CN113188548B - 一种基于作业行的自主导航作业路径规划方法 - Google Patents
一种基于作业行的自主导航作业路径规划方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及农业机械自动化领域,具体是一种基于作业行的自主导航作业路径规划方法,包括:步骤A‑数据采集:获取路径规划相关作业地块的坐标数据、作业车辆的位置偏差L、车身宽度W,设定作业行间隔距离D;步骤B‑生成覆盖作业地块的作业行;步骤C‑计算入行点、出行点;步骤D‑生成作业路径。相对于现有技术,本发明基于作业行的自主导航作业路径规划方法的有益效果为:能够对已知边界信息的作业地块进行作业装备路径规划,为作业装备自主导航工作提供路径依据,并且地头转弯时无需作业人员的干预,作业装备入行位置不受作业人员经验影响,避免相邻作业行间的重叠与遗漏,实现作业地块全程无人化、覆盖式作业。
Description
技术领域
本发明涉及农业机械自动化领域,具体是一种基于作业行的自主导航作业路径规划方法。
背景技术
农业机械及农机装备的发展有利于提升农业劳动生产率,促进农业健康发展。2018年国务院印发《关于加快推进农业机械化和农机装备产业转型升级的指导意见》,为农业机械及农机装备进一步发展提供了机遇,农业机械及农机装备的应用将有效提高农业标准化、精细化和规模化水平,为农业产业发展注入新的活力。
随着信息技术的不断发展,卫星定位精度不断提高,采用卫星定位的农机自主导航无人驾驶系统得以应用,但实际生产中,卫星定位农机自主导航无人驾驶系统多用于农机直线行走,地头转弯时仍需作业人员的干预,且农机入行位置受作业人员经验影响,可能存在相邻作业行间的重叠与遗漏。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足,提供一种基于作业行的自主导航作业路径规划方法,能够对已知边界信息的作业地块进行作业装备路径规划,为作业装备自主导航工作提供路径依据,并且地头转弯时无需作业人员的干预,作业装备入行位置不受作业人员经验影响,避免相邻作业行间的重叠与遗漏,实现作业地块全程无人化、覆盖式作业。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现:
步骤A-数据采集:获取路径规划相关作业地块的坐标数据、作业车辆的位置偏差L、车身宽度W,设定作业行间隔距离D;
所述作业地块为四边形地块,所述坐标数据采集顺序为:点1、点2、第3、点4分别为作业地块的四个顶点,按照点1→点2→点3→点4的顺序方向完成作业地块四个顶点的坐标数据采集,边12为作业地块最长的边,边12平行于边34;
所述坐标数据为平面坐标,点1的坐标数据为(x1,y1),点2的坐标数据为(x2,y2),点3的坐标数据为(x3,y3),点4的坐标数据为(x4,y4);
所述作业车辆位置偏差L为车载卫星定位点距作业机具末端的长度;
所述作业车辆宽度W为作业机具的作业宽度;
所述作业行间隔距离D≥车辆宽度W;
步骤B-生成覆盖作业地块的作业行,包括:
步骤B1:边14上要求的目标点为P1(xp1,yp1),边14上所有目标点集为作业行端点集合G1;边23上要求的目标点为P2(xp2,yp2),边23上所有目标点集为作业行端点集合G2;
初始化集合G1、集合G2为空集,设定h为点1到作业行的垂直距离,初始状态h=D/2;
利用公式(1)计算边14与边12的夹角θ1,利用公式(2)计算边23与边12的夹角θ2;
利用公式(3)计算点1、点4间的距离d14,利用公式(4)计算点2、点3间的距离d23;
比较h与d14×sinθ1的大小,若h大于d14×sinθ1则退出运算,否则进入步骤B2;
步骤B2:利用公式(5)、公式(6)计算P1坐标xp1,yp1,利用公式(7)、公式(8)计算P2坐标xp2,yp2;
