CN108759828A - 一种无人驾驶插秧机路径规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无人驾驶插秧机路径规划方法，首先获取所要作业区域的顶点坐标；计算待作业区域的短边和长边宽度；其次获取插秧机作业幅宽并计算出作业次数；根据获得的作业次数n1，确定沿短边的作业路径数n2，求取沿长边方向的作业距离；再次根据获得的作业路径数n1和n2，求取沿长边方向和短边方向的作业距离；最后进行路径规划。本发明提供的路径规划方法，通过采用跨行作业的方法，降低插秧机地头转弯和准确对行难度，缩短插秧机地头转弯和准确对行时间，使作业区域的机插面积大幅度提高，为插秧机的无人驾驶奠定基础。该路径规划方法不仅可以用于无人驾驶插秧机，还可应用到无人驾驶播种机，具有适用范围广、操作简单的特点。

Description

一种无人驾驶插秧机路径规划方法
技术领域
本发明涉及一种无人驾驶插秧机路径规划方法，属于智能化农业装备领域，尤其是能够实现准确对行行驶、自动地头转弯、自动进行插秧、施肥、施药复式作业的无人驾驶插秧机的路径规划方法。
背景技术
我国是世界水稻种植大国，种植面积约3千万公顷。水稻插秧劳动强度大，季节性强，需抢农时种植。近年来随着农村劳动力向城市的大规模转移，人工插秧成本不断增加，且由于随着壮年劳动力向城市转移，农村剩余劳动力多为老人和妇女，劳动能力有限，人工插秧占用人工多、农村劳动力短缺与水稻抢时种植三者间的矛盾越来越突出。
乘坐式高速插秧机作业效率高，但现有国内外乘坐式插秧机需机载2-3名人员进行插秧机的驾驶和上秧，占用人工多，导致插秧机动力不足现象频发且受驾驶员疲劳和驾驶水平等主管因素的影响，导致苗行曲曲弯弯，插不直，不利于后续机械化作业，迫切需要研发集自主导航、自动驾驶为一体的无人驾驶插秧机，以突破现有乘坐式插秧机占用人工多、插不直、机载人员多的技术瓶颈。而路径规划是实现插秧机无人驾驶的关键和前提。性能好的路径规划对于提高作业效率、降低插秧机转弯时间和实现准确对行行驶具有重要意义。和联合收获机、喷雾机等农机具相比，插秧机路径规划的难点在于后续插秧作业过程中不能对已插秧区域进行压损。
专利(专利号为201611229091.1)公开了一种自动化作业装备路径规划方法与装置，在整个作业过程中规划路径由外向内逐渐收缩，实现了作业过程中自动化作业设备的小半径转向，降低了转向过程的能量消耗，提升了作业效率，但由于插秧机作业时，由于不能对已插秧的秧苗进行压损，而该专利由外向内逐渐收缩规划路径，按照该路径进行插秧，则必然会对已插秧的秧苗进行压损，不适合插秧机插秧作业。
论文《基于GNSS的农田平整自动导航路径规划方法》(刘刚等，农业机械学报，2016年第47卷，增刊，第21-29页)公开了一种平整地自动导航路径规划方法，该方法将全局路径规划和局部实时路径规划相结合，以铲车空载和满载时间最短为评价基准，融合K-均值与密度均值，对农田栅格进行聚类，实现了拖拉机高效平地作业，降低了人工劳动强度，提高了平地效率，该专利中平地时铲车需要在相同区域进行重复整地作业，不符合插秧机不能对已插秧的秧苗进行压损的要求，因此，该路径规划方法不能用于插秧机作业。
发明内容
为弥补上述不足，本发明提出了一种无人驾驶插秧机路径规划方法，旨在提高无人驾驶插秧机地头转弯效率，降低转弯难度和缩短地头转弯时间。
为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：
一种无人驾驶插秧机路径规划方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，获取所要作业区域的顶点坐标。
利用北斗/GPS导航定位装置获取作业区域的顶点坐标。
步骤二，计算待作业区域的短边和长边宽度。
