郭珍岐，张俊峰，朱宇飞，付晓鸽，蒋喆斌，左治江，李涵，曾凡琮*
（1.江汉大学智能制造学院，湖北武汉 430056；
2.武汉市农业科学院，湖北武汉 430072）
近年来，我国淡水虾蟹养殖总产量持续快速增长，而养殖模式仍以粗放型为主，传统的虾蟹养殖机械设备已无法满足现代渔业养殖需求，国内在淡水虾蟹养殖投饵、施药等方面大多还是以人工作业为主，养殖设备的自动化和智能化程度普遍偏低。人工作业存在劳动强度高、效率低、投饵施药不均匀等问题，不符合我国发展精准农业和智慧农业的战略要求。因此，将智能化无人作业平台应用于淡水虾蟹养殖以实现渔业的智能化和产业化势在必行［1-2］。此外，随着计算机技术和控制技术的快速发展，自动远程控制虾蟹养殖装备在渔业中的应用越来越深入。一般来说，这类虾蟹养殖作业平台可以细分为远程控制和自动行驶［3］。
目前，国内外对淡水虾蟹养殖智能化无人作业平台的自主导航及其控制系统的研究还处于探索阶段。Ruan等［4］设计了基于ARM和GPS/INS导航的河蟹养殖作业船导航控制系统，提出并设计了基于实时插点的航道位置计算方法、转弯及航道切换策略。在此基础上，设计了航向、航速双闭环运动控制算法和上位机软件，并进行了实验验证。姜宽舒等［5］设计了基于Mission Planner地面站和全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）的自主导航水产养殖无人船，在系统中搭载了通信模块、地图模块、数据保存和交互模块，实现自主作业。Subash等［6］设计了一种渔船防碰撞系统，该系统包括Arduino Uno、超声波和振动传感器、GPS和GSM模块。于燕等［7］提出一种基于北斗数据和激光雷达数据组合的导航控制方法，通过北斗定位数据构建全局地图，并采用PID进行全局导航，研究了局部避障算法。黄飞等［8］设计了一种基于超声波测距仪和电子罗盘组合的池塘养殖船自动导航系统，并对传感器组合导航方式进行了探究。洪剑青等［9］对水产养殖水面作业艇——明轮船的航行控制进行了研究，对明轮船进行多模自适应控制，用计算机软件进行仿真和实船实验。研究结果表明，控制器能解除明轮船的耦合效应，船速超调量不超过5%，稳态误差在3%以内。胡庆松等［10］通过GPS和电子罗盘的组合方式实现了虾塘投饵船自主导航定位和姿态控制。张洋［11］建立了复杂航区的无人船自动导航系统，分别对其硬件和软件部分进行了详细描述。文献［12］提出船舶航向水动力模型，建立明轮船的航向动态响应模型。在改进控制系统基础上，提出对明轮船航向进行多模自适应控制。
综上所述，国内外学者均对水产养殖智能化自主导航船及其导航和控制系统进行了一系列研究，但专门针对虾蟹养殖作业平台的自主导航与系统设计方面的研究不多。本文阐述了虾蟹养殖作业平台自主导航与系统设计的工作原理、硬件结构和软件结构，并进行了系统实验与分析。
项目开发的虾蟹养殖作业平台采用单体式船体、双明轮推进器控制船的航行，自动投饵/施药装置在航行过程中能按照指定路径实现自动投饵/施药功能，物联网数据传输模块用于经纬度、航速、电量等传感器数据的传输，实时导航平台控制系统用来实时对船的位置进行监控并控制其正常航行，主要的控制对象为双明轮推进器、自动投饵/施药装置等，其总体结构如图1所示。作业平台的总体尺寸为3.5 m×1.8 m×1 m，空载吃水深度为0.3 m，航速约为20 m/min。为充分利用作业平台的空间且保证平台前后的配重比，作业平台采用后轮推进的方式，双明轮作为驱动部件安装在平台尾部的两侧，其正反转可以为平台前进和后退提供动力；
在设计中将投饵/施药装置放在平台前部，用于投饵和施药；
平台中间为饵料和鱼药放置区。此外，作业平台还可以实现原地掉头、360°转弯等动作。平台上所有装置均由容量为60 Ah、电压为48 V的两个铅酸电池提供动力。
