一种基于无人船的水域施肥装置及其方法与流程

本发明涉及水域机器人自动化控制的技术领域，尤其涉及一种基于无人船的水域施肥装置及其方法。

技术背景

无人船是一种借助精确卫星定位和控制系统即可按照预设任务在水面航行并自主作业的全自动水面机器人。随着国防及民用的需求发展，在国防海域、近海养殖和内河环保等水域中有越来越多的无人船在运行并承担任务。为了实现大面积水域养殖场高效施肥，有必要引进无人船系统进行辅助施肥作业。

近年海洋施肥成为研究热点，传统海洋施肥为采取人工措施向海洋上层提供氮、磷、铁等限制性营养元素以增加海洋初级生产力的行为，其在增殖生物资源和减缓气候变化方面均具潜力。如南海光热充足，但外海表层水体大营养元素匮乏，生物生产力低下，大营养元素施肥可提高海域初级生产力，从而可持续地增加渔业产量；施肥繁殖浮游植物而在特定海域形成的饵料生物密集区会吸引鱼群聚集，从而提高外海渔业捕捞效率。

海带在海区所需氮平均含量以及磷含量需要大于一定浓度以上时才能正常生长，自然海区中氮、磷含量一般在这个水平以下，因此必须进行人工施肥；养殖海带时采用“挂袋施肥、泼洒施肥、浸泡施肥、苗绳浸泡”等方法施肥。而紫菜对海水含磷量和含氮量也有类似需求，养殖紫菜时采用“喷洒法、挂袋法、浸泡法”等方法施肥。以上施肥方法一般由渔民开着渔船进行人工施肥，工作量巨大，而且作业时存在安全风险。

内河湖泊渔业养殖原理为，通过人工手段向湖泊水库等水体中投施配比科学的氮、磷、微量元素等营养要素，培肥水质，通过光合作用，促使水中浮游植物，浮游动物大量繁殖，为鲢鳙等浮游生物食性鱼类提供充足的饵料。同时也促进水生植物、固着生物。底栖动物、细菌和维管束植物、腐屑等大量繁殖增加，为草、鳊、鲤、鲫、青、鲴等吃食性鱼类提供部分饵料。从理论和实践证明，不管是在湖泊、水库、池塘等水域投施肥料后，只要水温稳定在20到32度之间，每投一次肥保持三天左右的晴天，浮游生物则可以达到高峰，肥效可维持7天左右，如果定期连续投施化肥，使之形成良性循环，浮游生物将不断新生，成倍增长，目前普遍采取叠加式施肥方法，其培育浮游生物的效果更佳。由于鱼类得到了充足的饵料，鱼产量得到大幅提高。传统湖泊给鱼苗喂养饲料时，需要人工抛洒，施肥不均匀也无法进行效果监控。

技术实现要素：

本发明目的在于，提供一种基于无人船的安全性高、施肥均匀、大面积水域养殖场高效自动施肥、有效监控施肥效果的水域施肥装置，以及一种基于无人船的安全性高、施肥均匀、大面积水域养殖场高效自动施肥、有效监控施肥效果的施肥方法，节约了肥料使用量，提高了施肥效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于无人船的水域施肥装置，包括无人船和设置于无人船上用于向待施肥水域施加肥料的施肥装置；所述无人船包括主控制器、通信设备、视频设备、水质检测器、尾部喷泵系统和蓄电池，所述主控制器分别与所述通信设备、视频设备、水质检测器、尾部喷泵系统和蓄电池耦合；所述施肥装置包括用于装载肥料的肥料存储罐、用于抛洒肥料的抛洒器和用于水底耕土的耕耙。

可选的，所述肥料存储罐安装于所述无人船船体重心垂线上，包括圆筒状罐体，通过定位销固定在所述圆筒状罐体上的圆形盖体，安装在所述圆形盖体上用来搅拌肥料存储罐内肥料的搅拌器以及安装在所述圆筒状罐体下部的圆锥状罐头。

可选的，所述圆锥状罐头底端安装有用于控制出料速率并把肥料导向传送履带的出料阀门，所述出料阀门下方设置有通过第一电动机带动循环传送肥料的传送履带，所述传送履带尾端设置有用于确定肥料选择接货管口的分料阀门。

