CN113291420A - 一种智能无人船系统 - Google Patents

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CN113291420A CN202110543077.3A CN202110543077A CN113291420A CN 113291420 A CN113291420 A CN 113291420A CN 202110543077 A CN202110543077 A CN 202110543077A CN 113291420 A CN113291420 A CN 113291420A
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Abstract

本发明公开了一种智能无人船系统，所述智能无人船系统包括：通信设备、图像设备、传感设备、供电设备、主控制器、显示模块、鱼料投食模块、运动控制系统，其中：所述鱼料投食模块集成有重力传感器和电动出料器，所述鱼料投食模块受控于主控制器进行鱼料投食工作；所述主控制器用于识别用户发出的操作命令，并基于操作命令转换成有效电信号控制无人船的运动；所述运动控制系统受控于主控制器的指令控制智能无人船的运动。在本发明实施例中，通过面向水域应用，将水产自动喂养和水质监测相结合，实现鱼料投食、水质监测一体化。

Description

一种智能无人船系统
技术领域
本发明涉及无人船技术领域，尤其涉及一种智能无人船系统。
背景技术
传统水产农业的鱼虾养殖主要采用人工投饵的方式，这种方式需要农场管理者花费较多的时间喂食，容易造成喂料不均匀，鱼料浪费甚至水质污染等问题。此外，如果水域养殖了一些名贵鱼种，那么对水质及水温的要求较高，还需要控制溶解氧、水体PH值、浊度等指标，这就需要管理者时刻关注水域水质情况。但是，普通的管理者很难掌握这些技术细节。目前市场上销售有独立的鱼塘投食机和水质检测仪，有些鱼料投食机能实现360度投鱼食，有些只能实现130度扇形投鱼食，基本都可调整投饵时间和数量。随着大数据和互联网技术的快速发展，传统水产养殖业也逐步向集成化、智能化的方向发展，市场上迫切需要一种轻便的鱼虾养殖设备，能实现智能投喂及水质监测功能，以提高水产养殖产业效益，减轻农场管理者的工作负担。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种智能无人船系统，通过实现对无人船的集成化和智能化，达到对水产养殖的投食管理。
为了解决上述技术问题，本发明实施例还提供了一种智能无人船系统，所述智能无人船系统包括：通信设备、图像设备、传感设备、供电设备、主控制器、显示模块、鱼料投食模块、运动控制系统，其中：
所述通信设备集成有卫星定位模块、4G通信模块、LORA模组，所述通信设备用于处理通信信号，并与主控制器进行信号交互；
所述图像设备集成有网络摄像机和单片机，所述图像设备基于网络摄像机实时获取无人船系统周边的图像数据，并将图像数据发送到主控制器；
所述显示模块用于与主控制器进行信号交互，并为用户显示图像界面；
所述供电设备集成有太阳能供电系统和充电系统，所述供电设备用于为智能无人船系统提供电源；
传感设备集成有雨滴传感器、超声波测距传感器、水质水温检测系统，所述传感设备获取智能无人船系统周围的环境参数信息，并将环境参数信息发送给主控制器；
所述鱼料投食模块集成有重力传感器和电动出料器，所述鱼料投食模块受控于主控制器进行鱼料投食工作；
所述主控制器用于识别用户发出的操作命令，并基于操作命令转换成有效电信号控制无人船的运动；
所述运动控制系统受控于主控制器的指令控制智能无人船的运动。
所述卫星定位模块采用GPS和BDS双模卫星定位系统接收卫星定位信号。
所述水质水温检测系统通过温度传感器获取水温值，所述水质水温检测系统通过覆膜氧传感器获取水溶氧率值，所述水质水温检测系统通过玻璃电极传感器获取水PH值，所述水质水温检测系统通过浊度传感器获取水浊度值。
所述超声波测距传感器为三个，分别设置在船体的前端、左端和右端，用于测量船体与周边物件的距离，三个超声波测距传感器串接在主控制器的不同端口，将所测得的距离信号转化为电信号值，所述主控制器将电信号值与所设定的电信号值进行比较，判断船体与周边物件的距离，并生成控制指令调整尾舵转度的大小。
