CN109215096A - 一种快速的播种机已播区生成和判断方法 - Google Patents

一种快速的播种机已播区生成和判断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种播种机的已播区图形生成方法，包括：(1)首先判断是否有前次播种的已播区图形的记录；(2)如果有，则获得播种机此次播种终了时的第一行和最后一行播种单体的定位位置，并将该定位位置作为该次已播区四边形定位的两个终了边界顶点；(3)将前次播种的已播区图形的记录中的播种终了的第一行和最后一行播种单体的定位位置作为本次已播区图形的两个起始边界顶点；(4)将步骤2中的两个终了边界顶点和步骤3中的两个起始边界顶点形成一个本次已播区四边形；(5)如果没有，则首先获得播种机此次播种开始时的第一行和最后一行播种单体的定位位置，将该位置作为已播区四边形定位的两个起始边界顶点；(6)然后获得播种机此次播种终了时的第一行和最后一行播种单体的定位位置，并将该定位位置作为该次已播区四边形定位的两个终了边界顶点；(7)将步骤6中的两个终了边界顶点和步骤5中的两个起始边界顶点形成一个本次已播区四边形。

Description

一种快速的播种机已播区生成和判断方法
技术领域
本发明属于农机自动化及智能化领域，具体涉及一种播种机已播区生成和判断方法。
背景技术
随着全球人口增加、对可持续农业发展的追求、以及迫于原料价格越来越高的压力，如何增加作物产量实现利益最大化成为越来越迫切要求。而传统播种机进行播种作业时无法避免在地头重叠播种，且在经过非播区或超出地块边界时也会进行播种，这不仅浪费良种，增加种子成本，同时还会因重叠播种造成作物减产。因此有必要对播种机的已播区域进行记录，并当再次进入同一播种区域时，控制各播种行停止播种。这一过程需要实时生成已播种区域并对其进行存储，在播种机播种时，通过判断播种机当前播种位置是否在生成的已播区域之内来决定是否播种。而已播区域的生成和判断是耗时最长的两项算法，极大地影响着播种机进入已播区时对各播种行控制的实时性。
发明内容
针对以上问题，本发明的目的在于提供一种简单、高效、快速的播种机已播区生成和判断方法。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种播种机的已播区图形生成方法，该方法包括：
(1)首先判断是否有前次播种的已播区图形的记录；
(2)如果有，则获得播种机本次播种终了时的第一行和最后一行播种单体的定位位置，并将该定位位置作为该次已播区四边形定位的两个终了边界顶点；
(3)将前次播种的已播区图形的记录中的播种终了的第一行和最后一行播种单体的定位位置作为本次已播区四边形图形的两个起始边界顶点；
(4)将步骤2中的两个终了边界顶点和步骤3中的两个起始边界顶点形成一个本次已播区四边形图形；
(5)如果没有，则首先获得播种机本次播种开始时的第一行和最后一行播种单体的定位位置，将该位置作为本次已播区四边形定位的两个起始边界顶点；
(6)然后获得播种机本次播种终了时的第一行和最后一行播种单体的定位位置，并将该定位位置作为本次已播区四边形定位的两个终了边界顶点；
(7)将步骤6中的两个终了边界顶点和步骤5中的两个起始边界顶点形成一个本次已播区四边形图形。
所述的定位方法，其中：直行播种时生成的已播区四边形图形为矩形；转弯播种时生成的已播区四边形图形为不规则四边形或近似梯形。
所述的定位方法，其中：每次生成已播区四边形图形后，将该四边形图形与前次生成的已播区图形合并，生成一个总的已播区图形并保存。
所述的定位方法，其中：该方法应用于播种系统，所述播种系统包括拖拉机、定位系统接收机、播种机和播种单体，其中拖拉机牵引播种机，定位系统接收机安装在拖拉机上，播种机上均匀分布有偶数个播种单体，其中播种单体的定位位置通过如下方法获得：
(1)根据定位系统接收机接收到的位置信号获得定位系统接收机在平面坐标系的地理位置；
(2)计算第i行播种单体与定位系统接收机之间形成的向量与坐标系x轴正轴的夹角θi，其中i∈[1,n]，n为播种单体的数量；
