CN114754777A - 一种基于地理坐标系的无人割草车的全路径覆盖规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于地理坐标系的无人割草车的全路径覆盖规划方法,涉及路径规划技术领域,包括,计算工作区域矩形框;构建栅格线;计算栅格线与工作区域和障碍区域多边形交点;栅格线交点分组构建线段组集合;计算当前位置的最短距离线段组;按顺序存储线段组端点;线段组集合遍历完成;输出结果,提高了无人割草车在大范围草地区域的割草工作效率及覆盖率。
Description
技术领域
本发明涉及路径规划技术领域,尤其是一种基于地理坐标系的无人割草车的全路径覆盖规划方法。
背景技术
全路径覆盖规划要求无人车的形式路径要覆盖所有设定的工作区域,且要避开障碍区域,如中国专利CN2019102343776公开一种智能割草机的路径规划方法,其以初始位置为原点建立坐标系;控制所述智能割草机沿所述边界线绕所述工作区域行走一圈,利用陀螺仪传感器实时获取所述智能割草机的行进角度值,并记录实时移动距离值,从而得到所述智能割草机的实时位置坐标;基于所述智能割草机从所述边界线起点到终点行走过程记录的全程位置坐标构建全局区域地图;根据所述全局区域地图,以及所述智能割草机的实时位置坐标,控制所述智能割草对所述工作区域进行规划覆盖。
但在现有技术中,全路径覆盖规划方法通常基于较小区域的相对坐标系,而在大范围的草地环境中,无人割草车的导航需要使用以经纬度为单位的地理坐标系,目前尚无合适的全路径覆盖规划方法。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供一种基于地理坐标系的无人割草车的全路径覆盖规划方法,能够提升无人割草车在大范围草地环境下的割草效率和覆盖率。
一种基于地理坐标系的无人割草车的全路径覆盖规划方法,包括如下步骤:
A1:计算工作区域矩形框;
A2:构建栅格线;
A 3:计算栅格线与工作区域和障碍区域多边形交点;
A 4:栅格线交点分组构建线段组集合;
A 5:计算当前位置的最短距离线段组;
A 6:按顺序存储线段组端点;
A 7:线段组集合遍历完成;
A 8:输出结果。
作为上述技术方案的进一步改进,在步骤A1中,设定工作区域和障碍区域以多边形顶点的形式构建,工作区域数量唯一,障碍区域为多个;根据设定的工作区域的所有多边形顶点坐标,计算在工作区域经度和维度方向的最小和最大坐标,构成包围工作区域的矩形框。
作为上述技术方案的进一步改进,计算工作区域经纬度最小和最大坐标步骤如下:
a)设置经纬度最大最小值变量LatMinX、LngMinX、LatMaxX、LngMaxX的初始值分别为180.0、90.0、0.0、0.0;
b)遍历所有多边形顶点,将顶点经纬度坐标与经纬度最大最小值变量LatMin、LngMin、LatMax、LngMax的值作比较;
c)若顶点纬度坐标值小于LatMin,则将LatMin置为坐标值;若顶点纬度坐标值大于LatMax,则将LatMax置为坐标值;若顶点经度坐标值小于LngMin,则将LngMin置为坐标值;若顶点经度坐标值大于LngMax,则将LngMax置为坐标值;
d)遍历完成后,变量LatMin、LngMin、LatMax、LngMax的值为所求最小最大经纬度值。
作为上述技术方案的进一步改进,在步骤A 2中,以上述计算得到的矩形框的对角线长度作为栅格长度L,以矩形框经度最小的点为起始点,以设定的初始角度A作为栅格线角度,工作区域以设定的路径间距D为栅格线的间隔距离,对工作区域进行初始的栅格划分,构成覆盖整个工作区域的n条栅格线。
作为上述技术方案的进一步改进,在步骤A 3中,以工作区域和障碍区域的多边形的各条边构建线段集合S1,计算上述n条栅格线与线段集合内的线段分别求交,分别获取交点,同时记录交点所在的线段在集合中的索引。
作为上述技术方案的进一步改进,线段求交,步骤如下:
a)采用两点式表示两条线段,四个点分别为(x1,y1)、(x2,y2)和(x3,y3)、(x4,y4);
