CN106708062A - 一种智能施药船的行驶控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施方式公开了一种智能施药船的行驶控制方法，其中，该方法包括：智能施药船上的GPS模块实时获取当前所处位置的经度、纬度以及与正北方向逆时针的夹角信息；施药船采用学习模式在需要施药的水域边界采集定位点序列，通过路径规划算法将定位点序列转化为多边形边界，并在此基础上多次循环向内生成偏置多边形即行驶路线。根据当前智能施药船的位置和当前行驶路线上目标点的位置，来进行自我姿态判断及柔性控制行驶。实施本发明实施例，可以使智能施药船自动沿着规划好的路径行驶，从而对整个水域进行施药，解决了施药过程的精准化、智能化问题，提高了养殖户的经济效益。

Description

一种智能施药船的行驶控制方法

技术领域

本发明涉及行驶控制技术领域，尤其涉及一种智能施药船的行驶控制方法。

背景技术

据<<2016中国渔业统计年鉴>>统计数据显示：中国大陆水产品产量占全球水产品产量的39.3％，中国淡水池塘养殖面积占水产养殖总面积的37.2％，其中淡水池塘养殖产量占水产养殖产量的48.9％，池塘养殖成为水产养殖的主导力量。

池塘养殖水面小，管理方便，容易实现高产。然而，高密度、高投饵、高产量养殖模式也成为养殖水体带来了严重的内源污染。发病率逐渐增多。目前养殖病害已经成为制约渔业可持续发展的瓶颈之一。为保障高产稳产，预防和治疗病害成为渔业养殖重要的日常工作，其中施药是病害防治中必不可少的环节。

传统施药过程依靠人工完成，需要人工配料上料，而且需要“一塘配一机”，设备在池塘间不能共享，施药设备也采用类似的手动控制行驶，手动稀释，手动调节定量方法，存在施药不均且耗时费力问题，在使用毒性较大的渔药时候，还易造成人、蓄、鱼中毒。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种智能施药船的行驶控制方法，可以使智能施药船自动沿着规划好的路径行驶，从而对整个水域进行施药，解决了施药过程的精准化、智能化问题，提高了养殖户的经济效益。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种智能施药船的行驶控制方法，所述方法包括：

智能施药船上的GPS模块实时获取当前所处位置的经度、纬度以及与正北方向逆时针的夹角信息；

所述施药船采用学习模式在需要施药的水域边界采集定位点序列，通过路径规划算法将定位点序列转化为多边形边界，并在此基础上多次循环向内生成偏置多边形即行驶路线；

所述根据当前智能施药船的位置和当前行驶路线上目标点的位置，来进行自我姿态判断及柔性控制行驶。

优选地，所述智能施药船上的GPS模块实时获取当前所处位置的经度、纬度以及与正北方向逆时针的夹角信息的步骤包括:

由基准站已知精确坐标，计算出基准站到卫星的距离修正量，并由基准站实时地将这个修正量发送给施药船的GPS模块，对测量数据进行修正；

对GPS模块返回的最小定位信息数据包(GPRMC)进行解析，获取当前施药船的定位状态、经度、纬度以及航向角信息；

若定位信息有效则将获取的经纬度信息转换成度分秒的格式，航向角转换成与正北逆时针方向的夹角值。

优选地，所述施药船采用学习模式在需要施药的水域边界采集定位点序列，通过路径规划算法将定位点序列转化为多边形边界，并在此基础上多次循环向内生成偏置多边形即行驶路线的步骤包括：

通过施药船的自动控制或移动客户端的自由控制，绕水域边界行驶一周，完成定位点序列的采集(水域边界形状学习)，并用链表进行存储；

基于Voronoi图生成算法将存储的定位点序列构成的整个边界空间划分成结构紧凑的Voronoi图；

计算生成Voronoi图的所有内点，结合Voronoi图的边方程生成相应的偏置线，直到生成一个完整的封闭偏置环；

减少偏置量的值，多次循环向内生成偏置多边形(封闭偏置环)即施药船的行驶路线。

优选地，所述根据当前智能施药船的位置和当前行驶路线上目标点的位置，来进行自我姿态判断及柔性控制行驶的步骤包括：

根据GPS模块获取智能施药船的当前位置A的经纬度为(LonA,LatA)，从定位点序列的存储链表中获取当前目标点B的经纬度(LonB,LatB),东经取经度的正值，西经取经度负值，北纬取90-维度值，南纬取90+维度值，经过上述处理过后两点被计为(MLonA,MLatA)和(MLonB,MLatB)；

