CN107168318B - 一种用于无人船和无人机海上施肥施药的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于无人船和无人机海上施肥施药的装置及方法，涉及无人船辅助水域养殖领域。由养殖载体、无人船、无人机组成，无人船体上还设有物料装填装置和无人机回收装置，通过养殖载体向养殖区域施放物料，无人机侦查养殖载体的状况信息，无人船辅助无人机向养殖载体投放物料。实现提高向养殖区域施放物料的效率，本发明将无人船技术应用到海上养殖业，减少了渔民海上作业的危险性，同时提高了海上作业的效率。

Description

一种用于无人船和无人机海上施肥施药的装置及方法

技术领域

本发明涉及自动化控制的技术领域，尤其涉及一种用于无人船和无人机海上施肥施药的装置及方法。

背景技术

无人船是一种借助精确卫星定位和控制系统即可按照预设任务在水面航行并自主作业的全自动水面机器人。随着国防及民用的需求发展，在国防海域、近海养殖和内河环保等水域中有越来越多的无人船在运行并承担任务。为了实现大面积水域养殖场高效施肥，有必要引进无人船系统进行辅助施肥作业。

在水产养殖业中，需要定期向养殖水体中施加外用药或外用肥。目前，这些药物或肥料几乎都是全池泼洒或投洒使用的，除少量特定的颗粒剂可以定向作用于水底外，其他大量药物或肥料都是溶解或分散于全部水体中再起作用的。

对于水产养殖施肥而言，施肥是提高养殖水体中浮游植物的生长量(水体初级生产力)、提高以浮游生物为饵料的鱼类产量、提高精养水体溶解氧的有效手段。但是，普通的养殖水体一般平均水深在2m左右，浮游植物主要生活在养殖水体的真光层-即在水体的表层约20～40cm的水层中，所需要的肥料元素也应该主要分布在水体的真光层。但在全池泼洒施肥的状况下，肥料进入养殖水体后，溶解速度快的成份会大致均匀地分布在整个水体中，溶解速度慢的成份则会沉降于水底，其中大部分被底泥吸附包覆而失去作用，少量溶解于水体中的肥料则会形成一个从水底到水面浓度递减的分布层，虽然在普通池塘中有增氧曝气机进行主动水层交换而将溶解的成份进行再次均匀分布，但由于肥料中难溶解于水的部份几乎完全失效在池底，导致整个施肥效率极低。

专利号为CN200920229135.X的中国实用新型专利提供了一种水产养殖施药施肥器，该施药施肥器具有一个可以投放到养殖水体中的药物或肥料储存罐，所述储存罐由上部浮力腔体和下部储存释放腔体组合而成，所述下部储存释放腔体的表面上分布有释药通孔，所述下部储存释放腔体的底部通过重力牵引绳与重力定位块相连。在水面以下施药施肥时，可将上部浮力腔体的顶部通过浮标牵引绳与显位浮标相连。该技术解决了如何让肥料在真光层缓慢释放问题，有鉴于此，培肥水质，通过光合作用，促使水中浮游植物，浮游动物大量繁殖，同时也促进水生植物、固着生物。底栖动物、细菌和维管束植物、腐屑等大量繁殖增加。从理论和实践证明，在水域投施肥料后，只要水温稳定在20到32度之间，每投一次肥保持三天左右的晴天，浮游生物则可以达到高峰，肥效可维持7天左右，如果定期连续投施化肥，使之形成良性循环，浮游生物将不断新生，成倍增长，目前普遍采取叠加式施肥方法，其培育浮游生物的效果更佳。由于鱼类得到了充足的饵料，鱼产量得到大幅提高。

但用该装置在海域中使用时(如紫菜养殖)，为保证养殖水域的肥料持续均匀释放。施肥时渔民需手动将大量施肥装置固定在养殖海域，这是一项危险而又繁重的工作。

发明内容

有鉴于此，本发明所解决的技术问题在于提供一种用于无人船和无人机海上施肥施药的方法及装置，确保无人船能高效、快速、准确的向养殖区域施肥、施药，从而实现海上养殖自动化。

本发明通过以下技术方案来解决上述技术问题：一种用于无人船和无人机海上施肥施药的方法，其特征在于包括以下步骤：

a.养殖载体通过终端广播任务参数；

b.无人船接收并根据所述任务参数，生成目标位置；

c.无人船航行至目标位置。

d.无人船接收并根据所述任务参数预备物料，向无人机发送信息包括至少以下之一：养殖载体位置坐标、养殖载体显示的图案；

e.当无人船检测到物料准备完毕，无人机固定物料并起飞；

f.无人机向养殖载体发送准备信息；

g.养殖载体接收无人机发送的准备信息，打开桶盖准备接料；

h.无人机的任务装置识别任务点，投料并反馈给无人船；

i.无人机向养殖载体发送任务完成信息；

j.载体接收任务完成信息，关闭桶盖；

k.该无人船根据反馈信息回收无人机。

进一步地，步骤a中所述任务参数生成的方法包括:

n1.养殖载体通过传感器监视由养殖载体物料桶内电导率触发的模拟量事件A，由养殖载体物料桶内液位高度触发的模拟量事件B，由养殖载体外水质参数触发的模拟量事件C1和模拟量事件C2；

