CN110338116A - 适用于海洋网箱养殖的自主抗风浪作业平台及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及适用于海洋网箱养殖的自主抗风浪作业平台及控制方法；包括浮台平板、浮力框架、水下推进器和主控箱，浮力框架与浮台平板固定连接组成作业平台本体；水下推进器设有至少三个，至少三个水下推进器均布于浮台平板的外周；主控箱内置运动控制器与惯性传感器，惯性传感器与主控箱固定连接，主控箱与浮台平板固定连接；惯性传感器用于反馈作业平台姿态，其原点位于浮台中心，其X、Y轴与浮台平板两边平行，Z轴指向空中；运动控制器控制水下推进器协调运动，以实现作业平台水面运动航行功能与自平衡抗风浪功能。本发明增加了作业平台的稳定性，具备海面航行功能，可在网箱之间穿梭运动，增加了养殖作业的灵活性和适用性。

Description

适用于海洋网箱养殖的自主抗风浪作业平台及控制方法

技术领域

本发明涉及海洋网箱养殖作业平台，特别是适用于海洋网箱养殖的自主抗风浪作业平台及控制方法。

背景技术

海洋渔业与国民经济、社会生活息息相关，但由于过渡捕捞等问题，急需发展创新型渔业。HDPE(高密度聚乙烯)海洋网箱设施水产养殖逐渐取代海洋捕捞成为产业转型重要方向。目前渔民使用海洋网箱的养殖操作仍然是传统纯人工作业，自动化程度低，效率低，劳动强度大。海洋网箱养殖缺乏自动化装备支撑而限制了发展，迫切需要对海洋网箱自动化养殖关键问题进行研究攻关。

海洋网箱养殖作业一般包括投饲、网箱清洗、起捕等多个环节，而海洋网箱一般远离陆地，为了提供操作空间，渔业操作者的养殖操作一般是在船板或临时搭建的浮台上实施。除了起捕收鱼的时候会采用较大的船只外，一般的投饲或网箱清洗操作，都是采用小舢板或简易的浮台搭载操作者进行。这样的模式存在如下不足：

1、投饲过程需要运送饲料到网箱附近进行投喂，采用小舢板分批的运送投喂工作效率低，多次往返浪费燃料，增加成本；

2、网箱清洗作业的时候，网衣和浮筒等只能堆放在临时搭建的浮台上，浮台受到风浪的影响会产生波动，浮台的不稳定不利于操作者作业；

3、现有的浮台为了保持位置不变，需要抛锚固定，抛锚操作繁琐耗时，不利于浮台的移动，使得单个浮台不便于在不同网箱之间切换共用；

4、没有一个稳定的作业平台，难于安装和集成自动化养殖装备，不利于实现养殖自动化。

发明内容

为了解决现有技术所存在的问题，本发明提出适用于海洋网箱养殖的自主抗风浪作业平台及控制方法，采用浮筒和浮台平板搭建养殖作业平台，为渔业操作者提供合适的作业空间，并增加水下推进器提供动力，使用主动控制抑制波动的方法，实现作业平台的自平衡抗风浪，增加了作业平台的稳定性，并且本发明具备海面航行功能，可在网箱之间穿梭运动，增加了养殖作业的灵活性和适用性。

本发明自主抗风浪作业平台采用如下技术方案实现：适用于海洋网箱养殖的自主抗风浪作业平台，包括浮台平板、浮力框架、水下推进器和主控箱，浮力框架与浮台平板固定连接组成作业平台本体；水下推进器设有至少三个，至少三个水下推进器均布于浮台平板的外周；主控箱内置运动控制器与惯性传感器，惯性传感器与主控箱固定连接，主控箱与浮台平板固定连接；惯性传感器用于反馈作业平台姿态，其原点位于浮台中心，其X、Y轴与浮台平板两边平行，Z轴指向空中，使作业平台本体的姿态变化与惯性传感器的姿态变化一致；运动控制器控制水下推进器协调运动，以实现作业平台水面运动航行功能与自平衡抗风浪功能。

在优选的实施例中，所述水下推进器通过推进器支架安装在浮台平板的外周，推进器支架用于固定水下推进器且使水下推进器的螺旋桨深入水下。所述作业平台本体呈正方形；所述水下推进器设有四个，均匀分布在作业平台四个角上。

