一种基于光-声耦合技术的游泳型鱼类自适应投喂装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于光‑声耦合技术的游泳型鱼类自适应投喂装置和方法，装置包括循环水养殖池、循环水处理系统、投饲机、高清防水摄像头、水听器、数字信号处理器等；该装置主要利用机器视觉技术与声学技术结合对投喂过程中鱼的实时摄食欲望进行自适应精准分析和评估，以此制定投饲策略。本发明专利技术的装置结构简单，方法精准简便，本发明专利技术的自适应投喂装置和方法适合于循环水养殖模式，能有效的解决现有循环水养殖系统中的饲料投喂未结合鱼类实际摄食需求，造成的饲料投喂不合理、饲料利用率和转化率低、影响鱼的生长福利等问题。

An adaptive feeding device and method for swimming fish based on optical acoustic coupling technology

【技术实现步骤摘要】
一种基于光-声耦合技术的游泳型鱼类自适应投喂装置及方法
本专利技术涉及工厂化循环水水产养殖投喂机械
，具体来说涉及一种融合光学和声学技术的游泳型鱼类自适应投喂装置及方法，该装置可以根据游泳型鱼类的实时摄食需求自动调整饲料投喂时间和投喂量。
技术介绍
工厂化循环水养殖作为一种高密度的水产养殖形式，对于水质的调节和控制要求非常严格，而饲料投喂作为循环水养殖每日不可缺少的工作环节，对水质参数的影响很大。目前，工厂化循环水养殖饲料投喂主要依靠人工和机器定时定量投喂这两种方式，并不能根据鱼的实际饥饿程度自动调整投饲量和投喂时间，造成投饲量与鱼的实际摄食需求不匹配。当投喂量小于鱼的实际摄食需求时，会出现严重的抢食现象，使鱼之间发生相互碰撞甚至造成鱼体表面损伤，另外，当某些抢食性差的鱼长期达不到饱食，其生长速度会远低于鱼群中的其他鱼，造成严重的两极分化，而表面有损伤的鱼和弱小的鱼更容易感染某些鱼类疾病，使养殖水环境承受较大的压力，对鱼的生长产生不利的影响；当投喂量大于鱼的实际摄食需求时，不仅会增加养殖成本，多余的饲料还会严重污染养殖环境、影响鱼的最佳生长状态并制约鱼的生长福利。因此，饲料的投喂量要尽可能的与鱼的实际摄食需求一致，而循环水系统养殖幼鱼时养殖密度更高，且幼鱼个体小体质弱，对生长环境更加敏感，在幼鱼的养殖生产过程中，投饲量既要满足幼鱼生长的需要，更要为其创造良好的生长条件。计算机视觉技术是一种能够实时判断鱼类摄食需求，且便于与投饲机相配合进行投饲作业的技术，但对于幼鱼来说，其体型较小，当处于摄食中的鱼数量较少及鱼群摄食活跃程度变弱时，鱼在摄食过程中产生的视觉信息变化并不是很大，利用机器视觉方法进行的投喂判断变的不是很准确，这一缺陷在光照条件不佳和水体浑浊度较高时，更为明显。声学技术可以采集鱼类在摄食过程中产生的音频信息，该采集过程不受光照和水体浑浊度影响，随着摄食鱼数量的减少以及摄食欲望的降低，音频不同频率声压级会呈一定规律变化，据此可以较好的判断出鱼的摄食强度变化。基于以上问题和技术，本专利技术提出的是一种基于光-声耦合技术的游泳型鱼类自适应投喂装置，将机器视觉技术与声学技术相结合，根据鱼类生长和摄食需求自动切换控制方式以达到精准投喂作业，为鱼类提供适合生长所需的食物与营养，并创造良好的生长环境条件。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种精准的基于光-声耦合技术的游泳型鱼类自适应投喂方法及装置，根据鱼的实际摄食需求，自动调整投喂量和投喂时长，为循环水养殖的合理化投饲作业提供良好的参考和技术支撑。