CN111103880B - 一种无人谷物联合收割机协同导航作业路径规划系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人谷物联合收割机协同导航作业路径规划系统与方法，RTK‑GNSS采集田块地理信息，发送给导航终端，进行田间作业预规划、确定卸粮返航点坐标及运粮车位置，生成多段作业路径数据，从而实现断点续航路径规划；联合收割机作业过程中，RTK‑GNSS实时采集收割机的位置和航向，并发送给导航终端，导航终端根据横向误差、航向误差和路径规划结果，发送期望转向角至行车控制器进行差速转向控制。本发明在收割机田间无人作业的路径规划中，结合卸粮过程的断点续航路径规划，可有效减少收割机在田空跑时间，从而减少土壤压实，提高收割作业效率及能源利用率。
Description
技术领域
本发明属于智能农机与精准农业领域，具体涉及一种无人谷物联合收割机协同导航作业路径规划系统与方法。
背景技术
近年来随着北斗导航系统的普及与推广应用，基于自动导航系统的谷物联合收割机相继在各地进行作业示范，无人作业的谷物联合收割机受到了广泛的关注。然而，无人谷物收获作业不仅受田间联合收割机作业效率的影响，其卸粮环节也对无人谷物收获的综合作业效率影响显著。目前，大多数农机导航系统围绕联合收割机的导航控制、作业路径规划等做了大量的工作。然而，实际收获过程中联合收割机-运粮车的协同作业效率对全过程无人收割作业的影响不容忽视。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种提高谷物联合收割机工作效率、能源利用率，减少卸粮过程中土壤压实的协同导航作业路径规划系统与方法。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种无人谷物联合收割机协同导航作业路径规划方法，由联合收割机断点续航路径规划，实现收割机-运粮车协同作业路径跟踪控制；
所述联合收割机断点续航路径规划具体过程为：首先进行田间作业预规划，确定卸粮返航点坐标及运粮车位置，最后生成多段作业路径数据；
所述卸粮返航点坐标为：
其中：返航点坐标Zk为预规划的直线路径中的第k个直线轨迹端点序号；j为返航点索引，j＝1,2,…,n；Lm为单次满幅收割作业的收割机最大行程；a-2d为联合收割机进行最外圈谷物收割后，田块剩余的长边；
所述运粮车位置的确定过程为：当返航点的个数为奇数时，选择中间返航点的Y坐标作为运粮车Y轴向坐标；当为返航点为偶数时，选择中间两返航点中的任意一点Y坐标作为运粮车Y轴向坐标；联合收割机在运粮车位置进行卸粮，卸粮次数n＝INT(Lt/Lm)+1，其中INT(·)为取整数操作符，Lt为田块收割作业总行程数；
所述多段作业路径的生成过程为：依次对回字形直线路径行端点的起始点到第1个返航点、第j返航点至第j+1个返航点、第n个返航点至作业终点进行回字形路径规划；
所述收割机-运粮车协同作业路径跟踪控制具体为：导航终端实时测量收割机当前的横向偏差和航向偏差，结合断点续航路径规划计算出期望转向角度，发送至行车控制器进行差速转向控制。
一种无人谷物联合收割机协同导航作业路径规划系统，包括导航终端，所述导航终端进行田间作业预规划、确定卸粮返航点坐标及运粮车位置，并生成多段作业路径数据，实现断点续航路径规划；导航终端结合收割机实时的位置和航向，获取收割机协同导航跟踪控制的期望转向角；还包括RTK-GNSS和行车控制器，所述RTK-GNSS用于采集田块地理信息，并实时感知收割机的位置和航向；所述行车控制器接收期望转向角，并进行差速转向控制。
本发明提出一种无人谷物联合收割机协同导航作业路径规划系统与方法，相比现有技术，具有以下有益效果：
