CN109683612A - 智能鱼虾投食无人车系统及车体避障修正位移偏差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能鱼虾投食无人车系统及车体避障修正位移偏差的方法，利用小车主控器根据GPS模块位置信息进行运动，用超声波雷达进行障碍物躲避及修正偏移轨道的，最后在运动过程中进行定点定量均匀抛洒鱼食料的方法。本发明可以定时、定量、定范围进行投饲，所以具有节约劳动力，减少养殖人员的劳动强度，投料合理，节约饲料，降低养殖成本，增加效益。

Description

智能鱼虾投食无人车系统及车体避障修正位移偏差的方法

技术领域

本发明涉及鱼虾养殖技术领域，尤其涉及一种智能鱼虾投食无人车系统及车体避障修正位移偏差的方法。

背景技术

近年来，随着中国水产养殖发展，水产饲料大量的使用以及科学养殖水产品的普及，导致鱼食料价格不断提高和劳动力成本投入所占总成本比例不断增加，虽总体水产生产水平提高了和水产品质上升了，但仍然未满足水产品在市场中的需求。目前我国水产养殖的存在的主要矛盾是水产品价格的降低与饲料价格的提高产生，即使养殖户现在采用了经济效益较高的生态鱼虾稻田综合产出鱼、虾、稻产品的方式，但他们也感觉从中获取利益依旧大不如前。现如今的水产养殖已经进入了一个靠科技靠智慧自动化养殖发展的黄金阶段。

在外国，如日本、美国等水产养殖强国已成功开发并使用一系列的自动化较高的投饲系统，用来提高投饲精度和饲料合理利用率，已达到降低生产成本，提高养殖生产效率的目的。虽国内已有开发了具体自动化特征的投食机，但自动化程度与智能程度较低，基础设施仍然较差，人的劳动力成本比例仍占大头。目前国内主要采用投料方式有人工手工抛洒饲料、投饵机自动投饵和电气式送料投饵；

1、人工手工投料的方法，适用于中小型养殖场，作业时，工作人员需要沿着小道走动，沿池塘边缘投料，这种方式工作效率低，劳动占用过多大，难以提高生产量，相对的饲养成本相对其他方式来说也较高，机械化、自动化程度较低，不适应现代科学饲养的需求；

2、投饵机自动投料，适用于小型养殖场，这种方式相对于人工投料，其投饵操作定时定量投饵，节约劳动力，但该投饵机是一种定点撒料机，只能固定在某一地点投料，存在饵料分布不均匀的现象；

3、电气送料式投料，适用于大型养殖场，通过送料管道传输饲料，机械化、自动化程度较高，虽投料面广较，抛洒均匀，可以定时投养，但投入前期成本较大，占地面积大，常遭到鼠类破坏，维修不方便，存在一定安全隐患，。

在鱼虾稻田养殖的特殊养殖环境下，对投饵的均匀性依赖较强，饵料的分布不均匀很容易造成投饵量过多或不足。投放过多的饵料不仅会增加成本，还会导致水质的污染；投放过少的饵料会导致鱼虾品质降低，成品周期延长。

本发明基于以上特点分析，旨在开发一种低成本、饲料浪费少的、作业自由、高效率、应用于自动化程度的鱼虾投食无人车系统。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种智能鱼虾投食无人车系统及车体避障修正位移偏差的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种智能鱼虾投食无人车系统，包括有车体以及车体动力系统，在车体上分别安装有鱼虾饲料投放系统、GPS模块、电源、主控制器、超声波雷达信息采集系统和A/D转换器模块，所述的电源分别给所述的鱼虾饲料投放系统、GPS模块、主控制器、超声波雷达信息采集系统、车体动力系统和A/D转换器模块供电，所述的GPS模块、A/D转换器模块、车体动力系统、鱼虾料投放系统均与主控制器电气连接，所述超声波雷达信息采集系统与A/D转换器模块连接电连接，超声波雷达信息采集系统采集车体周围的障碍物位置和车体相对运动状态的信息传递给A/D转换器模块，A/D转换器模块将接收的信息进行A/D转换，把转换后的信息传递给主控制器，由主控制器分析处理信息数据后控制车体动力系统运动，从而调整车体运动状态；所述GPS模块将位置信息发送至主控制器内，主控制器判断车体所处地理位置，按照GPS模块规划的路径行走，到达投食点位置后，主控制器开启鱼虾料投放系统，给鱼虾塘投食料。