将计算所得P1坐标值追加至集合G1中,即G1={(xp1,yp1)},将计算所得P2坐标值追加至集合G2中,即G2={(xp2,yp2)},集合G1、集合G2中点考虑追加点的次序性,即先增加的点在前,后增加的点在后;
步骤B3:令h值增加D,判断P1是否超出边34,即比较h与d14×sinθ1的大小,若h大于d14×sinθ1则退出运算,集合G1、集合G2即为最终求得的作业行端点,否则进入B2继续运算;
集合G1数据格式为{(G1X1,G1Y1),(G1X2,G1Y2),……},集合G2数据格式为{(G2X1,G2Y1),(G2X2,G2Y2),……};
步骤B4:集合G1、G2中对应次序的点组成的线段为作业行,即G1中第1个点与G2中第1个点组成的线段为作业地块的第1个作业行,后续作业行均依据此对应关系;
步骤C-计算入行点、出行点,包括:
步骤C1:对集合G1、G2数据按作业装备沿作业行的工作方向,增加属性值:入行点为1,出行点为0,划分入行点、出行点,具体划分方法为:
步骤C1-1:遍历集合G1,并统计集合G1中作业行端点的个数N,取m=1,m值对应集合G1、集合G2中第m个作业行端点;
步骤C1-2:计算m除以2的余数,即m%2值:
若m%2等于0,则集合G1第m个作业行端点增加属性为0,集合G2第m个作业行端点增加属性为1;
若m%2等于1,则集合G1第m个作业行端点增加属性为1,集合G2第m个作业行端点增加属性为0;
步骤C1-3:m值增加1,判断m与N的大小,若m大于N,则计算完成,否则,则跳转至步骤C1-2继续执行;计算完成后,集合G1和集合G2中每个数组的最后一位均为属性值,即集合G1变为:{(G1X1,G1Y1,1),(G1X2,G1Y2,0),(G1X3,G1Y3,1),……},集合G2变为:{(G2X1,G2Y1,0),(G2X2,G2Y2,1),(G2X3,G2Y3,0),……};
步骤C2:计算入行点、出行点位置坐标,设置车载北斗卫星定位设备输出位置点与机具工作点间距L,出行点为作业行延长线距作业行端点L处,入行点为作业内距作业行端点L处,具体计算方法为:
步骤C2-1:初始化入行点集合R、出行点集合C,集合R与集合C均为有序集合,按坐标数值追加先后顺序排列,取n值为1,n用于遍历集合G1;
步骤C2-2:利用公式(9)计算作业行的长度d,即两个作业端点间的距离;
步骤C2-3:判断集合G1中第n个数据中属性值若为1:则利用公式(10)及公式(11)分别求解入行点坐标q1(xq1,yq1),并将计算所得坐标内添加属性值1,变为(xq1,yq1,1),追加至集合R中,再利用公式(12)及公式(13)求解出行点坐标q2(xq2,yq2),并将计算所得坐标内添加属性值0,变为(xq2,yq2,0),追加至集合C中;
xq1=(L×(G1Xn-G2Xn))/d+G1Xn……………………公式(10)
yq1=(L×(G1Yn-G2Yn))/d+G1Yn……………………公式(11)
xq2=(L×(G1Xn-G2Xn))/d+G2Xn……………………公式(12)
yq2=(L×(G1Yn-G2Yn))/d+G2Yn……………………公式(13)
步骤C2-4:n值增加1,比较n与N大小,若n值大于N则计算结束,集合R为所有入行点集,暂记作R:{(xr1,yr1,1),(xr2,yr2,1)……},集合C为所有出行点集,暂记作C:{(xc1,yc1,0),(xc2,yc2,0)……},若n值小于N则跳转至步骤C2-2继续运算;
步骤D-生成作业路径,包括:
步骤D1:取k=1,用于遍历集合R,初始化路径集合Road,Road为有序集合,按坐标数值追加先后顺序排列;
步骤D2:从集合G1中取第k个数据追加至集合Road中,从集合R中取第k个数据追加至集合Road中,从集合G2中取第k个数据追加至集合Road中,从集合C中取第k个数据追加至集合Road中;
