一种智能渔业养殖无人船的制作方法

本实用新型涉及智能渔业技术领域，具体为一种智能渔业养殖无人船。

背景技术：

到目前为止，我国还是一个农业大国，渔业作为农业的重要组成部分之一，也是农村经济的重要支柱。改革开放以来，我国的渔业发展迅速，1978年到2015年渔业经济产值从40.54亿元增长到22019.94亿元。渔业发展对保障粮食安全、改善居民膳食结构、提高渔民的收入、稳定农业经济结构等发挥重要作用。由于具有品种丰富、口味鲜美、营养价值高等特点，水产品在居民的饮食消费中占比不断升高，水产品需求存在扩张的空间和趋势。但是我国渔业没有摆脱传统的粗放型养殖方式，随着水产行业的不断发展，养殖密度不断加大，在水产养殖过程中缺乏对水质环境的有效监控，养殖过程中不合理的投喂和用药极大地恶化了水质环境，影响水产品质量，加剧水产病害的发生，使得水产品质量安全、水环境污染、养殖风险等问题非常严重。“养鱼要先养水”，水生态作为整个生态系统重要的一环，也是鱼类生存和繁衍的栖息地，因此能够及时地掌握养殖水体以及养殖鱼类的动态变化，有助于人们能够及时地调控水质和防病治病，提高鱼类养殖的成活率、生长与繁衍的速度和鱼类安全品质，从而整体提高养殖效益。然而在传统的养殖方式中，水质人工采样和定点检测的方式时效性差、实施成本高、检测密度低，且多依靠经验判断鱼群情况，同时对于水质的治理和鱼群疾病防治的用药方式不合理会造成水体的二次污染。

面对传统养殖方式中存在的问题，本实用新型提出了一种智能渔业养殖无人船，能够实现在养殖水域的自主巡航，实时监测水质的动态变化和鱼群运动情况，精准地采集水样和投放物料和药物，并将检测数据云端存储用于科研分析。该实用新型是无人船在渔业养殖行业的实践，对于推动传统渔业养殖方式的变革具有重要意义，同时该无人船具有重要的经济价值和科研价值。

技术实现要素：

（一）解决的技术问题

本实用新型的目的在于提供一种智能渔业养殖无人船，以解决上述背景技术中提出的实际问题。

（二）技术方案

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种智能渔业养殖无人船，包括船体结构、能源模块、动力模块、通信模块、巡航与避障模块、水质检测模块、采样与投放模块、控制与驱动模块、声纳模块、云端服务器和客户端，所述能源模块包括12V/26Ah的锂电池、单晶12V/20W的太阳能板、太阳能控制器，所述动力模块由两个12V/30W的直流电机组成，所述巡航避障模块由GPS模块和超声波传感器模块组成，所述GPS模块通过所述通信模块实时将位置信息传输到所述客户端，所述超声波传感器分别设有水下和水面两组，所述声纳模块为超声波探鱼器且设置于船体底部，所述采样与投放模块包括步进电机和双向水泵，所述检测模块包括温度传感器、酸碱度传感器、溶解氧传感器、氨氮传感器、浊度传感器和盐度传感器，。

