一种分区域农机协同作业路径规划方法

1.本发明涉及智能农机作业控制技术领域，特别是一种分区域农机协同作业路径规划方法。


背景技术：

2.目前，对于农机路径规划方法的研究主要集中于单机作业路径规划方法，通常以不规则边界形状的农田为作业场景，研究农机的最优作业方向，确定农机的转弯方式和田间作业方式，并基于网格单元划分农田，研究农机的最佳作业次序，减少转弯次数和非作业距离。农机作业方式一般包括梭形作业、闭垄作业、开垄作业和套行作业；转弯方式主要包括u形、弓形、ω形以及鱼尾形。该方法降低了农机的使用率，不符合大田农业生产方式的要求。
3.现有的农机协同作业路径规划方法中，主要是传统逐行作业方式，为各个农机分配的作业区域不重叠，相当于将单机作业的路径简单合并，得到多机作业路径，该方法大幅增加了转弯路径总长度和转弯总时间。


技术实现要素：

4.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
5.鉴于上述和/或现有的压力机设计中存在的问题，提出了本发明。
6.因此，本发明的目的是提供一种分区域农机协同作业路径规划方法，其能大幅降低转弯路径总长度和转弯总时间，提高作业效率，降低作业消耗。
7.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种分区域农机协同作业路径规划方法，其包括以下步骤，
8.建立分区域农田模型；
9.输入农机的最小转弯半径，在分区域农田模型的基础上，建立农机协同作业路径规划模型；
10.利用模拟退火算法求解农机协同作业路径规划模型；
11.输出各台农机的作业路径。
12.作为本发明所述分区域农机协同作业路径规划方法的一种优选方案，其中：建立分区域农田模型的具体步骤为，
13.设置的区域数量等于农机数量；
14.根据总作业行数量和农机数量确定每个区域的大小；
15.在保证各台农机在各自区域内选择作业路径所受的约束最小的情况下，确定区域之间重叠的面积大小。
16.作为本发明所述分区域农机协同作业路径规划方法的一种优选方案，其中：转弯
路径的选择方法为，
17.w＝2r
min
，农机以u形的转弯方式进入相邻行作业；
18.w＞2r
min
，农机以弓形的转弯方式进入相邻行作业；
19.w＜2r
min
，当w＝2r
min
/z(z＝1,2,3,
…
)时，农机以u形转弯路径进入间隔z-1行的作业行进行作业，或者农机以弓形转弯路径进入间隔不小于z行数的作业行进行作业；当r
min
/(z+1)＜w＜2r
min
/z(z＝1,2,3,
…
)时，农机以弓形转弯路径进入间隔z行的作业行进行作业；
20.其中，r
min
为最小转弯半径，w为作业幅宽，z为作业行数量。
21.作为本发明所述分区域农机协同作业路径规划方法的一种优选方案，其中：在分区域农田模型的基础上，建立的农机协同作业路径规划模型为，
22.将农机多机转弯路径总长度和转弯总时间为优化目标；
23.每个坐标点只能被一台农机遍历一次，所有农机遍历的坐标点数量之和等于构成农田的总坐标点数量。
24.作为本发明所述分区域农机协同作业路径规划方法的一种优选方案，其中：农田被划分为3个或4个区域时，农机协同作业路径规划模型具体为，
25.定义决策变量，
26.d
ij
＝d(i,j)；
[0027][0028][0029]
其中，x
ij
为坐标点i和j之间是否有连线的决策变量，zf为包含3个区域的农田中每个区域的农机行驶路径长度；zr为包含4个区域的农田中每个区域的农机行驶路径长度；nf为包含3个区域的农田中每个区域的农机遍历的坐标点数量；nr为包含4个区域的农田中每个区域的农机遍历的坐标点数量；d
ij
表示坐标点i与j之间的距离；
[0030]
建立目标函数，
[0031]
目标函数一，
[0032][0033]
其中，z为多机行驶总距离；m为农机的数量；z
p
为第p台农机的行驶路径总长度；z
dp
为第p台农机的作业路径总长度；z
tp
为第p台农机的转弯路径总长度；z
ts
为多机转弯路径总长度；
[0034]
目标函数二，
[0035][0036]
其中，t
p
为第p台农机的行驶总时间；t
wp
为第p台农机的总作业时间；t
tp
为第p台农
机的转弯总时间；t
ts
为多机转弯总时间，m为农机的数量；
[0037][0038]
其中，v
t
为农机转弯速度；β
p
为第p台农机遍历的作业行数量。
[0039]
作为本发明所述分区域农机协同作业路径规划方法的一种优选方案，其中：所述农机协同作业路径规划模型还包括以下约束条件，
[0040][0041][0042][0043][0044][0045]
