無(wú)人船試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)生機(jī)具故障，無(wú)人船無(wú)需更換電池，無(wú)人船換塘作業(yè)需要4個(gè)人工搬運(yùn)，機(jī)具轉(zhuǎn)移時(shí)間較長(zhǎng)。通過(guò)估算無(wú)人船班次小時(shí)生產(chǎn)率，常州試驗(yàn)地點(diǎn)共15個(gè)池塘，面積為15.934 hm2，假設(shè)一個(gè)班次連續(xù)投餌2遍，班次作業(yè)面積U為31.868 hm2，根據(jù)實(shí)際作業(yè)效率估算得到作業(yè)時(shí)間Tz為21543 s，需要轉(zhuǎn)移無(wú)人船29次，每次轉(zhuǎn)移時(shí)間平均為287 s，機(jī)具轉(zhuǎn)移總時(shí)間為8 323 s，初始無(wú)人船充滿電，整個(gè)作業(yè)過(guò)程中無(wú)需充電，充電總時(shí)間為0。假設(shè)故障時(shí)間為0，則非作業(yè)時(shí)間為8 323 s，班次時(shí)間Tb為8.30 h，通過(guò)估算得到無(wú)人船班次生產(chǎn)率Wb為3.841 hm2/h。

4.2.2 投餌效率比

人工投餌效率試驗(yàn)與無(wú)人機(jī)、無(wú)人船的生產(chǎn)效率試驗(yàn)在作業(yè)面積為1.333 hm2、0.747 hm2、0.767 hm2的養(yǎng)殖池塘同時(shí)進(jìn)行。每個(gè)池塘中都配有一艘船，所以人工作業(yè)過(guò)程中無(wú)機(jī)具故障時(shí)間和機(jī)具轉(zhuǎn)移時(shí)間，僅記錄班次作業(yè)面積、純作業(yè)時(shí)間、加飼料的工藝服務(wù)時(shí)間等。

通過(guò)估算人工作業(yè)班次小時(shí)生產(chǎn)率，常州試驗(yàn)地點(diǎn)共15個(gè)池塘，面積為15.934 hm2，假設(shè)一個(gè)班次連續(xù)投餌2遍，班次作業(yè)面積U為31.868 hm2，根據(jù)實(shí)際作業(yè)效率估算得到作業(yè)時(shí)間Tz為15 543 s，機(jī)具轉(zhuǎn)移時(shí)間為0，充電總時(shí)間0，假設(shè)故障時(shí)間為0，則非作業(yè)時(shí)間為0 s，但需要考慮人工效率逐漸下降和休息時(shí)間，人工降效按70%計(jì)算，班次時(shí)間Tb為6.17 h，通過(guò)估算得到人工班次生產(chǎn)率Wb為5.167 hm2/h。

各試驗(yàn)池塘的形狀尺寸、水草覆蓋率、增氧管路、電線排布等均不相同，所以在各池塘內(nèi)人工投餌的作業(yè)航線不相同，結(jié)合實(shí)際生成條件、環(huán)境，估算人工作業(yè)班次小時(shí)生產(chǎn)率，再計(jì)算各機(jī)具的效率比，由于無(wú)人船只有1條試驗(yàn)船，轉(zhuǎn)塘占用時(shí)間較長(zhǎng)，得出無(wú)人機(jī)相對(duì)人工的投飼效率比為53.24%，無(wú)人船相對(duì)人工的投飼效率比為-25.66%。

