无人艇在水产养殖中的应用研究

王恒家 王化明 陈林

[摘要]水产养殖在中国具有悠久的历史，其中粗养方式占有很大的比重，但是这种方式主要靠人力为主，人的劳动强度很大，随着科技不断和农业融合，将科技应用到水产粗养的方式中可以有效降低养殖人员的劳动强度，无人艇能够实现水产养殖过程中所需的多种功能，因此它在水产养殖方面具有广泛的应用前景。

[关键词]无人艇;水产养殖;劳动强度;科学技术

[中图分类号]S969[文献标识码]A

中国的农业具有很大的发展空间。自古以来，中国就是一个农业大国，在整个农业劳动过程中，人力劳动充当着重要的角色。1992年邓小平提出科学技术是第一生产力，大力发展科学技术，极大地促进了国家的经济发展。然而在社会发展过程中，政府对农业的发展重视度不够，导致农业的发展进步缓慢。近年来，政府开始大力发展农业，提出将科技融入到农业的生产当中。越来越多的人投入到农业科技设备的研制中，如中山光弧科技照明公司研制出可调LED植物灯，该灯可以提供植物在不同生长阶段所需的不同颜色的比例的灯光;江苏悦达智能装备有限公司研发YK—2604无人驾驶拖拉机具有智能规划作业路径、自主转向等功能，可以实现农耕自动化。水产养殖在中国具有悠久的历史，它是中国农业重要的组成部分。水产养殖分为粗养、精养和高密度精养等方式，在中国主要是精养方式，如池塘养鱼、网箱养鱼和围栏养殖等等。水产养殖的各个部分都需要人的参与，需要人投入大量的精力。近年来，大量滩涂和围塘被征用，传统水域的养殖区逐渐消失，养殖区逐渐向深海区转移。无形之中有增大了人的工作强度。本文提出将无人艇应用在水产养殖中，协助养殖人员的工作，降低养殖人员的工作强度。

1 发展现状及趋势

有关无人艇的研究很早就开始了，其中美国和以色列在无人艇的研制和使用方面处于世界领先位置。目前，无人艇在民用方面较少，主要被应用在军事方面，用于情报的收集、水文地理勘察、目标的监测等等。无人艇是通过各种功能的模块，不同类型的传感器及设计的外部结构相互结合，从而实现不同的使用功能，完成不同的工作任务。因此无人艇的组成结构使得其应用非常广泛。

近年来，政府倡导将科学技术应用到农业生产中，这一举措引起了很大的反响，促使大批研究人员投入到农业科技建设中。如使用无人机对农作物进行拍摄，分析和了解农作物的生长状态。科技逐渐融入到农业的生产活动中，它可以有效的提高生产的效益。在中国，水产养殖在农业生产中占有很大的比重，其中在水产养殖过程中充当着重要角色的是人，经常需要通过繁重的体力劳动来确定养殖过程不出差错，将无人艇应用在水产养殖中，根据不同需要赋予其不同的功能，可以有效降低养殖人员的工作强度，提高养殖效益。无人艇在水产养殖中具有很大的发展前景。

2 无人艇在水产养殖中的应用

水产养殖过程中需要了解其生长情况、健康状态、及时喂食、水质检测等方面信息。传统水产养殖都是通过人工方式实现，养殖的信息不具备实时监测。根据养殖的需求，在无人艇上安装具备相应功能的设备，保证养殖过程的安全性、信息获取的实时性。

2.1 远程监控

在无人艇上安装高精度摄像头，可以通过操作无人艇实时查看了解水产的生活状况。传统养殖是通过养殖人员驾驶船前往养殖区域，然后在养殖区域多次巡视，查看水产的状态。这需要养殖人员的大量的精力投入，增加了其工作强度。利用无人艇来巡视养殖区域可以大大降低养殖人员的劳动强度，只需在办公室简单的控制无人艇即可全面了解养殖区域的状况，特别是在一些极端天气，不需要人驾驶船出海，保证了人员的安全。

2.2 精准饲喂

装载一些喂食设备，当无人艇到达养殖区域后可以自动精准投放食物。传统饲养是通过人工方式进行的，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的控制，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。设计投放食物设备，然后将该设备安装在无人艇上，通过相关的硬件来控制设备的运行，可以实现对食物投放量的精准控制，并且可以确保食物在饲养区域能够均匀分布。养殖人员只需要将待投放的食物安放在投食设备上，设置好食物投放的速度，然后启动无人艇，设置好无人艇的运动路径，当其到达目的地后，无人艇开始按量自动喂养水产。

2.3 水质检测

水产养殖需要及时了解水质情况，良好的水质可以促进水产的生长，而当水质污染后，若不能及时了解并采取相关措施治理，会使养殖户蒙受巨大的经济损失。而傳统方式检测方式是通过人工测量和长期的养殖经验，这种方式存在很明显的弊端，即不能实际了解到水质的情况。在无人船上安装水质检测装置，通过该装备可以对水质进行检测，及时了解到水质情况，实时掌握水中各种物质的含量，具有很好的实时测控功能;还可以将采集的样本带回来，进一步研究分析，方便养殖人员对水质信息的掌控，以及及时地做出相应的措施。

