CN114089758A - 一种基于WebGIS的无人插秧作业路径规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于WebGIS的无人插秧作业路径规划方法，所述路径规划方法包括：步骤S100：使用RTK仪器对四边形农田的四个顶点进行测量，得到四个顶点的WGS84经纬度坐标，并将所述WGS84经纬度坐标导出为CSV格式文件；步骤S200：将四个顶点的所述WGS84经纬度坐标转为UTM平面坐标，在天地图上加载并按顺时针方向显示农田四个顶点，对四个顶点的顶点进行编号P0、P1、P2、P3；对四个顶点围成的四边形各条边界进行编号L0、L1、L2、L3；步骤S300：设置路径规划参数；步骤S400：根据设置的参数计算得到路径规划；所述路径规划包括全覆盖作业路径规划、从农田内某处起始的作业路径规划。
Description
技术领域
本发明涉及智能化农业装备技术领域，具体为一种基于WebGIS的无人插秧作业路径规划方法。
背景技术
当前部分作业场景下的无人插秧路径规划方式是不太符合人工作业习惯的，且这种无人插秧路径规划方式通常有生成的解决路径规划的方法不通用，规划不直观、生成作业路径的耗时长、掉头转弯处路径不平滑等问题，而这些问题均会导致农机作业颠簸、作业路径与农具控制方式不整合等问题；因此将常用的作业路径与农具控制方式进行整合，形成规范的、通用的路径规划方法，丰富无人驾驶的作业类型，解决现在某些作业路径规划不合理的问题显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于WebGIS的无人插秧作业路径规划方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于WebGIS的无人插秧作业路径规划方法，其特征在于，路径规划方法包括：
步骤S100：使用RTK仪器对四边形农田的四个顶点进行测量，得到四个顶点的WGS84经纬度坐标，并将WGS84经纬度坐标导出为CSV格式文件；
步骤S200：将四个顶点的WGS84经纬度坐标转为UTM平面坐标，在天地图上加载并按顺时针方向显示农田四个顶点，对四个顶点的顶点进行编号P0、P1、P2、P3；对四个顶点围成的四边形各条边界进行编号L0、L1、L2、L3；
步骤S300：设置路径规划参数；
步骤S400：根据设置的参数计算得到路径规划；路径规划包括全覆盖作业路径规划、从农田内某处起始的作业路径规划；
因为大多数农田是四边形，上述方法可以满足大部分农田的无人插秧路径规划，并且通过上述方法最终生成路径速度快且方便。
进一步的，步骤S300包括：
在四边形农田内对农田四边界L0、L1、L2、L3分别对应设置安全边距outdis0、outdis1、outdis2、outdis3；且安全边距outdis0、outdis1、outdis2、outdis3之间可不相同；
选定起始边Lm，起始边Lm为农田在开始插秧作业时最初沿着的农田边界；
设置插秧机的初次转弯形式、转弯半径、作业幅宽；转弯形式包括顺时针方向、逆时针方向；
设置起始作业位置处的经纬度坐标和插秧车作业方向。
进一步的，对于起始作业位置处的经纬度坐标设置和插秧车作业方向的设置基于路径规划模式的不同在设置上也存在差别；
若作业路径属于从农田内某处起始的作业路径，对插秧车起始作业位置处的经纬度坐标进行设置；若作业路径属于全覆盖作业路径不设置插秧车起始作业位置处的经纬度坐标；
若作业路径属于从农田内某处起始的作业路径，设置的插秧车作业方向形式包括朝着起始边方向行进、背向起始边方向行进；若作业路径属于全覆盖作业路径，设置的插秧车作业方向形式为背向起始边方向行进；
本发明可以满足2个现实情景，分别是全覆盖路径规划和从农田内某位置为起始点的路径规划，使得本发明在适应场景上更具灵活性。
进一步的，全覆盖作业路径规划的方法包括：
步骤S401：根据选定的起始边Lm，计算插秧机平行于起始边Lm来回作业的次数n，计算公式为：
其中，
表示从起始边Lm到对面边Ln的距离；outdism表示起始边Lm的安全边距；outdisn表示对面边Ln的安全边距；breaddis表示幅宽；floor表示取整运算；
步骤S402：将起始边Lm平移安全边距outdism得到新起始边Lm’；
