CN107767027B - 一种相邻工序之间的农机协同作业方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种相邻工序之间的农机协同作业方法，该方法包括：更新前置工序对应的所有作业条带的工作状态和后置工序对应的所有作业条带的工作状态；根据所述前置工序进入农田的第一起始时刻和所述后置工序的增长步长时间，计算所述后置工序进入农田的第二起始时刻；根据所述第二起始时刻和所述后置工序对应的所有作业条带更新后的工作状态，确定所述后置工序对应的开始作业时刻和开始作业的作业条带。本发明计算出相邻工序之间后置工序对应的农机进入农田的合适时间，实时显示了后置工序对应的每个作业条带的工作状态，指示机手如何选择合适的作业条带进行协同作业，减少了相邻工序之间农机的等待时间，提高了协同作业的效率和安全性。

Description

一种相邻工序之间的农机协同作业方法

技术领域

本发明涉及农业应用技术领域，更具体地，涉及一种相邻工序之 间的农机协同作业方法。

背景技术

目前，随着土地流转进程的加快，农业经营体制也不断革新，促 使农业种植从散乱状态转变为农场和合作社形式，规模化耕作由机器 取代人力。如何不断提高生产效率，合理调度资源，降低生产成本是 规模化农业生产中突出的问题。

现有的农机作业终端与农机作业系统基本以单机系统为主，相邻 工序之间的农机等待间隔由工作人员安排调度，较为依赖农机驾驶员 长期以来积累的相关经验，无法合理的安排相邻工序之间农机等待时 间，导致农业生产效率低下。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一 种相邻工序之间的农机协同作业方法。

根据本发明的一个方面，提供一种相邻工序之间的农机协同作业 方法，包括：S1，对于工序集中任意两个相邻的工序，将所述任意两 个相邻的工序中需要先完成的工序作为前置工序，将后完成的工序作 为后置工序，根据所述前置工序对应的任一作业条带的工作状态的变 化，更新所述前置工序对应的所有作业条带的工作状态和所述后置工 序对应的所有作业条带的工作状态，所述工序集包含完成目标作业的 所有工序；S2、根据所述前置工序进入农田的第一起始时刻和所述后 置工序的增长步长时间，计算所述后置工序进入农田的第二起始时刻， 所述增长步长时间为第一步长时间和第二步长时间之和，所述第一步 长时间为在所述后置工序对应的任一条作业条带上完成所述后置工序 的时间，所述第二步长时间为在所述后置工序对应的任一作业条带上 掉头进入下一条作业条带的时间；S3，根据所述第二起始时刻和所述 后置工序对应的所有作业条带更新后的工作状态，确定所述后置工序 对应的开始作业时刻和所述后置工序在所述开始作业时刻进行工作的作业条带。

优选地，步骤S1中进一步包括，根据完成所述目标作业的所有工 序获得工序集，对于所述工序集中的任一工序，所述任一工序对应一 类农机，根据所述农机的机具宽度，将农田划分为多个作业条带。

优选地，每一工序对应的每一作业条带的工作状态为已完成、作 业中、待作业和不可作业四种工作状态中的一种。

优选地，步骤S2进一步包括：S21，获取所述第二起始时刻对应 的初始时刻数值，根据所述初始时刻数值获取所述第二起始时刻对应 的验证时刻集；S22，获取所述验证时刻集中每一验证时刻对应的第一 凸多边形和第二凸多边形，若每一验证时刻对应的第一凸多边形都内 切于每一验证时刻对应的第二凸多边形，将所述初始时刻数值作为所 述第二起始时刻的实际取值，若所述验证时刻集中存在任一验证时刻 对应的第一凸多边形与所述任一验证时刻对应的第二凸多边形相交， 或者所述任一验证时刻对应的第一凸多边形包含所述任一验证时刻对 应的第二凸多边形，则不断调整所述初始时刻数值，直至所述验证时 刻集中每一验证时刻对应的第一凸多边形都内切于每一验证时刻对应 的第二凸多边形，所述第一凸多边形由已完成所述前置工序的所有作 业条带构成，所述第二凸多边形由已完成所述后置工序的所有作业条 带构成。