2.4药物投放

水产养殖中，病害不可避免，需要通过药物及时治理，保证水产养殖动物正常生存。对于池塘养殖方式一般是人围着岸边随机向水里投放药片，网箱养殖方式一般是人工喷洒药物。在无人艇上安装喷洒装置，可以通过远程遥控的方式控制药物的喷洒。在精养方式下使用无人艇投放药物治理疾病可以大大降低养殖人员的劳动强度，同时可以保证药物在养殖区域分布均匀，确保药物喷洒覆盖整个养殖区域。

3 无人艇应用存在的问题

3.1 控制精度受外界环境影响较大

无人艇是通过控制算法对自身的运动进行自动控制。无人艇的运动控制分为航向控制和航迹控制两种，而航向控制是船舶运动控制的基础，研究无人艇的运动首先需要确保无人艇具有良好的航向控制性能。航向控制性能分为航向保持和航向跟踪，通过操控舵角来控制无人艇的航向。一般航向控制算法都是基于船舶线性运动模型建立的，而在复杂环境影响下船舶实际航行呈现的是一种非线性运动，造成控制性能达不到理想的程度。另外，当船速、船舶载重发生改变时，容易引起模型参数的摄动，影响航行控制算法的对无人艇的控制。目前水产养殖区域逐渐向深海转移，如果采用无人艇进行远程操作养殖，必须要提高复杂海况下船舶运动控制的抗干扰能力。

3.2 部分传感器容易受天气影响

无人艇应用在水产养殖时，首先需要实时掌握其位置信息。无人艇通常采用GPS进行定位，但是GPS信号受天气影响较大，在云层较厚时，位置信息不准确。

3.3 成本高

在水产养殖过程中，无人艇需要监测多种信息，而这种监测信息的手段主要是通过各种用于数据采集的传感器与数据处理器相互配合实现，对传感器测量的精度要求很高。传感器的测量精度与成本成正比，这也使得无人艇的成本较高。

3.4 缺乏操作人员

一般是人在船上通过操舵来控制船的航行，无人艇虽然能够实现自主航行、路径选择等功能，但是在一些情况下，需要人工控制，不同于人工直接操舵方式，无人艇的控制端在服务器或者手机上，操作人员需要登录进服务器，进入无人艇的控制界面，通过选择各种按钮来控制无人艇的运动。由于无人艇控制较为复杂，需要操作人员熟悉各种按钮的功能，因此在将无人艇应用在水产养殖时需要进行一系列的培训，帮助养殖人员熟练掌握无人艇的控制技能。

4 解决策略

4.1 采用智能控制算法进行控制

目前针对无人艇的运动控制算法有PID及改进型PID控制算法、滑膜控制、模糊控制、Backstepping设计法、Lyapunov直接法、广义预测控制等等，这些控制算法需要精准的船舶运动模型，而无人艇运动是非常复杂的，其运动过程中受到的一些扰动很难建立一种精确的数学模型进行描述，也造成上述的控制算法不能很好的控制无人艇的运动。随着计算机技术和新型控制理论的发展，人工智能技术出现并逐渐应用在控制领域当中，如人工神经网络、支持向量机等。人工神经网络类似于人的大脑，将其应用在无人艇运动控制中，它可以通过外界输入信息不断调整自身，具有自学习性，能够模仿、学习人在复杂环境下的操舵方式，最终可以根据外界的情况独立的、智能的、安全的控制无人艇的航行。

4.2 采用基站定位

基站定位可以避免云层较厚导致GPS信号接收不到的情况。基站定位的原理是测量不同基站的下行导频信号，获取不同基站下行导频的到达时间或者是到达时间差，根据测量的结果以及各基站自身的位置坐标，采用三角公式估算法，就可以计算较为准确的目标位置。实际上参与定位的基站数量越多，目标的测量精度就会越高，定位性能会越强。采用基站能够实时获取无人艇的位置，消除阴雨天无人艇定位不准确的问题，保证了无人艇航行的安全。

4.3 设立无人艇操作培训机构

无人艇的控制是通过后台进行的，需要登录相应的控制端。由于无人艇量测的信息较多，功能较多，结构复杂，也使得控制界面较为复杂。对于刚接触的养殖人员来说，很难通过说明書准确快速掌握无人艇的控制方法，因此，他们需要经过专门的培训，在培训人员的指导下，熟练的操控无人艇，实现无人艇在水产养殖中的各种功能。

5 结语

科学技术逐渐融入到农业生产之中，它在提高农产品收益、降低劳动人员的工作强度方面发挥越来越重要的作用。无人艇是高科技的结晶，虽然现在在水产养殖方面应用较少，但是它可以帮助养殖人员实时了解到水产养殖动物的生长情况，可以全天候监控养殖区，极大地方便了养殖人员，在未来具有很广阔的应用前景。

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