其中，n’为一台农机作业路径包含的坐标点数量，y(q)为农机遍历的第q个坐标点，当q为奇数时，农机的下一遍历坐标点确定且唯一，即该作业行另一端的坐标点；当q为偶数时，农机的下一遍历坐标点从位于同一地头的坐标点集合中选取；θ为农田的两个地头的代号，取值为1和2，h(θ)为构成农田地头的坐标点集合，n为纵坐标点数量，v为构成农田的总坐标点集合，q为一台农机的作业路径的坐标点集合。
[0046]
本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：使用本发明规划的农机的转弯路径总长度、转弯总时间有大幅下降，作业效率大幅上升，有利于降低作业消耗，提高农机的作业效率和使用率；可应用于大田智慧农业中的农机自动驾驶技术中。
附图说明
[0047]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0048]
图1为本发明中u形转弯路径图；
[0049]
图2为本发明中弓形转弯路径图；
[0050]
图3为本发明中3个区域的农田示意图；
[0051]
图4为本发明中4个区域的农田示意图；
[0052]
图5为本发明中模拟退火算法流程图；
[0053]
图6为本发明中3台农机的分区域协同作业路径轨迹图；
[0054]
图7为本发明中4台农机的分区域协同作业路径轨迹图；
[0055]
图8为本发明中3台和4台农机的分区域协同作业和传统多机逐行作业方式的作业指标对比图；
[0056]
图9为本发明中3台和4台农机的分区域协同作业和单机作业方式的作业指标对比图；
[0057]
图10为本发明中3台和4台农机分区域协同作业与传统多机逐行作业方式、单机作业方式的作业效率对比图。
具体实施方式
[0058]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
[0059]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0060]
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0061]
实施例1
[0062]
参照图1和图2，为本发明的第一个实施例，本实施例提供了一种分区域农机协同作业路径规划方法，其使用动态试验实现机身的动态应力和动态位移测试，并根据动态载荷来调节仿真模型，保证设计的动态精度指标。
[0063]
一种分区域农机协同作业路径规划方法，其包括以下步骤，
[0064]
(s1)获取规则农田的位置信息：利用gps差分定位仪获取目标农田的四个顶点的坐标；
[0065]
(s2)根据农田的位置信息，计算农田的宽度和长度；
[0066]
(s3)输入农机的作业幅宽，将农田划分为若干等宽的作业行；
[0067]
(s4)对构成农田作业行的两端的中点按规则编号，具体为，将农田的作业行简化为两端中点的连线，对构成农田作业行的两端的中点进行编号，保证构成农田的两边地头的坐标点编号连续，且所有作业行两端的坐标点序号之和相等；
[0068]
(s5)输入作业的农机数量，建立分区域农田模型；
[0069]
建立分区域农田模型的具体步骤为，
[0070]
(s501)设置的区域数量等于农机数量；
[0071]
(s502)根据总作业行数量和农机数量确定每个区域的大小，即包含的作业行数量；
[0072]
(s503)在保证各台农机在各自区域内选择作业路径所受的约束最小的情况下，确定区域之间重叠的面积大小，即作业行数量；
[0073]
(s504)输入农机的最小转弯半径，在分区域农田模型的基础上，建立农机协同作业路径规划模型；
[0074]
(s6)输入农机的最小转弯半径，在分区域农田模型的基础上，建立农机协同作业
路径规划模型，具体为，
[0075]
(s601)设网络有向图g＝(v,e,d)，其中v＝{1,2,
…
,n}表示构成农田作业行的坐标点的集合，n为构成农田的总坐标点数量，e
ij
＝{(i,j)|i,j∈v}表示农田中任意两个坐标点i和j之间连线的集合；其中点i和j之间连线的集合；其中表示当坐标点i和j分别属于h1和h2两个不同的集合且i和j不位于同一作业行的两端时，以上两个坐标点之间不存在连线；d＝(d
ij)
，其中d表示坐标点间的距离矩阵，d
ij
表示坐标点i和j之间的距离，且d
ij
＝d
ji
，根据农机对坐标点的遍历特点，在距离矩阵d中，将没有连线的坐标点之间的距离设为0，其余坐标点之间的距离根据农机的作业参数设置；
[0076]
(s602)将农机多机转弯路径总长度和转弯总时间为优化目标；
[0077]
定义决策变量，
[0078]dij
＝d(i,j)；
