CN108919791A - 养殖作业船电磁导航系统及导航方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种养殖作业船电磁导航系统，包括船体、架设于水面上方的电磁导线、变频器以及设置于船体上的电磁导航装置；电磁导航装置包括：控制模块、数个电磁感应器、电磁信号处理模块以及电机驱动模块；变频器给电磁导线提供交变电流；控制模块分别与电磁感应器、电磁信号处理模块以及电机驱动模块连接；数个电磁感应器分别设置于船体中心线两侧，用于获取电磁导线位置信息；电磁信号处理模块与数个电磁感应器连接；电机驱动模块驱动船体转向电机以及船体动力推进电机工作；在本发明采用运用PD算法以及优化的势场法的电磁导航代替原有的GPS导航，提高了导航精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种电磁导航系统及导航方法，尤其涉及一种养殖作业船电磁导航系统及导航方法，属于船舶导航技术领域。
背景技术
池塘养殖是人们在小型人工水体中，采用一系列科学、规范的技术措施，获得优质水产品的生产过程。我国水产养殖处在快速发展期，其每年产量占淡水养殖总产量的70％以上。
喂料投饵是虾蟹类养殖过程中非常重要的一部分，合理的投饵策略不仅会节省大量劳动力，而且可以提高虾蟹的品质和产量，提高养殖经济和生态效益。然而目前的池塘养殖投饵的自动化过程并不是很快。虾蟹类饵料的投放与鱼类的定点投放不同，需要尽量均匀的遍洒，不均匀的饵料分布很大程度上会导致虾蟹的打斗与过度聚集，进而致使水质恶化及产量的降低。
目前国内外对虾蟹类养殖作业船的研究不多，而且大部分是通过人工操作及GPS导航。由于GPS误差在实际操作中可达两道三米，再加上人工误差，其投饵基本无法做到均匀的覆盖整个水域。同时移动式投饵大多采用抛盘式投饵方法，对导航精度要求非常高。综上所述，现有的养殖作业船导航系统及导航方法都无法满足作业要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种养殖作业船电磁导航系统及导航方法，以解决现有养殖作业船导航精度低，无法满足作业要求的技术缺陷和问题。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
一种养殖作业船电磁导航系统，包括船体、架设于水面上方的电磁导线、变频器以及设置于所述船体上的电磁导航装置；所述电磁导航装置包括：控制模块、数个电磁感应器、电磁信号处理模块以及电机驱动模块；所述变频器给所述电磁导线提供交变电流；所述控制模块分别与所述电磁感应器、电磁信号处理模块以及电机驱动模块连接；数个所述电磁感应器分别设置于所述船体中心线两侧，用于获取所述电磁导线位置信息；所述电磁信号处理模块与数个所述电磁感应器连接；所述电机驱动模块驱动所述船体转向电机以及船体动力推进电机工作。
本发明通过以下技术方案进一步实现：
进一步地，所述变频器是输出为10kHz～30kHz正弦交变电流的变频器。
进一步地，所述电磁感应器是电感线圈。
进一步地，所述船体中心线一侧设有三个电感线圈，另一侧设有三个电感线圈；六个电感线圈相对船体中心线在同一水平面内对称设置。
本发明的目的还可以通过以下技术方案予以实现：
一种养殖作业船电磁导航方法，包括：
S1：电磁感应器获取电磁信号后转化成电流电压信号发送至电磁信号处理模块；电磁信号处理模块对电流电压信号进行预处理后发送至控制模块；
S2：当无障碍物时，控制模块基于预处理的电流电压信号，获取船体距离中心线的偏差值，控制模块根据偏差值发送直行或转弯信号至电机驱动模块；
当有障碍物时，控制模块基于势场法制定规避路线；控制模块根据规避路线发送直行或转弯信号至电机驱动模块。