根据以下两个公式计算两点的距离D：

(1)C＝sin(MLatA)sin(MLatB)*cos(MLonA-MLonB)+cos(MLatA)*cos(MLatB)；

(2)D＝R*arcos(C)*pi/180(其中R为地球半径,pi为圆周率)；

以两位置点的距离D为变量，将当前点与目标点之间的路径分割成5个部分：匀速段、可控范围段、匀减速段、滑行段和转弯段；

在匀速段时智能施药船以均匀的速度向前行驶。进入可控范围时对智能船的速度进行调整。驶入匀减速段时智能船发动机以抛物线的规律进行匀减速行驶。接着进入滑行段时关闭发动机，使得智能施药船以惯性的方式向前继续滑行；

最后进入转弯段，设当前智能船的船头与正北方向逆时针的夹角设为α，智能船到目标点的方向向量与正北方向逆时针的夹角为β，修正系数为ξ，若β∈[0，π)，则智能船拐弯角度γ＝α-β+ξ。若β∈[π，2π]，则智能船拐弯角度2π+α-β+ξ；

关闭其他的所有发动机，只允许单发动机运行，实时调整拐弯角度，使得智能施药船能够在满足最大喷洒均匀度的情况下驶入转弯结束点；

重复上述过程，智能施药船通过进行自我姿态判断及在转弯处的柔性控制驶向下一个目标点，直到本次施药完成。

实施本发明实施例，在施药过程中，随着外面因素的影响(波浪、转弯、药量变化等)，施药船进行自我姿态判断并实现柔性化自动控制，解决了施药过程的精准化、智能化问题，提高了养殖户的经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例的一种智能施药船的行驶控制方法的流程示意图；

图2是本发明实施例的柔性控制和自我姿态调整方法的示意图；

图3是本发明实施例的智能施药船行驶过程中速度变化的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明实施例的一种智能施药船的行驶控制方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括：

S101,智能施药船上的GPS模块实时获取当前所处位置的经度、纬度以及与正北逆时针方向的夹角信息；

S102,施药船采用学习模式在需要施药的水域边界采集定位点序列，通过路径规划算法将定位点序列转化为多边形边界，并在此基础上多次循环向内生成偏置多边形即行驶路线；

S103,根据当前智能施药船的位置和当前行驶路线上目标点的位置，来进行自我姿态判断及柔性控制行驶。

其中，S101包括：采用差分定位技术，在基准站上利用已知的坐标信息求出距GPS卫星的距离修正量，并将修正量返回给智能施药船的GPS模块，对测量数据进行实时修正；对GPS模块返回的最小定位信息数据包(GPRMC)进行解析，获取GPRMC的字段2、字段3、字段4、字段5、字段6以及字段8分别对应当前施药船的定位状态、维度、北纬(N)或南纬(S)、经度、东经(E)或西经(W)以及航向角信息；若定位状态位为A，则将获取的经纬度信息转换成度分秒的格式，航向角转换成与正北逆时针方向的夹角值。

S102进一步包括：通过施药船的自动控制或者移动客户端的自由控制，绕水域边界行驶一周，完成定位点序列的采集(水域边界形状学习)，并用循环单链表进行存储；基于Voronoi图生成算法将存储在循环单链表中的定位点序列构成的整个边界空间划分为结构紧凑得Voronoi图；计算生成Voronoi图的所有内点，结合Voronoi图的边方程生成相应的偏置线直到生成一个完整的封闭偏置环；减少偏置量的值，多次循环向内生成偏置多边形(封闭偏置环)，即只能施药船本次施药的行驶路径。

S103进一步包括：根据GPS模块获取智能施药船的当前点位置，从定位点序列的存储链表中获取当前目标点的位置；以两点间的距离D为变量，将当前点与目标点之间的路径划分为匀速段，可控范围段，匀减速段，滑行段以及可控转弯段；在匀速段时智能施药船以均匀的速度向前行驶，进入可控范围时对智能船的速度和方向进行调整，驶入匀减速段时智能船发动机以抛物线的规律进行匀减速行驶，接着进入滑行段时关闭发动机，使得智能施药船以惯性的方式向前继续滑行；最后进入转弯段，关闭其他的所有发动机，只允许单发动机运行，使得智能施药船能够在满足最大喷洒均匀度的情况下驶入转弯结束点；重复上述过程，智能施药船通过进行自我姿态判断及在转弯处的柔性控制驶向下一个目标点，直到本次施药完成。