步骤D3:k值增加1,比较k值与N值大小,若k值大于N,则作业路径Road计算完成,其数据为Road:{(G1X1,G1Y1,1),(xr1,yr1,1),(G2X1,G2Y1,0),(xc1,yc1,0),……,(G1XN,G1YN,1),(xrN,yrN,1),(G2XN,G2YN,0),(xcN,ycN,0)}否则,则跳转至步骤D2继续运算。
相对于现有技术,本发明基于作业行的自主导航作业路径规划方法的有益效果为:能够对已知边界信息的作业地块进行作业装备路径规划,为作业装备自主导航工作提供路径依据,并且地头转弯时无需作业人员的干预,作业装备入行位置不受作业人员经验影响,避免相邻作业行间的重叠与遗漏,实现作业地块全程无人化、覆盖式作业。
本发明的技术方案还有:所述坐标数据为卫星坐标。
本发明的技术方案还有:所述坐标数据是通过北斗卫星导航系统或GPS或GLONASS采集的坐标数据。
本发明的技术方案还有:所述坐标数据由NMEA-0183协议中“PTNL,PJK”数据解析而来。
本发明的技术方案还有:所述坐标数据的采集设备为司南导航T300 GNSS接收机。
附图说明
图1为实施例一中作业地块相关点位置、作业行及作业路径示意图。
图2为实施例一中作业行生成流程图。
图3为实施例一中入行及出行点计算流程图。
图4为实施例一中作业地块作业路径计算流程图。
图中:1、作业地块,2、作业行,3、作业路径。
具体实施方式
以下实施例是对本发明的进一步说明,但本发明并不局限于此。因本发明比较复杂,因此实施方式仅对本发明的发明点部分进行详述,本发明未详述部分均可采用现有技术。
实施例一:
鉴于卫星定位自动导航中存在的问题,以及履带式作业装备进行作业地块全程无人化、覆盖式作业对路径规划的功能需求,本发明提供了一种基于作业行的自主导航作业路径规划方法,包括:
步骤A-数据采集:获取路径规划相关作业地块的坐标数据、作业车辆的位置偏差L、车身宽度W,设定作业行2间隔距离D;
所述作业地块1为四边形地块,所述坐标数据是通过北斗卫星导航系统采集的坐标数据;
所述坐标数据采集顺序为:点1、点2、第3、点4分别为作业地块的四个顶点,按照点1→点2→点3→点4的顺序方向完成作业地块四个顶点的坐标数据采集(确定地块边界),边12为作业地块最长的边,边12平行于边34;
所述坐标数据为平面坐标,即由x(北向坐标)、y(东向坐标)组成,所述坐标数据由NMEA-0183协议中“PTNL,PJK”数据解析而来,点1的坐标数据为(x1,y1),点2的坐标数据为(x2,y2),点3的坐标数据为(x3,y3),点4的坐标数据为(x4,y4);
所述坐标数据的采集设备为司南导航T300 GNSS接收机;
所述作业车辆位置偏差L为车载卫星定位点距作业机具末端的长度,单位为米;
所述作业车辆宽度W为作业机具的作业宽度,单位为米;
所述作业行间隔距离默认为作业车辆宽度,也可自行设定,但设定值应当大于作业车辆宽度值,即所述作业行2间隔距离D≥车辆宽度W,作业行2间隔距离单位为米。
步骤B-生成覆盖作业地块的作业行(参见图2),根据获得的作业地块1坐标数据及作业行2间隔距离生成覆盖作业地块1的作业行路径3,包括:
步骤B1:边14(点1、点4所在边)上要求的目标点为P1(xp1,yp1),边14上所有目标点集为作业行端点集合G1;边23(点2、点3所在边)上要求的目标点为P2(xp2,yp2),边23上所有目标点集为作业行端点集合G2;
初始化集合G1、集合G2为空集,设定h(单位:米)为点1到作业行的垂直距离,初始状态h=D/2;
利用公式(1)计算边14与边12的夹角θ1,利用公式(2)计算边23与边12的夹角θ2;
利用公式(3)计算点1、点4间的距离d14(单位:米),利用公式(4)计算点2、点3间的距离d23(单位:米);
比较h与d14×sinθ1的大小,若h大于d14×sinθ1则退出运算,否则进入步骤B2。
