CN108575849B - 一种变幅分段作业无人自动投饵船的投饵方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种变幅分段作业的无人自动投饵船，属于一种用于特种水产养殖的投饵装置，具体涉及一种变幅覆盖、分段作业、断点续航的无人自动投饵船。一种变幅分段作业的无人自动投饵船包括自动料仓、无人自动投饵船；无人自动投饵船采用变幅方式规划航道，采用分段方式规划航线，自动装料、动态调整、根据目标需求及实时状态控制推进器及投饵机的运行状态，分段完成全部投饵作业；提供一种即轻量级，又满足不同养殖规模、不同养殖阶段所需要的一种变幅分段作业的无人自动投饵船，它规格单一、船体尺寸小、成本较低、控制精度高、适应性强。
Description
技术领域
本发明属于一种用于池塘、湖泊特种水产养殖的投饵装置，具体涉及一种自动装料、变幅覆盖、分段作业、断点续航的无人自动投饵船。
背景技术
特种水产养殖，尤其是虾蟹养殖都需要全覆盖、均匀投饵投料，目前，水产养殖投饵投料还处于全人工或半机械化作业阶段。全人工作业就是按照大概的航道人工撑船，船航行的同时人工一瓢一瓢泼撒饵料；半机械化作业是在船头安放一台投饵机，船尾安装一台挂机推进器，人工操作推进器推进船体按大概的航道航行，同时开启投饵机抛料；无论是全人工，还是半机械化作业，所使用的船体荷载能力，均可满足最大投饵负荷时全区域一次全覆盖投饵，且为了保证作业人员的安全，一般都会选用载荷余量很大的船只，这样的船体选型方式应用到无人自动投饵船时，会大大增加系统初投资与运行成本。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种即轻量级，又满足不同养殖规模、不同养殖阶段所需要的一种变幅分段作业的无人自动投饵船，它规格单一、船体尺寸小、成本较低、控制精度高、适应性强。
本发明的目的是通过如下技术措施来实现的：一种变幅分段作业的无人自动投饵船，包括自动料仓、无人自动投饵船；所述自动料仓包括支承座、料仓、下料装置、输料装置、辅助控制单元；所述支承座固定在地面，料仓安装在支承座上，料仓下方出料口装有下料装置及输料装置，辅助控制单元控制下料装置与输料装置的运行状态；所述自动投饵船包括船体、推进器、投饵机、主控制单元；所述船体为全封闭结构；所述推进器包括左右两个推进器，分别安装在船体的左右两侧，对称布置；所述投饵机采用托架方式固定安装在船体上，重心在船头与船体重心之间的船体纵向轴线上；所述压力传感器安装在投饵机与托架之间，对投饵机及饵料进行称重；所述主控制器单元接收GPS信号及压力传感器的称重信号，根据投饵控制模式、单位面积投饵率采用变幅方式规划航道，根据无人自动投饵船载荷能力，采用分段方式规划航线，自动装料，动态调整，根据目标需求及实时状态控制推进器及投饵机的运行状态，分段完成全部投饵作业。
本发明一种变幅分段作业的无人自动投饵船，采用的技术方案是具有以下步骤：
（1）无人自动投饵船主控制单元调用作业区域GIS地图信息，并确认当前位置包含在作业区域内；
（2）无人自动投饵船主控制单元读取投饵控制模式，投饵控制模式有三种，模式一为密度模式，即选择密度模式并设置全航程的计划单位面积投饵率Sr，则M = S * Sr，式中：M为计划投饵总重量，S为全覆盖的作业面积，包含在GIS地图信息内，为已知值，Sr为单位面积投饵率；
（3）模式二为总量模式，即选择总量模式并设置全覆盖的计划投饵总重量M，则Sr= M(Sr / M,S)：Sr = M / S；
（4）模式三为单量模式，即选择单量模式并在开始作业前给无人自动投饵船先上料，此模式为无人自动投饵船料仓内现有饵料一次全覆盖作业模式，主控制器单元读取压力传感器的称重信号，mn = m (mn / m,m0)：mn = m - m0，式中：mn为实时饵料重量，m为压力传感器输出的实时重量，m0为投饵机重量，为已知值，则M = mn，Sr = M(Sr / M,S)：Sr =M / S；