所述图像设备实时采集智能无人船系统周边的视觉地图，并基于通信设备将所述视觉地图发送到云服务器端；
云服务器端采用采用计算机视觉的同时定位与建图方法SLAM进行定位，并将视觉地图转换成规划使用的鱼塘地图，并生成相应的控制指令下发到主控制器上，主控制器基于控制指令控制智能无人船运动到定点位置和巡游。
所述运动控制系统包括：控制板、第一测距传感器、第二测距传感器、第三测距传感器、第一电机控制器、第二电机控制器、第三电机控制器、步进电机、第一直流电机、第二直流电机、螺旋桨、尾舵、船锚，其中：
控制板的信号端口上串联有第一测距传感器、第二测距传感器、第三测距传感器、第一电机控制器、第二电机控制器、第三电机控制器；
所述第一电机控制器连接着步进电机，所述步进电机连接着螺旋桨；
所述第二电机控制器连接着第一直流电机，所述第一直流电机连接着尾舵；
所述第三电机控制器连接着第二直流电机，所述第二直流电机连接着船锚。
所述运动控制系统还包括电池，所述电池连接着控制板。
所述运动控制系统还包括继电器和直流电模块，所述继电器连接着控制板，所述直流电模块连接着所述继电器。
在本发明实施例中，通过面向水产鱼虾养殖的智能无人船，同时具有鱼虾自动喂养功能和水质监测功能。一方面，智能无人船能够按照农场管理者事先设定的程序，在水域范围定点定时喂食，并可通过遥控的方式进行，不需要管理者频繁走动，减轻其工作负担。智能无人船的电力系统采用太阳能进行蓄电放电，利用卫星定位系统实现池塘定点运动。另一方面，智能无人船还具有水质监测感知功能，将水温、溶解氧，水体PH值、浊度等指标通过无线通信系统将数据实时传输到管理者手机上，以便随时查询水质等情况，有效减少鱼苗缺氧及环境不适等情况的发生，提高鱼虾水产的生产经济效益。基于智能无人船的软硬件功能，其应用面向传统的水产养殖农场，项目的推广能够提高饲料利用率、鱼虾养殖单位面积生产率，减轻水产管理者的工作负担，积极推进新农村水产农业的现代化发展。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例中的智能无人船系统的电路原理示意图；
图2是本发明实施例中的运动控制系统的电路原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
图1示出了本发明实施例中的智能无人船系统结构示意图，该智能无人船系统包括：通信设备、图像设备、传感设备、供电设备、主控制器、显示模块、鱼料投食模块、运动控制系统，其中：
所述通信设备集成有卫星定位模块、4G通信模块、LORA模组，所述通信设备用于处理通信信号，并与主控制器进行信号交互；
所述图像设备集成有网络摄像机和单片机，所述图像设备基于网络摄像机实时获取无人船系统周边的图像数据，并将图像数据发送到主控制器；
所述显示模块用于与主控制器进行信号交互，并为用户显示图像界面；
所述供电设备集成有太阳能供电系统和充电系统，所述供电设备用于为智能无人船系统提供电源；
传感设备集成有雨滴传感器、超声波测距传感器、水质水温检测系统，所述传感设备获取智能无人船系统周围的环境参数信息，并将环境参数信息发送给主控制器；
所述鱼料投食模块集成有重力传感器和电动出料器，所述鱼料投食模块受控于主控制器进行鱼料投食工作；
所述主控制器用于识别用户发出的操作命令，并基于操作命令转换成有效电信号控制无人船的运动；
所述运动控制系统受控于主控制器的指令控制智能无人船的运动。
需要说明的是，主控制器采用GD32F103单片机作为小船的控制核心，识别并发送了用户在UI界面发出的操作指令，再通过PT2272解码芯片解码信号，再输出至串接的时钟电路，转化为有效电信号从而操控进步电机运转、尾舵转向和船锚的抛、起。为了实现主动投食与定时自动投食功能，在船底设计了一个投食器，在系统云服务器接收到管理者的投喂时间及投喂量指令后，在控制板上转化为电信号脉冲，从而开放投料口，实现投料。系统使用单片机的PWM信号来校准鱼饵投食电机运行频率，记录时间并实现各程序定时运行的功能。在主控制器与LORA通讯模块、4G通讯模块接入成功后，下位机与手机的通信采用远程接入互联网方案物联网云平台，实现设备的联网。无线通讯模块与云平台通过MQTT协议进行通信。通过物联网云平台建立手机与设备的通信。在云控制台进行相关功能的配置，例如显示水质检测数据、显示设备实时位置、控制运动、设置运动参数功能等等。