进一步地，所述S2中在获取船体距离中心线的偏差值之前，还包括：控制模块对预处理的电流电压信号先归一化处理再最小二乘法曲线拟合处理。
进一步地，所述S2中控制模块根据偏差值通过PD算法发送直行或转弯信号至电机驱动模块。
进一步地，所述S2中基于势场法制定规避路线的方法具体为：在原有点汇周围增加一个与原有点汇保持固定距离和方向的虚拟点源，并设该虚拟点源只会影响船体的速度矢量，不影响船体的流场，将该虚拟点源以及原有点汇配合，进行势场法计算，制定规避路线。
进一步地，当虚拟点源的点源强度为Qs，原有点汇坐标为
Ze＝xe+iye；
则虚拟点源坐标为：
Zs＝(xe-dcosθ)+i(ye-dsinθ)；
其中，Zs是虚拟点源坐标，d是原有点汇与虚拟点源之间的欧氏距离，θ是x轴上的正方向夹角。
进一步地，所述势场法是由圆定理证明方法及圆柱面镜像方法得出的复势函数，具体公式如下：
其中，当Q0＞0时，Q0＝Qs，Z0＝Zs；
当Q0＜0时，Q0＝Qe，Z0＝Ze；
f(Z)是不可压缩势流复势函数，是Z的共轭复数，是点汇的镜像点，Zci是障碍物所处位置，障碍物半径Zcj＝xcj+iycj，rj，Q0是点汇或点源强度，Ze是点汇坐标，Qe是点汇强度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
在本发明中，采用电磁导航代替原有的GPS导航，提高了导航精度。采用归一化处理配合最小二乘法曲线拟合处理电磁信号，提高船体位置偏离中心线值的精确度。采用不含积分环节的PD算法代替原有的PID算法，避免了积分项在转弯处累计的偏差错误对直线部分的影响。采用虚拟点源配合原有点汇的优化后的势场法进行障碍物规避路径的规划，避免了船体依照未优化路线规避障碍物时出现的转向角不连续的情况，适应不同转向性能的船。
附图说明
图1是本发明的硬件框图示意图；
图2是本发明电感线圈布置示意图；
图3是未优化规避路径的路径模拟示意图；
图4是优化规避路径的路径模拟示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明养殖作业船电磁导航系统，包括船体、架设于水面上方的电磁导线1、变频器2以及设置于船体上的电磁导航装置3；电磁导线1可以选用0.4mm的漆包线，通过龙门架等方式架设在水面上方，电磁导线1和水面的距离足够让船体通过；电磁导航装置3设置在船体上，电磁导航装置3包括：控制模块31、数个电磁感应器32、电磁信号处理模块33以及电机驱动模块34；变频器2给电磁导线1提供10kHz～30kHz正弦交变电流，让电磁导线1的周围产生20kHz左右的交变电磁场；控制模块31分别与电磁感应器32、电磁信号处理模块33以及电机驱动模块34连接；数个电磁感应器32分别设置于船体中心线两侧，用于获取电磁导线1位置信息；可采用电感线圈作为电磁感应器32，偶数个电感线圈比奇数个电感线圈获取位置信息更加精确；可选用六个电感线圈，三个设置在船体中心线一侧，三个设置在船体中心线另一侧，船体一侧的三个电感线圈与船体另一侧的三个电感线圈对称设置；如图2所示可选用六个电感线圈成直线排布在同一水平面，并与电磁导线1在船体上的投影成直角，假设此时电感线圈与电磁导线的水平距离为x，电磁导线1高度为h，对于单个电感线圈来说，其感应电动势为电磁信号处理模块与数个电磁感应器连接；电机驱动模块34驱动船体转向电机以及船体动力推进电机工作。
基于上述养殖作业船电磁导航系统的电磁导航方法包括：
S1：电磁感应器获取电磁信号后转化成电流电压信号发送至电磁信号处理模块；电磁信号处理模块对电流电压信号进行预处理后发送至控制模块；
S2：当无障碍物时，控制模块基于预处理的电流电压信号，获取船体距离中心线的偏差值，控制模块根据偏差值发送直行或转弯信号至电机驱动模块；
