吴波1，赵德安1，2，孙月平1，洪剑青1，罗吉1
（1.江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江，212013；2.机械工业设施农业测控技术与装备重点实验室，江苏镇江，212013）
摘要：为满足河蟹养殖[养殖是指培育和繁殖动植物。]对清理[清理，指彻底整理或处理；治理，清理疆内，外诛暴强。]水草[一般是指可以生长在水中的草本植物，是许多水生动物的栖身地和庇护所，可以提高水中溶解氧含量以便水生动物呼吸。]的需求，通过研究河蟹养殖水草清理方法，联合设计并制造一种基于ARM***[***（英文名称：controller）是指按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。]利用GPS与INS联合自主导航的河蟹养殖用水草清理作业[作业，《辞海》中关于“作业”的定义是:为完成生产、学习等方面的既定任务而进行的活动。]船，并实现其集手动控制、遥控和自动控制[自动控制（automatic control）是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。]于一体。以水草清理作业船和GPS系统以及惯性导航[惯性导航（inertial navigation） 通过测量飞行器的加速度，并自动进行积分运算，获得飞行器瞬时速度和瞬时位置数据的技术。]系统为硬件平台，通过研究船舶自主导航、控制方法，试验验证水草清理作业船有很大的实用价值。
关键词：河蟹养殖；水草清理；自主导航
引言
随着社会经济的发展，人们对河蟹产品的需求逐日加大，河蟹养殖产业迅猛发展。种草养殖是河蟹养殖的重要模式，水草除了为河蟹的立体良性分步提供良好环境、净化水质外，还是河蟹重要的营养来源。但水草过度生长，会消耗过多的溶氧，**的末端也易导致水质恶化。因此，定期清理水草极为重要。实现清理水草自动作业能省时省力。目前，国内外市场上有一些水草清理船，例如，美国JamesL.Hawk研制的水草收割系统，割收分开，漏收率高。***农业大学研制的9GSCC-1.4H型水草收割船，集收割于一体，但采用人工操作，自动化程度低。这些水草清理船均为河道和湖泊清理设计，采用内燃机驱动，不适合水产养殖。为实现河蟹养殖的自动化作业，满足清理水草功能的需求，设计并制造了一种河蟹养殖用水草清理作业船。
1、结构组成及工作原理
1.1总体结构与组成
河蟹养殖用自动化水草清理作业船主要由船体、明轮、水草切割与输送装置、水草铺平装置、驾驶舱等组成，其结构如图1所示。主要参数如表1所示。该河蟹养殖用水草清理作业船的控制系统结构框图如图2所示。其系统主要由电源管理模块、位姿模块、处理器、上位机以及上述水草清理作业船的各种装置。
表1主要参数
1.投饵机2.GPS副天线3.驾驶室4.GPS主天线5.控制箱以及操作台6.水草铺平装置7.集草舱8.割深调节器9.切割装置10.输送装置11.船体12.明轮
图2系统设计框图
1.2工作原理
自动控制模式下，预先使用GPS测定位置、制定轨迹[轨迹：指的是动点在空间的位置随时间连续变化而形成的曲线。]，水草清理作业船在工作水域，按照轨迹行驶工作。采用双天线定向，GPS可以直接获得船体的航向[飞机纵轴前方的延长线叫航向线,飞机所在位置的经线北端顺时针测量至航向线的夹角叫做航向（HDG－Heading）。]信息。根据GPS以及惯性设备采集的位置、速度、航向信息实时[实时，【释义】[real time] 事物发生过程中的实际时间;在某事发生、发展过程中的同一时间：进行～报道|～传递股市行情|～测量，实时计算。]地调整明轮动作，以保证按照规定的速度、路径行驶。船在行驶时，执行割草、传输等工作。通过水位传感器测得的吃水深度，自动调整割刃高度，割断水草后，水草由旋转刀片割断后，经过挡板传送至能滤水的网状传输带上，传输带的上端齿轮由电机[电机（英文：Electric machinery，俗称“马达”）电机泛指能使机械能转化为电能、电能转化为机械能的一切机器。]通过减速器传动，将水草传输至集草舱，通过光线传感器测得的水草堆高，铺平机构执行水草铺平动作，当水草堆高达到一定高度，作业船停止前进并返航卸载。作业船工作时能实时将航迹、经纬度、速度、航向、左右电机占空比等信息无线传送到上位机。遥控控制模式下，水草清理作业船可以按照任意遥控路径行驶，水草清理工作可以由***[***是一种无线发射装置，通过现代的数字编码技术，将按键信息进行编码，通过红外线二极管发射光波，光波经***的红外线***将收到的红外信号转变成电信号，进处理器进行**，解调出相应的指令来达到控制机顶盒等设备完成所需的操作要求。]执行。手动控制模式下，由驾驶者自由驾驶，清理水草工作由操作台执行。
