摘要：计算机科学与技术、自动控制技术、人工智能技术的快速发展,为智能无人船的开发提供了技术可行性,继无人机、无人驾驶汽车后,无人船也成为研究的热点。传统的水产养殖需要大量的人力劳作,而且人工撒料很容易不均匀,造成饵料的浪费,剩余饵料容易引起水质的恶化,危害水产品的安全。本文设计一种基于差速转向无人船体的水产养殖智能导航无人船系统,采用模块化设计,整合GNSS定位器、姿态传感器、图像采集装置、采样与投放装置、4G通信模块和ARM主控制器技术,通过组合导航信息融合处理,进行路径规划和路径跟踪控制,完成巡航和避障、水质检测、水面异物检测、物料投放等任务。

　　关键词：水产养殖,差速转向无人船,自主导航,绿色发展

　　Research on Key Technologies of Intelligent Navigation Unmanned Ships in Aquaculture

　　LIN Zhijian,LIJihui

　　(Zhanjiang University of Science and Technology,Zhanjiang Guangdong 524094)

　　【Abstract】：The rapid development of computer science and technology,automatic control technology,and artificial intelligence technology,the development of intelligent unmanned ships has provided technical feasibility.Following unmanned aerial vehicles and autonomous vehicles,unmanned ships have also become a research hotspot.Traditional aquaculture requires a large amount of human labor,and manual feeding is prone to uneven distribution,resulting in waste of bait.The remaining bait can easily cause deterioration of water quality and endanger the safety of aquatic products.This article designs an intelligent navigation unmanned vessel system for aquaculture based on differential steering unmanned hull.It adopts a modular design and integrates GNSS locator,attitude sensor,image acquisition device,sampling and delivery device,4G communication module,and ARM main controller technology.Through combined navigation information fusion processing,path planning and tracking control are carried out to complete tasks such as cruising and obstacle avoidance,water quality detection,surface foreign object detection,and material delivery.

　　【Key words】：aquaculture;differential steering unmanned vessel;autonomous navigation;green development
       0引言

　　随着计算机科学与技术、自动控制技术、物联网、大数据及人工智能技术的快速发展,船舶交通领域的自动化、智能化趋势愈发加快。继无人机、无人驾驶汽车后,无人船也开始成为业内关注的焦点。与船舶有关的环境感知技术、通信导航技术等得到广泛应用,为智能

　　无人船的开发提供了技术可行性。无人船展现出了巨大优势,且随着通信技术、传感器以及人工智能等迅速发展,无人船应用场景和市场规模极其庞大。

　　近年来,人工智能领域相关技术突破性发展,水产养殖无人船也快速发展。姜宽舒等人设计了一种基于开源地面站和GNSS结合的自主导航作业船,该系统装置由明轮动力船、ARM导航控制系统、远程测控系统组成,在自动导航模式利用通信模块、地图模块、数据保存模块和数据交互模块,实现路径寻迹、精准投料、水质监测等全水域自主航行作业功能[1]。申晓宁等人设计了一种基于卫星导航定位器、图像采集传感器、水质监测与投料装置,并整合了4G通信、云计算服务,开发了一套智能水产养殖无人船系统,完成自动导航、无人船避障导航、水质采样检测、远程监控和精准投放等任务,并实现远程客户端软件实时数据监测和云端数据保存。赵德安等人设计了一种基于ARM控制器和GPS/INS组合导航系统的多功能自动导航河蟹养殖作业船,该无人船系统主要针对河蟹养殖过程中存在的水面水底情况复杂、投料不均匀、人力劳动强度大等问题,提出了一种基于实时插点的航道位置计算方法,并针对明轮船具有非线性、大时滞、欠阻尼的运动特点,设计了基于模糊PID（Proportion Integration Differentiation）的航向、航速双闭环运动控制算法[2]。孟祥宝等人研制了一种自动巡航无人驾驶船和远程监测服务平台,在提高养殖监控效率和降低监控成本的同时,实现养殖过程的实时在线监测和精准调控。刘培学等人设计了一种基于4G移动通信、远距离无线通信技术和遗传算法控制的小型海洋养殖环境监测无人船系统,实现海水养殖过程中环境数据监测和远程监控[3]。

　　1研究内容

　　本文基于湛江市水产养殖行业丰富的历史经验以及顺应时代发展的实际需求,通过实际调研了解到传统水产养殖在各个部分的工作都需要人力的参与,需要投入大量的精力。传统的人工喂养方式,在养殖区域投放食物量很容易不均匀,不能对食物投放的量进行精确控制,而且这种方式会造成饵料的浪费,当投放的饵料没有被完全吃掉就很容易引起水质的恶化,危害水生物的安全。

　　1.1水产养殖无人船试验船

　　目前湛江地区水产养殖基地大多仍采用传统养殖方式,定点投喂,投喂量完全依靠经验,若投喂量少于需求量容易引发抢食,反之则会污染水源。为提高养殖智能化程度以及解放劳动力,以差速转向饲料投放无人船为平台,采用北斗卫星导航定位技术,设计与研发水产养殖无人船自主作业系统,实现水产养殖无人船的自主导航与自动控制。

　　1.2水产养殖无人导航船软硬件系统设计

　　设计基于ARM平台的水产养殖无人作业船的软硬件系统,主要研究该无人船的饲料投放控制模块、无线通信模块、电机驱动运动控制模块等硬件设计；然后基于硬件设计给出系统软件设计,包括水产养殖无人船工作通信协议、终端应用软件设计。

