CN109828575A - 一种有效提高农机作业效率的路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明的有效提高农机作业效率的路径规划方法，包括：a).生成作业区域平面图；b).建立直角坐标系O‑XY；c).规则作业面积求取；d).坐标变换；e).求子作业区域个数；f).求起点、终点坐标；g).不规则作业面积求取；h).作业角度求取，当作业区域为矩形时，则选取长边或短边为作业方向；当为不规则形状时，则选取最小作业面积对应方向为作业方向。本发明的路径规划方法，针对农机作业轨迹进行路径规划方式研究，分析作业区域边界及农机作业幅宽，得出最优作业路径，使农机以固定方向进行自主作业，农机工作具有规划性，减小农机手人认为决定作业方向造成的误差，使作业更具科学性、准确性，作业效率更高。

Description

一种有效提高农机作业效率的路径规划方法

技术领域

本发明涉及一种农机路径规划方法，更具体的说，尤其涉及一种有效提高农机作业效率的路径规划方法。

背景技术

近年国家聚焦三农发展问题，明确提出加大农业科技投入，发展现代化农业，建设以农业智能化装备为重点的农业全程信息化和机械化技术体系。农机自动驾驶控制技术推动了现代农业信息化水平的发展，对保障我国粮食供给，推动农业生产技术有重大作用。

农机自动驾驶控制技术可视为非线性、不确定的系统，面对复杂的作业环境，可以提高土地利用率和土地使用效率，全天候不间断作业，不受恶劣条件限制，快速、精准、高效率完成整地、起垄等作业；降低驾驶员劳动强度及驾驶技术要求，无需实时操控方向盘，驾驶员更方便检查农机具作业情况，有效减小机械化作业损失。

农机自动驾驶作业中，决定农机作业方向由人为操纵为主，实际操纵作业时农机行驶直线，农机行驶的起始作业方向人为即时决定。农机手人为决定作业方向，作业的路径与最佳理论路径有偏差，作业重耕率往往偏高。本发明在农机耕地作业之前，绘制出作业区边界地图，依据农机作业路径及作业机具的宽度，计算统计得到最低重耕率时的作业方向，即最优作业角度，使农机使用效率最高。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种有效提高农机作业效率的路径规划方法。

本发明的有效提高农机作业效率的路径规划方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

a).生成作业区域平面图，农机沿农田边界运行一周，农机的车载GPS装置周期性地采集定位坐标，绘制出作业区域的平面图；

b).建立直角坐标系O-XY，设农机作业区域的边数为n1，其各顶点依次为A₁、A₂、...、A_n1，农机作业区域所形成的平面图形记为A₁A₂...A_n1；以正北方向为纵轴正向、正东方向为横轴正向、农机作业区域完全位于第一象限内的约束条件，建立直角坐标系O-XY；

c).规则作业面积求取，当农机作业区域为矩形时，农机的作业方向规划为与矩形作业区域的短边方向一致，设农机沿短边方向作业时与两长边的交点依次为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、...、(x_n2,y_n2)，则通过公式(1)求取农机的实际作业面积S_矩：

其中，d为农机机具幅宽；

d).坐标变换，当农机作业区域不是矩形时，则对直角坐标系O-XY进行变换，设农机的作业方向为则以变换后坐标系的横轴正向与方向一致、纵轴进行相应的旋转、农机作业区域仍旧位于变换后坐标系的第一象限内为约束条件，将坐标系O-XY变换为直角坐标系O′-X′Y′；坐标变换后，农机作业区域的平面图形记为A′₁A′₂...A′_n1；

e).求子作业区域个数，坐标变换后，首先求取农机作业区域A′₁A′₂...A′_n1纵坐标的最大值y′_max和最小值y′_min，然后求取满足不等式(2)的正整数m：

d为农机机具幅宽；

求取正整数m后，则表明农机按照方向作业时会产生m个子作业区域和m+1条分割线；

f).求起点、终点坐标，每个子作业区域由农机的1条耕地轨迹产生，根据作业区域A′₁A′₂...A′_n1的边界，可求取第i条耕地轨迹对应的起点坐标为：终点坐标为：x′_imin、x′_imax为直线与作业区域A′₁A′₂...A′_n1边界的两个交点；

g).不规则作业面积求取，由于农机在工作过程中是来回往复覆盖作业，因此将相邻两条作业轨迹作为一个周期进行规划，设农机作业的周期数为T，则在一个周期内，农机作业点坐标可用下式(3)表示：

