【摘 要】
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国内工厂化循环水养殖模式得到大力的推广和发展,其中水处理技术与装备已经相当成熟,但与之配套的智能投饲、分级与起捕等生产辅助装备的发展还不完善,尤其是在工厂化循环水鱼池中漂浮死鱼的捞除技术与装备更是鲜有涉及。相对于封闭的养殖系统,因为水质、温度、溶解氧和疾病等各种因素的影响,出现死鱼很容易引起感染。目前主要通过人工捕捞死鱼,随着劳动成本的增加、劳动强度大、人力资源的紧缺、从事这种低级单调无味的工作的
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国内工厂化循环水养殖模式得到大力的推广和发展,其中水处理技术与装备已经相当成熟,但与之配套的智能投饲、分级与起捕等生产辅助装备的发展还不完善,尤其是在工厂化循环水鱼池中漂浮死鱼的捞除技术与装备更是鲜有涉及。相对于封闭的养殖系统,因为水质、温度、溶解氧和疾病等各种因素的影响,出现死鱼很容易引起感染。目前主要通过人工捕捞死鱼,随着劳动成本的增加、劳动强度大、人力资源的紧缺、从事这种低级单调无味的工作的人越来越少。本文的研究对象—工厂化循环水鱼池的漂浮死鱼的智能捞除,解决了人工繁琐的捞除死鱼的问题。本文围绕机械臂的智能捞除需求,对机械臂在工厂化循环水环境下的死鱼目标检测与跟踪、死鱼像素位置转换和基于机器人操作系统的捞除方法进行了探索,论文具体内容包括以下几个方面:（1）对死鱼进行目标检测研究。首先收集了在工厂化循环水环境中不同工况下的8970张死鱼图片,并使用Ro Label Img软件进行了标注,然后介绍了目前先进的目标检测算法YOLO v5的网络结构,接着分析了死鱼的目标特征为具有长宽比例的旋转目标,使用更加符合死鱼的旋转目标检测算法,并训练评估了旋转目标检测的性能,其中平均类别的平均精度达到90.44%。最后采用深度相机研发了三维目标检测,并与普通相机映射的二维图像的三维目标检测做了比较,确定了捞除试验的相机选择。（2）对死鱼进行目标跟踪和坐标系转换。首先阐述了目标跟踪DeepSORT算法框架,使用了旋转目标跟踪作为输入,创新了在目标匹配时使用旋转IOU匹配并以旋转目标作为外观特征匹配提取方式,然后对改进的多目标旋转跟踪和未改进的多目标跟踪的模型进行了评估,本文方法的多目标旋转跟踪准确率为79.6%,较YOLO v5-DeepSORT算法提高了22.6%,多目标旋转跟踪精确度为68.4%提高了4.9%。并使用多目标旋转跟踪对在工厂化循环水鱼池中的漂浮死鱼的路径进行分析,发现死鱼基本上都是以鱼池中心进行旋转,奠定了死鱼捞除方法中使用极坐标系来捞除死鱼的客观性。其次,使用小孔成像原理对单目相机建立了数学模型,并得到了相机内部参数,使用手眼标定方法求解了相机坐标系到机械臂基础坐标系的位置和姿态的转换,最后通过离散极坐标方法实现了死鱼的坐标转换并得到了捞除坐标。（3）基于ROS机械臂设计和捞除试验。首先根据需要捞除工厂化循环水鱼池漂浮死鱼这一需求比较选择了机械臂、设计了末端执行器及其附属机构。并基于ROS配置了机械臂的控制,实现了常用位姿设置、机械臂静态避障及其在关节空间运动控制和笛卡尔空间的运动控制。然后将多目标旋转跟踪、坐标系转换集成到ROS实现了机械臂与算法的实时通信。其次阐述了捞除试验系统的组成部分,试验分为两种情况在养殖鱼池内进行实时的死鱼智能捞除试验:一种为具有正常进水和曝气的情况,另一种是有曝气但没有进水的情况。试验表明:无进水情况下的死鱼一次成功捞除率达到60%,而在正常情况下死鱼一次成功捞除率达到77.14%。最后对捞除试验的捞除影响因素从目标跟踪方法的准确性、相机位置对坐标转换的影响和影响一次成功捞除率的原因与改进方向四个角度进行了分析。研究成果对工厂化循环水鱼池漂浮死鱼的智能捞除研究具有参考价值,并对工厂化循环水智能化及其无人化提供了基础研究方向。
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