图1 虾蟹养殖作业平台Fig.1 Shrimp and crab farming operation platform
虾蟹养殖作业平台的硬件结构主要由实时导航平台中需要用到的相关传感器和执行器组成。硬件结构可分为两个单元：指挥与监控单元（command and monitoring unit，CMU）和通信与控制单元（communication and control unit，CCU）。
2.1 指挥与监控单元（CMU）
CMU系统设置在岸边，其主要工作分为数据采集与传输两部分。CMU的主要目标是通过人机界面（human machine interface，HMI）实现对虾蟹养殖作业平台手动和自动控制同时进行数据的实时通信。CMU由多台仪器设备组成，主要包括GPS单元（NEO-6M）、工业无线网模块（Si24R1）、直流稳压供电单元（AMS1117）、AC-DC单元（LNK304PN）、触摸屏（TFT）等。CMU系统结构简图如图2所示。
图2 指挥与监控单元Fig.2 Command and monitoring unit(CMU)
2.1.1 HMI模块HMI人机界面触摸屏采用7英寸TFT触摸屏，连接工业无线网模块，与CCU进行通信，主要实现虾蟹养殖作业平台的数据显示与自动和手动控制，HMI触摸屏电路图如图3所示。TFT模块使用JLT28010APCBA01型号芯片，DB0～DB17引脚为像素输出引脚；
X+、Y+引脚为差分输出引脚，X-、Y-为差分输入引脚；
CS为电流波形采样引脚；
RS为数据命令选择引脚；
RD/WR为读写引脚；
CLK为时钟信号引脚；
MISO/MOSI为SPI通信输出输入引脚。
图3 HMI触摸屏电路图Fig.3 Circuit diagram of HMI
2.1.2 GPS模块CMU中使用了GPS模块对虾蟹养殖作业平台进行位置估计。船载GPS模块包括一个GNSS天线来接收和转换由GNSS卫星发射的电磁信号，GPS模块使用NEO-6M作为主控芯片。此外，基于实时动态（real time kinematic，RTK）模式的高精度GPS系统由基站（岸上）和移动站（船载）两个单元组成，提高了位置估计的精度。岸上的GPS站作为一个静止基准，向位于虾蟹养殖作业平台上的移动GPS站发送已知的静止位置来校核信号［13］。GPS硬件电路图如图4所示，TIMEPULSE为时钟脉冲输出引脚；
RXD为串口接收引脚；
TXD为串口发送引脚；
GND为公共地；
VCC为电源3.3～5 V。
图4 GPS模块硬件电路图Fig.4 Hardware circuit diagram of GPS module
2.1.3 供电模块供电模块电路图如图5所示，AC-DC转换使用LNK304芯片，D引脚为功率MOSFET漏极连接，用于启动、稳态以及掉电（PD）模式向内部提供工作电流；
BP引脚为0.1 μF外部旁路电容的连接点，用于内部生成5.8 V电源；
FB引脚控制功率MOSFET管开关；
S引脚为旁路和反馈引脚的接地基准，稳压IC的12 V转5 V使用芯片K7805，稳压IC的5 V转3.3 V使用芯片AMS1117。
图5 供电模块电路图Fig.5 Circuit diagram of the power supply module
2.1.4 工业无线网模块工业无线网模块用于岸边CMU和船载CCU之间的通信，该模块由2.4 GHz的直接序列扩频无线收发器组成，具有100 mW的射频功率，无线数据传输速率高达11 Mb/s，工业无线网模块电路图如图6所示。该模块的网络拓扑可描述为：岸边的CMU为“接入点”，平台上的CCU为“客户端”。岸边的“接入点”作为CCU的主站，船载“客户端”作为CCU的从站。此外，通过以太网交换机将这两个单元配置成一个以太网局域网（LAN）。工业无线网模块含有一个WiFi天线，信号覆盖范围在1 km左右。无线网模块使用Si24R1芯片，其中主要引脚MOSI为SPI通信输入信号；