（5）无人自动投饵船主控制单元计算最小航道间距dmin，当△m≥n1*C * A时，主控制单元才能正常控制投饵机调节下料量，式中：△m为主控制单元一个称重采样周期内的投饵量，n1为压力传感器数量，C为压力传感器的最大量程，为已知值，A为压力传感器的满量程综合精度，为已知值，而△m = d(△m / d, Vc , Sr ,T)：△m = d * Vc * Sr * T，式中：d为相邻两个航道间的间距，Vc为无人自动投饵船的设计巡航航速，为已知值，Sr为单位面积投饵率，已在（1）中赋值，T为主控制单元的称重采样周期，为已知值，那么dmin=(dmin/ Sr, Vc, T, n1,C,A)：dmin= n1*C*A/( Vc * Sr * T)；
（6）无人自动投饵船主控制单元计算最大航道间距dmax，当△m≤Cf * T，投饵机的供料能力才能满足单位面积投饵率的需求，式中：Cf为投饵机单位时间最大供料能力，为已知值，那么dmax= (dmax/ Sr, Vc, T, Cf,T)：dmax= Cf*T/( Vc * Sr * T)；
（7）无人自动投饵船主控制单元计算航道间距d，首先，压力传感器及投饵机设计选型时，必须满足：Cf*T≥n1*C*A，其次是满足dmin≤d≤dmax，取d =（dmin+dmax）/2，航道变幅间距d与单位面积投饵率Sr成反比；
（8）主控制单元根据GIS地图信息对选定的变幅航道间距d进行审核，n2 = (n2 /d,W,L)：n2 = (W -2*L) / d + 1，式中：n2为航道数量，W为GIS地图信息中的作业区域宽度，为已知值，L为作业边界安全距离，为设置的已知值，如果n2结果为小数时，首先n2向上取整数，则d = ( d/ n2,W,L)：d = (W-2*L) / (n2 - 1)，满足dmin≤d≤dmax，则d值有效，否则n2向下取整数，则d = ( d/ n2,W,L)：d = (W-2*L) / (n2 - 1)，满足dmin≤d≤dmax，则d值有效，否则d为原值，L = ( L / d,n2,W)：L = (W - d * ( n2 - 1)) / 2；
（9）主控制单元完成航道变幅，根据GIS地图信息及航道间距d，完成航道规划；
（10）主控制单元计算分段航线数量，n3 = (n3 / M,M0)：n3 = M / M0，如果n3结果为小数时向上取整数，式中n3为全航程分段航线数量，M0为自动投饵船额定荷载量，为已知值，分段航线数量n3与计划投饵总重量M成正比；
（11）主控制单元计算各段航线的航程，R0 = (R0 / R,n3)：R0 = R / n3，式中：R0为各段航线的航程，R为作业区域已规划航道全覆盖的全航程，为已知值；
（12）主控制单元计算上料重量m1，m1 = (m1 /M,n3)：m1 = M / n3，式中：m1为每段航线的投饵重量；
（13）如果至少还有一段航线没完成投饵作业，主控制单元向辅助控制单元发出上料启动及上料重量指令，辅助控制单元控制下料装置与输料装置的运行；
（14）主控制器单元读取压力传感器的称重信号，如果mn≥ m1 - m2，主控制单元向辅助控制单元发出停止上料指令，辅助控制单元控制下料装置停止下料，辅助控制单元延时控制输料装置停止运行，式中：m2为输料装置在线饵料重量，为已知值；
（15）主控制单元控制推进器及投饵机开始投饵运行，调整投饵机使投饵扇面宽度≥d，作业起点即为第一航道的起点，亦为第一段航线的起点，完成一个航道作业后，下一航道的近点为下一航点，累计航程 Rt = R0时，该点即为本段航线的终点，式中：Rt为本段航线累计航程，上一段航线的终点即为下一段航线的起点，最后一个航道的终点即为最后一段航线的终点；