手机端使用阿里云官方软件“云智能”控制软件，实现手机控制设备，并且手机端是实时显示各个感受器检测的数据。
所述卫星定位模块采用GPS和BDS双模卫星定位系统接收卫星定位信号。船体安装有GPS+BDS双模卫星定位模块，这种双组合能保证在GPS定位系统失效的情况下，可以采用北斗卫星定位系统提供的定位信息，以维持系统的正常工作，大大增加了系统的安全性和可靠性。
所述水质水温检测系统通过温度传感器获取水温值，所述水质水温检测系统通过覆膜氧传感器获取水溶氧率值，所述水质水温检测系统通过玻璃电极传感器获取水PH值，所述水质水温检测系统通过浊度传感器获取水浊度值。水质水温监测是通过一系列传感器来感知数据的，即在船底设置的传感器有四种：带热敏电阻水温传感器用于测量水温；覆膜氧传感器用于监测溶氧率；玻璃电极传感器用于测量pH值；WQ730传感器用于测量测浊度。这些传感器将信号通过分压电路转换成电压信号输出到主控器，以数字形式直接显示出来。
所述超声波测距传感器为三个，分别设置在船体的前端、左端和右端，用于测量船体与周边物件的距离，三个超声波测距传感器串接在主控制器的不同端口，将所测得的距离信号转化为电信号值，所述主控制器将电信号值与所设定的电信号值进行比较，判断船体与周边物件的距离，并生成控制指令调整尾舵转度的大小。这里采用三个超声波测距传感器，分别设在船体的前、左、右，用于测量船体与岸边、与障碍物的距离，实现不搁浅、不触岸。三个超声波传感器，串接于GD32F103控制板的不同端口，将所测得的距离信号转化为电信号，主控板将返回的电信号值与所设定的电信号值作比较，判断船体与岸边的距离，从而调整尾舵转度的大小，进而避免触岸。
所述图像设备实时采集智能无人船系统周边的视觉地图，并基于通信设备将所述视觉地图发送到云服务器端；云服务器端采用采用计算机视觉的同时定位与建图方法SLAM进行定位，并将视觉地图转换成规划使用的鱼塘地图，并生成相应的控制指令下发到主控制器上，主控制器基于控制指令控制智能无人船运动到定点位置和巡游。这里通过视频摄像头，在云服务端采用计算机视觉的同时定位与建图（SLAM）方法进行定位，并将视觉地图转换成规划使用的鱼塘地图。这里涉及到视频图像的特征提取、匹配、EKF滤波，二维和三维拓扑地图生成，以及路径规划等算法。利用SLAM算法得到的地图模型，可用于控制智能无人船运行到定点位置和巡游。
图2示出了本发明实施例中的运动控制系统的电路原理示意图，该运动控制系统包括：控制板、第一测距传感器、第二测距传感器、第三测距传感器、第一电机控制器、第二电机控制器、第三电机控制器、步进电机、第一直流电机、第二直流电机、螺旋桨、尾舵、船锚，其中：
控制板的信号端口上串联有第一测距传感器、第二测距传感器、第三测距传感器、第一电机控制器、第二电机控制器、第三电机控制器；
所述第一电机控制器连接着步进电机，所述步进电机连接着螺旋桨；
所述第二电机控制器连接着第一直流电机，所述第一直流电机连接着尾舵；
所述第三电机控制器连接着第二直流电机，所述第二直流电机连接着船锚。
所述运动控制系统还包括电池，所述电池连接着控制板。
所述运动控制系统还包括继电器和直流电模块，所述继电器连接着控制板，所述直流电模块连接着所述继电器。
需要说明的是，智能无人船在水上运动，要求远程中控制要求精度高，因此本项目电机选择具有快速起停、正转、反转控制灵活，负荷不超过动态转矩值启动。运动控制系统由电机驱动模块（螺旋桨）、尾舵（控制方向）、船锚（固定船只）、超声波测距传感器、主控板、电源、复位电路、时钟电路等组成，配备手动遥控和自动识别双模式。由用户通过上机位发送操作指令，上传至云服务器，再由下机位从云服务器接收用户的操作指令，在控制板上，转化为电信号脉冲，从而控制机器人可以在水上自由运动，用户可根据图像实时传输系统上传的画面，去手动的发送操作指令，指挥机器人运动。由用户在用户界面，直接设定机器人相关参数，如距岸边的距离，鱼食喂的量，或者选择默认参数，则机器人会通过超声波传感器测量离障碍物的距离，自动调整方向，实现自主控制。