可选的，所述分料阀门下方左右两侧分别设置有左侧传送管和右侧传送管，所述左侧传送管上端为宽管口用于接收所述分料阀门落下的肥料，下端为圆口管插入所述尾部喷泵系统中喷泵的检修盖接口处；所述右侧传送管上端为宽管口用于接收所述分料阀门落下的肥料，下端为宽口管可把肥料导入所述抛洒器中。

可选的，所述抛洒器安装于无人船船体外侧，包括转盘和设置于所述转盘上的拨片，所述转盘在第二电动机的带动下快速转动，并带动所述拨片敲击大颗粒肥料同时将其抛洒到水域中。

可选的，所述通信设备包括数字电台和图传电台。

可选的，所述视频设备包括安装于无人船桅杆上，用于监视施肥装置工作状态，并把视频信息转发给所述主控制器的主摄像头，所述圆筒状罐体朝主摄像头侧为透明材质，通过主摄像头视频监视肥料剩余量；以及安装于无人船船头，用于监视水域情况，并把视频信息转发给所述主控制器的鱼眼摄像头。

可选的，所述水质检测器安装有测水深探头、测水温探头、测含氮量探头和测含磷量探头，所述主控制器根据水域大小、水体温度和肥料浓度自动优化施肥路线和施肥剂量，所述主控制器把水质监测数据打包处理，经由所述数字电台发送给监控中心。

可选的，所述耕耙设置有两个，分别安装于所述无人船两侧；所述耕耙包括绞盘、齿轮、电插锁、耙根、耙杆、耙绳和耙头，所述耙根固定在无人船侧翼，通过铰链与耙杆连接，所述耙杆为空心杆，其上部设置有一侧孔，所述耙绳一端穿过所述侧孔与位于耙杆下方的耙头连接，另一端连接在绞盘上，通过第三电动机转动绞盘实现耙绳的收或放；所述齿轮连接绞盘一端，齿轮侧面设置电插锁，用于锁止齿轮；当所述耙绳完全带紧时，所述耙头被嵌入于所述耙杆尾端。

本发明还提供了一种基于无人船的水域施肥装置的施肥方法，包括下述步骤：

步骤1:向无人船上肥料存储罐中装载肥料，并记录初始肥料总量，由起点自主航行到施肥水域；

步骤2:无人船按照预设路线开始巡检工作水域，通过水质检测器监测施肥水域的氮和磷浓度，将各点肥料浓度数据记录于主控制器中；巡检过程中无人船通过鱼眼摄像头拍摄工作水域整体状态并传送给主控制器；

步骤3：监控中心根据数据包中水深或作物情况确定是否需要进行水底耕土，如果需要，则通过主控制器给耕耙对应第三电动机下发指令驱动绞盘转动而调整耙绳长度，使耙头到达水底，然后由主控制器制定翻耕路线，并驱动无人船自动航行带动耙头完成水底土的翻耕；

步骤4:根据水体温度和水域氮和磷浓度自动优化施肥路线和水域面各点施肥需求量，并根据携带的肥料特性和所需施肥需求量选择施肥方式；

步骤5:无人船根据施肥路线开始自动施肥，主控制器根据各点施肥需求量，并根据船体速度和施肥需求量确调节出料阀门的开度，在施肥过程中搅拌器一直转动使肥料存储罐中肥料均匀往下掉；主摄像头拍摄施肥装置相关情况，并传送给主控制器；

步骤6:当主控制器控制分料阀门打向左侧，肥料被导入尾部喷泵系统中，先由检修口进入，喷泵高强度流动水体带动后经由喷泵出水管喷出；当主控制器控制分料阀门打向右侧，肥料被导入抛洒器中，抛洒器的转盘在第二电动机带动下快速转动，并带动拨片敲击大颗粒肥料同时将其大力抛洒到水域中；

步骤7:主控制器根据船速和出料阀门开度估算肥料剩余量，当肥料不足则由主控制器生成报警信号并向监控中心传回肥料剩余量和报警信息；步骤5中主摄像头传回肥料剩余情况视频；

步骤8:无人船施肥完毕，自动返航到起点。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)无人船主控制器收集水域施肥经验数据制成《施肥经验表》，用于优化施肥操作过程。