本专利技术的一种基于光-声耦合技术的游泳型鱼类自适应投喂装置，包括循环水养殖池、循环水处理系统、高清防水摄像头、投饲机出料口、投饲机、LED补光灯、PLC、数字信号处理器、显示器、水听器；循环水养殖池的外部安装有循环水处理系统；高清防水摄像头安装在循环水养殖池的正上方，而且高清防水摄像头与数字信号处理器的输入端相连；投饲机安装在循环水养殖池的正上方，且在高清防水摄像头的两侧各有一个投饲机的出料口，此外，投饲机的下方还设有若干LED补光灯(如：六个LED补光灯与两个出料口一同均布在投饲机的下方圆周上)，另外，投饲机与PLC的输出端相连；水听器固定在循环水养殖池的内部，与数字信号处理器的输入端相连；数字信号处理器的输出端同时与PLC的输入端以及显示器相连；应用上述装置进行游泳型鱼类的自适应投喂，投喂方法包括如下步骤：1)高清防水摄像头将拍摄的实时视频画面实时传送至数字信号处理器；2)数字信号处理器对接收到的视频画面做预处理，提取每一帧的画面信息，并对图像进行阈值分割；采用“ostu阈值分割”方法,令g(x)＝w0αβ*(u0-u)2+w1αβ*(u1-u)2，当g(x)取最大值时x即为分割阈值，前景点和背景点通过x划分，灰度级大于x的称为背景点，灰度级低于x称为前景点，其中w0为前景点所占图像比例，u0为前景点灰度级均值；w1为背景点所占图像的比例，u1为背景点灰度级均值，u＝w0*u0+w1*u1；α为当前帧画面的光照系数，该参数由养殖环境的光照强度决定，α的取值范围为0～1，光线越强，α取值越大β为养殖水体浑浊度系数，该参数由养殖水体浑浊度程度决定，β的取值范围为0～1，养殖水体浑浊程度越高，β取值越小；3)根据上述所求阈值及分割结果，将视频帧中表示鱼体信息即前景的像素点个数S1计算出来，若S1＞0.5S，其中S为帧画面内所有像素点的个数，则数字信号处理器向PLC输入处理结果，PLC控制投饲机进行工作，投喂10s；4)投喂开始后，摄像头仍正常向数字信号处理器传送实时视频信息，数字信号处理器提取实时视频中每帧的画面信息，并将每帧画面分割为摄食中心区域T1和摄食边缘区域T2两部分，其中摄食中心区域T1以循环水池的中心为圆心，半径为：其中r0为循环水池的半径，n为循环水养殖池内养殖鱼的条数，li为循环水养殖池内第i条鱼的体长，lmax为循环水养殖池中鱼的最大体长；除摄食中心区域以外的养殖池区域均为摄食边缘区域；5)用稠密光流算法分别计算出两个区域相邻视频帧之间的光流变化值F1t和F2t,将T1区域内坐标为(i，j)的移动向量设为(xij，yij),将T2区域内坐标为(i′，j′)的移动向量设为(xij′，yij′)则其两个区域的光流变化值分别为:和其中，N1为T1区域内的像素点总数，N2为T2区域内的像素点总数；并将计算出的光流变化值随时间的动态变化实时呈现在显示屏上；6)根据计算出的时间段t内的两个区域光流变化均值F1和F2分别与摄食中心区域阈值FT1和摄食边缘区域阈值FT2进行比较；FT1＝1.4μF1′，FT2＝1.2μF2′，其中，F1′和F2′分别为非投喂状态时区域T1和区域T2的光流变化均值，μ为水质综合修正系数，其中，T为养殖水体标准温度，ΔT为水体温度与标准温度T的差值；Ph为养殖水体标准PH，ΔPh为水体PH与水体标准PH的差值；Do为养殖水体的标准溶氧量，ΔDo为水体溶氧量与水体标准溶氧量的差值；若F1＞FT1且F2＜FT2，则进行下一次投喂，投喂时长与前一次相同，投喂量为：其中m0为满足鱼正常生长和营养需求的最低饲料投喂量；7)若或时，则数字信号处理器自动将机器视觉控制投喂切换至声学系统进行投喂控制；水听器采集鱼摄食过程中产生的音频信息(1500-3000Hz)，并将其实时传送至数字信号处理器，当采集到的音频声压级有效值Z＞ZT时，系统进行投喂，其中ZT为确定投喂的音频声压级有效值阈值，ZT＝(60*log10T)dBre1uPa，其中T为实时水温；投喂量为：8)若Z＜ZT,则数字信号控制器向PLC发出停止投喂指令，由PLC控制投饲机停止工作，并自动将投饵控制系统切换至机器视觉进行控制，等待下一次投喂工作的开始。