当有障碍物时，控制模块基于势场法制定规避路线；控制模块根据规避路线发送直行或转弯信号至电机驱动模块。
电磁感应器32获取电磁信号后转化成的电流电压信号都较弱，需要电磁信号处理模块33进行电信号放大以及转化成数字信号的预处理，以供控制模块31使用。
每个电感线圈的物理特性不尽相同，尽管处于磁场中相同的位置时，不同的电感线圈采集到的信号也是不相同的，此时需要对每个电感线圈采集的信号进行归一化处理。通过归一化处理后，可以屏蔽电感线圈物理特性上的差异。归一化处理后，采用最小二乘法进行曲线拟合，得到一条二次曲线，使得该曲线峰值点横坐标尽可能逼近电磁导线1所处位置的横坐标，具体是从六个电感线圈得到的电磁信号中筛选出测量值最大的五组进行二次曲线拟合，以α作为特定系数可以到二次曲线方程：
s(x)＝α2x2+α1x+α0；
利用最小二乘法确定公式中的待定系数，可得到：
根据上述两个公式，即可求出α1、α2，进而求出峰值点横坐标即为电磁导线1的横坐标。
经过上述对电磁信号的处理后，控制模块31利用PID控制算法获取船体偏离中心线的偏差值，并基于该偏差值对电机驱动模块34进行驱动控制，使得船体依照电磁导线1的布置路线前进。
PID控制算法一般适用于车辆在电磁导航时的使用，在实施过程中发现，船体不如车辆转弯灵活，由于水体的阻力，船体在转弯时会有一定的延时。PID中积分控制环节的引入，在一定程度上降低了舵机的响应速度，容易出现积分过饱和的现象。而且积分项在转弯处积累的偏差错误会加载在直线部分的控制上，严重影响了导航系统的精确度。所以基于偏差值，控制模块31可以采用没有积分的PD控制算法来生成控制驱动信号，以此控制电机驱动模块34进行驱动控制，使得船体依照电磁导线1的布置路线前进。
在实际情况下，水面不会没有任何障碍物，障碍物一般为固定障碍物；例如：石头、水中布置的设备。所以在系统设计前就可以获取障碍物的基本信息：固定障碍物的位置信息、障碍物轮廓信息、池塘边界等信息。可以通过势场法规划船体规避障碍物的路径，路径的规划可以用复势模型和路径规划模型进行一一对应。此处的复势函数由点汇与障碍物形成的复势以及速度矢量的偶极子产生的复势构成。
在点汇障碍物形成的复势中，假设在复平面Z中，Ze＝xe+iye代表强度为Qe的点汇所处位置。障碍物由圆柱体代替，Zcj＝xcj+iycj中j表示圆柱体所处位置，rj为圆柱体的半径。以f(Z)为理想的不可压缩势流复势韩式，为Z的共轭复数，为点汇的镜像点。由圆定理证明方法以及圆柱面镜像方法可以得出如下复势函数：
图3是上述传统的势场法复势函数的示意模拟轨迹图。图中在对单个固定的障碍物进行规避时，假设点汇强度Qe＝1，图中A为起始位置，B为目标点位置，AB之间的曲线为船体规避路径。当t＝0时，路径方向角是不连续的，有一个瞬时的转向，但是路径在t≥0并不是都满足无穷次连续可微的。
而船体由于转向性能的问题，采用上述传统的势场法规避障碍物时，会有很大几率使得船体严重偏离航向以至无法自动调整至正常的运行路径。所以需要对传统的势场法进行优化。
在原有点汇的210度角位置增加一个与船体同时保持固定距离和方向的虚拟点源，并设该点只会影响船体的速度矢量，不会影响整体流场。该虚拟点源是一个模拟点，是一个假设的点，与原有的点汇进行配合。假设虚拟点源的点源强度为Qs，原有点汇坐标为
Ze＝xe+iye；
则虚拟点源坐标为：
Zs＝(xe-d ocsθ)+i(ye-d sinθ)
其中，Zs是虚拟点源坐标，d是船体与虚拟点源之间的欧氏距离，θ是x轴上的正方向夹角。此处可以通过提高Qs的值或者降低d的值来提高虚拟点源的影响。假设Q0＞0时，则可令Q0＝Qs，Z0＝Zs，若Q0＜0时，则可令Q0＝Qe，Z0＝Ze，此时上述的复势函数则可以改写成点汇和虚拟点源相统一的形式，即如下公式：