b)计算分母项D,公式如下:
D1=(x2-x1)*(y4-y3)-(y2-y1)*(x4-x3)
c)判断分母项D1,若D等于0,则两条线段平行,无交点;
d)计算分子项N1,公式如下:
N1=(y1-y3)*(x4-x3)-(x1-x3)*(y4-y3)
e)计算结果项R,R=N1/D;
f)计算分子项N2,公式如下:
N2=(y1-y3)*(x2-x1)-(x1-x3)*(y2-y1)
g)计算结果项S,S=N2/D;
h)若0<R<1且0<S<1,则可计算线段交点(Rx,Ry),公式如下:
Rx=x1+(R*(x2-x1))
Ry=y1+(R*(y2-y1))。
作为上述技术方案的进一步改进,在步骤A 4中,同一条栅格线的交点为一组,同组中的交点按照计算顺序和规则两两构建一条线段,将所有新建线段构成线段集合S2,同时记录线段两顶点所在线段在集合S1中的索引。
作为上述技术方案的进一步改进,构建线段的规则如下:
a)判断栅格线和多边形的交点个数;
b)若栅格线和多边形的交点个数为0,则不做处理;
c)若栅格线和多边形的交点个数为1,代表栅格线与多边形的顶点的交点在多边形顶点上,则忽略该交点,直接以栅格线的两顶点构成线段;
d)若栅格线和多边形的交点个数为2,则栅格线穿过多边形的两条边,按照顺序将栅格线两端顶点p1、p2和两个交点i1、i2构成两条栅格线(p1,i1)和(p2,i2);
e)若栅格线和多边形的交点个数大于2,且个数为偶数,栅格线两端顶点为p1、p2,遍历交点集合,计算所有交点与线段顶点p1的距离,根据由近至远的顺序对交点进行排序得到集合(i1、i2、i3…in),以p1为起点,两两构成线段,如(p1,i1)、(i2,i3)、…、(in,p2);
若栅格线和多边形的交点个数大于2,且个数为奇数,则代表栅格线与多边形的交点中存在与多边形顶点重合的情况,遍历交点集合,去除与多边形顶点重合的交点,后续处理与上述步骤e相同。
作为上述技术方案的进一步改进,遍历线段集合S2,将相邻且线段两顶点索引相同的线段归为一组,构成线段组的集合Z;根据车辆的起始位置,分别计算与集合Z中各线段组首尾两条线段端点距离最近的一组。
作为上述技术方案的进一步改进,在步骤A 5和A6中,构建结果集合,集合中存储最短路径的所有路径点;以当前位置Ps与目标位置Pe构建线段,计算线段与所有障碍区域多边形是否存在交点,若存在交点则将交点加入结果集合,随后计算交点所在多边形的边的两端点分别与目标点Pe的距离,以距离较小的端点作为下一路径点存入结果集合;再以该端点和目标点Pe构建线段重复上述过程,直至线段与障碍区域多边形无交点,则计算结果集合中所有路径点两两之间的距离为最短路径距离;构建路径点集合R,找到与车辆起始位置最近的线段组后,按顺序将线段组的端点存入集合R中,顺序为首尾相接顺序,随后以最后存入的端点再计算与其它线段组的最短路径距离,重复上一过程,直至所有线段组端点被存入集合R中,构建完成。
从以上技术方案可以看出,本发明的有益效果是:运算简单、实现容易,运算速度快,得出的自动规划路径可靠性强;以最优的路径遍历完整个割草区;同时提高了无人割草车在大范围草地区域的割草工作效率及覆盖率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案,下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体实施例的规划方法流程示意图。
具体实施方式
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂,下面将结合本具体实施例中的附图,对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而非全部的实施例。基于本专利中的实施例,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它实施例,都属于本专利保护的范围。
参见图1所示,本发明提供:一种基于地理坐标系的无人割草车的全路径覆盖规划方法,其特征在于它包括以下步骤:A1:计算工作区域矩形框;
