自動巡航式無人駕駛投餌船的研制*

李明鄭文鐘洪一前

水產養(yǎng)殖在浙江省農業(yè)中占有重要地位。據統(tǒng)計，2016年全省漁業(yè)總產值為962.01億元，占農林牧漁業(yè)總產值比例為30.58%；同期淡水漁業(yè)產值為234.93億元，占漁業(yè)產值比例為24.42%[1]。投餌作業(yè)是水產養(yǎng)殖的一個重要環(huán)節(jié)。目前國內水產養(yǎng)殖投餌作業(yè)主要有人工投餌和簡易機械投餌兩種方式。人工投餌存在勞動強度大、喂料技術因人而異、飼料落點不均勻等缺點，進而帶來局部水域餌料殘留過多、水體環(huán)境惡化等問題；簡易投餌機雖然目前國內使用范圍較廣，但此類投餌機大多存在定時不準確、可靠性低、投餌與間歇時間設置不合理、投餌距離不可調、餌料損耗高和儲料量小等諸多缺點。由此可見，現(xiàn)行的人工投餌和簡易投餌機均無法適應當今國內水產養(yǎng)殖規(guī)模化、現(xiàn)代化和自動化發(fā)展的需要。鑒于此，在參考借鑒國內外有關水產養(yǎng)殖自動投餌機械研制相關文獻的基礎上[2-4]，結合水產養(yǎng)殖工藝對投餌作業(yè)的要求，利用GPS導航、自動控制、信息通訊等高新技術研制一種自動巡航式投餌船，并進行相關試驗，以期為加快水產養(yǎng)殖現(xiàn)代化和推進水產養(yǎng)殖“機器換人”提供裝備技術支撐。

1 總體結構和主要指標

1.1 總體結構設計

不同的水產養(yǎng)殖品種對飼料投喂要求是不同的。如對蝦有群聚且活動區(qū)域相對固定的特性，根據對蝦這一生活習性，投餌船在進行飼料投喂時，要與堤岸保持一定距離且以一定速度沿池塘岸邊航行；而魚類則沒有與對蝦類似的生活習性，生活區(qū)域不固定。為適應不同種類水產養(yǎng)殖對象的飼料投喂要求，投餌船設計時確定了兩種工作模式即手動遙控和自動巡航兩種工作模式。在手動遙控模式下，投餌船的航向和航行速度由操作人員控制；在自動巡航模式下，控制系統(tǒng)根據自身獲取的探測信息自動調整投餌船的航行速度和航向。根據投餌船的功能要求和設計目標，投飼船結構及設備布置如圖1所示。

圖1 投餌船結構示意圖

1.2 主要性能指標

根據魚、蝦等水產動物品種的養(yǎng)殖技術規(guī)程和日常操作規(guī)范，結合南方地區(qū)池塘的地形、地貌、氣候等自然條件，確定設計無人駕駛投餌船應滿足的主要技術指標如表1所示。

表1 研制開發(fā)投餌船的主要性能指標

2 樣機組成系統(tǒng)部件設計

2.1 行走系統(tǒng)

投餌船在作業(yè)水域的行駛過程可分解為直線行駛和轉彎2個基本運動。要完成上述基本運動，需要行走裝置、轉向裝置及控制系統(tǒng)的三者配合。

（1）行走裝置。投餌船的行駛需要船體和相應驅動裝置的配合。根據研制投餌船的相關技術性能指標，投餌船采用船體尺寸為235 cm×105 cm×43 cm（長×寬×高）的平底船，選擇浙江省臺州市光悅游艇有限公司生產的48V4.0HP無人船推進器作為動力推進裝置，為船體前進提供所需的推力，該無人船推進器具有體積小、質量小、易于控制等特點。

（2）轉向裝置。投餌船行駛時改變航向就能實現(xiàn)轉彎。轉向裝置主要由航向控制器、控制連桿和水刀三個部件組成。根據所用平底船的結構特征，在平底船尾部加裝了兩塊50 cm×15 cm（長×寬）且相距20 cm的塑料薄板作為投餌船的水刀，航向控制器在投餌船行駛中接收到巡航控制系統(tǒng)指令后，通過控制連桿改變電動螺旋槳的推進方向，實現(xiàn)投餌船轉向即航行路線和航向的改變。

2.2 投喂系統(tǒng)

精準投喂是本樣機研制的主要目標之一。實現(xiàn)投餌船精準投喂需要在飼料投放前了解魚（蝦）在養(yǎng)殖池塘中的空間分布。投喂系統(tǒng)由以下兩部分構成。