其中，t＝1,2,...,T；当子作业区域个数m为奇数时，周期T＝(m+1)/2，此时最后的作业点为U_4T-2；当子作业区域个数m为偶数时，周期T＝m/2，此时最后的作业点为U_4T；

在农机作业区域为不规则形状时，农机实际作业面积通过公式(4)进行求取：

其中，当子作业区域个数m为奇数时p＝(m+1)/2，q＝(m-1)/2；当m为偶数时，p＝q＝m/2；

h).作业角度求取，令作业方向的初始值为0，每次角度增量为α，每次角度增加后均通过步骤d)至g)求取相应的作业面积，设分别为S′₀、S′₁、S′₂、...、S′_n；

当农机作业区域为矩形时，则选取作业区域的长边或短边方向为作业方向；当农机作业区域为不规则形状时，则选取S′₀、S′₁、S′₂、...、S′_n中最小作业面积对应方向为作业方向。

本发明的有效提高农机作业效率的路径规划方法，设步骤d)中农机的作业方向与Y轴正向的夹角为γ，则通过以下步骤进行坐标转化：

d-1).当分别过平面图形A₁A₂...A_n1的横坐标最值x_max和x_min所处坐标点做直线x＝x_max和x＝x_min，过(x_max，0)做平行于的X′轴，X′轴与x＝x_min的交点为O′，即建立了直角坐标系O′-X′Y′；

d-2).当分别过平面图形A₁A₂...A_n1的横坐标最值y_max和y_min所处坐标点做直线y＝y_max和y＝y_min，过(y_min，0)做平行于的X′轴，X′轴与y＝y_max的交点为O′，即建立了直角坐标系O′-X′Y′；

d-3).当π＜γ≤2π时，此时农机作业方向与γ-π表示的作业方向相反，此时令γ＝γ-π，再按照步骤d-1)和步骤d-2)进行坐标转换，路径规划后，农机按照相反的路径经过各坐标点即可。

本发明的有效提高农机作业效率的路径规划方法，步骤d)中，坐标系O-XY至O′-X′Y′的转换方程为：

其中，x_o′、y_o′分别为坐标系O-XY的坐标原点(0,0)在O′-X′Y′坐标系中的横坐标值、纵坐标值。

本发明的有效提高农机作业效率的路径规划方法，步骤h)中所述的角度增量为α的取值范围为：1°≤α≤10°。

本发明的有益效果是：本发明的有效提高农机作业效率的路径规划方法，当农机作业区域为规则的矩形时，则沿矩形区域的长边或短边作为农机的作业方向；当作业区域为不规则形状时，则首先根据设定的作业方向进行坐标变换，然后根据作业区域在纵轴上的长度、作业机具的宽度求取作业区域个数，并依据相邻两条作业轨迹为一个周期求取每个作业方向下的作业面积S′₀、S′₁、...、S′_n，选取最小作业面积对应方向为作业方向，得到最低重耕率时的作业方向，即最优作业角度，使农机使用效率最高。

附图说明

图1为本发明中农机作业区域为矩形时的路径规划示意图；

图2为本发明中农机作业区域为不规则形状时的路径规划示意图；

图3为本发明中作业方向与Y轴正向的夹角为锐角时的坐标转换示意图；

图4为本发明中作业方向与Y轴正向的夹角为钝角时的坐标转换示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

本发明的有效提高农机作业效率的路径规划方法，通过以下步骤来实现：

a).生成作业区域平面图，农机沿农田边界运行一周，农机的车载GPS装置周期性地采集定位坐标，绘制出作业区域的平面图；

b).建立直角坐标系O-XY，设农机作业区域的边数为n1，其各顶点依次为A₁、A₂、...、A_n1，农机作业区域所形成的平面图形记为A₁A₂...A_n1；以正北方向为纵轴正向、正东方向为横轴正向、农机作业区域完全位于第一象限内的约束条件，建立直角坐标系O-XY；

c).规则作业面积求取，当农机作业区域为矩形时，农机的作业方向规划为与矩形作业区域的短边方向一致，设农机沿短边方向作业时与两长边的交点依次为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、...、(x_n2,y_n2)，则通过公式(1)求取农机的实际作业面积S_矩：

其中，d为农机机具幅宽；

如图1所示，给出了本发明中农机作业区域为矩形时的路径规划示意图，当农机作业区域为矩形时，则选取作业区域的长边或短边方向为作业方向，此时的重耕率最低。

d).坐标变换，当农机作业区域不是矩形时，则对直角坐标系O-XY进行变换，设农机的作业方向为则以变换后坐标系的横轴正向与方向一致、纵轴进行相应的旋转、农机作业区域仍旧位于变换后坐标系的第一象限内为约束条件，将坐标系O-XY变换为直角坐标系O′-X′Y′；坐标变换后，农机作业区域的平面图形记为A′₁A′₂...A′_n1；

