蔣愛(ài)德，王 碩

(河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，河南省畜禽健康養(yǎng)殖與智能裝備工程技術(shù)研究中心，河南，鄭州，450011)

2018年，全國(guó)淡水養(yǎng)殖面積5 146 460 hm2，其中池塘養(yǎng)殖面積為2 666 840 hm2，占淡水養(yǎng)殖面積的51.82%[1]。池塘養(yǎng)殖過(guò)程中，由于殘飼、排泄物、死亡的水產(chǎn)動(dòng)物等原因，需要定期對(duì)池塘噴施藥物進(jìn)行防病治病[2-3]，在池塘養(yǎng)殖中施藥防病治病依然是主流[4-6]。在大面積池塘養(yǎng)殖中施藥依然需要靠人駕船來(lái)實(shí)施，增加了養(yǎng)殖者的勞動(dòng)強(qiáng)度，還容易造成噴藥不均勻現(xiàn)象。此外，在噴藥過(guò)程中由于藥物的刺激對(duì)操作人員的健康也不利。利用航模技術(shù)、通訊技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)了一款池塘自動(dòng)噴藥船，裝滿(mǎn)藥液后，通過(guò)以Android智能手機(jī)為平臺(tái)開(kāi)發(fā)的APP作為控制端來(lái)控制噴藥船的行進(jìn)路線(xiàn)，噴藥船邊行邊噴灑藥物，達(dá)到減少勞動(dòng)強(qiáng)度、科學(xué)施藥的目的。

1 系統(tǒng)組成及原理

1.1 系統(tǒng)組成

智能?chē)娝幋w外，主要由電源模塊、控制模塊、GPS定位模塊[7]、GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸模塊[8]、機(jī)電模塊和安裝控制軟件的智能手機(jī)組成(圖1)。電源模塊負(fù)責(zé)所有模塊的供電；控制模塊用來(lái)對(duì)其他模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理；GPS定位模塊主要獲取噴藥船的位置信息，并通過(guò)單片機(jī)傳給GPRS模塊；GPRS模塊主要負(fù)責(zé)噴藥船位置信息的發(fā)送和手機(jī)指令的接收；機(jī)電模塊主要控制噴藥船的螺旋槳電機(jī)、舵機(jī)和噴藥電機(jī)的啟動(dòng)和停止；智能手機(jī)用來(lái)規(guī)劃噴藥船的行進(jìn)路線(xiàn)，并對(duì)噴藥船的機(jī)電模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

圖1 池塘噴藥船控制系統(tǒng)示意圖

1.2 系統(tǒng)原理

智能手機(jī)發(fā)出指令傳給服務(wù)器，控制模塊從服務(wù)器獲取到指令傳給機(jī)電模塊控制噴藥船前進(jìn)、轉(zhuǎn)向和噴藥。在噴藥船前進(jìn)的同時(shí)，船上的GPS芯片采集定位數(shù)據(jù)傳給控制模塊，控制模塊通過(guò)GPRS將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器，智能手機(jī)從服務(wù)器獲取噴藥船位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)后，以船前進(jìn)方向?yàn)榛鶞?zhǔn)與即將到達(dá)的規(guī)劃點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，計(jì)算出的夾角即為噴藥船的轉(zhuǎn)角(圖2)，該數(shù)據(jù)通過(guò)智能手機(jī)APP發(fā)送到服務(wù)器，控制模塊獲取轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)后傳給機(jī)電模塊，由此實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的轉(zhuǎn)向功能。

圖2 噴藥船轉(zhuǎn)角示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 通訊模塊

由單片機(jī)組成的控制模塊、GPS定位模塊和GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的通訊和控制(圖3)。系統(tǒng)的核心是單片機(jī)，為便于開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)采用目前流行的Arduino開(kāi)發(fā)板[9-10]。Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開(kāi)源電子原型平臺(tái)。系統(tǒng)采用Arduino系列中的Arduino UNO來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，該處理器核心是ATmega 328，同時(shí)具有14路輸入/輸出口(期中6路可作為PWM輸出)，6路模擬輸入，一個(gè)16MHZ的晶體振蕩器，一個(gè)USB接口，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕。

圖3 通訊流程

GPS定位模塊包括GPS接收機(jī)天線(xiàn)和接收機(jī)主機(jī)兩個(gè)單元。天線(xiàn)單元的主要功能是將GPS衛(wèi)星信號(hào)非常微弱的電磁波轉(zhuǎn)化為電流，并進(jìn)行放大和變頻處理；而接收機(jī)單元的主要功能是對(duì)經(jīng)過(guò)放大和變頻處理的信號(hào)電源進(jìn)行跟蹤、處理和測(cè)量。GPRS網(wǎng)絡(luò)提供UDP和TCP兩種傳輸協(xié)議。UDP協(xié)議不提供可靠性連接，不能保證把數(shù)據(jù)發(fā)送到目的地，而TCP協(xié)議則提供一種可靠的面向連接的字節(jié)流運(yùn)輸服務(wù)。本文通訊模塊、移動(dòng)終端與服務(wù)器之間的通訊協(xié)議均采用TCP/IP協(xié)議。

