池塘智能噴藥船的設(shè)計與試驗

蔣愛德，王 碩

(河南牧業(yè)經(jīng)濟學院，河南省畜禽健康養(yǎng)殖與智能裝備工程技術(shù)研究中心，河南，鄭州，450011)

2018年，全國淡水養(yǎng)殖面積5 146 460 hm2，其中池塘養(yǎng)殖面積為2 666 840 hm2，占淡水養(yǎng)殖面積的51.82%[1]。池塘養(yǎng)殖過程中，由于殘飼、排泄物、死亡的水產(chǎn)動物等原因，需要定期對池塘噴施藥物進行防病治病[2-3]，在池塘養(yǎng)殖中施藥防病治病依然是主流[4-6]。在大面積池塘養(yǎng)殖中施藥依然需要靠人駕船來實施，增加了養(yǎng)殖者的勞動強度，還容易造成噴藥不均勻現(xiàn)象。此外，在噴藥過程中由于藥物的刺激對操作人員的健康也不利。利用航模技術(shù)、通訊技術(shù)、單片機技術(shù)設(shè)計了一款池塘自動噴藥船，裝滿藥液后，通過以Android智能手機為平臺開發(fā)的APP作為控制端來控制噴藥船的行進路線，噴藥船邊行邊噴灑藥物，達到減少勞動強度、科學施藥的目的。

1 系統(tǒng)組成及原理

1.1 系統(tǒng)組成

智能噴藥船除船體外，主要由電源模塊、控制模塊、GPS定位模塊[7]、GPRS無線傳輸模塊[8]、機電模塊和安裝控制軟件的智能手機組成(圖1)。電源模塊負責所有模塊的供電；控制模塊用來對其他模塊進行實時控制和數(shù)據(jù)處理；GPS定位模塊主要獲取噴藥船的位置信息，并通過單片機傳給GPRS模塊；GPRS模塊主要負責噴藥船位置信息的發(fā)送和手機指令的接收；機電模塊主要控制噴藥船的螺旋槳電機、舵機和噴藥電機的啟動和停止；智能手機用來規(guī)劃噴藥船的行進路線，并對噴藥船的機電模塊進行遠程控制。

圖1 池塘噴藥船控制系統(tǒng)示意圖

1.2 系統(tǒng)原理

智能手機發(fā)出指令傳給服務(wù)器，控制模塊從服務(wù)器獲取到指令傳給機電模塊控制噴藥船前進、轉(zhuǎn)向和噴藥。在噴藥船前進的同時，船上的GPS芯片采集定位數(shù)據(jù)傳給控制模塊，控制模塊通過GPRS將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器，智能手機從服務(wù)器獲取噴藥船位置坐標數(shù)據(jù)后，以船前進方向為基準與即將到達的規(guī)劃點坐標進行數(shù)學計算，計算出的夾角即為噴藥船的轉(zhuǎn)角(圖2)，該數(shù)據(jù)通過智能手機APP發(fā)送到服務(wù)器，控制模塊獲取轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)后傳給機電模塊，由此實現(xiàn)舵機的轉(zhuǎn)向功能。

圖2 噴藥船轉(zhuǎn)角示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 通訊模塊

由單片機組成的控制模塊、GPS定位模塊和GPRS無線傳輸模塊實現(xiàn)系統(tǒng)的通訊和控制(圖3)。系統(tǒng)的核心是單片機，為便于開發(fā)，系統(tǒng)采用目前流行的Arduino開發(fā)板[9-10]。Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。系統(tǒng)采用Arduino系列中的Arduino UNO來進行開發(fā)，該處理器核心是ATmega 328，同時具有14路輸入/輸出口(期中6路可作為PWM輸出)，6路模擬輸入，一個16MHZ的晶體振蕩器，一個USB接口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復(fù)位按鈕。

