CN108012608A - 一种基于gnss的土地平整方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于GNSS的土地平整方法，包括：根据已经获取的目标地块的地势信息和地形环境模型，通过对目标地块全局规划的地势分析，确定规划路径的总体走向；然后通过基于地形环境模型和地势信息的挖填土方量计算，进行避免平地设备空载、满载情况发生的局部调整，即结合基于挖填土方量计算和空/满载判断的设定规则确定遍历目标地块的目标规划路径；最后按照该规划路径指导平地设备进行目标地块平整作业。本发明通过进行合理的平地路径规划，能够有效避免或减少平地设备空载、满载、重复平整和遗漏平整等无效平整情况发生，可以对土地平整进行有效的作业指导，提高土地平整的效率。
Description
技术领域
本发明涉及精准农业中的农田精细平整技术领域，更具体地，涉及一种基于GNSS的土地平整方法。
背景技术
土地平整是土地开发整理工程和农业水资源管理的一个重要环节，通过设备将原有倾斜的、起伏不平的地面平整成为水平或带有一定坡度的地面。土地平整能够有效增加有效耕地面积，促进土地的集约利用和规模经营；能够方便机械化耕作，改善农业生产条件，加快农业的现代化进程；土地平整还可以使田块满足灌溉要求，对合理灌溉、节约用水、改善土壤质量、保持土壤肥料、增产增收以及提高劳动生产率等起到重要的作用。
全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)平地技术是通过GNSS差分定位获取农田地势三维数据，通过计算机处理和设计最佳平整面，根据农田地势的实际高程与设计高程的落差自动精准控制平地设备的升降从而实现土地平整。GNSS控制平地技术适用于各种地形，具有不受阳光、风力、地势起伏等外界因素的影响的优点，可以便捷的进行地形测量、基准面设计和土地平整，智能化和自动化程度较高，并且可扩展功能多，有着非常好的工作效率与发展前景。
目前，我国前期研究的基于GNSS的农田平整系统，具有相对完善的功能，实现了农田地形测量、平面平整及坡面平整的软硬件开发和系统集成。该系统精度高，能满足土地精细平整和灌溉需求。常规的土地平整过程中，拖拉机始终保持直线行驶，到地头进行转向，这种方法操作要求低，线路明确简洁。
但是，在平地作业过程中容易出现平地铲空载或满载的问题。铲车空载导致系统处于无土可卸、满载导致系统处于挖不动土的无效作业状态，在这种状态下拖拉机行驶过的农田地形得不到改善。由于作业人员无法确定其位置，经常会出现漏平、重平的情况。所以要达到预期的平整效果，需要进行多次遍历农田的平地作业，极大影响了平地效率。
发明内容
为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供一种基于GNSS的土地平整方法，用以进行合理的平地路径规划，从而有效避免平地设备空载或满载的情况，提高土地平整的效率。
本发明提供一种基于GNSS的土地平整方法，包括：根据预先确定的目标规划路径，指导平地设备进行所述目标地块的平整作业；其中，所述目标规划路径为根据目标地块的地势信息和地形环境模型，利用基于挖填土方量计算和空/满载判断的设定规则确定的。
其中，所述地形环境模型包括将所述目标地块进行网格划分获取的多个单元格；相应的，根据所述目标地块的地势信息和地形环境模型，利用所述基于挖填土方量计算和空/满载判断的设定规则确定所述目标规划路径的步骤进一步包括：S1，利用所述地势信息对应填充所述地形环境模型，并基于所述地势信息和根据所述地势信息获取的目标地块基准高程，计算每个所述单元格对应的挖填土方量；S2，基于所述挖填土方量，确定初始规划路径，结合使所述平地设备非满载且非空载的规划原则，设定所述基于挖填土方量计算和空/满载判断的设定规则；S3，基于所述基于挖填土方量计算和空/满载判断的设定规则，确定所述目标规划路径。
进一步的，在所述S1的步骤之前，所述方法还包括：通过对所述目标地块的地形测量，以及对测量结果的设定处理流程，获取所述目标地块的地势信息，并基于所述地势信息计算所述目标地块基准高程；基于所述地势信息，利用方向包围盒OBB算法对所述目标地块进行边界标准化处理，并对所述目标地块进行网格划分，获取所述地形环境模型。
其中，所述通过对所述目标地块的地形测量，以及对测量结果的设定处理流程，获取所述目标地块的地势信息的步骤进一步包括：利用GNSS平地装置对所述目标地块进行地形测量，并通过坐标转换、误差处理和插值处理获取所述目标地块的地势信息。
其中，步骤S2中所述基于所述挖填土方量，确定初始规划路径的步骤进一步包括：S21，基于各所述单元格对应的挖填土方量，计算所述地形环境模型中各行单元格对应的行总挖填土方量；S22，基于所述行总挖填土方量和平地设备的当前载荷量，按设定排序规则依次选择各所述行进行所述初始规划路径的设定。