2.2 機(jī)電模塊

機(jī)電模塊除了電源外還包括Arduino平臺(tái)連接一個(gè)5 V舵機(jī)和12 V直流的繼電器。繼電器控制一個(gè)噴霧水泵和一個(gè)12 V直流電機(jī)，直流電機(jī)連接螺旋槳給船提供動(dòng)力。智能?chē)娝幋揽慷鏅C(jī)控制船的轉(zhuǎn)向。舵機(jī)是一種位置伺服驅(qū)動(dòng)器，其控制信號(hào)周期為20 ms的脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，其中脈沖寬度0.5～2.5 ms，相對(duì)應(yīng)的舵盤(pán)位置為0°～180°，呈線(xiàn)性變化。也就是說(shuō)，向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)控制信號(hào)時(shí)，輸出軸就可以轉(zhuǎn)到特定的位置。只要控制信號(hào)持續(xù)不變，伺服機(jī)構(gòu)就會(huì)保持軸的角度位置不改變。舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路和一個(gè)比較器。基準(zhǔn)電路產(chǎn)生周期為20 ms、寬度1.5 ms的基準(zhǔn)信號(hào)，比較器將外加信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)相比較，判斷方向和大小，從而生成電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 服務(wù)器端設(shè)計(jì)

服務(wù)器端是一臺(tái)具有獨(dú)立IP地址的計(jì)算機(jī)，便于手機(jī)與服務(wù)器通訊。微軟的WCF技術(shù)[11]允許創(chuàng)建服務(wù)，訪(fǎng)問(wèn)跨進(jìn)程、機(jī)器和網(wǎng)絡(luò)的其他應(yīng)用程序。在數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用中，客戶(hù)端生成數(shù)據(jù)操作請(qǐng)求，對(duì)應(yīng)的請(qǐng)求參數(shù)會(huì)被WCF序列化為XML[12]信息集并捆綁到請(qǐng)求消息中發(fā)送到服務(wù)器端，服務(wù)器端解析后將信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)；其操作的返回值及輸出參數(shù)又會(huì)被序列化為XML信息集并捆綁到回復(fù)消息中發(fā)送到客戶(hù)端。數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)每個(gè)用戶(hù)生成一個(gè)包含用戶(hù)注冊(cè)信息以及池塘編號(hào)的用戶(hù)信息表，以及根據(jù)池塘編號(hào)生成的數(shù)據(jù)采集信息表(表1)。一個(gè)用戶(hù)名下可以有多個(gè)數(shù)據(jù)采集信息表。

表1 數(shù)據(jù)采集信息表

3.2 客戶(hù)端設(shè)計(jì)

客戶(hù)端采用目前流行的Android應(yīng)用程序[13]進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)的APP應(yīng)用程序使用 HTTP 協(xié)議及XML語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。軟件功能包括用戶(hù)登錄、池塘輪廓數(shù)據(jù)采集、池塘地圖生成，更重要的是通過(guò)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)與智能控制船硬件之間交互，對(duì)智能?chē)娝幋M(jìn)行控制。

客戶(hù)端軟件算法的核心是路徑規(guī)劃。對(duì)于在靜水環(huán)境的無(wú)人船路徑規(guī)劃，Warren等[14]提出了適用于實(shí)時(shí)的局部路徑規(guī)劃的勢(shì)場(chǎng)法；Alvarez等[15]利用遺傳算法進(jìn)行路徑規(guī)劃，但計(jì)算速度較慢；Petres等[16]改進(jìn)了快速匹配算法，考慮到船的操縱性約束，可是只能實(shí)現(xiàn)二維計(jì)算。目前應(yīng)用最多的是基于視線(xiàn)法(Line of Sight，LOS)的循跡控制算法。對(duì)于循跡控制算法，F(xiàn)OSSEN等最早利用離散點(diǎn)的直線(xiàn)連接追蹤和矯正航跡；Breivik等[18]進(jìn)一步提出了針對(duì)曲線(xiàn)路徑的LOS循跡方法，但在循跡過(guò)程中容易出現(xiàn)反應(yīng)遲緩和跟蹤緩慢等現(xiàn)象。在智能?chē)娝幋膽?yīng)用環(huán)境中，由于池塘的水是靜水，可以忽略水流速度。并且由于池塘的地形所限，所以在進(jìn)行路徑規(guī)劃的時(shí)候，既有直線(xiàn)尋跡，也有曲線(xiàn)路徑尋跡。本文針對(duì)池塘環(huán)境的特點(diǎn)，提出了修正的LOS循跡方法：智能?chē)娝幋谘E時(shí)，客戶(hù)端時(shí)刻獲取噴藥船所在位置點(diǎn)坐標(biāo)，并從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取噴藥船駛過(guò)的規(guī)劃點(diǎn)和即將到達(dá)的規(guī)劃點(diǎn)坐標(biāo)，首先計(jì)算兩個(gè)規(guī)劃點(diǎn)之間的夾角φ，如式(1)所示。如果φ≤ε(ε為船的艏向角)，可以認(rèn)為是直線(xiàn)循跡，通過(guò)公式(2)計(jì)算出船行進(jìn)的夾角θ0來(lái)調(diào)整船的行進(jìn)方向。

