CN110109468A - 基于集鱼类声学监测和定位的渔业养殖监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于集鱼类声学监测和定位的渔业养殖监测系统及方法，其中系统包括：一养殖设施、一水上自主巡检平台、多个定位基阵和一控制中心；所述养殖设施呈长方体，所述定位基阵分别固定于所述养殖设施的不同位置；所述控制中心与各所述定位基阵通信连接；所述水上自主巡检平台与所述控制中心通信连接并设置于所述养殖设施内。本发明的一种基于集鱼类声学监测和定位的渔业养殖监测系统及方法，采用无人艇作为声学探测的载体，并通过探测信号完成对无人艇的定位，通过定位信息完成对无人艇的轨迹规划，其声学信号集探测和定位功能集一身，大大的节约了无人艇设备承载量，提高了设备集成度和稳定性，降低了设备成本。
Description
技术领域
本发明涉及海洋渔业领域，尤其涉及一种基于集鱼类声学监测和定位的渔业养殖监测系统及方法。
背景技术
海洋渔业养殖正向远海、深海，养殖过程采用的大型围栏、大型网箱和养殖工船规模也越来越大，如发达国家积极推进在半潜式深水养殖平台研究建设，挪威萨尔玛集团设计研发的“海洋渔场1号”2018年投入试运行，设施主体直径110m，高67m，适于100-300m水深工作范围，养殖容量超过20万立方米，配备智能化生产作业装备，仅需7名工作人员就可以完成整个设施的养殖生产；还有利用废弃的海洋石油平台作为后勤保障工作站，控制外海多个网箱群，建立起外海平台式网箱养殖基地；我国海洋大学与湖北海洋工程装备研究院联合设计，青岛武船重工有限公司建造的我国首个深远海大型养殖平台“深蓝1号”已经投入使用，该平台高35米，周长180米，可容纳养殖水体5万立方米，一次可养育三文鱼30万条，将养殖战线向外推进了130海里。上述介绍的大型养殖平台代表未来渔业养殖的发展趋势，在未来将有数量越来越多、规模越来越大、离岸越来越远的大型养殖实施投入使用。
针对上述养殖平台需要对养殖鱼类进行实时有效监测，由于养殖设施规模加大，部分海域海水透光性不高，采用传统养殖过程中的光学视频监测几乎无法完成对这个养殖区域的无缝监测；采用传统固定式声学探测仪器来进行养殖过程的监测存在位置死角，只能多点安装，费用大幅提升。同时受到海风和水流的影响，大型养殖设施位置会有一定漂移。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于集鱼类声学监测和定位的渔业养殖监测系统及方法，采用无人艇作为声学探测的载体，并通过探测信号完成对无人艇的定位，通过定位信息完成对无人艇的轨迹规划，其声学信号集探测和定位功能集一身，大大的节约了无人艇设备承载量，提高了设备集成度和稳定性，降低了设备成本。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于集鱼类声学监测和定位的渔业养殖监测系统，包括：一养殖设施、一水上自主巡检平台、多个定位基阵和一控制中心；所述养殖设施呈长方体，所述定位基阵分别固定于所述养殖设施的不同位置；所述控制中心与各所述定位基阵通信连接；所述水上自主巡检平台与所述控制中心通信连接并设置于所述养殖设施内。
优选地，所述水上自主巡检平台包括一无人艇和设置于所述无人艇的一巡检系统，所述巡检系统包括一渔探传感器机构、一第一控制器以及与所述第一控制器连接的一定位装置、一渔探信号处理机构、一电源和一第一通信装置；所述渔探传感器机构连接所述渔探信号处理机构；所述第一控制器与所述无人艇的一行进控制系统电连接；且所述第一控制器通过所述第一通信装置与所述控制中心通信连接。
优选地，所述渔探传感器机构包括水下声学探测装置。
