本发明涉及自动化控制系统的，尤其是涉及一种自动投放药剂的无人船系统及无人船系统的控制方法。
背景技术：
1、蓝藻水华是指水体中蓝藻细胞大量突发性生长繁殖，形成蓝绿色的水华现象，蓝藻水华不仅使水体颜色发生改变，而且会产生有毒有害物质，严重危害水生态环境和饮用水安全。
2、目前，治理蓝藻水华的主要方法包括：化学法（投放硫酸铜、h2o2等化学药剂杀灭蓝藻）、物理法（水体曝气增氧、混凝沉淀去除藻细胞等）生物法（选择性病毒、藻类天敌生物等）、生态调节法（施加生物制剂、营养盐等调节水体环境），相关技术提出，可以依赖改良的monod方程预测蓝藻浓度，并选用上述任一治理方案进行单一药剂投放，但该方案的系统复杂程度较低，且控制策略较为单一，仅仅依赖预测浓度投放单一药剂，无法实现复杂精细化的控制，从而导致蓝藻水华的治理效果较差。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种自动投放药剂的无人船系统及无人船系统的控制方法通过无人船自动投放，可以显著降低药剂投放的工作量，并减少人为投放药剂带来的扰动，且可以提升系统复杂度和多种药剂分批自动投放的控制精确度，从而显著提升蓝藻水华的治理效果。
2、第一方面，本发明实施例提供了一种自动投放药剂的无人船系统，无人船系统包括：计算模块、优化模块、控制模块和药剂投放装置，优化模块分别与计算模块、控制模块和药剂投放装置通讯连接；其中，计算模块用于接收外设水质检测设备发送的水质测量数据，并根据水质测量数据构建数学分析模型，以通过数学分析模型模拟水体流场分布和蓝藻浓度分布，其中，水质测量数据包括：实测水流、水深、底质、温度和光照，数学分析模型的边界条件包括：河流入流和风场信息；优化模块用于利用预设优化算法，对水体流场分布和蓝藻浓度分布进行优化分析处理，确定目标投放路线和各药剂对应的目标投放量；控制模块用于控制无人船延目标投放路线航行；药剂投放装置用于根据各药剂对应的目标投放量，分批自动投放药剂。
3、在一种实施方式中，控制模块包括：控制层和执行层，控制层分别与执行层和优化模块通讯连接；其中，控制层包括：上位机、工控机和嵌入式微控制器，控制层用于针对优化模块发送的目标投放路线进行控制运算处理，生成航行控制指令，并将航行控制指令下发至执行层；执行层包括推进电机、舵机等执行机构，执行层用于接收控制指令并执行控制指令对应的操作，以使无人船延目标投放路线航行。
4、在一种实施方式中，控制模块还包括：感知层，感知层与控制层通讯连接；其中，感知层包括：gps、惯性测量单元、编码器、风力传感器和水质检测设备，感知层用于根据gps、惯性测量单元和编码器的反馈信号，确定无人船船体的实时航行状态，根据风力传感器和水质检测设备的检测结果，确定外部扰动信息和障碍信息，并将实时航行状态、外部扰动信息和障碍信息发送至控制层，以使控制层进行路径补偿及航线重规划。
5、在一种实施方式中，控制模块还包括：通信层，通信层用于实现控制模块的各层之间的数据交互，以及控制模块与优化模块之间的数据交互。
6、在一种实施方式中，药剂投放装置包括：控制系统、计量系统和储药舱模块，控制系统分别与计量系统、储药舱模块和优化模块通讯连接；其中，控制系统用于根据优化模块发送的各药剂对应的目标投放量，生成药剂计量指令和阀门控制指令，并将药剂计量指令下发至计量系统，将阀门控制指令下发至储药舱模块；计量系统用于根据药剂计量指令，精确计量目标投放量的药剂，并将实时计量数据反馈至控制系统，以使控制系统向储药舱模块下发阀门控制指令；储药舱模块包括：多个独立储药舱，各项独立储药舱分别存储一种对应药剂，储药舱模块用于根据阀门控制指令开启对应的独立储药舱的阀门，以目标投放量的药剂分批自动进行药剂投放。
7、在一种实施方式中，储药舱还包括：药剂补给口和舱口控制阀门；其中，药剂补给口用于加注药剂及清理药剂残留；舱口控制阀门用于在药剂投放时，通过增压输送将目标投放量的药剂快速排出储药舱的舱口。
8、在一种实施方式中，药剂投放装置还包括：故障检测系统，故障检测系统设置于计量系统以及各储药舱的舱口，故障检测系统用于在检测到异常信息时，将异常信息发送至控制系统，并在控制系统反馈的故障诊断结果为发生故障时，进行故障告警提示。
