吳波1，趙德安1，2，孫月平1，洪劍青1，羅吉1
（1.江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇鎮江，212013；2.機械工業設施農業測控技術與裝備重點實驗室，江蘇鎮江，212013）
摘要：為滿足河蟹養殖對清理水草的需求，通過研究河蟹養殖水草清理方法，聯合設計并制造一種基于ARM控制器利用GPS與INS聯合自主導航的河蟹養殖用水草清理作業船，并實現其集手動控制、遙控和自動控制于一體。以水草清理作業船和GPS系統以及慣性導航系統為硬件平臺，通過研究船舶自主導航、控制方法，試驗驗證水草清理作業船有很大的實用價值。
關鍵詞：河蟹養殖；水草清理；自主導航
引言
隨著社會經濟的發展，人們對河蟹產品的需求逐日加大，河蟹養殖產業迅猛發展。種草養殖是河蟹養殖的重要模式，水草除了為河蟹的立體良性分步提供良好環境、凈化水質外，還是河蟹重要的營養來源。但水草過度生長，會消耗過多的溶氧，腐敗的末端也易導致水質惡化。因此，定期清理水草極為重要。實現清理水草自動作業能省時省力。目前，國內外市場上有一些水草清理船，例如，美國JamesL.Hawk研制的水草收割系統，割收分開，漏收率高。內蒙古農業大學研制的9GSCC-1.4H型水草收割船，集收割于一體，但采用人工操作，自動化程度低。這些水草清理船均為河道和湖泊清理設計，采用內燃機驅動，不適合水產養殖。為實現河蟹養殖的自動化作業，滿足清理水草功能的需求，設計并制造了一種河蟹養殖用水草清理作業船。
1、結構組成及工作原理
1.1總體結構與組成
河蟹養殖用自動化水草清理作業船主要由船體、明輪、水草切割與輸送裝置、水草鋪平裝置、駕駛艙等組成，其結構如圖1所示。主要參數如表1所示。該河蟹養殖用水草清理作業船的控制系統結構框圖如圖2所示。其系統主要由電源管理模塊、位姿模塊、處理器、上位機以及上述水草清理作業船的各種裝置。
表1主要參數
1.投餌機2.GPS副天線3.駕駛室4.GPS主天線5.控制箱以及操作臺6.水草鋪平裝置7.集草艙8.割深調節器9.切割裝置10.輸送裝置11.船體12.明輪
圖2系統設計框圖
1.2工作原理
自動控制模式下，預先使用GPS測定位置、制定軌跡，水草清理作業船在工作水域，按照軌跡行駛工作。采用雙天線定向，GPS可以直接獲得船體的航向信息。根據GPS以及慣性設備采集的位置、速度、航向信息實時地調整明輪動作，以保證按照規定的速度、路徑行駛。船在行駛時，執行割草、傳輸等工作。通過水位傳感器測得的吃水深度，自動調整割刃高度，割斷水草后，水草由旋轉刀片割斷后，經過擋板傳送至能濾水的網狀傳輸帶上，傳輸帶的上端齒輪由電機通過減速器傳動，將水草傳輸至集草艙，通過光線傳感器測得的水草堆高，鋪平機構執行水草鋪平動作，當水草堆高達到一定高度，作業船停止前進并返航卸載。作業船工作時能實時將航跡、經緯度、速度、航向、左右電機占空比等信息無線傳送到上位機。遙控控制模式下，水草清理作業船可以按照任意遙控路徑行駛，水草清理工作可以由遙控器執行。手動控制模式下，由駕駛者自由駕駛，清理水草工作由操作臺執行。
2、控制方法研究
2.1控制狀態選擇
水草清理作業船系統集手動控制、遙控與自動控制于一體，其遙控與自動控制切換工作原理如圖3所示。系統上電后，由遙控器的控制按鈕選擇遙控或者自動控制。遙控器通過切換一系列繼電器的狀態來實現遙控與自動控制的切換。自動控制狀態下，ARM控制器通過采集的信號，經過處理，輸出PWM波到直流有刷電機控制器1來驅動直流有刷電機。遙控控制狀態下，直流有刷電機控制器2預先設定好轉速。在遙控器上設定有前進、后退、左轉、右轉、停止等按鍵，分別切換一系列繼電器的狀態，通過直流有刷控制器2來驅動直流有刷電機并進行一系列動作。
