基于云端環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測和彈性柵格算法的無人艇智能投餌系統(tǒng)

許仕杰 馮輝 向金林 韓家恒

摘 要：隨著各地區(qū)養(yǎng)殖規(guī)模的不斷增大，傳統(tǒng)的投餌方式已不再適合大規(guī)模的水產(chǎn)養(yǎng)殖。為了應(yīng)對大面積水產(chǎn)養(yǎng)殖中出現(xiàn)的諸多問題，本文提出了一種無人艇智能投餌系統(tǒng)。通過對無人艇養(yǎng)殖水質(zhì)環(huán)境信息采集、云端數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測、改進彈性柵格算法和投餌機裝置等方面進行研究。將水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中必不可少的水質(zhì)監(jiān)測與投餌一體化，無人艇上搭載的投餌機可以根據(jù)采集到的水質(zhì)環(huán)境作出及時調(diào)整。避免傳統(tǒng)投餌方式所產(chǎn)生的多種弊端，從而實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的自動化，達到水產(chǎn)養(yǎng)殖戶降低成本、增加產(chǎn)量的最終目的。

關(guān)鍵詞：水產(chǎn)養(yǎng)殖；投餌機；無人艇；云服務(wù)；智能投餌

近年來，我國的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速。在過去20年，水產(chǎn)養(yǎng)殖是世界范圍內(nèi)食品領(lǐng)域增長最快的行業(yè)[1]。市場上現(xiàn)存的投餌方式大致分為人工投餌，自動投餌機器投餌和自動巡航無人駕駛船投餌。國內(nèi)人工投飼通常主要是使用勺子、鐵鍬等手工工具拋灑飼料，難以精確掌握最適宜滿足養(yǎng)殖對象需求的投飼水平，并且隨著養(yǎng)殖規(guī)模的逐漸增大，人工投餌方式已經(jīng)趨于淘汰。自動投餌機投餌比起人工投餌更加節(jié)省餌料并且提高了投餌效率。但在大面積的圍網(wǎng)養(yǎng)殖中，自動投餌機受到安放位置的限制及投餌有效距離的限制，很難覆蓋到所有的養(yǎng)殖區(qū)域，往往需要多臺投餌機協(xié)同操作。這種投餌方式電線架設(shè)復(fù)雜、成本昂貴，尤其是遠離陸地的海水養(yǎng)殖更難架設(shè)投餌機。市場上還有一種投餌方式是自動巡航無人駕駛船投餌，雖然比起前兩種投餌方式無人駕駛船投餌更加靈活，極大的降低了養(yǎng)殖成本。但現(xiàn)有的無人駕駛船結(jié)構(gòu)單一，既缺乏合理的投餌區(qū)域劃分算法，又缺乏相應(yīng)的水質(zhì)監(jiān)測功能[2]。

水質(zhì)信息對投餌至關(guān)重要，如果能根據(jù)水質(zhì)情況對投餌作出及時調(diào)整，則會大大降低養(yǎng)殖過程中的餌料浪費和魚苗死亡率。

對比原有的投餌方式，本文提出的智能投餌系統(tǒng)，一方面可以實現(xiàn)水質(zhì)環(huán)境的實時監(jiān)測并通過檢測到的數(shù)據(jù)對投餌作出及時調(diào)整，降低養(yǎng)殖過程中的餌料浪費和魚苗死亡率。另一方面可以實現(xiàn)對大面積水域養(yǎng)殖的均勻投餌，安全系數(shù)高，在潮濕的環(huán)境下仍可以正常工作。

1 智能投餌系統(tǒng)架構(gòu)

本文提出的無人艇智能投餌系統(tǒng)主要由云端系統(tǒng)和多功能水產(chǎn)養(yǎng)殖無人艇兩部分組成。多功能水產(chǎn)養(yǎng)殖無人艇在規(guī)劃好的區(qū)域內(nèi)定點采集水質(zhì)環(huán)境信息，一方面無人艇上搭載的投餌機根據(jù)采集到的環(huán)境信息參數(shù)，確定投餌率以及判斷是否投放增氧劑等水質(zhì)改善物。另一方面將水質(zhì)環(huán)境信息和航姿狀態(tài)通過基站發(fā)送至云端，云端服務(wù)器對無人艇監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行儲存、處理及共享。云端服務(wù)器包括云端數(shù)據(jù)庫和云計算中心，首先云端數(shù)據(jù)庫對多功能水產(chǎn)養(yǎng)殖無人艇所采集的水質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)進行實時儲存，然后云計算中心調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對信息進行整合及處理。養(yǎng)殖戶通過PC、平板電腦、手機等終端訪問云端服務(wù)平臺實時監(jiān)控自家養(yǎng)殖水域水質(zhì)信息和多功能水產(chǎn)養(yǎng)殖無人艇的航姿狀態(tài)。