MISO为SPI通信输出引脚；
CSN为SPI片选引脚；
CE为芯片开启信号引脚；
SCK为SPI时钟信号引脚；
ANT1、ANT2为天线接口；
IREF为基准电流引脚。
图6工业无线网模块电路图Fig.6 Circuit diagram of industrial wireless network module
2.2 通信与控制单元（CCU）
图7所示为通信与控制单元（CCU）的结构示意图，CCU的主要目的是实现与虾蟹养殖作业平台的航向和速度控制相关联的实时控制过程。CCU由以下仪器所组成：CompactRIO单元、工业以太网交换机（IES）、触摸屏、GPS模块、惯性测量单元（inertial measurement unit，IMU）、工业无线网模块、带编码器的直流电机、明轮、光纤陀螺罗盘（fiber optic gyro，FOG）、电池等。
图7 通信与控制单元Fig.7 Communication and control unit(CCU)
CompactRIO单元（见图8）是一个集成的数据采集系统，由CompactRIO 9074和CompactRIO 9004组成，通过板载电池对其进行供电，主要包括实时处理器、可重配置FPGA、模块化I/O。CompactRIO的RIO核心内置数据传输机制负责把数据传送到实时处理器以进行实时分析、数据处理、数据记录和通信。利用LabVIEW FPGA基本的I/O功能，可以直接访问CompactRIO硬件的每个I/O模块输入输出电路。所有I/O模块都包含内置的接口、信号调理、信号转换以及隔离屏蔽。CompactRIO 9074包含一个400 MHz的工业实时处理器和一个2 M的FPGA，具有8个用于I/O模块的插槽，建议电源参数为48W/24VDC。该系统的内存为128 MB，非易失性存储器内存为256 MB。CompactRIO 9004包含一个195 MHz的工业实时处理器，系统内存为64 MB，非易失性存储器内存为256 MB，此外，与CompactRIO 9074一样，它具有8个用于I/O模块的插槽。CompactRIO 9074和CompactRIO 9004的通信速率均为10/100 Mbps，且都包含一个RS-232串口。如图7描述，CompactRIO 9074与IMU和GPS单元相连，CompactRIO 9004与明轮驱动子系统相连，它们通过工业以太网交换机IES实现通信。
图8 CompactRIO单元的系统架构Fig.8 The system architecture of CompactRIO unit
在本设计中自主导航系统采用的I/O模块包括：模拟输入模块NI 9239、模拟输出模块NI 9263、运动控制模块NI 9505、通信模块NI 9870和存储模块NI 9802。NI 9239为4通道24位±10 V同步电压输入模块，主要用于收集明轮位置传感器和直流电机编码器的数据，以实现精确定位。NI 9263为4通道16位±10 V同步电压输出模块。NI 9505为全H桥直流伺服驱动模块作为运动控制模块，用于控制与两个直流电机相关联的明轮驱动子系统。NI 9505模块使用源自电流传感器的数据，可以灵活决定采样时间并过滤电机电流，其内部配有编码器接口和电流传感器。编码器信号用于双明轮系统的速度控制和差速转向控制。NI 9505模块所产生的脉宽调制（pulse width modulation，PWM）信号用于控制明轮驱动子系统，实现电机旋向的改变。NI 9870为4端口、RS-232串口通信模块，用于IMU和GPS单元的数据通信，该模块为RS-232收发器提供±8 V左右的连续电压。NI 9802是一个数字型可拆卸存储模块，持续数据读写速率为2 MB/s，该模块可插2个SD卡，每个SD卡的存储内存为2 GB，用于存储从IMU和GPS单元收集的数据。