圖3 通訊流程

GPS定位模塊包括GPS接收機天線和接收機主機兩個單元。天線單元的主要功能是將GPS衛(wèi)星信號非常微弱的電磁波轉(zhuǎn)化為電流，并進行放大和變頻處理；而接收機單元的主要功能是對經(jīng)過放大和變頻處理的信號電源進行跟蹤、處理和測量。GPRS網(wǎng)絡(luò)提供UDP和TCP兩種傳輸協(xié)議。UDP協(xié)議不提供可靠性連接，不能保證把數(shù)據(jù)發(fā)送到目的地，而TCP協(xié)議則提供一種可靠的面向連接的字節(jié)流運輸服務(wù)。本文通訊模塊、移動終端與服務(wù)器之間的通訊協(xié)議均采用TCP/IP協(xié)議。

2.2 機電模塊

機電模塊除了電源外還包括Arduino平臺連接一個5 V舵機和12 V直流的繼電器。繼電器控制一個噴霧水泵和一個12 V直流電機，直流電機連接螺旋槳給船提供動力。智能噴藥船依靠舵機控制船的轉(zhuǎn)向。舵機是一種位置伺服驅(qū)動器，其控制信號周期為20 ms的脈寬調(diào)制(PWM)信號，其中脈沖寬度0.5～2.5 ms，相對應(yīng)的舵盤位置為0°～180°，呈線性變化。也就是說，向服務(wù)器發(fā)送一個控制信號時，輸出軸就可以轉(zhuǎn)到特定的位置。只要控制信號持續(xù)不變，伺服機構(gòu)就會保持軸的角度位置不改變。舵機內(nèi)部有一個基準電路和一個比較器?；鶞孰娐樊a(chǎn)生周期為20 ms、寬度1.5 ms的基準信號，比較器將外加信號與基準信號相比較，判斷方向和大小，從而生成電機的轉(zhuǎn)動信號。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 服務(wù)器端設(shè)計

服務(wù)器端是一臺具有獨立IP地址的計算機，便于手機與服務(wù)器通訊。微軟的WCF技術(shù)[11]允許創(chuàng)建服務(wù)，訪問跨進程、機器和網(wǎng)絡(luò)的其他應(yīng)用程序。在數(shù)據(jù)庫應(yīng)用中，客戶端生成數(shù)據(jù)操作請求，對應(yīng)的請求參數(shù)會被WCF序列化為XML[12]信息集并捆綁到請求消息中發(fā)送到服務(wù)器端，服務(wù)器端解析后將信息存儲到數(shù)據(jù)庫；其操作的返回值及輸出參數(shù)又會被序列化為XML信息集并捆綁到回復(fù)消息中發(fā)送到客戶端。數(shù)據(jù)庫對每個用戶生成一個包含用戶注冊信息以及池塘編號的用戶信息表，以及根據(jù)池塘編號生成的數(shù)據(jù)采集信息表(表1)。一個用戶名下可以有多個數(shù)據(jù)采集信息表。

表1 數(shù)據(jù)采集信息表

3.2 客戶端設(shè)計

客戶端采用目前流行的Android應(yīng)用程序[13]進行設(shè)計開發(fā)，設(shè)計的APP應(yīng)用程序使用 HTTP 協(xié)議及XML語言進行數(shù)據(jù)傳輸。軟件功能包括用戶登錄、池塘輪廓數(shù)據(jù)采集、池塘地圖生成，更重要的是通過服務(wù)器實現(xiàn)與智能控制船硬件之間交互，對智能噴藥船進行控制。