（16）主控制单元动态调整投饵机供料能力Cf'， Cf' = (Cf'/mn,V,R0,Rt)：Cf'=mn *V/ (R0-Rt)，式中：Cf'为投饵机供料能力，V为无人自动投饵船当前航速。
本发明一种变幅分段作业的无人自动投饵船采用以上技术后，具有以下技术效果：由一个规格的或者少量规格的无人自动投饵船，即可适应不同养殖阶段、不同养殖规模的投饵需求；投苗阶段单位面积饵料需求量小，则采用宽幅覆盖作业区域，充分发挥无人自动投饵船的作业能力，缩减航程；在成品养殖期单位面积投饵量需求大，则采用窄幅覆盖作业区域，加大航程，保证投饵量满足养殖体的摄食需求；小规模养殖全区域投饵量小，则采用单段航线或者少数几段航线完成全区域覆盖，大规模养殖全区域投饵量大，则采用多段航线完成全区域覆盖；本发明可大大减小船体尺寸、降低推进器配机功率、降低制造及运行成本。
附图说明
图1为变幅航道示意图；
图2为航道作业及投饵覆盖示意图；
图3为分段航线作业示意图；
图4为投饵覆盖扇面图。
图中：1、作业区域GIS地图；2、自动料仓；3、无人自动投饵船；4、作业起点；5、第一航道；6、图中航道省略示意；7、返航航道；8、作业终点；9、已完成作业的航道；10、投饵已覆盖的区域；11、当前航点；12、未完成作业的航道；13、返回装料及断点续航联络线；14、第一段航线；15、第二段航线；16、第n-1段航线；17、第一段航线终点；18、第n-1段航线终点；19、投饵已覆盖分割线；20、第n段航线；21、投饵机投饵覆盖扇面。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述。
参见图1，本实施例提供一种变幅分段作业的无人自动投饵船，包括自动料仓2、无人自动投饵船3。
如图1所示，本发明一种变幅分段作业的无人自动投饵船工作时，按以下方法实现航道规划变幅：
（1）无人自动投饵船3的主控制单元调用作业区域GIS地图1，并确认当前位置包含在作业区域GIS地图1内，读取投饵控制模式，投饵控制模式有三种，模式一为密度模式，即选择密度模式并设置全航程的计划单位面积投饵率Sr，则M = S * Sr，式中：M为计划投饵总重量，S为全覆盖的作业面积，包含在GIS地图信息内，为已知值，Sr为单位面积投饵率；模式二为总量模式，即选择总量模式并设置全覆盖的计划投饵总重量M，则Sr = M(Sr / M,S)：Sr = M / S；模式三为单量模式，即选择单量模式并在开始作业前给无人自动投饵船3先上料，此模式为无人自动投饵船3料仓内现有饵料一次全覆盖作业模式，无人自动投饵船3的主控制单元读取压力传感器的称重信号，mn = m (mn / m,m0)：mn = m - m0，式中：mn为实时饵料重量，m为压力传感器输出的实时重量，m0为投饵机重量，为已知值，则M = mn，Sr = M(Sr / M,S)：Sr = M / S。
（2）无人自动投饵船3的主控制单元计算最小航道间距dmin，当△m≥n1*C * A时，主控制单元才能正常控制投饵机调节下料量，式中：△m为主控制单元一个称重采样周期内的投饵量，n1为压力传感器数量，C为压力传感器的最大量程，为已知值，A为压力传感器的满量程综合精度，为已知值，而△m = d(△m / d, Vc , Sr ,T)：△m = d * Vc * Sr * T，式中：d为相邻两个航道间的间距，Vc为无人自动投饵船3的设计巡航航速，为已知值，Sr为单位面积投饵率，已在（1）中赋值，T为无人自动投饵船3的主控制单元的称重采样周期，为已知值，那么dmin= (dmin/ Sr, Vc, T, n1,C,A)：dmin= n1*C*A/( Vc * Sr * T)。
