多功能水产养殖作业船自动导航控制系统研究

田翌辰 黄大鹏 李清林 朱孝勇

摘 要：为降低水产养殖行业劳动作业强度和人力成本，解决劳动力日益匮乏的问题、提高鱼塘投饵效率和投饵均匀度，设计了一种基于组合导航的多功能全自动河蟹养殖作业船导航控制系统。该系统由明轮驱动船、ARM 主控制器、GPS/INS 组合导航装置等组成，用计算机软件进行仿真试验，并与 PD（proportion differentiation）控制进行比较。试验结果表明：船体速度响应较快，超调量不超过 5%，稳态误差可控制在 3%以内；采用有限点的航道位置计算方法时，船体在转弯与直行时偏离航道的最大误差分别为 2.12 和 1.52m；采用实时插点的航道位置计算方法时，船体在转弯与直行时偏离航道的最大误差分别为 0.36 和 0.09m，分别下降了 83.02%和 94.08%，船体的控制精度得到了全面的改善。

关键词：养殖 导航 控制 河蟹养殖

引 言

近几年，随着经济发展和人民生活水平的提高，水产养殖业成为国民经济的支柱产业之一[1-2]。目前，国内主要的水产养殖基地，例如阳澄湖、长荡湖等重点养殖地区都对工业化水产养殖提出了迫切需求。由于国内的水产养殖通常位于近海或者内河水域，水浅、水下植被较多，水情较为复杂。因为水草是河蟹喜食的饵料，同时也是河蟹的栖身场所，水草可以通过光合作用增氧，还可以吸收水中的营养盐，改善水体质量，防止水体富营养化。然而，若不及时对水草进行清理，露出水面的水草会阻碍空气中的氧气进入水体，腐烂的水草会过多地消耗水中的溶氧，导致池塘底质、水质的恶化；同时，由于河蟹的活动范围有限，只能在自身附近区域觅食，饵料的投放不均会导致局部饵料过多或过少，饵料过多时会导致浪费、增加养殖的成本，饵料过少时又容易引起河蟹因抢食而相互残杀。因此，设计一款同时满足水草清理及均匀投饵需求的河蟹养殖作业船意义重大。

目前，国内外对于河蟹养殖作业船的研究不多。其中，苏州飞驰环保公司研制的 FCGCJ6-2C 型电自动水草收割船割收一体、结构简单，可以方便地对水草进行切割、收集等操作，但由于其体積庞大、造价高昂且必须由多名经验丰富的专业人员进行操作，很难在河蟹养殖中大面积推广[3-5]；佛山渔牌机械科技有限公司研制的 T150A 型定时投料机操作简单、安全可靠，可以根据设定程序自动投料，但是这种定点投料方式的抛洒面积有限，无法均匀地覆盖整个水域[6-7]。

现代船舶主要有螺旋桨、风扇推进器、明轮等驱动方式，其中，由于明轮具有推力大、防缠绕、转弯半径小等优点，已成功地应用于河道、湖泊等水域。然而，由于明轮船具有明显的非线性、大时滞、欠阻尼的运动特点，传统的 PID（proportion integration differentiation）控制方法没有考虑到船体在运动过程中特性的变化，很难达到理想的控制效果。

针对上述问题，本文设计了一种小型多功能全自动河蟹养殖作业船。采用 ARM（advanced RISC machine）为主控制器，以期达到水草自动清理和均匀投饵、降低人力成本、提高河蟹养殖效率的目的。

1 总体结构及工作原理

1.1 总体结构。全自动河蟹养殖作业船主要由船体、水草清理装置、自动投饵装置、明轮驱动装置等部分构成，其结构图如图 1 所示，作业船船体尺寸为 4.0 m×1.6 m×1.2 m，空载吃水深度为 0.35 m。为了在不增加船体体积的前提下充分利用船体的空间，河蟹养殖作业船使用单船体设计。其中，切割与输送装置放置在船头，用来切割水草并进行收集；船体中间为集草舱，用以存放收集完的水草；水草铺平装置安装在集草舱之后，用来铺平水草，防止水草集中堆积；自动投饵机放置在船尾，进行投饵作业。安装在船体两侧可正反转的明轮作为动力装置，可以实现 360°原地转弯。本系统所有装置均由一个容量为120 Ah 的 48 V 锂电池驱动，具有无污染、效率高、噪声小等优点。

