池塘養(yǎng)殖船自動導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計與試驗

張俊峰 張?zhí)凭? 肖進(jìn) 王琢 田滿洲 何雨霜

摘要：針對池塘養(yǎng)殖中投喂作業(yè)需要全塘均勻覆蓋的應(yīng)用場景，存在人工投飼強度大、飼料利用率低的問題，設(shè)計一種能夠適應(yīng)不同多邊形池塘的養(yǎng)殖船自動導(dǎo)航控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)采用低成本北斗定位模塊和高精度電子羅盤進(jìn)行組合導(dǎo)航，獲取池塘養(yǎng)殖船的位置和航向信息作為導(dǎo)航控制器的輸入，通過構(gòu)建基于PD算法的導(dǎo)航控制器，實現(xiàn)航行過程中的路徑跟蹤。設(shè)計一種多邊形回紋線導(dǎo)航路徑規(guī)劃算法，能夠快速實現(xiàn)多邊形池塘的導(dǎo)航路徑規(guī)劃。開展池塘導(dǎo)航試驗，試驗結(jié)果表明：采用所設(shè)計的自動導(dǎo)航系統(tǒng)，養(yǎng)殖船能夠按照規(guī)劃的路徑航行，在水面行駛速度為0.4～0.5 m/s時，穩(wěn)定跟蹤后最大誤差小于2.62 m，平均跟蹤誤差小于1.30 m，導(dǎo)航精度滿足池塘養(yǎng)殖自動投飼要求。

關(guān)鍵詞：池塘養(yǎng)殖船；路徑規(guī)劃；自動導(dǎo)航；路徑跟蹤

中圖分類號：S951.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-5553 （2023） 03-0049-06

Abstract： Aiming at the application scenario that the feeding operation in pond culture requires uniform coverage of the whole pond， there are problems of high artificial feeding intensity and low feed utilization rate， an automatic navigation control system for breeding vessels capable of adapting to different polygonal shape ponds was designed. The control system used a lowcost Beidou positioning module and a highprecision electronic compass for integrated navigation. The position and heading information of the pond culture vessel was obtained as the input of the navigation controller. The path of the navigation process was realized by the builtin navigation controller based on the PD algorithm. A polygon echo line navigation path planning algorithm was designed to quickly realize the navigation path planning of the polygon shape pond. The pond navigation test was carried out. The test results showed that： with the designed automatic navigation system， the culture vessel could sail according to the planned route. When the water speed was 0.4-0.5 m/s， the maximum error after stable tracking was less than 2.62 m， the average tracking error was less than 1.30 m， and the navigation accuracy met the automatic feeding requirements of pond culture.

Keywords： pond culture boat; path planning; automatic navigation; path tracking

0引言

池塘養(yǎng)殖是淡水養(yǎng)殖最主要的組成部分，2020年池塘養(yǎng)殖面積為2 625.4 khm2，占全國淡水養(yǎng)殖的52.09%［1］。投飼是池塘養(yǎng)殖中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［2］，任務(wù)繁重而且成本高。但是，目前我國池塘養(yǎng)殖自動化程度不高，針對投喂作業(yè)需要全塘均勻覆蓋的應(yīng)用場景，一些自動投飼設(shè)備存在一定的局限性，并未能進(jìn)行大范圍推廣，如定點投飼機［34］、遙控投飼船［58］和自動投飼船［910］等。其中，定點投飼機采用定點自動投飼方式，受投飼半徑限制，飼料分布在岸邊很小的水域內(nèi)，主要用于池塘養(yǎng)魚；遙控投飼船通過人為遙控在池塘中進(jìn)行投飼，但投喂量以及航行路線主要依靠人工經(jīng)驗，隨機性強，工作效果差；自動投飼船能通過固定導(dǎo)向裝置或者安裝超聲波傳感器引導(dǎo)投飼船在池塘四周進(jìn)行投飼，主要應(yīng)用在對蝦養(yǎng)殖的場景，不能適應(yīng)全塘均勻投飼的需要。故當(dāng)前投飼方式仍采用人工撐船投喂或沿岸邊拋灑為主，人工效率低，勞動強度大，且投飼不均勻而造成飼料浪費、水體污染的現(xiàn)象普遍［11］。因此，研發(fā)淡水池塘生態(tài)養(yǎng)殖智能投餌船［12］代替人工進(jìn)行投喂作業(yè)，提高水產(chǎn)養(yǎng)殖效率已是一個十分緊迫的任務(wù)［13］。