A2:构建栅格线;
A 3:计算栅格线与工作区域和障碍区域多边形交点;
A 4:栅格线交点分组构建线段组集合;
A 5:计算当前位置的最短距离线段组;
A 6:按顺序存储线段组端点;
A 7:线段组集合遍历完成;
A 8:输出结果。
具体的,设定的工作区域和障碍区域以多边形顶点的形式构建,工作区域数量唯一,障碍区域可以为多个;根据设定的工作区域的所有多边形顶点坐标,计算在经度和维度方向的最小和最大坐标,构成包围工作区域的矩形框;
其中,计算工作区域经纬度最小和最大坐标步骤如下:
a:设置经纬度最大最小值变量LatMinX、LngMinX、LatMaxX、LngMaxX的初始值分别为180.0、90.0、0.0、0.0;
b:遍历所有多边形顶点,将顶点经纬度坐标与经纬度最大最小值变量LatMin、LngMin、LatMax、LngMax的值作比较;
b:若顶点纬度坐标值小于LatMin,则将LatMin置为坐标值;若顶点纬度坐标值大于LatMax,则将LatMax置为坐标值;若顶点经度坐标值小于LngMin,则将LngMin置为坐标值;若顶点经度坐标值大于LngMax,则将LngMax置为坐标值;
d:遍历完成后,变量LatMin、LngMin、LatMax、LngMax的值为所求最小最大经纬度值;
以上述计算得到的矩形框的对角线长度作为栅格长度L,以矩形框经度最小的点为起始点,以设定的初始角度A作为栅格线角度,工作区域以设定的路径间距D为栅格线的间隔距离,对工作区域进行初始的栅格划分,构成覆盖整个工作区域的n条栅格线。
以工作区域和障碍区域的多边形的各条边构建线段集合S1,计算上述n条栅格线与线段集合内的线段分别求交,分别获取交点,同时记录交点所在的线段在集合中的索引;
其中,线段求交步骤如下:
a:采用两点式表示两条线段,四个点分别为(x1,y1)、(x2,y2)和(x3,y3)、(x4,y4);b:计算分母项D,公式如下:
D1=(x2-x1)*(y4-y3)-(y2-y1)*(x4-x3)
c:判断分母项D1,若D等于0,则两条线段平行,无交点;
d:计算分子项N1,公式如下:
N1=(y1-y3)*(x4-x3)-(x1-x3)*(y4-y3)
e:计算结果项R,R=N1/D;
f:计算分子项N2,公式如下:
N2=(y1-y3)*(x2-x1)-(x1-x3)*(y2-y1)
g:计算结果项S,S=N2/D;
h:若0<R<1且0<S<1,则可计算线段交点(Rx,Ry),公式如下:
Rx=x1+(R*(x2-x1))
Ry=y1+(R*(y2-y1))
同一条栅格线的交点为一组,同组中的交点按照计算顺序和规则两两构建一条线段,将所有新建线段构成线段集合S2,同时记录线段两顶点所在线段在集合S1中的索引;
构建线段的规则如下:
a:判断栅格线和多边形的交点个数;
b:若栅格线和多边形的交点个数为0,则不做处理;
c:若栅格线和多边形的交点个数为1,代表栅格线与多边形的顶点的交点在多边形顶点上,则忽略该交点,直接以栅格线的两顶点构成线段;
d:若栅格线和多边形的交点个数为2,则栅格线穿过多边形的两条边,按照顺序将栅格线两端顶点p1、p2和两个交点i1、i2构成两条栅格线(p1,i1)和(p2,i2);
e:若栅格线和多边形的交点个数大于2,且个数为偶数,栅格线两端顶点为p1、p2,遍历交点集合,计算所有交点与线段顶点p1的距离,根据由近至远的顺序对交点进行排序得到集合(i1、i2、i3…in),以p1为起点,两两构成线段,如(p1,i1)、(i2,i3)、…、(in,p2);
f:若栅格线和多边形的交点个数大于2,且个数为奇数,则代表栅格线与多边形的交点中存在与多边形顶点重合的情况,遍历交点集合,去除与多边形顶点重合的交点,后续处理与上述步骤e相同;
遍历线段集合S2,将相邻且线段两顶点索引相同的线段归为一组,构成线段组的集合Z;
根据车辆的起始位置,分别计算与集合Z中各线段组首尾两条线段端点距离最近的一组,由于存在障碍区域,车辆需要绕开,此处使用最短路径计算方法。