客戶端軟件算法的核心是路徑規(guī)劃。對于在靜水環(huán)境的無人船路徑規(guī)劃，Warren等[14]提出了適用于實時的局部路徑規(guī)劃的勢場法；Alvarez等[15]利用遺傳算法進行路徑規(guī)劃，但計算速度較慢；Petres等[16]改進了快速匹配算法，考慮到船的操縱性約束，可是只能實現(xiàn)二維計算。目前應(yīng)用最多的是基于視線法(Line of Sight，LOS)的循跡控制算法。對于循跡控制算法，F(xiàn)OSSEN等最早利用離散點的直線連接追蹤和矯正航跡；Breivik等[18]進一步提出了針對曲線路徑的LOS循跡方法，但在循跡過程中容易出現(xiàn)反應(yīng)遲緩和跟蹤緩慢等現(xiàn)象。在智能噴藥船的應(yīng)用環(huán)境中，由于池塘的水是靜水，可以忽略水流速度。并且由于池塘的地形所限，所以在進行路徑規(guī)劃的時候，既有直線尋跡，也有曲線路徑尋跡。本文針對池塘環(huán)境的特點，提出了修正的LOS循跡方法：智能噴藥船在循跡時，客戶端時刻獲取噴藥船所在位置點坐標，并從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取噴藥船駛過的規(guī)劃點和即將到達的規(guī)劃點坐標，首先計算兩個規(guī)劃點之間的夾角φ，如式(1)所示。如果φ≤ε(ε為船的艏向角)，可以認為是直線循跡，通過公式(2)計算出船行進的夾角θ0來調(diào)整船的行進方向。

(1)

(2)

式中：(x,y)—船行進中當前位置點坐標；(x1,y1)—噴藥船駛過的規(guī)劃點坐標；(x2,y2)—即將到達的規(guī)劃點坐標，坐標點通過GPS定位系統(tǒng)獲得，單位為度。

如果φ>ε，則認為是曲線循跡，為了使船轉(zhuǎn)向平穩(wěn)，通過插值運算，根據(jù)最大艏向角ε轉(zhuǎn)向，利用格式(3)、(4)計算出船插值的點數(shù)n，并計算出船最后行進的夾角θ1，如圖4所示。

(3)

(4)

式中：ε—最大艏向角；n—船插值的點數(shù)；θ1—最后行進的夾角。

在實際應(yīng)用過程中，用戶圍繞池塘一周采集基本數(shù)據(jù)，或者調(diào)入采集的池塘輪廓數(shù)據(jù)，手機APP除了生成池塘輪廓圖外，客戶端還自動規(guī)劃噴藥船“S”形循跡路線?？蛻舳薃PP軟件操作流程見圖5。

圖4 曲線尋跡示意圖

圖5 客戶端操作流程圖

4 試驗與分析

4.1 試驗過程

試驗用噴藥船(圖6)船體長0.3 m，船速約0.7 m/s，艙容積約5 L。

噴藥船噴嘴采用直徑0.3 mm的低壓霧化噴頭，覆蓋1 m2水域面積。低壓霧化噴頭，其流量公式[19]為：

(5)

式中：Q—噴頭流量，m3/s；Cd為噴頭的流量系數(shù)；d為噴頭直徑，m；p為噴頭的工作壓力，Pa；ρ為水的密度，kg/m3。

圖6 試驗用噴藥船

由于池塘的用藥濃度按照每毫升水中的含藥量計算，1 mg/L即為1 L水中用藥1mg，其公式為：

M=VC

(6)

式中：M—用藥量,g；V—池塘水體積，m3；C—用藥質(zhì)量濃度，mg/L。

在實際操作過程中，可以根據(jù)船速和船的容積，按照船每小時工作面積計算用藥量。

試驗選取一塊潔凈無雜草的池塘，并在當天無風的條件下進行。池塘大約0.4 hm2(6畝)，呈長方形，長寬比約為。在進行路徑規(guī)劃時，直線距離規(guī)劃點選取較遠，在拐角處選取間隔點較近進行測試。將試驗船裝滿水，放入測試水域進行測試。

4.2 結(jié)果分析

智能噴藥船的最大施藥面積約為252 000 m2/h，噴施效率約為人工的6.5倍。在試驗中也發(fā)現(xiàn)，初始位置艏向角和曲線循跡對噴藥船的轉(zhuǎn)向控制影響較大。