图4是势场法优化后的规划路径。图中A为起点，B为目标点，AB之间的曲线为优化后的规避路径。该路径的轨迹消除了t＝0时的角度突变，使得优化后的规避路径满足无穷次连续可微，路径与实际情况下船体的转向性能更加相符，不会出现偏离航线的情况。优化后的路径长度虽然比未优化的路径长度有所增加，但在实际测试中，养殖船根据优化后的路径行驶所到达目标点的时间远小于未优化前的路径，由此说明优化后的路径收敛速度变快。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种养殖作业船电磁导航系统，包括船体，其特征在于，还包括：架设于水面上方的电磁导线、变频器以及设置于所述船体上的电磁导航装置；所述电磁导航装置包括：控制模块、数个电磁感应器、电磁信号处理模块以及电机驱动模块；所述变频器给所述电磁导线提供交变电流；所述控制模块分别与所述电磁感应器、电磁信号处理模块以及电机驱动模块连接；数个所述电磁感应器分别设置于所述船体中心线两侧，用于获取所述电磁导线位置信息；所述电磁信号处理模块与数个所述电磁感应器连接；所述电机驱动模块驱动所述船体转向电机以及船体动力推进电机工作。
2.如权利要求1所述的养殖作业船电磁导航系统，其特征在于，所述变频器是输出为10kHz～30kHz正弦交变电流的变频器。
3.如权利要求1或2所述的养殖作业船电磁导航系统，其特征在于，所述电磁感应器是电感线圈。
4.如权利要求3所述的养殖作业船电磁导航系统，其特征在于，所述船体中心线一侧设有三个电感线圈，另一侧设有三个电感线圈；六个电感线圈相对船体中心线在同一水平面内对称设置。
5.一种如权利要求1所述的养殖作业船电磁导航系统的导航方法，其特征在于，包括：
S1：电磁感应器获取电磁信号后转化成电流电压信号发送至电磁信号处理模块；电磁信号处理模块对电流电压信号进行预处理后发送至控制模块；
S2：当无障碍物时，控制模块基于预处理的电流电压信号，获取船体距离中心线的偏差值，控制模块根据偏差值发送直行或转弯信号至电机驱动模块；
当有障碍物时，控制模块基于势场法制定规避路线；控制模块根据规避路线发送直行或转弯信号至电机驱动模块。
6.一种如权利要求5所述的养殖作业船电磁导航系统的导航方法，其特征在于，所述S2中在获取船体距离中心线的偏差值之前，还包括：控制模块对预处理的电流电压信号先归一化处理再最小二乘法曲线拟合处理。
7.如权利要求5或6所述的养殖作业船电磁导航系统的导航方法，其特征在于，所述S2中控制模块根据偏差值通过PD算法发送直行或转弯信号至电机驱动模块。
8.如权利要求7所述的养殖作业船电磁导航系统的导航方法，其特征在于，所述S2中控制模块基于势场法制定规避路线的方法具体为：在原有点汇周围增加一个与原有点汇保持固定距离和方向的虚拟点源，并设该虚拟点源只会影响船体的速度矢量，不影响船体的流场，将虚拟点源与原有点汇配合，进行势场法计算，制定规避路线。
9.如权利要求8所述的养殖作业船电磁导航系统的导航方法，其特征在于，当虚拟点源的点源强度为Qs，原有点汇坐标为
Ze＝xe+iye；
则虚拟点源坐标为：
Zs＝(xe-d cosθ)+i(ye-d sinθ)；
其中，Zs是虚拟点源坐标，d是原有点汇与虚拟点源之间的欧氏距离，θ是x轴上的正方向夹角。
10.如权利要求9所述的养殖作业船电磁导航系统的导航方法，其特征在于，所述势场法是由圆定理证明方法及圆柱面镜像方法得出的复势函数，具体公式如下：
其中，当Q0＞0时，Q0＝Qs，Z0＝Zs；
当Q0＜0时，Q0＝Qe，Z0＝Ze；
f(Z)是不可压缩势流复势函数，是Z的共轭复数，是点汇的镜像点，Zcj是障碍物所处位置，障碍物半径Zcj＝ccj+iycj，rj，Q0是点汇或点源强度，Ze是点汇坐标，Qe是点汇强度。
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