無人艇在水產養殖中的應用研究

王恒家 王化明 陳林

[摘要]水產養殖在中國具有悠久的歷史，其中粗養方式占有很大的比重，但是這種方式主要靠人力為主，人的勞動強度很大，隨著科技不斷和農業融合，將科技應用到水產粗養的方式中可以有效降低養殖人員的勞動強度，無人艇能夠實現水產養殖過程中所需的多種功能，因此它在水產養殖方面具有廣泛的應用前景。

[關鍵詞]無人艇;水產養殖;勞動強度;科學技術

[中圖分類號]S969[文獻標識碼]A

中國的農業具有很大的發展空間。自古以來，中國就是一個農業大國，在整個農業勞動過程中，人力勞動充當著重要的角色。1992年鄧小平提出科學技術是第一生產力，大力發展科學技術，極大地促進了國家的經濟發展。然而在社會發展過程中，政府對農業的發展重視度不夠，導致農業的發展進步緩慢。近年來，政府開始大力發展農業，提出將科技融入到農業的生產當中。越來越多的人投入到農業科技設備的研制中，如中山光弧科技照明公司研制出可調LED植物燈，該燈可以提供植物在不同生長階段所需的不同顏色的比例的燈光;江蘇悅達智能裝備有限公司研發YK—2604無人駕駛拖拉機具有智能規劃作業路徑、自主轉向等功能，可以實現農耕自動化。水產養殖在中國具有悠久的歷史，它是中國農業重要的組成部分。水產養殖分為粗養、精養和高密度精養等方式，在中國主要是精養方式，如池塘養魚、網箱養魚和圍欄養殖等等。水產養殖的各個部分都需要人的參與，需要人投入大量的精力。近年來，大量灘涂和圍塘被征用，傳統水域的養殖區逐漸消失，養殖區逐漸向深海區轉移。無形之中有增大了人的工作強度。本文提出將無人艇應用在水產養殖中，協助養殖人員的工作，降低養殖人員的工作強度。

1 發展現狀及趨勢

有關無人艇的研究很早就開始了，其中美國和以色列在無人艇的研制和使用方面處于世界領先位置。目前，無人艇在民用方面較少，主要被應用在軍事方面，用于情報的收集、水文地理勘察、目標的監測等等。無人艇是通過各種功能的模塊，不同類型的傳感器及設計的外部結構相互結合，從而實現不同的使用功能，完成不同的工作任務。因此無人艇的組成結構使得其應用非常廣泛。

近年來，政府倡導將科學技術應用到農業生產中，這一舉措引起了很大的反響，促使大批研究人員投入到農業科技建設中。如使用無人機對農作物進行拍攝，分析和了解農作物的生長狀態。科技逐漸融入到農業的生產活動中，它可以有效的提高生產的效益。在中國，水產養殖在農業生產中占有很大的比重，其中在水產養殖過程中充當著重要角色的是人，經常需要通過繁重的體力勞動來確定養殖過程不出差錯，將無人艇應用在水產養殖中，根據不同需要賦予其不同的功能，可以有效降低養殖人員的工作強度，提高養殖效益。無人艇在水產養殖中具有很大的發展前景。

2 無人艇在水產養殖中的應用

水產養殖過程中需要了解其生長情況、健康狀態、及時喂食、水質檢測等方面信息。傳統水產養殖都是通過人工方式實現，養殖的信息不具備實時監測。根據養殖的需求，在無人艇上安裝具備相應功能的設備，保證養殖過程的安全性、信息獲取的實時性。

2.1 遠程監控

在無人艇上安裝高精度攝像頭，可以通過操作無人艇實時查看了解水產的生活狀況。傳統養殖是通過養殖人員駕駛船前往養殖區域，然后在養殖區域多次巡視，查看水產的狀態。這需要養殖人員的大量的精力投入，增加了其工作強度。利用無人艇來巡視養殖區域可以大大降低養殖人員的勞動強度，只需在辦公室簡單的控制無人艇即可全面了解養殖區域的狀況，特別是在一些極端天氣，不需要人駕駛船出海，保證了人員的安全。

2.2 精準飼喂

裝載一些喂食設備，當無人艇到達養殖區域后可以自動精準投放食物。傳統飼養是通過人工方式進行的，在養殖區域投放食物量很容易不均勻，不能對食物投放的量進行精確的控制，而且這種方式會造成餌料的浪費，當投放的餌料沒有被完全吃掉就很容易引起水質的惡化，危害水生物的安全。設計投放食物設備，然后將該設備安裝在無人艇上，通過相關的硬件來控制設備的運行，可以實現對食物投放量的精準控制，并且可以確保食物在飼養區域能夠均勻分布。養殖人員只需要將待投放的食物安放在投食設備上，設置好食物投放的速度，然后啟動無人艇，設置好無人艇的運動路徑，當其到達目的地后，無人艇開始按量自動喂養水產。

2.3 水質檢測

水產養殖需要及時了解水質情況，良好的水質可以促進水產的生長，而當水質污染后，若不能及時了解并采取相關措施治理，會使養殖戶蒙受巨大的經濟損失。而傳統方式檢測方式是通過人工測量和長期的養殖經驗，這種方式存在很明顯的弊端，即不能實際了解到水質的情況。在無人船上安裝水質檢測裝置，通過該裝備可以對水質進行檢測，及時了解到水質情況，實時掌握水中各種物質的含量，具有很好的實時測控功能;還可以將采集的樣本帶回來，進一步研究分析，方便養殖人員對水質信息的掌控，以及及時地做出相應的措施。

