CN102999706A - 一种用于gps控制平地系统的作业路线生成方法及作业路线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于GPS控制平地系统的作业路线生成方法及作业路线，该方法包括如下步骤：S1.设定圆周拟合次数N，设定圆环适宜平整指数初值K_min，量取平地铲宽度L;S2.将需要平整的土地划分为多个正方形栅格，求取栅格中心点三维坐标，并求所有栅格中心点高程均值S3.找到高程最高的栅格中心点，随机选取另外两个栅格中心点，利用此三点进行圆拟合，使三个栅格中心点全在圆周上，计圆周拟合次数N=N-1；S4.计算圆环适宜平整指数K，若K<K_min，则K_min=K，P_best=P(x_c,y_c)，R_best=R_i，否则K_min、P_best和R_best保持不变；S5.若N>0,则返回S3,否则，得到作业路线。本发明的作业路线生成方法所生成的作业路线能够有效提高平地作业的效率和质量，同时降低作业人员劳动强度。

Description

一种用于GPS控制平地系统的作业路线生成方法及作业路线

技术领域

本发明涉及土地精细平整技术，特别涉及一种用于GPS控制平地系统的作业路线生成方法及其生成的作业路线。

背景技术

随着我国农业水资源供需矛盾的突出，改进地面灌溉技术、提高农田平整程度已成为当今现代农业节水技术的重要组成部分。平整土地可以起到提高田间地面灌溉效率和灌水均匀度的作用，是改进地面灌溉方法的重要技术要素之一。目前在农田平整作业方面，平地的方法主要有三种，即常规平地，激光控制平地以及GPS控制平地。

常规平地方法中采用的平地设备一般包括推土机、铲运机和刮平机等，该种常规的土地平整设备具有土方运移量大、平地费用相对较低的特点，适合于地面起伏较大、原始平整程度较差的农田粗平作业，可有效改变农田的宏观地形。

这种常规土地平整的效果主要取决于推土机和刮平机的施工精度。但是由于推土机的升降采用手工控制，操作人员不能精确地控制其抬升或下落的高度，而刮平机的铲运刀口与设备行进装置间的相对位置固定，故平地施工时刀口将随轮胎沿地面微地形的变化上下起伏，刮平及修整田面的效果有限。因此，受常规平地机具设备自身缺陷和人工操作精度较低等不利条件的影响，当平地效果达到一定平整程度后很难再有所提高，难以满足农田土地精细灌溉的要求。

激光控制平地技术是利用激光束扫射形成参照平面作为非视觉操作控制手段，代替常规平地设备操作人员的目测判断能力来自动控制液压平地机具刀口的升降，从而能够大幅度提高土地的平整精度，其感应系统的灵敏性至少比人工视觉判断和拖拉机操作人员的手动液压控制系统精确10～50倍。但激光平地的作业范围有限，当土地长度超出激光发射器的有效发射距离时，需要搬动且重新固定发射器的位置，影响作业效率，同时，由于激光接收器的接收范围有限，会出现在平地中丢失激光信号的现象，不适宜大范围土地平整作业。

GPS控制平地技术是利用GPS接收机和获取测量点的位置信息，通过一定算法计算出预设基准高程与挖填土方量，根据高程差输出控制信号从而控制平地机构进行作业。GPS控制平地技术基本适用于全国各种地形，相对于上述两种方法，自动化程度较高，且不受阳光、风力、地势起伏等外界因素的影响，有着较好的工作效率与发展前景。

在GPS控制平地作业中，为了便于驾驶员更好的了解待平整地块的地势状况，系统一般提供三维地形图显示功能，在拖拉机对农田进行动态测量之后，快速显示农田三维地形图，便于作业人员确定作业路线。

作业路线的选取，直接影响平地的作业效率和作业质量。一般以耗时少、作业人员劳动强度低、土方运移量少为标准选择作业路线。

目前，国内外有些关于平地路线设计的报道，例如：国内本领域技术人员设计了螺旋形等16种规则的平地路线，缺点是难以保证高效率。考虑到作业的连续性、效率及作业劳动强度，在平地作业时，常常采用圆形路线。通过对国内外专利文献、期刊杂志及其他公开发表的文献（如互联网）进行检索，本发明在国内外未见报道，我们也未公开发表涉及本发明内容的文章，本发明在国内外公众未知。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：一种用于GPS控制平地系统的效率高、作业人员劳动强度低的作业路线生成方法及其生成的作业路线。