n2.养殖载体依据n1步骤中模拟量事件A和B，判断养殖载体物料桶内物料是否已全部溶解，确定所述物料处于以下状态之一：溶解液充足完全溶解、溶解液不足未完全溶解；

n3.养殖载体依据n2步骤中物料溶解状态和n1步骤中模拟量事件C1，判断养殖区域物料溶解度是否过低；

n4.养殖载体依据n2步骤中物料溶解状态和n1步骤中模拟量事件C2，判断养殖区域物料溶解度是否过高；

n5.养殖载体依据所述模拟量事件向物料桶内补充海水或向养殖区域施放物料；

n6.养殖载体获取产生所述模拟量事件A和B的养殖载体位置坐标D、产生所述模拟量C1和C2的物料种类和溶解度，养殖载体显示的图案模板，生成任务参数。

进一步地，步骤k中还包括步骤:

p1.无人船向无人机发送轨迹规划信息；

p2.无人机根据轨迹规划信息返航，调整无人船与无人机的相对位置数据；

p3.无人船开启回收装置，并根据相对位置数据，控制无人机施放降落装置或改变飞行状态，并控制回收装置调整设置参数回收无人机。

进一步地，目标位置的生成方法包括以下步骤：

r1.根据设置的运行程序运算各载体位置坐标到无人船所在位置坐标的直线距离；

r2.提取出距离无人船直线距离最近的载体位置坐标；

r3.计算以载体位置坐标为中心，安全距离L为边长的正四边形的四个顶点的坐标；

r4.计算正四边形的四个顶点与无人船的直线距离；

r5.提取出距离无人船直线距离最近的顶点的坐标，作为目标位置。

优选地，识别任务点的方法包括以下步骤：

t1.无人机接收任务信息，将载体位置坐标、载体显示的图案存储在无人机飞控系统中；

t2.飞控系统控制无人机向载体位置坐标飞行；

t3.航拍摄像设备拍摄载体，将拍摄的图像传给数据处理单元；

t4.数据处理单元将拍摄的图案二值化，并保存为模板M_model；

t5.对二值化的图像进行尺寸减小化处理和高斯平滑处理，得处理后的数字图像M_detect；

t6.对M_detect采用霍夫变换方式，得到多个圆形区域，根据预设的信息区间，从多个圆形区域中筛选出位于信息区间内的圆形区域，作为初始任务信息圆形区域；

t7.以预设扫描半径对所述初始任务信息圆形区域进行圆周扫描，分别统计红色扫描点、绿色扫描点和黄色扫描点的数量，如果所述红色扫描点、绿色扫描点和黄色扫描点的数量为对应的预设阈值，则判断所述符合条件的圆形区域为任务信息区域。

t8.获得模板M_model中的图像中心坐标；

t9.获得任务信息区域的圆心坐标；

t10.根据无人机的实际坐标位置，及图像缩放常数K，计算任务信息中心坐标。

优选地，所述回收无人机的方法包括以下步骤：

m1.提取无人机的飞行数据包括：飞行速度υ、飞行高度h₁、GPS坐标(x₁，y₁)；

m2.计算无人船与无人机的相对位置数据包括：无人船与无人机的直线距离

无人船与无人机的直线线段分别与空间坐标系x、y、z轴的余弦值：

无人船与无人机的直线线段与无人机速度方向的余弦值：

其中Φ角为无人船与无人机的直线线段与无人机速度方向的夹角，θ、β、α分别为，无人机飞行方向在OXYZ坐标系中与XYZ坐标轴的夹角，(x₂、y₂、h₂)为无人船上无人机降落点的坐标；

m3.判断若

小于阈值X，或

小于阈值Y，或

小于阀值H，则通过无人船通讯设备向无人机发送指令，用于使无人机向无人船水平飞行，并赋予PID设置参数

其中υ为飞行速度，r为存线轮半径，q_o为转叶式液压马达出口排量，转叶式液压马达理论流量与实际流量的比值v，Q_e为转叶式液压马达入口设置流量；

m4.判断

是否大于等于阀值H，若是，则通过无人船通讯设备向无人机发送指令，用于使无人机悬停或打开降落伞，并赋予PID设置参数

其中s为安全着陆速度；

m5.判断h₂-h₁是否小于等于阀值G，若是，则无人船向无人机发送指令，用于使无人机停止飞行或脱离降落伞，并关闭回收装置。

优选地，所述的养殖载体包括圆台形的浮于水面的载体，其特征在于，所述载体的上表面边沿上设有两端开口的圆筒状的围栏，围栏上设有LED信号灯，信号灯连接控制器，用于控制信号灯闪烁为无人机投料指示位置；所述载体上表面中心位置设有圆桶，圆筒上安装有桶盖及电动开盖机构，圆桶底部的桶身上均设有输料管，输料管末端连接喷洒头，圆筒桶上部侧面连通进水软管，圆筒内设有液位计、水质传感器；所述输料管和进水软管上设有泵；所述载体的围栏上端面设有给载体提供能源的环形太阳能电池板；所述载体下设水质传感器；载体上还设置吊耳，牵绳，牵绳另一端固定在扦插庄上；所述LED信号灯、液位计、压力传感器、电动阀、泵、开盖机构通过导线连接处理器，处理器还连接无线通讯模块、GPS定位设备、水质传感器；