优选地，所述验证时刻集为：

其中，T₁为所述前置工序进入农田的第一起始时刻，T_idle为所述初 始时刻数值，ΔT₂为所述后置工序的增长步长时间，k为验证次数 strip_num为所述后置工序对应的所有作业条带的总数，vehicle_num为 所述后置工序对应的农机数量。

优选地，步骤S1进一步包括：根据所述前置工序对应的每一作业 条带的工作状态，把所述前置工序对应的所有作业条带划分为前置工 序已完成集、前置工序作业中集、前置工序待作业集和前置工序不可 作业集；根据所述后置工序对应的每一作业条带的工作状态，把所述 后置工序对应的所有作业条带划分为后置工序已完成集、后置工序作 业中集、后置工序待作业集和后置工序不可作业集；对于所述前置工 序作业中集的任一作业条带，当所述任一作业条带对应的前置工序已 经完成时，所述任一作业条带的工作状态由作业中变为已完成；对于 所述后置工序不可作业集中的任一作业条带，若所在空间对应的前置 工序作业条带的状态变为已完成，所述任一作业条带的工作状态由不 可作业变为待作业。

优选地，所述后置工序开始作业的作业条带具体为：所述后置工 序对应的工作状态为待作业的作业条带。

优选地，所述改变所述初始时间数值的具体方法为：所述初始时 间数值以所述增加时间步长为公差依次递增。

优选地，所述步骤S1之前还包括：以所述农田的左下角为三维直 角坐标系的原点，Y轴与农机进行作业的方向平行，X轴垂直于Y轴， 根据右手法则，建立三维直角坐标系。

优选地，第n道工序对应的第i条作业条带的表示方法为：

其中，widthⁿ表示第n道工序对应的农机的机具宽度。

本发明提出一种相邻工序之间的农机协同作业方法,把农田根据 农机类型分为多个作业条带，农机在作业条带中完成工序任务，避免 了农机工作区域的重叠和遗漏的问题。计算出相邻工序之间后置工序 对应的农机进入农田的合适时间，并且实时显示了后置工序对应的每 个作业条带的工作状态，根据后置工序对应的农机进入农田的合适时 间，指示机手如何选择合适的作业条带进行协同作业，减少了相邻工 序之间农机的等待时间，提高了协同作业的效率和安全性。

附图说明

图1为本发明实施例一种相邻工序之间的农机协同作业方法的流 程图；

图2为本发明实施例中建立的三维直角坐标系示意图，如图2所 示；

图3为本发明实施例中2个工序情况下作业条带坐标表达示意图；

图4为本发明实施例中农机不同的行走模式下凸多边形的形状示 意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细 描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1为本发明实施例一种相邻工序之间的农机协同作业方法的流 程图，如图1所示，该方法包括：S1，对于工序集中任意两个相邻的 工序，将所述任意两个相邻的工序中需要先完成的工序作为前置工序， 将后完成的工序作为后置工序，根据所述前置工序对应的任一作业条 带的工作状态的变化，更新所述前置工序对应的所有作业条带的工作 状态和所述后置工序对应的所有作业条带的工作状态，所述工序集包 含完成目标作业的所有工序；S2、根据所述前置工序进入农田的第一 起始时刻和所述后置工序的增长步长时间，计算所述后置工序进入农 田的第二起始时刻，所述增长步长时间为第一步长时间和第二步长时 间之和，所述第一步长时间为在所述后置工序对应的任一条作业条带 上完成所述后置工序的时间，所述第二步长时间为在所述后置工序对 应的任一作业条带上掉头进入下一条作业条带的时间；S3，根据所述 第二起始时刻和所述后置工序对应的所有作业条带更新后的工作状 态，确定所述后置工序对应的开始作业时刻和所述后置工序在所述开 始作业时刻进行工作的作业条带。