优选的，所述通信模块采用第四代移动通信技术。

优选的，所述控制与驱动模块是由型号为STM32F103ZET6芯片的控制器组成的。

优选的，所述动力模块中的两个所述12V/30W的直流电机的电机型号为XD-3420。

优选的，所述客户端基于C#语言在VS环境下设计的。

（三）有益效果

1.市面很少有专业应用于渔业养殖的无人船，填补无人船的渔业养殖方面的空白；2.无人船采用模块化组装，能够灵活改装，应对不同的实际场合；3.无人船采用清洁能源，并搭配太阳能电池，增加其续航能力且不会造成污染；4.无人船体积小，吃水浅，能够检测很多人工船无法到达区域；5.相较于传统的人工采样检测，无人船多要素水质检测模块的实时监测能够保证检测结果的时效性，能够及时做出应急处理，且极大降低人工、时间和物料成本；6.无人船的定点定深投放模块可以在指定地点和深度进行采样，解决对水质更高要求检测的问题；在对水体治理和鱼群疾病防治时采用定点定深定量投放，能够节约物料和药品，同时减小药品和物料造成的二次污染；7.无人船探鱼模块能够检测鱼群分布密集度和活动情况，结合GPS位置信息和水质检测数据，有利于分析鱼群的生长习性；8.采用禁忌搜索算法和巡航壁障模块规划最合理巡航路线，节省检测时间和电池消耗；9.所有检测数据云端存储，对于渔业养殖和水质分析具有重要的科研和经济价值。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述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实用新型的一些实施例，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他的附图。

图1为无人船整体结构图；

图2为无人船动力模块工作流程图；

图3为L298N芯片驱动电路图；

图4为无人船巡航与避障系统工作流程图；

图5为禁忌算法航线规划流程图；

图6为无人船水质与鱼群检测工作流程图；

图7为无人船采样与投放工作流程图；

图8为L298N芯片控制方式和电机状态表。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

一种智能渔业养殖无人船，包括船体结构、能源模块、动力模块、通信模块、巡航与避障模块、水质检测模块、采样与投放模块、控制与驱动模块、声纳模块、云端服务器和客户端，所述能源模块包括12V/26Ah的锂电池、单晶12V/20W的太阳能板、太阳能控制器，所述动力模块由两个12V/30W的直流电机组成，所述巡航避障模块由GPS模块和超声波传感器模块组成，所述GPS模块通过所述通信模块实时将位置信息传输到所述客户端，所述超声波传感器分别设有水下和水面两组，所述声纳模块为超声波探鱼器且设置于船体底部，所述采样与投放模块包括步进电机和双向水泵，所述检测模块包括温度传感器、酸碱度传感器、溶解氧传感器、氨氮传感器、浊度传感器和盐度传感器。所述通信模块采用第四代移动通信技术；所述控制与驱动模块是由型号为STM32F103ZET6芯片的控制器组成的；所述动力模块中的两个所述12V/30W的直流电机的电机型号为XD-3420；所述客户端基于C#语言在VS环境下设计而成的，能源模块采用12/26Ah锂电池一块，单晶12V/30W太阳能电池板一块，采用太阳能技术增加无人船续航能力，整船采用清洁能源不会造成水体污染，空载转速可达2500r/min，可正反转，圆柱体结构，尺寸为52*70mm，并对电机做防水处理，搭配双H桥电机驱动模块，即采用L298N为驱动芯片，两路PWM信号协同控制为无人船航行提供动力，通信模块使用了第四代移动通信技术，采用型号为USR-LTE-7S4无线通信模块，通过串口与STM32F103ZET6连接，能够进行高速的数据传输，实现无人船、云端服务器和客户之间的信息交互，摆脱了传统射频通信方式的距离限制。巡航避障模块由GPS模块和超声波传感器组成，通过客户端设置无人船航行路线，通过客户端在电子地图中规划巡航路线，当无人船航行时将GPS的定位信息传送到客户端，且于巡航路线比较计算，并将航向角度修正指令发送给船体；在航行中采用水下和水上两组超声波传感器，分别检测水面和水下障碍物，当检测到障碍物距离达到最小值时修改航向。声纳模块由一个安装在船体底部的超声波探鱼器组成，探测深度为30M，可探测鱼群分布及密度情况，监测鱼群是否活动异常，并将数据通过通信模块传输到客户端。多要素水质模块由温度传感器、PH传感器、溶解氧传感器、氨氮传感器、浊度传感器和电导率传感器组成，其中pH、氨氮、溶解氧、浊度和电导率传感器与STM32F103ZET6控制芯片的RS485接口相连接，水温传感器通过AD转换直接与中央控制器连接，检测的信息通过通信模块上传到客户端和服务器。采样与投放模块有一个步进电机和双向水泵组成，在客户端设置采样/投放位置和深度信息后，无人船通过巡航避障模块到达指定地点，根据深度数据，控制器驱动步进电机下放制定长度水管后水泵进行采样/投放工作。客户端基于C#语言在VS环境下设计而成，通过网络实现与船体和服务器的通信，界面主要显示船体信息、航行路线、操作指令、水质检测信息和鱼群检测信息等。云服务器能够将检测数据进行云端存储，实现船体、客户端的通信，并根据客户端标定的检测点利用禁忌搜索算法规划无人船航行路径。

