CN106679684A - 自动化作业设备路径规划方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自动化作业设备路径规划方法与系统，获取自动化作业设备的未作业范围，并确定所述未作业范围的各个顶点，确定各所述顶点的坐标，以任意单个所述顶点为作业起点，根据作业起点坐标、作业路径预设宽度以及相邻两个顶点，计算路径规划起点坐标，沿平行于未作业范围边界的方向，与未作业范围边界间隔所述作业路径预设宽度距离，在未作业范围内侧进行路径规划，当未作业范围为零时，终止路径规划，获得所述自动化作业设备的路径。整个过程中，规划的路径由外向内逐渐收缩，可较大程度减小整个作业过程中自动化作业设备的小半径转向，降低转向过程的能量消耗，提升作业时间与效率。

Description

自动化作业设备路径规划方法与系统

技术领域

本发明涉及路径规划技术领域，特别是涉及自动化作业设备路径规划方法与系统。

背景技术

随着人们生活水平的提高，目前越来越多的自动化作业设备应用到实际生产生活中，给人们带来了巨大便利。例如目前常见的植保无人机自动进行植保操作、智能扫地机器人自动进行清扫操作等。

自动化作业设备在进行自动化作业过程中，如何合理规划好作业路径是非常重要的环节，合理路径规划能够有效提升自动化作业设备的作业效率，带来更大的经济效益并给人们带来更多的生活便利性。

然而，一般自动化作业设备路径规划一般基于起始点与终止点采用固定路径规划或采用自动检测故障物的方式，当检测到故障物时进行转向(扫地机器人多采用此种方式)等方式进行路径规划。作业路径固定规划或无序随意变动都会使自动化作业设备无目的、无针对性针对当前应用场景进行合理的作业，降低了自动化作业设备的作业效率。

发明内容

基于此，有必要针对一般自动化作业设备路径规划固定或无序设定，无法针对当前应用场景进行合理规划，严重降低自动化作业设备的作业效率的问题，提供一种自动化作业设备路径规划方法与系统，针对当前应用场景，合理规划自动化作业设备路径，有效提升其作业效率。

一种自动化作业设备路径规划方法，包括步骤：

获取自动化作业设备的未作业范围，并确定未作业范围的各个顶点；

构建平面坐标系，确定各顶点的坐标；

以任意单个顶点为作业起点，根据作业起点坐标、作业路径预设宽度以及各顶点中与作业起点相邻的两个顶点坐标，计算路径规划起点坐标，作业路径预设宽度不大于自动化作业设备的作业宽度的一半；

沿平行于未作业范围边界的方向，与未作业范围边界间隔作业路径预设宽度距离，在未作业范围内侧进行路径规划；

当未作业范围为零时，终止路径规划，获得自动化作业设备的路径。

一种自动化作业设备路径规划系统，包括：

顶点确定模块，用于获取自动化作业设备的未作业范围，并确定未作业范围的各个顶点；

坐标构建模块，用于构建平面坐标系，确定各顶点的坐标；

起点计算模块，用于以任意单个顶点为作业起点，根据作业起点坐标、作业路径预设宽度以及各顶点中与作业起点相邻的两个顶点坐标，计算路径规划起点坐标，作业路径预设宽度不大于自动化作业设备的作业宽度的一半；

路径划设模块，用于沿平行于未作业范围边界的方向，与未作业范围边界间隔作业路径预设宽度距离，在未作业范围内侧进行路径规划；

终止模块，用于当未作业范围为零时，终止路径规划，获得自动化作业设备的路径。

本发明自动化作业设备路径规划方法与系统，获取自动化作业设备的未作业范围，并确定未作业范围的各个顶点，确定各顶点的坐标，以任意单个顶点为作业起点，根据作业起点坐标、作业路径预设宽度以及相邻两个顶点，计算路径规划起点坐标，沿平行于未作业范围边界的方向，与未作业范围边界间隔作业路径预设宽度距离，在未作业范围内侧进行路径规划，当未作业范围为零时，终止路径规划，获得自动化作业设备的路径。整个过程中，规划的路径由外向内逐渐收缩，可较大程度减小整个作业过程中自动化作业设备的小半径转向，降低转向过程的能量消耗，提升作业时间与效率。