在进行农田作业的过程中，通常会有多道工序，例如春天播种时， 要完成的目标作业是播撒种子，那么完成该目标作业就需要犁地工序、 耙地工序、施肥工序和播种工序等。每一个工序对应一类农机，犁地 工序对应一类犁地用的农机，犁地用的农机可以是一个，也可以是多 个；耕地工序对应一类耕地用的农机，耕地用的农机可以是一个，也 可以是多个；耙地工序对应的一类耙地用的农机，耙地用的农机可以 是一个，也可以是多个；施肥工序对应一类施肥用的农机，施肥用的 农机可以是一个，也可以是多个；播种工序对应一类播种用的农机， 可以是一个农机，也可以是多个农机。根据每个工序对应的农机的机具宽度，将农田划分为多个作业条带，在进行工序任务中，一个农机 在一条作业条带上工作。所述作业条带为所述农机从所述农田的一端 移动至另一端时所述农机的机具覆盖所述农田形成的矩形。

并且工序和工序之间会有先后顺序关系，例如对于播撒种子，正 确的工序顺序为：犁地工序、耙地工序、施肥工序和播种工序。对应 这四个工序中的任意两个相邻的工序，例如耙地工序和施肥工序，将 耙地工序称为前置工序，将施肥工序称为后置工序。耙地工序在某个 作业条带中进行，当耙地工序在该作业条带上已经完成时，说明该作 业条带的施肥工序就可以开始了。

根据耕地工序进入农田的第一起始时间和施肥工序的增长步长时 间，施肥工序的增长步长时间是指：施肥用的农机完成一条作业条带 施肥所花的时间加上施肥用的农机从该作业条带掉头进入下一条作业 条带所花的时间。

本发明把农田根据农机类型分为多个作业条带，农机在作业条带 中完成工序任务，避免了农机工作区域的重叠和遗漏的问题。计算出 相邻工序之间后置工序对应的农机进入农田的合适时间，并且实时显 示了后置工序对应的每个作业条带的工作状态，根据后置工序对应的 农机进入农田的合适时间，指示机手如何选择合适的作业条带进行协 同作业，减少了相邻工序之间农机的等待时间，提高了协同作业的效 率和安全性。

图2为本发明实施例中建立的三维直角坐标系示意图，如图2所 示，以所述农田的左下角为三维直角坐标系的原点，Y轴与作业引导 线平行，X轴垂直于Y轴，根据右手法则，建立三维直角坐标系。

为了描述作业条带的划分和工序建立了三维直角坐标系，遵循右 手坐标系法则。O为坐标原点，XOY轴平面表示农田，其中Y轴与作 业引导线平行，X轴垂直于Y轴，XY轴坐标表示是距离，单位为米， Z轴垂直于X-Y轴平面，表示工序。

图2中的虚线即为每个作业条带的作业引导线，每个作业条带为 一个矩形，每个作业条带的中心线即为该作业条带的作业引导线，农 机在工作时，沿着作业引导线进行工作，避免了两个相邻农机工作时 工作的范围交叉的问题。

在上面建立的三维直角坐标系中，为了方便表达和计算，以坐标 的形式表示每个工序对应的每条作业条带。

在XOZ平面内表示农田和工序，则第n道工序第i个作业条带的 表达式为：

其中，widthⁿ表示第n道工序对应的农机的机具宽度，(i-1)×widthⁿ表 示第i个作业条带在X轴上的初始坐标，i×widthⁿ表示第i个作业条带 在X轴上的终点坐标。

例如，完成目标任务只需要2个工序，农田的长度为60米，第一 个工序operation¹对应的农机的机具宽度为5米，第二个工序operation²对 应的农机的机具宽度为4.5米，图3为本发明实施例中2个工序情况下 作业条带坐标表达示意图，如图3所示，作业条带为所述农机从所述 农田的一端移动至另一端时所述农机的机具覆盖所述农田形成的矩 形。第一个工序operation¹对应的12条作业条带，根据作业条带的表达 式，第一个工序operation¹对应的第一条作业条带的坐标表达式为