最短路径计算方法:构建结果集合,集合中存储最短路径的所有路径点;以当前位置Ps与目标位置Pe构建线段,计算线段与所有障碍区域多边形是否存在交点,若存在交点则将交点加入结果集合,随后计算交点所在多边形的边的两端点分别与目标点Pe的距离,以距离较小的端点作为下一路径点存入结果集合;再以该端点和目标点Pe构建线段重复上述过程,直至线段与障碍区域多边形无交点,则计算结果集合中所有路径点两两之间的距离为最短路径距离。
构建路径点集合R,找到与车辆起始位置最近的线段组后,按顺序将线段组的端点存入集合R中。顺序为首尾相接顺序,即上一线段终点接下一线段起点。随后以最后存入的端点再计算与其它线段组的最短路径距离,重复上一过程,直至所有线段组端点被存入集合R中,构建完成。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同、相似部分互相参见即可。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“上”、“下”、“外侧”“内侧”等如果存在是用于区别位置上的相对关系,而不必给予定性。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种基于地理坐标系的无人割草车的全路径覆盖规划方法,其特征在于,包括如下步骤:
A1:计算工作区域矩形框;
A2:构建栅格线;
A3:计算栅格线与工作区域和障碍区域多边形交点;
A4:栅格线交点分组构建线段组集合;
A5:计算当前位置的最短距离线段组;
A6:按顺序存储线段组端点;
A7:线段组集合遍历完成;
A8:输出结果。
2.根据权利要求1所述的基于地理坐标系的无人割草车的全路径覆盖规划方法,其特征在于,在步骤A1中,设定工作区域和障碍区域以多边形顶点的形式构建,工作区域数量唯一,障碍区域为多个;根据设定的工作区域的所有多边形顶点坐标,计算在工作区域经度和维度方向的最小和最大坐标,构成包围工作区域的矩形框。
3.根据权利要求2所述的基于地理坐标系的无人割草车的全路径覆盖规划方法,其特征在于,计算工作区域经纬度最小和最大坐标步骤如下:
a)设置经纬度最大最小值变量LatMinX、LngMinX、LatMaxX、LngMaxX的初始值分别为180.0、90.0、0.0、0.0;
b)遍历所有多边形顶点,将顶点经纬度坐标与经纬度最大最小值变量LatMin、LngMin、LatMax、LngMax的值作比较;
c)若顶点纬度坐标值小于LatMin,则将LatMin置为坐标值;若顶点纬度坐标值大于LatMax,则将LatMax置为坐标值;若顶点经度坐标值小于LngMin,则将LngMin置为坐标值;若顶点经度坐标值大于LngMax,则将LngMax置为坐标值;
d)遍历完成后,变量LatMin、LngMin、LatMax、LngMax的值为所求最小最大经纬度值。
4.根据权利要求3所述的基于地理坐标系的无人割草车的全路径覆盖规划方法,其特征在于,在步骤A2中,以上述计算得到的矩形框的对角线长度作为栅格长度L,以矩形框经度最小的点为起始点,以设定的初始角度A作为栅格线角度,工作区域以设定的路径间距D为栅格线的间隔距离,对工作区域进行初始的栅格划分,构成覆盖整个工作区域的n条栅格线。
5.根据权利要求4所述的基于地理坐标系的无人割草车的全路径覆盖规划方法,其特征在于,在步骤A3中,以工作区域和障碍区域的多边形的各条边构建线段集合S1,计算上述n条栅格线与线段集合内的线段分别求交,分别获取交点,同时记录交点所在的线段在集合中的索引。
6.根据权利要求5所述的基于地理坐标系的无人割草车的全路径覆盖规划方法,其特征在于,线段求交,步骤如下:
a)采用两点式表示两条线段,四个点分别为(x1,y1)、(x2,y2)和(x3,y3)、(x4,y4);
b)计算分母项D,公式如下:
D1=(x2-x1)*(y4-y3)-(y2-y1)*(x4-x3)
c)判断分母项D1,若D等于0,则两条线段平行,无交点;
d)计算分子项N1,公式如下:
N1=(y1-y3)*(x4-x3)-(x1-x3)*(y4-y3)
e)计算结果项R,R=N1/D;
f)计算分子项N2,公式如下:
N2=(y1-y3)*(x2-x1)-(x1-x3)*(y2-y1)
g)计算结果项S,S=N2/D;
h)若0<R<1且0<S<1,则可计算线段交点(Rx,Ry),公式如下:
Rx=x1+(R*(x2-x1))
Ry=y1+(R*(y2-y1))。
7.根据权利要求5所述的基于地理坐标系的无人割草车的全路径覆盖规划方法,其特征在于,在步骤A4中,同一条栅格线的交点为一组,同组中的交点按照计算顺序和规则两两构建一条线段,将所有新建线段构成线段集合S2,同时记录线段两顶点所在线段在集合S1中的索引。
8.根据权利要求7所述的基于地理坐标系的无人割草车的全路径覆盖规划方法,其特征在于,构建线段的规则如下:
a)判断栅格线和多边形的交点个数;
b)若栅格线和多边形的交点个数为0,则不做处理;
c)若栅格线和多边形的交点个数为1,代表栅格线与多边形的顶点的交点在多边形顶点上,则忽略该交点,直接以栅格线的两顶点构成线段;
d)若栅格线和多边形的交点个数为2,则栅格线穿过多边形的两条边,按照顺序将栅格线两端顶点p1、p2和两个交点i1、i2构成两条栅格线(p1,i1)和(p2,i2);
e)若栅格线和多边形的交点个数大于2,且个数为偶数,栅格线两端顶点为p1、p2,遍历交点集合,计算所有交点与线段顶点p1的距离,根据由近至远的顺序对交点进行排序得到集合(i1、i2、i3…in),以p1为起点,两两构成线段,如(p1,i1)、(i2,i3)、…、(in,p2);
若栅格线和多边形的交点个数大于2,且个数为奇数,则代表栅格线与多边形的交点中存在与多边形顶点重合的情况,遍历交点集合,去除与多边形顶点重合的交点,后续处理与上述步骤e相同。
9.根据权利要求7所述的基于地理坐标系的无人割草车的全路径覆盖规划方法,其特征在于,遍历线段集合S2,将相邻且线段两顶点索引相同的线段归为一组,构成线段组的集合Z;根据车辆的起始位置,分别计算与集合Z中各线段组首尾两条线段端点距离最近的一组。
10.根据权利要求9所述的基于地理坐标系的无人割草车的全路径覆盖规划方法,其特征在于,在步骤A5和A6中,构建结果集合,集合中存储最短路径的所有路径点;以当前位置Ps与目标位置Pe构建线段,计算线段与所有障碍区域多边形是否存在交点,若存在交点则将交点加入结果集合,随后计算交点所在多边形的边的两端点分别与目标点Pe的距离,以距离较小的端点作为下一路径点存入结果集合;再以该端点和目标点Pe构建线段重复上述过程,直至线段与障碍区域多边形无交点,则计算结果集合中所有路径点两两之间的距离为最短路径距离;构建路径点集合R,找到与车辆起始位置最近的线段组后,按顺序将线段组的端点存入集合R中,顺序为首尾相接顺序,随后以最后存入的端点再计算与其它线段组的最短路径距离,重复上一过程,直至所有线段组端点被存入集合R中,构建完成。
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Cited By (2)
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CN115240429A (zh) * | 2022-08-11 | 2022-10-25 | 深圳市城市交通规划设计研究中心股份有限公司 | 一种人车流量统计方法、电子设备及存储介质 |
CN117268401A (zh) * | 2023-11-16 | 2023-12-22 | 广东碧然美景观艺术有限公司 | 一种动态围栏的园艺路径生成方法 |
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2022
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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