步骤S403：选择新起始边Lm’，依次将其向作业方向平移n次，得到n条平行于新的起始边Lm’的等幅宽平行线：其中，第0条平行线为从新起始边Lm’起平移至1/2的幅宽距离处；第1至n-1条平行作业线与其上一条平行线之间平移距离的计算公式均为：(i+1)*breaddis-(breaddis/2.0)；其中，i为从1到n-1的循环变量值；
步骤S404：将与起始边Lm相邻一边界平移该边的安全边距得到边线bank line 0，在边线bank line 0的基础上再平移转弯半径的半径值turndis得到边线bank line 1；将与起始边Lm相邻另一边界平移该边的安全边距得到边线bank line 2，在bank line 2的基础上再平移转弯半径的半径值turndis得到边线bank line 3；
步骤S405：将步骤S403中得到的n条平行于新的起始边Lm’的等幅宽平行作业线两端延长，使n条平行作业线与bank line 0、bank line 1、bank line 2、bank line 3相交；根据几何空间线段相交关系，得到4组辅助相交点cad points 0、cad points 1、cadpoints 2、cad points 3的集合；
步骤S406：点集合中cad points 0的第一个点为作业轨迹点的起始点，然后起始点连接点集合cad points 3的第一个点，得到作业轨迹线的首条直线线段；
步骤S407：设点集合中cad points 1第一个点为起点B0、点集合中cad points 2的第一个点为控制点B1、cad points 2的第二个点控制点B2、cad points 1第二个点为终点B3；依次按B0、B1、B2、B3的顺序组成一个凸四边边形；基于起点B0、控制点B1、控制点B2、终点B3实现三阶贝塞尔曲线，计算得到三阶贝塞尔曲线组成的弧线点；将弧线点按照点顺序连接得到转弯弧线；
步骤S408：将步骤S406中的首条直线线段连接步骤S407得到的转弯弧线；依次循环步骤S407共n次按照点顺序循环连接，得到最终的完整作业路径轨迹点和线。
进一步的，步骤S407包括：将弧线点按照点顺序连接的同时设置轨迹点控制状态；将轨迹点控制状态与农机控制状态信息结合；
通过将轨迹点控制状态与农机控制状态信息结合可以解决作业路径与农具控制方式不整合的问题；同时还可以配合在路径点设置农具前进、后台、抬升、下降、减速等等控制方式，一键实现自动生成农机无人驾驶作业路径和自动作业过程中的农具控制。
进一步的，从农田内某处起始的作业路径规划的方法包括：
步骤S421：对插秧车起始作业位置处的经纬度坐标进行设置，对插秧车作业方向形式进行设置；计算获得起始作业位置位于朝向边或背向边的距离d及其平行作业线，将平行作业线与其相邻边相交得到的2个相交点和朝向边或背向边的2个端点绘制绘制得到一个新的四边形；
步骤S422：根据全覆盖作业路径规划的方法得到路径轨迹点集合，并将路径轨迹点集合中第一个点的坐标位置改为起始作业位置处的经纬度坐标，得到最终的路径轨迹。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明提供的路径规划方法在生成路径的速度上非常快；生成的路径轨迹平滑，可以可视化直观展示，对于安全边距、幅宽、转弯半径、插秧机初次转弯方向等参数还可以很方便的调整；本发明还能从农田内某处车辆起始点的作业路径规划，非常方便灵活。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明一种基于WebGIS的无人插秧作业路径规划方法的流程示意图；
图2是本发明一种基于WebGIS的无人插秧作业路径规划方法的部分路径规划参数示意图；
图3是本发明一种基于WebGIS的无人插秧作业路径规划方法中全覆盖作业路径规划的方法的部分参数的示意图；
图4是本发明一种基于WebGIS的无人插秧作业路径规划方法中全覆盖作业路径规划的方法的弧线点示意图；
图5是本发明一种基于WebGIS的无人插秧作业路径规划方法中全覆盖作业路径规划的方法的转弯弧线示意图；
图6是本发明一种基于WebGIS的无人插秧作业路径规划方法中将轨迹点控制状态与农机控制状态信息结合的示意图；