进一步的，在所述S22的步骤之前，所述方法还包括：将所述目标地块纵向均分为二获取第一子块和第二子块，并分别基于所述第一子块和第二子块中单元格对应的挖填土方量，计算对应的第一总挖填土方量和第二总挖填土方量；根据所述第一总挖填土方量和第二总挖填土方量的大小关系，将所述第一子块和第二子块定义为高侧子地块和低侧子地块；相应的，所述S22的步骤进一步包括：S221，按所述行总挖填土方量从小到大的顺序，选择每行两端单元格对应的所述挖填土方量较大且大于零的单元格作为路径起始点；S222，设定在所述高侧子地块转弯时，目标转入行为对应的所述行总挖填土方量与所述平地设备的当前载荷量之和最小且大于0的行；S223，设定在所述低侧子地块转弯时，目标转入行为对应的所述行总挖填土方量与所述平地设备的当前载荷量之和最大且小于给定阈值的行。
其中，步骤S2中所述结合使所述平地设备非满载且非空载的规划原则，设定所述基于挖填土方量计算和空/满载判断的设定规则的步骤进一步包括：S23，基于前方相邻单元格对应的所述挖填土方量与平地设备的当前载荷量，判断是否会使所述平地设备满载或者空载，所述前方相邻单元格包括正前方相邻单元格、左前方相邻单元格和右前方相邻单元格；S24，若是，则直行至所述正前方相邻单元格进行平地作业，并对应更新所述平地设备的当前载荷量为满载或者空载，更新当前单元格的挖填土方量减少对应满载或者空载值与更新前平地设备的当前载荷量的差值，将平地设备的当前位置更新为所述正前方相邻单元格，转入步骤S23；S25，若否，则转入所述前方相邻单元格进行平地作业，并更新所述平地设备的当前载荷与所述前方相邻单元格的挖填土方量，转入步骤S23，直至遍历所述目标地块。
其中，所述S23的步骤进一步包括：S231，判断正前方相邻单元格对应的所述挖填土方量与平地设备的当前载荷量的和值是否在所述平地设备的空载值至满载值范围内，若是，则以所述正前方相邻单元格作为所述前方相邻单元格，转入步骤S25；S232，若所述和值不在所述空载值至满载值范围内，则分别判断左前方相邻单元格和右前方相邻单元格对应的所述挖填土方量与所述平地设备的当前载荷量之和是否在所述平地设备的空载值至满载值范围内，若二者均为否，则转入步骤S24；S233，若二者其一为是，则将是所对应的单元格作为所述前方相邻单元格，转入步骤S25；S234，若二者均为是，则分别以所述左前方相邻单元格和所述右前方相邻单元格为所述前方相邻单元格，转入步骤S25遍历所述目标地块，获取多条待选规划路径；选择转弯数量最少的所述待选规划路径对应的相邻单元格作为所述前方相邻单元格，转入步骤S25。
其中，所述对所述目标地块进行网格划分的步骤进一步包括：基于平地铲的宽度确定所述单元格的宽度；基于所述平地设备的转弯特性确定所述单元格的长度的最小取值，基于所述平地设备的最大容量、所述单元格的宽度和土地平整最大允许高差，确定所述单元格的长度的最大取值；在确保所述单元格的长度在所述最小取值至所述最大取值范围内的约束条件下，根据下式确定所述单元格的长度：
式中，L表示目标地块的长边边界长度，La表示所述目标地块两端留有的转弯余量，p表示每一行的单元格的数量，q表示余数，Lb表示单元格的长度；
根据由所述单元格的宽度和所述单元格的长度确定的单元格，对所述目标地块进行网格划分。
进一步的，在所述更新当前单元格的挖填土方量的步骤之后，所述方法还包括：基于所述更新后单元格对应的挖填土方量，更新根据填充所述地形环境模型生成的地势信息图，并通过系统屏幕对更新后的所述地势信息图进行显示；相应的，在指导所述平地设备遍历平整所述目标地块的步骤之后，还包括：根据系统屏幕显示，指导所述平地设备进行未达到所述目标地块基准高程的单元格的二次平整作业。
本发明提供的一种基于GNSS的土地平整方法，通过进行合理的平地路径规划，能够有效避免或减少平地设备空载、满载、重复平整和遗漏平整等无效平整情况发生，可以对土地平整进行有效的作业指导，提高土地平整的效率。
附图说明
图1为本发明实施例一种基于GNSS的土地平整路径规划处理流程图；
图2为本发明实施例获取地势信息和地形环境模型的处理过程流程图；
图3为本发明实施例一种目标地块初始边界形状的示意图；
图4为本发明实施例一种方向包围盒确定的目标地块边界形状示意图；
图5为本发明实施例一种地形环境模型示意图；
图6为本发明实施例一种基于挖填土方量的地势信息图系统显示图；
图7为本发明实施例一种对目标地块进行网格划分的处理过程流程图；
图8为本发明实施例一种基于GNSS的土地平整方法的流程图；
图9为本发明实施例一种确定初始规划路径的处理过程流程图；
图10为本发明实施例一种基于行总挖填土方量和平地设备的当前载荷量的初始规划路径确定处理过程流程图；
图11为本发明实施例一种设定基于挖填土方量计算和空/满载判断的设定规则的处理过程流程图；
图12为本发明实施例一种预判平地设备满载或空载的处理过程流程图；
图13为本发明实施例一种目标规划路径示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
作为本发明实施例的一个实施例，本实施例提供一种基于GNSS的土地平整方法，包括：根据预先确定的目标规划路径，指导平地设备进行所述目标地块的平整作业；其中，所述目标规划路径为根据目标地块的地势信息和地形环境模型，利用基于挖填土方量计算和空/满载判断的设定规则确定的。