（3）无人自动投饵船3的主控制单元计算最大航道间距dmax，当△m≤Cf * T，投饵机的供料能力才能满足单位面积投饵率的需求，式中：Cf为投饵机单位时间最大供料能力，为已知值，那么dmax= (dmax/ Sr, Vc, T, Cf,T)：dmax= Cf*T/( Vc * Sr * T)。
（4）无人自动投饵船3的主控制单元计算航道间距d，首先，压力传感器及投饵机设计选型时，必须满足：Cf*T≥n1*C*A，其次是满足dmin≤d≤dmax的任意值，取d =（dmin+dmax）/2，航道变幅间距d与单位面积投饵率Sr成反比。
（5）无人自动投饵船3的主控制单元根据作业区域GIS地图1对选定的变幅间距d进行审核，n2 = (n2 / d,W,L)：n2 = (W -2*L) / d + 1，式中：n2为航道数量，W为GIS地图信息中的作业区域宽度，为已知值，L为作业边界安全距离，为设置的已知值，如果n2结果为小数时，首先n2向上取整数，则d =( d/ n2,W,L)：d = (W-2*L) / (n2 - 1)，满足dmin≤d≤dmax，则d值有效，否则n2向下取整数，则d =( d/ n2,W,L)：d = (W-2*L) / (n2 - 1)，满足dmin≤d≤dmax，则d值有效，否则d为原值，L =( L/ d,n2,W)：L = (W - d * ( n2 - 1)) /2。
（6）无人自动投饵船3的主控制单元根据作业区域GIS地图1及航道间距d，完成变幅航道规划：作业起点4，第一航道5，图中航道省略示意6，返航航道7，作业终点8。
如图3所示，本发明一种变幅分段作业的无人自动投饵船工作时，按以下方法实现分段航线规划：
（1）无人自动投饵船3的主控制单元计算分段航线数量，n3 = (n3 / M,M0)：n3 =M / M0，结果为小数时向上取整数，式中n3为全航程分段航线数量，M0为无人自动投饵船额定荷载量，为已知值。
（2）无人自动投饵船3的主控制单元计算各段航线的航程，R0 = (R0 / R,n3)：R0= R / n3，式中：R0为各段航线的航程，R为作业区域已规划航道全覆盖的全航程，为已知值。
本发明一种变幅分段作业的无人自动投饵船工作时，按以下方法实现自动上料：
（1）无人自动投饵船3的主控制单元计算上料重量m1，m1 = (m1 /M,n3)：m1 = M /n3，式中：m1为每段航线的投饵重量。
（2）如果至少还有一段航线没完成投饵作业，无人自动投饵船3的主控制单元向自动料仓2的辅助控制单元发出上料启动及上料重量指令，辅助控制单元控制下料装置与输料装置的运行。
（3）无人自动投饵船3的主控制器单元读取压力传感器的称重信号，mn = m(mn /m,m0)：mn = m - m0，式中：mn为实时饵料重量，m为压力传感器输出的实时重量，m0为投饵机重量，为已知值。
（4）如果mn≥ m1 - m2，主控制单元向辅助控制单元发出停止上料指令，辅助控制单元控制下料装置停止下料，辅助控制单元延时控制输料装置停止运行，式中：m2为输料装置在线饵料重量，为已知值。
如图4所示，所述无人自动投饵船3的主控制单元调整投饵机投饵覆盖扇面21宽度≥d。
如图2所示，所述无人自动投饵船3的主控制单元控制推进器及投饵机开始投饵运行，作业起点4即为第一航道5的起点，亦为第一段航线14的起点，完成一个航道作业后，下一航道的近点为下一航点。
如图3所示，所述无人自动投饵船3的主控制单元累计航程Rt，无人自动投饵船3的主控制单元动态调整投饵机供料能力Cf'， Cf' = (Cf'/mn,V,R0,Rt)：Cf'=mn *V/ (R0-Rt) ，式中： Rt为本段航线累计航程，Cf'为投饵机供料能力，V为无人自动投饵船当前航速。
如图3所示，当Rt = R0时，该点即为本段航线的终点，无人自动投饵船3按返回装料及断点续航联络线13的路线，返回作业起点4装料，完成装料后逆返回装料及断点续航联络线13的路线，Rt归零，断点续航执行下一段航线作业。