图7是本发明一种基于WebGIS的无人插秧作业路径规划方法中将轨迹点控制状态与农机控制状态信息结合的示意图；
图8是本发明一种基于WebGIS的无人插秧作业路径规划方法中从农田内某处起始的作业路径规划的方法得到的路径轨迹图；
图9是本发明一种基于WebGIS的无人插秧作业路径规划方法的实施例示意图一；
图10是本发明一种基于WebGIS的无人插秧作业路径规划方法的实施例示意图二；
图11是本发明一种基于WebGIS的无人插秧作业路径规划方法的实施例示意图三；
图12是本发明一种基于WebGIS的无人插秧作业路径规划方法的实施例示意图四；
图13是本发明一种基于WebGIS的无人插秧作业路径规划方法的实施例示意图五；
图14是本发明一种基于WebGIS的无人插秧作业路径规划方法的实施例示意图六；
图15是本发明一种基于WebGIS的无人插秧作业路径规划方法的实施例示意图七。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图8，本发明提供技术方案：一种基于WebGIS的无人插秧作业路径规划方法，其特征在于，路径规划方法包括：
步骤S100：使用RTK仪器对四边形农田的四个顶点进行测量，得到四个顶点的WGS84经纬度坐标，并将WGS84经纬度坐标导出为CSV格式文件；
步骤S200：将四个顶点的WGS84经纬度坐标转为UTM平面坐标，在天地图上加载并按顺时针方向显示农田四个顶点，对四个顶点的顶点进行编号P0、P1、P2、P3；对四个顶点围成的四边形各条边界进行编号L0、L1、L2、L3；
步骤S300：设置路径规划参数，如图2所示，其中包括：
在四边形农田内对农田四边界L0、L1、L2、L3分别对应设置安全边距outdis0、outdis1、outdis2、outdis3；且安全边距outdis0、outdis1、outdis2、outdis3之间可不相同；
选定起始边Lm，起始边Lm为农田在开始插秧作业时最初沿着的农田边界；
设置插秧机的初次转弯形式、转弯半径turndis、作业幅宽breaddis；转弯形式包括顺时针方向、逆时针方向；转弯半径turndis、作业幅宽breaddis的单位皆为米；
设置起始作业位置处的经纬度坐标和插秧车作业方向；
步骤S400：根据设置的参数计算得到路径规划；路径规划包括全覆盖作业路径规划、从农田内某处起始的作业路径规划。
其中，基于路径规划模式的不同在对于起始作业位置处的经纬度坐标设置和插秧车作业方向的设置上也存在差别；
若作业路径属于从农田内某处起始的作业路径，对插秧车起始作业位置处的经纬度坐标进行设置；若作业路径属于全覆盖作业路径不设置插秧车起始作业位置处的经纬度坐标；
若作业路径属于从农田内某处起始的作业路径，设置的插秧车作业方向形式包括朝着起始边方向行进、背向起始边方向行进；若作业路径属于全覆盖作业路径，设置的插秧车作业方向形式为背向起始边方向行进；
全覆盖作业路径规划的方法包括：
步骤S401：根据选定的起始边Lm，计算插秧机平行于起始边Lm来回作业的次数n，计算公式为：
其中，
表示从起始边Lm到对面边Ln的距离；outdism表示起始边Lm的安全边距；outdisn表示对面边Ln的安全边距；breaddis表示幅宽；floor表示取整运算；
步骤S402：将所述起始边Lm平移安全边距outdism得到新起始边Lm’；
步骤S403：选择新起始边Lm’，依次将其向作业方向平移n次，得到n条平行于新的起始边Lm’的等幅宽平行线：其中，第0条平行线为从所述新起始边Lm’起平移至1/2的幅宽距离处；第1至n-1条平行作业线与其上一条平行线之间平移距离的计算公式均为：(i+1)*breaddis-(breaddis/2.0)；其中，i为从1到n-1的循环变量值；
步骤S404：将与所述起始边Lm相邻一边界平移该边的安全边距得到边线bankline 0，在所述边线bank line 0的基础上再平移转弯半径的半径值turndis得到边线bankline 1；将与所述起始边Lm相邻另一边界平移该边的安全边距得到边线bank line 2，在所述bank line 2的基础上再平移转弯半径的半径值turndis得到边线bank line 3；