CCU中的工业以太网交换机（IES）作为磁力计、加速度计等传感器、执行器和数据采集系统之间的通信网关，触摸屏作为连接IES的HMI，用于观察虾蟹养殖作业平台中各传感器和执行器的工作情况。CCU中使用移动GPS站来估计虾蟹养殖作业平台的位置，该移动GPS单元由一个GNSS天线和一个RS-232端口组成，该端口通过NI 9870通信模块连接到CompactRIO单元。除此之外，还使用另一个交换机用于岸边的CMU与船载的CCU之间的数据通信，而船载工业无线网被配置为从属单元的“客户端”单元。
组成IMU的传感器包括：磁力计、加速度计、速率陀螺仪、GPS接收器等［14］。各传感器功能如下：磁力计主要用于测量航向、横摇和俯仰角度；
加速度计主要用于测量波浪、摇摆和升沉的线性加速度；
速率陀螺仪主要用于测量航向、横摇和俯仰的三轴角速度。IMU内部的GPS接收器通过广域增强系统（wide area augmentation system，WAAS）功能来测量虾蟹养殖作业平台的位置。设计中采用多状态可配置扩展卡尔曼滤波器（extended Kalman filter，EKF）来估计传感器的偏置值和修正漂移误差。此外，各传感器数据可通过高速A/D转换器、数字信号处理器（digital signal processor，DSP）和一组可编程FIR滤波器综合处理得到。最后，处理器输出的导航数据通过RS-232端口进行收发。
在本设计中，FOG被用于CCU中来测量虾蟹养殖作业平台的真实航向，由车载电池对其进行供电。FOG包括一个RS-232端口，通过NI 9870通信模块与CompactRIO单元建立连接。此外，研究中使用了直流无刷电机作为明轮驱动子系统的驱动执行器。
本设计的实时导航平台软件架构如图9所示。软件体系结构包括3个任务：FPGA和运动控制任务、实时控制任务和TCP/IP任务。FPGA和运动控制任务主要从传感器（如GPS单元和IMU）收集数据和控制明轮驱动子系统来实现驱动。实时控制任务与可重配置FPGA平台和实时处理器相关联。TCP/IP任务与实时处理器和HMI相关联，HMI用于分析、后处理、数据日志、通信和虾蟹养殖作业平台控制。TCP/IP协议通过工业无线网模块实现无线通信。此外，这些系统任务在可重配置FPGA平台进行编程，所采用的语言为VDHL硬件描述语言。
图9 软件架构Fig.9 Software architecture
HMI在岸边的触摸屏上显示，主要由数据接收模块、数据存储模块和命令发送模块等组成。数据接收模块主要用来接收虾蟹养殖作业平台的当前位置、当前航速等信息并在HMI上显示；
数据存储模块利用NI 9802存储模块保存虾蟹养殖作业平台运行过程中的状态信息；
命令发送模块可以发出命令以启动或停止作业平台。虾蟹养殖作业平台触摸屏上的标签主要包括：各传感器测量得的参数、GPS坐标信息（经纬度）、明轮速度、应用程序管理（开始、停止、重启、急停等）、操纵控制（动态定位、轨迹跟踪、规划和协同导航等）。虾蟹养殖作业平台软件流程图如图10所示。
图10 作业平台软件流程图Fig.10 Software flow chart of operation platform
上位机软件调试界面网页版如图11所示，手机App版如图12所示。
图11 网页版界面Fig.11 Web interface
图12 手机端界面Fig.12 Mobile terminal interface
4.1 GPS定位实验
2022年4月8日在江汉大学三角湖进行轨迹规划实验，天气为晴朗，风力1～2级，温度16～29℃。使用前文所述的虾蟹养殖作业平台进行实验，主要对自主导航系统进行测试，验证该系统是否满足技术指标要求，记录分析船速、最大偏航量等参数，实验现场如图13所示。
