一种水产养殖作业船自动转塘系统及位姿调整方法与流程

1.本发明涉及自动控制、机械结构和机器视觉领域，具体涉及一种水产养殖作业船自动转塘系统及位姿调整方法。


背景技术：

2.水产养殖作业船是具有自动巡航、自动驻泊、投饵施药与水质检测等多种功能的自动化装备，其运用能有效提高作业效率，效降低人工劳动强度，进而提高水产养殖的经济效益。但是由于天然习性，许多水产必须分塘养殖，塘与塘之间通过堤埂隔开。目前的水产养殖作业船大都不具备自动转塘功能，且体积与重量也难以通过人工搬运进行转塘。所以当前许多水产养殖采取“一塘一船”的方案，但是“一塘一船”会大大增加使用成本，如果实现水产养殖作业船的自动转塘，将显著扩大单船作业范围，带来明显的经济效益，因此设计一种水产养殖作业船自动转塘系统及位姿调整方法十分必要。


技术实现要素：

3.基于上述对水产养殖作业船自动转塘系统的需求，本发明提出一种水产养殖作业船自动转塘系统及位姿调整方法。
4.本发明的技术方案为：一种水产养殖作业船自动转塘系统，包括水产养殖作业船、转塘架、船载控制系统；
5.所述转塘架固定在池塘间堤埂上；所述水产养殖作业船能够自动跨越固定在池塘间堤埂上的转塘架实现跨水域作业；
6.所述转塘架由依池塘间堤埂截面形状搭建的梯形齿条架、梯形导轨及辅助支撑杆件组成；齿条分别固定在于导轨抽对称的两侧的齿条架上，中间引导导轨略低于两侧齿条，以使船体在转塘架上具有一个比较理想的俯仰角；中间引导导轨位于两端的斜坡部分被涂为红色，与周围环境形成鲜明色差，以方便视觉检测；
7.所述水产养殖作业船由位于船体一端对称分布于船体二侧的明轮驱动，与明轮同轴安装有齿轮，齿轮外侧安装喇叭形挡板，喇叭形挡板在船架对接时起到辅助作用，降低船架对接时的难度，在转塘时对作业船限位，提高作业船行进的稳定性；船体前端的中间安装一个末端为滑动滚轮的具有自锁功能的机械臂，机械臂通过旋转关节进行状态切换，水产养殖作业时，控制机械臂使滑动滚轮保持在水面之上，以减少船体航行阻力；在接近转塘架时，控制机械臂使滑动滚轮向下，准备转塘；
8.所述船载控制系统包括主控模块、gps/beidou模块、机器视觉模块、imu模块、电机驱动模块及电源管理系统；通过电源管理系统对控制系统进行电源管理，主控模块作为整个控制系统的控制中心，gps/beidou和机器视觉模块通过uart接口与主控模块连接、imu模块通过iic接口接到主控模块、主控模块通过pwm生成模块和gpio对驱动模块进行控制，驱动模块又分别对明轮电机和减速器控制。
9.进一步，机器视觉模块的相机安装在作业船纵向中心线上，位于船体前部，朝向作
业船正前方，距水面1米高，拍摄角度水平向前。
10.进一步，通过船载gps/beidou定位系统实现初定位，在接近转塘架时，通过船载视觉模块检测水产养殖作业船与转塘架的相对位姿，然后船载控制系统根据检测结果调整作业船行进方向，进而使水产养殖作业船自动对接转塘架，其中，齿轮对准齿条，机械臂上的滚轮对准引导导轨，最后通过直流电机驱动使作业船沿转塘架行进实现自动转塘。
11.进一步，转塘时，水产养殖作业船的齿轮与转塘架上的齿条啮合产生驱动力、并形成二点支撑，机械臂末端的滑动滚轮作用在转塘架的导轨上形成第三点支撑，水产养殖作业船通过直流电机驱动齿轮沿齿条啮合行进。
12.进一步，转塘时，船载控制系统不断检测水产养殖作业船俯仰角以判断其所处状态；在转塘上坡阶段，通过直流电机驱动控制直流电机处于电动状态，提供正向转矩，牵引作业船正向爬坡；在转塘下坡阶段，控制直流电机处于发电制动状态，提供反向转矩，使作业船平稳下坡。
13.进一步，船载控制系统通过控制减速器调整机械臂进而控制船体在转塘架上的俯仰角；上坡阶段，机械臂向下与导轨呈较小夹角，以减小机械臂关节与导轨的垂直距离，使船体仰角较小；水平阶段，机械臂向下与导轨呈适中夹角，使船体保持水平；下坡阶段，机械臂向下与导轨呈90度夹角，机械臂关节与导轨的垂直距离最大，使船体仰角较小；
14.所述机械臂向下与导轨所呈夹角由明轮轴位置、明轮轴与机械臂关节相对位置、机械臂长度以及转塘架结构尺寸决定，通过设计图或现场测量计算获得，转塘过程中船体俯仰角较小可降低作业船爬坡难度和提高船体行进的稳定性。
