無人駕駛蝦蟹投飼自主作業船及智能管控平臺研發與應用

姜寬舒，于 泓，宋元山，孟祥威，丁 皓，孟德偉

（1.江蘇農林職業技術學院，江蘇 句容；2.江蘇大學，江蘇 鎮江）

引言

我國是水產養殖和消費的大國，養殖產量已經在世界上占很大的比例，但是養殖模式還是相對傳統落后，已經不能滿足日益增長的消費需求。其智能化水平與養殖模式相對于歐美、日等發達國家而言還是相對落后很多[1]。傳統的養殖模式需要依靠大量的人力成本，而且餌料投放也不合理，精確導航和智能餌料補給相對落后，這種養殖模式不僅耗時耗力，且嚴重制約了養殖效率和規模[2]。歐美、日等發達國家的精準導航定位技術發展較早，其水產養殖技術相對先進，智能化程度也比較高，自動導航、船舶控制等技術也已被廣泛地運用于水產養殖的多個方面，大大地提高了養殖效益。目前，國內外對于集成了自動均勻投餌技術、無人作業船控制技術的水產養殖作業船研究不多，但是針對相關的技術分別出現了一些典型成果。

意大利的Techno SEA 公司早在20 世紀末期就已將自動投餌技術應用于浮體網箱養殖，并配套設計出了下沉式自動投餌機。該投餌機可全天候進行投餌，適用于不同類型、品質和大小的顆粒飼料，不足的是儲料空間太小。日本NITT0 SEIKO 公司研發了小料倉集成控制投餌系統，該系統利用控制模塊對安置在每個網箱上方的多個小料倉實現集成控制，其配套設施或裝備大多借助軌道和電力驅動滑車等形式的行走機構完成移動投餌。這種軌道形式需預先布置安裝，其工期較長、成本較大、靈活性不強，不利于大面積推廣[3-4]。目前，國內規模化水產養殖投餌喂料主要采用幾種方式：①人工撐船，人力投餌喂料，一人撐船，一人或兩人投餌，僅憑人工經驗，工作效率低，勞動強度大，無法保證投餌的均勻度；②人工撐船，船載投餌機投餌喂料，這種方式雖然可以通過投飼機置換部分勞動力，但同樣存在船行進的路線全憑人工隨意確定，隨機性大，很難保證投餌的均勻度；③遙控自動投餌船，雖能根據人為遙控在池塘中投料，但投喂量依然由人工經驗確定，航行路線隨機性強[5]。以上三種方式都無法完全用機器換人，并且都無法實現精準均勻投飼，不利于大規格蝦蟹的培育，導致養殖效益低下。由此可見，國內現有產品和其他科研單位所研發機具在功能上僅僅實現了機械化投餌，無法實現按生長需求精準飼喂，以及投飼飼料在生長區域內均勻分布[6]。

針對以上的技術瓶頸和行業痛點，本文在傳統的單一功能人工水產養殖船基礎上，研發基于GPS-RTK 技術的自主導航水產養殖作業船與智能管控系統，再基于“物聯網+大數據”技術，開發一種多水域集群作業自主導航水產養殖船智能管控平臺。本項目主要針對較大水域或多片水域養殖，通過APM中央控制器以及開源地面站測控軟件，結合GNSS-RKT和慣性導航系統，實現作業船航行路徑規劃、水域自主巡航、精準投餌、均勻施藥等多種功能，每條無人船對接水產養殖管控平臺，實現多水域大規模無人化集群作業，最終達到提高蝦蟹品質、降低投飼飼料和人力成本、減少環境污染，提高作業效率的目的，有效提高蝦蟹養殖的經濟效益與社會效益。

1 無人船總體結構設計

船體設計載重量200 KG，投餌、施藥、明輪動力轉向、輔助增氧、水質監測等執行裝置均由一個電壓為12 V、容量為200 Ah 的鋰電池提供動力，太陽能電池板輔助供電，能夠在兼顧作業效率的情況下滿足45 min 超長續航。船體的三維結構設計示意如圖1 所示。同時，本研發設計的無人駕駛蝦蟹投飼作業船還兼具路徑規劃、自主導航、水質監測實施反饋、水質異常預警、集群控制作業等集成功能，具體的研發和推廣技術路線如圖2 所示。無人船多次迭代優化，依次經歷了單體結構、明輪結構、雙體結構、隱藏式雙推進器結構。船體的穩定性、負載能力、抗傾覆性、避免纏水草等綜合性能大幅提升。結構更加合理，便于推廣。

圖1 無人船總體結構示意

圖2 研發推廣技術路線

2 自動導航控制系統設計及模塊集成

2.1 無人船地面測控系統

基于“物聯網+大數據”技術，開發蝦蟹水產養殖管控平臺，可在手機端或電腦端遠程操控多條無人船進行管理作業，實現無人船的多水域集群調度，按時按需進行大范圍航線規劃、自主巡航、精準投餌、施藥以及航行數據實時監測反饋。首先路徑規劃系統對蟹塘區域進行路徑規劃，并將生成的目標作業路徑下發給養殖船；接著養殖船上的APM主控制器通過GPS模塊、超聲波傳感器模塊獲取養殖船當前的位置速度、航向、障礙物距離等信息，使用內置的航向航速雙閉環控制算法進行處理，根據處理的結果調用PWM 生成模塊和GPIO 輸出模塊，控制養殖船嚴格地按照設定的目標路徑航行[7]。然后根據蝦蟹飼喂專家系統數據庫，給出蝦蟹飼養周期內各單次投放量處方，養殖船自動地完成運動控制功能和作業控制功能。無人船智能管控平臺控制流程如圖3 所示。