(1)

(2)

式中：(x,y)—船行進(jìn)中當(dāng)前位置點(diǎn)坐標(biāo)；(x1,y1)—噴藥船駛過(guò)的規(guī)劃點(diǎn)坐標(biāo)；(x2,y2)—即將到達(dá)的規(guī)劃點(diǎn)坐標(biāo)，坐標(biāo)點(diǎn)通過(guò)GPS定位系統(tǒng)獲得，單位為度。

如果φ>ε，則認(rèn)為是曲線(xiàn)循跡，為了使船轉(zhuǎn)向平穩(wěn)，通過(guò)插值運(yùn)算，根據(jù)最大艏向角ε轉(zhuǎn)向，利用格式(3)、(4)計(jì)算出船插值的點(diǎn)數(shù)n，并計(jì)算出船最后行進(jìn)的夾角θ1，如圖4所示。

(3)

(4)

式中：ε—最大艏向角；n—船插值的點(diǎn)數(shù)；θ1—最后行進(jìn)的夾角。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，用戶(hù)圍繞池塘一周采集基本數(shù)據(jù)，或者調(diào)入采集的池塘輪廓數(shù)據(jù)，手機(jī)APP除了生成池塘輪廓圖外，客戶(hù)端還自動(dòng)規(guī)劃噴藥船“S”形循跡路線(xiàn)?？蛻?hù)端APP軟件操作流程見(jiàn)圖5。

圖4 曲線(xiàn)尋跡示意圖

圖5 客戶(hù)端操作流程圖

4 試驗(yàn)與分析

4.1 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)用噴藥船(圖6)船體長(zhǎng)0.3 m，船速約0.7 m/s，艙容積約5 L。

噴藥船噴嘴采用直徑0.3 mm的低壓霧化噴頭，覆蓋1 m2水域面積。低壓霧化噴頭，其流量公式[19]為：

(5)

式中：Q—噴頭流量，m3/s；Cd為噴頭的流量系數(shù)；d為噴頭直徑，m；p為噴頭的工作壓力，Pa；ρ為水的密度，kg/m3。

圖6 試驗(yàn)用噴藥船

由于池塘的用藥濃度按照每毫升水中的含藥量計(jì)算，1 mg/L即為1 L水中用藥1mg，其公式為：

M=VC

(6)

式中：M—用藥量,g；V—池塘水體積，m3；C—用藥質(zhì)量濃度，mg/L。

在實(shí)際操作過(guò)程中，可以根據(jù)船速和船的容積，按照船每小時(shí)工作面積計(jì)算用藥量。

試驗(yàn)選取一塊潔凈無(wú)雜草的池塘，并在當(dāng)天無(wú)風(fēng)的條件下進(jìn)行。池塘大約0.4 hm2(6畝)，呈長(zhǎng)方形，長(zhǎng)寬比約為。在進(jìn)行路徑規(guī)劃時(shí)，直線(xiàn)距離規(guī)劃點(diǎn)選取較遠(yuǎn)，在拐角處選取間隔點(diǎn)較近進(jìn)行測(cè)試。將試驗(yàn)船裝滿(mǎn)水，放入測(cè)試水域進(jìn)行測(cè)試。

4.2 結(jié)果分析

智能?chē)娝幋淖畲笫┧幟娣e約為252 000 m2/h，噴施效率約為人工的6.5倍。在試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，初始位置艏向角和曲線(xiàn)循跡對(duì)噴藥船的轉(zhuǎn)向控制影響較大。