（1）魚（蝦）探測裝置。投餌船的探測裝置由超聲波傳感器、數據處理控制軟件模塊等組成。投餌船在養(yǎng)殖池塘內按一定的速度和線路巡航時，當探測裝置的超聲波傳感器在池塘中發(fā)現(xiàn)魚（蝦）群后，會將相應信息傳送給數據處理控制模塊部件，再由控制模塊向投料裝置發(fā)送是否拋料作業(yè)的指令。

（2）投料裝置。它是執(zhí)行飼料投放功能的設備，主要包括料倉、下料裝置、拋料機構和配套電機。整個投餌設備安裝在船體中偏后部位置，以避免料倉中飼料量減少引起投飼船重心位置變化，進而影響投餌船行駛的穩(wěn)定性。當投料裝置接收到開始投餌指令時，下料裝置的控制閥門和拋料電機的開關同時開啟，料倉中的飼料經下料器閥門口落到由電機帶動的高速旋轉的拋料盤中被甩出，投料的時機和時間長短由投餌船的飼料投喂控制系統(tǒng)決定。

2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由軟件模塊、信號接收器、自動巡航控制器等電子器件組成。通過在控制系統(tǒng)各模塊中預先設定相應的工作參數，實現(xiàn)投餌船的自動巡航和飼料投喂作業(yè)。

（1）自動巡航控制系統(tǒng)。自動巡航是指投餌船能按預先設定線路行駛，在行駛中能自動調整投餌船的航行路線和航向。系統(tǒng)開發(fā)時采用深圳市凌涵科技有限公司生產的Ublox-NEO-M8N GPS導航定位模塊，并結合用計算機C語言開發(fā)的相應軟件控制系統(tǒng)，實現(xiàn)投餌船作業(yè)時按預先設定路線的自動行駛和轉向。另外，系統(tǒng)開發(fā)時還增加了手動遙控工作模式，該模式下使用人員通過操作睿斯凱企業(yè)生產的X7無線電遙控器，能夠實現(xiàn)對推進器的啟動和停止、投餌船的航向和航行速度等的控制。

（2）飼料投喂控制系統(tǒng)。飼料投喂控制系統(tǒng)的軟件模塊也采用計算機C語言開發(fā)，當魚（蝦）探測裝置探測到魚（蝦）時，將此信息傳送給飼料投喂系統(tǒng)的控制軟件模塊，然后同時開啟投料系統(tǒng)中的下料裝置閥門和拋料機構電機，投餌裝置就開始拋料作業(yè)，在拋灑一定數量飼料后，投料系統(tǒng)的控制軟件模塊又會發(fā)送停止投餌作業(yè)的指令，投餌裝置隨之停止作業(yè)；然后船體繼續(xù)行走，再重新探測魚（蝦）群決定投料的時機和地點。

2.4 電源管理系統(tǒng)

投餌船上需要用電的部件不僅多，而且各用電部件的電壓也不相同；因而需要根據投餌船各用電設備的功率總消耗和工作電壓，配置相應電源和裝置以適應各用電設備的工作電壓。

（1）供電電源選擇。自動投餌船上所有用電設備需要電源支持。綜合考慮船上所有設備的用電功耗，投飼船采用12組3.5～4.2 V的DC鋰電池作為電源，經過串聯(lián)后形成一個平均為48 V的DC總電源，進而分別為投餌船的行駛驅動裝置、航向控制裝置、魚（蝦）探測裝置、投料裝置等各個用電設備提供所需的相應電能。

（2）用電裝置電壓確定。根據投餌船系統(tǒng)各設備工況和功耗的要求，各用電設備工作電壓參數如下：行駛系統(tǒng)中的螺旋槳推進器工作電壓48 V，航向控制器的電機工作電壓為24 V、模塊工作電壓為5 V；投喂系統(tǒng)中的下料裝置控制閥門的電機工作電壓5 V，拋料機構工作電壓48 V；自動巡航控制系統(tǒng)中GPS工作電壓為3.3 V，信號接收器的工作電壓5 V。對上述各用電設備所需工作電壓，則通過在總電源輸出端加裝一個電壓調整模塊裝置來實現(xiàn)。

3 樣機試驗

根據上述研究技術思路，項目實施研制出的投餌船樣機如圖2所示。

3.1 試驗條件和試驗方法

（1）試驗條件。水產養(yǎng)殖投餌船經過設計、制造和安裝調試后，于 2017年10月至2018年2月近5個月的時間內，在金華市金東區(qū)萬豪山莊的魚塘進行了多次的投餌船樣機試驗和性能測試，池塘中的主要水產養(yǎng)殖品種為四大家魚和鯽魚。該魚塘的形狀呈不規(guī)則的長方形，水域面積大約4 hm2，平均水深約為2.0 m。試驗魚塘及周邊環(huán)境的基本情況如圖3所示。