可以理解为，本实施例针对传统GNSS目标地块平整由于难以避免空/满载情况而导致效率较低的问题，在分析传统GNSS平地系统原理的基础上，结合目标地块平整实际要求及作业经验，在利用传统GNSS平地系统的地形测量功能获取目标地块的地势信息，并通过对目标地块地形的标准化处理、单元格划分将目标地块地形处理为适用于土地平整路径规划的土地环境，即建立目标地块的地形环境模型之后，利用上述设定规则，确定目标规划路径，即包括：
根据已经获取的目标地块的地势信息和地形环境模型，通过对目标地块全局规划的地势分析，确定规划路径的总体走向；然后通过基于地形环境模型和地势信息的挖填土方量计算，进行避免平地设备空载、满载情况发生的局部调整，即结合基于挖填土方量计算和空/满载判断的设定规则确定遍历目标地块的目标规划路径；最后按照该规划路径指导平地设备进行目标地块平整作业。
本发明实施例提供的一种基于GNSS的土地平整方法，通过进行合理的平地路径规划，能够有效避免或减少平地设备空载、满载、重复平整和遗漏平整等无效平整情况发生，可以对土地平整进行有效的作业指导，提高土地平整的效率。
其中可选的，所述地形环境模型包括将所述目标地块进行网格划分获取的多个单元格。相应的，根据所述目标地块的地势信息和地形环境模型，利用所述基于挖填土方量计算和空/满载判断的设定规则确定所述目标规划路径的进一步处理步骤参考图1，为本发明实施例一种基于GNSS的土地平整路径规划处理流程图，包括：
S1，利用所述地势信息对应填充所述地形环境模型，并基于所述地势信息和根据所述地势信息获取的目标地块基准高程，计算每个所述单元格对应的挖填土方量。
可以理解为，根据上述实施例，在进行目标地块的地形环境模型构建时，将目标地块按设定的网格划分规则划分为多个单元格。每个单元格对应实际目标地块的一块区域，上述获得的地势信息中包含目标地块各子区域的地势环境数据，将地势信息中各子区域对应的地势环境数据填充入地形环境模型对应的单元格。
同时，根据获取的地势信息，经误差处理剔除极点后，按照现有计算方法计算目标地块整体的目标地块基准高程。根据该目标地块基准高程和每个单元格对应的地势信息计算各单元格的挖填土方量。
例如，在地形测量后，通过误差处理剔除极点，计算出目标地块的基准高程Hav，并根据边界测量点生成目标地块的地形边界，再将测得的高程数据插值处理后，根据位置映射到地形环境模型的单元格中，按下式求出每个单元格内高程点的均值作为对应单元格的初始高程：
式中，Hij表示第i行第j个单元格的平均高程，即初始高程，H1、H2、...、Hn分别表示第i行第j个单元格内n个测量点的测量高程，n表示第i行第j个单元格内测量点的个数。
通过比较各单元格的平均高程与基准高程，得到其高、低程度，即高于基准高程或低于基准高程。本实施例中用“+”号表示高于基准高程，“-”号表示低于基准高程。
然后，基于目标地块基准高程和各单元格的平均高程，按下式对应计算各单元格对应的挖填土方量：
Vij＝2.5×Lb×(Hav-Hij)；
式中，Vij表示第i行第j个单元格对应的挖填土方量，Lb表示单元格的长度，Hav表示目标地块基准高程，Hij表示第i行第j个单元格的平均高程。
S2，基于所述挖填土方量，确定初始规划路径，结合使所述平地设备非满载且非空载的规划原则，设定所述基于挖填土方量计算和空/满载判断的设定规则。
可以理解为，分别根据目标地块中各行单元格对应的挖填土方量，计算各行的行总挖填土方量。基于行总挖填土方量，根据设定的换行规则，确定基于换行的全局规划路径，即确定初始规划路径。
同时，考虑到按初始规划路径进行平地作业可能存在平地设备空载或者满载的情况，在路径规划过程中通过挖填土方量计算对平地设备的空/满载情况进行预判，按照使平地设备既不出现空载又不出现满载的情况进行路径规划，确定基于挖填土方量计算和空/满载判断的设定规则作为局部优化规则。
S3，基于所述基于挖填土方量计算和空/满载判断的设定规则，确定所述目标规划路径。
可以理解为，在上述步骤确定了全局规划路径，并设定了基于挖填土方量计算和空/满载判断的局部优化规则之后，按照该优化规则对初始规划路径进行局部优化，获取目标规划路径。
进一步的，参考图2，为本发明实施例获取地势信息和地形环境模型的处理过程流程图，图中在所述S1的步骤之前，所述方法还包括：
S01，通过对所述目标地块的地形测量，以及对测量结果的设定处理流程，获取所述目标地块的地势信息，并基于所述地势信息计算所述目标地块基准高程。
可以理解为，在进行路径规划之前，先对目标地块的整体地形数据进行采集，即对目标地块进行地形测量。然后对测量的数据按设定处理流程，如坐标转换、无效值剔除及插值处理的处理流程，进行处理，处理后的数据信息即为目标地块的地势信息。基于目标地块的整体地势信息，按现有计算方法计算目标地块基准高程Hav。
在一个实施例中，所述通过对所述目标地块的地形测量，以及对测量结果的设定处理流程，获取所述目标地块的地势信息的步骤进一步包括：利用GNSS平地装置对所述目标地块进行地形测量，并通过坐标转换、误差处理和插值处理获取所述目标地块的地势信息。
