多功能水產(chǎn)養(yǎng)殖作業(yè)船自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)研究

田翌辰 黃大鵬 李清林 朱孝勇

摘 要：為降低水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度和人力成本，解決勞動(dòng)力日益匱乏的問(wèn)題、提高魚(yú)塘投餌效率和投餌均勻度，設(shè)計(jì)了一種基于組合導(dǎo)航的多功能全自動(dòng)河蟹養(yǎng)殖作業(yè)船導(dǎo)航控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由明輪驅(qū)動(dòng)船、ARM 主控制器、GPS/INS 組合導(dǎo)航裝置等組成，用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)，并與 PD（proportion differentiation）控制進(jìn)行比較。試驗(yàn)結(jié)果表明：船體速度響應(yīng)較快，超調(diào)量不超過(guò) 5%，穩(wěn)態(tài)誤差可控制在 3%以?xún)?nèi)；采用有限點(diǎn)的航道位置計(jì)算方法時(shí)，船體在轉(zhuǎn)彎與直行時(shí)偏離航道的最大誤差分別為 2.12 和 1.52m；采用實(shí)時(shí)插點(diǎn)的航道位置計(jì)算方法時(shí)，船體在轉(zhuǎn)彎與直行時(shí)偏離航道的最大誤差分別為 0.36 和 0.09m，分別下降了 83.02%和 94.08%，船體的控制精度得到了全面的改善。

關(guān)鍵詞：養(yǎng)殖 導(dǎo)航 控制 河蟹養(yǎng)殖

引 言

近幾年，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)主要的水產(chǎn)養(yǎng)殖基地，例如陽(yáng)澄湖、長(zhǎng)蕩湖等重點(diǎn)養(yǎng)殖地區(qū)都對(duì)工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖提出了迫切需求。由于國(guó)內(nèi)的水產(chǎn)養(yǎng)殖通常位于近?；蛘邇?nèi)河水域，水淺、水下植被較多，水情較為復(fù)雜。因?yàn)樗菔呛有废彩车酿D料，同時(shí)也是河蟹的棲身場(chǎng)所，水草可以通過(guò)光合作用增氧，還可以吸收水中的營(yíng)養(yǎng)鹽，改善水體質(zhì)量，防止水體富營(yíng)養(yǎng)化。然而，若不及時(shí)對(duì)水草進(jìn)行清理，露出水面的水草會(huì)阻礙空氣中的氧氣進(jìn)入水體，腐爛的水草會(huì)過(guò)多地消耗水中的溶氧，導(dǎo)致池塘底質(zhì)、水質(zhì)的惡化；同時(shí)，由于河蟹的活動(dòng)范圍有限，只能在自身附近區(qū)域覓食，餌料的投放不均會(huì)導(dǎo)致局部餌料過(guò)多或過(guò)少，餌料過(guò)多時(shí)會(huì)導(dǎo)致浪費(fèi)、增加養(yǎng)殖的成本，餌料過(guò)少時(shí)又容易引起河蟹因搶食而相互殘殺。因此，設(shè)計(jì)一款同時(shí)滿(mǎn)足水草清理及均勻投餌需求的河蟹養(yǎng)殖作業(yè)船意義重大。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于河蟹養(yǎng)殖作業(yè)船的研究不多。其中，蘇州飛馳環(huán)保公司研制的 FCGCJ6-2C 型電自動(dòng)水草收割船割收一體、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以方便地對(duì)水草進(jìn)行切割、收集等操作，但由于其體積龐大、造價(jià)高昂且必須由多名經(jīng)驗(yàn)豐富的專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行操作，很難在河蟹養(yǎng)殖中大面積推廣[3-5]；佛山漁牌機(jī)械科技有限公司研制的 T150A 型定時(shí)投料機(jī)操作簡(jiǎn)單、安全可靠，可以根據(jù)設(shè)定程序自動(dòng)投料，但是這種定點(diǎn)投料方式的拋灑面積有限，無(wú)法均勻地覆蓋整個(gè)水域[6-7]。