养殖载体用于监测养殖区域的水质，根据水质信息，将物料施放到养殖区域，根据水质信息和养殖载体状态广播给无人船，将养殖载体状态展示给无人机。

优选地，用于海上养殖的无人船物料投送方法中的无人机上设置有：无线通讯接口，用于与无人船和养殖载体通信；

飞行控制系统，所述飞行控制系统还包括控制单元、数据处理单元、执行器单元，用于控制所述无人机在所述投料区域投料和返航着船；

传感器单元，所述传感器单元还包括用于对无人机机身下方进行图像采集摄像头、用于监测飞行数据的高度传感器、风速传感器、转速传感器、I MU模块、GPS模块；

和用于固定施料袋的夹持器，所述夹持器包括连接铰轴的至少三个爪，铰轴上设有永磁铁，爪的弯曲部设有滑块，滑块安装在滑槽内，滑槽连接无人机下方，无人机下方还设有与永磁铁相对的电磁铁；

无人机用于巡视所述施料装置，采集机身下方图像，在所述机身下方图像中搜索适合投料的区域，投送物料袋至所述养殖载体；

优选地，用于海上养殖的无人船物料投送方法中的无人船上设有：上位机，所述上位机通过导线连接通信电台、GPS定位设备，用于指挥无人机；

船载控制器，所述船载控制器通过控制电路连接无人机回收装置、物料装填装置、上位机，用于回收无人机和控制物料装填；

通信电台，所述通信电台用于与无人机及养殖载体装置通讯，接收无人机的飞行数据和养殖载体的任务参数；

蓄电池，用于给上位机、船载控制器、通信电台、回收装置和物料装填装置供电；

回收装置与无人机通过供电牵引线连接，所述回收装置还包括存线轮、导向环、液力驱动管路，导向环通过支杆与转轴转动配合，存线轮安装在转轴上，转轴和转叶式液压马达输出轴连接，设于转叶式液压马达出口与入口之间的液力驱动管路上依此连通有排液流量计、第一电动阀、油箱、油泵、电动调节阀、入口流量计，油箱、油泵还并联有设有第二电动阀的旁通回路，转叶式液压马达入口与电动调节阀之间设有串连放空电动阀和油箱支路；

和用于装填物料袋的物料装填装置，所述物料装填装置，包括传送带、转盘、进料斗、格式阀、进袋漏斗、导向机构、袋仓，其特征在于；所述袋仓固定设置在传送带上，进料斗置于进袋漏斗上方，格式阀安装于进料斗出口下使得其出口端与所述进袋漏斗出口相对，转盘设于进袋漏斗的出口端下方，导向机构设在转盘旁方的工位处；

无人船接收无人机的飞行数据，并将飞行数据传给上位机，上位机控制船载控制器开启回收装置，并根据设置的运行程序运算提取相对位置数据、无人船上无人机停靠点的坐标(x₂、y₂、h₂)、回收装置的规格参数，并赋予船载控制器PID设置参数，船载控制器根据PID设置参数调节采集的过程变量，控制回收装置回收无人机；上位机还控制物料装填装置；

所述船载控制器还通过通讯电缆连接排液流量计、第一电动阀、油泵、入口流量计、放空电动阀。

现阶段在海上养殖应用领域中，常因养殖装置分布面积较广，装置间的水道错综复杂，水道距离较窄，不利于船舶在水道中自动航行完成近距离物料投放。且由于养殖区域面积大，需投放物料的点较多，采用船舶逐一投放物料的方法效率较低，与现有技术相比，本发明的技术方案至少具有如下有益效果：

1.投放在养殖载体中的物料可在养殖载体中溶解，制备浓度较高物料溶解液，根据养殖区域水质条件间歇投放，防止水体富营养化或缺乏营养，延长物料投放有效时间，减少船舶补充物料的频次。

2.同时养殖载体投放物料方式为喷洒式，较物料袋悬挂方式溶解释放物料，投放面积更广，可以减少物料投放点设置的数量，提高向养殖区域投放物料的效率。

3.由于养殖网箱或养殖网帘面积大，定位装置安装不规则，难以精确定位形貌，采用无人机和无人船结合方式向养殖区域投放物料，可以避免无人船在错综复杂的水道反复确认导航完成自动航行，提高航行的安全性和效率，无人船通过计算养殖区域各个养殖载体距离无人船的距离，再运算出距离养殖区域的安全位置即目标位置，降低了无人船在养殖区域航行的难度。

4.采用无人船航行至指定地点，无人机向养殖载体逐个投料的方式，无人机通过图像识别养殖载体，可准确搜索与无人机携带的物料投放目标对应的养殖载体，且无人机飞行速度快，飞行无干扰，采用无人机投料效率更高，本方案中无人机还通过养殖载体的几何特征计算投料点位置坐标，保障了投料的准确性。

5.一般无人机的航程较短，由于本方案中无人船搭载无人机至养殖区域，可缩短无人机的航程，本方案中回收装置的存线轮上缠绕供电牵引线，供电牵引线连接无人机，存线轮由叶轮式液压马达驱动，PID控制器根据上位机设置的设定参数调节液压马达入口流量改变存线轮转速，在无人机返航时，上位机可通过无人机飞行数据，分析无人机是否处于降落区域范围，若不处于降落区域，使供电牵引线的线速度不高于无人机飞行速度在供电牵引线上的分速度，防止无人机在返航时被回收装置拖拽，若处于降落区域，则向无人机发送降落指令，并使供电牵引线回收无人机的线速度不高于无人机伞降的安全速度，防止无人机降落时撞击船体。