考虑到一般机械化插秧的田块为平行四边形或接近平行四边形的形状，根据步骤一获取的田块顶点坐标，计算出短边长度a和短边长度b。
步骤三，获取插秧机作业幅宽并计算出作业次数。
从插秧机铭牌上获取作业幅宽W，为减少地头转弯次数，优先选择平行于长边的方向进行路径规划，以短边长度b除以作业幅宽W并对所得的商进行取整，即可获得沿长边方向的作业路径数n1。
步骤四，根据获得的作业次数n1，确定沿短边的作业路径数n2，求取沿长边方向的作业距离；
若n1为偶数，则沿短边方向且平行于两短边的作业次数均为2，若n1为奇数，则沿短边方向且平行于两短边的作业次数均为1。
步骤五，根据获得的作业路径数n1和n2，求取沿长边方向和短边方向的作业距离；
若n1为偶数，则沿长边方向第2至第n1-1的作业距离D1＝a-4W，第1次和第n1次的作业距离分别为a-2W和a-W；沿短边方向第1-4次的作业距离D2分别为b-3W、b-2W、b-W和b-W/2。
即：
若n1为奇数，则沿长边方向第2至第n1-1次的作业距离D1＝a-3W，第1次和第n1次的作业距离分别为a-W/2和a-W/2；沿短边方向第1-4次的作业距离D2分别为b-3W、b-2W、b-2W和b-W。
步骤六，路径规划。
若n1为偶数，沿着长边方向从第3条作业路径开始作业，到达地头后每隔1条作业路径转弯，直到走完第n1-3条作业路径，到达地头后，转弯进入第n1-2条路径进行插秧作业，走完第n1-2条作业路径后每隔1条作业路径转弯，直到进入第2条作业路径后，地头转弯进入作业路径S2，沿着S2进行作业，然后转弯进入第n1-1条路径进行作业，到达地头后，转弯进入短边方向的S3路径进行作业，沿着S3作业结束后，转弯进入第1条路径，沿着第1条路径作业到达地头后转弯进入沿短边方向的作业路径S1，沿着S1进行作业到达地头后，转弯进入第n1条路径作业，然后沿着S4作业，结束后到达出口，结束整个作业区域的插秧，确保插秧机作业结束后回到作业区域的地头入口处。
若n1为奇数，沿着长边方向从第3条作业路径开始作业，到达地头后每隔1条作业路径转弯，直到走完第n1-2条作业路径，到达地头后，转弯进入第n1-3条路径进行插秧作业，走完第n1-3条作业路径后每隔1条作业路径转弯，直到进入第2条作业路径后，地头转弯进入作业路径S3，沿着S3进行作业，然后转弯进入第n1-1条路径进行作业，到达地头后，转弯进入短边方向的S2路径进行作业，沿着S2作业结束后，转弯进入第1条路径，但只行驶，不进行插秧作业，沿着第1条路径行驶到达地头后转弯进入沿短边方向的作业路径S4，沿着S4进行作业到达地头后，转弯进入第n1条路径作业，然后沿着S2作业，作业结束后转弯进入第1条路径作业，作业结束后到达出口，结束整个作业区域的插秧，确保插秧机作业结束后回到作业区域的地头入口处。
本发明具有有益效果。
本发明一种无人驾驶插秧机路径规划方法，通过采用跨行作业的方法，降低插秧机地头转弯和准确对行难度，缩短插秧机地头转弯和准确对行时间，大幅度提高作业区域的机插面积，为插秧机的无人驾驶奠定基础。
附图说明
图1沿长边方向的作业路径数为偶数时的路径规划示意图；
图2沿长边方向的作业路径数为奇数时的路径规划示意图；
图中：W-作业幅宽；A(x1，y1)、B(x2，y2)、C(x3，y3)和D(x4，y4)-作业区域四个顶点坐标；(x，y)-作业轨迹上坐标点。
具体实施方式
下面结合附图及实施方式对本发明的技术方案作进一步详细说明。
一种无人驾驶插秧机路径规划方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，获取所要作业区域的顶点坐标。
利用北斗/GPS导航定位装置获取作业区域的四个顶点坐标A(x1，y1)、B(x2，y2)、C(x3，y3)和D(x4，y4)。
步骤二，计算待作业区域的短边和长边宽度。