一种用于GPS控制平地系统的作业路线生成方法，该方法包括如下步骤：

S1.设定圆周拟合次数N，设定圆环适宜平整指数初值K_min，量取平地铲宽度L;

S2.将需要平整的土地划分为多个正方形栅格，求取栅格中心点三维坐标，并求所有栅格中心点高程均值

S3.找到高程最高的栅格中心点，随机选取另外两个栅格中心点，利用此三点进行圆拟合，使三个栅格中心点全在圆周上，计圆周拟合次数N=N-1；

S4.计算圆心P(x_c,y_c)与半径R_i，若半径Ri小于40米或半径R_i大于150米，则返回S3重新进行圆拟合,否则，计算圆环(R_i-L/2)≤R≤(R_i+L/2)内的栅格中心点高程最大差值（H_cmax-H_cmin），若(H_cmax-H_cmin)>40cm则返回S3重新进行圆拟合，否则计算此圆环适宜平整指数K，若K<K_min，则K_min=K，P_best=P(x_c,y_c)，R_best＝R_i，否则K_min、P_best和R_best保持不变；

S5.若N>0,则返回S3,否则，以P_best为圆心，以R_best为半径的圆周为最优作业路线，其中起点为高程最高的栅格中心点。

进一步，在步骤S1中，根据土地的平整状况确定拟合次数N，一般N的取值范围为100～300。

进一步，步骤S2中划分的正方形栅格为边长2-5m的正方形栅格。

进一步，在步骤S4中，栅格中心点位于圆环中的确定方法为：计算所有栅格中心点到圆心P的距离，如果距离在R_i-L/2和R_i+L/2之间，则该中心点位于圆环中。

进一步，所述圆环适宜平整指数初值K_min的确定方法为：确定任一宽度为L米、中心半径为50米，且经过高程最高点的圆环，计算此圆环的圆环适宜平整指数K，将其作为K_min。

进一步，所述圆环适宜平整指数K的计算方法为：首先计算在圆环(R_i-L/2)≤R≤(R_i+L/2)内的栅格中心点的高程均值及高程方差S²，则圆环适宜平整指数

本发明的用于GPS控制平地系统的作业路线是通过上述作业路线生成方法生成的。

本发明的用于GPS控制平地系统的作业路线生成方法充分考虑实际作业中影响作业质量和作业效率的各种条件，进而生成了适宜实际作业的作业路线。所生成的作业路线能够有效提高平地作业的效率和质量，同时降低作业人员劳动强度。

附图说明

图1为依照本发明的一种用于GPS控制平地系统的作业路线生成方法示意图。

具体实施方式

本发明提出的一种用于GPS控制平地系统的作业路线生成方法，结合附图及实施例详细说明如下。

如图1所示，依照本发明一种用于GPS控制平地系统的作业路线生成方法包括如下步骤：

S1.设定圆周拟合次数N，设定圆环适宜平整指数初值K_min，量取平地铲宽度L;

S2.将需要平整的土地划分为边长为2m的正方形栅格，求取栅格中心点三维坐标，并求所有栅格中心点高程均值

正方形栅格的边长也可以根据实际情况自行选择，一般正方形的边长为2-5m。

S3.找到高程最高的栅格中心点，随机选取另外两个栅格中心点，利用此三点进行圆拟合，使三个栅格中心点全在圆周上,N=N-1；

S4.计算圆心P(x_c,y_c)与半径R_i，若半径R_i小于40米或半径R_i大于150米，则返回S3,否则，计算圆环(R_i-L/2)≤R≤(R_i+L/2)内的栅格中心点高程最大差值（H_cmax-H_cmin），若(H_cmax-H_cmin)>40cm则返回S3，否则计算此圆环适宜平整指数K，若K<K_min，则K_min=K，P_best=P(x_c,y_c)，R_best＝R_i，否则K_min、P_best和R_best保持不变。

S5.若N>0,则返回S3,否则，以P_best为圆心，以R_best为半径的圆周为最优作业路线，其中起点为高程最高的栅格中心点。

在实际的作业中，考虑到机具的转弯半径、作业者的操作难度，作业路线圆形半径要大于40米。

如图1所示，A点为高程最高的栅格中心点，随机选取另外两个栅格中心点B点和C点，利用A、B、C三点进行圆拟合，得到图1中中间圆，以该圆的圆心P为圆心，分别将半径R_i缩短L/2米和延长L/2米，得到图1中另外两个圆，其半径分别为R_i-L/2和R_i+L/2，半径为R_i-L/2和R_i+L/2的这两个圆周构成一个圆环。