步骤B2:利用公式(5)、公式(6)计算P1坐标xp1,yp1,利用公式(7)、公式(8)计算P2坐标xp2,yp2;
将计算所得P1坐标值追加至集合G1中,即G1={(xp1,yp1)},将计算所得P2坐标值追加至集合G2中,即G2={(xp2,yp2)},集合G1、集合G2中点考虑追加点的次序性,即先增加的点在前,后增加的点在后。
步骤B3:令h值增加D,判断P1是否超出边34,即比较h与d14×sinθ1的大小,若h大于d14×sinθ1则退出运算,集合G1、集合G2即为最终求得的作业行端点,否则进入B2继续运算;
集合G1数据格式为{(G1X1,G1Y1),(G1X2,G1Y2),……},集合G2数据格式为{(G2X1,G2Y1),(G2X2,G2Y2),……}。
步骤B4:集合G1、G2中对应次序的点组成的线段为作业行,即G1中第1个点与G2中第1个点组成的线段为作业地块的第1个作业行,后续作业行均依据此对应关系。
入行点、出行点为作业车辆进入作业行2后作业机具开始工作点及停止工作点。考虑车载卫星导航设备输出车辆位置点与机具工作点不重合,因此上述计算所得的点P1、P2(即目标点)坐标仅为作业行的两端,不应作为入行点及出行点。
步骤C-计算入行点、出行点,根据作业车辆的位置偏差L及作业车辆在作业行2中作业方向生成每个作业行2的入行点与出行点位置坐标,包括:
步骤C1:对集合G1、G2数据按作业装备沿作业行的工作方向,增加属性值:入行点为1,出行点为0,划分入行点、出行点,具体划分方法为:
步骤C1-1:遍历集合G1,并统计集合G1中作业行端点的个数N,取m=1,m值对应集合G1、集合G2中第m个作业行端点;
步骤C1-2:计算m除以2的余数,即m%2值:
若m%2等于0,则集合G1第m个作业行端点增加属性为0,集合G2第m个作业行端点增加属性为1;若m%2等于1,则集合G1第m个作业行端点增加属性为1,集合G2第m个作业行端点增加属性为0;
步骤C1-3:m值增加1,判断m与N的大小,若m大于N,则计算完成,否则,则跳转至步骤C1-2继续执行;计算完成后,集合G1变为:{(G1X1,G1Y1,1),(G1X2,G1Y2,0),(G1X3,G1Y3,1),……},集合G2变为:{(G2X1,G2Y1,0),(G2X2,G2Y2,1),(G2X3,G2Y3,0),……}。
步骤C2:计算入行点、出行点位置坐标,设置车载北斗卫星定位设备输出位置点与机具工作点间距L,出行点为作业行延长线距作业行端点L处,入行点为作业内距作业行端点L处,具体计算方法为:
步骤C2-1:初始化入行点集合R、出行点集合C,集合R与集合C均为有序集合,按坐标数值追加先后顺序排列,取n值为1,n用于遍历集合G1;
步骤C2-2:利用公式(9)计算作业行的长度d,即两个作业端点间的距离;
步骤C2-3:判断集合G1中第n个数据中属性值若为1:则利用公式(10)及公式(11)分别求解入行点坐标q1(xq1,yq1),并将计算所得坐标内添加属性值1,变为(xq1,yq1,1),追加至集合R中,再利用公式(12)及公式(13)求解出行点坐标q2(xq2,yq2),并将计算所得坐标内添加属性值0,变为(xq2,yq2,0),追加至集合C中;
xq1=(L×(G1Xn-G2Xn))/d+G1Xn……………………公式(10)
yq1=(L×(G1Yn-G2Yn))/d+G1Yn……………………公式(11)
xq2=(L×(G1Xn-G2Xn))/d+G2Xn……………………公式(12)
yq2=(L×(G1Yn-G2Yn))/d+G2Yn……………………公式(13)
步骤C2-4:n值增加1,比较n与N大小(N为步骤步骤C1-1中统计所得),若n值大于N则计算结束,集合R为所有入行点集,暂记作R:{(xr1,yr1,1),(xr2,yr2,1)……},集合C为所有出行点集,暂记作C:{(xc1,yc1,0),(xc2,yc2,0)……},若n值小于N则跳转至步骤C2-2继续运算。