可以理解为，首先利用GNSS土地平整系统进行目标地块的地形测量。具体操作时，作业人员驾驶拖拉机按照程序指示，按照原点标定、边界测量和内部测量的顺序，对目标地块进行地形测量。在拖拉机移动的过程中，利用平地铲中间的移动站卫星天线获取目标地块离散点的三维数据，通过计算生成目标地块面积、目标地块平整度、平均高程和挖填土方量等目标地块的基本信息。然后，通过GNSS到目标地块的坐标转换、极值剔除的误差处理以及利用测得的高程数据进行插值处理获取目标地块的地势信息。
S02，基于所述地势信息，利用方向包围盒OBB算法对所述目标地块进行边界标准化处理，并对所述目标地块进行网格划分，获取所述地形环境模型。
其中，方向包围盒算法(Oriented Bounding Box,OBB)是基于分离轴定律(Separating Axis Theorem,SAT)的。包围盒是指根据物体的几何形状来决定盒子的大小和方向，以获取最紧凑的盒子来代表物体。分离轴定律表示：两个凸多边形物体，如果能找到一个轴，使得两个物体在该轴上的投影互不重叠，则这两个物体之间没有碰撞发生，该轴为分离轴。OBB是根据物体本身的几何形状来决定盒子的大小和方向，盒子无须和坐标轴垂直。一般考虑物体所有的顶点在空间的分布，通过一定的算法找到最好的方向(OBB盒子的几个轴)。
可以理解为，对目标地块的地形测量首先要进行边界测量。具体实施时，人为选取边界上一个位置为原点，拖拉机从原点出发，绕目标地块一圈回到原点。GNSS测得的数据组成边界点显示在地图上反应目标地块的形状，确定如图3所示的目标地块初始边界形状，图3为本发明实施例一种目标地块初始边界形状的示意图。图中地块边界路线曲折并且四角呈弧形。
由于GNSS在边界测量过程中收集的数据为拖拉机行驶的位置信息，路线曲折并且四角呈弧形，不满足环境建模标准。本实施例利用OBB对边界进行标准化处理。具体首先利用下式确定目标地块中心点C的位置：
式中，C(xc,yc)表示目标地块中心点的坐标，xc和yc分别表示目标地块中心点的x轴坐标和y轴坐标，n表示目标地块中总的数据测量点数据，xm和ym分别表示第m个数据测量点的x轴坐标和y轴坐标。
然后，寻找与中心点C距离最短的边界点P，利用直线CP确定OBB主轴，生成包围盒如图4所示，即为地形环境模型边界。图4为本发明实施例一种方向包围盒确定的目标地块边界形状示意图。图中地块边界形状为标准的方角矩形。
在生成地形环境模型边界后，对内部区域进行单元格划分，并预留两侧区域为转弯地头。由于拖拉机不同于普通机器人，灵活度不高，并且在平地过程中，应尽量保持直线行驶，普通栅格并不适用，本发明实施例将单元格设定为长方形，对目标地块进行网格划分后，形成如图5所示的地形环境模型，图5为本发明实施例一种地形环境模型示意图。借鉴常规土地平整原则，即优先保证平地设备的直线行驶，在特定情况转向，以减少操作难度，进行平地路径规划。
可选的，根据上述实施例计算获取各单元格的挖填土方量之后，对应生成如图6所示的地势信息图，图6为本发明实施例一种基于挖填土方量的地势信息图系统显示图。图中地形环境模型中各单元格被对应填充了目标地块相同坐标位置的挖填土方量计算值。
其中可选的，所述对所述目标地块进行网格划分的进一步处理步骤参考图7，为本发明实施例一种对目标地块进行网格划分的处理过程流程图，包括：
S021，基于平地铲的宽度确定所述单元格的宽度。
可以理解为，由于地块大小不统一，如果先确定单元格长度，可能出现剩余地头区域极大或极小的情况，于是先根据平地铲的宽度确定单元格的宽度。
假设平地铲宽度r＝2.5m，为避免规划路径应用于自动导航时由于横向偏差而造成漏平，先确定地头转弯余量长度La＝2m，小于平地铲宽度。如此既能保证铲车对区域的全覆盖，又给拖拉机转向留有足够空间。将两侧地头转弯余量之间的区域划分成单元格，其中单元格的宽d与La相同，为2m，保证铲车在单元格内挖填土无剩余区域，并且铲车偏离中心路径不会造成漏平情况。
S022，基于所述平地设备的转弯特性确定所述单元格的长度的最小取值，基于所述平地设备的最大容量、所述单元格的宽度和土地平整最大允许高差，确定所述单元格的长度的最大取值。
可以理解为，为保证拖拉机在其中直线行驶，单元格的长度不能太小，具体根据平地设备的转弯特性确定能使平地设备直线行驶的最小单元格长度取值，例如取值为Lbmin＝6m。
同时，考虑到GNSS土地平整系统主要用于精细平整，土地平整最大允许高差在10cm以下，为保证铲车在一个单元格内不空载、满载，根据铲车规格和土方量物料守恒定律，利用下式计算单元格长度的最大取值：
式中，Lbmax表示单元格长度的最大取值，lc、wc和hc分别表示平地铲的有效长度、宽度和高度，d表示单元格的宽度，sd表示土地平整最大允许高差。
例如，假设平地铲的有效长度、宽度和高度分别取值为2.5m、0.7m和1.0m，单元格的宽度取值2.0m，sd取值0.1m，则单元格长度的最大取值为：
即单元格长度Lb应小于8.75m。