(3)根据第i行播种单体与定位系统接收机之间的距离计算第i行播种单体的坐标。
所述的定位方法，其中：步骤(2)中，设第i行播种单体的坐标为(xi，yi)，则各行单体坐标与定位系统接收机定位的坐标(x，y)形成向量(xi-x，yi-y)，其与坐标系x轴正轴逆时针方向的夹角θi为：
其中，播种行数n为偶数，拖拉机前进的航向角为θ；L为接收机与播种单体的垂直距离，Lr为播种行距；li为接收机与第i行单体的距离。
所述的定位方法，其中：
接收机与第i行播种单体之间的距离li为
所述的定位方法，其中：步骤(3)中第i行播种单体的坐标按如下公式计算：
xi＝x+li·cosθi，yi＝y+li·sinθii∈[1,n] (3)。
所述的定位方法，其中：还包括步骤(4)滞后补偿步骤：即将步骤(3)计算得到的第i行播种单体的坐标(x，y)往拖拉机行进方向提前一个补偿距离S，其坐标变为(x′，y′)。
所述的定位方法，其中：还包括步骤(4)滞后补偿步骤：先根据补偿距离S，在前进方向上计算得到定位装置的补偿后的位置的坐标，再根据该定位装置的补偿后的位置及播种机各单体定位模型计算得到各播种单体的补偿后的位置坐标。
所述的定位方法，其中：补偿距离S表示为：
S＝Vt滞后/3.6 (4)
其中，V为接收机测得的播种机作业的实时前进速度，t滞后为播种系统的滞后时间。
所述的定位方法，其中：滞后时间的大小通过以下公式进行计算
t滞后＝t1/2+t2/2+t3+t4 (5)
其中，t1为定位系统定位周期，t2为排种器由先前播种量切换到当前播种量花费的时间，t3为执行程序算法花费的时间，t4为种子从排种口下落到种沟所需的时间。
所述的定位方法，其中：补偿距离S表示为：
坐标(x′，y′)由下式计算
其中，θ′等于90°-θ。
一种播种机作业方法，包括：
(1)首先获得所有播种单体定位的位置坐标；
(2)依据各单体位置坐标依次判定所有播种单体是否处于已播区，若已经处于已播区，则立刻停止播种；
(3)若还未进入已播区，则再判断是否进入非播区或超出了地块边界，若进入了非播区和/或超出了地块边界，则立刻停止播种，若没有才继续播种；
(4)播种完成后生成已播区图形。
所述的播种机作业方法，所述步骤4通过如上之一所述的方法完成。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.播种机播种时，采用每一个定位周期生成一个四边形的方法作为新增加的已播区，并将播种机的第一行和最后一行前后两次定位得到的位置作为四边形的四个顶点。
2.同时为减少播种单体在已播区的判定次数，每次判定前将新增加的已播区整合成一个几何体，因此在每次判断播种位置与已播区的位置关系时，只需判定各播种单体的定位点与这一个几何体的位置关系，而不必查询判定播种单体位置与每一个新增加的已播区四边形的关系，极大减小了程序执行任务和时间；
3.设有两个播种图层，一个播种图层用于实时储存已播区的数据，用于控制播种机进入已播区后停止播种，另一个图层用于划定整个地块播种边界、非播区边界，当播种机进入非播区或超出了地块边界时控制各播种单体停止播种。
附图说明
图1为播种机播种过程中已播区四边形的生成方法；
图2为已播区四边形不合并时各已播区四边形的分布情况；
图3为已播区四边形进行合并的处理过程；
图4为已播区四边形合并后生成的一整块已播种区域；
图5为播种机各单体直行定位模型示意图；
图6为播种机直行播种滞后补偿方法示意图；
图7为已播区生成和查询控制流程图；
其中的附图标记为：
1拖拉机
2播种机
3第一行播种单体当前执行周期的定位位置
4最后一行播种单体当前执行周期的定位位置
5第一行播种单体上一次执行周期的定位位置
6最后一行播种单体上一次执行周期的定位位置
7播种机直行播种时生成的已播区四边形
8播种机转弯播种时生成的已播区四边形
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