步骤D1:取k=1,用于遍历集合R,初始化路径集合Road,Road为有序集合,按坐标数值追加先后顺序排列;
步骤D2:从集合G1中取第k个数据追加至集合Road中,从集合R中取第k个数据追加至集合Road中,从集合G2中取第k个数据追加至集合Road中,从集合C中取第k个数据追加至集合Road中;
步骤D3:k值增加1,比较k值与N值大小,若k值大于N,则作业路径Road计算完成,其数据为Road:{(G1X1,G1Y1,1),(xr1,yr1,1),(G2X1,G2Y1,0),(xc1,yc1,0),……,(G1XN,G1YN,1),(xrN,yrN,1),(G2XN,G2YN,0),(xcN,ycN,0)}否则,则跳转至步骤D2继续运算。
上面结合附图对本发明的实施例做了详细说明,但是本发明并不限于上述实施例,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (5)
1.一种基于作业行的自主导航作业路径规划方法,包括:
步骤A-数据采集:获取路径规划相关作业地块的坐标数据、作业车辆的位置偏差L、车身宽度W,设定作业行间隔距离D;
所述作业地块为四边形地块,所述坐标数据采集顺序为:点1、点2、点3、点4分别为作业地块的四个顶点,按照点1→点2→点3→点4的顺序方向完成作业地块四个顶点的坐标数据采集,边12为作业地块最长的边,边12平行于边34;
所述坐标数据为平面坐标,点1的坐标数据为(x1,y1),点2的坐标数据为(x2,y2),点3的坐标数据为(x3,y3),点4的坐标数据为(x4,y4);
所述作业车辆位置偏差L为车载卫星定位点距作业机具末端的长度;
所述作业车辆宽度W为作业机具的作业宽度;
所述作业行间隔距离D≥车辆宽度W;
步骤B-生成覆盖作业地块的作业行,包括:
步骤B1:边14上要求的目标点为P1(xp1,yp1),边14上所有目标点集为作业行端点集合G1;边23上要求的目标点为P2(xp2,yp2),边23上所有目标点集为作业行端点集合G2;
初始化集合G1、集合G2为空集,设定h为点1到作业行的垂直距离,初始状态h=D/2;
利用公式(1)计算边14与边12的夹角θ1,利用公式(2)计算边23与边12的夹角θ2;
利用公式(3)计算点1、点4间的距离d14,利用公式(4)计算点2、点3间的距离d23;
比较h与d14×sinθ1的大小,若h大于d14×sinθ1则退出运算,否则进入步骤B2;
步骤B2:利用公式(5)、公式(6)计算P1坐标xp1,yp1,利用公式(7)、公式(8)计算P2坐标xp2,yp2;
将计算所得P1坐标值追加至集合G1中,即G1={(xp1,yp1)},将计算所得P2坐标值追加至集合G2中,即G2={(xp2,yp2)},集合G1、集合G2中点考虑追加点的次序性,即先增加的点在前,后增加的点在后;
步骤B3:令h值增加D,判断P1是否超出边34,即比较h与d14×sinθ1的大小,若h大于d14×sinθ1则退出运算,集合G1、集合G2即为最终求得的作业行端点,否则进入B2继续运算;
集合G1数据格式为{(G1X1,G1Y1),(G1X2,G1Y2),……},集合G2数据格式为{(G2X1,G2Y1),(G2X2,G2Y2),……};
步骤B4:集合G1、G2中对应次序的点组成的线段为作业行,即G1中第1个点与G2中第1个点组成的线段为作业地块的第1个作业行,后续作业行均依据此对应关系;
步骤C-计算入行点、出行点,包括:
步骤C1:对集合G1、G2数据按作业装备沿作业行的工作方向,增加属性值:入行点为1,出行点为0,划分入行点、出行点,具体划分方法为:
步骤C1-1:遍历集合G1,并统计集合G1中作业行端点的个数N,取m=1,m值对应集合G1、集合G2中第m个作业行端点;