S023，在确保所述单元格的长度在所述最小取值至所述最大取值范围内的约束条件下，根据下式确定所述单元格的长度：
式中，L表示目标地块的长边边界长度，La表示目标地块两端留有的转弯余量，p表示每一行的单元格的数量，q表示余数，Lb表示单元格的长度。
可以理解为，在根据上述步骤获知单元格长度的最小取值和最大取值之后，可以确定单元格长度的取值范围为6m≤Lb≤8.75m，即Lb∈[6m,8.75m]。以此条件作为约束条件，按下式确定单元格的长度：
式中，L表示目标地块的长边边界长度，La表示目标地块两端留有的转弯余量，p表示每一行的单元格的数量，q表示余数，Lb表示单元格的长度。
即，首先利用公式计算一行的单元格个数p及余数q，再根据计算单元格的长度，保证6m≤Lb≤8.75m。
S024，根据由所述单元格的宽度和所述单元格的长度确定的单元格，对所述目标地块进行网格划分。
可以理解为，在根据上述步骤确定了单元格的宽度和长度之后，单元格的尺寸也即确定了。同时每行单元格的个数也可以确定，基于确定的单元格尺寸和每行单元格的个数，按上述在两端留有转弯余量的方式，对目标地块进行网格划分。
基于上述实施例的土地平整路径规划处理流程，本实施例提供如图8所示的土地平整方法。图8为本发明实施例一种基于GNSS的土地平整方法的流程图，图中主要包括四个主要环节，即：地形测量、基准设计、路径规划和土地平整。本实施例中GNSS土地平整系统主要以RTK-GNSS为定位方式，以智能控制终端为控制核心，以拖拉机、液压系统提供动力，以平地铲为作业机具。
在进行路径规划之前，根据步骤S01，作业人员驾驶拖拉机按照程序指示，按照原点标定、边界测量和内部测量的顺序，对目标地块进行地形测量。在拖拉机移动的过程中，利用平地铲中间的移动站卫星天线获取目标地块离散点的三维数据，通过计算生成目标地块面积、目标地块平整度、平均高程和挖填土方量等目标地块的基本信息。
在获取目标地块地势信息后，系统根据挖填土方量等信息自动计算最优基准面，作为平地作业的基准地势高程。然后步骤S02对目标地块进行包括标准化处理、单元格划分标定和地势分析等一系列处理，建立目标地块的地形环境模型。
在进行路径规划时，步骤S1根据目标地块的地势信息计算目标地块基站高程，并通过将目标地块的地势信息按位置对应映射到地形环境模型中，结合目标地块基准高程，计算地形环境模型中每个单元格对应的挖填土方量；步骤S2通过路径规划算法，根据挖填土方量计算确定初始规划路径，步骤S3结合使平地设备非满载且非空载的规划原则对初始规划路径进行局部优化，生成最优目标规划路径。
步骤S4按照最优目标规划路径进行目标地块的平整作业，通过平地铲上的移动站卫星天线获取实时高程，与基准高程对比判断所在位置地势高低程度，通过智能集成终端控制液压系统继而控制平地铲升降进行挖填土作业。本实施例中的GNSS的土地平整路径规划方法，适用于具有地形测量功能的GNSS土地平整系统。
其中可选的，步骤S2中所述基于所述挖填土方量，确定初始规划路径的进一步处理步骤参考图9，为本发明实施例一种确定初始规划路径的处理过程流程图，包括：
S21，基于各所述单元格对应的挖填土方量，计算所述地形环境模型中各行单元格对应的行总挖填土方量。
可以理解为，本实施例在基于平地设备优先沿直线行驶的原则下，以目标地块中各行为单位进行全局路径规划，即根据各行的行总挖填土方量确定转入的目标行，进行全局路径规划。具体实施时，本步骤根据上述实施例计算获取的目标地块中各单元格对应的挖填土方量，以行为单位，分别通过计算各行所包含单元格的挖填土方量的总值，计算对应行的行总挖填土方量。
S22，基于所述行总挖填土方量和平地设备的当前载荷量，按设定排序规则依次选择各所述行进行所述初始规划路径的设定。
可以理解为，在进行换行路径规划时，考虑平地设备的最终载荷量，设定生成标准为：通过计算平地设备内当前土方量与目标单元格土方量之和，预测平地设备状态。首先根据未平整各行的行总挖填土方量和平地设备的当前载荷量，预计对应行平整结束时平地设备的最终载荷量，根据该最终载荷量对各行进行排序。设定基于该排序的换行平地执行次序，依次选择对应的行进行初始路径规划。
进一步的，在所述S22的步骤之前，所述方法还包括：将所述目标地块纵向均分为二获取第一子块和第二子块，并分别基于所述第一子块和第二子块中单元格对应的挖填土方量，计算对应的第一总挖填土方量和第二总挖填土方量；根据所述第一总挖填土方量和第二总挖填土方量的大小关系，将所述第一子块和第二子块定义为高侧子地块和低侧子地块。
可以理解为，在进行地势分析的基础上，将目标地块纵向均分为二，一边作为第一子块，另一边作为第二子块。分别根据第一子块和第二子块中各单元格对应的挖填土方量，计算第一子块和第二子块对应的总挖填土方量，即第一总挖填土方量和第二总挖填土方量。然后比较第一总挖填土方量和第二总挖填土方量的大小关系，判定两个子地块中总挖填土方量值较大者为高侧，较小者为低侧。如将高侧子地块为P1，低侧为P2。
相应的，所述S22的进一步处理步骤参考图10，为本发明实施例一种基于行总挖填土方量和平地设备的当前载荷量的初始规划路径确定处理过程流程图，包括：