步骤S405：将步骤S403中得到的n条平行于新的起始边Lm’的等幅宽平行作业线两端延长，使n条平行作业线与所述bank line 0、bank line 1、bank line 2、bank line 3相交；根据几何空间线段相交关系，得到4组辅助相交点cad points 0、cad points 1、cadpoints 2、cad points 3的集合；如图3所示；
步骤S406：点集合中cad points 0的第一个点为作业轨迹点的起始点，然后起始点连接点集合cad points 3的第一个点，得到作业轨迹线的首条直线线段；
步骤S407：设点集合中cad points 1第一个点为起点B0、点集合中cad points 2的第一个点为控制点B1、cad points 2的第二个点控制点B2、cad points 1第二个点为终点B3；依次按B0、B1、B2、B3的顺序组成一个凸四边边形；基于起点B0、控制点B1、控制点B2、终点B3实现三阶贝塞尔曲线，计算得到所述三阶贝塞尔曲线组成的弧线点；将所述弧线点按照点顺序连接得到转弯弧线；如图4和图5所示；
其中，步骤S407包括：将弧线点按照点顺序连接的同时设置轨迹点控制状态；将轨迹点控制状态与农机控制状态信息结合；如图6所示和图7所示；
步骤S408：将所述步骤S406中的首条直线线段连接所述步骤S407得到的转弯弧线；依次循环所述步骤S407共n次按照点顺序循环连接，得到最终的完整作业路径轨迹点和线；
请参阅图9-图11，本实施例以插秧行距300mm的6行高速插秧机、四边形的农田为例，CSV文件字段如下：name：顶点编号；lat：顶点纬度；lon：顶点经度；CSV文件格式如图9所示；设置路径规划参数，如图10所示；最终得到的全覆盖路径轨迹如图11所示；
从农田内某处起始的作业路径规划的方法包括：
步骤S421：对插秧车起始作业位置处的经纬度坐标进行设置，对插秧车作业方向形式进行设置；计算获得起始作业位置位于朝向边或背向边的距离d及其平行作业线，将平行作业线与其相邻边相交得到的2个相交点和朝向边或背向边的2个端点绘制绘制得到一个新的四边形；
步骤S422：根据全覆盖作业路径规划的方法得到路径轨迹点集合，并将路径轨迹点集合中第一个点的坐标位置改为起始作业位置处的经纬度坐标，得到最终的路径轨迹；如图8所示；
请参阅图12-图15，本实施例以插秧行距300mm的6行高速插秧机、形状为四边形的农田为例，CSV文件格式如图12所示，设置路径规划参数，如图13所示；最终得到的从农田内某位置为起始点的路径轨迹如图14所示，图15为其局部放大图；
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素；
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于WebGIS的无人插秧作业路径规划方法，其特征在于，所述路径规划方法包括：
步骤S100：使用RTK仪器对四边形农田的四个顶点进行测量，得到四个顶点的WGS84经纬度坐标，并将所述WGS84经纬度坐标导出为CSV格式文件；
步骤S200：将四个顶点的所述WGS84经纬度坐标转为UTM平面坐标，在天地图上加载并按顺时针方向显示农田四个顶点，对四个顶点的顶点进行编号P0、P1、P2、P3；对四个顶点围成的四边形各条边界进行编号L0、L1、L2、L3；
步骤S300：设置路径规划参数；
步骤S400：根据设置的参数计算得到路径规划；所述路径规划包括全覆盖作业路径规划、从农田内某处起始的作业路径规划。
2.根据权利要求1所述的一种基于WebGIS的无人插秧作业路径规划方法，其特征在于，所述步骤S300包括：
在四边形农田内对农田四边界L0、L1、L2、L3分别对应设置安全边距outdis0、outdis1、outdis2、outdis3；且安全边距outdis0、outdis1、outdis2、outdis3之间可不相同；
选定起始边Lm，所述起始边Lm为农田在开始插秧作业时最初沿着的农田边界；
设置插秧机的初次转弯形式、转弯半径、作业幅宽；转弯形式包括顺时针方向、逆时针方向；
设置起始作业位置处的经纬度坐标和插秧车作业方向。