步骤C1-2:计算m除以2的余数,即m%2值:
若m%2等于0,则集合G1第m个作业行端点增加属性为0,集合G2第m个作业行端点增加属性为1;
若m%2等于1,则集合G1第m个作业行端点增加属性为1,集合G2第m个作业行端点增加属性为0;
步骤C1-3:m值增加1,判断m与N的大小,若m大于N,则计算完成,否则,则跳转至步骤C1-2继续执行;计算完成后,集合G1和集合G2中每个数组的最后一位均为属性值,即集合G1变为:{(G1X1,G1Y1,1),(G1X2,G1Y2,0),(G1X3,G1Y3,1),……},集合G2变为:{(G2X1,G2Y1,0),(G2X2,G2Y2,1),(G2X3,G2Y3,0),……};
步骤C2:计算入行点、出行点位置坐标,设置车载北斗卫星定位设备输出位置点与机具工作点间距L,出行点为作业行延长线距作业行端点L处,入行点为作业内距作业行端点L处,具体计算方法为:
步骤C2-1:初始化入行点集合R、出行点集合C,集合R与集合C均为有序集合,按坐标数值追加先后顺序排列,取n值为1,n用于遍历集合G1;
步骤C2-2:利用公式(9)计算作业行的长度d,即两个作业端点间的距离;
步骤C2-3:判断集合G1中第n个数据中属性值若为1:则利用公式(10)及公式(11)分别求解入行点坐标q1(xq1,yq1),并将计算所得坐标内添加属性值1,变为(xq1,yq1,1),追加至集合R中,再利用公式(12)及公式(13)求解出行点坐标q2(xq2,yq2),并将计算所得坐标内添加属性值0,变为(xq2,yq2,0),追加至集合C中;
xq1=(L×(G1Xn-G2Xn))/d+G1Xn……………………公式(10)
yq1=(L×(G1Yn-G2Yn))/d+G1Yn……………………公式(11)
xq2=(L×(G1Xn-G2Xn))/d+G2Xn……………………公式(12)
yq2=(L×(G1Yn-G2Yn))/d+G2Yn……………………公式(13)
步骤C2-4:n值增加1,比较n与N大小,若n值大于N则计算结束,集合R为所有入行点集,暂记作R:{(xr1,yr1,1),(xr2,yr2,1)……},集合C为所有出行点集,暂记作C:{(xc1,yc1,0),(xc2,yc2,0)……},若n值小于N则跳转至步骤C2-2继续运算;
步骤D-生成作业路径,包括:
步骤D1:取k=1,用于遍历集合R,初始化路径集合Road,Road为有序集合,按坐标数值追加先后顺序排列;
步骤D2:从集合G1中取第k个数据追加至集合Road中,从集合R中取第k个数据追加至集合Road中,从集合G2中取第k个数据追加至集合Road中,从集合C中取第k个数据追加至集合Road中;
步骤D3:k值增加1,比较k值与N值大小,若k值大于N,则作业路径Road计算完成,其数据为Road:{(G1X1,G1Y1,1),(xr1,yr1,1),(G2X1,G2Y1,0),(xc1,yc1,0),……,(G1XN,G1YN,1),(xrN,yrN,1),(G2XN,G2YN,0),(xcN,ycN,0)}否则,则跳转至步骤D2继续运算。
2.根据权利要求1所述的基于作业行的自主导航作业路径规划方法,其特征在于:所述坐标数据为卫星坐标。
3.根据权利要求1所述的基于作业行的自主导航作业路径规划方法,其特征在于:所述坐标数据是通过北斗卫星导航系统或GPS或GLONASS采集的坐标数据。
4.根据权利要求1-3任一所述的基于作业行的自主导航作业路径规划方法,其特征在于:所述坐标数据由NMEA-0183协议中“PTNL,PJK”数据解析而来。
5.根据权利要求1-3任一所述的基于作业行的自主导航作业路径规划方法,其特征在于:所述坐标数据的采集设备为司南导航T300 GNSS接收机。
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