优选地，所述渔探信号处理机构包括一接收机、一发射机和一信号处理器；所述接收机和所述发射机分别连接所述信号处理器和所述水下声学探测装置。
优选地，所述控制中心包括一显示装置、一第二控制器和一第二通信装置；所述第二控制器连接所述显示装置并通过所述第二通信装置与所述第一通信装置通信连接；所述定位基阵连接所述第二控制器。
优选地，所述定位基阵包括一声学信号收发装置和一压力传感器并分别固定于所述养殖设施的不同侧棱上。
本发明的一种基于本发明所述的基于集鱼类声学监测和定位的渔业养殖监测系统的渔业养殖监测方法，包括步骤：
S1：数据初始化步骤；
S2：对所述水上自主巡检平台相对于所述养殖设施的位置进行初始定位，获得所述水上自主巡检平台的初始定位数据；
S3：根据所述水上自主巡检平台的初始定位数据和实际巡检需求规划形成一预设巡检路径；
S4：所述水上自主巡检平台沿所述预设巡检路径移动并探测持续一固定时间段，获得探测数据；
S5：对所述水上自主巡检平台相对于所述养殖设施的位置进行再定位，获得所述水上自主巡检平台的当前定位数据；
S6：根据所述当前定位数据判断所述水上自主巡检平台是否已完成所述预设巡检路径；当未完成时，对所述水上自主巡检平台进行路线校正后返回步骤S4；当完成时结束步骤。
优选地，所述初始定位步骤包括步骤：
S21：所述水上自主巡检平台接收各所述定位基阵的声学定位信号；
S22：所述定位装置根据接收到的所述声学定位信号的时延和相位差计算获得所述水上自主巡检平台相对于所述养殖设施的位置，获得所述初始定位数据；
S23：所述定位装置将所述初始定位数据发送给所述第一通信装置并通过所述第一通信装置发送给所述控制中心；
所述再定位步骤包括步骤：
S51：所述水上自主巡检平台接收各所述定位基阵的声学定位信号；
S52：所述定位装置根据接收到的所述声学定位信号的时延和相位差计算获得所述水上自主巡检平台相对于所述养殖设施的位置，获得所述当前定位数据；
S53：所述定位装置将所述当前定位数据发送给所述第一通信装置并通过所述第一通信装置发送给所述控制中心。
优选地，所述S3步骤中，所述第一控制器根据所述初始定位数据和实际巡检需求规划形成所述预设巡检路径。
优选地，所述初始定位步骤和所述再定位步骤中，建立一直角坐标系并通过公式(1)对所述水上自主巡检平台相对于所述养殖设施的位置进行定位：
其中，(x,y,z)为所述水上自主巡检平台的空间坐标，(xi,yi,zi)为第i定位基阵在所述直角坐标系中的空间坐标，1≤i≤N，且i为自然数，N为所述定位基阵的个数；c为海水中的声传速度；ti为第i定位基阵发送的所述声学定位信号至所述水上自主巡检平台的传播时间。
本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
本发明实施例的一种基于集鱼类声学监测和定位的渔业养殖监测系统，通过水上自主巡检平台、多个固定于养殖设施的定位基阵和控制中心的配合，使得水上自主巡检平台可以养殖设施为基准进行定位，从而可防止因受海风和水流的影响使得大型养殖设施位置漂移，进而造成的定位误差较大的问题，配合水上自主巡检平台的路径规划，可大幅度提升水上自主巡检平台的巡检路线控制精度，从而提升鱼类监测的效果和精度。
本发明的一种渔业养殖监测方法，通过探测信号完成对自身的定位，并通过定位信息完成对无人艇的轨迹规划，同时集声学信号集探测和定位功能于一身，大大节约了无人艇设备承载量，提高了设备的集成度和稳定性，降低了设备成本；并能有效防止因受海风和水流的影响使得大型养殖设施位置漂移，进而造成的定位误差较大的问题，配合水上自主巡检平台的路径规划，可大幅度提升水上自主巡检平台的巡检路线控制精度，从而提升鱼类监测的效果和精度。路线校正步骤的采用，可进一步减小无人艇行进过程的误差，保证航迹行进的高精度。