附图说明

图1是本发明一种用于无人船和无人机海上施肥施药的装置的养殖载体结构示意图；

图2是本发明一种用于无人船和无人机海上施肥施药的方法中养殖载体施放物料的流程示意图

图3是本发明一种用于无人船和无人机海上施肥施药的方法中无人船确定目标位置的流程示意图

图4是本发明一种用于无人船和无人机海上施肥施药的方法中无人机确定投料位置的流程示意图

图5是本发明一种用于无人船和无人机海上施肥施药的方法中无人机回收装置回收无人机的方法示意图

图6是本发明一种用于无人船和无人机海上施肥施药的装置的结构示意图

图7是本发明一种用于无人船和无人机海上施肥施药的装置的结构示意图中A截面放大图

图8是本发明一种用于无人船和无人机海上施肥施药的方法中无人机的飞控系统结构示意图

图9是本发明一种用于无人船和无人机海上施肥施药的方法中无人机回收装置结构示意图

图10是本发明一种用于无人船和无人机海上施肥施药的方法中物料装填装置结构示意图

图11是本发明一种用于无人船和无人机海上施肥施药的方法中无人船控制系统结构示意图

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。

本发明的用于海上养殖的无人船物料投送方法，其特征在于包括以下步骤：

a.养殖载体100通过终端广播任务参数；

b.无人船300接收并根据所述任务参数，生成目标位置；

c.无人船航行至目标位置。

d.无人船接收并根据所述任务参数预备物料，向无人机200发送信息包括至少以下之一：养殖载体位置坐标、养殖载体显示的图案；

e.当无人船检测到物料准备完毕，无人机固定物料并起飞；

f.无人机向养殖载体发送准备信息；

g.养殖载体接收无人机发送的准备信息，打开桶盖101准备接料；

h.无人机的任务装置识别任务点，投料并反馈给无人船；

i.无人机向养殖载体发送任务完成信息；

j.养殖载体接收任务完成信息，关闭桶盖101；

k.该无人船根据反馈信息回收无人机。

步骤a中任务参数生成的方法包括:

n1.养殖载体通过传感器监视由养殖载体物料桶105内电导率触发的模拟量事件A，由养殖载体物料桶105内液位高度触发的模拟量事件B，由养殖载体外水质参数触发的模拟量事件C1和模拟量事件C2；

n2.养殖载体依据n1步骤中模拟量事件A和B，判断养殖载体物料桶内物料是否已全部溶解，确定所述物料处于以下状态之一：溶解液充足完全溶解、溶解液不足未完全溶解；

n3.养殖载体依据n2步骤中物料溶解状态和n1步骤中模拟量事件C1，判断养殖区域物料溶解度是否过低；

n4.养殖载体依据n2步骤中物料溶解状态和n1步骤中模拟量事件C2，判断养殖区域物料溶解度是否过高；

n5.养殖载体依据所述模拟量事件向物料桶内补充海水或向养殖区域施放物料；

n6.养殖载体获取产生所述模拟量事件A和B的养殖载体位置坐标D、产生所述模拟量C1和C2的物料种类和溶解度，养殖载体显示的图案模板，生成任务参数。

进一步地，养殖载体用于监测养殖区域的水质，根据水质信息，将物料施放到养殖区域，根据水质信息和养殖载体状态广播给无人船，将养殖载体状态展示给无人机。

如图1，养殖载体包括圆台形的浮于水面的载体102，其特征在于，所述载体的上表面边沿上设有两端开口的圆筒状的围栏103，围栏上设有LED信号灯104，包括红、黄、绿三色，信号灯通过控制器：AT89S52单片机控制，实现信号灯闪烁为无人机投料指示位置和指示所需投料种类的信息；所述载体上表面中心位置设有规格为直径1米、高1.5米的圆桶(物料桶)105，圆桶上安装有桶盖101及电动开盖机构106，开盖机构包括：支架107、力臂108、角行程执行器(型号:ATD-63)109、转轴110。圆桶底部的桶身上均设有输料管111，输料管末端连接喷洒头112及泵113，圆桶上部侧面通孔连通进水软管114及泵，圆筒内设有雷达液位计115，筒内设有水质传感器(电导率传感器)；所述载体的围栏上端面设有给载体提供能源的环形太阳能电池板116；所述载体下设水质传感器，包括：气敏电极式氨氮传感器，载体上还设置吊耳117，牵绳118，牵绳另一端固定在扦插桩上；GPS定位设备安装于载体的中心，所述GPS定位设备、液位计、压力传感器通过导线信号连接处理器输入端的引角，处理器输出端还信号连接无线通讯模块、和LED信号灯、泵、开盖机构的触电开关。传感器向处理器传送模拟量信号，处理器依据程序输出逻辑信号，如图2，所述筛选过程包括：