附图说明

图1为本发明自动化作业设备路径规划方法其中一个实施例的流程示意图；

图2为植保作业示意图；

图3为本发明自动化作业设备路径规划方法应用于植保作业的路径规划示意图；

图4为本发明自动化作业设备路径规划系统其中一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

为了便于说明本发明自动化作业设备路径规划方法的技术方案及其带来的效果，下面将以自动化作业设备为植保无人机的应用实例，详细介绍整个方案。

如图1所示，一种自动化作业设备路径规划方法，包括步骤：

S100：获取自动化作业设备的未作业范围，并确定未作业范围的各个顶点。

自动化作业设备的未作业范围可以根据自动作业设备任务指示等数据来获得。例如当前需要对1千米*1千米范围内的植物进行植保操作，那么此时植保无人机的未作业范围即为1千米*1千米的区域范围。具体来说，未作业范围的边界可以是各种多边形，例如常见的长方形、五边形、六边形等，还可以是不规则的多边形。在这个未作业范围中有多个顶点，将这些顶点依次连接起来即可围成未作业范围，如图2所示，在图2中，未作业范围的顶点包括G₁、G₂、G₃以及G₄。简单来说，顶点即发生转向的点，相邻两个顶点处于相同直线上，该直线构成未作业范围的边界线，例如顶点G₁和G₂所处直线构成未作业范围的边界线G₁G₂，植保无人机在达到顶点时将会发生转向，不会继续沿直线飞行。

S200：构建平面坐标系，确定各顶点的坐标。

构建平面坐标系，以便准确表征各个顶点之间相对位置。平面坐标可以选择以自动化作业设备停靠点为原点构建平面坐标系，以向东的方向为X轴，以向北的方向为Y轴，建立二维直角坐标系。在具体应用实例中，以植保无人机停靠点为原点，构建平面坐标系，采用全球定位系统或者北斗系统获取植保作业范围的顶点地理位置以及植保无人机停靠点(原点)的地理位置，在构建的平面坐标系中，将顶点地理位置以及植保无人机停靠点的地理位置表征出来，获得各个顶点的坐标，即在图2中获得G₁、G₂、G₃以及G₄的坐标。

S300：以任意单个顶点为作业起点，根据作业起点坐标、作业路径预设宽度以及各顶点中与作业起点相邻的两个顶点坐标，计算路径规划起点坐标，作业路径预设宽度不大于自动化作业设备的作业宽度的一半。

任意选择单个顶点作为作业起点，选择与该作业起点所处单个边界平行的方向开始作业。假定选择图2中顶点为G₁为作业起点，选择与G₁所处单个边界G₁G₂或G₁G₄平行方向开始作业，如选择G₁G₂方向开始作业。自动化作业设备一般都有固定有作业宽度，作业宽度值可以从自动化作业设备属性参数介绍或铭牌中获得。自动化作业设备是沿路径进行作业的，那么单次能够作业宽度最大值为自动化作业设备的作业宽度的一半，即在规划自动作业设备路径时，作业路径预设宽度应小于或等于自动化作业设备的作业宽度的一半。在图2中，植保无人机作业路径预设宽度为W/2，其中W为植保无人机的植保作业宽度。作业起点与其相邻的两个顶点连线构成未作业范围的两条边界线，在图2中，作业起点相邻的两个顶点为G₂和G₄，获取G₂和G₄的坐标。基于作业起点G₁、其相邻两个顶点G₂和G₄的坐标、以及作业路径预设宽度W/2，即可以通过直线方程求解出路径规划起点坐标P₁的坐标。

