多功能水產養殖作業船自動導航控制系統研究

田翌辰 黃大鵬 李清林 朱孝勇

摘 要：為降低水產養殖行業勞動作業強度和人力成本，解決勞動力日益匱乏的問題、提高魚塘投餌效率和投餌均勻度，設計了一種基于組合導航的多功能全自動河蟹養殖作業船導航控制系統。該系統由明輪驅動船、ARM 主控制器、GPS/INS 組合導航裝置等組成，用計算機軟件進行仿真試驗，并與 PD（proportion differentiation）控制進行比較。試驗結果表明：船體速度響應較快，超調量不超過 5%，穩態誤差可控制在 3%以內；采用有限點的航道位置計算方法時，船體在轉彎與直行時偏離航道的最大誤差分別為 2.12 和 1.52m；采用實時插點的航道位置計算方法時，船體在轉彎與直行時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。

關鍵詞：養殖 導航 控制 河蟹養殖

引 言

近幾年，隨著經濟發展和人民生活水平的提高，水產養殖業成為國民經濟的支柱產業之一[1-2]。目前，國內主要的水產養殖基地，例如陽澄湖、長蕩湖等重點養殖地區都對工業化水產養殖提出了迫切需求。由于國內的水產養殖通常位于近海或者內河水域，水淺、水下植被較多，水情較為復雜。因為水草是河蟹喜食的餌料，同時也是河蟹的棲身場所，水草可以通過光合作用增氧，還可以吸收水中的營養鹽，改善水體質量，防止水體富營養化。然而，若不及時對水草進行清理，露出水面的水草會阻礙空氣中的氧氣進入水體，腐爛的水草會過多地消耗水中的溶氧，導致池塘底質、水質的惡化；同時，由于河蟹的活動范圍有限，只能在自身附近區域覓食，餌料的投放不均會導致局部餌料過多或過少，餌料過多時會導致浪費、增加養殖的成本，餌料過少時又容易引起河蟹因搶食而相互殘殺。因此，設計一款同時滿足水草清理及均勻投餌需求的河蟹養殖作業船意義重大。

目前，國內外對于河蟹養殖作業船的研究不多。其中，蘇州飛馳環保公司研制的 FCGCJ6-2C 型電自動水草收割船割收一體、結構簡單，可以方便地對水草進行切割、收集等操作，但由于其體積龐大、造價高昂且必須由多名經驗豐富的專業人員進行操作，很難在河蟹養殖中大面積推廣[3-5]；佛山漁牌機械科技有限公司研制的 T150A 型定時投料機操作簡單、安全可靠，可以根據設定程序自動投料，但是這種定點投料方式的拋灑面積有限，無法均勻地覆蓋整個水域[6-7]。

現代船舶主要有螺旋槳、風扇推進器、明輪等驅動方式，其中，由于明輪具有推力大、防纏繞、轉彎半徑小等優點，已成功地應用于河道、湖泊等水域。然而，由于明輪船具有明顯的非線性、大時滯、欠阻尼的運動特點，傳統的 PID（proportion integration differentiation）控制方法沒有考慮到船體在運動過程中特性的變化，很難達到理想的控制效果。

針對上述問題，本文設計了一種小型多功能全自動河蟹養殖作業船。采用 ARM（advanced RISC machine）為主控制器，以期達到水草自動清理和均勻投餌、降低人力成本、提高河蟹養殖效率的目的。

1 總體結構及工作原理

1.1 總體結構。全自動河蟹養殖作業船主要由船體、水草清理裝置、自動投餌裝置、明輪驅動裝置等部分構成，其結構圖如圖 1 所示，作業船船體尺寸為 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，河蟹養殖作業船使用單船體設計。其中，切割與輸送裝置放置在船頭，用來切割水草并進行收集；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，用來鋪平水草，防止水草集中堆積；自動投餌機放置在船尾，進行投餌作業。安裝在船體兩側可正反轉的明輪作為動力裝置，可以實現 360°原地轉彎。本系統所有裝置均由一個容量為120 Ah 的 48 V 鋰電池驅動，具有無污染、效率高、噪聲小等優點。