圖2 研制的投餌船樣機

圖3 投餌船樣機試驗現(xiàn)場圖

（2）試驗方法。試驗前依靠人工養(yǎng)殖經驗來設定投餌船的行走和投飼軌跡，并根據項目合同書中的技術性能指標要求，分別在手動遙控和自動巡航兩種工作模式下，測試投餌船直線行駛、拐彎等動作的穩(wěn)定性，以及船上投喂設備的穩(wěn)定性和拋撒飼料的均勻性等性能。同時對在試驗過程中發(fā)現(xiàn)的各種問題采取各種有效措施加以解決，直至投餌船樣機的各項性能指標均達到項目合同書中的規(guī)定要求。在性能指標自測達到設計要求后，請浙江方圓檢測集團股份有限公司對樣機各項性能指標進行檢測，以確保樣機性能指標的權威性。

3.2 試驗結果和分析討論

（1）試驗結果。從試驗過程看，在手動遙控工作模式下，投餌船完全能夠根據操作人員給出的指令實現(xiàn)自動起停，按照一定速度進行轉向、直行等相關行駛動作，并在行駛過程中完成魚（蝦）群探測、飼料投喂等作業(yè)，同時投餌船行駛過程中具有良好的穩(wěn)定性、直線性等性能；在自動巡航工作模式下，投餌船雖然能按預先設定的線路、拐點完成行駛、轉向等相應動作，也能夠在行駛過程中完成魚（蝦）群探測、飼料投喂等作業(yè)，然而在轉向后需要直行時，投餌船的行駛路線時常會呈現(xiàn)“S”形軌跡，使投餌船的實際行駛路線與預先設定的線路發(fā)生部分偏離，從而在一定程度上影響了投餌作業(yè)效果。

（2）分析討論。在自動巡航模式下進行投餌作業(yè)時，投餌船的行駛路線時常會呈現(xiàn)“S”形軌跡的原因主要有兩個方面：一是所選船型對自動控制的適應性不夠。試驗時采用的船體是平底船，船體由于吃水淺，驅動時水中所受阻力較小，當橫向方向稍微受到一點外力就容易發(fā)生偏轉；若采用“V”形船體，船體吃水深，雖然行駛時水中所受阻力較大，但在橫向方向所受外力不大時就不易發(fā)生偏轉，從而能確保船體行駛的直線性。二是自動導航控制軟件模塊的算法有待完善。投餌船若要能按預先設定路線自動行駛，需要在行駛速度和所受扭力、阻力三者之間形成合理匹配，這需要控制系統(tǒng)的PID控制算法的支撐，但現(xiàn)有的增量式算法、位置式算法、微分先行算法三種PID控制算法并不能完全滿足投餌船自動巡航過程中的控制要求，需要對控制系統(tǒng)中采用的PID控制算法進行完善。

4 結論與建議

（1）投餌船樣機經浙江方圓檢測集團股份有限公司現(xiàn)場實地檢測，達到預定的各項性能指標要求（檢測報告編號：1811300804）。該投餌船由于具有手動遙控和自動巡航兩種操作模式，不僅能夠適應魚、蝦等具有不同生活習性的水產品種的養(yǎng)殖投餌作業(yè)，而且還能大幅降低投餌作業(yè)勞動強度，提高飼料利用率，減少飼料對水體環(huán)境的污染，因而具有廣闊的推廣應用前景。

（2）雖然投餌船具有結構簡單、制造方便、性能穩(wěn)定等優(yōu)點 ，但在自動巡航過程中的軌跡會出現(xiàn)“S”形路線，從而在一定程度上會影響飼料投放準確率。為此，研發(fā)人員下一步將對投餌船自動控制中的PID控制算法做進一步改進，同時采用“V”形船體替代試驗中所用的平底船，實現(xiàn)投餌船在自動巡航過程中能實時調整和穩(wěn)定船體航向，并避免出現(xiàn)“S”形行駛軌跡，由此確保投餌船在自動巡航時行走路線的直線性，進而提高飼料投放地點的準確性和有效性。

[1]浙江省統(tǒng)計局,國家統(tǒng)計局浙江調查總隊.浙江統(tǒng)計年鑒[Z]，2017.北京：中國統(tǒng)計出版社，2018.

[2]唐榮,鄒海生,湯濤林,等.自動投飼船及其測控系統(tǒng)的設計與開發(fā)[J].漁業(yè)現(xiàn)代化,2013,40(6)：30-35.

[3]陳曉龍,陳軍,唐榮,等.對蝦船載投飼機的研制[J].上海海洋大學學報,2015,24(1)：152-160.

[4]孫月平,趙德安,洪劍青,等.河蟹養(yǎng)殖全覆蓋自動均勻投飼的軌跡規(guī)劃與試驗[J].農業(yè)工程學報,2016,32(18)：190-200.