近年來隨著農(nóng)業(yè)電氣化、自動化、智能化的發(fā)展，國內(nèi)學(xué)者對池塘自動導(dǎo)航養(yǎng)殖船展開了一系列研究。唐榮等［14］利用激光測距傳感器和三維電子羅盤，實現(xiàn)了電動投飼船沿池塘四周自動航行并投飼；周達(dá)輝等［15］設(shè)計了一種基于PLC的自巡航蝦塘投飼機，采用S7-200模塊，按照設(shè)定的指令配合小船上安裝的超聲波傳感器，實現(xiàn)控制投飼機與池塘堤岸始終保持一定距離循環(huán)行駛；孫月平等［16］提出一種空氣螺旋槳風(fēng)力驅(qū)動船均勻投飼方法，設(shè)計了基于GPS和超聲波傳感器的自動導(dǎo)航系統(tǒng)，結(jié)果表明飼料利用率相比人工投飼提高15%以上；孫月平等［17］進(jìn)行池塘全覆蓋軌跡規(guī)劃算法研究，為水產(chǎn)養(yǎng)殖中池塘自動均勻投飼軌跡規(guī)劃研究提供重要參考；劉會貴等［18］利用明輪動力移動平臺進(jìn)行了導(dǎo)航試驗，平臺搭載高精度GPS和超聲波傳感器自主導(dǎo)航控制系統(tǒng)，試驗結(jié)果表明直線跟蹤誤差不超過0.3 m，跟蹤性能較好。上述所提及的研究大多采用超聲波傳感器測距的導(dǎo)航方式，其缺點在于超聲波傳感器無法檢測到近距離的障礙物，其在測距中存在探測盲區(qū)，且超聲波探頭無法準(zhǔn)確檢測到斜面池塘的距離［19］，導(dǎo)致船在池塘的拐角處無法準(zhǔn)確獲得定位數(shù)據(jù)，出現(xiàn)導(dǎo)航盲區(qū)。同時大多研究采用高精度的GPS模塊，能保證高精度的定位，但成本高，不適宜產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用。

針對上述問題，本文設(shè)計了池塘養(yǎng)殖自動導(dǎo)航船，以MSP430單片機為核心控制器，采用低成本北斗定位模塊和高精度電子羅盤進(jìn)行組合導(dǎo)航，設(shè)計了一種易操控、低成本且能夠適應(yīng)不同多邊形池塘的養(yǎng)殖船自動導(dǎo)航控制系統(tǒng)，并在池塘開展了航向跟蹤和導(dǎo)航系統(tǒng)性能試驗。

1池塘養(yǎng)殖船導(dǎo)航系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1池塘養(yǎng)殖船組成

池塘養(yǎng)殖船由船體、動力裝置、轉(zhuǎn)向裝置與導(dǎo)航控制器組成，如圖1所示。為了適應(yīng)池塘養(yǎng)殖的工作環(huán)境，船體采用單體船式，具有吃水深度小、排水量大的優(yōu)點。動力裝置包括蓄電池和直流水泵，固定連接在船體底部。蓄電池供電，驅(qū)動水泵吸水，水泵出水口通過管道與轉(zhuǎn)向管連接，船體依靠轉(zhuǎn)向管噴出水的反作用力產(chǎn)生推力實現(xiàn)前進(jìn)。轉(zhuǎn)向裝置由舵機、驅(qū)動桿件和轉(zhuǎn)向管組成，舵機安裝在船尾，驅(qū)動桿件和轉(zhuǎn)向管控制噴水的方向，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。接近船尾配置舵機電源以及飼料箱，可以降低重心，提高船體穩(wěn)定性。

1.2導(dǎo)航控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

導(dǎo)航控制系統(tǒng)主要由控制器、傳感器模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、按鍵模塊、驅(qū)動模塊及電源等部分組成，如圖2所示。該系統(tǒng)選用低成本高性能的16位MSP430單片機作為控制器。其通過串口通訊將傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過控制算法后，發(fā)出控制命令至驅(qū)動模塊，通過PWM的形式調(diào)節(jié)舵機轉(zhuǎn)角，從而控制船體轉(zhuǎn)向。同時，可以在人工遙控和全自動導(dǎo)航兩種模式中進(jìn)行切換。傳感器模塊包括北斗模塊和電子羅盤，北斗模塊選用SKG125型，定位精度為2.5～3 m；電子羅盤選用DCM260B型，在水平面上其方位角精度為0.8°。數(shù)據(jù)傳輸模塊選用兩個NRF24L01進(jìn)行無線通訊，實時發(fā)送導(dǎo)航數(shù)據(jù)到電腦。按鍵模塊作為外部中斷來實現(xiàn)路徑邊界端點的選擇和保存。多邊形池塘邊界以及規(guī)劃的導(dǎo)航路徑信息在LCD上顯示。