S400：沿平行于未作业范围边界的方向，与未作业范围边界间隔作业路径预设宽度距离，在未作业范围内侧进行路径规划。

未作业范围的边界是一个变化的范围，即未作业范围＝初始未作业范围-已作业范围。如在图2中，当植保无人机还在P₁点准备进行植保操作时，未作业范围为G₁、G₂、G₃以及G₄合围的区域，当植保无人机植保作业至P₂点时，未作业范围为G₅、G₆、G₂、G₃以及G₄合围的区域。在步骤S300中计算获得P₁的坐标，以P₁为起始点，沿平行于G₁G₂的方向，与未作业范围边界间隔作业路径预设宽度距离，计算P₂的坐标，依次顺序迭代确定各个路径规划中转向点的坐标。

S500：当未作业范围为零时，终止路径规划，获得自动化作业设备的路径。

当未作业范围为零时，表明自动化作业设备按照当前规划的路径可以完成本次作业任务，终止路径规划，获得自动化作业设备的路径。未作业范围为零的判定条件可以通过仿真模拟计算、仿真图像处理以及基于坐标点的预测分析计算来获得。

本发明自动化作业设备路径规划方法，获取自动化作业设备的未作业范围，并确定未作业范围的各个顶点，确定各顶点的坐标，以任意单个顶点为作业起点，根据作业起点坐标、作业路径预设宽度以及相邻两个顶点，计算路径规划起点坐标，沿平行于未作业范围边界的方向，与未作业范围边界间隔作业路径预设宽度距离，在未作业范围内侧进行路径规划，当未作业范围为零时，终止路径规划，获得自动化作业设备的路径。整个过程中，规划的路径由外向内逐渐收缩，可较大程度减小整个作业过程中自动化作业设备的小半径转向，降低转向过程的能量消耗，提升作业时间与效率。

在其中一个实施例中，以任意单个顶点为作业起点，根据作业起点坐标、作业路径预设宽度以及各顶点中与作业起点相邻的两个顶点坐标，计算路径规划起点坐标的步骤包括：

步骤一：在各顶点中任意选取作业起点。

下面将采用数学公式以及图3详细解释，计算路径规划起点坐标的过程。如图3所示，选取G₁、G₂、G₃以及G₄4个顶点中G₁为作业起点。

步骤二：确定各顶点中与作业起点相邻的第一顶点和第二顶点，获取第一顶点的坐标与第二顶点的坐标。

确定顶点G₂、G₃以及G₄3个顶点中与作业起点G₁相邻的第一顶点G₂以及第二顶点G₄，获取第一顶点G₂以及第二顶点G₄的坐标分别为(X₂,Y₂)和(X₄,Y₄)，作业起点G₁的坐标为(X₁,Y₁)。