s1.物料桶内当电导率低于4欧/米时，且物料桶内液位低于阀值1米，处理器判断液位不足，需补充海水重新判断；当电导率低于4欧/米时，且物料桶内液位高于阀值1米时，处理器判断，物料桶内物料已完全溶解，缺乏物料，若此时养殖载体外水质传感器例如检测到氨氮浓度，位于阀值0.01～0.05mg/L之间时，表示浓度正常无需补充物料，若氨氮浓度低于0.01mg/L时，表示养殖区域缺乏氨氮，需养殖载体向养殖区域喷洒含氨氮的溶液，而处理器已判断出物料桶内物料已完全溶解，缺乏物料，则通过无线通讯模块发送任务参数包括：载体位置坐标、氮肥，控制LED信号显示图案：黄色灯常亮报警。用于判断物料桶内物料已消耗完待补充；

s2.物料桶内当电导率高于4欧/米时，且物料桶内液位低于阀值1米，处理器判断液位不足，需补充海水重新判断；当电导率高于4欧/米时，且物料桶内液位高于阀值1米时，处理器判断，物料桶内物料未完全溶解，物料充足，若此时养殖载体外水质传感器例如检测到氨氮浓度，位于阀值0.01～0.05mg/L之间时，表示浓度正常无需补充物料，若氨氮浓度低于0.01mg/L时，表示养殖区域缺乏氨氮，需养殖载体向养殖区域喷洒含氨氮的溶液，而处理器已判断出物料桶内物料未完全溶解，物料充足，则通过处理器控制泵吸取物料桶内溶液向养殖区域喷洒，若氨氮浓度高于0.05mg/L时，表示养殖区域水体富营养化，无线通讯模块发送任务参数包括：载体位置坐标、氮肥，控制LED信号显示图案：红色灯常亮报警。用于通知无人船养殖区域水体富营养化；

s3.液位计检测物料桶内液位值，用于判断是否向物料桶内充入海水；

s4.当水质参数(氨氮浓度)高于0.01mg/L时，处理器关闭电动阀及泵停止向养殖区域施放肥料溶剂液。当水质参数(氨氮浓度)低于阀值0.01mg/L时，处理器开启电动阀及泵向养殖区域施放肥料溶剂液。

如图3，进一步地，步骤b中目标位置的生成方法包括以下步骤：

r1.计算各载体102位置坐标到无人船所在位置坐标(x₂，y₂)的直线距离；

r2.提取出距离无人船直线距离最近的载体位置坐标(x₃，y₃)；

r3.计算以载体位置坐标为中心，阀值20米为边长的正四边形的四个顶点的坐标(x₃-5，y₃-5)、(x₃-5，y₃+5)、(x₃+5，y₃+5)、(x₃-5，y₃+5)，20米为预留安全距离可视情况设置；

r4.计算正四边形的四个顶点与无人船的直线距离；

r5.提取出距离无人船直线距离最近的顶点的坐标，如(x₃-5，y₃-5)，作为目标位置。

进一步地，步骤h中任务点的识别方法包括以下步骤：

t1.无人机接收任务信息，将载体位置坐标、载体显示的图案存储在无人机飞控系统中，任务信息包括：载体位置坐标、载体显示的图案。

t2.飞控系统控制无人机向载体位置坐标飞行；

t3.航拍摄像设备拍摄载体，将拍摄的图像传给数据处理单元；

t4.数据处理单元将拍摄的图案二值化，并保存为模板M_model；

t5.对二值化的图像进行尺寸减小化处理和高斯平滑处理，得处理后的数字图像M_detect；

t6.对M_detect采用霍夫变换方式，得到多个圆形区域，根据预设的信息区间，从多个圆形区域中筛选出位于信息区间内的圆形区域，作为初始任务信息圆形区域；

t7.以与无人机所在高度对应的扫描半径对所述初始任务信息圆形区域进行圆周扫描，分别统计RGB值符合的红色扫描点、绿色扫描点和黄色扫描点的数量，如果所述红色扫描点、绿色扫描点和黄色扫描点的数量为对应的预设阈值，则判断所述符合条件的圆形区域为任务信息区域；

t8.获得模板M_model中的图像中心坐标，模板M_model中的图像中心为相机中心；

t9.获得任务信息区域的圆心坐标，信息区域的圆心为养殖载体中心；

t10.根据无人机的实际坐标位置，及图像缩放常数K，计算任务信息中心坐标。无人机在拍摄时的实际坐标位置为模板M_model中的图像中心坐标，以上t4～t10所述步骤如图4。

进一步地，本步骤k中还包括步骤:

p1.无人船向无人机发送轨迹规划信息；

p2.无人机根据轨迹规划信息返航，调整无人船与无人机的相对位置数据；

p3.无人船通过PLC控制器(控制器)开启回收装置222，并根据相对位置数据，控制无人机施放降落装置或改变飞行状态，并采集回收装置中的过程变量，如转叶式液压马达216出口排量q_o和入口流量Q，控制回收装置调整设置参数回收无人机。