2導(dǎo)航路徑規(guī)劃

根據(jù)養(yǎng)殖船在池塘進(jìn)行均勻投飼的要求，設(shè)計回紋形導(dǎo)航路徑規(guī)劃算法，該路徑規(guī)劃算法適用于不同形狀的多邊形池塘，且每個池塘的導(dǎo)航路徑具有唯一性。路徑由多條直線組成，繞池塘n周后沿一條固定直線到池塘中心，到達(dá)池塘中心后再沿直線回到起始點，如圖3所示。

算法步驟如下：針對不同的多邊形池塘，首先選擇池塘邊界端點，測量并記錄端點的坐標(biāo)，根據(jù)坐標(biāo)確定池塘邊界直線方程和方位角；根據(jù)池塘大小確定回轉(zhuǎn)周數(shù)n；通過定義其中一個邊界點為起始點，以該起始點沿順時針生成直線路徑并進(jìn)行編號，船每航行1圈，便向池塘內(nèi)側(cè)偏移6 m；船航行完n周后，沿起始點到池塘中心的直線繼續(xù)航行，在池塘中心點掉頭回到起始點；保存邊界和導(dǎo)航路徑參數(shù)，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法繪制在LCD上，完成對不同形狀池塘的導(dǎo)航路徑規(guī)劃。

3導(dǎo)航控制器設(shè)計

導(dǎo)航控制器采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

外閉環(huán)由北斗的定位信息檢測反饋構(gòu)成，內(nèi)閉環(huán)以船體當(dāng)前航向測量作為單位負(fù)反饋。電子羅盤實時輸出船體當(dāng)前航向，單片機將當(dāng)前航向與目標(biāo)航向的偏差θ作為PD控制器的輸入，PD控制器決策出控制量u作用于轉(zhuǎn)向裝置，控制舵機轉(zhuǎn)角，最終驅(qū)動轉(zhuǎn)向管換向，使船沿預(yù)期航向航行。由于船體受到慣性和外界風(fēng)浪的影響會產(chǎn)生橫向平移，電子羅盤無法測量偏距，如果不及時糾正，會導(dǎo)致船體越來越偏離原來的航線。為此，引入了北斗獲取定位坐標(biāo)來確定船的當(dāng)前位置，當(dāng)北斗測得船體橫向偏距大于設(shè)定的距離時，利用橫向糾偏算法縮小船體到目標(biāo)航線的距離。

3.1橫向偏距與航向偏差

3.3橫向糾偏算法

橫向糾偏算法流程如圖7所示。

該系統(tǒng)所采用北斗模塊的定位誤差較大，而電子羅盤的航向精度高，故設(shè)定在北斗測得當(dāng)前位置到導(dǎo)航線的距離d在3 m以內(nèi)時，利用PD控制器跟蹤導(dǎo)航線方位角，使船體保持導(dǎo)航線的航向不變；當(dāng)船偏離導(dǎo)航線的距離d大于3 m時，設(shè)置臨時新導(dǎo)航線，調(diào)整船體至與目標(biāo)導(dǎo)航線保持20°的方向，保持航行靠近目標(biāo)導(dǎo)航直線，直到回到距離為3 m以內(nèi)。

當(dāng)北斗測量當(dāng)前位置到下一條導(dǎo)航線的距離小于設(shè)定距離時，開始跟蹤第二條直線，實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎動作。持續(xù)此循環(huán)，直到完成導(dǎo)航要求。

4池塘試驗

試驗場地大小為80 m×33 m的四邊形池塘，試驗器材有導(dǎo)航控制系統(tǒng)和池塘養(yǎng)殖船，試驗條件風(fēng)速三級，養(yǎng)殖船航行速度為0.4～0.5 m/s，可認(rèn)為在水面勻速航行。