第一个工序operation¹对应的第二条作业条带的坐标表达式为

第一个工序operation¹对应的第三条作业条带的坐标表达式 为

以此类推，第一个工序operation¹对应的第十二条作业条 带的坐标表达式为

同理计算出第二个工序operation²对应的每条作业条带的坐标表达 式。

在上述实施例的基础上，具体地，对于所述工序集中的任一工序， 所述任一工序对应的任一作业条带对应已完成、作业中、待作业和不 可作业四种工作状态中的一种。

例如，把第一个工序看作前置工序，把第二个工序看作后置工序。 此种情况下，前置工序已完成集用stripDone¹表示，stripDone¹中包含第 一个工序对应的所有工作状态为已完成的作业条带；前置工序作业中 集用stripDoing¹表示，stripDoing¹中包含第一个工序对应的所有工作状态 为作业中的作业条带；前置工序待作业集用stripReady¹表示，stripReady¹中包含第一个工序对应的所有工作状态为待作业的作业条带；前置工 序不可作业集用stripUnready¹表示，stripUnready¹中包含第一个工序对 应的所有工作状态为不可作业的作业条带。

同理，后置工序已完成集用stripDone²表示，stripDone²中包含第二 个工序对应的所有工作状态为已完成的作业条带；后置工序作业中集 用stripDoing²表示，stripDoing²中包含第二个工序对应的所有工作状态 为作业中的作业条带；后置工序待作业集用stripReady²表示， stripReady²中包含第一个工序对应的所有工作状态为待作业的作业条 带；前置工序不可作业集用stripUnready²表示，stripUnready²中包含第 一个工序对应的所有工作状态为不可作业的作业条带。

在上述实施例的基础上，具体地，根据所述前置工序对应的每一 作业条带的工作状态，把所述前置工序对应的所有作业条带划分为前 置工序已完成集、前置工序作业中集、前置工序待作业集和前置工序 不可作业集；根据所述后置工序对应的每一作业条带的工作状态，把 所述后置工序对应的所有作业条带划分为后置工序已完成集、后置工 序作业中集、后置工序待作业集和后置工序不可作业集；对于所述前 置工序作业中集的任一作业条带，当所述任一作业条带对应的前置工 序已经完成时，所述任一作业条带的工作状态由作业中变为已完成； 对于所述后置工序不可作业集中的任一作业条带，若所在空间对应的 前置工序作业条带的状态变为已完成，所述任一作业条带的工作状态 由不可作业变为待作业。

例如，假设前置工序已完成集stripDone¹在XOY平面坐标系中的坐 标是(0，10)，第一个工序(也就是当前置工序)对应的第3条作业 条带

完成时，stripDone¹集的坐标就变成(0，15)，更新模 式如下：

由于第一个工序对应的第3条作业条带已经完成，也就说明第3 条作业条带的农田地段可以进行第二个工序，此时，需要更新第二个 工序对应的后置工序待作业集和后置工序不可作业集的内容。

更新后置工序对应的后置工序待作业集stripReady²。对于后置工序 不可作业集stripUnready²中的每一条作业条带，如果

则把第二个工序对应的第i条作业条带加入到后置工序待作业集 stripReady²中。

例如，后置工序不可作业集stripUnready²刚开始为(7.5,60)。由于 后置工序不可作业集中第2条作业条带

的范围在前置工序已完成 集stripDone¹内，即

更新模式如下：

同时，第二个工序对应的第二条作业条带

的工作状态由不可 作业变为待作业。

接着计算后置工序进入农田作业合适的第二起始时间，具体思想 是：将工序对应的工作状态为已完成的作业条带形成的区域，看作由 已完成的作业条带拼接而成的凸多边形，凸多边形的面积即为工序已 作业的面积，这样就将相邻工序之间的时间重叠问题转化为空间重叠 问题。

设前置工序对应的工作状态为已完成的作业条带构成第一凸多边 形S₁，后置工序对应的工作状态为已完成的作业条带构成第二凸多边 形S₂，任意时刻，只有当S₂内切于S₁的时候，后置工序进入农田的第 二起始时间才是合适的；反之，则表示后置工序进入农田的第二起始 时间过早。

图4为本发明实施例中农机不同的行走模式下凸多边形的形状示 意图，如图4所示，在XOY平面中，假设农机从O点由下至上开始 作业，则凸多边形的形状可以根据农机的行走模式划分为以下三种情 况：