图13 实验现场图Fig.13 Experimental site map
将作业平台固定在起点，CMU通过HMI手动控制作业平台按照螺旋式遍历规划路径。GPS以10 Hz的频率接收和转换GNSS卫星发射电磁信号，解析作业平台所在的经纬度坐标。首先选取并测量A、B、C、D、E、F、G、H、I九个转弯点的位置信息，其经纬度坐标如表1所示。
表1 转弯点坐标Tab.1 Coordinates of turning points
根据各个转弯点处的位置信息，可知本文中的GNSS-GPS精度能够达到厘米级。根据两点间经纬度计算出路径的长度，其中，AB长为39.28 m，BC长为32.30 m，CD长为40.36 m，DE长为29.05 m，EF长为32.14 m，FG长为20.22 m，GH长为25.38 m，HI长为15.14 m，设定的航道方向为A→B→C→D→E→F→G→H→I。
4.2 虾蟹养殖作业平台自主导航实验
为了验证淡水虾蟹养殖作业平台自主导航的精确性，本文结合投饵装置和作业大小，将作业的转弯间隔设置在3 m左右，与岸边的距离设置在1.5 m，进行了自动导航路径对比实验。根据系统所储存的转弯点信息进行自主航行，所得作业的运动轨迹如图14所示。
图14 虾蟹养殖作业平台运动轨迹Fig.14 The movement track of freshwater shrimp and crab farming operation platform
本文中GPS点经过卡尔曼滤波修正，实际路径得到平滑的曲线。CCU进行虾蟹养殖作业平台的航向、速度的实时控制，船体在航行过程中偏离航道的误差（绝对值）曲线和速度响应曲线如图15和图16所示。
图15 作业平台航线误差曲线Fig.15 The course error curve of the operating platform
图16 作业平台速度响应曲线Fig.16 The velocity response curve of the operating platform
从图14中可以看出：作业平台在进入转弯区域时，航迹按照圆弧的轨迹行驶，且均未超过规定路径。调整完航向后，能够快速地调整为规划路径；
作业平台在进入转弯区域时，由于平台不能够原地转弯，会提前降低速度进行预转弯处理，转弯后能够尽快恢复为匀速行驶状态，满足作业平台速度调控的要求；
作业平台在直行区域能很好地贴合设定路径，在转弯区域会出现偏航，转弯后进入直线行驶，误差减小。其中，直线航行时的最大误差为0.96 m，转弯时最大误差为2.67 m，该作业船主要运用于虾蟹养殖，由于船本身有3.5 m长，并且在路径规划时与岸边的距离设置为1.5 m，转弯间隔设置为3 m左右，因此在直行时不能超过1.5 m，否则会造成船与岸边相撞；
转弯时误差不能超过转弯间隔即最大不能超过船的长度，否则会造成饵料分布不均匀。根据表2误差分析可知，满足最大误差范围。因此，本文的淡水虾蟹养殖作业平台自主导航效果较为理想。
表2 误差分析表Tab.2 Error analysis table
本文针对淡水虾蟹养殖自动化和智能化程度普遍偏低的问题，设计了淡水虾蟹养殖作业平台自主导航系统，分别对基于自主导航的虾蟹养殖作业平台的基本原理、硬件结构、软件结构、系统实验进行阐述，指出岸边的CMU通过HMI对虾蟹养殖作业平台进行手动和自动控制，CCU用于实现虾蟹养殖作业平台的航向、速度的实时控制。实验结果表明，作业平台能够按照规划路径行驶，由于转弯区需要减速并按照圆弧轨迹行驶，所以在转弯时偏离航线误差比直线行驶时大，最终仍能按照规定路线行驶。
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