池塘养殖船自动导航系统设计与试验

张俊峰 张唐娟 肖进 王琢 田满洲 何雨霜

摘要：针对池塘养殖中投喂作业需要全塘均匀覆盖的应用场景，存在人工投饲强度大、饲料利用率低的问题，设计一种能够适应不同多边形池塘的养殖船自动导航控制系统。控制系统采用低成本北斗定位模块和高精度电子罗盘进行组合导航，获取池塘养殖船的位置和航向信息作为导航控制器的输入，通过构建基于PD算法的导航控制器，实现航行过程中的路径跟踪。设计一种多边形回纹线导航路径规划算法，能够快速实现多边形池塘的导航路径规划。开展池塘导航试验，试验结果表明：采用所设计的自动导航系统，养殖船能够按照规划的路径航行，在水面行驶速度为0.4～0.5 m/s时，稳定跟踪后最大误差小于2.62 m，平均跟踪误差小于1.30 m，导航精度满足池塘养殖自动投饲要求。

关键词：池塘养殖船；路径规划；自动导航；路径跟踪

中图分类号：S951.2

文献标识码：A

文章编号：2095-5553 （2023） 03-0049-06

Abstract： Aiming at the application scenario that the feeding operation in pond culture requires uniform coverage of the whole pond， there are problems of high artificial feeding intensity and low feed utilization rate， an automatic navigation control system for breeding vessels capable of adapting to different polygonal shape ponds was designed. The control system used a lowcost Beidou positioning module and a highprecision electronic compass for integrated navigation. The position and heading information of the pond culture vessel was obtained as the input of the navigation controller. The path of the navigation process was realized by the builtin navigation controller based on the PD algorithm. A polygon echo line navigation path planning algorithm was designed to quickly realize the navigation path planning of the polygon shape pond. The pond navigation test was carried out. The test results showed that： with the designed automatic navigation system， the culture vessel could sail according to the planned route. When the water speed was 0.4-0.5 m/s， the maximum error after stable tracking was less than 2.62 m， the average tracking error was less than 1.30 m， and the navigation accuracy met the automatic feeding requirements of pond culture.

Keywords： pond culture boat; path planning; automatic navigation; path tracking

0引言

池塘養殖是淡水养殖最主要的组成部分，2020年池塘养殖面积为2 625.4 khm2，占全国淡水养殖的52.09%［1］。投饲是池塘养殖中的关键环节［2］，任务繁重而且成本高。但是，目前我国池塘养殖自动化程度不高，针对投喂作业需要全塘均匀覆盖的应用场景，一些自动投饲设备存在一定的局限性，并未能进行大范围推广，如定点投饲机［34］、遥控投饲船［58］和自动投饲船［910］等。其中，定点投饲机采用定点自动投饲方式，受投饲半径限制，饲料分布在岸边很小的水域内，主要用于池塘养鱼；遥控投饲船通过人为遥控在池塘中进行投饲，但投喂量以及航行路线主要依靠人工经验，随机性强，工作效果差；自动投饲船能通过固定导向装置或者安装超声波传感器引导投饲船在池塘四周进行投饲，主要应用在对虾养殖的场景，不能适应全塘均匀投饲的需要。故当前投饲方式仍采用人工撑船投喂或沿岸边抛洒为主，人工效率低，劳动强度大，且投饲不均匀而造成饲料浪费、水体污染的现象普遍［11］。因此，研发淡水池塘生态养殖智能投饵船［12］代替人工进行投喂作业，提高水产养殖效率已是一个十分紧迫的任务［13］。