第一种，农机在作业条带的底端，准备开始该作业条带的作业； 或者是农机在作业条带的顶端，刚结束该条带的作业，此时凸多边形 的形状如图4中的(3-1)所示；

第二种，农机在作业条带除顶端和底端的任一位置，由下至上正 在作业，此时凸多边形的形状如图4中的(3-2)所示；

第三种，农机在作业条带除顶端和底端的任一位置，由上至下正 在作业，此时凸多边形的形状如图4中的(3-3)所示。

由上可知，前置工序构成的第一凸多边形和后置工序构成的第二 凸多边形的形状都有以上三种情况，设前置工序对应的农机进入农田 的第一起始时间为T₁＝0，需要计算后置工序对应的农机进入农田的第二 起始时间。

考虑第一凸多边形和第二凸多边形相交的情况和农机田间行走模 式，以第二凸多边形的形状为只有图4中图(3-1)为例进行说明。如 图4中所示情况，图(1-1)、(1-2)、(1-3)为第一凸多边形和第二凸 多边形相交的情况，图(2-1)、(2-2)和(2-3)为第二凸多边形包含 或内切于第一凸多边形的情况。

接着根据所述前置工序进入农田的第一起始时间和所述后置工序 的增长步长时间，计算所述后置工序进入农田的第二起始时间；所述 后置工序的增长步长时间为后置工序对应的农机完成一条条带和掉头 进入下一条带的总时间为ΔT₂。具体计算步骤如下：

S21，获取所述第二起始时刻对应的初始时刻数值，根据所述初始 时刻数值获取所述第二起始时刻对应的验证时刻集；

假设所述第二起始时间为一个已知的初始时间数值T_idle，所述第二 起始时间为时间验证集中的一个，所述时间验证集为：

其中，T₁为所述前置工序进入农田的第一起始时间，T_idle为所述初 始时刻数值，ΔT₂为所述后置工序的增长步长时间，k为验证次数 strip_num为所述后置工序对应的所有作业条带的总数，vehicle_num为 所述后置工序对应的农机数量。

S22，获取所述验证时刻集中每一验证时刻对应的第一凸多边形和 第二凸多边形，若每一验证时刻对应的第一凸多边形都内切于每一验 证时刻对应的第二凸多边形，将所述初始时刻数值作为所述第二起始 时刻的实际取值，若所述验证时刻集中存在任一验证时刻对应的第一 凸多边形与所述任一验证时刻对应的第二凸多边形相交，或者所述任一验证时刻对应的第一凸多边形包含所述任一验证时刻对应的第二凸 多边形，则不断调整所述初始时刻数值，直至所述验证时刻集中每一 验证时刻对应的第一凸多边形都内切于每一验证时刻对应的第二凸多 边形，所述第一凸多边形由已完成所述前置工序的所有作业条带构成， 所述第二凸多边形由已完成所述后置工序的所有作业条带构成。

具体改变初始时间数值的方法为：初始时间数值以所述增加时间 步长为公差依次递增。

对于改变后的初始时间数值，重复步骤S21到S22，直到对于所述 时间验证集中的每一时间验证元素，所述每一时间验证元素对应的第 二凸多边形内切于所述每一时间验证元素对应的第一凸多边形，所述 第二起始时间即为改变后的初始时间数值。

得到后置工序进入农田合适的时间后，农机驾驶员根据计算出来 的第二起始时间和后置工序对应的所有作业条带的工作状态，来选择 后置工序开始作业的时间和后置工序开始作业的作业条带。具体地， 在选择开始作业的作业条带时，选择工作状态为待作业的作业条带， 沿着作业条带的中心线走，以播撒种子为例，就不会出现漏播复播的 情况。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明 的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同 替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种相邻工序之间的农机协同作业方法，其特征在于，包括：

S1，对于工序集中任意两个相邻的工序，将所述任意两个相邻的工序中需要先完成的工序作为前置工序，将后完成的工序作为后置工序，根据所述前置工序对应的任一作业条带的工作状态的变化，更新所述前置工序对应的所有作业条带的工作状态和所述后置工序对应的所有作业条带的工作状态，所述工序集包含完成目标作业的所有工序；