S221，按所述行总挖填土方量从小到大的顺序，选择每行两端单元格对应的所述挖填土方量较大且大于零的单元格作为路径起始点。
可以理解为，根据上述实施例的计算方式，计算每一行单元格的行总挖填土方量，分别用V1,V2,...,Vn表示。然后分别计算V1,V2,...,Vn的绝对值，按从大到小的顺序判断每一行两端单元格中挖填土方量较大且大于0的单元格为路径起始点，开始生成路径。生成标准为：通过计算平地设备内当前土方量与目标单元格土方量之和，预测平地设备状态。设定空载、满载阈值分别为V0和VS，平地设备内预测土方量Vh在两个阈值范围内，即V0≤Vh≤VS，则视为有效作业。例如，取V0＝0m3，VS＝1.7m3。
S222，设定在所述高侧子地块转弯时，目标转入行为对应的所述行总挖填土方量与所述平地设备的当前载荷量之和最小且大于0的行。
可以理解为，平地设备在完成每一行平地作业时，都需要转入下一个目标行。根据上述实施例，每一行的两端都有一端被判定为各侧端，另一端为低侧端。平地设备在每行的高侧端转弯时，以对应的行总挖填土方量与平地设备的当前载荷量之和最小且大于0的行作为目标转入行，在完成当前行的平地作业时，转入目标转入行。
例如，规定拖拉机在地势高测地头转向时，其目标行挖填土方量Vx与拖拉机当前载荷量V之和最小，且大于空载阈值0m3，即：
P1:min((V+Vx)＞0),1≤x≤n；
式中，V表示拖拉机当前载荷量，Vx表示第x行的行总挖填土方量，n表示目标地块总的行数。
S223，设定在所述低侧子地块转弯时，目标转入行为对应的所述行总挖填土方量与所述平地设备的当前载荷量之和最大且小于给定阈值的行。
可以理解为，与步骤S222同理，平地设备在每行的低侧端转弯时，以对应的行总挖填土方量与平地设备的当前载荷量之和最大且小于给定阈值的行作为目标转入行，在完成当前行的平地作业时，转入目标转入行。
例如，拖拉机在地势低测地头转向时，其目标行挖填土方量Vx与当前载荷量V之和最大，且小于满载阈值1.7m3，即：
P2:max((V+Vx)≤1.7),1≤x≤n；
式中，V表示拖拉机当前载荷量，Vx表示第x行的行总挖填土方量，n表示目标地块总的行数。
其中可选的，步骤S2中所述结合使所述平地设备非满载且非空载的规划原则，设定所述基于挖填土方量计算和空/满载判断的设定规则的进一步处理步骤参考图11，为本发明实施例一种设定基于挖填土方量计算和空/满载判断的设定规则的处理过程流程图，包括：
S23，基于前方相邻单元格对应的所述挖填土方量与平地设备的当前载荷量，判断是否会使所述平地设备满载或者空载，所述前方相邻单元格包括正前方相邻单元格、左前方相邻单元格和右前方相邻单元格。
可以理解为，本实施例规划路径生成的基本原则为：在保证平地设备非空载、满载的情况下，保持直线行驶，平地设备的目标点为其所在单元格左前、前和右前三个单元格，即分别为左前方相邻单元格、正前方相邻单元格和右前方相邻单元格：
式中，V(x,y)表示当前单元格，V(x+1,y)表示正前方单元格，表示左前/右前单元格。
路径规划时，通过计算前方相邻单元格对应的挖填土方量与平地设备的当前载荷量之和，并判断该和值与预设的空载阈值至满载阈值的范围的关系，预判进行前方相邻单元格的平地作业之后，平地设备是否会出现空载或满载情况。
S24，若是，则直行至所述正前方相邻单元格进行平地作业，并对应更新所述平地设备的当前载荷量为满载或者空载，更新当前单元格的挖填土方量减少对应满载或者空载值与更新前平地设备的当前载荷量的差值，将平地设备的当前位置更新为所述正前方相邻单元格，转入步骤S23。
可以理解为，若前方相邻单元格会使平地设备满载或空载，则设定平地设备直行至正前方相邻单元格进行平地作业。平地作业之后平地设备的载荷状态会对应变为空载或满载。且该正前方相邻单元格的挖填土方量会减少对应满载或者空载值与更新前平地设备的载荷量的差值。
于是，在平地设备完成该正前方相邻单元格的平地作业之后，将平地设备的载荷量对应更新为空载或满载状态，并将该正前方相邻单元格的挖填土方量数据减少对应满载或者空载值与更新前平地设备的载荷量的差值。同时，将平地设备的当前位置更新为该正前方相邻单元格，转入步骤S23继续路径规划流程。
S25，若否，则转入所述前方相邻单元格进行平地作业，并更新所述平地设备的当前载荷与所述前方相邻单元格的挖填土方量，转入步骤S23，直至遍历所述目标地块。
可以理解为，若前方相邻单元格不能使平地设备满载或空载，则转入对应的前方单元格进行平地作业。同时更新平地设备的当前载荷和对应前方相邻单元格的挖填土方量，之后转入步骤S23循环进行路径规划流程，直至路径遍历整个目标地块。
其中可选的，所述S23的进一步处理步骤参考图12，为本发明实施例一种预判平地设备满载或空载的处理过程流程图，包括：
S231，判断正前方相邻单元格对应的所述挖填土方量与平地设备的当前载荷量的和值是否在所述平地设备的空载值至满载值范围内，若是，则以所述正前方相邻单元格作为所述前方相邻单元格，转入步骤S25；