4.2.1 噴藥船初始位置艏向角對(duì)航行的影響

卜仁祥等[20]利用Matlab下Simulink仿真環(huán)境針對(duì)不同航速和干擾情況下的航跡控制進(jìn)行了仿真計(jì)算和對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)艏向角小于20°航跡比較平滑。邱荷珍等[21]利用MARIN開(kāi)發(fā)的軟件DPSIM，對(duì)船舶跟蹤預(yù)設(shè)軌跡進(jìn)行時(shí)域模擬，發(fā)現(xiàn)艏向小于60°時(shí)，船的姿態(tài)通過(guò)調(diào)整能與軌跡重合。艏向小于15°時(shí)，船的姿態(tài)漂移半徑和艏向角偏差的時(shí)歷曲線(xiàn)重合很好。試驗(yàn)也證明，艏向與軌跡線(xiàn)方向的夾角小于60°時(shí)(圖7)，噴藥船仍能循跡。但當(dāng)艏向與軌跡線(xiàn)方向的夾角大于30°時(shí)，噴藥船姿態(tài)調(diào)整不到位，噴藥船會(huì)撞向堤岸(圖8)。當(dāng)艏向與軌跡線(xiàn)方向的夾角大于60°時(shí)，噴藥船行駛軌跡與規(guī)劃軌跡完全分離，循跡失敗。當(dāng)艏向與軌跡線(xiàn)方向的夾角小于15°時(shí)，噴藥船行進(jìn)方向與規(guī)劃軌跡接近。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以將艏向角設(shè)為15°。為了保證開(kāi)始時(shí)循跡正確，噴藥船應(yīng)該放置在設(shè)定的軌跡起點(diǎn)附近，且艏向應(yīng)與軌跡方向相近。在實(shí)際操作過(guò)程中，將船放置的方向應(yīng)與堤岸平行，并盡量放在軌跡線(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn)上。

圖7 初始位置艏向與軌跡方向示意圖

圖8 噴藥船初始軌跡示意圖

4.2.2 噴藥船曲線(xiàn)循跡對(duì)航行的影響

在實(shí)際的無(wú)人船曲線(xiàn)循跡控制應(yīng)用中，如圓弧半徑取值過(guò)小，會(huì)使船舵的性能達(dá)不到回轉(zhuǎn)性能要求，造成實(shí)際路徑與規(guī)劃路徑不吻合；如圓弧半徑取值過(guò)大，則造成實(shí)際路徑與直線(xiàn)連接路徑產(chǎn)生較大的偏移。徐海洋、韓鑫等對(duì)此做了相關(guān)研究[22-23]。在智能?chē)娝幋刂葡到y(tǒng)中，客戶(hù)端自動(dòng)規(guī)劃為“S”形循跡路線(xiàn)(圖9)。噴藥船在行進(jìn)過(guò)程中需要多次轉(zhuǎn)彎，在循跡控制中屬于曲線(xiàn)循跡。

圖9 噴藥船“S”形循跡示意圖

如果把船當(dāng)成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，那么這個(gè)質(zhì)點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)的公式為：

v=ωr

(7)

式中：v—線(xiàn)速度，m/s；ω—角速度，rad/s；r—半徑，m。

由于式(7)中v已知，ω和r均未知。如果分別取不同的值，可以得到不同的結(jié)果。試驗(yàn)表明，半徑越大，曲線(xiàn)越平滑，船行進(jìn)越平穩(wěn)。為了達(dá)到噴藥覆蓋面和船速平穩(wěn)的統(tǒng)一，在試驗(yàn)中選取ω在1v/2～2v/3之間，能夠達(dá)到試驗(yàn)要求。在試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)船在拐彎處的行進(jìn)路徑與規(guī)劃路徑有偏差，但在容許范圍內(nèi)，據(jù)分析，這與通訊延遲[24-25]有關(guān)。

4.2.3 改進(jìn)與提高

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)噴藥船存在不足之處，一是要求池塘中無(wú)雜草，否則會(huì)對(duì)螺旋槳和舵纏繞導(dǎo)致無(wú)法使用；二是許多池塘中添加了增氧等設(shè)備，這對(duì)于智能?chē)娝幋姆琅鲎惨笤黾?，還需要研究防碰撞；三是在噴頭流量和船速不變的情況下，通過(guò)動(dòng)態(tài)改變路徑規(guī)劃，保證噴藥船在規(guī)定的時(shí)間、規(guī)定的區(qū)域噴藥完成，還需要進(jìn)一步計(jì)算研究。

5 結(jié)論

智能?chē)娝幋赏ㄟ^(guò)智能手機(jī)規(guī)劃路徑并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)了噴藥船循跡自主航行，改變了傳統(tǒng)的人工噴藥模式。試驗(yàn)表明，與人工相比，效率增加6.5倍，勞動(dòng)強(qiáng)度減少90%以上，而且具有安全、高效、施藥均勻、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，尤其在大面積水產(chǎn)養(yǎng)殖中，能夠代替繁重的人工施藥勞動(dòng)。隨著5G技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，設(shè)備之間的通訊將更加快捷及時(shí)。水產(chǎn)養(yǎng)殖噴藥方式自動(dòng)化、智能化將是發(fā)展趨勢(shì)。

□