[0079][0080]
其中，x
ij
为坐标点i和j之间是否有连线的决策变量，zf为包含3个区域的农田中每个区域的农机行驶路径长度；zr为包含4个区域的农田中每个区域的农机行驶路径长度；nf为包含3个区域的农田中每个区域的农机遍历的坐标点数量；nr为包含4个区域的农田中每个区域的农机遍历的坐标点数量；d
ij
表示坐标点i与j之间的距离；
[0081]
建立目标函数，
[0082]
目标函数一，
[0083][0084]
其中，z为多机行驶总距离；m为农机的数量；z
p
为第p台农机的行驶路径总长度；z
dp
为第p台农机的作业路径总长度；z
tp
为第p台农机的转弯路径总长度；z
ts
为多机转弯路径总长度；
[0085]
目标函数二，
[0086][0087]
其中，t
p
为第p台农机的行驶总时间；t
wp
为第p台农机的总作业时间；t
tp
为第p台农机的转弯总时间；t
ts
为多机转弯总时间，m为农机的数量；
[0088][0089]
其中，v
t
为农机转弯速度；β
p
为第p台农机遍历的作业行数量。
[0090]
(s603)每个坐标点只能被一台农机遍历一次，所有农机遍历的坐标点数量之和等于构成农田的总坐标点数量。
[0091]
约束条件，
[0092][0093][0094][0095][0096]
使得将所有点遍历完才会结束作业；
[0097]
其中，n’为一台农机作业路径包含的坐标点数量，y(q)为农机遍历的第q个坐标点，当q为奇数时，农机的下一遍历坐标点确定且唯一，即该作业行另一端的坐标点；当q为偶数时，农机的下一遍历坐标点从位于同一地头的坐标点集合中选取；θ为农田的两个地头的代号，取值为1和2，h(θ)为构成农田地头的坐标点集合，n为纵坐标点数量，v为构成农田的总坐标点集合，q为一台农机的作业路径的坐标点集合。
[0098]
(s7)利用模拟退火算法求解农机协同作业路径规划模型，具体包括以下步骤；
[0099]
(s701)初始化：初始温度ti＝t0(充分大)；最大迭代次数maxgen；初始状态sk＝s0，即农机初始作业路径；每个温度下的迭代次数gen；温度衰减系数α；玻尔兹曼常数η；
[0100]
(s702)计算当前温度ti下固体的能量c(sk)，即评价函数—农机作业路径长度；
[0101]
(s703)利用交换法(即随机选取路径上的两个位置，然后交换这两个位置上的元素)产生新状态解s
k+1
；
[0102]
(s704)计算当前温度ti下固体的能量c(s
k+1
)；
[0103]
(s705)计算能量增量δc＝c(s
k+1
)-c(sk)；
[0104]
(s706)根据以一定概率接受新状态准则(其为现有技术)，如果δc《0，则接受s
k+1
作为下一个当前解，否则，以概率exp(-δc/ηt
i+1
)接受s
k+1
作为下一个当前解；若s
k+1
被接受，则当前解为sk+1，否则当前解不变，为sk；
[0105]
(s707)判断迭代次数是否达到maxgen，若满足条件则降低温度，此时温度为t
i+1
＝αti，否则温度不变；
[0106]
(s708)判断是否达到最大迭代次数maxgen，若满足，则输出当前的状态及能量值为最优解，计算结束；否则返回步骤(s703)；
[0107]
(s8)输出各台农机的作业路径。
[0108]
转弯路径的选择方法为，
[0109]
w＝2r
min
，农机以u形的转弯方式进入相邻行作业；
[0110]
w＞2r
min
，农机以弓形的转弯方式进入相邻行作业；
[0111]
w＜2r
min
，当w＝2r
min
/z(z＝1,2,3,
…
)时，农机以u形转弯路径进入间隔z-1行的作业行进行作业，或者农机以弓形转弯路径进入间隔不小于z行数的作业行进行作业；当r
min
/(z+1)＜w＜2r
min
/z(z＝1,2,3,
…
)时，农机以弓形转弯路径进入间隔z行的作业行进行作
业；
[0112]
其中，r
min
为最小转弯半径，w为作业幅宽，z为作业行数量。
[0113]
使用本发明规划的农机的转弯路径总长度、转弯总时间有大幅下降，作业效率大幅上升，有利于降低作业消耗，提高农机的作业效率和使用率；可应用于大田智慧农业中的农机自动驾驶技术中。
[0114]
实施例2
[0115]
参照图6～图10，为本发明的第二个实施例，本实施例和实施例1的不同之处在于，本实施例以18行农田为例，以科学实验的手段验证本技术具有的技术效果。
[0116]
该农田按照农机的作业幅宽被分为18行，农机的作业幅宽为2.6m。每作业行两端中点处各有一个节点，代表坐标点，用v＝{1,2,
…