主控制器控制车体动力系统，采用经典pwm电机调速，差速法改变运动轨迹。通过主控器给驱动模块发送pwm波，通过驱动模块放大pwm波的电压从而驱动电机的转动。本专利采用直流电机，通过改变电机两相位控制正反转，实现改变小车运动轨迹。

所述的鱼虾饲料投放系统包括有安装在车体上面的饲料箱，在车体的两侧分别安装有投食器，所述的投食器包括有分料箱，在分料箱的顶部开有进料口，所述的进料口通过送料管道与饲料箱连通，在分料箱的侧边设有出料口，在分料箱内部设有离心盘轴，离心盘轴的上端伸出分料箱，在所述的离心盘轴上安装有离心叶扇，离心叶扇位于分料箱内部，离心盘轴的上端与电机的转子连接，所述的电机由主控制器控制。

在所述的进料口处设有由舵机控制的挡板，所述的舵机由主控制器控制。

所述的超声波雷达信息采集系统包括有7个超声波雷达传感器，其中车体的两个侧边在同一水平线上各均匀的布置2个，车体的前端均匀布置有3个，且都向下成一定角度安装,角度范围为大于等于30度，小于等于60度。

一种车体避障修正位移偏差的方法，具体步骤如下：

步骤S1：当车体按GPS模块规划路径行走时，各个超声波雷达传感器采集距离数据，主控制器处理判断在安全范围内，前侧是否有障碍物以及前侧是否有沟，两侧是否有沟道，若前侧有障碍物或沟则进行避障处理，若没有则无相应动作；若车体右侧离沟近，左侧离沟远，进行修正偏移处理，使车体走向左侧偏移，直至左侧和右侧离沟距离相等，使车体沿着道路走，若无，则无相应动作；

步骤S2：到达拐点时，超声波雷达信息采集系统辅助GPS模块规划最短路径，修正道路。

所述的超声波雷达传感器检测并判断采集距离数据。其工作原理是采取时间差测距法，即发射器在某一时刻向某一点发射超声波，并在此刻开始计数，超声波在空气中传播时，遇到障碍物会被反射回来，反射波被接收器接收到。s为测量距离值，发射超声波发哦接收到的计时时间设为t，超声波在空气中传播速度为340m/s，则计算出测量距离s＝340t/2。

所述的主控制器处理数据的算法如下：

以车体前端的最左侧的超声波雷达位子作为原点，车体前侧水平建立x轴，车体右侧面水平建立y轴，建立一个直角坐标轴系；

(1)r₁和r₂为探测到同一障碍物的两个超声波雷达传感器，其中r₁为前侧最左边的超声波雷达传感器，r₂为前侧最右边的超声波雷达传感器，角α₁、α₂、α₂分别为Δr₁r₂P₁、Δr₁r₂P₂、Δr₁r₂P₃的∠r₁，P1,P2,P3分别为三个障碍物位置，d为P2离小车最近面侧的最短距离，p为Δr₁r₂P₂的周长，x_r,y_r为超声波雷达的横纵坐标；

利用海伦公式：求解得出d；利用余弦定理：求解得出cosα₂；得出P2在坐标轴位置点y_r＝d,x_r＝|P₂r₁|cosα₂，同理可以解出cosα₁,cosα₃；