附图说明
图1为本发明实施例的基于集鱼类声学监测和定位的渔业养殖监测系统的结构示意图；
图2为本发明实施例的基于集鱼类声学监测和定位的渔业养殖监测系统的原理图；
图3为本发明实施例的渔业养殖监测方法的流程图。
具体实施方式
下面根据附图1～图3，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
请参阅图1和图2，本发明实施例的一种基于集鱼类声学监测和定位的渔业养殖监测系统，包括：一养殖设施1、一水上自主巡检平台2、多个定位基阵3和一控制中心4；养殖设施1呈长方体，定位基阵3分别固定于养殖设施1的不同位置；控制中心4与各定位基阵3通信连接；水上自主巡检平台2与控制中心4通信连接并设置于养殖设施1内。
通过水上自主巡检平台2、多个固定于养殖设施1的定位基阵3和控制中心4的配合，使得水上自主巡检平台2可以养殖设施1为基准进行定位，从而可防止因受海风和水流的影响使得大型养殖设施1位置漂移，进而造成的定位误差较大的问题，配合水上自主巡检平台2的路径规划，可大幅度提升水上自主巡检平台2的巡检路线控制精度，从而提升鱼类监测的效果和精度。
水上自主巡检平台2包括一无人艇和设置于无人艇的一巡检系统21，巡检系统21包括一渔探传感器机构214、一第一控制器211以及与第一控制器211连接的一定位装置212、一渔探信号处理机构213、一电源216和一第一通信装置215；渔探传感器机构214连接渔探信号处理机构213；第一控制器211与无人艇的一行进控制系统电连接；且第一控制器211通过第一通信装置215与控制中心4通信连接。
第一控制器211用于完成养殖水域内巡检的路径规划、频次规划、实施路径调整、通信接口等功能。
定位装置212用于完成水上自主巡检平台2相对于养殖设施1水域位置的实时水声定位，并将定位结果传至第一通信装置215。
电源216可采用电池组，用于给第一控制器211、第一控制器211、渔探信号处理机构213、定位装置212和无人艇的行进控制系统提供电源供给。
本实施例中，渔探传感器机构214包括水下声学探测装置。
渔探信号处理机构213包括一接收机、一发射机和一信号处理器；接收机和发射机分别连接信号处理器和水下声学探测装置。
渔探信号处理机构213负责各种渔探模拟和数字信号处理操作，具体的：接收机负责完成对接收信号的滤波、放大和AD转换等；发射机负责完成对发射信号的DA转、调制和放大等，信号处理器负责完成信号的生成、信号的数字滤波、波束生成、收发控制等，并负责将探测结果数据通过第一控制器211传给第一控制器211，便于水上自主巡检平台2利用。
控制中心4包括一显示装置41、一第二控制器42和一第二通信装置43；第二控制器42连接显示装置41并通过第二通信装置43与第一通信装置215通信连接；定位基阵3连接第二控制器42。
其中，第一通信装置215用于实现水上自主巡检平台2与控制中心4之间的通信；接收控制中心4发来的控制信息，并将渔探信号处理机构213的探测信息和定位装置212的定位信息回传给控制中心4。
第二通信装置43用于完成控制中心4与水上自主巡检平台2的通信，接收水上自主巡检平台2发来的探测数据和位置数据；将第二控制器42的控制信息和状态参数配置信息传给水上自主巡检平台2。
第二控制器42用于对水上自主巡检平台2运行状态的控制，及渔探信号处理机构213的参数设置和状态查询。
显示装置41用于对水上自主巡检平台2的传回数据的显示。
定位基阵3包括一声学信号收发装置和一压力传感器并分别固定于养殖设施1的不同侧棱上。
本实施例中，可根据养殖设施1水域的大小和形状在设施平台钢性结构不同位置上固定加装一定数量的定位基阵3。定位基阵3可以周期性发生无线定位信号。水上自主巡检平台2中定位装置212可以根据接收到的定位信号时延或相位差来解算其自身相对养殖设施1的位置，从而实现对水上自主巡检平台2的精确定位功能。