步骤三：根据作业起点的坐标以及第一顶点的坐标，获取未作业范围中作业起点与第一顶点所处边界直线的直线方程，记为第一边界的直线方程。

根据作业起点G₁的坐标为(X₁,Y₁)和第一顶点G₂的坐标(X₂,Y₂)，获得未作业范围中作业起点G₁与第一顶点G₂所处边界直线G₁G₂的直线方程：

步骤四：根据第一边界的直线方程与作业路径预设宽度，获取路径规划第一直线的直线方程。

根据上述G₁G₂的直线方程以及作业路径预设宽度，获得路径规划第一直线P₁P₂的直线方程：

式中，W'为作业路径预设宽度，一般来说W'＝W/2，W为自动化作业设备的作业宽度。

步骤五：根据作业起点的坐标以及第二顶点的坐标，获取未作业范围中作业起点与第二顶点所处边界直线的直线方程，记为第二边界的直线方程。

根据作业起点G₁的坐标(X₁,Y₁)和第二顶点G₄的坐标(X₄,Y₄)，获取作业起点G₁与第二顶点G₄所处边界直线G₁G₄的直线方程：

步骤六：根据路径规划第一直线的直线方程与第二边界的直线方程，确定路径规划起点坐标。

计算直线P₁P₂和直线G₄G₁的交点坐标(x₁,y₁)，即为P₁点的坐标。

式中，b₁＝B₁+W'/cosθ、B₁＝(Y₁X₂-Y₂X₁)/(X₂-X₁)、B₄＝(Y₄X₁-Y₁X₄)/(X₁-X₄)。

在计算P₁点的坐标之后，需要确定自动化作业设备路径规划中下一转向点P₂的坐标，采用上述计算P₁点的坐标相同的方式计算P₂，下面将参考上述公式(1)、(2)、(3)介绍下一转向点P₂的坐标的计算过程。

1、根据G₂、G₃的坐标，可以参考公式(1)或者(3)，得到直线G₂G₃的方程。

2、参考公式(2)，可以得到直线P₂P₃的方程。

3、参考公式(4)，可以得到直线P₁P₂和直线P₂P₃的交点坐标，即P₂的坐标(x₂,y₂)。

相应的针对计算得到转向点P₂的再下一转向点P₃，可以采用下述方式计算：

1、参考公式(1)或(3)，可以得到边界G5G6所在直线的方程。

2、用P₂点迭代P₁，可计算出轨迹P₂P₃的直线方程和P₃点的坐标。

重复上述迭代过程，即可计算在未作业范围内侧迭代计算路径规划下一转向点坐标。针对后续下一转向点P₄、P₅……P_n的过程与上述相似，在此不再赘述。

在其中一个实施例中，当未作业范围为零时，终止路径规划的步骤包括：

当迭代计算出的路径规划下一转向点坐标与相邻已路径规划的路径的垂直距离小于2倍作业路径预设宽度时，判定当前转折点为路径规划终点，终止路径规划。

如图3所示，自动化作业设备的路径规划由外向内逐渐收缩，最终未作业范围为零时，表明自动化作业设备按照当前规划的路径可以完成本次作业任务，终止路径规划。在这里，采用基于坐标点的计算的方式来判定未作业范围为零。具体来说，当采用上述计算下一转向点坐标方式计算路径规划中各个下一转向点的坐标时，当某一个转向点坐标与相邻已路径规划的路径的垂直距离小于2倍作业路径预设宽度时，表明当前路径规划线路两侧已经被作业路径预设宽度(自动化作业设备的作业宽度)所覆盖，即当前当未作业范围为零，终止路径规划。

同样的，下面将采用实例，结合附图3进行展开说明。在实例中，作业路径预设宽度为自动化作业设备的作业宽度的一半。

重复上述迭代计算下一转向点坐标，当计算得到P₁₂的坐标时，发现其与相邻已路径规划的路径P₉P₁₀的垂直距离小于自动化作业设备的作业宽度W，故植保作业结束。整个无人机的飞行路径即为P₁→P₂→P₃→……→P₁₂。

如图4所示，一种自动化作业设备路径规划系统，包括：

顶点确定模块100，用于获取自动化作业设备的未作业范围，并确定未作业范围的各个顶点。

坐标构建模块200，用于构建平面坐标系，确定各顶点的坐标。

起点计算模块300，用于以任意单个顶点为作业起点，根据作业起点坐标、作业路径预设宽度以及各顶点中与作业起点相邻的两个顶点坐标，计算路径规划起点坐标，作业路径预设宽度不大于自动化作业设备的作业宽度的一半。