現(xiàn)代船舶主要有螺旋槳、風(fēng)扇推進(jìn)器、明輪等驅(qū)動(dòng)方式，其中，由于明輪具有推力大、防纏繞、轉(zhuǎn)彎半徑小等優(yōu)點(diǎn)，已成功地應(yīng)用于河道、湖泊等水域。然而，由于明輪船具有明顯的非線(xiàn)性、大時(shí)滯、欠阻尼的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，傳統(tǒng)的 PID（proportion integration differentiation）控制方法沒(méi)有考慮到船體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中特性的變化，很難達(dá)到理想的控制效果。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種小型多功能全自動(dòng)河蟹養(yǎng)殖作業(yè)船。采用 ARM（advanced RISC machine）為主控制器，以期達(dá)到水草自動(dòng)清理和均勻投餌、降低人力成本、提高河蟹養(yǎng)殖效率的目的。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)。全自動(dòng)河蟹養(yǎng)殖作業(yè)船主要由船體、水草清理裝置、自動(dòng)投餌裝置、明輪驅(qū)動(dòng)裝置等部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示，作業(yè)船船體尺寸為 4.0 m×1.6 m×1.2 m，空載吃水深度為 0.35 m。為了在不增加船體體積的前提下充分利用船體的空間，河蟹養(yǎng)殖作業(yè)船使用單船體設(shè)計(jì)。其中，切割與輸送裝置放置在船頭，用來(lái)切割水草并進(jìn)行收集；船體中間為集草艙，用以存放收集完的水草；水草鋪平裝置安裝在集草艙之后，用來(lái)鋪平水草，防止水草集中堆積；自動(dòng)投餌機(jī)放置在船尾，進(jìn)行投餌作業(yè)。安裝在船體兩側(cè)可正反轉(zhuǎn)的明輪作為動(dòng)力裝置，可以實(shí)現(xiàn) 360°原地轉(zhuǎn)彎。本系統(tǒng)所有裝置均由一個(gè)容量為120 Ah 的 48 V 鋰電池驅(qū)動(dòng)，具有無(wú)污染、效率高、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 工作原理。為了靈活應(yīng)對(duì)多種環(huán)境的作業(yè)需求，多功能全自動(dòng)河蟹養(yǎng)殖作業(yè)船共設(shè)有手動(dòng)、遙控和自動(dòng)導(dǎo)航 3 種控制方式，其中，主控制器采用 SAMSUNG 公司基于 ARM920T 內(nèi)核設(shè)計(jì)的低成本、高效率的 32 位處理器 S3C2440A。自動(dòng)導(dǎo)航模式中，主控制器獲取 GPS 模塊的定位信息、慣導(dǎo)模塊的姿態(tài)信息、超聲波模塊的吃水深度信息后使用內(nèi)置的導(dǎo)航算法進(jìn)行處理，根據(jù)處理的結(jié)果調(diào)用 PWM （ pulse width modulation）生成模塊和 GPIO（general purpose input output）輸出模塊，靈活控制船體的航行、投餌、水草清理等作業(yè)，并將相關(guān)的信息在 LCD（liquid crystal display）顯示屏上進(jìn)行顯示。GPRS（general packet radio service）模塊與 S3C2440A 通過(guò)串口進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)接收來(lái)自上位機(jī)的指令并將船體的工作模式、速度、航向、吃水深度、剩余電量等信息上傳至上位機(jī)。攝像頭采集模塊安裝在船體前方和側(cè)后方，實(shí)時(shí)顯示船體前后方圖像，作輔助導(dǎo)航之用。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 船載子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可移植性，船載子系統(tǒng)選用免費(fèi)、開(kāi)源的 Linux 作為操作系統(tǒng)，其軟件開(kāi)發(fā)主要包括嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)移植和應(yīng)用程序開(kāi)發(fā) 2 個(gè)部分[8]，開(kāi)發(fā)流程主要有：