S232，若所述和值不在所述空载值至满载值范围内，则分别判断左前方相邻单元格和右前方相邻单元格对应的所述挖填土方量与所述平地设备的当前载荷量之和是否在所述平地设备的空载值至满载值范围内，若二者均为否，则转入步骤S24；
S233，若二者其一为是，则将是所对应的单元格作为所述前方相邻单元格，转入步骤S25；
S234，若二者均为是，则分别以所述左前方相邻单元格和所述右前方相邻单元格为所述前方相邻单元格，转入步骤S25遍历所述目标地块，获取多条待选规划路径；选择转弯数量最少的所述待选规划路径对应的相邻单元格作为所述前方相邻单元格，转入步骤S25。
本实施例可以理解为，路径生成时，首先计算平地设备内土方量与正前方相邻单元格土方量之和Vh，如果该值在给定空/满载阈值范围之内，说明平地设备直行过正前方相邻单元格时始终保持有效作业状态，则生成直行路径，更新平地设备内土方量为Vh，更新正前方相邻单元格的土方量为0，对左右两侧单元格不予考虑。
若平地设备内土方量与正前方相邻单元格土方量之和超出阈值范围，分别计算其与左前方、右前相邻单元格土方量之和。
如果都不在阈值范围之内，说明平地设备转向也不能避免空载、满载，则继续保持直行至正前方相邻单元格，对应更新平地设备内土方量为V0或Vs，正前方相邻单元格土方量减少量为V0-Vh或Vs-Vh。
若计算平地设备内土方量与左前方、右前方相邻单元格土方量之和其一在阈值范围内，则说明平地设备只有转向才能进行有效平整。于是生成转向路径，更新平地设备内土方量为Vh，更新前方单元格土方量为0。
若左前方、右前方相邻单元格均满足条件，说明两侧均能进行有效平整，则同时生成两条路径，并且路径一分为二同时继续生成路径。路径生成至地头位置，按照地势分析中地头转向原则选取目标单元格继续生成路径。所有路径遍历整个目标地块后，由转弯计数器记录每种路径的转弯数量，选择转弯数量最少的路径为最终生成路径。
基于上述方法生成的目标规划路径如图13所示，图13为本发明实施例一种目标规划路径示意图。
进一步的，在所述更新当前单元格的挖填土方量的步骤之后，所述方法还包括：基于所述更新后单元格对应的挖填土方量，更新根据填充所述地形环境模型生成的地势信息图，并通过系统屏幕对更新后的所述地势信息图进行显示。
相应的，在指导所述平地设备遍历平整所述目标地块的步骤之后，还包括：根据系统屏幕显示，指导所述平地设备进行未达到所述目标地块基准高程的单元格的二次平整作业。
可以理解为，根据上述实施例计算获取各单元格的挖填土方量之后，对应生成地势信息图，并通过系统屏幕进行显示。在对目标地块平整的过程中，经过平整作业的单元格的挖填土方量数据是实时更新的，根据跟新之后的挖填土方量数据跟新上述地势信息图，并对应更新系统屏幕的显示。
相应的，在根据上述实施例遍历平整目标地块之后，通过系统屏幕显示，可以看到还有哪些单元格未达到平整标准。通过指挥平地设备直达对应地段进行二次平地作业。由于二次平地的目标明确，可直达目标地块，方便快捷，能够更有效的提高平地效率。
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 (10)
1.一种基于GNSS的土地平整方法，其特征在于，根据预先确定的目标规划路径，指导平地设备进行所述目标地块的平整作业；其中，所述目标规划路径为根据目标地块的地势信息和地形环境模型，利用基于挖填土方量计算和空/满载判断的设定规则确定的。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述地形环境模型包括将所述目标地块进行网格划分获取的多个单元格；
相应的，根据所述目标地块的地势信息和地形环境模型，利用所述基于挖填土方量计算和空/满载判断的设定规则确定所述目标规划路径的步骤进一步包括：
S1，利用所述地势信息对应填充所述地形环境模型，并基于所述地势信息和根据所述地势信息获取的目标地块基准高程，计算每个所述单元格对应的挖填土方量；
S2，基于所述挖填土方量，确定初始规划路径，结合使所述平地设备非满载且非空载的规划原则，设定所述基于挖填土方量计算和空/满载判断的设定规则；
S3，基于所述基于挖填土方量计算和空/满载判断的设定规则，确定所述目标规划路径。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述S1的步骤之前，还包括：
通过对所述目标地块的地形测量，以及对测量结果的设定处理流程，获取所述目标地块的地势信息，并基于所述地势信息计算所述目标地块基准高程；
基于所述地势信息，利用方向包围盒OBB算法对所述目标地块进行边界标准化处理，并对所述目标地块进行网格划分，获取所述地形环境模型。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述通过对所述目标地块的地形测量，以及对测量结果的设定处理流程，获取所述目标地块的地势信息的步骤进一步包括：
利用GNSS平地装置对所述目标地块进行地形测量，并通过坐标转换、误差处理和插值处理获取所述目标地块的地势信息。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S2中所述基于所述挖填土方量，确定初始规划路径的步骤进一步包括：
