本发明涉及一种农机路径规划方法,更具体的说,尤其涉及一种有效提高农机作业效率的路径规划方法。
背景技术:
近年国家聚焦三农发展问题,明确提出加大农业科技投入,发展现代化农业,建设以农业智能化装备为重点的农业全程信息化和机械化技术体系。农机自动驾驶控制技术推动了现代农业信息化水平的发展,对保障我国粮食供给,推动农业生产技术有重大作用。
农机自动驾驶控制技术可视为非线性、不确定的系统,面对复杂的作业环境,可以提高土地利用率和土地使用效率,全天候不间断作业,不受恶劣条件限制,快速、精准、高效率完成整地、起垄等作业;降低驾驶员劳动强度及驾驶技术要求,无需实时操控方向盘,驾驶员更方便检查农机具作业情况,有效减小机械化作业损失。
农机自动驾驶作业中,决定农机作业方向由人为操纵为主,实际操纵作业时农机行驶直线,农机行驶的起始作业方向人为即时决定。农机手人为决定作业方向,作业的路径与最佳理论路径有偏差,作业重耕率往往偏高。本发明在农机耕地作业之前,绘制出作业区边界地图,依据农机作业路径及作业机具的宽度,计算统计得到最低重耕率时的作业方向,即最优作业角度,使农机使用效率最高。
技术实现要素:
本发明为了克服上述技术问题的缺点,提供了一种有效提高农机作业效率的路径规划方法。
本发明的有效提高农机作业效率的路径规划方法,其特征在于,通过以下步骤来实现:
a).生成作业区域平面图,农机沿农田边界运行一周,农机的车载gps装置周期性地采集定位坐标,绘制出作业区域的平面图;
b).建立直角坐标系o-xy,设农机作业区域的边数为n1,其各顶点依次为a1、a2、...、an1,农机作业区域所形成的平面图形记为a1a2...an1;以正北方向为纵轴正向、正东方向为横轴正向、农机作业区域完全位于第一象限内的约束条件,建立直角坐标系o-xy;
c).规则作业面积求取,当农机作业区域为矩形时,农机的作业方向规划为与矩形作业区域的短边方向一致,设农机沿短边方向作业时与两长边的交点依次为(x1,y1)、(x2,y2)、...、(xn2,yn2),则通过公式(1)求取农机的实际作业面积s矩:
其中,d为农机机具幅宽;
d).坐标变换,当农机作业区域不是矩形时,则对直角坐标系o-xy进行变换,设农机的作业方向为
e).求子作业区域个数,坐标变换后,首先求取农机作业区域a′1a′2...a′n1纵坐标的最大值y′max和最小值y′min,然后求取满足不等式(2)的正整数m:
d为农机机具幅宽;
求取正整数m后,则表明农机按照方向
f).求起点、终点坐标,每个子作业区域由农机的1条耕地轨迹产生,根据作业区域a′1a′2...a′n1的边界,可求取第i条耕地轨迹对应的起点坐标为:
g).不规则作业面积求取,由于农机在工作过程中是来回往复覆盖作业,因此将相邻两条作业轨迹作为一个周期进行规划,设农机作业的周期数为t,则在一个周期内,农机作业点坐标可用下式(3)表示:
其中,t=1,2,...,t;当子作业区域个数m为奇数时,周期t=(m+1)/2,此时最后的作业点为u4t-2;当子作业区域个数m为偶数时,周期t=m/2,此时最后的作业点为u4t;
在农机作业区域为不规则形状时,农机实际作业面积通过公式(4)进行求取:
其中,当子作业区域个数m为奇数时p=(m+1)/2,q=(m-1)/2;当m为偶数时,p=q=m/2;
h).作业角度求取,令作业方向
当农机作业区域为矩形时,则选取作业区域的长边或短边方向为作业方向;当农机作业区域为不规则形状时,则选取s′0、s′1、s′2、...、s′n中最小作业面积对应方向为作业方向。
本发明的有效提高农机作业效率的路径规划方法,设步骤d)中农机的作业方向
d-1).当
d-2).当
d-3).当π<γ≤2π时,此时农机作业方向与γ-π表示的作业方向相反,此时令γ=γ-π,再按照步骤d-1)和步骤d-2)进行坐标转换,路径规划后,农机按照相反的路径经过各坐标点即可。
本发明的有效提高农机作业效率的路径规划方法,步骤d)中,坐标系o-xy至o′-x′y′的转换方程为:
其中,xo′、yo′分别为坐标系o-xy的坐标原点(0,0)在o′-x′y′坐标系中的横坐标值、纵坐标值。
本发明的有效提高农机作业效率的路径规划方法,步骤h)中所述的角度增量为α的取值范围为:1°≤α≤10°。