需要说明的是，水质水温监测通过船底设置的传感器来感知数据。带热敏电阻水温传感器用于测量水温，覆膜氧传感器用于监测溶氧率，玻璃电极传感器用于测量pH值，WQ730传感器用于测量测浊度。这些传感器将信号通过分压电路转换成电压信号输出到主控器，以数字形式直接显示出来。
需要说明的是，无线通信系统采用4G通信，4G DTU模块采用正点原子ATK-M517无线数据传输模块，通过TTL串口与主控制器进行通信，通过AT指令进行配置。该模块能够实现将主控制器采集到的传感器信息发送至远程云服务器，能接受云服务器发送的控制指令，并且将指令转发给主控制器。采用 MQTT 协议实现与云端服务器的连接,将主控制器检测到的数据实时上传到云端，用户再通过云端在线查看检测数据。
需要说明的是，这里GPS和BDS组合差分嵌入式定位系统，主要由ARM平台、差分接收单元、Ublox单元、以及中心GPS与BDS组合天线组成；基于BDS/GPS组合定位能保证在GPS定位系统失效的情况下，可以采用北斗卫星定位系统提供的定位信息，以维持系统的正常工作，大大增加了系统的安全性和可靠性；用差分定位技术可以消除系统中共有的误差，从而达到提高定位精度的目的，所以使得差分定位精度要明显地高于单点定位精度；通过嵌入式平台搭建组合差分BDS/GPS信息服务平台，使其达到接收机达到小型化、便捷化、实用化的目的。
完整的移动目标定位跟踪系统由移动目标通信终端、GSM无线网络、GIS电子地图等组成。GIS电子地图的主要功能是实时显示被监控的移动目标的位置及轨迹、地理信息查询、地图的更新。通过GPS/BDS联合卫星导航定位模块获得经纬度坐标值和时间等信息，借助于GSM网络将被监控目标的位置信息匹配到GIS电子地图，实现对移动目标的定位、跟踪、运动轨迹显示查询、速度显示等功能。
鱼料投食模块中，鱼料由储存罐进入重力传感区，由电机旋转带动扇片将鱼料送至出料口。其中由时钟芯片调整电机的转速，使投放鱼料的速率可控，实现鱼料定量投送的功能。鱼料投送过程中，底部重力传感器实时检测鱼料是否投放完毕。此外内部内嵌水位警报传感器，如果检测到一定水量，发出警报，让机器自行进行姿态调整，防止鱼料投食区进水损坏机器。
通过面向水域应用，将水产自动喂养和水质监测相结合，实现鱼料投食、水质监测一体化。其次，功能上使用手动控制与自动控制相结合，手动投喂与定时自动投喂相结合，利用可视化、远程遥控减轻了农场用户的工作量，充分解决了养殖户养殖名贵鱼种对环境要求高及对投食量精准度等实际需求。
智能无人船长期放在池塘等户外场所，实现水域地图规划后，可控制智能无人船精准定位到需要投喂的位置，并且当鱼料接近投完时，可以精确定位到船的位置，方便用户填装鱼料。同时，有了地图和实时定位功能，方便农场用户知道鱼塘的哪一块水域水质、水温出现了问题，方便用户及时处理。
考虑到智能无人船体与水密切接触，为了保障电子器件的安全性，本项目在船舱内部设有雨水传感器。当船舱内部进水时，就会触发报警装置，发送提醒信息到用户手机上。其次，当鱼料快投完时，设在投料装置底部的重力传感器会感应到相应数值，将鱼料快投完信息发给用户，从而发送提醒信息到用户手机上，提醒及时填装鱼料。
防水及平衡系统中外壳防水材料选取密度较低、刚度较大的材料为应对环境变化，应避免选择不耐日光/低温，采用几何中心与重心配位法进行船体平衡控制。作用在船上的重力由船舶本身各部分的重量所组成，如船体构件、机电设备、鱼饲料等的重量，这些重量形成一个垂直向下的合力，此合力就是船舶的重力，其作用点G称为船舶的重心。