在判定播种机是否进入了已播区时首先需要做的是实时记录和生成已播区域图形。如图1所示，以四行播种机为例，图中分别说明了播种机直行和转弯情况下已播区的生成方法。在已播区的生成过程中，首先判断是否有前次播种的记录，如果有选择第一行和最后一行播种单体的定位位置作为该次已播区四边形定位的边界顶点，这样当次程序执行周期定位的两个顶点(图中顶点3、4)和上次程序执行周期定位的两个顶点(图中顶点5、6)形成一个已播区四边形，形成方式是以直线段依次连接相邻的两个顶点。如果没有，则首先获得播种机本次播种开始时的第一行和最后一行播种单体的定位位置，将该位置作为已播区四边形定位的两个起始边界顶点；然后获得播种机本次播种终了时的第一行和最后一行播种单体的定位位置，并将该定位位置作为该次已播区四边形定位的两个终了边界顶点；将两个终了边界顶点和两个起始边界顶点形成一个本次已播区四边形，形成方式是以直线段依次连接相邻的两个顶点。
直行播种时生成的已播区四边形图形如图1虚线框7所示，生成图形为矩形，转弯播种时生成的已播区四边形如图1虚线框8所示，如该图所示以直线模拟曲线可以简化四边形的图案生成过程，即生成不规则四边形或近似梯形，通过这种方式能够与已播区图形尽量接近，减少误差。这样，每次执行周期生成的一个已播区四边形图形和之前生成的所有已播区四边形图形共同组成了整个播种机的已播区图形。
若对生成的已播区四边形不做任何处理，在判断播种机是否进入已播区时，需要判定播种单体与已播区中所有四边形的位置关系(进入已播区或还未进入)，并且四边形数量越多，判定次数越多，则程序执行消耗的时间越大，如图2。而随着作业时间的变长，四边形数量必然会越来越多，从而造成程序的处理量越来越大，算法执行的时间变长。因此，为减少已播区查询程序的负担，采取如图3所示的方法对已播区四边形进行处理：第1次程序执行周期生成一个四边形，不进行合并操作，第2次或以上的执行周期后，无论直行还是转弯播种，每生成一个四边形都与前一次程序执行周期生成合并后的几何体再次合并成新的几何体。这样在每次判断播种机是否进入已播区时，只需判定一次播种单体与合并的新几何体的位置关系即可，从而减少了程序执行的负担，如图4所示。对比图2中非播区四边形未进行合并处理的情况，可发现已播区四边形进行合并处理后明显减小了播种机是否进入非播区的判断时间。
上述对已播区四边形生成时需要首先确定第一行和最后一行播种单体的定位位置，本发明采用了一种新的播种机播种单体定位方法，具体说明如下：
如图5所示，本发明的播种机各单体直行定位模型中有拖拉机1、定位系统接收机11、播种机2，播种单体9。其中播种机2上均匀分布偶数量的播种单体9。
如图5所示，定位系统接收机11安装在拖拉机中心轴线上的位置，可以是任何形式的GPS、北斗等定位系统；在构建各单体定位模型前，需要接收机提供的经纬度坐标、航向角信息；因接收器11定位的经纬度坐标为三维球面的地理坐标系，而在球面上不易求解各单体的位置，因此在求解各单体位置坐标前，先把经纬度坐标转换为平面投影坐标(x，y)，如图5所示。再结合播种机和拖拉机的尺寸参数得到各播种单体的定位模型。播种机2安装在拖拉机1后部，由拖拉机1牵引，播种机2本体中心轴线与拖拉机1中心轴线在地面上的投影重合，播种单体9间隔相同距离在播种机2本体中心轴线两侧均匀设置，且位于同一条直线上，播种机2本体中心轴线左右两侧第一个播种单体9到播种机2本体中心轴线之间的距离均为相邻的播种单体9之间距离的1/2，播种单体9所在直线与播种机2本体中心轴线垂直。
若第i行播种单体的坐标为(xi，yi)，则各行单体坐标与定位系统接收机定位的坐标(x，y)形成向量(xi-x，yi-y)，其与坐标系x轴正轴逆时针方向的夹角θi可表示为
其中，播种行数n为偶数，机具前进的航向角为θ(正北方向(Y轴正轴方向)为0度，顺时针方向角度为正)。L为接收机与播种单体的垂直距离(m)，Lr为播种行距(m)。接收机与第i行单体的距离li为
故第i行单体坐标为
xi＝x+li·cosθi，yi＝y+li·sinθi i∈[1,n] (3)
