無人艇在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應用
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[摘要]水產(chǎn)養(yǎng)殖在中國具有悠久的歷史，其中粗養(yǎng)方式占有很大的比重，但是這種方式主要靠人力為主，人的勞動強度很大，隨著科技不斷和農(nóng)業(yè)融合，將科技應用到水產(chǎn)粗養(yǎng)的方式中可以有效降低養(yǎng)殖人員的勞動強度，無人艇能夠實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中所需的多種功能，因此它在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面具有廣泛的應用前景。
[關鍵詞]無人艇；水產(chǎn)養(yǎng)殖；勞動強度；科學技術
1發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢
有關無人艇的研究很早就開始了，其中美國和以色列在無人艇的研制和使用方面處于世界領先位置。目前，無人艇在民用方面較少，主要被應用在軍事方面，用于情報的收集、水文地理勘察、目標的監(jiān)測等等。無人艇是通過各種功能的模塊，不同類型的傳感器及設計的外部結構相互結合，從而實現(xiàn)不同的使用功能，完成不同的工作任務。因此無人艇的組成結構使得其應用非常廣泛。近年來，政府倡導將科學技術應用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，這一舉措引起了很大的反響，促使大批研究人員投入到農(nóng)業(yè)科技建設中。如使用無人機對農(nóng)作物進行拍攝，分析和了解農(nóng)作物的生長狀態(tài)?？萍贾饾u融入到農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)活動中，它可以有效的提高生產(chǎn)的效益。在中國，水產(chǎn)養(yǎng)殖在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有很大的比重，其中在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中充當著重要角色的是人，經(jīng)常需要通過繁重的體力勞動來確定養(yǎng)殖過程不出差錯，將無人艇應用在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，根據(jù)不同需要賦予其不同的功能，可以有效降低養(yǎng)殖人員的工作強度，提高養(yǎng)殖效益。無人艇在水產(chǎn)養(yǎng)殖中具有很大的發(fā)展前景。
水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中需要了解其生長情況、健康狀態(tài)、及時喂食、水質檢測等方面信息。傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖都是通過人工方式實現(xiàn)，養(yǎng)殖的信息不具備實時監(jiān)測。根據(jù)養(yǎng)殖的需求，在無人艇上安裝具備相應功能的設備，保證養(yǎng)殖過程的安全性、信息獲取的實時性。
2.1遠程監(jiān)控
在無人艇上安裝高精度攝像頭，可以通過操作無人艇實時查看了解水產(chǎn)的生活狀況。傳統(tǒng)養(yǎng)殖是通過養(yǎng)殖人員駕駛船前往養(yǎng)殖區(qū)域，然后在養(yǎng)殖區(qū)域多次巡視，查看水產(chǎn)的狀態(tài)。這需要養(yǎng)殖人員的大量的精力投入，增加了其工作強度。利用無人艇來巡視養(yǎng)殖區(qū)域可以大大降低養(yǎng)殖人員的勞動強度，只需在辦公室簡單的控制無人艇即可全面了解養(yǎng)殖區(qū)域的狀況，特別是在一些極端天氣，不需要人駕駛船出海，保證了人員的安全。
2.2精準飼喂
裝載一些喂食設備，當無人艇到達養(yǎng)殖區(qū)域后可以自動精準投放食物。傳統(tǒng)飼養(yǎng)是通過人工方式進行的，在養(yǎng)殖區(qū)域投放食物量很容易不均勻，不能對食物投放的量進行精確的控制，而且這種方式會造成餌料的浪費，當投放的餌料沒有被完全吃掉就很容易引起水質的惡化，危害水生物的安全。設計投放食物設備，然后將該設備安裝在無人艇上，通過相關的硬件來控制設備的運行，可以實現(xiàn)對食物投放量的精準控制，并且可以確保食物在飼養(yǎng)區(qū)域能夠均勻分布。養(yǎng)殖人員只需要將待投放的食物安放在投食設備上，設置好食物投放的速度，然后啟動無人艇，設置好無人艇的運動路徑，當其到達目的地后，無人艇開始按量自動喂養(yǎng)水產(chǎn)。
2.3水質檢測
水產(chǎn)養(yǎng)殖需要及時了解水質情況，良好的水質可以促進水產(chǎn)的生長，而當水質污染后，若不能及時了解并采取相關措施治理，會使養(yǎng)殖戶蒙受巨大的經(jīng)濟損失。而傳統(tǒng)方式檢測方式是通過人工測量和長期的養(yǎng)殖經(jīng)驗，這種方式存在很明顯的弊端，即不能實際了解到水質的情況。在無人船上安裝水質檢測裝置，通過該裝備可以對水質進行檢測，及時了解到水質情況，實時掌握水中各種物質的含量，具有很好的實時測控功能；還可以將采集的樣本帶回來，進一步研究分析，方便養(yǎng)殖人員對水質信息的掌控，以及及時地做出相應的措施。