近年来随着农业电气化、自动化、智能化的发展，国内学者对池塘自动导航养殖船展开了一系列研究。唐荣等［14］利用激光测距传感器和三维电子罗盘，实现了电动投饲船沿池塘四周自动航行并投饲；周达辉等［15］设计了一种基于PLC的自巡航虾塘投饲机，采用S7-200模块，按照设定的指令配合小船上安装的超声波传感器，实现控制投饲机与池塘堤岸始终保持一定距离循环行驶；孙月平等［16］提出一种空气螺旋桨风力驱动船均匀投饲方法，设计了基于GPS和超声波传感器的自动导航系统，结果表明饲料利用率相比人工投饲提高15%以上；孙月平等［17］进行池塘全覆盖轨迹规划算法研究，为水产养殖中池塘自动均匀投饲轨迹规划研究提供重要参考；刘会贵等［18］利用明轮动力移动平台进行了导航试验，平台搭载高精度GPS和超声波传感器自主导航控制系统，试验结果表明直线跟踪误差不超过0.3 m，跟踪性能较好。上述所提及的研究大多采用超声波传感器测距的导航方式，其缺点在于超声波传感器无法检测到近距离的障碍物，其在测距中存在探测盲区，且超声波探头无法准确检测到斜面池塘的距离［19］，导致船在池塘的拐角处无法准确获得定位数据，出现导航盲区。同时大多研究采用高精度的GPS模块，能保证高精度的定位，但成本高，不适宜产业化推广应用。

針对上述问题，本文设计了池塘养殖自动导航船，以MSP430单片机为核心控制器，采用低成本北斗定位模块和高精度电子罗盘进行组合导航，设计了一种易操控、低成本且能够适应不同多边形池塘的养殖船自动导航控制系统，并在池塘开展了航向跟踪和导航系统性能试验。

1池塘养殖船导航系统总体结构

1.1池塘养殖船组成

池塘养殖船由船体、动力装置、转向装置与导航控制器组成，如图1所示。为了适应池塘养殖的工作环境，船体采用单体船式，具有吃水深度小、排水量大的优点。动力装置包括蓄电池和直流水泵，固定连接在船体底部。蓄电池供电，驱动水泵吸水，水泵出水口通过管道与转向管连接，船体依靠转向管喷出水的反作用力产生推力实现前进。转向装置由舵机、驱动杆件和转向管组成，舵机安装在船尾，驱动杆件和转向管控制喷水的方向，实现转向。接近船尾配置舵机电源以及饲料箱，可以降低重心，提高船体稳定性。

1.2导航控制系统结构组成

导航控制系统主要由控制器、传感器模块、数据传输模块、按键模块、驱动模块及电源等部分组成，如图2所示。该系统选用低成本高性能的16位MSP430单片机作为控制器。其通过串口通讯将传感器模块采集的数据，经过控制算法后，发出控制命令至驱动模块，通过PWM的形式调节舵机转角，从而控制船体转向。同时，可以在人工遥控和全自动导航两种模式中进行切换。传感器模块包括北斗模块和电子罗盘，北斗模块选用SKG125型，定位精度为2.5～3 m；电子罗盘选用DCM260B型，在水平面上其方位角精度为0.8°。数据传输模块选用两个NRF24L01进行无线通讯，实时发送导航数据到电脑。按键模块作为外部中断来实现路径边界端点的选择和保存。多边形池塘边界以及规划的导航路径信息在LCD上显示。

2导航路径规划

根据养殖船在池塘进行均匀投饲的要求，设计回纹形导航路径规划算法，该路径规划算法适用于不同形状的多边形池塘，且每个池塘的导航路径具有唯一性。路径由多条直线组成，绕池塘n周后沿一条固定直线到池塘中心，到达池塘中心后再沿直线回到起始点，如图3所示。

算法步骤如下：针对不同的多边形池塘，首先选择池塘边界端点，测量并记录端点的坐标，根据坐标确定池塘边界直线方程和方位角；根据池塘大小确定回转周数n；通过定义其中一个边界点为起始点，以该起始点沿顺时针生成直线路径并进行编号，船每航行1圈，便向池塘内侧偏移6 m；船航行完n周后，沿起始点到池塘中心的直线继续航行，在池塘中心点掉头回到起始点；保存边界和导航路径参数，通过坐标转换算法绘制在LCD上，完成对不同形状池塘的导航路径规划。