本发明的有益效果是:本发明的有效提高农机作业效率的路径规划方法,当农机作业区域为规则的矩形时,则沿矩形区域的长边或短边作为农机的作业方向;当作业区域为不规则形状时,则首先根据设定的作业方向
附图说明
图1为本发明中农机作业区域为矩形时的路径规划示意图;
图2为本发明中农机作业区域为不规则形状时的路径规划示意图;
图3为本发明中作业方向
图4为本发明中作业方向
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
本发明的有效提高农机作业效率的路径规划方法,通过以下步骤来实现:
a).生成作业区域平面图,农机沿农田边界运行一周,农机的车载gps装置周期性地采集定位坐标,绘制出作业区域的平面图;
b).建立直角坐标系o-xy,设农机作业区域的边数为n1,其各顶点依次为a1、a2、...、an1,农机作业区域所形成的平面图形记为a1a2...an1;以正北方向为纵轴正向、正东方向为横轴正向、农机作业区域完全位于第一象限内的约束条件,建立直角坐标系o-xy;
c).规则作业面积求取,当农机作业区域为矩形时,农机的作业方向规划为与矩形作业区域的短边方向一致,设农机沿短边方向作业时与两长边的交点依次为(x1,y1)、(x2,y2)、...、(xn2,yn2),则通过公式(1)求取农机的实际作业面积s矩:
其中,d为农机机具幅宽;
如图1所示,给出了本发明中农机作业区域为矩形时的路径规划示意图,当农机作业区域为矩形时,则选取作业区域的长边或短边方向为作业方向,此时的重耕率最低。
d).坐标变换,当农机作业区域不是矩形时,则对直角坐标系o-xy进行变换,设农机的作业方向为
该步骤中,设农机的作业方向
d-1).当
如图3所示,给出了本发明中作业方向
d-2).当
如图4所示,给出了本发明中作业方向
d-3).当π<γ≤2π时,此时农机作业方向与γ-π表示的作业方向相反,此时令γ=γ-π,再按照步骤d-1)和步骤d-2)进行坐标转换,路径规划后,农机按照相反的路径经过各坐标点即可。
e).求子作业区域个数,坐标变换后,首先求取农机作业区域a′1a′2...a′n1纵坐标的最大值y′max和最小值y′min,然后求取满足不等式(2)的正整数m:
d为农机机具幅宽;
如图2所示,给出了本发明中农机作业区域为不规则形状时的路径规划示意图,此时需要求解农机沿那个角度作业时会使重耕率最低。
求取正整数m后,则表明农机按照方向
f).求起点、终点坐标,每个子作业区域由农机的1条耕地轨迹产生,根据作业区域a′1a′2...a′n1的边界,可求取第i条耕地轨迹对应的起点坐标为:
g).不规则作业面积求取,由于农机在工作过程中是来回往复覆盖作业,因此将相邻两条作业轨迹作为一个周期进行规划,设农机作业的周期数为t,则在一个周期内,农机作业点坐标可用下式(3)表示:
其中,t=1,2,...,t;当子作业区域个数m为奇数时,周期t=(m+1)/2,此时最后的作业点为u4t-2;当子作业区域个数m为偶数时,周期t=m/2,此时最后的作业点为u4t;
在农机作业区域为不规则形状时,农机实际作业面积通过公式(4)进行求取:
其中,当子作业区域个数m为奇数时p=(m+1)/2,q=(m-1)/2;当m为偶数时,p=q=m/2;
h).作业角度求取,令作业方向
当农机作业区域为矩形时,则选取作业区域的长边或短边方向为作业方向;当农机作业区域为不规则形状时,则选取s′0、s′1、s′2、...、s′n中最小作业面积对应方向为作业方向。
步骤d)中,坐标系o-xy至o′-x′y′的转换方程为:
其中,xo′、yo′分别为坐标系o-xy的坐标原点(0,0)在o′-x′y′坐标系中的横坐标值、纵坐标值。
步骤h)中所述的角度增量为α的取值范围为:1°≤α≤10°。
在农机作业中,普遍采用的方式为套耕法,回耕法,梭形耕法,耕地作业重耕率较高。并且实际作业中,回耕法在作业区域中央掉头作业时遗漏较大;梭形耕法在转弯掉头时为无效作业,增加作业时间;套耕法增加了农机手对作业方向的判断能力,耕地时产生较大误差。
本发明解决了此三种方式重耕率较高且效率低下的问题,针对农机作业轨迹进行路径规划方式研究,分析作业区域边界及农机作业幅宽,得出最优作业路径,使农机以固定方向进行自主作业,农机工作具有规划性,减小农机手人认为决定作业方向造成的误差,使作业更具科学性、准确性,作业效率更高。