考虑到一般机械化插秧的田块为平行四边形或接近平行四边形的形状，根据步骤一获取的田块顶点坐标，计算出长边长度a和短边长度b。
若a<b，则a与b的值交换。
步骤三，获取插秧机作业幅宽并计算出作业次数。
从插秧机铭牌上获取作业幅宽W，为减少地头转弯次数，优先选择平行于长边的方向进行路径规划，以短边长度b除以作业幅宽W并对所得的商进行取整，即可获得沿长边方向的作业路径数n1。
n1＝INT(b/W) (7)
其中INT为取整函数。
步骤四，根据获得的作业次数n1，确定沿短边的作业路径数n2，求取沿长边方向的作业距离；
若n1为偶数，则沿短边方向且平行于两短边的作业次数均为n2＝2，若n1为奇数，则沿短边方向且平行于两短边的作业次数n2均为1。
步骤五，根据获得的作业路径数n1和n2，求取沿长边方向和短边方向的作业距离；
若n1为偶数，则沿长边方向第2至第n1-1的作业距离D1＝a-4W，第1次和第n1次的作业距离分别为a-2W和a-W；沿短边方向第1-4次的作业距离D2分别为b-3W、b-2W、b-W和b-W/2。
即：
若n1为奇数，则沿长边方向第2至第n1-1次的作业距离D1＝a-3W，第1次和第n1次的作业距离分别为a-W/2和a-W/2；沿短边方向第1-4次的作业距离D2分别为b-3W、b-2W、b-2W和b-W。
步骤六，路径规划。
若n1为偶数，沿着长边方向AD从第3条作业路径开始作业，到达地头后每隔1条作业路径转弯，直到走完第n1-3条作业路径，到达地头后，转弯进入第n1-2条路径进行插秧作业，走完第n1-2条作业路径后每隔1条作业路径转弯，直到进入第2条作业路径后，地头转弯进入作业路径S2，沿着S2进行作业，然后转弯进入第n1-1条路径进行作业，到达地头后，转弯进入短边方向的S3路径进行作业，沿着S3作业结束后，转弯进入第1条路径，沿着第1条路径作业到达地头后转弯进入沿短边方向的作业路径S1，沿着S1进行作业到达地头后，转弯进入第n1条路径作业，然后沿着S4作业，结束后到达出口，结束整个作业区域的插秧，确保插秧机作业结束后回到作业区域的地头入口处。
若n1为奇数，沿着长边方向AD从第3条作业路径开始作业，到达地头后每隔1条作业路径转弯，直到走完第n1-2条作业路径，到达地头后，转弯进入第n1-3条路径进行插秧作业，走完第n1-3条作业路径后每隔1条作业路径转弯，直到进入第2条作业路径后，地头转弯进入作业路径S3，沿着S3进行作业，然后转弯进入第n1-1条路径进行作业，到达地头后，转弯进入短边方向的S2路径进行作业，沿着S2作业结束后，转弯进入第1条路径，但只行驶，不进行插秧作业，沿着第1条路径行驶到达地头后转弯进入沿短边方向的作业路径S4，沿着S4进行作业到达地头后，转弯进入第n1条路径作业，然后沿着S2作业，作业结束后转弯进入第1条路径作业，作业结束后到达出口，结束整个作业区域的插秧，确保插秧机作业结束后回到作业区域的地头入口处。
沿长边方向AD、DA、CB或BC的作业轨迹为
沿短边方向AB、BA、CD或DC的作业轨迹为
其中，n为沿长边方向第n次作业次数，取值范围为1≤n＜＜n1；N为沿长边方向第N次作业次数，取值范围为1≤N＜＜n2。
综上，本发明提供的路径规划方法，通过采用跨行作业的方法，降低插秧机地头转弯和准确对行难度，缩短插秧机地头转弯和准确对行时间，使作业区域的机插面积大幅度提高，为插秧机的无人驾驶奠定基础。该路径规划方法不仅可以用于无人驾驶插秧机，还可应用到无人驾驶播种机，具有适用范围广、操作简单的特点。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种无人驾驶插秧机路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，获取所要作业区域的顶点坐标：
利用北斗/GPS导航定位装置获取作业区域的顶点坐标；