本发明由联合收割机断点续航路径规划，实现收割机-运粮车协同作业路径跟踪控制，联合收割机断点续航路径规划包括田间作业路径预规划、卸粮返航点坐标及运粮车位置确定以及生成多段作业路径数据；本发明将收割机卸粮过程的断点续航路径规划统筹至田间无人作业的路径规划中，改善了收割机自主作业的智能化程度；有效减少了收割机在田空跑距离，减少土壤压实，提高收割作业效率及能源利用率。
附图说明
图1为本发明无人谷物联合收割机断点续航路径规划流程图；
图2为本发明无人谷物联合收割机返航点及运粮车位置选择示意图；
图3为本发明无人谷物联合收割机收割机-运粮车协同作业路径跟踪控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
一种无人谷物联合收割机协同导航作业路径规划系统，包括RTK-GNSS、导航终端和行车控制器，RTK-GNSS采集田块地理信息，发送给导航终端进行田间作业预规划、确定卸粮返航点坐标及运粮车位置，生成多段作业路径数据，实现断点续航路径规划；联合收割机作业时，RTK-GNSS实时感知收割机的位置和航向，发送给导航终端，计算出测量误差(横向误差和航向误差)，再结合断点续航路径规划计算出期望转向角，导航终端将期望转向角发送给行车控制器进行差速转向决策。
一种无人谷物联合收割机协同导航作业路径规划方法，由联合收割机断点续航路径规划，实现收割机-运粮车协同作业路径跟踪控制，减少卸粮环节土地压实和消耗时间，提高联合收割机的在田工作效率。
联合收割机断点续航路径规划的实施流程如图1所示，具体步骤为：
步骤(1)，生成直线轨迹端点
给导航终端和接收机上电，RTK-GNSS采集田块地理信息，计算得到田块的尺寸信息，导航终端根据田块尺寸、收割机作业幅宽d进行田间作业直线路径的预规划，预规划坐标系以田块左下角为原点，沿田块左侧长边方向的向量为x轴，沿田块短边方向的向量为y轴，该坐标系的所有坐标值均在高斯平面坐标系下表示；预规划过程中采用多次往返的直线路径进行收割机转弯轨迹的逼近，为现有技术；存储田块路径预规划生成的回字形直线轨迹端点信息。
步骤(2)，确定卸粮返航点在预规划路径中的坐标，获取作业路径数据
由单位面积产量ρ、收割机粮厢可容纳产量V和作业幅宽d(本实施例已知单位面积产量、粮厢可容纳产量和作业幅宽)，计算单次满幅收割作业的收割机最大行程Lm，Lm＝V/(ρ*d)。设矩形田块长边尺寸为a、短边尺寸为b，收割机沿长边向运粮车所在反方向收割作业。人工驾驶联合收割机进行最外圈谷物收割后，田块剩余的长边和短边尺寸分别为：a-2d、b-2d，则联合收割机沿长边方向的作业行数为r＝INT((b-2d)/d)+1，其中INT(·)为取整数操作符。每行的作业长度为a-2d，当前田块收割作业总行程数Lt＝r(a-2d)，则卸粮次数n＝INT(Lt/Lm)+1。设联合收割机由田块左下角开始作业，为减少卸粮过程的田块土壤压实，卸粮返航点的选择如图2所示，即在田块靠近运粮车一端设置返航点，具体如下：
其中返航点索引j＝1,2,…,n；Zk为预规划的直线路径中的第k个直线轨迹端点序号，返航点坐标即为第k个直线轨迹端点坐标，不需要重新生成。
在回字形直线路径靠近卸粮车一端的规划行端点处设置卸粮的返航点，依次对行端点的起始点到第1个返航点、第j返航点至第j+1个返航点、第n个返航点至作业终点进行回字形路径规划，得到n段路径。
步骤(3)，优化运粮车位置选择
如图2所示，由于运粮车不下地，其X轴方向的坐标可设置为0，运粮车位置选择由Y轴向坐标确定。假设卸粮过程联合收割机匀速行驶，为减少卸粮过程消耗时间，以卸粮总路径最短为准则选择运粮车Y轴向坐标。当返航点的个数为奇数时，选择中间返航点的Y坐标作为运粮车Y轴向坐标；当为返航点为偶数时，选择中间两返航点中的任意一点Y坐标作为运粮车Y轴向坐标。