如图3所示，第一段航线的终点17即为第二段航线15的起点，依次上一段航线的终点即为下一段航线的起点，第n-1段航线的终点18即为第n段航线20的起点，最后一个航道的终点即为最后一段航线的终点，亦为作业终点8；无人自动投饵船3到达作业终点8后，经返航航道7返回作业起点4，完成本次投饵作业。
本发明的工作原理是，当作业船的航速与供料能力相对恒定时，航道间距与单位面积投饵率成反比，即航道间距越大，单位面积投饵率越小，反之亦然。
本发明的工作过程如下：按上述原理，投苗阶段单位面积饵料需求量小，则无人自动投饵船3计算得到的d值较大，规划的航道间距较大，采用宽幅覆盖作业区域，充分发挥无人自动投饵船3的作业能力；在成品养殖期单位面积投饵量需求大，则无人自动投饵船3计算得到的d值较小，规划的航道间距较小，则采用窄幅覆盖作业区域，保证投饵量满足养殖体的摄食需求；小规模养殖全区域投饵量小，当无人自动投饵船3的额定荷载量M0≥计划投饵总重量M时，采用单段航线完成全区域覆盖作业；当无人自动投饵船3的额定荷载量M0＜计划投饵总重量M时，采用多段航线完成全区域覆盖作业；无人自动投饵船3的主控制单元根据设置及计算，控制自动料仓运行；作业过程中，无人自动投饵船3的主控制单元根据未完成航程及实时航速，动态调整投饵机供料能力Cf'，当Rt = R0时，该点即为本段航线的终点，无人自动投饵船3按返回装料及断点续航联络线13的路线，返回装料，完成装料后逆返回装料及断点续航联络线13的路线，断点续航执行下一段航线作业，第一段航线的终点17即为第二段航线15的起点，依次上一段航线的终点即为下一段航线的起点，第n-1段航线的终点18即为第n段航线20的起点，最后一个航道的终点即为最后一段航线的终点亦即为作业终点8；无人自动投饵船3到达作业终点8后，经返航航道7返回作业起点4，完成本次投饵作业。
本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，如用于任意种类船航道航线规划时，都将视为在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种变幅分段作业的无人自动投饵船，包括自动料仓、无人自动投饵船，其特征是：所述自动料仓包括支承座、料仓、下料装置、输料装置、辅助控制单元；所述支承座固定在地面，料仓安装在支承座上，料仓下方出料口装有下料装置及输料装置，辅助控制单元控制下料装置与输料装置的运行状态；所述无人自动投饵船包括船体、推进器、投饵机、主控制单元；所述船体为全封闭结构；所述推进器包括左右两个推进器，分别安装在船体的左右两侧，对称布置；所述投饵机采用托架方式固定安装在船体上，重心在船头与船体重心之间的船体纵向轴线上；所述压力传感器安装在投饵机与托架之间，对投饵机及饵料进行称重；所述主控制器单元接收GPS信号及压力传感器的称重信号，根据投饵控制模式、单位面积投饵率采用变幅方式规划航道，根据无人自动投饵船载荷能力，采用分段方式规划航线，自动装料，动态调整，根据目标需求及实时状态控制推进器及投饵机的运行状态，分段完成全部投饵作业；投饵控制模式为密度模式，即选择密度模式并设置全航程的计划单位面积投饵率Sr；
采用变幅方式规划航道，具有以下步骤：
（1）无人自动投饵船的主控制单元调用作业区域GIS地图，并确认当前位置包含在作业区域GIS地图内，读取投饵控制模式，模式一时直接读取单位面积投饵率Sr，则M = S * Sr，式中：S为全覆盖的作业面积，M为全覆盖的计划投饵总重量，包含在GIS地图信息内，为已知值；