S2、根据所述前置工序进入农田的第一起始时刻和所述后置工序的增长步长时间，计算所述后置工序进入农田的第二起始时刻，所述增长步长时间为第一步长时间和第二步长时间之和，所述第一步长时间为完成所述后置工序对应的任一条作业条带的后置工序的时间，所述第二步长时间为在所述后置工序对应的任一作业条带上掉头进入下一条作业条带的时间；

S3，根据所述第二起始时刻和所述后置工序对应的所有作业条带更新后的工作状态，确定所述后置工序对应的开始作业时刻和所述后置工序在所述开始作业时刻进行工作的作业条带。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤S1中进一步包括，根据完成所述目标作业的所有工序获得工序集，对于所述工序集中的任一工序，所述任一工序对应一类农机，根据所述农机的机具宽度，将农田划分为多个作业条带。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，每一工序对应的每一作业条带的工作状态为已完成、作业中、待作业和不可作业四种工作状态中的一种。

4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，步骤S2进一步包括：

S21，获取所述第二起始时刻对应的初始时刻数值，根据所述初始时刻数值获取所述第二起始时刻对应的验证时刻集；

S22，获取所述验证时刻集中每一验证时刻对应的第一凸多边形和第二凸多边形，若每一验证时刻对应的第一凸多边形都内切于每一验证时刻对应的第二凸多边形，将所述初始时刻数值作为所述第二起始时刻的实际取值，若所述验证时刻集中存在任一验证时刻对应的第一凸多边形与所述任一验证时刻对应的第二凸多边形相交，或者所述任一验证时刻对应的第一凸多边形包含所述任一验证时刻对应的第二凸多边形，则不断调整所述初始时刻数值，直至所述验证时刻集中每一验证时刻对应的第一凸多边形都内切于每一验证时刻对应的第二凸多边形，所述第一凸多边形由已完成所述前置工序的所有作业条带构成，所述第二凸多边形由已完成所述后置工序的所有作业条带构成。

5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述验证时刻集为：T_now＝{T₁+T_idle+ΔT₂,T₁+T_idle+2×ΔT₂,...,T₁+T_idle+k×ΔT₂},

其中，T₁为所述前置工序进入农田的第一起始时刻，T_idle为所述初始时刻数值，ΔT₂为所述后置工序的增长步长时间，k为验证次数，strip_num为所述后置工序对应的所有作业条带的总数，vehicle_num为所述后置工序对应的农机数量。

6.根据权利要求3所述方法，其特征在于，步骤S1进一步包括：

根据所述前置工序对应的每一作业条带的工作状态，把所述前置工序对应的所有作业条带划分为前置工序已完成集、前置工序作业中集、前置工序待作业集和前置工序不可作业集；

根据所述后置工序对应的每一作业条带的工作状态，把所述后置工序对应的所有作业条带划分为后置工序已完成集、后置工序作业中集、后置工序待作业集和后置工序不可作业集；

对于所述前置工序作业中集的任一作业条带，当所述任一作业条带对应的前置工序已经完成时，所述任一作业条带的工作状态由作业中变为已完成；

对于所述后置工序不可作业集中的任一作业条带，若所在空间对应的前置工序作业条带的状态变为已完成，所述任一作业条带的工作状态由不可作业变为待作业。

7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，步骤S3中，所述后置工序开始作业的作业条带具体为：所述后置工序对应的工作状态为待作业的作业条带。

8.根据权利要求4所述方法，其特征在于，步骤S22中，改变所述初始时刻数值的具体方法为：所述初始时刻数值以所述增长步长时间为公差依次递增。

9.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括：以所述农田的左下角为三维直角坐标系的原点，Y轴与农机进行作业的方向平行，X轴垂直于Y轴，根据右手法则，建立三维直角坐标系。

10.根据权利要求9所述方法，其特征在于，第n道工序对应的第i条作业条带的表示方法为：

其中，widthⁿ表示第n道工序对应的农机的机具宽度。

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