请参阅图1～图3，本发明实施例的一种渔业养殖监测方法，其基于本实施例的基于集鱼类声学监测和定位的渔业养殖监测系统，包括步骤：
S1：数据初始化步骤；
S2：对水上自主巡检平台2相对于养殖设施1的位置进行初始定位，获得水上自主巡检平台2的初始定位数据；
S3：第一控制器211根据水上自主巡检平台2的初始定位数据和实际巡检需求规划形成一预设巡检路径；
S4：水上自主巡检平台2沿预设巡检路径移动并探测持续一固定时间段，获得探测数据；
S5：对水上自主巡检平台2相对于养殖设施1的位置进行再定位，获得水上自主巡检平台2的当前定位数据；
S6：根据当前定位数据判断水上自主巡检平台2是否已完成预设巡检路径；当未完成时，对水上自主巡检平台2进行路线校正后返回步骤S4；当完成时结束步骤。
其中，初始定位步骤包括步骤：
S21：水上自主巡检平台2接收各定位基阵3的声学定位信号；
S22：定位装置212根据接收到的声学定位信号的时延和相位差计算获得水上自主巡检平台2相对于养殖设施1的位置，获得初始定位数据；
S23：定位装置212将初始定位数据发送给第一通信装置215并通过第一通信装置215发送给控制中心4；
再定位步骤包括步骤：
S51：水上自主巡检平台2接收各定位基阵3的声学定位信号；
S52：定位装置212根据接收到的声学定位信号的时延和相位差计算获得水上自主巡检平台2相对于养殖设施1的位置，获得当前定位数据；
S53：定位装置212将当前定位数据发送给第一通信装置215并通过第一通信装置215发送给控制中心4。
同时，初始定位步骤和再定位步骤中，建立一直角坐标系并通过公式(1)对水上自主巡检平台2相对于养殖设施1的位置进行定位：
其中，(x,y,z)为水上自主巡检平台2的空间坐标，(xi,yi,zi)为第i定位基阵3在直角坐标系中的空间坐标，1≤i≤N，且i为自然数，N为定位基阵3的个数；c为海水中的声传速度；ti为第i定位基阵3发送的声学定位信号至水上自主巡检平台2的传播时间。
4个球面交汇，即可唯一确定空间未知量(x,y,z)。实际应用中，定位基阵3近似在一个平面上，其对z坐标的定位误差较大，因此目标阵元的深度信息可通过压力传感器直接获得的，也就是说目标深度信息先验已知，该定位模型蜕化为“圆交汇模型”。此时若采用3个阵元交汇，可唯一确定二维平面内的目标位置。这两种情况中，若减少1个阵元，则出现双解现象，需根据先验知识或历史，剔除其中1个不合理的位置解。若出现冗余阵元，冗余阵元的信息可用于进一步提高定位精度。
本发明实施例的一种渔业养殖监测方法，通过探测信号完成对自身的定位，并通过定位信息完成对无人艇的轨迹规划，同时集声学信号集探测和定位功能于一身，大大节约了无人艇设备承载量，提高了设备的集成度和稳定性，降低了设备成本；并能有效防止因受海风和水流的影响使得大型养殖设施1位置漂移，进而造成的定位误差较大的问题，配合水上自主巡检平台2的路径规划，可大幅度提升水上自主巡检平台2的巡检路线控制精度，从而提升鱼类监测的效果和精度。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于集鱼类声学监测和定位的渔业养殖监测系统，其特征在于，包括：一养殖设施、一水上自主巡检平台、多个定位基阵和一控制中心；所述养殖设施呈长方体，所述定位基阵分别固定于所述养殖设施的不同位置；所述控制中心与各所述定位基阵通信连接；所述水上自主巡检平台与所述控制中心通信连接并设置于所述养殖设施内。