1）建立 Arm-linux-gcc 交叉編譯環(huán)境并編寫(xiě)相應(yīng)的Makefile 程序?qū)こ踢M(jìn)行管理；2）基于 U-boot 移植系統(tǒng)的啟動(dòng)引導(dǎo)程序 Bootloader；3）Linux 操作系統(tǒng)（包括 Initramfs 文件系統(tǒng)和底層驅(qū)動(dòng)程序）的移植；4）上層應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)采用的 Linux 的內(nèi)核版本為 2.6.32.2，Linux底層驅(qū)動(dòng)主要包括 UART（ universal asynchronous receiver/transmitter）、IIC（inter-integrated circuit）、DMA（directional memory access）、GPIO、LCD、PWM 等總線(xiàn)或外圍設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)，上層應(yīng)用程序框架構(gòu)建是基于 Linux 多線(xiàn)程機(jī)制以實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)的并發(fā)控制，船載子系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

上層應(yīng)用程序主要由數(shù)據(jù)采集與處理、上位機(jī)交互和運(yùn)動(dòng)控制等任務(wù)組成。多個(gè)任務(wù)之間通過(guò)全局變量和多線(xiàn)程信號(hào)機(jī)制進(jìn)行通信，并使用互斥鎖與條件變量對(duì)共享數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，各個(gè)任務(wù)既相互獨(dú)立又相互協(xié)作，確保系統(tǒng)穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。

2.2 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

為了能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控河蟹養(yǎng)殖作業(yè)船的工作狀態(tài)，并保存作業(yè)船的運(yùn)行數(shù)據(jù)，方便以后分析，本系統(tǒng)基于 Visual Studio 2010 開(kāi)發(fā)平臺(tái)和 SQL（structured query language）Server 2008 數(shù)據(jù)庫(kù)編寫(xiě)了上位機(jī)監(jiān)控程序，其軟件結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

上位機(jī)監(jiān)控軟件主要由數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和命令發(fā)送模塊等組成。其中，數(shù)據(jù)接收模塊主要用來(lái)接收河蟹養(yǎng)殖作業(yè)船的當(dāng)前位置、當(dāng)前航速、吃水深度等信息并在監(jiān)控終端上顯示；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊保存河蟹養(yǎng)殖作業(yè)船運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)信息，方便日后分析；命令發(fā)送模塊可以發(fā)出命令以啟動(dòng)或停止河蟹養(yǎng)殖作業(yè)船的運(yùn)行[9-11]

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于 ARM 和 GPS/INS 組合導(dǎo)航的多功能全自動(dòng)河蟹養(yǎng)殖作業(yè)船導(dǎo)航控制系統(tǒng)。所采用的基于模糊 PID 算法的航向、航速雙閉環(huán)控制算法簡(jiǎn)單、有效；所提出的基于實(shí)時(shí)插點(diǎn)的航道位置計(jì)算方法能簡(jiǎn)化航道位置獲取的復(fù)雜度，配合相應(yīng)的轉(zhuǎn)彎策略能顯著提高船體的自動(dòng)導(dǎo)航控制精度。試驗(yàn)結(jié)果表明，船體速度響應(yīng)較快，超調(diào)量不超過(guò) 5%，穩(wěn)態(tài)誤差可控制在 3%以?xún)?nèi)；采用有限點(diǎn)的航道位置計(jì)算方法時(shí)，船體在轉(zhuǎn)彎與直行時(shí)偏離航道的最大誤差分別為 2.12 和 1.52 m；采用實(shí)時(shí)插點(diǎn)的航道位置計(jì)算方法時(shí)，船體在轉(zhuǎn)彎與直行時(shí)偏離航道的最大誤差分別為 0.36 和 0.09 m，分別下降了 83.02%和94.08%。本文可以為多功能河蟹養(yǎng)殖作業(yè)船的研究提供重要參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫月平，趙德安，洪劍青，等. 河蟹養(yǎng)殖船載自動(dòng)均勻投餌系統(tǒng)設(shè)計(jì)及效果試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（11）：31-39.