,n}表示构成农田作业行的坐标点的集合，n为坐标点总数。农田的作业行可简化为该作业行两端的坐标点连线，如图3和图4中由于农机依次对作业行进行遍历，所以集合v按照每个作业行两端的坐标点为一组的要求调整为集合h＝{a1,b1,a2,b2,
…
,an/2,bn/2}，其中ai+bi＝n+1，ai和bi分别是位于地头1和2的坐标点；集合h可以分为另外两个集合h1和h2，其中，由位于地头1的坐标点构成集合h1＝{a1,a2,
…
,a
n/2
}，由位于地头2的坐标点构成集合h2＝{b1,b2,
…
,b
n/2
}。
[0117]
本发明设计了3台、4台农机在18行农田中的分区域多机协同作业路径规划方法，将18行农田分别分成3个区域和4个区域，且区域之间存在重叠部分。考虑到每个区域中包含的一定数量的作业行，不仅要保证能够容纳农机被分配的作业任务，还要让相邻区域有足够的交叉区域，在此基础上，尽可能增加农机选择作业行的可能性。所以，本发明选择让各个区域包含12个作业行。
[0118]
在3个区域中，每个区域各包含12个作业行，用集合gf存储区域f中的坐标点，则g1＝{1,2,
…
,12,25,26,
…
,36}，依次类推，g2＝{4,5,
…
,15,22,23,
…
,33}，g3＝{7,8,
…
,18,19,20,
…
,30}。
[0119]
在4个区域中，每个区域各包含12行，用集合ir存储区域r中的坐标点，则i1＝{1,2,
…
,12,25,26,
…
,36}，依次类推，i2＝{3,4,
…
,14,23,24,
…
,34}，i3＝{5,6,
…
,16,21,22,
…
,32}，i4＝{7,8,
…
,18,19,20,
…
,30}。
[0120]
步骤(s603)中增加约束条件，当分成3个区域时，
[0121]
|p1|＝|p2|＝|p3|＝6；
[0122][0123]
式中，p1、p2、p3为3台农机的构成各自的作业路径坐标点集合；
[0124][0125][0126]
当分成4个区域时，
[0127]
|k1|＝|k4|＝5，|k2|＝|k3|＝4；
[0128][0129]
式中，k1、k2、k3、k4为4台农机的构成各自的作业路径坐标点集合；
[0130][0131][0132]
步骤(s7)中，在3个区域中，先求解1号和3号农机的作业路径，最后确定2号农机的作业路径；在4个区域中，先求解1号和4号农机的作业路径，最后确定2号和3号农机的作业路径，因为先求解约束条件多的作业路径有利于降低求解难度，减少计算时间。
[0133]
图6和图7分别为3台和4台农机的分区域协同作业路径轨迹图；分区域后的各台农机的作业路径产生的交叉较少，而且各台农机作业路径交叉点在每台农机作业路径中出现的时间不同，因此不存在作业冲突。3台农机各自的作业轨迹为，1号农机：1
→
36
→
33
→4→7→
30
→
34
→3→6→
31
→
35
→
2，2号农机：11
→
26
→
29
→8→
14
→
23
→
27
→
10
→5→
32
→
28
→
9，3号农机：18
→
19
→
22
→
15
→
12
→
25
→
21
→
16
→
13
→
24
→
20
→
17；4台农机各自的作业轨迹为，1号农机：1
→
36
→
33
→4→7→
30
→
35
→2→5→
32，2号农机：11
→
26
→
29
→8→3→
34
→
31
→
6，3号农机：13
→
24
→
27
→
10
→
16
→
21
→
28
→
9，4号农机：18
→
19
→
22
→
15
→
12
→
25
→
20
→
17
→
14
→
23；从以上结果可以看出，农机的作业路径符合作业特点，并且转弯路径为u形和弓形，满足路径规划条件。
[0134]
多机协同作业效率可由下式计算，v为农机直线作业速度，n为坐标点总数。
[0135]
图8、图9和图10分别为3台和4台农机的分区域协同作业和传统多机逐行作业、单机作业的作业指标对比图，作业指标包括转弯路径总长度、转弯总时间和作业效率；从图中可以看出，相比传统多机逐行作业和单机作业，本发明设计的分区域协同作业路径规划方法规划的3台和4台农机的转弯路径总长度、转弯总时间有大幅下降，作业效率大幅上升，有利于降低作业消耗，提高农机的作业效率和使用率。
[0136]
本发明与现有技术相比，通过分区域协同作业，降低作业冲突，在此基础上，制定了农机u形和弓形转弯路径选择策略，并应用于分区域农机协同作业路径规划方法中，大幅降低了农机的转弯路径总长度和转弯总时间，减少了作业成本，进一步提高了作业效率。
[0137]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。