2.4藥物投放
水產(chǎn)養(yǎng)殖中，病害不可避免，需要通過藥物及時治理，保證水產(chǎn)養(yǎng)殖動物正常生存。對于池塘養(yǎng)殖方式一般是人圍著岸邊隨機向水里投放藥片，網(wǎng)箱養(yǎng)殖方式一般是人工噴灑藥物。在無人艇上安裝噴灑裝置，可以通過遠程遙控的方式控制藥物的噴灑。在精養(yǎng)方式下使用無人艇投放藥物治理疾病可以大大降低養(yǎng)殖人員的勞動強度，同時可以保證藥物在養(yǎng)殖區(qū)域分布均勻，確保藥物噴灑覆蓋整個養(yǎng)殖區(qū)域。
3無人艇應用存在的問題
3.1控制精度受外界環(huán)境影響較大
無人艇是通過控制算法對自身的運動進行自動控制。無人艇的運動控制分為航向控制和航跡控制兩種，而航向控制是船舶運動控制的基礎，研究無人艇的運動首先需要確保無人艇具有良好的航向控制性能。航向控制性能分為航向保持和航向跟蹤，通過操控舵角來控制無人艇的航向。一般航向控制算法都是基于船舶線性運動模型建立的，而在復雜環(huán)境影響下船舶實際航行呈現(xiàn)的是一種非線性運動，造成控制性能達不到理想的程度。另外，當船速、船舶載重發(fā)生改變時，容易引起模型參數(shù)的攝動，影響航行控制算法的對無人艇的控制。目前水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域逐漸向深海轉移，如果采用無人艇進行遠程操作養(yǎng)殖，必須要提高復雜海況下船舶運動控制的抗干擾能力。
3.2部分傳感器容易受天氣影響
無人艇應用在水產(chǎn)養(yǎng)殖時，首先需要實時掌握其位置信息。無人艇通常采用GPS進行定位，但是GPS信號受天氣影響較大，在云層較厚時，位置信息不準確。
3.3成本高
在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，無人艇需要監(jiān)測多種信息，而這種監(jiān)測信息的手段主要是通過各種用于數(shù)據(jù)采集的傳感器與數(shù)據(jù)處理器相互配合實現(xiàn)，對傳感器測量的精度要求很高。傳感器的測量精度與成本成正比，這也使得無人艇的成本較高。
3.4缺乏操作人員
一般是人在船上通過操舵來控制船的航行，無人艇雖然能夠實現(xiàn)自主航行、路徑選擇等功能，但是在一些情況下，需要人工控制，不同于人工直接操舵方式，無人艇的控制端在服務器或者手機上，操作人員需要登錄進服務器，進入無人艇的控制界面，通過選擇各種按鈕來控制無人艇的運動。由于無人艇控制較為復雜，需要操作人員熟悉各種按鈕的功能，因此在將無人艇應用在水產(chǎn)養(yǎng)殖時需要進行一系列的培訓，幫助養(yǎng)殖人員熟練掌握無人艇的控制技能。
4解決策略
4.1采用智能控制算法進行控制
目前針對無人艇的運動控制算法有PID及改進型PID控制算法、滑膜控制、模糊控制、Backstepping設計法、Lyapunov直接法、廣義預測控制等等，這些控制算法需要精準的船舶運動模型，而無人艇運動是非常復雜的，其運動過程中受到的一些擾動很難建立一種精確的數(shù)學模型進行描述，也造成上述的控制算法不能很好的控制無人艇的運動。隨著計算機技術和新型控制理論的發(fā)展，人工智能技術出現(xiàn)并逐漸應用在控制領域當中，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機等。人工神經(jīng)網(wǎng)絡類似于人的大腦，將其應用在無人艇運動控制中，它可以通過外界輸入信息不斷調(diào)整自身，具有自學習性，能夠模仿、學習人在復雜環(huán)境下的操舵方式，最終可以根據(jù)外界的情況獨立的、智能的、安全的控制無人艇的航行。
4.2采用基站定位
基站定位可以避免云層較厚導致GPS信號接收不到的情況?；径ㄎ坏脑硎菧y量不同基站的下行導頻信號，獲取不同基站下行導頻的到達時間或者是到達時間差，根據(jù)測量的結果以及各基站自身的位置坐標，采用三角公式估算法，就可以計算較為準確的目標位置。實際上參與定位的基站數(shù)量越多，目標的測量精度就會越高，定位性能會越強。采用基站能夠實時獲取無人艇的位置，消除陰雨天無人艇定位不準確的問題，保證了無人艇航行的安全。
4.3設立無人艇操作培訓機構
無人艇的控制是通過后臺進行的，需要登錄相應的控制端。由于無人艇量測的信息較多，功能較多，結構復雜，也使得控制界面較為復雜。對于剛接觸的養(yǎng)殖人員來說，很難通過說明書準確快速掌握無人艇的控制方法，因此，他們需要經(jīng)過專門的培訓，在培訓人員的指導下，熟練的操控無人艇，實現(xiàn)無人艇在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的各種功能。
5結語
科學技術逐漸融入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之中，它在提高農(nóng)產(chǎn)品收益、降低勞動人員的工作強度方面發(fā)揮越來越重要的作用。無人艇是高科技的結晶，雖然現(xiàn)在在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面應用較少，但是它可以幫助養(yǎng)殖人員實時了解到水產(chǎn)養(yǎng)殖動物的生長情況，可以全天候監(jiān)控養(yǎng)殖區(qū)，極大地方便了養(yǎng)殖人員，在未來具有很廣闊的應用前景。
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作者：王恒家 王化明 陳林 單位：浙江海洋大學