(2)α为超声波雷达模块的发射角，h为前方沟到车体前端距离，C3为两侧的超声波雷达传感器检测到车体距离沟的临界距离，得出h＝c₃sinα。

当cosα＜0或时，障碍物在P1或P3位置，不影响车体前进；当时，障碍物在P2位置，影响车体，进行避障处理；所述的主控制器得出前方沟到车体前端距离h,若检测到h大于设定范围时即车体不在安全范围内，主控制器控制车体进行修正偏移，若检测到h在安全范围内，则车体不做相关反应。

所述的GPS模块规划最短路径的方法为：具体步骤如下：

步骤1:通过数学建模的方法，将GPS模块规划最短路径的方法转化为线性代数动态最小路径方法；

步骤2：把车体跑完池塘路径看做一次巡回，车体的上一个拐弯点设为i，下一个拐弯点设为j，引入0-1整数变量：

这里设x_ij为循环路线，i＝1，2···，n，j＝1,2,3···，n，x_ij的0-1值代表是否可以走过这段路径，c_ij设权值，为车体走的路径长度，使为最小，即跑完池塘路径最短，采用dijkstra算法，用MATLAB软件辅助算出最小路径；

步骤3:将得出的最短路径参数，导入到主控制器，主控制器再根据GPS模块提供的位置信息控制投食车体运动。

主控制器的型号为stm32f103ze。

本发明的优点是：

1).较高程度的自动化程序，无需人工操作，解放了双手。

2)工作效率高，有效地提高了投放饲料的效率。

3)更好地利用了资源，将繁琐的任务自动化，可以提高准确性和测试人员的积极性。

4)可以完成一些人工无法完成地任务。

5)饲料在水体中分布的面积较大，有利于鱼(虾)群分散在较大的水面摄食，避免了人工投喂饲料分散面积小。鱼(虾)群集中在较小的水面摄食的情况。

6)饲料分散均匀，有利于鱼(虾)群的均匀摄食，水产品上市规格较为整齐；

7)在投饲期间每次投饲的量，时间间隔较为均匀，有利于鱼(虾)群摄食；

8)饲料投喂能做到定时、定点、定量投喂，可避免人为的个人意志、情绪等的干扰。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为直角坐标系图。

图3为计算前方沟到车体前端距离h的示意图。

图4为GPS模块规划最短路径的示意图。

图5为本发明工作原理框图。

图6为投食器的结构图。

具体实施方式

如图1、5所示，一种智能鱼虾投食无人车系统，包括有车体1以及车体动力系统2，在车体1上分别安装有鱼虾饲料投放系统、GPS模块3、电源4、主控制器5、超声波雷达信息采集系统6和A/D转换器模块7，所述的电源4为车载蓄电池，电源4分别给所述的鱼虾饲料投放系统、GPS模块3、主控制器5、超声波雷达信息采集系统6、车体动力系统2和A/D转换器模块7供电，所述的GPS模块3、A/D转换器模块7、车体动力系统2、鱼虾料投放系统均与主控制器5电连接，所述超声波雷达信息采集系统6与A/D转换器模块7连接，超声波雷达信息采集系统6采集车体1周围的障碍物和车体1相对运动的信息传递给A/D转换器模块7，A/D转换器模块7将接收的信息传递给主控制器5，由主控制器5分析处理信息数据后控制车体动力系统2运动，从而调整车体运动状态；所述GPS模块3将位置信息发送至主控制器5内，主控制器5判断车体所处地理位置，按照GPS模块3规划路径行走，到达投食点位置后，主控制器5开启鱼虾料投放系统，给鱼虾塘投食料。

如图6所示，所述的鱼虾饲料投放系统包括有安装在车体1上面的饲料箱8，在车体1的两侧分别安装有投食器9，所述的投食器9包括有分料箱10，在分料箱10的顶部开有进料口11、所述的进料口11通过送料管道与饲料箱8连通，在分料箱10的侧边设有出料口，有多个出料口，分别位于分料箱的四周，在分料箱10内部设有离心盘轴12，离心盘轴12的上端伸出分料箱10，在所述的离心盘轴12上安装有离心叶扇13，离心叶扇13位于分料箱10内部，离心盘轴12的上端与电机14的转子连接，电机带动离心盘轴转动，所述的电机14由主控制器5控制。