15.进一步，水产养殖作业船在水产养殖作业时，使用船载gps/beidou定位系统和作业池塘电子地图实现路径导航；在转塘时，依靠船载gps/beidou定位系统和转塘架的地理信息，以合适的位置和方向接近转塘架，实现初定位，使作业船具有一个比较合适的转塘初始位姿。
16.进一步，还包括，初定位位姿为距离转塘架中间导轨正前方4m左右，航向正对转塘架中间导轨；初定位结束，切换船载视觉模块，通过视觉纠偏对接转塘架，所使用gps/beidou定位系统精度小于50cm，其能确保视觉模块捕捉到转塘架中间导轨的完整信息。
17.一种水产养殖作业船自动转塘系统及位姿调整方法的位姿调整方法，以转塘架中间引导导轨正投影为纵轴，与其垂直方向为横轴，以两侧齿条入水点连线的中点为原点，建立转塘坐标系，坐标系右下侧区域记为i区，左下侧区域记为ii区，记作业船当前位置为a点；具体包括：
18.步骤1)、通过图像预处理得到待检测图像,图像预处理是指将采集到的大幅面高分辨率图像进行分辨率降低，对于噪声严重的图像还要进行图像滤波处理；
19.步骤2)、选取大量引导导轨上大小为5*5的像素点集和导轨外大小为5*5的像素点集并将其分别作为正例和反例，所述正例和反例选取应包括各种角度拍摄的图像，且各种角度选取的正反例数量需要达到设定数量级；
20.步骤3)、建立bp神经网络并用采集的正例和反例对其进行多次训练，所述bp神经网络输入层节点为75，输出层节点数为1；
21.步骤4)、选取测试误差最小的网络对图像进行识别，所述的图像识别是将每个像素点及其周边5*5范围像素的rgb值共计75个数据输入bp神经网络进行判别；
22.步骤5)、将判别结果进行二值化得到识别后的二值图像，再利用hough变换直线检测提取出转塘架上的红色导轨，采用最小二乘法拟合出一条对应于导轨的直线段；
23.步骤6)、计算提取出的直线段与图像纵线的夹角为α，斜率为正时α为正，斜率为负时α为负；由相机小孔成像原理可知，若α为正，则船载相机位于转塘坐标系i区，若α为负，则船载相机位于转塘坐标系ii区,若α为零,则船载相机位于转塘坐标系y轴上；
24.步骤7)、将处理后的图像分为6个区域，以图像纵中线为界左右对称划分，距图像纵中线图像宽度处定义为调整初始线，距图像纵中线图像宽度处定义为安全边界线；6个部分从左向右依次命名为左侧边界区域，左侧调整区域、左中区域、右中区域、右侧调整区域、右侧边界区域；以上区域划分用于船位姿调整时的姿态检测与姿态控制；设定边界区域防止跟踪的转塘架中间导轨在图像中丢失。
25.进一步，还包括，根据船载视觉模块所处位置，分别使用下述三类策略进行作业船转塘位姿纠偏：
26.第一类：船载相机位于转塘坐标系y轴上
27.若图像中提取出的线段位于图像纵中线上，则作业船位姿正确，使左右侧明轮同速，保持航向；
28.若图像中提取出的线段位于图像纵中线的左侧，则作业船位置正确、方向右偏，使右侧明轮转速高于左侧明轮，使航向角左偏；
29.若图像中提取出的线段位于图像纵中线的右侧，则作业船位置正确、方向左偏，使左侧明轮转速高于右侧明轮，使航向角右偏；
30.第二类：船载相机位于转塘坐标系的i区域
31.若图像中提取出的线段的下端点位于右侧调整初始线左侧，使右侧明轮转速高于左侧明轮，使航向角左偏；
32.若图像中提取出的线段的上端点位于右侧安全边界线右侧，使左侧明轮转速高于右侧明轮，使航向角右偏；
33.若图像中提取出的线段的下端点位于右侧调整初始线右侧5个像素内，使左右侧明轮同速，保持航向；
34.第三类：船载相机位于转塘坐标系的ii区域
35.若图像中提取出的线段的下端点位于左侧调整初始线右侧，使左侧明轮转速高于右侧明轮，使航向角右偏；
36.若图像中提取出的线段的上端点位于左侧安全边界线左侧，使右侧明轮转速高于左侧明轮，使航向角左偏；
37.若图像中提取出的线段的下端点位于左侧调整初始线左侧5个像素内，使左右侧明轮同速，保持航向；
38.综上，若作业船位于转塘坐标系i区域，则作业船不断向左修正，直至作业船纵中线位于转塘架纵中线上，完成修正；作业船位于转塘坐标系ii区域同理；故经gps/beidou转塘初定位的作业船经以上方法能被修正到转塘架纵中线上，且方向正对，进而实现转塘。