Sun Yueping， Zhao Dean， Hong Jianqing， et al. Design of automatic and uniform feeding system carried by workboat and effect test for raising river crab[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 2015， 31（11）： 31-39. （in Chinese with English abstract）

[2] 孟祥寶，黃家懌，謝秋波，等. 基于自動(dòng)巡航無(wú)人駕駛船的水產(chǎn)養(yǎng)殖在線(xiàn)監(jiān)控技術(shù)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46（3）：276-281.

Meng Xiangbao， Huang Jiayi， Xie Qiubo， et al. Online monitoring equipment for aquaculture based on unmanned automatic cruise boat[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2015， 46（3）： 276-281. （in Chinese with English abstract）

[3] 李旭英，尚士友，杜建民，等. 9GSCC-1.4H 型沉水植物收割機(jī)船隊(duì)的設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37（1）：59-62.

Li Xuying， Shang Shiyou， Du Jianmin， et al. Design on 9GSCC-1. 4H type submerged plants harvesting boat[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2006， 37（1）： 59-62.（in Chinese with English abstract）

[4] Flynn P S T， Mellish C L， Pickering T R， et al. Effects of claw autotomy on green crab （Carcinus maenas） feeding rates[J]. Journal of Sea Research， 2015， （in press）： 113-119.

[5] Xiong L W， Wang Q， Qiu G F. Large-scale isolation of microsatellites from Chinese Mitten Crab Eriocheir sinensis via a solexa genomic survey[J]. International Journal of Molecular Sciences， 2012， 13（12）： 16333-16345.

[6] 孫月平，趙德安，洪劍青，等. 河蟹養(yǎng)殖船載自動(dòng)均勻投餌系統(tǒng)設(shè)計(jì)及效果試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（11）：31-39.

Sun Yueping， Zhao Dean， Hong Jianqing， et al. Design of automatic and uniform feeding system carried by workboat and effect test for raising river crab[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 2015， 31（11）： 31-39. （in Chinese with English abstract）

[7] 唐榮，鄒海生，湯濤林，等. 自動(dòng)投飼船及其測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J]. 漁業(yè)現(xiàn)代化，2013，40（6）：30-35.

Tang Rong， Zou Haisheng， Tang Taolin， et al. Design of an automatic feeding boat and its control system[J]. Fishery Modernization， 2013， 40（6）： 30 - 35. （in Chinese with English abstract）

[8] 黃明山，馬永武，盧利軍，等. 基于嵌入式 Linux 的有序用電臺(tái)變終端設(shè)計(jì)[J]. 電測(cè)與儀表，2015，（16）：107-110.

Huang Ming Shan， Ma Yong Wu， Lu Li Jun. Transformer terminal design for orderly power consumption based on the embedded linux[J]. Electrical Measurement & Instrumentation， 2015， （16）： 107-110. （in Chinese with English abstract）

[9] 史兵，趙德安，劉星橋，等. 基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的規(guī)?；a(chǎn)養(yǎng)殖智能監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（9）：136-140.

Shi Bing， Zhao Dean， Liu Xinqiao， et al. Intelligent monitoring system for industrialized aquaculture based on wireless sensor network[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 2011， 27（9）： 136-140. （in Chinese with English abstract）

[10] 高峰，俞立，王涌，等. 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)作物水分狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（5）：175-181.

Gao Feng， Yu Li， Wang Yong. Development of host computer software for crop water status monitoring system based on wireless sensor networks[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 2010， 26（5）： 175-181. （in Chinese with English abstract）

[11] 袁曉慶，孔箐鋅，李奇峰，等. 水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用評(píng)價(jià)方法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（4）：258-265.

Yuan Xiaoqing， Kong Qingxin， Li Qifeng， et al. Evaluation method for application of internet of things for aquaculture[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 2015， 31（4）： 258-265.（in Chinese with English abstract）