根据本发明的控制方法，基于上述自主抗风浪作业平台，惯性传感器提供X、Y、Z三轴的加速度、角速度、角度反馈信号，控制方法实现对水面运动航行的控制包括如下步骤：

第一步，根据惯性传感器所反馈的角度信号，以Y轴正方向为作业平台正方向，将其他信号置零复位，等待工作；

第二步，对航行路径进行离线规划，得到作业平台中心点在每个时刻行走路径坐标组与方向向量组，用于后续运动控制；

第三步，根据水下推进器配置所对应的运动学逆解方程，计算得到水下推进器的速度关系，得到水下推进器运动配置与作业平台水面航行运动状态关系如下表：

其中，推进器运动配置均以水下推进器正向为准；

第四步，运动控制器根据速度关系同时控制每个时刻每个水下推进器的驱动电压，实现速度调节，合成作业平台的水面运动路径，实现运动航行。

本发明的控制方法实现自平衡抗风浪的控制包括如下步骤：

第一步，在无风浪情况下，将作业平台置于水面上静置一段时间，根据惯性传感器的反馈信号，将姿态信号置零复位，等待工作；

第二步，惯性传感器采集反映作业平台实际波动情况的波动信号，首先根据作业平台运动学方程对波动信号进行解耦，得到三路绕轴旋转的波动信号α、β、γ，对三路绕轴旋转的波动信号进行滤波处理，然后进行快速傅立叶变换分析，得到波动幅频特性和相频特性，计算波动主频率与幅值波动方向；

第三步，以作业平台三轴波动角度为0作为输入信号，对三轴的波动主频率与幅值波动方向信号进行负反馈，计算每个水下推进器的控制电压，通过协调工作的水下推进器推力抵抗风浪对作业平台的姿态影响，水下推进器运动配置与作业平台姿态调整的关系如下表：

其中，推进器运动配置均以水下推进器正向为准。

本发明相对于现有技术，具有如下优点和有益效果：

1、本发明可提供网箱养殖作业的平台，作为中转地，便于工具、饲料等的临时放置，还给操作者提供了作业空间。

2、本发明具备自平衡抗风浪功能，使平台保持姿态稳定，为自动化装备提供了平稳的安装和使用环境，便于自动化装备的集成，有利于提高养殖作业的自动化程度；与现有浮台相比，波动更小，更稳定，能提高操作者的舒适度，降低养殖作业操作难度。

3、本发明具备海面航行运动功能，使平台可穿梭于不同网箱之间，一个平台可适用于多组网箱作业，提高了作业平台的灵活性和适用性；平台作业过程不需要抛锚固定即可保持位置的相对稳定，不会随波逐流而远离网箱。

附图说明

图1是本发明适用于海洋网箱养殖的自主抗风浪作业平台总体结构示意图；

图2是水下推进器安装配置示意图；

图3是惯性传感器的坐标示意图；

图4是水下推进器安装示意图；

图中：1—浮台平板，2—主控箱，3—惯性传感器，4—直浮筒，5—弯浮筒，6—推进器支架，7—水下推进器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明的实施不限于此。

实施例

如图1-4所示，本实施例适用于海洋网箱养殖的自主抗风浪作业平台，包括浮台平板1、浮力框架、水下推进器7和主控箱2，浮力框架与浮台平板固定连接组成作业平台本体，平台通过浮力框架与浮台平板同时提供浮力漂浮于水面之上，为渔业操作者提供养殖作业空间。作业平台本体呈正方形、圆形或椭圆形，而采用正方形的平台本体最方便制造。

主控箱采用防水主控箱，内置运动控制器与惯性传感器，惯性传感器用于反馈作业平台姿态，运动控制器控制水下推进器协调运动，以实现水面运动航行功能与自平衡抗风浪功能。其中运动控制器采用STM32单片机；惯性传感器与主控箱固定连接，主控箱与浮台平板固定连接，惯性传感器的原点位于浮台中心，其X、Y轴与浮台平板两边平行，使作业平台本体的姿态变化与惯性传感器的姿态变化一致，从而可以反馈作业平台姿态。