步骤二，计算待作业区域的短边和长边宽度：
考虑到一般机械化插秧的田块为平行四边形或接近平行四边形的形状，根据步骤一获取的田块顶点坐标，计算出短边长度a和短边长度b；
步骤三，获取插秧机作业幅宽并计算出作业次数：
从插秧机铭牌上获取作业幅宽W，为减少地头转弯次数，优先选择平行于长边的方向进行路径规划，以短边长度b除以作业幅宽W并对所得的商进行取整，即可获得沿长边方向的作业路径数n1；
步骤四，根据获得的作业次数n1，确定沿短边的作业路径数n2，求取沿长边方向的作业距离；
若n1为偶数，则沿短边方向且平行于两短边的作业次数均为2，若n1为奇数，则沿短边方向且平行于两短边的作业次数均为1；
步骤五，根据获得的作业路径数n1和n2，求取沿长边方向和短边方向的作业距离；
步骤六，路径规划。
2.根据权利要求1所述的一种无人驾驶插秧机路径规划方法，其特征在于，根据步骤一获取的田块顶点坐标A(x1，y1)、B(x2，y2)、C(x3，y3)和D(x4，y4)，计算出长边长度a和短边长度b：
若a<b，则a与b的值交换。
3.根据权利要求1所述的一种无人驾驶插秧机路径规划方法，其特征在于，获得沿长边方向的作业路径数n1为：
n1＝INT(b/W)
其中INT为取整函数。
4.根据权利要求1所述的一种无人驾驶插秧机路径规划方法，其特征在于，所述步骤五中，若n1为偶数，则沿长边方向第2至第n1-1的作业距离D1＝a-4W，第1次和第n1次的作业距离分别为a-2W和a-W；沿短边方向第1-4次的作业距离D2分别为b-3W、b-2W、b-W和b-W/2。
5.根据权利要求1所述的一种无人驾驶插秧机路径规划方法，其特征在于，所述步骤五中，若n1为奇数，则沿长边方向第2至第n1-1次的作业距离D1＝a-3W，第1次和第n1次的作业距离分别为a-W/2和a-W/2；沿短边方向第1-4次的作业距离D2分别为b-3W、b-2W、b-2W和b-W。
6.根据权利要求1所述的一种无人驾驶插秧机路径规划方法，其特征在于，所述步骤六中，若n1为偶数，沿着长边方向从第3条作业路径开始作业，到达地头后每隔1条作业路径转弯，直到走完第n1-3条作业路径，到达地头后，转弯进入第n1-2条路径进行插秧作业，走完第n1-2条作业路径后每隔1条作业路径转弯，直到进入第2条作业路径后，地头转弯进入作业路径S2，沿着S2进行作业，然后转弯进入第n1-1条路径进行作业，到达地头后，转弯进入短边方向的S3路径进行作业，沿着S3作业结束后，转弯进入第1条路径，沿着第1条路径作业到达地头后转弯进入沿短边方向的作业路径S1，沿着S1进行作业到达地头后，转弯进入第n1条路径作业，然后沿着S4作业，结束后到达出口，结束整个作业区域的插秧，确保插秧机作业结束后回到作业区域的地头入口处。
7.根据权利要求1所述的一种无人驾驶插秧机路径规划方法，其特征在于，所述步骤六中，若n1为奇数，沿着长边方向从第3条作业路径开始作业，到达地头后每隔1条作业路径转弯，直到走完第n1-2条作业路径，到达地头后，转弯进入第n1-3条路径进行插秧作业，走完第n1-3条作业路径后每隔1条作业路径转弯，直到进入第2条作业路径后，地头转弯进入作业路径S3，沿着S3进行作业，然后转弯进入第n1-1条路径进行作业，到达地头后，转弯进入短边方向的S2路径进行作业，沿着S2作业结束后，转弯进入第1条路径，但只行驶，不进行插秧作业，沿着第1条路径行驶到达地头后转弯进入沿短边方向的作业路径S4，沿着S4进行作业到达地头后，转弯进入第n1条路径作业，然后沿着S2作业，作业结束后转弯进入第1条路径作业，作业结束后到达出口，结束整个作业区域的插秧，确保插秧机作业结束后回到作业区域的地头入口处。
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