图2是本发明实施例中的柔性控制和自我姿态调整方法的示意图，如图2所示:智能施药船行驶的位置称为当前点，规划行驶路径由当前点、目标点1、目标点2三部分组成。智能施药船由当前点位置驶入匀速段时，沿原来的方向做匀速行驶；施药船处于可控范围段时，船由匀速行驶向匀减速行驶缓慢过度，并校正智能施药船的工作状态和行驶方向；施药船进入匀减速段时，继续沿着校正好的方向向目标点1做匀减速行驶；施药船进入滑行段时，关闭发动机依靠惯性向目标点继续行驶；当施药船驶入拐弯段时，需要更新转弯结束点的信息和下一个目标点2的位置信息，实时计算出智能船驶向转弯结束点所需要的转弯角度和转弯半径，最大限度满足喷洒药物的覆盖度，然后以单发动机状态运行，根据计算的结果调整智能船的转弯状态；当施药船到达转弯结束点后，继续向目标点2行驶。进入匀加速段的时候，施药船做加速运动向目标点2行驶；然后重复上述驶向目标点1的行驶控制过程，继续向目标点2行驶，形成实际的行驶路劲。

图3是本发明实施例中的智能施药船行驶过程中速度变化的示意图，如图3所示：0->S1段为施药船匀加速段的速度变化情况，S1->S2为施药船匀速段的速度变化情况，S2->S3为施药船在可控范围内校正行驶状态的速度变化情况,S3->S4为施药船在匀减速段的速度变化情况,S4->S5为施药船在滑行段，依靠惯性时速度的变化情况，S5到下一个周期前为转弯段时的速度变化情况。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种智能施药船的行驶控制方法，其特征在于，所述方法包括：

智能施药船上的GPS模块实时获取当前所处位置的经度、纬度以及与正北方向逆时针的夹角信息；

所述施药船采用学习模式在需要施药的水域边界采集定位点序列，通过路径规划算法将定位点序列转化为多边形边界，并在此基础上多次循环向内生成偏置多边形即行驶路线；

所述根据当前智能施药船的位置和当前行驶路线上目标点的位置，来进行自我姿态判断及柔性控制行驶。

2.如权利要求1所述的一种智能施药船的行驶控制方法，其特征在于，所述智能施药船上的GPS模块实时获取当前所处位置的经度、纬度以及与正北逆时针方向的夹角信息的步骤包括：

由基准站已知精确坐标，计算出基准站到卫星的距离修正量，并由基准站实时地将这个修正量发送给施药船的GPS模块，对测量数据进行修正；

对GPS模块返回的最小定位信息数据包(GPRMC)进行解析，获取当前施药船的定位状态、经度、纬度以及航向角信息；

若定位信息有效则将获取的经纬度信息转换成度分秒的格式，航向角转换成与正北逆时针方向的夹角值。

3.如权利要求1所述的一种智能施药船的行驶控制方法，其特征在于，所述施药船采用学习模式在需要施药的水域边界采集定位点序列，通过路径规划算法将定位点序列转化为多边形边界，并在此基础上多次循环向内生成偏置多边形即行驶路线的步骤包括：

对需要施药的水域的边界进行定位点采集，不断生成定位点序列，并用链表进行存储；

基于Voronoi图生成算法将存储的定位点序列构成的整个边界空间划分成结构紧凑的Voronoi图；

计算生成Voronoi图的所有内点，结合Voronoi图的边方程生成相应的偏置线，直到生成一个完整的封闭偏置环；

减少偏置量的值，多次循环向内生成偏置多边形(封闭偏置环)即施药船的行驶路线。

4.如权利要求1所述的一种智能施药船的行驶控制方法，其特征在于，所述根据当前智能施药船的位置和当前行驶路线上目标点的位置，来进行自我姿态判断及柔性控制行驶的步骤包括：

根据GPS模块获取智能施药船的当前位置信息，从定位点序列的存储链表中获取当前目标点的位置信息；

以两位置点的距离为变量，将当前点与目标点之间的路径分割成5个部分：匀速段、可控范围段、匀减速段、滑行段和转弯段。不同的阶段采用不同的柔性控制算法进行行驶控制；

重复上述过程，智能施药船通过进行自我姿态判断及在转弯处的柔性控制驶向下一个目标点，直到本次施药完成。