2 云端服務(wù)系統(tǒng)

無人艇將環(huán)境監(jiān)測信息發(fā)至云端，云計算通過對無人艇監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行儲存與處理后將水質(zhì)環(huán)境信息發(fā)送到客戶端，養(yǎng)殖戶可以遠程實時監(jiān)測到無人艇的航姿狀態(tài)以及投餌點水溫、pH、溶解氧等水質(zhì)環(huán)境數(shù)值。

無人艇上搭載的控制器則會根據(jù)無人艇上搭載的傳感器監(jiān)測到的環(huán)境信息改善投餌狀態(tài)。根據(jù)溫度傳感器測得的水溫信息，控制器會觸發(fā)投餌調(diào)控模塊改變投餌率；根據(jù)溶解氧傳感器和pH傳感器測得的水質(zhì)信息，控制器觸發(fā)化學試劑播撒模塊投放增氧劑或pH中和劑。當料斗中的投料或試劑不足時則觸發(fā)預(yù)警模塊，提醒用戶添加。

3 基于彈性柵格算法的路徑規(guī)劃

3.1 彈性柵格算法

（1）根據(jù)地圖獲取水域及及障礙物位置信息；

（2）劃定內(nèi)外投餌理論輪廓線，確定航行起點終點；

（3）創(chuàng)建正方形投餌柵格以每格中心為投餌點；

（4）獲取各點距離確定下一投餌點，調(diào)用全局路徑算法求得最小路徑。

3.2 無人艇投餌機改進

圖 投餌機改進圖

1進液口；2進料口；3料斗蓋；4分區(qū)上端面；5料斗內(nèi)框架；6分區(qū)下端面；7出料口；8出液口；9液體分區(qū)；10料斗外框架.

所述內(nèi)筒形斗壁被多個隔板分為多個扇形分區(qū)。充分考慮料斗裝載物的自由面效應(yīng)，采用分區(qū)的方法對料斗進行分區(qū)，以減小自由面效應(yīng)產(chǎn)生的不利影響，提高無人艇的穩(wěn)性。針對料斗清潔問題，采用雙層設(shè)計，方便料斗的取出并清潔。在對料斗的分區(qū)基礎(chǔ)上便可實現(xiàn)餌料、殺蟲劑等液態(tài)裝載物的同時搭載。料斗蓋采用不銹鋼材質(zhì)并進行光滑處理，太陽光照射和無人艇的運動可產(chǎn)生閃光，利用鳥類的懼怕閃光特性可實現(xiàn)驅(qū)鳥功能，減少魚類損失。

4 結(jié)語

本文提出的一種基于云端環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測和彈性柵格算法的無人艇智能投餌系，具有以下創(chuàng)新點：

（1）增加了云服務(wù)的功能，將水質(zhì)監(jiān)測與智能投餌一體化。真正意義上的實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖智能化。

（2）將彈性柵格算法用于水產(chǎn)養(yǎng)殖，無人艇結(jié)合全局路徑算法及水域地理環(huán)境信息將水域分成均勻的投餌區(qū)域并且遍歷各投餌區(qū)域，實現(xiàn)均勻投餌的功能，有利于魚類均勻分布、均勻生長并最大程度的利用水域自然資源。

（3）改進后的投餌機結(jié)構(gòu)能夠有效減小自由面并同時搭載固態(tài)餌料及液態(tài)殺蟲劑、水質(zhì)緊急處理試劑。

參考文獻：

[1]羅國芝，朱澤聞，包存寬.中國水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)劃現(xiàn)狀分析與對策[J].環(huán)境污染與防治，2009，31（02）：8789.

[2]洪劍青，趙德安，孫月平，張軍，羅吉.水產(chǎn)養(yǎng)殖自動導(dǎo)航無人明輪船航向的多模自適應(yīng)控制[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33（01）：95101.