39.本发明的有益效果是：本发明为一种水产养殖作业船自动转塘系统及位姿调整方法，可以自动跨越固定在开阔池塘间堤埂上的转塘架实现跨水域作业。其能显著扩大单船
作业范围，提高水产养殖船的利用率，提高作业效率，降低人工劳动强度，进而提高水产养殖的经济效益，在水产养殖领域具有较强的实用意义。
附图说明
40.图1水产养殖作业船自动对接转塘架过程示意图；
41.图2水产养殖作业船控制系统结构图；
42.图3水产养殖作业船侧视图；
43.图4机械臂姿态与船体在转塘架上俯仰角关系图；
44.图5视觉判断位姿方法示意图；其中，图(a)为航向角改变前图像动态变化情况，图(b)为航向角改变后图像动态变化侵情况，图中所标序号为图像动态变化先后次序。
45.图6转塘坐标系及转塘位姿纠偏示意图。
具体实施方式
46.下面结合附图对本发明的具体实施方案做进一步描述。
47.本发明提出一种水产养殖作业船自动转塘系统及位姿调整方法，可以自动跨越固定在池塘间堤埂上的转塘架实现跨水域作业。下面就设备的安装与具体运行方式进行阐述。
48.1、设备安装与船架结构
49.水产养殖作业船如图1所示由位于一端二侧的明轮驱动，与明轮同轴安装有齿轮，齿轮外侧安装喇叭形挡板，降低船架对接所需难度，在转塘时起到作业船限位作用，提高作业船行进的稳定性。水产养殖作业船的另一端安装一个末端为滑动滚轮的机械臂，机械臂通过旋转关节进行状态切换，水产养殖作业时，控制机械臂使滑动滚轮保持在水面之上，以减少船体航行阻力；在接近转塘架时，控制机械臂使滑动滚轮向下，准备转塘。根据设计图或现场测量获得明轮轴位置、明轮轴与机械臂关节相对位置、机械臂长度以及转塘架结构尺寸，计算机械臂向下与导轨所呈夹角，使上坡阶段，船体仰角较小；水平阶段，船体保持水平；下坡阶段，船体俯角较小。
50.如图2所示，船载控制系统由主控模块、gps/beidou模块、机器视觉模块、imu模块、电机驱动模块及电源管理系统组成。通过电源管理系统对控制系统进行电源管理，主控模块作为整个控制系统的控制中心，gps/beidou和机器视觉模块通过uart接口与主控模块连接、imu模块通过iic接口接到主控模块、主控模块通过pwm生成模块和gpio对驱动模块进行控制。
51.如图3所示，相机安装在作业船纵向中心线上，位于船体行进方向前部，朝向作业船正前方，距水面1m高，拍摄角度水平向前。
52.如图4所示，转塘架由依池塘间堤埂截面搭建的梯形齿条架、梯形导轨及辅助支撑杆件组成。中间导轨略低于两侧齿条，以使船体在转塘架上具有一个比较理想的俯仰角，防止侧翻。中间导轨斜坡部分被涂为红色，与周围环境形成鲜明色差，以方便视觉检测。
53.测量转塘架的经纬度信息，方便船载gps/beidou定位系统实现初定位。
54.2、转塘导航初定位
55.在转塘时，首先依靠船载gps/beidou定位系统和转塘架的地理信息，以合适的位
置和方向接近转塘架，实现初定位，使作业船具有一个比较合适的转塘初始位姿。初定位位姿为距离转塘架中间导轨正前方约4m左右，航向正对转塘架中间导轨。初定位结束，切换船载视觉模块，通过视觉纠偏对接转塘架，所使用gps/beidou定位系统精度小于50cm，其能确保视觉模块捕捉到转塘架中间导轨的完整信息。
56.3、图像获取与预处理
57.设置摄像头的帧率为30fps，设置图像分辨率为1280*960。每隔3帧采集一副图像，然后采用3*3模板的中值滤波进行中值滤波。
58.4、训练bp神经网络
59.首先，选取不同角度下拍摄的图像共500张。然后在每一副图像中选取红色导轨的像素点及其周围5*5像素范围内的像素点作为bp神经网络训练的正例，选取图像中非导轨部分的像素点及其周围5*5像素范围内的像素点作为bp神经网络训练的反例。每一副图像采集正、反例的数量各为15～25个，500张图像共计采集正例11342个，反例10975个。
60.建立输入层节点为75，输出层节点数为1，隐含层节点为172的bp神经网络。神经网络隐含层的传递函数为双极性s函数，输出层传递函数为线性函数。将每一个正例或反例数据按列存储为75*1的格式并输入已经建立的神经网络进行训练，共训练20次并统计每个训练成功网络的测试误差。
61.5、水产养殖船和转塘架位姿检测