4.1航向跟蹤試驗

為了驗證導(dǎo)航控制器航向跟蹤的控制效果，在池塘進(jìn)行了直線航向跟蹤試驗，本試驗測試的直線方位角為174°。試驗中通過兩個NRF無線收發(fā)模塊進(jìn)行單片機與電腦的通訊，實時獲取電子羅盤測得的航向數(shù)據(jù)，采樣頻率為2 Hz，記錄NRF傳回的數(shù)據(jù)，得到航向跟蹤響應(yīng)曲線，如圖8所示。分析航向數(shù)據(jù)可知：穩(wěn)定之后的航向跟蹤誤差最大為4°，誤差的方差為1.612 4°。

4.2導(dǎo)航系統(tǒng)性能試驗

記錄該池塘的4個邊界端點坐標(biāo)，選擇其中1個點為初始點，通過路徑規(guī)劃算法自動生成導(dǎo)航路徑并繪制在LCD上。養(yǎng)殖船從初始點沿第1條直線路徑呈20°方向開始導(dǎo)航，航行中利用NRF進(jìn)行無線通訊實時獲取橫向偏距d，采樣頻率為1 Hz，其中左偏偏距為負(fù)，右偏偏距為正。按照導(dǎo)航偏差的正負(fù)確定位置點得到總體導(dǎo)航偏距圖，每條直線采集10個點進(jìn)行偏差分析。導(dǎo)航路徑繪制結(jié)果與試驗偏距圖如圖9所示，可以看出船體實際航行路徑與設(shè)定的導(dǎo)航路徑吻合，能夠按照此路徑完成導(dǎo)航工作要求。其中，船航行第1周的路徑跟蹤偏差情況如表2所示。

從表2可以看出，穩(wěn)定之后航行第1周，跟蹤4條直線路徑的最大橫向偏距分別為2.00 m、0.70 m、2.62 m、1.58 m，其平均橫向偏距為1.3 m?？梢娫搶?dǎo)航控制系統(tǒng)能在定位精度為2 m以內(nèi)的條件下正常運行，導(dǎo)航精度可靠。

5結(jié)論

本文針對池塘養(yǎng)殖中投喂作業(yè)需要全塘均勻覆蓋的應(yīng)用場景，存在人工投飼強度大、飼料利用率低的問題，結(jié)合池塘養(yǎng)殖特點，設(shè)計了一種低成本、易操作的池塘養(yǎng)殖船自動導(dǎo)航控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了試驗。

1） 以MSP430單片機為控制核心，采用低成本北斗定位模塊和高精度電子羅盤構(gòu)建了導(dǎo)航控制硬件系統(tǒng)，設(shè)計了池塘養(yǎng)殖船自動導(dǎo)航控制器。

2）? 根據(jù)池塘養(yǎng)殖船工作要求，設(shè)計了只需確定池塘邊界的端點，就可以實現(xiàn)對多邊形池塘進(jìn)行路徑規(guī)劃的多邊形回紋線路徑規(guī)劃算法。

3）? 池塘試驗結(jié)果表明：養(yǎng)殖船自動導(dǎo)航實際航行路徑與設(shè)定的導(dǎo)航路徑吻合，可以按照此路徑完成導(dǎo)航工作要求。航行速度為0.4～0.5 m/s時，最大跟蹤誤差在2.62 m以內(nèi)，平均跟蹤誤差為1.3 m。

參考文獻(xiàn)

［1］農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)漁政管理局， 全國水產(chǎn)技術(shù)推廣總站， 中國水產(chǎn)學(xué)會. 2021中國漁業(yè)統(tǒng)計年鑒［M］. 北京： 中國農(nóng)業(yè)出版社， 2021.

［2］袁凱， 莊保陸， 倪琦， 等. 室內(nèi)工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖自動投飼系統(tǒng)設(shè)計與試驗［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2013， 29（3）： 169-176.

Yuan Kai， Zhuang Baolu， Ni Qi， et al. Design and experiments of automatic feeding system for indoor industrialization aquaculture［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2013， 29（3）： 169-176.

［3］周曉林， 焦仁育， 朱文錦. 漁業(yè)自動投飼機類型、結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用［J］. 漁業(yè)現(xiàn)代化， 2003（6）： 46-47.

［4］葛一健. 我國投飼機產(chǎn)品的發(fā)展與現(xiàn)狀分析［J］. 漁業(yè)現(xiàn)代化， 2010， 37（4）： 63-65.