现根据说明书附图，对本实用新型进一步说明，船体作为航行的主体，也是其他功能模块的载体，采用STM32F103ZET6型号作为控制器，集成了能源模块、动力模块、通信模块、避障巡航模块、水质检测模块、鱼群监测模块和采样与投放模块，并配套云服务器与客户端系统；采用锂电池加太阳能电池板结构作为能源模块为全船提供工作能源；两个12V无刷直流电机是船体航行的动力来源，如图2所示，避障巡航系统、航线规划系统以及通信模块协同工作，然后经过控制器处理后生成PWM信号，经L298N芯片驱动电机工作；电机驱动电路如3所示，L298N芯片可以同时驱动两路无刷直流电机，使能端ENA、ENB为高电平时有效，控制方式和直流电机状态如表1所示，若对电机进行调速，只需要设置IN1，IN2确定电机转向，然后对使能端输出PWM脉冲即可；通信模块采用4G通信技术，将4G DTU模块通过串口与控制器通信，能够实现远距离高速数据传输；避障巡航模块主要由GPS系统和超声波传感器组成，如图4所示，客户端设定好巡航路径后，给无人船发动启动指令，启动电机工作，然后每秒超声波传感器检测前方是否存在障碍物且障碍距离小于警戒值，如果小于警戒值则做出避障转向，然后再修正航向，否则航向不变；每3秒进行一次航向校正，即读取GPS定位信息和电子罗盘角度信息，如果到达检测终点则电机停止工作，否则处理器参照规划航线进行角度计算，采用差速法生成两路PWM信号驱动电机工作进行航向调整，当航向校正后正向前进，即左右电机差速为0；基于禁忌搜索的航线规划系统主要是在云服务器内完成，如图5所示，当客户端设置好相应的检测点，检测点的位置信息，转化为而为坐标信息，然后发送至服务器，利用禁忌搜索算法进行航线规划，该算法首先用随机法生成初始解（初始航线），然后采用2-opt法生成若干组领域解（领域航线），根据航线长度选出一部分作为候选解（候选航线），如果最优候选解由于当前解（当前航线），则最优候选解代替当前解，且进入禁忌表，取代最先进入禁忌表的解，否则在非禁忌的候选解中选最优解取代当前解并进入禁忌表，重复以上迭代计算直到完成相应的迭代次数；无人船的检测部分主要分为两部分，即多要素水质检测和鱼群检测，水质检测部分由六个传感器组成，除了温度传感器直接与处理器的AD接口连接实现数据读取，氨氮、浊度、电导率、溶解氧、酸碱度传感器采用RS485通信协议与处理器的RS485接口连接，工作模式如图6所示，一次完整的通信过程分为3个阶段：主机询问、从机应答和链路释放，鱼群检测模块主要通过水下超生波传感器组成，通过串口与处理器实现通信；采样和投放模块是为解决更高精度的水质检测和水质治理与鱼病防治问题而设计的，主要有伺服电机和双向水泵进行工作，如图7所示，在客户端上设置采样/投放的工作点以及深度，数据发送给无人船，当无人船巡航至工作位置时，制动漂浮，处理器根据设定深度驱动伺服电机将导管投放到工作深度，然后水泵进行采样和投放工作。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。