圖3遙控自動切換原理圖
2.2自動導航控制算法
本系統實現水草清理作業船按照指定路徑作業。慣性設備獲得速度、航向信息；GPS獲取速度、航向、位置信息，與慣性設備信號聯合，經過粒子濾波，確定船的速度、航向、位置，經過ARM控制器處理，輸出信號控制電機，使作業船按照指定路徑行駛，并達到指定航點。
本設計使用ARM9處理器，其資源豐富，為后續開發也提供了方便。為了保證作業船能精確地按照規定的路徑行駛。船速使用位置式PI控制，航向采用位置式PD控制。GPS使用NMEA標準格式。GPS的GPGGA格式的數據經解析獲得航向角信息與慣性導航設備中獲得的角度信息經過融合得到實時角度信息φ2，再與目標航向角φ1比較，得到Δφ，經過PD運算，得到φ＊，將φ＊除以2，分別給予左右電機正負φ＊/2，若船偏向航線的左方，那么船應該向右方糾偏，此時，賦給左電機＋φ＊/2，賦給右電機－φ＊/2；GPS的GPVTG格式的數據經解析獲得速度信息與慣性導航設備中獲得的速度信息經過融合得到實時速度信息ｖ2，再與目標速度ｖ1比較，得到Δｖ，經過PI運算，得到ｖ＊，同時給予左右電機ｖ＊。控制框圖如圖4所示。在每個目標點處設置了直徑為1ｍ的虛擬區域，當船舶駛進該區域內，則視為達到目標點。同時，為了使船盡量按照設定的軌跡行駛，考慮到船在水中的慣性以及風浪的影響，在達到上一個目標點轉彎駛往下一個目標點時，采用一邊明輪正轉，另一邊明輪反轉的方式，使船的轉彎半徑盡量小。
圖4自動系統控制框圖
2.3上位機監控
為了直觀地監測作業船在水中的行駛軌跡，并獲取實時的經緯度、速度、航向角以及左右電機占空比。利用LabVIEW編寫了上位機監控程序。程序還可以將采集的數據存儲在文本中，并可以實時修改船舶的PID參數。此LabVIEW上位機監控界面如圖5所示。圖5中，左上角軌跡圖實時顯示船舶運行軌跡，左下角存儲路徑可將無線串口讀到的數據存入到用戶建的TXT文檔中。右邊是串口設置功能。右下角設置3個按鈕，分別是發送字符的“發送”按鈕，接收字符的“讀取”按鈕，程序停止運行的“停止”按鈕。中間部分，可以選擇串口號。經度、緯度、速度、航向角、左電機、右電機窗口實時顯示數據。“接收”窗口顯示接收到的字符串。PID窗口則可給ARM發送修改PID參數的字符串。
圖5LabVIEW上位機監控程序
3、實驗結果
3.1自動駕駛實驗
自動化水草清理作業船試驗地點選在一塊長有水草的池塘里。首先遙控船舶到任意地點，通過無線串口采集各點的經緯度。然后開啟系統，使船舶自動作業。
水草清理作業船模型在A→B直線行走時的實時軌跡和規定軌跡對比如圖6所示。其中，A點經度為119.5067641，緯度為32.20199421；B點經度為119.5068346，緯度為32.20209361。由圖6已知，在直線行駛過程中，最大誤差不超過10ｃｍ。
圖6A→B直線軌跡
3.2效率實驗
實測人工割草和水草清理作業船不同方式割草的平均作業速度、作業效率和總作業效率如表2所示。由表知，水草清理作業船的工作效率很高，由于手動/遙控駕駛相對方便、易行，且用于純作業以外的時間相對較少，其效率高于自動駕駛。其中，作業效率為純作業面積除以純作業時間，總作業效率為純作業面積除以作業（包括純作業、轉向、停歇等）總時間。
表2不同方式的作業效率
4、結論
1）所設計的水草清理作業船能滿足清理水草和投餌等多種需求，且效率較高。
2）所編寫的LabVIEW監控程序能很好的實時監控船舶軌跡等多個重要信息，同時為實時調整提供方便。
3）通過GPS與慣性導航設備聯合的導航系統，對船舶定位以及自動控制提供便利。實驗證明，直線行駛時，誤差可控制在10cm以內。