（2）无人自动投饵船的主控制单元计算最小航道间距dmin，当△m≥n1*C * A时，主控制单元才能正常控制投饵机调节下料量，式中：△m为主控制单元一个称重采样周期内的投饵量，n1为压力传感器数量，C为压力传感器的最大量程，为已知值，A为压力传感器的满量程综合精度，为已知值，而△m = d(△m / d, Vc , Sr ,T)，△m = d * Vc * Sr * T，式中：d为相邻两个航道间的间距，Vc为无人自动投饵船的设计巡航航速，为已知值，Sr为单位面积投饵率，T为无人自动投饵船的主控制单元的称重采样周期，为已知值，那么dmin=(dmin/ Sr, Vc, T, n1,C,A)，dmin= n1*C*A/( Vc * Sr * T)；
（3）无人自动投饵船的主控制单元计算最大航道间距dmax，当△m≤Cf * T，投饵机的供料能力才能满足单位面积投饵率的需求，式中：Cf为投饵机单位时间最大供料能力，为已知值，那么dmax= (dmax/ Sr, Vc, T, Cf,T)，dmax= Cf*T/( Vc * Sr * T)；
（4）无人自动投饵船的主控制单元计算航道间距d，首先，压力传感器及投饵机设计选型时，必须满足：Cf*T≥n1*C*A，其次是满足dmin≤d≤dmax的任意值，取d =（dmin+dmax）/2，航道变幅间距d与单位面积投饵率Sr成反比；
（5）无人自动投饵船的主控制单元根据作业区域GIS地图对选定的变幅间距d进行审核，n2 = (n2 / d,W,L)，n2 = (W -2*L) / d + 1，式中：n2为航道数量，W为GIS地图信息中的作业区域宽度，为已知值，L为作业边界安全距离，为设置的已知值，如果n2结果为小数时，首先n2向上取整数，则d =( d/ n2,W,L)，d = (W-2*L) / (n2 - 1)，满足dmin≤d≤dmax，则d值有效，否则n2向下取整数，则d =( d/ n2,W,L)，d = (W-2*L) / (n2 - 1)，满足dmin≤d≤dmax，则d值有效，否则d为原值；
（6）无人自动投饵船的主控制单元根据作业区域GIS地图及航道间距d，完成变幅规划航道；
采用分段方式规划航线，具有以下步骤：
（1）无人自动投饵船的主控制单元计算分段航线数量，n3 = (n3 / M,M0)，n3 = M /M0，结果为小数时向上取整数，式中n3为全航程分段航线数量，M0为无人自动投饵船额定荷载量，为已知值；
（2）无人自动投饵船的主控制单元计算各段航线的航程R0 = (R0 / R,n3)，R0 = R /n3，式中：R0为各段航线的航程，R为作业区域已规划航道全覆盖的全航程，为已知值；
自动装料，具有以下步骤：
（1）无人自动投饵船的主控制单元计算上料重量m1，m1 = (m1 /M,n3)，m1 = M / n3，式中：m1为每段航线的投饵重量；
（2）如果至少还有一段航线没完成投饵作业，无人自动投饵船的主控制单元向自动料仓的辅助控制单元发出上料启动及上料重量指令，辅助控制单元控制下料装置与输料装置的运行；
（3）无人自动投饵船的主控制器单元读取压力传感器的称重信号，mn = m(mn / m,m0)，mn = m - m0，式中：mn为实时饵料重量，m为压力传感器输出的实时重量，m0为投饵机重量，为已知值；
（4）如果mn ≥ m1 - m2，主控制单元向辅助控制单元发出停止上料指令，辅助控制单元控制下料装置停止下料，辅助控制单元延时控制输料装置停止运行，式中：m2为输料装置在线饵料重量，为已知值；
动态调整，具有以下调整内容和方法：
（1）无人自动投饵船的主控制单元累计航程Rt，动态调整投饵机供料能力Cf'， Cf' =(Cf'/mn,V,R0,Rt)：Cf'=mn *V/ (R0-Rt) ，式中：Rt为本段航线累计航程，Cf'为投饵机供料能力，V为无人自动投饵船当前航速；
（2）无人自动投饵船的主控制单元调整投饵机投饵覆盖扇面宽度≥d。
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