水下推进器设有至少三个，且分别通过推进器支架6安装在浮台平板的外周，推进器支架用于固定水下推进器且使水下推进器的螺旋桨深入水下；至少三个水下推进器均布于浮台平板的外周。在本实施例中，水下推进器具有四个，通过推进器支架与作业平台本体固定连接，均匀分布在作业平台四个角上；水下推进器为无刷防水电机，其安装方向可调整，宜采用斜45度对角安装。

浮力框架包括多个直浮筒4与多个弯浮筒5，直浮筒和弯浮筒的数量与尺寸由浮台平板而定。

在本实施例中，浮台平板是尺寸为5m×5m×0.5m的硬质EVA泡沫，根据浮台平板的边长，选择四个直浮筒与四个弯浮筒组成浮力框架，浮力框架与浮台平板固定连接组成作业平台本体，其中直浮筒与弯浮筒为HDPE材料，直径0.5m，直浮筒与弯浮筒的端部密封连接。四个推进器支架使用1mm厚度的不锈钢折弯而成，通过管码与四个弯浮筒固定连接。EVA泡沫浮台平板与浮力框架共同提供浮力使作业平台本体漂浮于水面上，位于作业平台四个角的推进器支架深入水中。选用72V电压，0.5kw水下推进器四个，如图2、4所示，以斜45度方向安装于推进器支架上，水下推进器的螺旋桨没入水中。防水主控箱内置HWT905九轴惯性传感器提供反馈信号(可提供X、Y、Z三轴的加速度、角速度、角度)，X、Y轴与浮台平板两边平行，Z轴指向空中，使作业平台本体的姿态变化与惯性传感器的姿态变化一致，用于反馈作业平台姿态，运动控制器控制水下推进器协调运动，以实现水面运动航行功能与自平衡抗风浪功能。

本发明自主抗风浪作业平台具有水面运动航行功能与自平衡抗风浪功能，在水面运动航行功能状态下，多个水下推进器通过主控箱内的运动控制器实现协调工作，以实现水面三自由度运动；而在自平衡抗风浪状态下，平台的姿态通过惯性传感器实现反馈，并控制多个水下推进器协调工作，使平台抵抗风浪产生的波动，自主的保持姿态镇定，实现自平衡。本发明通过水下推进器提供动力实现水面航行与自平衡控制，其水面运动航行功能提高了作业平台的灵活性和适用性；其自平衡功能可保证海洋网箱养殖作业平台在风浪波动下的姿态镇定，提高了作业平台的稳定性，便于渔业操作者的养殖作业。

本发明的控制方法基于上述自主抗风浪作业平台，实现对水面运动航行的控制包括如下步骤：

第一步，根据HWT905惯性传感器所反馈的角度信号，以Y轴正方向为作业平台正方向，将其他信号置零复位，等待工作；

第二步，采用粒子群算法对航行路径进行离线规划，得到作业平台中心点在每个时刻行走路径坐标组与方向向量组，用于后续运动控制；

第三步，根据斜45度对角安装水下推进器配置所对应的运动学逆解方程，计算得到四个水下推进器的速度关系，得到水下推进器运动配置与作业平台水面航行运动状态关系如下表一：

表一

第四步，运动控制器根据速度关系同时控制每个时刻每个水下推进器的驱动电压(电压对应转速)，实现速度调节，合成作业平台的水面运动路径，实现运动航行。

本发明的控制方法基于上述自主抗风浪作业平台，实现自平衡抗风浪的控制，包括如下步骤：

第一步，在无风浪情况下，将平台置于水面上静置一段时间，根据HWT905惯性传感器的反馈信号，将姿态信号置零复位，等待工作；

第二步，在实际应用环境下，HWT905惯性传感器采集反映作业平台实际波动情况的波动信号，首先根据作业平台运动学方程对波动信号进行解耦，得到三路绕轴旋转的波动信号α、β、γ，对三路波动信号进行卡尔曼滤波处理消除噪声影响，然后进行快速傅立叶变换分析，得到波动幅频特性和相频特性，计算波动主频率与幅值波动方向。

第三步，以平台三轴波动角度为0作为输入信号，对三轴的波动主频率与幅值波动方向信号进行负反馈，采用自适应控制算法计算每个水下推进器的控制电压，通过协调工作的水下推进器推力抵抗风浪对作业平台的姿态影响，水下推进器运动配置与作业平台姿态调整的关系如下表二：