2)利用无人船自主航行和视频监控功能完成水域巡检，并利用水质检测器完成水域氮和磷的实时监测，为优化施肥路线和施肥需求量提供数据支持。

3)根据水深监测结果确定是否采用耕耙翻土，耕耙翻土实现海底沉积肥料的再次溶解，改善肥料使用效果。

4)无人船上设置施肥装置能实现大量肥料的自动施肥，实现水域施肥自动化。

5)当单位面积施肥需求量较小时，施肥装置把可溶性肥料导入喷泵系统中，利用强流动性的水流加速肥料的溶解和泼洒范围。

6)当单位面积施肥需求量较大时，施肥装置把肥料导入抛洒器中，利用高速旋转的抛洒器铺开抛洒，保证了施肥效率。

7)本发明不需要渔民开着渔船进行人工施肥，减少了渔民的工作量和降低了渔民的工作强度，安全性高，施肥均匀，能在大面积水域养殖场实现高效自动施肥，且能有效监控施肥效果，节约了肥料使用量，提高了施肥的效率。

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，显而易见地，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种基于无人船的水域施肥装置的结构示意图；

图2是本发明图1中抛洒器的结构示意图；

图3是本发明图1中耕耙的结构示意图；

图4是本发明图1中水质检测器的结构示意图；

图5是本发明实施例中提供的无人船实现水域施肥过程的示意图。

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他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-5所示,一种基于无人船的水域施肥装置，包括无人船10和设置于无人船上用于向待施肥水域施加肥料的施肥装置；所述无人船包括主控制器11、通信设备、视频设备、水质检测器71、尾部喷泵系统40和蓄电池12，所述主控制器11分别与所述通信设备、视频设备、水质检测器71、尾部喷泵系统40和蓄电池12耦合；所述施肥装置包括用于装载肥料的肥料存储罐、用于抛洒肥料的抛洒器和用于水底耕土的耕耙。

所述肥料存储罐安装于所述无人船10船体重心垂线上，包括圆筒状罐体21，通过定位销固定在所述圆筒状罐体21上的圆形盖体22，安装在所述圆形盖体22上用来搅拌肥料存储罐内肥料的搅拌器24以及安装在所述圆筒状罐体21下部的圆锥状罐头23。

所述圆锥状罐头23底端安装有用于控制出料速率并把肥料导向传送履带30的出料阀门25，所述出料阀门25下方设置有通过第一电动机31带动循环传送肥料的传送履带30，所述传送履带30尾端设置有用于确定肥料选择接货管口的分料阀门32。

所述分料阀门32下方左右两侧分别设置有左侧传送管41和右侧传送管51，所述左侧传送管41上端为宽管口用于接收所述分料阀门落下的肥料，下端为圆口管插入所述尾部喷泵系统40中喷泵的检修盖接口处；所述右侧传送管51上端为宽管口用于接收所述分料阀门落下的肥料，下端为宽口管可把肥料导入所述抛洒器中。

所述抛洒器安装于无人船船体外侧，包括转盘53和设置于所述转盘53上的拨片54，所述转盘53在第二电动机52的带动下快速转动，并带动所述拨片54敲击大颗粒肥料同时将其抛洒到水域中。

具体地，主控制器11确定施肥方式为“强水搅拌”时，传送履带30在第一电动机31带动下循环传送肥料，主控制器11控制分料阀门32打向左侧，此时肥料落入左侧传送管41；所述左侧传送管41上端为宽管口用于接肥料，下端为圆口管插入喷泵的检修盖接口处，可把细颗粒或可溶性肥料导入尾部喷泵系统40的入水管道中，具体为由检修口进入，利用喷泵高强度流动水体带动肥料，经由喷泵出水管喷出。

主控制器11确定施肥方式为“铺开抛洒”时，传送履带30在第一电动机31带动下循环传送肥料，主控制器11控制分料阀门32打向右侧，此时肥料落入右侧传送管51；所述右侧传送管51上端为宽管口用于接肥料，下端为宽口管把肥料导入抛洒器中，抛洒器的转盘53在第二电动机52带动下快速转动，并带动拨片54敲击大颗粒肥料同时将其抛洒到水域中。