如图5，优选地，回收无人机的方法包括以下步骤：

m1.提取无人机的飞行数据，包括：飞行速度υ、飞行高度h₁、GPS坐标(x₁，y₁)；

m2.计算无人船与无人机的相对位置数据包括：无人船上无人机停靠点与无人机的直线距离

无人船上无人机停靠点与无人机的直线线段分别与空间坐标系x、y、z轴的余弦值：

无人船与无人机的直线线段与无人机速度方向的余弦值：

其中Φ角为无人船上无人机停靠点与无人机的直线线段与无人机速度方向的夹角，θ、β、α分别为，无人机飞行方向在OXYZ坐标系中与XYZ坐标轴的夹角；

m3.判断若

小于阈值0.966，或

小于阈值0.966，或

小于阀值0.966，0.966为15°角的余弦值，表示从ZOY平面、或ZOX平面、或XOY平面看无人机的仰角小于75°，则通过无人船通讯设备向无人机发送指令，用于使无人机向无人船水平飞行，并赋予PID设置参数

其中υ为飞行速度，r为所述存线轮201半径，v为容积效率即：转叶式液压马达206理论流量与实际流量的比值，Q_e为转叶式液压马达入口设置流量；

m4.判断

是否大于等于阀值0.966，若是，则通过无人船通讯设备向无人机发送指令，用于使无人机悬停或打开降落伞，并赋予PID设置参数

s为降落速度，例如s小于等于6m/s，此值可根据实际情况设置；

m5.判断h₂-h₁是否小于等于阀值0.5m，若是，则通过无人船通讯设备向无人机发送指令，用于使无人机进入悬停自动降落或脱离降落伞，并通过PLC控制器关闭回收装置222。

其中SP为设置参数

PV为过程变量Q，E表示误差，BIAS表示基值，CV表示控制变量，dt表示回路刷新时间，K_c表示控制增益，T_i表示时间增益，T_d表示微分时间常数。

PID方程为：

E＝SP-PV，

E＝PV-SP，

优选地，用于海上养殖的无人船，由无人船、无人机组成如图6，

如图6-8，无人机上设置有：无线通讯接口，用于与无人船和养殖载体通信；

飞行控制系统还包括控制单元、数据处理单元、执行器单元，用于控制所述无人机在所述投料区域投料和返航着船；

传感器单元还包括用于对无人机机身下方进行图像采集的摄像头、用于监测无人机飞行数据的高度传感器、风速传感器、转速传感器、I MU模块、GPS模块；

和用于固定施料袋的夹持器400如图7所示；夹持器包括连接铰轴403的至少三个爪402，铰轴上设有永磁铁404，无人机下方设有与永磁铁相对的电磁铁405，爪的弯曲部406设有滑块407，滑块安装在滑槽408内，滑槽连接无人机下方，当电磁铁得电时吸合永磁铁，使爪合拢，当电磁铁失电时在重力作用下永磁铁远离电磁铁，使爪松开；

无人机用于巡视所述养殖载体，采集机身下方图像，在所述机身下方图像中搜索适合投料的区域，投送物料袋至所述养殖载体物料桶中；

进一步地，无人船上设有：上位机，所述上位机通过导线连接通信电台、GPS定位设备，用于指挥无人机回收装置；

如图11所示，PLC控制器(控制器)通过控制电路连接无人机回收装置222、物料装填装置333、上位机，用于回收无人机和控制物料装填，选用Control Logix5555PLC控制器；

通信电台包括图传电台和数字电台，用于与无人机及养殖载体装置通讯，接收无人机的飞行数据和养殖载体的任务参数；

蓄电池，用于给上位机、PLC控制器、通信电台、回收装置222和物料装填装置333供电；

与无人机通过供电牵引线连接的回收装置222如图9，还包括存线轮201、导向环202、液力驱动管路203，导向环通过支杆204与转轴205转动配合，存线轮安装在转轴上，转轴和转叶式液压马达206输出轴连接，设于转叶式液压马达出口207与入口208之间的液力驱动管路上依此连通有排液流量计209、第一电动阀210、油箱211、油泵212、电动调节阀213、入口流量计209，油箱、油泵还并联设有第二电动阀215的旁通回路，转叶式液压马达入口与电动调节阀之间设有串连放空电动阀216和油箱的支路；回收装置设于无人船甲板下，供电牵引线穿过甲板的通线孔与无人机相连，用于拖拽无人机。

无人船接收无人机的飞行数据，并将飞行数据传给上位机，上位机信号连接PLC控制器输入端，向PLC控制器输入模拟量信号，PLC控制器输出端信号连接继电器组、电动调节阀，继电器电连接第一电动阀、油泵、第二电动阀、放空电动阀用于开启和关闭回收装置，上位机根据设置的运行程序运算提取无人机与无人船的相对位置数据、无人船上无人机降落点的坐标(x₂、y₂、h₂)、回收装置的规格参数，并赋予PLC控制器PID设置参数，PLC控制器为PLC可编程逻辑控制器，PLC控制器与电动调节阀、排液流量计、入口流量计信号连接，PLC控制器根据PID设置参数采集接收入口、排液流量模拟量信号和电动调节阀开度模拟量信号，运算后输出信号控制电动调节阀开到一定的开度，调节过程变量。控制回收装置回收无人机；上位机还控制物料装填装置。用于装填物料袋301的物料装填装置333，如图10，包括传送带302、转盘303、进料斗304、格式阀305、进袋漏斗306、导向机构307、袋仓308，其特征在于；所述袋仓固定设置在传送带上，袋仓内的推送机构将纸质物料袋推送至传送带上，进料斗置于进袋漏斗上方，格式阀安装于进料斗出口下使得其出口端与所述进袋漏斗出口相对，纸质物料袋上端开口大，下端小，物料袋落入进袋漏斗后卡在漏斗出料口，填装物料后物料袋穿过进袋漏斗口落在转盘上，转盘设于进袋漏斗的出口端下方，转盘由电机311驱动，导向机构设在转盘旁的工位处，导向机构包括导向板309、转轴310和电机311，导向机构将物料袋推送至无人机下方的工位，无人机上设有夹持装置用于夹持物料袋，PLC船载控制器输出端信号连接继电器组，继电器组与格式阀、传送带、导向机构、转盘的电机及袋仓内的推杆电连接，通过编辑PLC计时程序控制上述机构传动。