表二

其中，推进器运动配置均以水下推进器正向为准。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.适用于海洋网箱养殖的自主抗风浪作业平台，其特征在于，包括浮台平板、浮力框架、水下推进器和主控箱，浮力框架与浮台平板固定连接组成作业平台本体；水下推进器设有至少三个，至少三个水下推进器均布于浮台平板的外周；主控箱内置运动控制器与惯性传感器，惯性传感器与主控箱固定连接，主控箱与浮台平板固定连接；惯性传感器用于反馈作业平台姿态，其原点位于浮台中心，其X、Y轴与浮台平板两边平行，Z轴指向空中，使作业平台本体的姿态变化与惯性传感器的姿态变化一致；运动控制器控制水下推进器协调运动，以实现作业平台水面运动航行功能与自平衡抗风浪功能。

2.根据权利要求1所述的自主抗风浪作业平台，其特征在于，所述水下推进器通过推进器支架安装在浮台平板的外周，推进器支架用于固定水下推进器且使水下推进器的螺旋桨深入水下。

3.根据权利要求2所述的自主抗风浪作业平台，其特征在于，所述作业平台本体呈正方形；所述水下推进器设有四个，均匀分布在作业平台四个角上。

4.根据权利要求3所述的自主抗风浪作业平台，其特征在于，所述水下推进器为无刷防水电机，采用斜45度对角安装。

5.根据权利要求1所述的自主抗风浪作业平台，其特征在于，所述作业平台本体呈正方形、圆形或椭圆形。

6.根据权利要求1所述的自主抗风浪作业平台，其特征在于，所述浮力框架包括多个直浮筒与多个弯浮筒，直浮筒与弯浮筒的端部密封连接。

7.根据权利要求6所述的自主抗风浪作业平台，其特征在于，所述水下推进器通过推进器支架安装在浮台平板的外周，推进器支架用于固定水下推进器且使水下推进器的螺旋桨深入水下；所述推进器支架使用不锈钢折弯而成，通过管码与弯浮筒固定连接。

8.基于权利要求1所述自主抗风浪作业平台的控制方法，其特征在于，惯性传感器提供X、Y、Z三轴的加速度、角速度、角度反馈信号，控制方法实现对水面运动航行的控制包括如下步骤：

第一步，根据惯性传感器所反馈的角度信号，以Y轴正方向为作业平台正方向，将其他信号置零复位，等待工作；

第二步，对航行路径进行离线规划，得到作业平台中心点在每个时刻行走路径坐标组与方向向量组，用于后续运动控制；

第三步，根据水下推进器配置所对应的运动学逆解方程，计算得到水下推进器的速度关系，得到水下推进器运动配置与作业平台水面航行运动状态关系如下表：

其中，推进器运动配置均以水下推进器正向为准；

第四步，运动控制器根据速度关系同时控制每个时刻每个水下推进器的驱动电压，实现速度调节，合成作业平台的水面运动路径，实现运动航行。

9.基于权利要求1所述自主抗风浪作业平台的控制方法，其特征在于，惯性传感器提供X、Y、Z三轴的加速度、角速度、角度反馈信号，控制方法实现自平衡抗风浪的控制包括如下步骤：

第一步，在无风浪情况下，将作业平台置于水面上静置一段时间，根据惯性传感器的反馈信号，将姿态信号置零复位，等待工作；

第二步，惯性传感器采集反映作业平台实际波动情况的波动信号，首先根据作业平台运动学方程对波动信号进行解耦，得到三路绕轴旋转的波动信号α、β、γ，对三路绕轴旋转的波动信号进行滤波处理，然后进行快速傅立叶变换分析，得到波动幅频特性和相频特性，计算波动主频率与幅值波动方向；

第三步，以作业平台三轴波动角度为0作为输入信号，对三轴的波动主频率与幅值波动方向信号进行负反馈，计算每个水下推进器的控制电压，通过协调工作的水下推进器推力抵抗风浪对作业平台的姿态影响，水下推进器运动配置与作业平台姿态调整的关系如下表：

其中，推进器运动配置均以水下推进器正向为准。