通过式3依次计算得到所有播种单体在平面坐标系的坐标后，再将其转换为地理坐标系下的坐标即可用于变量播种、区段控制等智能化播种时对各个单体定位需求。
如图6所示，为进一步提高播种控制精度，采用将定位系统定位到的坐标(x，y)往前进方向提前一个补偿距离S(米)，其坐标变为(x′，y′)，再使用该提前之后的坐标结合图5的定位模型计算得到各播种单体的位置坐标，以实现对控制系统的超前控制，从而减小控制系统的滞后距离。
补偿距离S可表示为
S＝Vt滞后/3.6 (4)
其中，V为接收机测得的播种机作业的实时前进速度(千米/小时)，t滞后为系统的滞后时间(秒)，通过实时的前进速度计算滞后距离消除了前进速度变大时造成的滞后距离增加的问题。滞后时间的大小可通过田间试验进行标定，也可通过以下公式进行初略计算
t滞后＝t1/2+t2/2+t3+t4 (5)
其中，t1为定位系统定位周期，t2为排种器由先前播种量切换到当前播种量花费的时间，t3为执行程序算法花费的时间，t4为种子从排种口下落到种沟所需的时间。
坐标(x′，y′)由下式计算
其中，θ′等于90°-θ。
补偿距离S如图6所示，其在前进方向上，每个播种单体的补偿距离一致。为精简算法，提高各播种单体补偿位置的求解效率，本发明采用的计算策略为：先根据补偿距离S，在前进方向上计算得到定位装置的补偿后的位置，再根据该定位装置的补偿后的位置及播种机各单体定位模型计算得到各播种单体的补偿后的位置；而不是先通过播种机各单体定位模型计算得到各播种单体位置，再通过各播种单体位置计算得到所有单体的补偿后的位置，因此极大的减小了程序的计算量。
为实现播种机进入非播区或超出了地块边界时控制各播种单体停止播种，将已播区四边形合并处理后生成的新几何体数据单独存放在一个图层中，而地块边界和非播区边界数据存放另一个图层。地块边界和非播区边界数据的获取可以播种前事先使用定位测量装置测好并导入，也可以播种时先跟随边界依靠播种机自带的定位系统11实时定位记录和生成。工作过程中，程序执行的流程如图7：首先计算得到所有播种单体定位的位置坐标，再依据各单体位置坐标依次判定所有播种单体是否处于已播区，若某个播种单体已经处于已播区，则立刻停止该播种单体的播种，若某个播种单体还未进入已播区，则需要再判断是否进入非播区或超出了地块边界，若进入了非播区或超出了地块边界，则立刻停止播种，若没有才继续播种。最后依据第一行和最后一行的位置坐标进行已播区四边形的生成、合并，并将其保存在图层中。
本发明请求保护的范围并不仅限于所述实施方式，凡与本实施例等效的技术方案均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种播种机的已播区图形生成方法，其特征在于该方法包括：
(1)首先判断是否有前次播种的已播区图形的记录；
(2)如果有，则获得播种机本次播种终了时的第一行和最后一行播种单体的定位位置，并将该定位位置作为该次已播区四边形定位的两个终了边界顶点；
(3)将前次播种的已播区图形的记录中的播种终了的第一行和最后一行播种单体的定位位置作为本次已播区四边形图形的两个起始边界顶点；
(4)将步骤2中的两个终了边界顶点和步骤3中的两个起始边界顶点形成一个本次已播区四边形图形；
(5)如果没有，则首先获得播种机本次播种开始时的第一行和最后一行播种单体的定位位置，将该位置作为本次已播区四边形定位的两个起始边界顶点；
(6)然后获得播种机本次播种终了时的第一行和最后一行播种单体的定位位置，并将该定位位置作为本次已播区四边形定位的两个终了边界顶点；
(7)将步骤6中的两个终了边界顶点和步骤5中的两个起始边界顶点形成一个本次已播区四边形图形。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：直行播种时生成的已播区四边形图形为矩形；转弯播种时生成的已播区四边形图形为不规则四边形或近似梯形。
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