Claims (7)

1.一种用于无人船和无人机海上施肥施药的方法，其特征在于包括以下步骤：

a.养殖载体通过终端广播任务参数；

b.无人船接收并根据所述任务参数,根据设置的运行程序运算各载体位置坐标到无人船所在位置坐标的直线距离；提取出距离无人船直线距离最近的载体位置坐标；计算以距离无人船直线距离最近的载体位置坐标为中心，安全距离L为边长的正四边形的四个顶点的坐标；计算正四边形的四个顶点与无人船的直线距离；提取出距离无人船直线距离最近的顶点的坐标，作为目标位置；

c.无人船航行至目标位置；

d.无人船接收并根据所述任务参数预备物料，向无人机发送信息包括至少以下之一：养殖载体位置坐标、养殖载体显示的图案；

e.当无人船检测到物料准备完毕，无人机固定物料并起飞；

f.无人机向养殖载体发送准备信息；

g.养殖载体接收无人机发送的准备信息，打开桶盖准备接料；

h.无人机的任务装置将载体位置坐标、载体显示的图案存储在无人机飞控系统中；飞控系统控制无人机向载体位置坐标飞行；航拍摄像设备拍摄载体，将拍摄的图像传给数据处理单元；数据处理单元将拍摄的图案二值化，并保存为模板M_model；对二值化的图像进行尺寸减小化处理和高斯平滑处理，得处理后的数字图像M_detect；对M_detect采用霍夫变换方式，得到多个圆形区域，根据预设的信息区间，从多个圆形区域中筛选出位于信息区间内的圆形区域，作为初始任务信息圆形区域；以预设扫描半径对所述初始任务信息圆形区域进行圆周扫描，分别统计红色扫描点、绿色扫描点和黄色扫描点的数量，如果所述红色扫描点、绿色扫描点和黄色扫描点的数量为对应的预设阈值，则判断符合条件的圆形区域为任务信息区域；获得模板M_model中的图像中心坐标即无人机拍摄时的实际坐标位置；获得任务信息区域的圆心坐标即养殖载体中心；根据无人机的实际坐标位置，及图像缩放常数K，计算任务信息中心坐标,完成识别任务点，投料并反馈给无人船；

i.无人机向养殖载体发送任务完成信息；

j.载体接收任务完成信息，关闭桶盖；

k.该无人船根据反馈信息回收无人机。

2.根据权利要求1所述的用于无人船和无人机海上施肥施药的方法，其特征在于，步骤a中所述任务参数生成的方法包括:

n1.养殖载体通过传感器监视由养殖载体物料桶内电导率触发的模拟量事件A，由养殖载体物料桶内液位高度触发的模拟量事件B，由养殖载体外水质参数触发的模拟量事件C1和模拟量事件C2；

n2.养殖载体依据n1步骤中模拟量事件A和B，判断养殖载体物料桶内物料是否已全部溶解，确定所述物料处于已一下状态之一：溶解液充足完全溶解、溶解液不足未完全溶解；

n3.养殖载体依据n2步骤中物料溶解状态和n1步骤中模拟量事件C1，判断养殖区域物料溶解度是否过低；

n4.养殖载体依据n2步骤中物料溶解状态和n1步骤中模拟量事件C2，判断养殖区域物料溶解度是否过高；

n5.养殖载体依据所述模拟量事件向物料桶内补充海水或向养殖区域施放物料；

n6.养殖载体获取产生所述模拟量事件A和B的养殖载体位置坐标D、产生所述模拟量C1和C2的物料种类和溶解度，养殖载体显示的图案模板，生成任务参数。

3.根据权利要求1所述的用于无人船和无人机海上施肥施药的方法，其特征在于：步骤k中还包括步骤:

p1.无人船向无人机发送轨迹规划信息；

p2.无人机根据轨迹规划信息返航，调整无人船与无人机的相对位置数据；

p3.无人船开启回收装置，并根据相对位置数据，控制无人机施放降落装置或改变飞行状态，并控制回收装置调整设置参数回收无人机。

4.根据权利要求1所述用于无人船和无人机海上施肥施药的方法，其特征在于，所述回收无人机的方法包括以下步骤：

m1.提取无人机的飞行数据包括：飞行速度υ、飞行高度h₁、GPS坐标(x₁，y₁)；

m2.计算无人船与无人机的相对位置数据包括：无人船与无人机的直线距离

无人船与无人机的直线线段分别与空间坐标系x、y、z轴的余弦值：

无人船与无人机的直线线段与无人机速度方向的余弦值：

其中Φ角为无人船与无人机的直线线段与无人机速度方向的夹角，θ、β、α分别为，无人机飞行方向在OXYZ坐标系中与XYZ坐标轴的夹角，(x₂、y₂、h₂)为无人船上无人机降落点的坐标；