在所述的进料口11处设有由舵机15控制的挡板16，所述的舵机15由主控制器5控制。

鱼虾饲料投放系统，饲料箱中的食料在重力作用通过进料管进入投食器里。投食器采用离心方法，抛洒成扇形实现抛洒均匀，根据工作人员设定参数，调整电机转速大小，控制抛洒距离大小，电机转速越快，抛洒范围越大，电机转速越慢，抛洒范围越小。根据工作人员设定参数，控制舵机转动角度，控制挡板移动从而改变进料口大小，从而控制饲料投放量。综上实现鱼饲料的均匀可定量可控范围抛洒。

工作人员根据水产养殖场具体情况，设定抛洒的范围、角度等数据输入控制器中，调节电机转速，调节合适的抛洒鱼食料距离。饲料箱内的饲料通过送料管道进入分料箱，分料箱上的出料口根据实际情况开通关闭节省饲料。主控制器控制电机旋转通过传动带带离心盘轴转动，使得分发箱中离心叶扇旋转，内部的鱼饲料均匀沿着叶扇从出料口均匀抛洒出。在过程抛洒饲料过程中，主控制器改变控制电机的转速，使得离心速度改变，从而饲料的抛洒初速度改变，抛洒距离改变。完成投养目的后，智能小车归位，离心鱼食离心投料装置停止工作。

所述的分料箱和电机的箱体都是通过固定支架安装在车体上的。

所述的超声波雷达信息采集系统包括有个超声波雷达传感器17，其中车体的两个侧边在同一水平线上各均匀的布置2个，车体的前端均匀布置有个，且都向下成一定角度安装,角度范围为大于等于30度，小于等于60度。

一种车体避障修正位移偏差的方法，具体步骤如下：

步骤S1：当车体按GPS模块规划路径行走时，各个超声波雷达传感器采集距离数据，主控制器处理判断在安全范围内，前侧是否有障碍物以及前侧是否有沟，两侧是否有沟道，若前侧有障碍物或沟则进行避障处理，若没有则无相应动作；若车体右侧离沟近，左侧离沟远，进行修正偏移处理，使车体走向左侧偏移，直至左侧和右侧离沟距离相等，使车体沿着道路走，若无，则无相应动作；

步骤S2：到达拐点时，超声波雷达信息采集系统辅助GPS模块规划最短路径，修正道路，使其较安全无较大偏移转弯。到达指定地点时开始启动鱼虾饲料投放系统。鱼虾饲料投放系统启动时，工作人员更具养殖场具体情况设置投食距离、投食量参数，提高了鱼饲料的利用率，避免不必要的浪费。当小车完成投料后，会自动根据已规划返回到原始位置。

所述的超声波雷达传感器检测并判断采集距离数据。其工作原理是采取时间差测距法，即发射器在某一时刻向某一点发射超声波，并在此刻开始计数，超声波在空气中传播时，遇到障碍物会被反射回来，反射波被接收器接收到。s为测量距离值，发射超声波发哦接收到的计时时间设为t，超声波在空气中传播速度为340m/s，则计算出测量距离s＝340t/2。

所述的主控制器处理数据的算法如下：

以车体前端的最左侧的超声波雷达位子作为原点，车体前侧水平建立x轴，车体右侧面水平建立y轴，建立一个直角坐标轴系，如图2所示；

(1)r₁和r₂为探测到同一障碍物的两个超声波雷达传感器，其中r₁为前侧最左边的超声波雷达传感器，r₂为前侧最右边的超声波雷达传感器，角α₁、α₂、α₂分别为Δr₁r₂P₁、Δr₁r₂P₂、Δr₁r₂P₃的∠r₁，P1,P2,P3分别为三个障碍物位置，d为P2离小车最近面侧的最短距离，p为Δr₁r₂P₂的周长，x_r,y_r为超声波雷达的横纵坐标；