无人船上设置施肥装置能实现大量肥料的自动施肥，实现水域施肥自动化；当单位面积施肥需求量较小时，施肥装置把可溶性肥料导入喷泵系统中，利用强流动性的水流加速肥料的溶解和泼洒范围；当单位面积施肥需求量较大时，施肥装置把肥料导入抛洒器中，利用高速旋转的抛洒器铺开抛洒，保证了施肥效率。

所述通信设备包括数字电台13和图传电台14。

所述视频设备包括安装于无人船桅杆上，用于监视施肥装置工作状态，并把视频信息转发给所述主控制器11的主摄像头15，所述圆筒状罐体21朝主摄像头15侧为透明材质，保证通过主摄像头可以视频监视肥料剩余量；以及安装于无人船船头，用于监视水域情况，并把视频信息转发给所述主控制器11的鱼眼摄像头16，主控制器11整合视频信息并经由图传电台14发送给监控中心。

所述水质检测器71安装有测水深探头711、测水温探头712、测含氮量探头713和测含磷量探头714，水质检测器71通过电液推杆73转动转盘72实现拉绳的收和放，从而实现水质检测器71的收或放；其中含氮量探头713为肥料传感器之一，可根据肥料特点配置不同探头监测施肥水体剩余肥料浓度；所述主控制器11根据水域大小、水体温度和肥料浓度自动优化施肥路线和施肥剂量，所述主控制器11把水质监测数据打包处理，经由所述数字电台13发送给监控中心。

制定《施肥经验表》如表1所示：

表1施肥经验表

上表中：t为水体温度,a为水体剩余含氮量，b为水体剩余含磷量，a为每平方千米施氮肥需求量，b为施磷肥需求量，v为船速，k为出料阀门开度；f1()和f2()和f3()为对应经验函数，此函数关系直接查表即可。在施肥经验表中，把水温拆分为8段，分别为：[t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]、[t6，t7]、[t7，t8]；将水体氮剩余肥料浓度拆分为8段，分别为：[a0，a1]、[a1，a2]、[a2，a3]、[a3，a4]、[a4，a5]、[a5，a6]、[a6，a7]、[a7，a8]；将水体磷剩余肥料浓度拆分为8段，分别为：[b0，b1]、[b1，b2]、[b2，b3]、[b3，b4]、[b4，b5]、[b5，b6]、[b6，b7]、[b7，b8]；所以施肥经验表中一共记录由64个施氮需求量数据，64个施磷需求量数据；施肥时根据实测值(t,a,b)，查询得到(a,b)，进而指导施肥需求量数据；

船速越快，氮或磷的需求量越大，出料阀门开度越大，根据实验得到公式f3()；当不需要或暂停施肥时，出料阀门开度为0。

根据上述无人船主控制器收集水域施肥经验数据制成《施肥经验表》，用于优化施肥操作过程；利用无人船自主航行和视频监控功能完成水域巡检，并利用水质检测器71完成水域氮和磷的实时监测，为优化施肥路线和施肥需求量提供数据支持。

所述耕耙设置有两个，分别安装于所述无人船10两侧；所述耕耙包括绞盘61、齿轮68、电插锁69、耙根62、耙杆63、耙绳66和耙头67,所述耙根62固定在无人船10侧翼，通过铰链与耙杆63连接，所述耙杆63为空心杆，其上部设置有一侧孔64，所述耙绳66一端穿过所述侧孔64与位于耙杆63下方的耙头67连接，另一端连接在绞盘61上，通过第三电动65机转动绞盘61实现耙绳的收或放,绞盘61另一端连接齿轮68，齿轮68侧面设置电插锁69，通过锁舌锁止齿轮；当所述耙绳66完全带紧时，所述耙头67被嵌入于所述耙杆63尾端。主控制器11根据水深情况确定是否进行水底耕土，当需要水底耕土时，给第三电动机65下发指令驱动绞盘61转动，主控制器11根据从设置在第三电动机轴端的编码器采集的脉冲信号计算转动圈数，确定耙绳66的长度，控制第三电动机65调整耙绳66长度，当把耙头67放入水底，无人船前行时，此时第三电动机65停止转动，为防止耕耙卡在水底带动绞盘转动，此时主控制器11控制电插锁69伸出锁舌，锁止齿轮68，带动耕耙对水底土翻耕，把底泥沉积肥料重新搅拌起来，实现二次化解利用。当需缩短耙绳66的长度时，主控制器11控制电插锁69收回锁舌，驱动第三电动机65反转。

