基于云端環境數據監測和彈性柵格算法的無人艇智能投餌系統

許仕杰 馮輝 向金林 韓家恒

摘 要：隨著各地區養殖規模的不斷增大，傳統的投餌方式已不再適合大規模的水產養殖。為了應對大面積水產養殖中出現的諸多問題，本文提出了一種無人艇智能投餌系統。通過對無人艇養殖水質環境信息采集、云端數據處理與監測、改進彈性柵格算法和投餌機裝置等方面進行研究。將水產養殖過程中必不可少的水質監測與投餌一體化，無人艇上搭載的投餌機可以根據采集到的水質環境作出及時調整。避免傳統投餌方式所產生的多種弊端，從而實現水產養殖的自動化，達到水產養殖戶降低成本、增加產量的最終目的。

關鍵詞：水產養殖；投餌機；無人艇；云服務；智能投餌

近年來，我國的水產養殖業發展迅速。在過去20年，水產養殖是世界范圍內食品領域增長最快的行業[1]。市場上現存的投餌方式大致分為人工投餌，自動投餌機器投餌和自動巡航無人駕駛船投餌。國內人工投飼通常主要是使用勺子、鐵鍬等手工工具拋灑飼料，難以精確掌握最適宜滿足養殖對象需求的投飼水平，并且隨著養殖規模的逐漸增大，人工投餌方式已經趨于淘汰。自動投餌機投餌比起人工投餌更加節省餌料并且提高了投餌效率。但在大面積的圍網養殖中，自動投餌機受到安放位置的限制及投餌有效距離的限制，很難覆蓋到所有的養殖區域，往往需要多臺投餌機協同操作。這種投餌方式電線架設復雜、成本昂貴，尤其是遠離陸地的海水養殖更難架設投餌機。市場上還有一種投餌方式是自動巡航無人駕駛船投餌，雖然比起前兩種投餌方式無人駕駛船投餌更加靈活，極大的降低了養殖成本。但現有的無人駕駛船結構單一，既缺乏合理的投餌區域劃分算法，又缺乏相應的水質監測功能[2]。

水質信息對投餌至關重要，如果能根據水質情況對投餌作出及時調整，則會大大降低養殖過程中的餌料浪費和魚苗死亡率。

對比原有的投餌方式，本文提出的智能投餌系統，一方面可以實現水質環境的實時監測并通過檢測到的數據對投餌作出及時調整，降低養殖過程中的餌料浪費和魚苗死亡率。另一方面可以實現對大面積水域養殖的均勻投餌，安全系數高，在潮濕的環境下仍可以正常工作。

1 智能投餌系統架構

本文提出的無人艇智能投餌系統主要由云端系統和多功能水產養殖無人艇兩部分組成。多功能水產養殖無人艇在規劃好的區域內定點采集水質環境信息，一方面無人艇上搭載的投餌機根據采集到的環境信息參數，確定投餌率以及判斷是否投放增氧劑等水質改善物。另一方面將水質環境信息和航姿狀態通過基站發送至云端，云端服務器對無人艇監測到的數據進行儲存、處理及共享。云端服務器包括云端數據庫和云計算中心，首先云端數據庫對多功能水產養殖無人艇所采集的水質環境數據進行實時儲存，然后云計算中心調用數據庫中的數據對信息進行整合及處理。養殖戶通過PC、平板電腦、手機等終端訪問云端服務平臺實時監控自家養殖水域水質信息和多功能水產養殖無人艇的航姿狀態。

2 云端服務系統

無人艇將環境監測信息發至云端，云計算通過對無人艇監測到的數據進行儲存與處理后將水質環境信息發送到客戶端，養殖戶可以遠程實時監測到無人艇的航姿狀態以及投餌點水溫、pH、溶解氧等水質環境數值。

無人艇上搭載的控制器則會根據無人艇上搭載的傳感器監測到的環境信息改善投餌狀態。根據溫度傳感器測得的水溫信息，控制器會觸發投餌調控模塊改變投餌率；根據溶解氧傳感器和pH傳感器測得的水質信息，控制器觸發化學試劑播撒模塊投放增氧劑或pH中和劑。當料斗中的投料或試劑不足時則觸發預警模塊，提醒用戶添加。

3 基于彈性柵格算法的路徑規劃

3.1 彈性柵格算法

（1）根據地圖獲取水域及及障礙物位置信息；

（2）劃定內外投餌理論輪廓線，確定航行起點終點；

（3）創建正方形投餌柵格以每格中心為投餌點；

（4）獲取各點距離確定下一投餌點，調用全局路徑算法求得最小路徑。

3.2 無人艇投餌機改進

圖 投餌機改進圖

1進液口；2進料口；3料斗蓋；4分區上端面；5料斗內框架；6分區下端面；7出料口；8出液口；9液體分區；10料斗外框架.

所述內筒形斗壁被多個隔板分為多個扇形分區。充分考慮料斗裝載物的自由面效應，采用分區的方法對料斗進行分區，以減小自由面效應產生的不利影響，提高無人艇的穩性。針對料斗清潔問題，采用雙層設計，方便料斗的取出并清潔。在對料斗的分區基礎上便可實現餌料、殺蟲劑等液態裝載物的同時搭載。料斗蓋采用不銹鋼材質并進行光滑處理，太陽光照射和無人艇的運動可產生閃光，利用鳥類的懼怕閃光特性可實現驅鳥功能，減少魚類損失。

4 結語

本文提出的一種基于云端環境數據監測和彈性柵格算法的無人艇智能投餌系，具有以下創新點：

（1）增加了云服務的功能，將水質監測與智能投餌一體化。真正意義上的實現水產養殖智能化。

（2）將彈性柵格算法用于水產養殖，無人艇結合全局路徑算法及水域地理環境信息將水域分成均勻的投餌區域并且遍歷各投餌區域，實現均勻投餌的功能，有利于魚類均勻分布、均勻生長并最大程度的利用水域自然資源。

（3）改進后的投餌機結構能夠有效減小自由面并同時搭載固態餌料及液態殺蟲劑、水質緊急處理試劑。

參考文獻：

[1]羅國芝，朱澤聞，包存寬.中國水產養殖規劃現狀分析與對策[J].環境污染與防治，2009，31（02）：8789.

[2]洪劍青，趙德安，孫月平，張軍，羅吉.水產養殖自動導航無人明輪船航向的多模自適應控制[J].農業工程學報，2017，33（01）：95101.