9、第二方面，本发明实施例还提供一种无人船系统的控制方法，方法应用于自动投放药剂的无人船系统，无人船系统包括：计算模块、优化模块、控制模块和药剂投放装置，方法包括：获取水质测量数据，并利用计算模块和优化模块，对水质测量数据进行模型构建和优化分析处理，确定目标投放路线和各药剂对应的目标投放量，其中，水质测量数据包括：实测水流、水深、底质、温度和光照；根据目标投放路线生成第一控制指令，并根据各药剂对应的目标投放量生成第二控制指令，其中，第一控制指令为航行控制指令，第二控制指令为药剂计量指令和阀门控制指令；将第一控制指令发送至控制模块，并将第二控制指令发送至药剂投放装置，以使无人船延目标投放路线航行，并在航行过程中以目标投放量，精确的分批自动投放各类药剂。
10、在一种实施方式中，在将第一控制指令发送至控制模块的步骤之后，包括：获取gps、惯性测量单元和编码器的反馈信号；利用预设卡尔曼滤波器对反馈信号进行滤波处理和预测处理，确定无人船的当前位置和预测位置，并利用当前位置和预测位置确定无人船船体的实时航行状态，以对无人船的航行路线进行追踪。
11、在一种实施方式中，在对无人船的航行路线进行追踪的步骤之后，包括：获取风力传感器和水质检测设备的检测结果，并根据检测结果确定外部扰动信息和障碍信息；针对实时航行状态和外部扰动信息进行控制补偿，并在检测到障碍信息时，利用预设动态规划算法结合障碍信息进行航线重规划处理，以确定避障最优航线，使无人船延避障最优航线安全航行。
12、本发明实施例带来了以下有益效果：
13、本发明实施例提供的一种自动投放药剂的无人船系统及无人船系统的控制方法，通过设置计算模块、优化模块、控制模块和药剂投放装置，控制无人船自动投放药剂；其中，计算模块用于接收外设水质检测设备发送的水质测量数据，并根据水质测量数据构建数学分析模型，以通过数学分析模型模拟水体流场分布和蓝藻浓度分布；优化模块用于利用预设优化算法，对水体流场分布和蓝藻浓度分布进行优化分析处理，确定目标投放路线和各药剂对应的目标投放量；控制模块用于控制无人船延目标投放路线航行；药剂投放装置用于根据各药剂对应的目标投放量，分批自动投放药剂，本发明实施例可以显著降低药剂投放的工作量，并减少人为投放药剂带来的扰动，且可以提升系统复杂度和多种药剂分批自动投放的控制精确度，从而显著提升蓝藻水华的治理效果。
14、本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
15、为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
1.一种自动投放药剂的无人船系统，其特征在于，所述无人船系统包括：计算模块、优化模块、控制模块和药剂投放装置，所述优化模块分别与所述计算模块、所述控制模块和所述药剂投放装置通讯连接；其中，
2.根据权利要求1所述的自动投放药剂的无人船系统，其特征在于，所述控制模块包括：控制层和执行层，所述控制层分别与所述执行层和所述优化模块通讯连接；其中，
3.根据权利要求2所述的自动投放药剂的无人船系统，其特征在于，所述控制模块还包括：感知层，所述感知层与所述控制层通讯连接；其中，
4.根据权利要求2所述的自动投放药剂的无人船系统，其特征在于，所述控制模块还包括：通信层，所述通信层用于实现所述控制模块的各层之间的数据交互，以及所述控制模块与所述优化模块之间的数据交互。
5.根据权利要求1所述的自动投放药剂的无人船系统，其特征在于，所述药剂投放装置包括：控制系统、计量系统和储药舱模块，所述控制系统分别与所述计量系统、所述储药舱模块和所述优化模块通讯连接；其中，
6.根据权利要求5所述的自动投放药剂的无人船系统，其特征在于，所述储药舱还包括：药剂补给口和舱口控制阀门；其中，
7.根据权利要求5所述的自动投放药剂的无人船系统，其特征在于，所述药剂投放装置还包括：故障检测系统，所述故障检测系统设置于所述计量系统以及各储药舱的舱口，所述故障检测系统用于在检测到异常信息时，将所述异常信息发送至所述控制系统，并在所述控制系统反馈的故障诊断结果为发生故障时，进行故障告警提示。
8.一种无人船系统的控制方法，其特征在于，所述方法应用于自动投放药剂的无人船系统，所述无人船系统包括：计算模块、优化模块、控制模块和药剂投放装置，所述方法包括：
9.根据权利要求8所述的无人船系统的控制方法，其特征在于，在所述将所述第一控制指令发送至所述控制模块的步骤之后，包括：
10.根据权利要求9所述的无人船系统的控制方法，其特征在于，在所述对无人船的航行路线进行追踪的步骤之后，包括：