2.4藥物投放

水產養殖中，病害不可避免，需要通過藥物及時治理，保證水產養殖動物正常生存。對于池塘養殖方式一般是人圍著岸邊隨機向水里投放藥片，網箱養殖方式一般是人工噴灑藥物。在無人艇上安裝噴灑裝置，可以通過遠程遙控的方式控制藥物的噴灑。在精養方式下使用無人艇投放藥物治理疾病可以大大降低養殖人員的勞動強度，同時可以保證藥物在養殖區域分布均勻，確保藥物噴灑覆蓋整個養殖區域。

3 無人艇應用存在的問題

3.1 控制精度受外界環境影響較大

無人艇是通過控制算法對自身的運動進行自動控制。無人艇的運動控制分為航向控制和航跡控制兩種，而航向控制是船舶運動控制的基礎，研究無人艇的運動首先需要確保無人艇具有良好的航向控制性能。航向控制性能分為航向保持和航向跟蹤，通過操控舵角來控制無人艇的航向。一般航向控制算法都是基于船舶線性運動模型建立的，而在復雜環境影響下船舶實際航行呈現的是一種非線性運動，造成控制性能達不到理想的程度。另外，當船速、船舶載重發生改變時，容易引起模型參數的攝動，影響航行控制算法的對無人艇的控制。目前水產養殖區域逐漸向深海轉移，如果采用無人艇進行遠程操作養殖，必須要提高復雜海況下船舶運動控制的抗干擾能力。

3.2 部分傳感器容易受天氣影響

無人艇應用在水產養殖時，首先需要實時掌握其位置信息。無人艇通常采用GPS進行定位，但是GPS信號受天氣影響較大，在云層較厚時，位置信息不準確。

3.3 成本高

在水產養殖過程中，無人艇需要監測多種信息，而這種監測信息的手段主要是通過各種用于數據采集的傳感器與數據處理器相互配合實現，對傳感器測量的精度要求很高。傳感器的測量精度與成本成正比，這也使得無人艇的成本較高。

3.4 缺乏操作人員

一般是人在船上通過操舵來控制船的航行，無人艇雖然能夠實現自主航行、路徑選擇等功能，但是在一些情況下，需要人工控制，不同于人工直接操舵方式，無人艇的控制端在服務器或者手機上，操作人員需要登錄進服務器，進入無人艇的控制界面，通過選擇各種按鈕來控制無人艇的運動。由于無人艇控制較為復雜，需要操作人員熟悉各種按鈕的功能，因此在將無人艇應用在水產養殖時需要進行一系列的培訓，幫助養殖人員熟練掌握無人艇的控制技能。

4 解決策略

4.1 采用智能控制算法進行控制

目前針對無人艇的運動控制算法有PID及改進型PID控制算法、滑膜控制、模糊控制、Backstepping設計法、Lyapunov直接法、廣義預測控制等等，這些控制算法需要精準的船舶運動模型，而無人艇運動是非常復雜的，其運動過程中受到的一些擾動很難建立一種精確的數學模型進行描述，也造成上述的控制算法不能很好的控制無人艇的運動。隨著計算機技術和新型控制理論的發展，人工智能技術出現并逐漸應用在控制領域當中，如人工神經網絡、支持向量機等。人工神經網絡類似于人的大腦，將其應用在無人艇運動控制中，它可以通過外界輸入信息不斷調整自身，具有自學習性，能夠模仿、學習人在復雜環境下的操舵方式，最終可以根據外界的情況獨立的、智能的、安全的控制無人艇的航行。

4.2 采用基站定位

基站定位可以避免云層較厚導致GPS信號接收不到的情況。基站定位的原理是測量不同基站的下行導頻信號，獲取不同基站下行導頻的到達時間或者是到達時間差，根據測量的結果以及各基站自身的位置坐標，采用三角公式估算法，就可以計算較為準確的目標位置。實際上參與定位的基站數量越多，目標的測量精度就會越高，定位性能會越強。采用基站能夠實時獲取無人艇的位置，消除陰雨天無人艇定位不準確的問題，保證了無人艇航行的安全。

4.3 設立無人艇操作培訓機構

無人艇的控制是通過后臺進行的，需要登錄相應的控制端。由于無人艇量測的信息較多，功能較多，結構復雜，也使得控制界面較為復雜。對于剛接觸的養殖人員來說，很難通過說明書準確快速掌握無人艇的控制方法，因此，他們需要經過專門的培訓，在培訓人員的指導下，熟練的操控無人艇，實現無人艇在水產養殖中的各種功能。

5 結語

科學技術逐漸融入到農業生產之中，它在提高農產品收益、降低勞動人員的工作強度方面發揮越來越重要的作用。無人艇是高科技的結晶，雖然現在在水產養殖方面應用較少，但是它可以幫助養殖人員實時了解到水產養殖動物的生長情況，可以全天候監控養殖區，極大地方便了養殖人員，在未來具有很廣闊的應用前景。

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