　　1.3研究水产养殖无人船行驶的运动学模型和动力学建模

　　本文采用的无人船体与差速转向履带式车辆相近,具体驱动方式如图1所示。通过驱动船体上左右两侧电机带动风扇转动从而推动无人船前进,避免水草缠绕,将无人船近似看为二轮驱动,整体依照差速运动学模型进行分析。分析无人船差速控制的运动规律,得到无人船纵向、横向速度变化与无人船位移变化之间的规律,同时从无人船刚体力学、水动力学等物理角度,分析无人船在风扇驱动下所受各种阻力影响并参考数学知识体系,搭建可反映无人船动态响应的动力学模型。

　   1.4水产养殖无人船的自主作业导航控制系统

　　精确的运动状态获取是实现车辆高精度导航控制的基础,感知与目标识别是导航控制信息的来源,无人船的位姿测量、环境感知与目标识别是精准导航控制的信息来源。数据计算与无人船路径规划技术基于环境感知与目标识别所给的数据,根据船体本身所面临的环境情况,智能控制算法自主推理和规划并做出适当的决策,实时进行人工智能控制与修正,从而选择并行驶最优、最佳的航线。自动转向控制系统是一个单闭环控制系统,包括转向控制器、电机驱动、导航系统,由差速无人船运动学模型可知,调节无人船左右动力电机不同转速可实现无人船差速转向控制。

　　2无人船导航控制系统设计

　　2.1组合导航控制模型设计

　　针对水面起伏变化和大面积水面反射对无人船导航控制点的位置和姿态信息的干扰,利用低成本的三轴陀螺、三轴加速度计、GNSS天线等,采用北斗三频RTK、双天线测向、INS紧耦合融合定位测姿技术,实现无人船控制位置和姿态信息高精度测算,为自主作业系统的导航定位、测姿和路径跟踪控制提供精确信息反馈。鉴于GNSS和INS的优势互补特性,GNSS/INS组合系统能够克服各自明显的缺点,保证导航信息的连续性和可用性,保证系统的完整性。通常GNSS和INS通过松组合、紧组合或深组合三种方式将GNSS接收机和IMU（惯性测量单元）的测量信息组合在一起,实现二者的协同工作以达到组合系统导航性能的提高,其组合原理图如图2所示。

　　2.2水产养殖领域智能无人船自主导航硬件平台设计

　　智能无人船自主导航硬件平台由三大部分构成,分别为：NZ1000安卓显示终端、ECU-L001导航控制器及BY01无刷直流电机。

　　NZ1000显示终端内置10000mAh超大电池,7寸高清1024*600p显示屏,采用瑞芯微8核、1.8 GHz处理器,具有WIFI、BLE、4G、232和CAN等通信接口,整体设计IP67防水防尘设计。ECU-L001导航控制器是以STM32H743VIT6和ESP32微处理器为核心的硬件设备。微处理器方面：围绕微处理器配置最小系统电路,开发了JTAG接口、RS232接口、CAN接口、IO端口、脉冲调制（PWM）端口及WIFI和BLE。其中JTAG接口用于程序开发调试；RS232接口用于接收GNSS、LINS AHRS、NZ1000显示器终端收发信息以及Debug调试；CAN接口用于避障传感器及电机的数据通信；IO端口和脉冲调制（PWM）端口用于实现执行元件的驱动；WIFI用于作为无线网络通信Server端,以便NZ1000安卓显示终端或手机等常见终端访问和配置控制器；蓝牙用作无线升级的传输链路。电源配置方面：根据各硬件的需求,以TPS54340DDA系列芯片为基础,为STM32H743VIT6芯片和UM482板卡配置3.3V稳压电源,为AD转换模块和无线传输设备配置5V电源,为AHRS、H桥和电机等设备配置12V稳压电源。其控制器硬件PCB及实物如图3所示。结构方面：控制器尺寸为100mm×100mm×50mm,外壳采用高强度尼龙塑料材料,整体为IP67防水防尘设计,满足恶劣的水产养殖环境的作业要求。

　　BY01电机由电机本体及BY01-T01电机驱动控制板组成。BY01电机最大功率1500W,最大扭矩3nm,最高转速6800r/min;最大持续功率1100W,持续扭矩2.4nm。BY01-T01驱动器使用华大半导体Cortex-M4F内核芯片HC32F460,具有200MHz主频,高达512KB的Flash和192KB的SRAM,片上集成2个独立12bit 2MSPS ADC,3个多功能16bit PWM定时器,非常适合进行电机控制。软件上基于SVPWM的无感FOC技术,结合先进的PID控制技术,能实现参数识别、控制器自动整定、抗干扰及多种安全防护功能的控制,可实现稳定可靠的速度和力矩控制。

　　3结语

　　自动导航系统路径跟踪控制参数的优化实验是整个水产养殖无人船导航系统试验的最主要方面。试验方案是先进行计算机仿真以选择最优参数和控制算法,再进行系统开发和集成试验。高性能低成本RTK/INS组合系统设计的主要创新点包括：GNSS RTK/载波相位平滑、INS及多传感器组合算法、组合导航系统的环境适应性策略规划和实现。课题拟采用INS/GNSS组合导航定位方法,对无人船导航控制点的位置信息和姿态信息进行精确检测和估计。

　参考文献

　　[1]姜宽舒,于泓,高菊玲,等.基于Mission Planner的多功能水产养殖作业船自主导航控制系统设计与实现[J].中国农机化学报,2020,41(8):148-155.

　　[2]赵德安,罗吉,孙月平,等.河蟹养殖自动作业船导航控制系统设计与测试[J].农业工程学报,2016,32(11):181-188.

　　[3]刘培学,刘纪新,姜宝华,等.基于小型无人船的海洋养殖环境监测系统设计[J].渔业现代化,2018,45(3):22-27.