62.以转塘架中间导轨正投影为纵轴，与其垂直方向为横轴，以两侧齿条入水点连线的中点为原点，如图6所示建立转塘坐标系，坐标系右下侧区域记为i区，左下侧区域记为ii区，记作业船当前位置为a点。
63.选取以上测试误差最小的神经网络对图像中的每个像素进行判别，并将判别结果进行二值化得到识别后的二值图像，再利用hough变换直线检测提取出转塘架上红色导轨，采用最小二乘法拟合出一条对应于导轨的直线段。
64.计算提取出的线段与图像纵线的夹角为α，斜率为正时α为正，斜率为负时α为负。由相机小孔成像原理可知，若α为正，则船载相机位于如图6所示转塘坐标系i区，若α为负，则船载相机位于转塘坐标系ii区,若α为零,则船载相机位于转塘坐标系y轴上。
65.如图5所示将处理后的图像分为6个区域，以图像纵中线为界左右对称划分，距图像纵中线图像宽度处定义为调整初始线，距图像纵中线图像宽度处定义为安全边界线。6个部分从左向右依次命名为左侧边界区域，左侧调整区域、左中区域、右中区域、右侧调整区域、右侧边界区域。以上区域划分用于船位姿调整时的姿态检测与姿态控制。设定边界区域防止跟踪的转塘架中间导轨在图像中丢失。
66.6、转塘航迹纠偏策略
67.根据船载相机所处位置，分别使用下述三类策略进行作业船转塘位姿纠偏：
68.第一类：船载相机位于转塘坐标系y轴上
69.若图像中提取出的线段位于图像纵中线上，则作业船位姿正确，使左右侧明轮同速，保持航向。
70.若图像中提取出的线段位于图像纵中线的左侧，则作业船位置正确、方向右偏，使右侧明轮转速高于左侧明轮，使航向角左偏。
71.若图像中提取出的线段位于图像纵中线的右侧，则作业船位置正确、方向左偏，使左侧明轮转速高于右侧明轮，使航向角右偏。
72.第二类：船载相机位于转塘坐标系的i区域
73.若图像中提取出的线段的下端点位于右侧调整初始线左侧，使右侧明轮转速高于左侧明轮，使航向角左偏。
74.若图像中提取出的线段的上端点位于右侧安全边界线右侧，使左侧明轮转速高于右侧明轮，使航向角右偏。
75.若图像中提取出的线段的下端点位于右侧调整初始线右侧5个像素内，使左右侧明轮同速，保持航向。
76.第三类：船载相机位于转塘坐标系的ii区域
77.若图像中提取出的线段的下端点位于左侧调整初始线右侧，使左侧明轮转速高于右侧明轮，使航向角右偏。
78.若图像中提取出的线段的上端点位于左侧安全边界线左侧，使右侧明轮转速高于左侧明轮，使航向角左偏。
79.若图像中提取出的线段的下端点位于左侧调整初始线左侧5个像素内，使左右侧明轮同速，保持航向。
80.7、水产养殖船在转塘架上的运行
81.转塘时,水产养殖作业船的齿轮与转塘架齿条啮合产生驱动力、并形成二点支撑，机械臂末端的滑动滚轮作用在转塘架的导轨上形成第三点支撑。控制系统不断检测水产养殖作业船俯仰角以判断其所处状态。在转塘上坡阶段，控制直流电机处于电动状态，提供正向转矩，牵引作业船正向爬坡；在转塘下坡阶段，控制直流电机处于发电制动状态，提供反向转矩，使作业船平稳下坡。水产养殖作业船的齿轮由直流电机驱动沿齿条啮合行进，进而跨越转塘架，实现自动转塘。
82.综上所述，本发明为一种水产养殖作业船自动转塘系统及位姿调整方法，其由一种具有特殊结构的水产养殖作业船和固定在池塘间堤埂上的转塘架组成，可以实现水产养殖作业船跨水域作业。通过船载gps/beidou定位系统实现转塘初导航，然后通过船载视觉模块检测水产养殖作业船与转塘架的相对位姿，然后根据检测结果调整作业船行进方向，进而使水产养殖作业船自动对接转塘架(齿轮对准齿条，滚轮对准导轨)。转塘时，电机驱动齿轮啮合齿条上坡下坡，最终使作业船平稳跨越堤埂。本发明能够提高水产养殖船的利用率，在水产养殖领域具有较强的实用意义。
83.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”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发明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。
84.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。