2、控制方法研究
2.1控制状态选择
水草清理作业船系统集手动控制、遥控与自动控制于一体，其遥控与自动控制切换工作原理如图3所示。系统上电后，由***的控制按钮选择遥控或者自动控制。***通过切换一系列继电器的状态来实现遥控与自动控制的切换。自动控制状态下，ARM***通过采集的信号，经过处理，输出PWM波到直流有刷电机***1来驱动直流有刷电机。遥控控制状态下，直流有刷电机***2预先设定好转速。在***上设定有前进、后退、左转、右转、停止等按键，分别切换一系列继电器的状态，通过直流有刷***2来驱动直流有刷电机并进行一系列动作。
图3遥控自动切换原理图
2.2自动导航控制算法
本系统实现水草清理作业船按照指定路径作业。惯性设备获得速度、航向信息；GPS获取速度、航向、位置信息，与惯性设备信号联合，经过粒子滤波，确定船的速度、航向、位置，经过ARM***处理，输出信号控制电机，使作业船按照指定路径行驶，并达到指定航点。
本设计使用ARM9处理器，其资源丰富，为后续开发也提供了方便。为了保证作业船能精确地按照规定的路径行驶。船速使用位置式PI控制，航向采用位置式PD控制。GPS使用NMEA标准格式。GPS的GPGGA格式的数据经解析获得航向角信息与惯性导航设备中获得的角度信息经过融合得到实时角度信息φ2，再与目标航向角φ1比较，得到Δφ，经过PD运算，得到φ＊，将φ＊除以2，分别给予左右电机正负φ＊/2，若船偏向航线的左方，那么船应该向右方纠偏，此时，赋给左电机＋φ＊/2，赋给右电机－φ＊/2；GPS的GPVTG格式的数据经解析获得速度信息与惯性导航设备中获得的速度信息经过融合得到实时速度信息ｖ2，再与目标速度ｖ1比较，得到Δｖ，经过PI运算，得到ｖ＊，同时给予左右电机ｖ＊。控制框图如图4所示。在每个目标点处设置了直径为1ｍ的虚拟区域，当船舶驶进该区域内，则视为达到目标点。同时，为了使船尽量按照设定的轨迹行驶，考虑到船在水中的惯性以及风浪的影响，在达到上一个目标点转弯驶往下一个目标点时，采用一边明轮正转，另一边明轮反转的方式，使船的转弯半径尽量小。
图4自动系统控制框图
2.3上位机监控
为了直观地监测作业船在水中的行驶轨迹，并获取实时的经纬度、速度、航向角以及左右电机占空比。利用LabVIEW编写了上位机监控程序。程序还可以将采集的数据存储在文本中，并可以实时修改船舶的PID参数。此LabVIEW上位机监控界面如图5所示。图5中，左上角轨迹图实时显示船舶运行轨迹，左下角存储路径可将无线串口读到的数据存入到用户建的TXT文档中。右边是串口设置功能。右下角设置3个按钮，分别是发送字符的“发送”按钮，接收字符的“读取”按钮，程序停止运行的“停止”按钮。中间部分，可以选择串口号。经度、纬度、速度、航向角、左电机、右电机窗口实时显示数据。“接收”窗口显示接收到的字符串。PID窗口则可给ARM发送修改PID参数的字符串。
图5LabVIEW上位机监控程序
3、实验结果
3.1自动驾驶实验
自动化水草清理作业船试验地点选在一块长有水草的池塘里。首先遥控船舶到任意地点，通过无线串口采集各点的经纬度。然后开启系统，使船舶自动作业。
水草清理作业船模型在A→B直线行走时的实时轨迹和规定轨迹对比如图6所示。其中，A点经度为119.5067641，纬度为32.20199421；B点经度为119.5068346，纬度为32.20209361。由图6已知，在直线行驶过程中，最大误差不超过10ｃｍ。
图6A→B直线轨迹
3.2效率实验
实测人工割草和水草清理作业船不同方式割草的平均作业速度、作业效率和总作业效率如表2所示。由表知，水草清理作业船的工作效率很高，由于手动/遥控驾驶相对方便、易行，且用于纯作业以外的时间相对较少，其效率高于自动驾驶。其中，作业效率为纯作业面积除以纯作业时间，总作业效率为纯作业面积除以作业（包括纯作业、转向、停歇等）总时间。
表2不同方式的作业效率
4、结论
1）所设计的水草清理作业船能满足清理水草和投饵等多种需求，且效率较高。
2）所编写的LabVIEW监控程序能很好的实时监控船舶轨迹等多个重要信息，同时为实时调整提供方便。
3）通过GPS与惯性导航设备联合的导航系统，对船舶定位以及自动控制提供便利。实验证明，直线行驶时，误差可控制在10cm以内。