Ge Yijian. Analysis of development and present situation of feeding machine in China［J］. Fishery Modernization， 2010， 37（4）： 63-65.

［5］唐國盤， 黃安群， 程偉， 等. 池塘遙控自動投餌船［P］. 中國專利： CN203709044U， 2014-07-16.

［6］周道獻(xiàn). 遙控自動投餌船［P］. 中國專利： CN303143769S， 2015-03-25.

［7］黃曉東. 遙控式蝦餌料投放機［P］. 中國專利： CN201571406U， 2010-09-08.

［8］劉海， 龐雄斌， 張俊峰， 等. 基于水力推進(jìn)的漁藥自動噴施裝置設(shè)計［J］. 漁業(yè)現(xiàn)代化， 2017， 44（4）： 57-61.

Liu Hai， Pang Xiongbin， Zhang Junfeng， et al. Design of automatic spraying machine for fishery drugs based on hydraulic propulsion ［J］. Fishery Modernization， 2017， 44（4）： 57-61.

［9］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(xué)學(xué)報， 2015， 24（1）： 152-160.

Chen Xiaolong， Chen Jun， Tang Rong， et al. Development of boatborne feeding machine for shrimps ［J］. Journal of Shanghai Ocean University， 2015， 24（1）： 152-160.

［10］程志金. 一種智能投料喂蝦機［P］. 中國專利： CN205018086U， 2016-02-10.

［11］王志勇， 諶志新， 江濤， 等. 標(biāo)準(zhǔn)化池塘養(yǎng)殖自動投餌系統(tǒng)設(shè)計［J］. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報， 2010， 41（8）： 77-80.

Wang Zhiyong， Shen Zhixin， Jiang Tao， et al. Design of automatic feeding system in standardization pond culture ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2010， 41（8）： 77-80.

［12］郭子淳， 黃家懌， 王水傳， 等. 智能投餌船研究現(xiàn)狀與展望［J］. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報， 2020， 51（S1）： 385-396， 404.

Guo Zichun， Huang Jiayi， Wang Shuichuan， et al. Research and prospect of intelligent baitdropping boat ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2020， 51（S1）： 385-396， 404.

［13］王瑋， 房金岑， 王君， 等. 我國養(yǎng)殖機械設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)現(xiàn)狀及建議［J］. 中國漁業(yè)質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)， 2011， 1（1）： 17-21.

Wang Wei， Fang Jincen， Wang Jun， et al. Current situation on standardization of aquaculture machineries ［J］. Chinese Fishery Quality and Standards， 2011， 1（1）： 17-21.

［14］唐榮， 鄒海生， 湯濤林， 等. 自動投飼船及其測控系統(tǒng)的設(shè)計與開發(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.

［15］周達(dá)輝， 朱曉敏， 劉偉清. 基于PLC的自巡航蝦塘投飼機研究［J］. 江蘇農(nóng)機化， 2016（4）： 23-27.

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

［17］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(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2016， 32（18）： 190-200.

Sun Yueping， Zhao Dean， Hong Jianqing， et al. Trajectory planning and test for all coverage， automatic and uniform feeding in river crab aquaculture ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2016， 32（18）： 190-200.

［18］劉會貴， 趙德安， 孫月平， 等. 水草全自動清理船控制系統(tǒng)［J］. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報， 2014， 45（S1）： 281-286.

Liu Huigui， Zhao Dean， Sun Yueping， et al. Control system for automatic aquatic plant cleaning ship［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2014， 45（S1）： 281-286.

［19］張海鷹， 高艷麗. 超聲波測距技術(shù)研究［J］. 儀表技術(shù)， 2011（9）： 58-60.

Zhang Haiying， Gao Yanli. The research of ultrasonic ranging technique ［J］. Instrumentation Technology， 2011（9）： 58-60.

［20］王紅芳， 張保亮. 坐標(biāo)方位角通用計算公式［J］. 山西建筑， 2008， 34（6）： 361-362.

Wang Hongfang， Zhang Baoliang.General formula for calculating coordinate azimuth ［J］. Shanxi Architecture， 2008， 34（6）： 361-362.

［21］劉莉宏. 基于智能控制的PID控制方式的研究［J］. 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報， 2012， 11（2）： 33-38.

Liu Lihong. The PID control mode study based on the intelligent control ［J］. Journal of Beijing Polytechnic College， 2012， 11（2）： 33-38.