利用海伦公式：求解得出d；利用余弦定理：求解得出cosα₂；得出P2在坐标轴位置点y_r＝d,x_r＝|P₂r₁|cosα₂，同理可以解出cosα₁,cosα₃；

(2)如图3所示，α为超声波雷达模块的发射角，h为前方沟到车体前端距离，C3为两侧的超声波雷达传感器检测到车体距离沟的临界距离，得出h＝c₃sinα。

当cosα＜0或时，障碍物在P1或P3位置，不影响车体前进；当时，障碍物在P2位置，影响车体，进行避障处理；所述的主控制器得出前方沟到车体前端距离h,若检测到h大于设定范围时即车体不在安全范围内，主控制器控制车体进行修正偏移，若检测到h在安全范围内，则车体不做相关反应。

所述的GPS模块规划最短路径的方法为：如图4所示，具体步骤如下：

步骤1:小车最短路径问题类比为最经典TSP(商旅问题)数学模型，通过数学建模的方法，将GPS模块规划最短路径的方法转化为线性代数动态最小路径方法；

步骤2：把车体跑完池塘路径看做一次巡回，车体的上一个拐弯点设为i，下一个拐弯点设为j，引入0-1整数变量：

这里设x_ij为循环路线，i＝1，2···，n，j＝1,2,3···，n，x_ij的0-1值代表是否可以走过这段路径，c_ij设权值，为车体走的路径长度，使为最小，即跑完池塘路径最短，采用dijkstra算法，用MATLAB软件辅助算出最小路径；

步骤3:将得出的最短路径参数，导入到主控制器，主控制器再根据GPS模块提供的位置信息控制投食车体运动。

Claims (9)

1.一种智能鱼虾投食无人车系统，其特征在于：包括有车体以及车体动力系统，在车体上分别安装有鱼虾饲料投放系统、GPS模块、电源、主控制器、超声波雷达信息采集系统和A/D转换器模块，所述的电源分别给所述的鱼虾饲料投放系统、GPS模块、主控制器、超声波雷达信息采集系统、车体动力系统和A/D转换器模块供电，所述的GPS模块、A/D转换器模块、车体动力系统、鱼虾料投放系统均与主控制器电气连接，所述超声波雷达信息采集系统与A/D转换器模块连接电连接，超声波雷达信息采集系统采集车体周围的障碍物位置和车体相对运动状态的信息传递给A/D转换器模块，A/D转换器模块将接收的信息进行A/D转换，把转换后的信息传递给主控制器，由主控制器分析处理信息数据后控制车体动力系统运动，从而调整车体运动状态；所述GPS模块将位置信息发送至主控制器内，主控制器判断车体所处地理位置，按照GPS模块规划的路径行走，到达投食点位置后，主控制器开启鱼虾料投放系统，给鱼虾塘投食料。

2.根据权利要求1所述的一种智能鱼虾投食无人车系统，其特征在于：所述的鱼虾饲料投放系统包括有安装在车体上面的饲料箱，在车体的两侧分别安装有投食器，所述的投食器包括有分料箱，在分料箱的顶部开有进料口，所述的进料口通过送料管道与饲料箱连通，在分料箱的侧边设有出料口，在分料箱内部设有离心盘轴，离心盘轴的上端伸出分料箱，在所述的离心盘轴上安装有离心叶扇，离心叶扇位于分料箱内部，离心盘轴的上端与电机的转子连接，所述的电机由主控制器控制。

3.根据权利要求2所述的一种智能鱼虾投食无人车系统，其特征在于：在所述的进料口处设有由舵机控制的挡板，所述的舵机由主控制器控制。

4.根据权利要求1所述的一种智能鱼虾投食无人车系统，其特征在于：所述的超声波雷达信息采集系统包括有7个超声波雷达传感器，其中车体的两个侧边在同一水平上各均匀的布置2个，车体的前端均匀布置有3个，且都向下成一定角度安装,角度范围为大于等于30度，小于等于60度。