1.2 工作原理。為了靈活應對多種環境的作業需求，多功能全自動河蟹養殖作業船共設有手動、遙控和自動導航 3 種控制方式，其中，主控制器采用 SAMSUNG 公司基于 ARM920T 內核設計的低成本、高效率的 32 位處理器 S3C2440A。自動導航模式中，主控制器獲取 GPS 模塊的定位信息、慣導模塊的姿態信息、超聲波模塊的吃水深度信息后使用內置的導航算法進行處理，根據處理的結果調用 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，并將相關的信息在 LCD（liquid crystal display）顯示屏上進行顯示。GPRS（general packet radio service）模塊與 S3C2440A 通過串口進行通信，實時接收來自上位機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。攝像頭采集模塊安裝在船體前方和側后方，實時顯示船體前后方圖像，作輔助導航之用。

2 軟件設計

2.1 船載子系統軟件設計。為了增強系統的穩定性與可移植性，船載子系統選用免費、開源的 Linux 作為操作系統，其軟件開發主要包括嵌入式 Linux 操作系統移植和應用程序開發 2 個部分[8]，開發流程主要有：

1）建立 Arm-linux-gcc 交叉編譯環境并編寫相應的Makefile 程序對工程進行管理；2）基于 U-boot 移植系統的啟動引導程序 Bootloader；3）Linux 操作系統（包括 Initramfs 文件系統和底層驅動程序）的移植；4）上層應用程序設計。

本系統采用的 Linux 的內核版本為 2.6.32.2，Linux底層驅動主要包括 UART（ universal asynchronous receiver/transmitter）、IIC（inter-integrated circuit）、DMA（directional memory access）、GPIO、LCD、PWM 等總線或外圍設備驅動程序開發，上層應用程序框架構建是基于 Linux 多線程機制以實現多個任務的并發控制，船載子系統的軟件結構如圖 2 所示。

上層應用程序主要由數據采集與處理、上位機交互和運動控制等任務組成。多個任務之間通過全局變量和多線程信號機制進行通信，并使用互斥鎖與條件變量對共享數據進行保護，各個任務既相互獨立又相互協作，確保系統穩定、高效地運行。

2.2 上位機監控軟件設計

為了能夠遠程實時監控河蟹養殖作業船的工作狀態，并保存作業船的運行數據，方便以后分析，本系統基于 Visual Studio 2010 開發平臺和 SQL（structured query language）Server 2008 數據庫編寫了上位機監控程序，其軟件結構如圖 3 所示。

上位機監控軟件主要由數據接收模塊、數據存儲模塊和命令發送模塊等組成。其中，數據接收模塊主要用來接收河蟹養殖作業船的當前位置、當前航速、吃水深度等信息并在監控終端上顯示；數據存儲模塊保存河蟹養殖作業船運行過程中的狀態信息，方便日后分析；命令發送模塊可以發出命令以啟動或停止河蟹養殖作業船的運行[9-11]

3 結 論

本文設計了一種基于 ARM 和 GPS/INS 組合導航的多功能全自動河蟹養殖作業船導航控制系統。所采用的基于模糊 PID 算法的航向、航速雙閉環控制算法簡單、有效；所提出的基于實時插點的航道位置計算方法能簡化航道位置獲取的復雜度，配合相應的轉彎策略能顯著提高船體的自動導航控制精度。試驗結果表明，船體速度響應較快，超調量不超過 5%，穩態誤差可控制在 3%以內；采用有限點的航道位置計算方法時，船體在轉彎與直行時偏離航道的最大誤差分別為 2.12 和 1.52 m；采用實時插點的航道位置計算方法時，船體在轉彎與直行時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殖作業船的研究提供重要參考。

參考文獻

[1] 孫月平，趙德安，洪劍青，等. 河蟹養殖船載自動均勻投餌系統設計及效果試驗[J]. 農業工程學報，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 （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. 基于自動巡航無人駕駛船的水產養殖在線監控技術[J]. 農業機械學報，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 型沉水植物收割機船隊的設計[J]. 農業機械學報，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. 河蟹養殖船載自動均勻投餌系統設計及效果試驗[J]. 農業工程學報，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 （Transactions of the CSAE）， 2015， 31（11）： 31-39. （in Chinese with English abstract）

[7] 唐榮，鄒海生，湯濤林，等. 自動投飼船及其測控系統的設計與開發[J]. 漁業現代化，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 的有序用電臺變終端設計[J]. 電測與儀表，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. 基于無線傳感網絡的規模化水產養殖智能監控系統[J]. 農業工程學報，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. 無線傳感器網絡作物水分狀況監測系統的上位機軟件開發[J]. 農業工程學報，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. 水產養殖物聯網的應用評價方法[J]. 農業工程學報，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）