当施肥水域需要水底土耕翻时，根据“水深”确定耕绳下放长度，公式为：

l＝1.2*hifhmin<h<hmax(1)

l＝0ifhmin>horh>hmax(2)

如公式(1)所示，当主控制器判定水域作物适合翻土，水深深度适合耕耙时，耕绳下放长度为l＝1.2*h；如公式(2)所示，当主控制器判定水域作物不易耕翻底土时，或水深太深不宜耕耙时，耕绳下放长度为l＝0。

上述公式中，l、h、hmin、hmax分别代表耕绳下放长度、水深深度、最小水深阈值和最大水深阈值。

根据水深监测结果确定否采用耕耙翻土，耕耙翻土实现海底沉积肥料的再次溶解，提供肥料使用效果。

其中，所述蓄电池12给主控制器11、通信设备、视频设备、搅拌器、出料阀门25、分料阀门32、第一电动机31、第二电动机52、第三电动机65和电液推杆73、电插锁69供电，主控制器11通过导线电连接出料阀门25、分料阀门32、编码器、通信设备、视频设备、水质检测器71、第一电动机31、第二电动机52、第三电动机65、电液推杆73和电插锁69，并监控出料阀门25、分料阀门32、通信设备、视频设备、水质检测器71、第一电动机31、第二电动机52、第三电动机65和电液推杆73的工作状态。

本发明还提供了一种基于无人船的水域施肥装置的施肥方法，包括下述步骤：

步骤1:向无人船10上肥料存储罐中装载肥料，并记录初始肥料总量，由起点自主航行到施肥水域；

步骤2:无人船10按照预设路线开始巡检工作水域，通过水质检测器71监测施肥水域的氮和磷浓度，将各点肥料浓度数据记录于主控制器11中；巡检过程中无人船10通过鱼眼摄像头16拍摄工作水域整体状态并传送给主控制器11；

步骤3：监控中心根据数据包中水深或作物情况确定是否需要进行水底耕土，如果需要，则通过主控制器11给耕耙对应第三电动机65下发指令驱动绞盘61转动而调整耙绳66长度，使耙头67到达水底，然后由主控制器11制定翻耕路线，并驱动无人船10自动航行带动耙头67完成水底土的翻耕；

步骤4:主控制器11借助《施肥经验表》，根据水体温度和水域氮和磷浓度自动优化施肥路线和水域面各点施肥需求量，并根据携带的肥料特性和所需施肥需求量选择施肥方式；

步骤5:无人船10根据施肥路线开始自动施肥，主控制器11根据各点施肥需求量，借助《施肥经验表》并根据船体速度和施肥需求量确调节出料阀门25的开度，在施肥过程中搅拌器24一直转动使肥料存储罐中肥料均匀往下掉；主摄像头15拍摄施肥装置相关情况，并传送给主控制器11；

步骤6:当施肥方式选为“强水搅拌”时，主控制器11控制分料阀门32打向左侧，肥料被导入尾部喷泵系统40中，先由检修口进入，喷泵高强度流动水体带动后经由喷泵出水管喷出；当施肥方式选为“铺开抛洒”时，主控制器11控制分料阀门32打向右侧，肥料被导入抛洒器中，抛洒器的转盘53在第二电动机52带动下快速转动，并带动拨片54敲击大颗粒肥料同时将其大力抛洒到水域中；

步骤7:主控制器11根据船速和出料阀门25开度估算肥料剩余量，当肥料不足则由主控制器11生成报警信号并向监控中心传回肥料剩余量和报警信息，步骤5中主摄像头传回肥料剩余情况视频；

步骤8:无人船施肥完毕，自动返航到起点。

本发明不需要渔民开着渔船进行人工施肥，减少了渔民的工作量和降低了渔民的工作强度，安全性高，施肥均匀，能在大面积水域养殖场实现高效自动施肥，且能有效监控施肥效果，节约了肥料使用量，提高了施肥的效率。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。