路径划设模块400，用于沿平行于未作业范围边界的方向，与未作业范围边界间隔作业路径预设宽度距离，在未作业范围内侧进行路径规划。

终止模块500，用于当未作业范围为零时，终止路径规划，获得自动化作业设备的路径。

本发明自动化作业设备路径规划系统，顶点确定模块100获取自动化作业设备的未作业范围，并确定未作业范围的各个顶点，坐标构建模块200确定各顶点的坐标，起点计算模块300以任意单个顶点为作业起点，根据作业起点坐标、作业路径预设宽度以及相邻两个顶点，计算路径规划起点坐标，路径划设模块400沿平行于未作业范围边界的方向，与未作业范围边界间隔作业路径预设宽度距离，在未作业范围内侧进行路径规划，终止模块500当未作业范围为零时，终止路径规划，获得自动化作业设备的路径。整个过程中，规划的路径由外向内逐渐收缩，可较大程度减小整个作业过程中自动化作业设备的小半径转向，降低转向过程的能量消耗，提升作业时间与效率。

在其中一个实施例中，起点计算模块300包括：

选取单元，用于在各顶点中任意选取作业起点。

坐标获取单元，用于确定各顶点中与作业起点相邻的第一顶点和第二顶点，获取第一顶点的坐标与第二顶点的坐标。

第一计算单元，用于根据作业起点的坐标以及第一顶点的坐标，获取未作业范围中作业起点与第一顶点所处边界直线的直线方程，记为第一边界的直线方程。

第二计算单元，用于根据第一边界的直线方程与作业路径预设宽度，获取路径规划第一直线的直线方程。

第三计算单元，用于根据作业起点的坐标以及第二顶点的坐标，获取未作业范围中作业起点与第二顶点所处边界直线的直线方程，记为第二边界的直线方程。

坐标计算单元，用于根据路径规划第一直线的直线方程与第二边界的直线方程，确定路径规划起点坐标。

在其中一个实施例中，路径划设模块400用于控制起点计算模块300采用计算路径规划起点坐标相同方式，在未作业范围内侧迭代计算路径规划下一转向点坐标。

在其中一个实施例中，终止模块500用于当迭代计算出的路径规划下一转向点坐标与相邻已路径规划的路径的垂直距离小于2倍作业路径预设宽度时，判定当前转折点为路径规划终点，终止路径规划。

在其中一个实施例中，坐标构建模块200包括：

位置确定单元，用于确定自动化作业设备停放位置。

坐标构建单元，用于以自动化作业设备停放位置为坐标原点，构建平面坐标系，确定各顶点的坐标。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种自动化作业设备路径规划方法，其特征在于，包括步骤：

获取自动化作业设备的未作业范围，并确定所述未作业范围的各个顶点；

构建平面坐标系，确定各所述顶点的坐标；

以任意单个所述顶点为作业起点，根据作业起点坐标、作业路径预设宽度以及各所述顶点中与所述作业起点相邻的两个所述顶点坐标，计算路径规划起点坐标，所述作业路径预设宽度不大于所述自动化作业设备的作业宽度的一半；

沿平行于未作业范围边界的方向，与未作业范围边界间隔所述作业路径预设宽度距离，在未作业范围内侧进行路径规划；

当未作业范围为零时，终止路径规划，获得所述自动化作业设备的路径。

2.根据权利要求1所述的自动化作业设备路径规划方法，其特征在于，所述以任意单个所述顶点为作业起点，根据作业起点坐标、作业路径预设宽度以及各所述顶点中与所述作业起点相邻的两个所述顶点坐标，计算路径规划起点坐标的步骤包括：

在各所述顶点中任意选取作业起点；

确定各所述顶点中与所述作业起点相邻的第一顶点和第二顶点，获取所述第一顶点的坐标与所述第二顶点的坐标；

根据所述作业起点的坐标以及所述第一顶点的坐标，获取所述未作业范围中所述作业起点与所述第一顶点所处边界直线的直线方程，记为第一边界的直线方程；

根据所述第一边界的直线方程与所述作业路径预设宽度，获取路径规划第一直线的直线方程；

根据所述作业起点的坐标以及所述第二顶点的坐标，获取所述未作业范围中所述作业起点与所述第二顶点所处边界直线的直线方程，记为第二边界的直线方程；

根据所述路径规划第一直线的直线方程与所述第二边界的直线方程，确定路径规划起点坐标。

3.根据权利要求2所述的自动化作业设备路径规划方法，其特征在于，所述沿平行于未作业范围边界的方向，与未作业范围边界间隔所述作业路径预设宽度距离，在未作业范围内侧进行路径规划的步骤包括：