4.2.3 經(jīng)濟(jì)效益

人工作業(yè)過(guò)程中需要配置2人，每個(gè)池塘需配置1艘船，每個(gè)船按750元計(jì)算；無(wú)人機(jī)價(jià)格為48 000元，無(wú)人機(jī)作業(yè)過(guò)程中需要配置2人；無(wú)人船價(jià)格為48 000元，無(wú)人船作業(yè)過(guò)程中需要配置4人；江蘇地區(qū)每人的工資標(biāo)準(zhǔn)為22元/h，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電費(fèi)用為0.509元/(kW·h)，假設(shè)各機(jī)具壽命年限均為6年，每年機(jī)具的維修費(fèi)按照機(jī)具價(jià)格5%計(jì)算，通過(guò)估算累計(jì)用工費(fèi)用、總消耗電費(fèi)、折舊費(fèi)、維修費(fèi)等，來(lái)計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益。得出無(wú)人機(jī)平均費(fèi)用為1 867.05元/hm2，無(wú)人船平均費(fèi)用為5 244.6元/hm2，人工作業(yè)平均費(fèi)用為1 856.25元/hm2。

4.3 綜合評(píng)定

1) 無(wú)人機(jī)和無(wú)人船投餌能力、投餌破損率、最大投餌幅寬、航線規(guī)劃能力、自主控制模式行駛軌跡精度、續(xù)航能力均符合智能投餌裝備作業(yè)要求。且河蟹覓食時(shí)間大多在晚間，智能投餌裝備可以夜間作業(yè)，可以替代人工投餌作業(yè)。

2) 無(wú)人機(jī)可在多個(gè)池塘間連續(xù)投餌作業(yè)，無(wú)需人工搬運(yùn)機(jī)具進(jìn)行換塘作業(yè)；投餌作業(yè)效率、可靠性和轉(zhuǎn)移靈活度高于無(wú)人船和人工投餌作業(yè)；投餌幅寬優(yōu)于無(wú)人船和人工投餌作業(yè)；不受池塘形狀尺寸、水草覆蓋率、增氧管路、電線排布等影響。

3) 無(wú)人船可在下雨、刮風(fēng)等惡劣天氣進(jìn)行投餌作業(yè)；投餌量穩(wěn)定性、投餌幅寬優(yōu)于人工投餌作業(yè)；作業(yè)續(xù)航時(shí)間較長(zhǎng)，充一次電可滿足當(dāng)日投餌作業(yè)；可一次同時(shí)完成投餌和施藥作業(yè)。但由于需要轉(zhuǎn)塘造成投餌效率比為負(fù)值，建議在大面積池塘使用無(wú)人船或多購(gòu)置無(wú)人船可提高投餌效率。

5 結(jié)論

1) 本文設(shè)計(jì)一種評(píng)判智能化投餌裝備作業(yè)性能和效能測(cè)試的試驗(yàn)方法，通過(guò)對(duì)顆粒飼料撒播無(wú)人機(jī)和智能投餌(藥)船進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，得出的綜合評(píng)定供河蟹養(yǎng)殖戶選購(gòu)機(jī)型提供參考以及研究機(jī)械化投餌路徑規(guī)劃和作業(yè)要點(diǎn)提供幫助。

2) 試驗(yàn)結(jié)果表明：無(wú)人機(jī)和無(wú)人船池塘養(yǎng)殖作業(yè)性能穩(wěn)定，效能良好，投餌能力分別為2.04～35.10 kg/min和0.75～3.02 kg/min，破損率平均值分別為0.28%和2.07%，最大投餌幅寬平均值分別為14.85 m和10.402 m，航線規(guī)劃能力分別為自動(dòng)規(guī)劃和人工規(guī)劃，行駛軌跡精度最大水平偏航距分別為-0.17 m和-0.73 m，班次生產(chǎn)率分別為7.918 hm2/h和3.841 hm2/h，投飼效率比分別為53.24%和-25.66%，平均費(fèi)用分別為1 867.05元/hm2和5 244.6元/hm2，人工作業(yè)平均費(fèi)用為1 856.25元/hm2。

3) 河蟹養(yǎng)殖過(guò)程需要投喂動(dòng)物飼料，建議在現(xiàn)有機(jī)具上改進(jìn)升級(jí)具備投喂動(dòng)物飼料的智能投餌裝備。