该步骤中，设农机的作业方向与Y轴正向的夹角为γ，则通过以下步骤进行坐标转化：

d-1).当分别过平面图形A₁A₂...A_n1的横坐标最值x_max和x_min所处坐标点做直线x＝x_max和x＝x_min，过(x_max，0)做平行于的X′轴，X′轴与x＝x_min的交点为O′，即建立了直角坐标系O′-X′Y′；

如图3所示，给出了本发明中作业方向与Y轴正向的夹角为锐角时的坐标转换示意图。

d-2).当分别过平面图形A₁A₂...A_n1的横坐标最值y_max和y_min所处坐标点做直线y＝y_max和y＝y_min，过(y_min，0)做平行于的X′轴，X′轴与y＝y_max的交点为O′，即建立了直角坐标系O′-X′Y′；

如图4所示，给出了本发明中作业方向与Y轴正向的夹角为钝角时的坐标转换示意图。

d-3).当π＜γ≤2π时，此时农机作业方向与γ-π表示的作业方向相反，此时令γ＝γ-π，再按照步骤d-1)和步骤d-2)进行坐标转换，路径规划后，农机按照相反的路径经过各坐标点即可。

e).求子作业区域个数，坐标变换后，首先求取农机作业区域A′₁A′₂...A′_n1纵坐标的最大值y′_max和最小值y′_min，然后求取满足不等式(2)的正整数m：

d为农机机具幅宽；

如图2所示，给出了本发明中农机作业区域为不规则形状时的路径规划示意图，此时需要求解农机沿那个角度作业时会使重耕率最低。

求取正整数m后，则表明农机按照方向作业时会产生m个子作业区域和m+1条分割线；

f).求起点、终点坐标，每个子作业区域由农机的1条耕地轨迹产生，根据作业区域A′₁A′₂...A′_n1的边界，可求取第i条耕地轨迹对应的起点坐标为：终点坐标为：x′_imin、x′_imax为直线与作业区域A′₁A′₂...A′_n1边界的两个交点；

g).不规则作业面积求取，由于农机在工作过程中是来回往复覆盖作业，因此将相邻两条作业轨迹作为一个周期进行规划，设农机作业的周期数为T，则在一个周期内，农机作业点坐标可用下式(3)表示：

其中，t＝1,2,...,T；当子作业区域个数m为奇数时，周期T＝(m+1)/2，此时最后的作业点为U_4T-2；当子作业区域个数m为偶数时，周期T＝m/2，此时最后的作业点为U_4T；

在农机作业区域为不规则形状时，农机实际作业面积通过公式(4)进行求取：

其中，当子作业区域个数m为奇数时p＝(m+1)/2，q＝(m-1)/2；当m为偶数时，p＝q＝m/2；

h).作业角度求取，令作业方向的初始值为0，每次角度增量为α，每次角度增加后均通过步骤d)至g)求取相应的作业面积，设分别为S′₀、S′₁、S′₂、...、S′_n；

当农机作业区域为矩形时，则选取作业区域的长边或短边方向为作业方向；当农机作业区域为不规则形状时，则选取S′₀、S′₁、S′₂、...、S′_n中最小作业面积对应方向为作业方向。

步骤d)中，坐标系O-XY至O′-X′Y′的转换方程为：

其中，x_o′、y_o′分别为坐标系O-XY的坐标原点(0,0)在O′-X′Y′坐标系中的横坐标值、纵坐标值。

步骤h)中所述的角度增量为α的取值范围为：1°≤α≤10°。

在农机作业中，普遍采用的方式为套耕法，回耕法，梭形耕法，耕地作业重耕率较高。并且实际作业中，回耕法在作业区域中央掉头作业时遗漏较大；梭形耕法在转弯掉头时为无效作业，增加作业时间；套耕法增加了农机手对作业方向的判断能力，耕地时产生较大误差。

本发明解决了此三种方式重耕率较高且效率低下的问题，针对农机作业轨迹进行路径规划方式研究，分析作业区域边界及农机作业幅宽，得出最优作业路径，使农机以固定方向进行自主作业，农机工作具有规划性，减小农机手人认为决定作业方向造成的误差，使作业更具科学性、准确性，作业效率更高。

Claims (4)