采用计算所述路径规划起点坐标相同方式，在未作业范围内侧迭代计算路径规划下一转向点坐标。

4.根据权利要求3所述的自动化作业设备路径规划方法，其特征在于，所述当未作业范围为零时，终止路径规划的步骤包括：

当迭代计算出的路径规划下一转向点坐标与相邻已路径规划的路径的垂直距离小于2倍所述作业路径预设宽度时，判定当前转折点为路径规划终点，终止路径规划。

5.根据权利要求1所述的自动化作业设备路径规划方法，其特征在于，所述构建平面坐标系，确定各所述顶点的坐标的步骤包括：

确定所述自动化作业设备停放位置；

以所述自动化作业设备停放位置为坐标原点，构建平面坐标系，确定各所述顶点的坐标。

6.一种自动化作业设备路径规划系统，其特征在于，包括：

顶点确定模块，用于获取自动化作业设备的未作业范围，并确定所述未作业范围的各个顶点；

坐标构建模块，用于构建平面坐标系，确定各所述顶点的坐标；

起点计算模块，用于以任意单个所述顶点为作业起点，根据作业起点坐标、作业路径预设宽度以及各所述顶点中与所述作业起点相邻的两个所述顶点坐标，计算路径规划起点坐标，所述作业路径预设宽度不大于所述自动化作业设备的作业宽度的一半；

路径划设模块，用于沿平行于未作业范围边界的方向，与未作业范围边界间隔所述作业路径预设宽度距离，在未作业范围内侧进行路径规划；

终止模块，用于当未作业范围为零时，终止路径规划，获得所述自动化作业设备的路径。

7.根据权利要求6所述的自动化作业设备路径规划系统，其特征在于，所述起点计算模块包括：

选取单元，用于在各所述顶点中任意选取作业起点；

坐标获取单元，用于确定各所述顶点中与所述作业起点相邻的第一顶点和第二顶点，获取所述第一顶点的坐标与所述第二顶点的坐标；

第一计算单元，用于根据所述作业起点的坐标以及所述第一顶点的坐标，获取所述未作业范围中所述作业起点与所述第一顶点所处边界直线的直线方程，记为第一边界的直线方程；

第二计算单元，用于根据所述第一边界的直线方程与所述作业路径预设宽度，获取路径规划第一直线的直线方程；

第三计算单元，用于根据所述作业起点的坐标以及所述第二顶点的坐标，获取所述未作业范围中所述作业起点与所述第二顶点所处边界直线的直线方程，记为第二边界的直线方程；

坐标计算单元，用于根据所述路径规划第一直线的直线方程与所述第二边界的直线方程，确定路径规划起点坐标。

8.根据权利要求7所述的自动化作业设备路径规划系统，其特征在于，所述路径划设模块用于控制所述起点计算模块采用计算路径规划起点坐标相同方式，在未作业范围内侧迭代计算路径规划下一转向点坐标。

9.根据权利要求8所述的自动化作业设备路径规划系统，其特征在于，所述终止模块用于当迭代计算出的路径规划下一转向点坐标与相邻已路径规划的路径的垂直距离小于2倍所述作业路径预设宽度时，判定当前转折点为路径规划终点，终止路径规划。

10.根据权利要求6所述的自动化作业设备路径规划系统，其特征在于，所述坐标构建模块包括：

位置确定单元，用于确定所述自动化作业设备停放位置；

坐标构建单元，用于以所述自动化作业设备停放位置为坐标原点，构建平面坐标系，确定各所述顶点的坐标。