3.根据权利要求2所述的一种基于WebGIS的无人插秧作业路径规划方法，其特征在于，对于起始作业位置处的经纬度坐标设置和插秧车作业方向的设置基于路径规划模式的不同在设置上也存在差别；
若作业路径属于从农田内某处起始的作业路径，对插秧车起始作业位置处的经纬度坐标进行设置；若作业路径属于全覆盖作业路径不设置插秧车起始作业位置处的经纬度坐标；
若作业路径属于从农田内某处起始的作业路径，设置的插秧车作业方向形式包括朝着起始边方向行进、背向起始边方向行进；若作业路径属于全覆盖作业路径，设置的插秧车作业方向形式为背向起始边方向行进。
4.根据权利要求1所述的一种基于WebGIS的无人插秧作业路径规划方法，其特征在于，所述全覆盖作业路径规划的方法包括：
步骤S401：根据选定的起始边Lm，计算插秧机平行于所述起始边Lm来回作业的次数n，计算公式为：
其中，
表示从起始边Lm到对面边Ln的距离；outdism表示起始边Lm的安全边距；outdisn表示对面边Ln的安全边距；breaddis表示幅宽；floor表示取整运算；
步骤S402：将所述起始边Lm平移安全边距outdism得到新起始边Lm’；
步骤S403：选择新起始边Lm’，依次将其向作业方向平移n次，得到n条平行于新的起始边Lm’的等幅宽平行线：其中，第0条平行线为从所述新起始边Lm’起平移至1/2的幅宽距离处；第1至n-1条平行作业线与其上一条平行线之间平移距离的计算公式均为：(i+1)*breaddis-(breaddis/2.0)；其中，i为从1到n-1的循环变量值；
步骤S404：将与所述起始边Lm相邻一边界平移该边的安全边距得到边线bank line 0，在所述边线bank line 0的基础上再平移转弯半径的半径值turndis得到边线bank line1；将与所述起始边Lm相邻另一边界平移该边的安全边距得到边线bank line 2，在所述bank line 2的基础上再平移转弯半径的半径值turndis得到边线bank line 3；
步骤S405：将步骤S403中得到的n条平行于新的起始边Lm’的等幅宽平行作业线两端延长，使n条平行作业线与所述bankline 0、bankline 1、bankline 2、bankline 3相交；根据几何空间线段相交关系，得到4组辅助相交点cad points 0、cad points 1、cad points 2、cad points 3的集合；
步骤S406：点集合中cad points 0的第一个点为作业轨迹点的起始点，然后起始点连接点集合cad points 3的第一个点，得到作业轨迹线的首条直线线段；
步骤S407：设点集合中cad points 1第一个点为起点B0、点集合中cad points 2的第一个点为控制点B1、cad points 2的第二个点控制点B2、cad points 1第二个点为终点B3；依次按B0、B1、B2、B3的顺序组成一个凸四边边形；基于起点B0、控制点B1、控制点B2、终点B3实现三阶贝塞尔曲线，计算得到所述三阶贝塞尔曲线组成的弧线点；将所述弧线点按照点顺序连接得到转弯弧线；
步骤S408：将所述步骤S406中的首条直线线段连接所述步骤S407得到的转弯弧线；依次循环所述步骤S407共n次按照点顺序循环连接，得到最终的完整作业路径轨迹点和线。
5.根据权利要求4所述的一种基于WebGIS的无人插秧作业路径规划方法，其特征在于，所述步骤S407包括：将所述弧线点按照点顺序连接的同时设置轨迹点控制状态；将所述轨迹点控制状态与农机控制状态信息结合。
6.根据权利要求1所述的一种基于WebGIS的无人插秧作业路径规划方法，其特征在于，所述从农田内某处起始的作业路径规划的方法包括：
步骤S421：对插秧车起始作业位置处的经纬度坐标进行设置，对插秧车作业方向形式进行设置；计算获得所述起始作业位置位于朝向边或背向边的距离d及其平行作业线，将所述平行作业线与其相邻边相交得到的2个相交点和朝向边或背向边的2个端点绘制绘制得到一个新的四边形；
步骤S422：根据全覆盖作业路径规划的方法得到路径轨迹点集合，并将所述路径轨迹点集合中第一个点的坐标位置改为起始作业位置处的经纬度坐标，得到最终的路径轨迹。
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