3导航控制器设计

导航控制器采用双闭环控制结构，如图4所示。

外闭环由北斗的定位信息检测反馈构成，内闭环以船体当前航向测量作为单位负反馈。电子罗盘实时输出船体当前航向，单片机将当前航向与目标航向的偏差θ作为PD控制器的输入，PD控制器决策出控制量u作用于转向装置，控制舵机转角，最终驱动转向管换向，使船沿预期航向航行。由于船体受到惯性和外界风浪的影响会产生横向平移，电子罗盘无法测量偏距，如果不及时纠正，会导致船体越来越偏离原来的航线。为此，引入了北斗获取定位坐标来确定船的当前位置，当北斗测得船体横向偏距大于设定的距离时，利用横向纠偏算法缩小船体到目标航线的距离。

3.1横向偏距与航向偏差

3.3横向纠偏算法

横向纠偏算法流程如图7所示。

该系统所采用北斗模块的定位误差较大，而电子罗盘的航向精度高，故设定在北斗测得当前位置到导航线的距离d在3 m以内时，利用PD控制器跟踪导航线方位角，使船体保持导航线的航向不变；当船偏离导航线的距离d大于3 m时，设置临时新导航线，调整船体至与目标导航线保持20°的方向，保持航行靠近目标导航直线，直到回到距离为3 m以内。

当北斗测量当前位置到下一条导航线的距离小于设定距离时，开始跟踪第二条直线，实现转弯动作。持续此循环，直到完成导航要求。

4池塘试验

试验场地大小为80 m×33 m的四边形池塘，试验器材有导航控制系统和池塘养殖船，试验条件风速三级，养殖船航行速度为0.4～0.5 m/s，可认为在水面匀速航行。

4.1航向跟踪试验

为了验证导航控制器航向跟踪的控制效果，在池塘进行了直线航向跟踪试验，本试验测试的直线方位角为174°。试验中通过两个NRF无线收发模块进行单片机与电脑的通讯，实时获取电子罗盘测得的航向数据，采样频率为2 Hz，记录NRF传回的数据，得到航向跟踪响应曲线，如图8所示。分析航向数据可知：稳定之后的航向跟踪误差最大为4°，误差的方差为1.612 4°。

4.2导航系统性能试验

记录该池塘的4个边界端点坐标，选择其中1个点为初始点，通过路径规划算法自动生成导航路径并绘制在LCD上。养殖船从初始点沿第1条直线路径呈20°方向开始导航，航行中利用NRF进行无线通讯实时获取横向偏距d，采样频率为1 Hz，其中左偏偏距为负，右偏偏距为正。按照导航偏差的正负确定位置点得到总体导航偏距图，每条直线采集10个点进行偏差分析。导航路径绘制结果与试验偏距图如图9所示，可以看出船体实际航行路径与设定的导航路径吻合，能够按照此路径完成导航工作要求。其中，船航行第1周的路径跟踪偏差情况如表2所示。

从表2可以看出，稳定之后航行第1周，跟踪4条直线路径的最大横向偏距分别为2.00 m、0.70 m、2.62 m、1.58 m，其平均横向偏距为1.3 m。可见该导航控制系统能在定位精度为2 m以内的条件下正常运行，导航精度可靠。

5结论

本文针对池塘养殖中投喂作业需要全塘均匀覆盖的应用场景，存在人工投饲强度大、饲料利用率低的问题，结合池塘养殖特点，设计了一种低成本、易操作的池塘养殖船自动导航控制系统，并进行了试验。

1） 以MSP430单片机为控制核心，采用低成本北斗定位模块和高精度电子罗盘构建了导航控制硬件系统，设计了池塘养殖船自动导航控制器。

2）  根据池塘养殖船工作要求，设计了只需确定池塘边界的端点，就可以实现对多边形池塘进行路径规划的多边形回纹线路径规划算法。

3）  池塘试验结果表明：养殖船自动导航实际航行路径与设定的导航路径吻合，可以按照此路径完成导航工作要求。航行速度为0.4～0.5 m/s时，最大跟踪误差在2.62 m以内，平均跟踪误差为1.3 m。

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