4.2.1 噴藥船初始位置艏向角對航行的影響

卜仁祥等[20]利用Matlab下Simulink仿真環(huán)境針對不同航速和干擾情況下的航跡控制進行了仿真計算和對比分析，發(fā)現(xiàn)艏向角小于20°航跡比較平滑。邱荷珍等[21]利用MARIN開發(fā)的軟件DPSIM，對船舶跟蹤預(yù)設(shè)軌跡進行時域模擬，發(fā)現(xiàn)艏向小于60°時，船的姿態(tài)通過調(diào)整能與軌跡重合。艏向小于15°時，船的姿態(tài)漂移半徑和艏向角偏差的時歷曲線重合很好。試驗也證明，艏向與軌跡線方向的夾角小于60°時(圖7)，噴藥船仍能循跡。但當艏向與軌跡線方向的夾角大于30°時，噴藥船姿態(tài)調(diào)整不到位，噴藥船會撞向堤岸(圖8)。當艏向與軌跡線方向的夾角大于60°時，噴藥船行駛軌跡與規(guī)劃軌跡完全分離，循跡失敗。當艏向與軌跡線方向的夾角小于15°時，噴藥船行進方向與規(guī)劃軌跡接近。根據(jù)試驗結(jié)果，可以將艏向角設(shè)為15°。為了保證開始時循跡正確，噴藥船應(yīng)該放置在設(shè)定的軌跡起點附近，且艏向應(yīng)與軌跡方向相近。在實際操作過程中，將船放置的方向應(yīng)與堤岸平行，并盡量放在軌跡線的延長線上。

圖7 初始位置艏向與軌跡方向示意圖

圖8 噴藥船初始軌跡示意圖

4.2.2 噴藥船曲線循跡對航行的影響

在實際的無人船曲線循跡控制應(yīng)用中，如圓弧半徑取值過小，會使船舵的性能達不到回轉(zhuǎn)性能要求，造成實際路徑與規(guī)劃路徑不吻合；如圓弧半徑取值過大，則造成實際路徑與直線連接路徑產(chǎn)生較大的偏移。徐海洋、韓鑫等對此做了相關(guān)研究[22-23]。在智能噴藥船控制系統(tǒng)中，客戶端自動規(guī)劃為“S”形循跡路線(圖9)。噴藥船在行進過程中需要多次轉(zhuǎn)彎，在循跡控制中屬于曲線循跡。

圖9 噴藥船“S”形循跡示意圖

如果把船當成一個質(zhì)點，那么這個質(zhì)點做圓周運動的公式為：

v=ωr

(7)

式中：v—線速度，m/s；ω—角速度，rad/s；r—半徑，m。

由于式(7)中v已知，ω和r均未知。如果分別取不同的值，可以得到不同的結(jié)果。試驗表明，半徑越大，曲線越平滑，船行進越平穩(wěn)。為了達到噴藥覆蓋面和船速平穩(wěn)的統(tǒng)一，在試驗中選取ω在1v/2～2v/3之間，能夠達到試驗要求。在試驗過程中，發(fā)現(xiàn)船在拐彎處的行進路徑與規(guī)劃路徑有偏差，但在容許范圍內(nèi)，據(jù)分析，這與通訊延遲[24-25]有關(guān)。

4.2.3 改進與提高

通過試驗發(fā)現(xiàn)噴藥船存在不足之處，一是要求池塘中無雜草，否則會對螺旋槳和舵纏繞導致無法使用；二是許多池塘中添加了增氧等設(shè)備，這對于智能噴藥船的防碰撞要求增加，還需要研究防碰撞；三是在噴頭流量和船速不變的情況下，通過動態(tài)改變路徑規(guī)劃，保證噴藥船在規(guī)定的時間、規(guī)定的區(qū)域噴藥完成，還需要進一步計算研究。

5 結(jié)論

智能噴藥船可通過智能手機規(guī)劃路徑并進行遠程控制，實現(xiàn)了噴藥船循跡自主航行，改變了傳統(tǒng)的人工噴藥模式。試驗表明，與人工相比，效率增加6.5倍，勞動強度減少90%以上，而且具有安全、高效、施藥均勻、自動化程度高等優(yōu)點，尤其在大面積水產(chǎn)養(yǎng)殖中，能夠代替繁重的人工施藥勞動。隨著5G技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，設(shè)備之間的通訊將更加快捷及時。水產(chǎn)養(yǎng)殖噴藥方式自動化、智能化將是發(fā)展趨勢。

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