2.根据权利要求1所述的基于集鱼类声学监测和定位的渔业养殖监测系统，其特征在于，所述水上自主巡检平台包括一无人艇和设置于所述无人艇的一巡检系统，所述巡检系统包括一渔探传感器机构、一第一控制器以及与所述第一控制器连接的一定位装置、一渔探信号处理机构、一电源和一第一通信装置；所述渔探传感器机构连接所述渔探信号处理机构；所述第一控制器与所述无人艇的一行进控制系统电连接；且所述第一控制器通过所述第一通信装置与所述控制中心通信连接。
3.根据权利要求2所述的基于集鱼类声学监测和定位的渔业养殖监测系统，其特征在于，所述渔探传感器机构包括水下声学探测装置。
4.根据权利要求3所述的基于集鱼类声学监测和定位的渔业养殖监测系统，其特征在于，所述渔探信号处理机构包括一接收机、一发射机和一信号处理器；所述接收机和所述发射机分别连接所述信号处理器和所述水下声学探测装置。
5.根据权利要求4所述的基于集鱼类声学监测和定位的渔业养殖监测系统，其特征在于，所述控制中心包括一显示装置、一第二控制器和一第二通信装置；所述第二控制器连接所述显示装置并通过所述第二通信装置与所述第一通信装置通信连接；所述定位基阵连接所述第二控制器。
6.根据权利要求5所述的基于集鱼类声学监测和定位的渔业养殖监测系统，其特征在于，所述定位基阵包括一声学信号收发装置和一压力传感器并分别固定于所述养殖设施的不同侧棱上。
7.一种基于权利要求2所述的基于集鱼类声学监测和定位的渔业养殖监测系统的渔业养殖监测方法，包括步骤：
S1：数据初始化步骤；
S2：对所述水上自主巡检平台相对于所述养殖设施的位置进行初始定位，获得所述水上自主巡检平台的初始定位数据；
S3：根据所述水上自主巡检平台的初始定位数据和实际巡检需求规划形成一预设巡检路径；
S4：所述水上自主巡检平台沿所述预设巡检路径移动并探测持续一固定时间段，获得探测数据；
S5：对所述水上自主巡检平台相对于所述养殖设施的位置进行再定位，获得所述水上自主巡检平台的当前定位数据；
S6：根据所述当前定位数据判断所述水上自主巡检平台是否已完成所述预设巡检路径；当未完成时，对所述水上自主巡检平台进行路线校正后返回步骤S4；当完成时结束步骤。
8.根据权利要求7所述的渔业养殖监测方法，其特征在于，所述初始定位步骤包括步骤：
S21：所述水上自主巡检平台接收各所述定位基阵的声学定位信号；
S22：所述定位装置根据接收到的所述声学定位信号的时延和相位差计算获得所述水上自主巡检平台相对于所述养殖设施的位置，获得所述初始定位数据；
S23：所述定位装置将所述初始定位数据发送给所述第一通信装置并通过所述第一通信装置发送给所述控制中心；
所述再定位步骤包括步骤：
S51：所述水上自主巡检平台接收各所述定位基阵的声学定位信号；
S52：所述定位装置根据接收到的所述声学定位信号的时延和相位差计算获得所述水上自主巡检平台相对于所述养殖设施的位置，获得所述当前定位数据；
S53：所述定位装置将所述当前定位数据发送给所述第一通信装置并通过所述第一通信装置发送给所述控制中心。
9.根据权利要求8所述的渔业养殖监测方法，其特征在于，所述S3步骤中，所述第一控制器根据所述初始定位数据和实际巡检需求规划形成所述预设巡检路径。
10.根据权利要求9所述的渔业养殖监测方法，其特征在于，所述初始定位步骤和所述再定位步骤中，建立一直角坐标系并通过公式(1)对所述水上自主巡检平台相对于所述养殖设施的位置进行定位：
其中，(x,y,z)为所述水上自主巡检平台的空间坐标，(xi,yi,zi)为第i定位基阵在所述直角坐标系中的空间坐标，1≤i≤N，且i为自然数，N为所述定位基阵的个数；c为海水中的声传速度；ti为第i定位基阵发送的所述声学定位信号至所述水上自主巡检平台的传播时间。
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