1.一种有效提高农机作业效率的路径规划方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

a).生成作业区域平面图，农机沿农田边界运行一周，农机的车载GPS装置周期性地采集定位坐标，绘制出作业区域的平面图；

b).建立直角坐标系O-XY，设农机作业区域的边数为n1，其各顶点依次为A₁、A₂、...、A_n1，农机作业区域所形成的平面图形记为A₁A₂...A_n1；以正北方向为纵轴正向、正东方向为横轴正向、农机作业区域完全位于第一象限内的约束条件，建立直角坐标系O-XY；

c).规则作业面积求取，当农机作业区域为矩形时，农机的作业方向规划为与矩形作业区域的短边方向一致，设农机沿短边方向作业时与两长边的交点依次为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、...、(x_n2,y_n2)，则通过公式(1)求取农机的实际作业面积S_矩：

其中，d为农机机具幅宽；

d).坐标变换，当农机作业区域不是矩形时，则对直角坐标系O-XY进行变换，设农机的作业方向为则以变换后坐标系的横轴正向与方向一致、纵轴进行相应的旋转、农机作业区域仍旧位于变换后坐标系的第一象限内为约束条件，将坐标系O-XY变换为直角坐标系O′-X′Y′；坐标变换后，农机作业区域的平面图形记为A′₁A′₂...A′_n1；

e).求子作业区域个数，坐标变换后，首先求取农机作业区域A′₁A′₂...A′_n1纵坐标的最大值y′_max和最小值y′_min，然后求取满足不等式(2)的正整数m：

d为农机机具幅宽；

求取正整数m后，则表明农机按照方向作业时会产生m个子作业区域和m+1条分割线；

f).求起点、终点坐标，每个子作业区域由农机的1条耕地轨迹产生，根据作业区域A′₁A′₂...A′_n1的边界，可求取第i条耕地轨迹对应的起点坐标为：终点坐标为：x′_imin、x′_imax为直线与作业区域A′₁A′₂...A′_n1边界的两个交点；

g).不规则作业面积求取，由于农机在工作过程中是来回往复覆盖作业，因此将相邻两条作业轨迹作为一个周期进行规划，设农机作业的周期数为T，则在一个周期内，农机作业点坐标可用下式(3)表示：

其中，t＝1,2,...,T；当子作业区域个数m为奇数时，周期T＝(m+1)/2，此时最后的作业点为U_4T-2；当子作业区域个数m为偶数时，周期T＝m/2，此时最后的作业点为U_4T；

在农机作业区域为不规则形状时，农机实际作业面积通过公式(4)进行求取：

其中，当子作业区域个数m为奇数时p＝(m+1)/2，q＝(m-1)/2；当m为偶数时，p＝q＝m/2；

h).作业角度求取，令作业方向的初始值为0，每次角度增量为α，每次角度增加后均通过步骤d)至g)求取相应的作业面积，设分别为S′₀、S′₁、S′₂、...、S′_n；

当农机作业区域为矩形时，则选取作业区域的长边或短边方向为作业方向；当农机作业区域为不规则形状时，则选取S′₀、S′₁、S′₂、...、S′_n中最小作业面积对应方向为作业方向。

2.根据权利要求1所述的有效提高农机作业效率的路径规划方法，其特征在于，设步骤d)中农机的作业方向与Y轴正向的夹角为γ，则通过以下步骤进行坐标转化：

d-1).当分别过平面图形A₁A₂...A_n1的横坐标最值x_max和x_min所处坐标点做直线x＝x_max和x＝x_min，过(x_max，0)做平行于的X′轴，X′轴与x＝x_min的交点为O′，即建立了直角坐标系O′-X′Y′；

d-2).当分别过平面图形A₁A₂...A_n1的横坐标最值y_max和y_min所处坐标点做直线y＝y_max和y＝y_min，过(y_min，0)做平行于的X′轴，X′轴与y＝y_max的交点为O′，即建立了直角坐标系O′-X′Y′；

d-3).当π＜γ≤2π时，此时农机作业方向与γ-π表示的作业方向相反，此时令γ＝γ-π，再按照步骤d-1)和步骤d-2)进行坐标转换，路径规划后，农机按照相反的路径经过各坐标点即可。

3.根据权利要求1所述的有效提高农机作业效率的路径规划方法，其特征在于，步骤d)中，坐标系O-XY至O′-X′Y′的转换方程为：

其中，x_o′、y_o′分别为坐标系O-XY的坐标原点(0,0)在O′-X′Y′坐标系中的横坐标值、纵坐标值。

4.根据权利要求1或2所述的有效提高农机作业效率的路径规划方法，其特征在于：步骤h)中所述的角度增量为α的取值范围为：1°≤α≤10°。