基于云端环境数据监测和弹性栅格算法的无人艇智能投饵系统

许仕杰 冯辉 向金林 韩家恒

摘 要：随着各地区养殖规模的不断增大，传统的投饵方式已不再适合大规模的水产养殖。为了应对大面积水产养殖中出现的诸多问题，本文提出了一种无人艇智能投饵系统。通过对无人艇养殖水质环境信息采集、云端数据处理与监测、改进弹性栅格算法和投饵机装置等方面进行研究。将水产养殖过程中必不可少的水质监测与投饵一体化，无人艇上搭载的投饵机可以根据采集到的水质环境作出及时调整。避免传统投饵方式所产生的多种弊端，从而实现水产养殖的自动化，达到水产养殖户降低成本、增加产量的最终目的。

关键词：水产养殖；投饵机；无人艇；云服务；智能投饵

近年来，我国的水产养殖业发展迅速。在过去20年，水产养殖是世界范围内食品领域增长最快的行业[1]。市场上现存的投饵方式大致分为人工投饵，自动投饵机器投饵和自动巡航无人驾驶船投饵。国内人工投饲通常主要是使用勺子、铁锹等手工工具抛洒饲料，难以精确掌握最适宜满足养殖对象需求的投饲水平，并且随着养殖规模的逐渐增大，人工投饵方式已经趋于淘汰。自动投饵机投饵比起人工投饵更加节省饵料并且提高了投饵效率。但在大面积的围网养殖中，自动投饵机受到安放位置的限制及投饵有效距离的限制，很难覆盖到所有的养殖区域，往往需要多台投饵机协同操作。这种投饵方式电线架设复杂、成本昂贵，尤其是远离陆地的海水养殖更难架设投饵机。市场上还有一种投饵方式是自动巡航无人驾驶船投饵，虽然比起前两种投饵方式无人驾驶船投饵更加灵活，极大的降低了养殖成本。但现有的无人驾驶船结构单一，既缺乏合理的投饵区域划分算法，又缺乏相应的水质监测功能[2]。

水质信息对投饵至关重要，如果能根据水质情况对投饵作出及时调整，则会大大降低养殖过程中的饵料浪费和鱼苗死亡率。

对比原有的投饵方式，本文提出的智能投饵系统，一方面可以实现水质环境的实时监测并通过检测到的数据对投饵作出及时调整，降低养殖过程中的饵料浪费和鱼苗死亡率。另一方面可以实现对大面积水域养殖的均匀投饵，安全系数高，在潮湿的环境下仍可以正常工作。

1 智能投饵系统架构

本文提出的无人艇智能投饵系统主要由云端系统和多功能水产养殖无人艇两部分组成。多功能水产养殖无人艇在规划好的区域内定点采集水质环境信息，一方面无人艇上搭载的投饵机根据采集到的环境信息参数，确定投饵率以及判断是否投放增氧剂等水质改善物。另一方面将水质环境信息和航姿状态通过基站发送至云端，云端服务器对无人艇监测到的数据进行储存、处理及共享。云端服务器包括云端数据库和云计算中心，首先云端数据库对多功能水产养殖无人艇所采集的水质环境数据进行实时储存，然后云计算中心调用数据库中的数据对信息进行整合及处理。养殖户通过PC、平板电脑、手机等终端访问云端服务平台实时监控自家养殖水域水质信息和多功能水产养殖无人艇的航姿状态。

2 云端服务系统

无人艇将环境监测信息发至云端，云计算通过对无人艇监测到的数据进行储存与处理后将水质环境信息发送到客户端，养殖户可以远程实时监测到无人艇的航姿状态以及投饵点水温、pH、溶解氧等水质环境数值。

无人艇上搭载的控制器则会根据无人艇上搭载的传感器监测到的环境信息改善投饵状态。根据温度传感器测得的水温信息，控制器会触发投饵调控模块改变投饵率；根据溶解氧传感器和pH传感器测得的水质信息，控制器触发化学试剂播撒模块投放增氧剂或pH中和剂。当料斗中的投料或试剂不足时则触发预警模块，提醒用户添加。

3 基于弹性栅格算法的路径规划

3.1 彈性栅格算法

（1）根据地图获取水域及及障碍物位置信息；

（2）划定内外投饵理论轮廓线，确定航行起点终点；

（3）创建正方形投饵栅格以每格中心为投饵点；

（4）获取各点距离确定下一投饵点，调用全局路径算法求得最小路径。

3.2 无人艇投饵机改进

图 投饵机改进图

1进液口；2进料口；3料斗盖；4分区上端面；5料斗内框架；6分区下端面；7出料口；8出液口；9液体分区；10料斗外框架.

所述内筒形斗壁被多个隔板分为多个扇形分区。充分考虑料斗装载物的自由面效应，采用分区的方法对料斗进行分区，以减小自由面效应产生的不利影响，提高无人艇的稳性。针对料斗清洁问题，采用双层设计，方便料斗的取出并清洁。在对料斗的分区基础上便可实现饵料、杀虫剂等液态装载物的同时搭载。料斗盖采用不锈钢材质并进行光滑处理，太阳光照射和无人艇的运动可产生闪光，利用鸟类的惧怕闪光特性可实现驱鸟功能，减少鱼类损失。

4 结语

本文提出的一种基于云端环境数据监测和弹性栅格算法的无人艇智能投饵系，具有以下创新点：

（1）增加了云服务的功能，将水质监测与智能投饵一体化。真正意义上的实现水产养殖智能化。

（2）将弹性栅格算法用于水产养殖，无人艇结合全局路径算法及水域地理环境信息将水域分成均匀的投饵区域并且遍历各投饵区域，实现均匀投饵的功能，有利于鱼类均匀分布、均匀生长并最大程度的利用水域自然资源。

（3）改进后的投饵机结构能够有效减小自由面并同时搭载固态饵料及液态杀虫剂、水质紧急处理试剂。

参考文献：

[1]罗国芝，朱泽闻，包存宽.中国水产养殖规划现状分析与对策[J].环境污染与防治，2009，31（02）：8789.

[2]洪剑青，赵德安，孙月平，张军，罗吉.水产养殖自动导航无人明轮船航向的多模自适应控制[J].农业工程学报，2017，33（01）：95101.