m3.判断若

小于阈值X，或

小于阈值Y，或

小于阀值H，则通过无人船通讯设备向无人机发送指令，用于使无人机向无人船水平飞行，并赋予PID设置参数

其中υ为飞行速度，r为存线轮半径，q_o为转叶式液压马达出口排量，转叶式液压马达理论流量与实际流量的比值η_v，Q_e为转叶式液压马达入口设置流量；

m4.判断

是否大于等于阀值H，若是，则通过无人船通讯设备向无人机发送指令，用于使无人机悬停或打开降落伞，并赋予PID设置参数

其中s为安全着陆速度；

m5.判断h₂-h₁是否小于等于阀值G，若是，则无人船向无人机发送指令，用于使无人机停止飞行或脱离降落伞，并关闭回收装置。

5.根据权利要求1所述的用于无人船和无人机海上施肥施药的方法的施肥施药装置，所述的养殖载体包括圆台形的浮于水面的载体，其特征在于，所述载体的上表面边沿上设有两端开口的圆筒状的围栏，围栏上设有LED信号灯，信号灯连接控制器，用于控制信号灯闪烁为无人机投料指示位置；所述载体上表面中心位置设有圆桶，圆筒上安装有桶盖及电动开盖机构，圆桶底部的桶身上均设有输料管，输料管末端连接喷洒头，圆筒桶上部侧面连通进水软管，圆筒内设有液位计、水质传感器；所述输料管和进水软管上设有泵；所述载体的围栏上端面设有给载体提供能源的环形太阳能电池板；所述载体下设水质传感器；载体上还设置吊耳，牵绳，牵绳另一端固定在扦插庄上；所述LED信号灯、液位计、压力传感器、泵、开盖机构通过导线连接处理器，处理器还连接无线通讯模块、GPS定位设备、水质传感器；

养殖载体用于监测养殖区域的水质，根据水质信息，将物料施放到养殖区域，根据水质信息和养殖载体状态广播给无人船，将养殖载体状态展示给无人机。

6.根据权利要求5所述的施肥施药装置，其特征在于：

所述无人机上设置有：无线通讯接口，用于与无人船和养殖载体信息；

飞行控制系统，所述飞行控制系统还包括控制单元、数据处理单元、执行器单元，用于控制所述无人机在所述投料区域投料和返航着船；

传感器单元，所述传感器单元还包括用于对无人机机身下方进行图像采集摄像头、用于监测飞行数据的高度传感器、风速传感器、转速传感器、IMU模块、GPS模块；

和用于固定施料袋的夹持器，所述夹持器包括连接铰轴的至少三个爪，铰轴上设有永磁铁，爪的弯曲部设有滑块，滑块安装在滑槽内，滑槽连接无人机下方，无人机下方还设有与永磁铁相对的电磁铁；

无人机用于巡视所述施料装置，采集机身下方图像，在所述机身下方图像中搜索适合投料的区域，投送物料袋至所述养殖载体。

7.根据权利要求5所述的施肥施药装置，其特征在于：所述无人船上设有：上位机，所述上位机通过导线连接通信电台、GPS定位设备，用于指挥无人机；

船载控制器，所述船载控制器与无人机回收装置、物料装填装置、上位机信号连接，用于回收无人机和控制物料装填；

通信电台，所述通信电台用于与无人机及养殖载体装置通讯，接收无人机的飞行数据和养殖载体的任务参数；

蓄电池，用于给上位机、船载控制器、通信电台、回收装置和物料装填装置供电；

回收装置与无人机通过供电牵引线连接，所述回收装置还包括存线轮、导向环、液力驱动管路，导向环通过支杆与转轴转动配合，存线轮安装在转轴上，转轴和转叶式液压马达输出轴连接，设于转叶式液压马达出口与入口之间的液力驱动管路上依此连通有排液流量计、第一电动阀、油箱、油泵、电动调节阀、入口流量计，油箱、油泵还并联有设有第二电动阀的旁通回路，转叶式液压马达入口与电动调节阀之间设有串连放空电动阀和油箱支路；

和用于装填物料袋的物料装填装置，所述物料装填装置，包括传送带、转盘、进料斗、格式阀、进袋漏斗、导向机构、袋仓，其特征在于；所述袋仓固定设置在传送带上，进料斗置于进袋漏斗上方，格式阀安装于进料斗出口下使得其出口端与所述进袋漏斗出口相对，转盘设于进袋漏斗的出口端下方，转盘设于进袋漏斗的出口端下方，导向机构设在转盘旁方的工位处；

无人船接收无人机的飞行数据，并将飞行数据传给上位机，上位机控制船载控制器开启回收装置，并根据设置的运行程序运算提取相对位置数据、无人船上无人机停靠点的坐标(x₂、y₂、h₂)、回收装置的规格参数，并赋予船载控制器PID设置参数，船载控制器根据PID设置参数调节采集的过程变量，控制回收装置回收无人机；上位机还控制物料装填装置；

所述船载控制器还通过通讯电缆连接排液流量计、第一电动阀、油泵、入口流量计、放空电动阀。

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