圖3 無人船智能管控平臺控制流程

2.2 航跡自主規劃與導航

在無人船智能管控平臺中創建巡航任務，啟動任務之后就可以在地圖模塊看到無人船所在的水域位置，點擊添加水域的自主航線，航線的間距和大小都是前面我預先優化測繪設置好的。點擊一鍵啟動無人船就能夠按照指定的規劃線路按照相應的航行速度和航行方向進行自主巡航。同時進行投餌，水質監測等作業。當所有航線運行完畢之后無人船會回到我們的起點位置，整個作業過程可以實現自動化和無人化，大大提高養殖管理效率，降低人力成本。無人船規劃航線與自主巡航作業如圖4 所示。

圖4 無人船規劃航線與自主巡航作業

3 水質實時監測反饋

基于平臺開發遠程監測預警防治系統，通過無人船上的水質傳感器，實時監測水質參數，對于監測過程中參數異常的水域，在后臺地圖模塊直觀顯示并預警，同時調用對應水域的無人船開展有針對性的施藥噴灑防治。本智能管控平臺可以同時對接多條水域監測無人船，實施多水域集群化監測作業，為開展全自動水質監測技術設備的研發提供理論和實踐參考。

3.1 水質數據實時監測反饋

無人船上設計有水質監測裝置，水質監測儀自帶電池和檢測探頭，探頭伸入水體中測量當前水域的水溫、溶氧量和PH 值，并通過無線網絡將測量結果實時傳輸至地面端，實時監測反饋如圖5 所示。該水質監測系統具有方便部署、低功耗、無人操作、少維護、遠距離傳輸等特點。能夠對養殖水域水質進行實時監測和調控，以實現增氧、投餌、施藥等功能的精準化實施。

圖5 氨氮及溶氧量實時監測數據反饋

3.2 歷史水質數據參數對比

水質檢測是評估養殖水體質量和環境污染程度的重要手段。然而僅僅對水質進行實時的監測并不足以提供完整的信息。對于大量的水質檢測數據，合理的數據處理和分析方法是必不可少的。管控平臺還可以調取水質歷史數據進行參數對比，如圖6 所示。對判斷養殖水域水質情況提供豐富的數據參考。

圖6 平臺歷史水質參數數據調取

3.3 水質異常預警

平臺設置遠程監測預警防治系統，通過無人船上的水質傳感器，實時監測水質參數，對于監測過程中參數異常的水域，在后臺地圖模塊直觀顯示并預警，如圖7所示。同時調用對應水域的無人船開展有針對性的施藥噴灑防治。

圖7 水質異常水域云圖形式預警

4 試驗推廣

在興化、句容等地開展示范應用，示范應用面積100 畝以上， 節省飼料20%，節本增效15%。有效提升蝦蟹養殖產業的效益。本無人駕駛蝦蟹投飼自主作業船及智能管控平臺適用于蝦蟹規模化養殖基地。通過使用無人駕駛投飼作業船與智能料倉可以節省飼料成本，提高蝦蟹產品品質和提高養殖效益，有非常大的市場空間。

試驗推廣過程中，無人駕駛蝦蟹投飼自主作業船及智能管控平臺，包括氣力輸送投飼機構、水下噴氣式推進機構、作業船轉向機構、作業船作業參數檢測模塊、作業船通訊模塊、作業船能量管理模塊等，實現按蝦蟹生長需求精準飼喂，通過作業船與智能料倉的協同作業，自動充電，自動添加飼料， 實現無人駕駛作業船按預設路徑自主行駛、轉向、投飼、充電等功能。水域試驗驗證的主要技術指標為：

作業效率≥12.5 畝/h，連續服務能力≥50 畝，作業行走速度≥0.6 m/s，作業動力源為48 V 鋰電池，電源續航時間≥4 h，智能料倉容量≥1 T；船載料倉容量150 kg，投飼作業寬幅4 m，鋰電池充電時間≤4 h。推廣試驗如圖8 所示。

圖8 無人駕駛蝦蟹投飼自主作業船及智能管控平臺水域試驗推廣

5 結論

本無人駕駛蝦蟹投飼自主作業船及智能管控平臺可在每個水域控制一條自主導航水產養殖船，兼具智能補給、水塘施藥和水質監測功能，同時解決了大規模多水域集群作業的投餌、施藥、水質監測功能，可滿足擁有多片水域的大規模水產養殖戶的養殖作業，使水產養殖裝備向著自動化、信息化、規模化、精確化方向發展，大幅降低人工成本，提高水產養殖效益，因此開發多水域自主作業水產養殖管控平臺有著廣闊的市場前景和開發潛力。