1.2 工作原理。为了灵活应对多种环境的作业需求，多功能全自动河蟹养殖作业船共设有手动、遥控和自动导航 3 种控制方式，其中，主控制器采用 SAMSUNG 公司基于 ARM920T 内核设计的低成本、高效率的 32 位处理器 S3C2440A。自动导航模式中，主控制器获取 GPS 模块的定位信息、惯导模块的姿态信息、超声波模块的吃水深度信息后使用内置的导航算法进行处理，根据处理的结果调用 PWM （ pulse width modulation）生成模块和 GPIO（general purpose input output）输出模块，灵活控制船体的航行、投饵、水草清理等作业，并将相关的信息在 LCD（liquid crystal display）显示屏上进行显示。GPRS（general packet radio service）模块与 S3C2440A 通过串口进行通信，实时接收来自上位机的指令并将船体的工作模式、速度、航向、吃水深度、剩余电量等信息上传至上位机。摄像头采集模块安装在船体前方和侧后方，实时显示船体前后方图像，作辅助导航之用。

2 软件设计

2.1 船载子系统软件设计。为了增强系统的稳定性与可移植性，船载子系统选用免费、开源的 Linux 作为操作系统，其软件开发主要包括嵌入式 Linux 操作系统移植和应用程序开发 2 个部分[8]，开发流程主要有：

1）建立 Arm-linux-gcc 交叉编译环境并编写相应的Makefile 程序对工程进行管理；2）基于 U-boot 移植系统的启动引导程序 Bootloader；3）Linux 操作系统（包括 Initramfs 文件系统和底层驱动程序）的移植；4）上层应用程序设计。

本系统采用的 Linux 的内核版本为 2.6.32.2，Linux底层驱动主要包括 UART（ universal asynchronous receiver/transmitter）、IIC（inter-integrated circuit）、DMA（directional memory access）、GPIO、LCD、PWM 等总线或外围设备驱动程序开发，上层应用程序框架构建是基于 Linux 多线程机制以实现多个任务的并发控制，船载子系统的软件结构如图 2 所示。

上层应用程序主要由数据采集与处理、上位机交互和运动控制等任务组成。多个任务之间通过全局变量和多线程信号机制进行通信，并使用互斥锁与条件变量对共享数据进行保护，各个任务既相互独立又相互协作，确保系统稳定、高效地运行。

2.2 上位机监控软件设计

为了能够远程实时监控河蟹养殖作业船的工作状态，并保存作业船的运行数据，方便以后分析，本系统基于 Visual Studio 2010 开发平台和 SQL（structured query language）Server 2008 数据库编写了上位机监控程序，其软件结构如图 3 所示。

上位机监控软件主要由数据接收模块、数据存储模块和命令发送模块等组成。其中，数据接收模块主要用来接收河蟹养殖作业船的当前位置、当前航速、吃水深度等信息并在监控终端上显示；数据存储模块保存河蟹养殖作业船运行过程中的状态信息，方便日后分析；命令发送模块可以发出命令以启动或停止河蟹养殖作业船的运行[9-11]

3 结 论

本文设计了一种基于 ARM 和 GPS/INS 组合导航的多功能全自动河蟹养殖作业船导航控制系统。所采用的基于模糊 PID 算法的航向、航速双闭环控制算法简单、有效；所提出的基于实时插点的航道位置计算方法能简化航道位置获取的复杂度，配合相应的转弯策略能显著提高船体的自动导航控制精度。试验结果表明，船体速度响应较快，超调量不超过 5%，稳态误差可控制在 3%以内；采用有限点的航道位置计算方法时，船体在转弯与直行时偏离航道的最大误差分别为 2.12 和 1.52 m；采用实时插点的航道位置计算方法时，船体在转弯与直行时偏离航道的最大误差分别为 0.36 和 0.09 m，分别下降了 83.02%和94.08%。本文可以为多功能河蟹养殖作业船的研究提供重要参考。

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