本发明实施例通过面向水产鱼虾养殖的智能无人船，同时具有鱼虾自动喂养功能和水质监测功能。一方面，智能无人船能够按照农场管理者事先设定的程序，在水域范围定点定时喂食，并可通过遥控的方式进行，不需要管理者频繁走动，减轻其工作负担。智能无人船的电力系统采用太阳能进行蓄电放电，利用卫星定位系统实现池塘定点运动，所有器件都具备防水和进水报警机制。另一方面，智能无人船还具有水质监测感知功能，将水温、溶解氧，水体PH值、浊度等指标通过无线通信系统将数据实时传输到管理者手机上，以便随时查询水质等情况，有效减少鱼苗缺氧及环境不适等情况的发生，提高鱼虾水产的生产经济效益。基于智能无人船的软硬件功能，其应用面向传统的水产养殖农场，项目的推广能够提高饲料利用率、鱼虾养殖单位面积生产率，减轻水产管理者的工作负担，积极推进新农村水产农业的现代化发展。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器（ROM，ReadOnly Memory）、随机存取存储器（RAM，Random AccessMemory）、磁盘或光盘等。
另外，以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种智能无人船系统，其特征在于，所述智能无人船系统包括：通信设备、图像设备、传感设备、供电设备、主控制器、显示模块、鱼料投食模块、运动控制系统，其中：
所述通信设备集成有卫星定位模块、4G通信模块、LORA模组，所述通信设备用于处理通信信号，并与主控制器进行信号交互；
所述图像设备集成有网络摄像机和单片机，所述图像设备基于网络摄像机实时获取无人船系统周边的图像数据，并将图像数据发送到主控制器；
所述显示模块用于与主控制器进行信号交互，并为用户显示图像界面；
所述供电设备集成有太阳能供电系统和充电系统，所述供电设备用于为智能无人船系统提供电源；
传感设备集成有雨滴传感器、超声波测距传感器、水质水温检测系统，所述传感设备获取智能无人船系统周围的环境参数信息，并将环境参数信息发送给主控制器；
所述鱼料投食模块集成有重力传感器和电动出料器，所述鱼料投食模块受控于主控制器进行鱼料投食工作；
所述主控制器用于识别用户发出的操作命令，并基于操作命令转换成有效电信号控制无人船的运动；
所述运动控制系统受控于主控制器的指令控制智能无人船的运动。
2.如权利要求1所述的智能无人船系统，其特征在于，所述卫星定位模块采用GPS和BDS双模卫星定位系统接收卫星定位信号。
3.如权利要求2所述的智能无人船系统，其特征在于，所述水质水温检测系统通过温度传感器获取水温值，所述水质水温检测系统通过覆膜氧传感器获取水溶氧率值，所述水质水温检测系统通过玻璃电极传感器获取水PH值，所述水质水温检测系统通过浊度传感器获取水浊度值。
4.如权利要求3所述的智能无人船系统，其特征在于，所述超声波测距传感器为三个，分别设置在船体的前端、左端和右端，用于测量船体与周边物件的距离，三个超声波测距传感器串接在主控制器的不同端口，将所测得的距离信号转化为电信号值，所述主控制器将电信号值与所设定的电信号值进行比较，判断船体与周边物件的距离，并生成控制指令调整尾舵转度的大小。
5.如权利要求4所述的智能无人船系统，其特征在于，所述图像设备实时采集智能无人船系统周边的视觉地图，并基于通信设备将所述视觉地图发送到云服务器端；
云服务器端采用采用计算机视觉的同时定位与建图方法SLAM进行定位，并将视觉地图转换成规划使用的鱼塘地图，并生成相应的控制指令下发到主控制器上，主控制器基于控制指令控制智能无人船运动到定点位置和巡游。
6.如权利要求5所述的智能无人船系统，其特征在于，所述运动控制系统包括：控制板、第一测距传感器、第二测距传感器、第三测距传感器、第一电机控制器、第二电机控制器、第三电机控制器、步进电机、第一直流电机、第二直流电机、螺旋桨、尾舵、船锚，其中：
控制板的信号端口上串联有第一测距传感器、第二测距传感器、第三测距传感器、第一电机控制器、第二电机控制器、第三电机控制器；
所述第一电机控制器连接着步进电机，所述步进电机连接着螺旋桨；
所述第二电机控制器连接着第一直流电机，所述第一直流电机连接着尾舵；
所述第三电机控制器连接着第二直流电机，所述第二直流电机连接着船锚。
7.如权利要求6所述的智能无人船系统，其特征在于，所述运动控制系统还包括电池，所述电池连接着控制板。
8.如权利要求7所述的智能无人船系统，其特征在于，所述运动控制系统还包括继电器和直流电模块，所述继电器连接着控制板，所述直流电模块连接着所述继电器。
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