本专利技术的装置采用投饲机、PLC、高清防水摄像头、水听器、数字信号处理器以及显示器等构成完整的自适应投喂装置，可以根据鱼的实际摄食情况自动切换投喂控制方式，以此达到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光-声耦合技术的游泳型鱼类自适应投喂装置，其特征在于，包括循环水养殖池(1)、循环水处理系统(2)、高清防水摄像头(3)、投饲机出料口(4)、投饲机(5)、LED补光灯(6)、PLC(7)、数字信号处理器(8)、显示器(9)、水听器(10)；/n循环水养殖池(1)的外部安装有循环水处理系统(2)；/n高清防水摄像头(3)安装在循环水养殖池(1)的正上方，而且高清防水摄像头(3)与数字信号处理器(8)的输入端相连；/n投饲机(5)安装在循环水养殖池(1)的正上方，且在高清防水摄像头(3)的两侧各有一个投饲机的出料口(4)，此外，投饲机(5)的下方还设有若干LED补光灯(6)，投饲机(5)与PLC(7)的输出端相连；/n水听器(10)固定在循环水养殖池(1)的内部，与数字信号处理器(8)的输入端相连；/n数字信号处理器(8)的输出端同时与PLC(7)的输入端以及显示器(9)相连。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于光-声耦合技术的游泳型鱼类自适应投喂装置，其特征在于，包括循环水养殖池(1)、循环水处理系统(2)、高清防水摄像头(3)、投饲机出料口(4)、投饲机(5)、LED补光灯(6)、PLC(7)、数字信号处理器(8)、显示器(9)、水听器(10)；
循环水养殖池(1)的外部安装有循环水处理系统(2)；
高清防水摄像头(3)安装在循环水养殖池(1)的正上方，而且高清防水摄像头(3)与数字信号处理器(8)的输入端相连；
投饲机(5)安装在循环水养殖池(1)的正上方，且在高清防水摄像头(3)的两侧各有一个投饲机的出料口(4)，此外，投饲机(5)的下方还设有若干LED补光灯(6)，投饲机(5)与PLC(7)的输出端相连；
水听器(10)固定在循环水养殖池(1)的内部，与数字信号处理器(8)的输入端相连；
数字信号处理器(8)的输出端同时与PLC(7)的输入端以及显示器(9)相连。


2.一种采用如权利要求1所述装置进行游泳型鱼类自适应投喂的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)高清防水摄像头(3)将拍摄的实时视频画面实时传送至数字信号处理器(8)；
2)数字信号处理器(8)对接收到的视频画面做预处理，提取每一帧的画面信息，并对图像进行阈值分割；令g(x)＝w0αβ*(u0-u)2+w1αβ*(u1-u)2，当g(x)取最大值时x即为分割阈值，其中w0为前景点所占图像比例，u0为前景点灰度级均值；w1为背景点所占图像的比例，u1为背景点灰度级均值，u＝w0*u0+w1*u1；α为当前帧画面的光照系数，该参数由养殖环境的光照强度决定，α的取值范围为0～1，光线越强，α取值越大；β为养殖水体浑浊度系数，该参数由养殖水体浑浊度程度决定，β的取值范围为0～1，养殖水体浑浊程度越高，β取值越小；
3)根据上述分割结果，将视频帧中表示鱼体信息即前景的像素点个数S1计算出来，若S1＞0.5S，其中S为帧画面内所有像素点的个数，则数字信号处理器向PLC输入处理结果，PLC控制投饲机进行工作，投喂10s；
4)投喂开始后，摄像头仍正常向数字信号处理器传送实时视频信...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶章颖，魏丹，赵建，韩志英，朋泽群，朱松明，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33