S21，基于各所述单元格对应的挖填土方量，计算所述地形环境模型中各行单元格对应的行总挖填土方量；
S22，基于所述行总挖填土方量和平地设备的当前载荷量，按设定排序规则依次选择各所述行进行所述初始规划路径的设定。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述S22的步骤之前，还包括：
将所述目标地块纵向均分为二获取第一子块和第二子块，并分别基于所述第一子块和第二子块中单元格对应的挖填土方量，计算对应的第一总挖填土方量和第二总挖填土方量；
根据所述第一总挖填土方量和第二总挖填土方量的大小关系，将所述第一子块和第二子块定义为高侧子地块和低侧子地块；
相应的，所述S22的步骤进一步包括：
S221，按所述行总挖填土方量从小到大的顺序，选择每行两端单元格对应的所述挖填土方量较大且大于零的单元格作为路径起始点；
S222，设定在所述高侧子地块转弯时，目标转入行为对应的所述行总挖填土方量与所述平地设备的当前载荷量之和最小且大于0的行；
S223，设定在所述低侧子地块转弯时，目标转入行为对应的所述行总挖填土方量与所述平地设备的当前载荷量之和最大且小于给定阈值的行。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S2中所述结合使所述平地设备非满载且非空载的规划原则，设定所述基于挖填土方量计算和空/满载判断的设定规则的步骤进一步包括：
S23，基于前方相邻单元格对应的所述挖填土方量与平地设备的当前载荷量，判断是否会使所述平地设备满载或者空载，所述前方相邻单元格包括正前方相邻单元格、左前方相邻单元格和右前方相邻单元格；
S24，若是，则直行至所述正前方相邻单元格进行平地作业，并对应更新所述平地设备的当前载荷量为满载或者空载，更新当前单元格的挖填土方量减少对应满载或者空载值与更新前平地设备的当前载荷量的差值，将平地设备的当前位置更新为所述正前方相邻单元格，转入步骤S23；
S25，若否，则转入所述前方相邻单元格进行平地作业，并更新所述平地设备的当前载荷与所述前方相邻单元格的挖填土方量，转入步骤S23，直至遍历所述目标地块。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述S23的步骤进一步包括：
S231，判断正前方相邻单元格对应的所述挖填土方量与平地设备的当前载荷量的和值是否在所述平地设备的空载值至满载值范围内，若是，则以所述正前方相邻单元格作为所述前方相邻单元格，转入步骤S25；
S232，若所述和值不在所述空载值至满载值范围内，则分别判断左前方相邻单元格和右前方相邻单元格对应的所述挖填土方量与所述平地设备的当前载荷量之和是否在所述平地设备的空载值至满载值范围内，若二者均为否，则转入步骤S24；
S233，若二者其一为是，则将是所对应的单元格作为所述前方相邻单元格，转入步骤S25；
S234，若二者均为是，则分别以所述左前方相邻单元格和所述右前方相邻单元格为所述前方相邻单元格，转入步骤S25遍历所述目标地块，获取多条待选规划路径；选择转弯数量最少的所述待选规划路径对应的相邻单元格作为所述前方相邻单元格，转入步骤S25。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对所述目标地块进行网格划分的步骤进一步包括：
基于平地铲的宽度确定所述单元格的宽度；
基于所述平地设备的转弯特性确定所述单元格的长度的最小取值，基于所述平地设备的最大容量、所述单元格的宽度和土地平整最大允许高差，确定所述单元格的长度的最大取值；
在确保所述单元格的长度在所述最小取值至所述最大取值范围内的约束条件下，根据下式确定所述单元格的长度：
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<mfenced open = "{" close = "">
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<mo>;</mo>
</mrow>
式中，L表示目标地块的长边边界长度，La表示所述目标地块两端留有的转弯余量，p表示每一行的单元格的数量，q表示余数，Lb表示单元格的长度；
根据由所述单元格的宽度和所述单元格的长度确定的单元格，对所述目标地块进行网格划分。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述更新当前单元格的挖填土方量的步骤之后还包括：
基于所述更新后单元格对应的挖填土方量，更新根据填充所述地形环境模型生成的地势信息图，并通过系统屏幕对更新后的所述地势信息图进行显示；
相应的，在指导所述平地设备遍历平整所述目标地块的步骤之后，还包括：
根据系统屏幕显示，指导所述平地设备进行未达到所述目标地块基准高程的单元格的二次平整作业。
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