如图3所示，收割机-运粮车协同作业路径跟踪控制，具体步骤为：
联合收割机启动后，导航终端、接收机、行车控制器依次上电，联合收割机沿田块长边直线收割作业，由导航终端实时测量收割机当前的横向偏差和航向偏差，并结合断点续航路径规划计算出期望转向角度发送至行车控制器进行差速转向决策，计算期望转向角度为现有技术。当导航终端的路径搜索模块检测到当前为转弯直线路径时，行车控制器进行多次往返的直线路径跟踪，导航终端实时测量收割机当前的横向偏差和航向偏差，并结合断点续航路径规划计算出期望转向角度发送至行车控制器进行差速转向决策。路径搜索模块在确认当前行作业结束时，由直线轨迹端点(行端点)判断是否到达卸粮返航点，如果没有到达，则联合收割机继续沿田块长边直线收割作业；若到达卸粮返航点，则根据返航点坐标和运粮车的坐标即时规划卸粮直线路径，控制收割机行驶至运粮车附近卸粮；卸粮结束后，导航终端进行路径数据段索引的更新，并判断当前路径数据段是否有效，如有效则更新路段数据，并进入沿长边直线收割作业环节，否则结束收割作业。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种无人谷物联合收割机协同导航作业路径规划方法，其特征在于，由联合收割机断点续航路径规划，实现收割机-运粮车协同作业路径跟踪控制；
所述联合收割机断点续航路径规划具体过程为：首先进行田间作业预规划，确定卸粮返航点坐标及运粮车位置，最后生成多段作业路径数据；
所述卸粮返航点坐标为：
其中：返航点坐标Zk为预规划的直线路径中的第k个直线轨迹端点序号；j为返航点索引，j＝1,2,…,n；Lm为单次满幅收割作业的收割机最大行程；a-2d为联合收割机进行最外圈谷物收割后，田块剩余的长边；
所述运粮车位置的确定过程为：当返航点的个数为奇数时，选择中间返航点的Y坐标作为运粮车Y轴向坐标；当为返航点为偶数时，选择中间两返航点中的任意一点Y坐标作为运粮车Y轴向坐标。
2.根据权利要求1所述的无人谷物联合收割机协同导航作业路径规划方法，其特征在于，联合收割机在运粮车位置进行卸粮，卸粮次数n＝INT(Lt/Lm)+1，其中INT(·)为取整数操作符，Lt为田块收割作业总行程数。
3.根据权利要求1所述的无人谷物联合收割机协同导航作业路径规划方法，其特征在于，所述多段作业路径的生成过程为：依次对回字形直线路径行端点的起始点到第1个返航点、第j返航点至第j+1个返航点、第n个返航点至作业终点进行回字形路径规划。
4.根据权利要求1所述的无人谷物联合收割机协同导航作业路径规划方法，其特征在于，所述收割机-运粮车协同作业路径跟踪控制具体为：导航终端实时测量收割机当前的横向偏差和航向偏差，结合断点续航路径规划计算出期望转向角度，发送至行车控制器进行差速转向控制。
5.一种根据权利要求1-4任一项权利要求所述的无人谷物联合收割机协同导航作业路径规划方法的 无人谷物联合收割机协同导航作业路径规划系统，其特征在于，包括导航终端，所述导航终端进行田间作业预规划、确定卸粮返航点坐标及运粮车位置，并生成多段作业路径数据，实现断点续航路径规划；导航终端结合收割机实时的位置和航向，获取收割机协同导航跟踪控制的期望转向角。
6.根据权利要求5所述的无人谷物联合收割机协同导航作业路径规划系统，其特征在于，还包括RTK-GNSS和行车控制器，所述RTK-GNSS用于采集田块地理信息，并实时感知收割机的位置和航向；所述行车控制器接收期望转向角，并进行差速转向控制。
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