5.一种车体避障修正位移偏差的方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤S1：当车体按GPS模块规划路径行走时，各个超声波雷达传感器采集距离数据，主控制器处理判断在安全范围内，前侧是否有障碍物以及前侧是否有沟，两侧是否有沟道，若前侧有障碍物或沟则进行避障处理，若没有则无相应动作；若车体右侧离沟近，左侧离沟远，进行修正偏移处理，使车体走向左侧偏移，直至左侧和右侧离沟距离相等，使车体沿着道路走，若无，则无相应动作；

步骤S2：到达某一个拐点时，主控器根据GPS模块传送的信息使得投食车转弯，超声波雷达信息采集系统辅助GPS模块，帮助投食车修正道路。

6.根据权利要求5所述的一种车体避障修正位移偏差的方法，其特征在于：所述的超声波雷达传感器检测并判断采集距离数据，采取时间差测距法，即发射器在某一时刻向某一点发射超声波，并在此刻开始计数，超声波在空气中传播时，遇到障碍物会被反射回来，反射波被接收器接收到，s为测量距离值，发射超声波至接收到的计时时间设为t，超声波在空气中传播速度为340m/s，则计算出测量距离s＝340t/2。

7.根据权利要求5所述的一种车体避障修正位移偏差的方法，其特征在于：所述的主控制器处理数据的算法如下：

以车体前端的最左侧的超声波雷达位子作为原点，建立一个直角坐标轴系，车体前侧水平建立x轴，车体右侧面水平建立y轴；

(1)r₁和r₂为探测到同一障碍物的两个超声波雷达传感器，其中r₁为前侧最左边的超声波雷达传感器，r₂为前侧最右边的超声波雷达传感器，角α₁、α₂、α₂分别为Δr₁r₂P₁、Δr₁r₂P₂、Δr₁r₂P₃的∠r₁，P1,P2,P3分别为三个障碍物位置，d为P2离小车最近面侧的最短距离，p为Δr₁r₂P₂的周长，x_r,y_r为超声波雷达的横纵坐标；

利用海伦公式：求解得出d；利用余弦定理：求解得出cosα₂；得出P2在坐标轴位置点y_r＝d,x_r＝|P₂r₁|cosα₂，同理可以解出cosα₁,cosα₃；

(2)α为超声波雷达模块的发射角，h为前方沟到车体前端距离，C3为两侧的超声波雷达传感器检测到车体距离沟的临界距离，得出h＝c₃sinα。

8.根据权利要求7所述的一种车体避障修正位移偏差的方法，其特征在于：当cosα＜0或时，即障碍物在P1或P3位置，不影响车体前进；当时，即障碍物在P2位置，影响车体，进行避障处理；

所述的主控制器得出前方沟到车体前端距离h,若检测到h大于设定范围时即车体不在安全范围内，主控制器控制车体进行修正偏移，若检测到h在安全范围内，则车体不做反应。

9.根据权利要求5所述的一种车体避障修正位移偏差的方法，其特征在于：所述的GPS模块规划的路径为最短路径，规划最短路径的方法为：具体步骤如下：

步骤1:通过数学建模的方法，将GPS模块规划最短路径的方法转化为线性代数动态最小路径方法；

步骤2：把车体跑完池塘路径看做一次巡回，车体的上一个拐弯点设为i，下一个拐弯点设为j，引入0-1整数变量：

这里设x_ij为循环路线，i＝1，2···，n，j＝1,2,3···，n，x_ij的0-1值代表是否可以走过这段路径，c_ij设权值，为车体走的路径长度，使为最小，即跑完池塘路径最短，采用dijkstra算法，用MATLAB软件辅助算出最小路径；

步骤3:将得出的最短路径参数，导入到主控制器，主控制器再根据GPS模块提供的位置信息控制投食车体运动。