平地作业时，尽量做到移运的土方量最少，即做到保持路线中高出平均高度的土方量和低于平均高度的土方量接近或相等。因为栅格的面积相等，且栅格面积较小，可将同一栅格中的高程近似相等，以中心点的高程代替。这样，对土方量的计算简化为高程的计算。

如图1所示，部分栅格的中心被包含在上述圆环中，计算这些中心点的高程最大差值，如果差值大于40厘米，则容易造成平地铲中运土过多，影响效率，且容易造成机具损害，需要重新选择中心点进行圆拟合；如果中心点的高程最大差值小于40厘米，计算此圆环适宜平整指数K，计算方法为：

首先计算在圆环(R_i-L/2)≤R≤(R_i+L/2)内的栅格中心点的高程均值

及高程方差S²，则圆环适宜平整指数

在步骤S4中，需要确定哪个栅格中心点位于圆环中，确定方法为：计算所有栅格中心点到圆心P的距离，如果距离在R_i-L/2和R_i+L/2之间，则该中心点位于圆环中；

进行N次圆拟合，得到N个圆环适宜平整指数K，其中数值最小的K，所对应的圆环为最优路线，其中作业的起点为高程最高点。

在作业中，实时动态更新栅格中心点的高程，作业一圆周后，再次运行上述方法，生成新的作业路线，生成新的作业路线，进行连续平地作业。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种用于GPS控制平地系统的作业路线生成方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1.设定圆周拟合次数N，设定圆环适宜平整指数初值K_min，量取平地铲宽度L;

S2.将需要平整的土地划分为多个正方形栅格，求取栅格中心点三维坐标，并求所有栅格中心点高程均值

S3.找到高程最高的栅格中心点，随机选取另外两个栅格中心点，利用此三点进行圆拟合，使三个栅格中心点全在圆周上，计圆周拟合次数N=N-1；

S4.计算圆心P(x_c,y_c)与半径R_i，若半径R_i小于40米或半径R_i大于150米，则返回S3重新进行圆拟合,否则，计算圆环(R_i-L/2)≤R≤(R_i+L/2)内的栅格中心点高程最大差值（H_cmax-H_cmin），若(H_cmax-H_cmin)>40cm则返回S3重新进行圆拟合，否则计算此圆环适宜平整指数K，若K<K_min，则K_min=K，P_best=P(x_c,y_c)，R_best＝R_i，否则K_min、P_best和R_best保持不变；

S5.若N>0,则返回S3,否则，以P_best为圆心，以R_best为半径的圆周为最优作业路线，其中起点为高程最高的栅格中心点。

2.根据权利要求1所述的用于GPS控制平地系统的作业路线生成方法，其特征在于，步骤S2中划分的正方形栅格为边长2-5m的正方形栅格。

3.根据权利要求1所述的用于GPS控制平地系统的作业路线生成方法，其特征在于，步骤S1中所述圆周拟合次数N根据土地的平整状况确定，N取值范围为100～300。

4.根据权利要求1所述的用于GPS控制平地系统的作业路线生成方法，其特征在于，在步骤S4中，栅格中心点位于圆环中的确定方法为：计算所有栅格中心点到圆心P的距离，如果距离在R_i-L/2和R_i+L/2之间，则该中心点位于圆环中。

5.根据权利要求1所述的用于GPS控制平地系统的作业路线生成方法，其特征在于，步骤S1中所述圆环适宜平整指数初值K_min的确定方法为：确定任一宽度为L米左右、中心半径为50米，且经过高程最高点的圆环，计算此圆环的圆环适宜平整指数K，将其作为K_min。

6.根据权利要求1或5任一项所述的用于GPS控制平地系统的作业路线生成方法，其特征在于，所述圆环适宜平整指数K的计算方法为：首先计算在圆环(R_i-L/2)≤R≤(R_i+L/2)内的栅格中心点的高程均值

及高程方差S²，则圆环适宜平整指数

7.一种采用如权利要求1-6任一项所述的作业路线生成方法生成的作业路线。

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