一种复杂边界农田的路径规划方法及农田机器操作系统与流程

1.本发明涉及路径规划方法的技术领域，更具体地，涉及一种复杂边界农田的路径规划方法及农田机器操作系统。


背景技术：

2.随着农用车辆数字化底盘技术和农机自动导航技术的快速发展，大型田块的水稻播种的自动化和智能化已经有了雏形；现有的农业机器人的路径规划方法主要有四方形路径规划方法和多边形路径规划方法，其中，四方形路径规划方法适用于北方平整的大田，多边形路径规划方法适用于易分割成多边形的田块。而南方田块大多分布在丘陵地区，田块分散，大小不规则，边界复杂，无法适用四方形规划方法；而且南方丘陵的田块大多边界不规则，难以被分割，因此也难以满足多边形规划方法的要求。因此在丘陵山区中，由于田块大多不规则、零散且面积小，所以目前的无人驾驶拖拉机无法在丘陵山区开展作业。相较于北方的大型平整田块，南方丘陵山区的田块在路径规划上提出了更高的要求，因此研发出适应各种不规则边界且小型田块的机器人路径规划方法，具有重要的意义。


技术实现要素：

3.本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种复杂边界农田的路径规划方法，用于解决现有不规则边界农田的路径规划适应性差、覆盖率较低问题。
4.本发明还公开了一种农田机器操作系统，该农田机器操作系统采用上述的路径规划方法进行路径规划。
5.为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：
6.一种复杂边界农田的路径规划方法，用于给农业机器规划工作路径，包括以下步骤：
7.s1：对当前的农田环境重建，得到初始农田地图，再对初始农田地图进行栅格化处理，得到路径规划地图；
8.s2：在路径规划地图上生成平行作业路径；
9.s3：在平行作业路径上生成边界环绕作业路径；
10.s4：农业机器在当前的农田进行预定路径的作业。
11.进一步地，步骤s1中，对当前的农田环境重建的具体步骤为：
12.s11：对当前的农田环境进行扫描，得到农田边界的点坐标信息；
13.s12：再对农田边界进行环绕扫描一圈，得到按顺序排列后的点云坐标集合；所述点云坐标集合包括农田边界的点坐标信息和顺序信息；
14.s13：将点云坐标集合投影到坐标系中，得到初始农田地图，即完成了当前农田环境的重建。
15.具体地，所述点坐标信息为农田边界每一点的三维坐标信息。
16.进一步地，步骤s1中，对初始农田地图进行栅格化处理的具体步骤为：
17.s14：根据公式：计算初始农田地图中每个栅格的尺寸；
18.s15：计算边界空余栅格的尺寸；其中，边界空余栅格是指农业机器在农田地图上所占据的栅格，设定农业机器在农田地图上的转弯方式为原地转弯，且农业机器在农田地图上占据的栅格数量为两个或少于两个，则边界空余栅格的尺寸＝栅格尺寸
×
2；
19.s16：假设每个栅格的中心坐标为栅格的直角坐标，以使每个栅格的编号n与其直角坐标一一对应；则农田地图上任意一点(x,y)与栅格编号n的映射关系满足以下关系公式：
20.其中，xl表示边界空余栅格的尺寸，gsize表示栅格尺寸，int表示取整操作；
21.s17：根据公式
①
，计算农田地图上某一栅格的中心坐标(xg,yg)，其中，根据公式
①
可得农田地图上某一栅格的中心坐标(xg,yg)与栅格编号n之间的映射关系为：可得农田地图上某一栅格的中心坐标(xg,yg)与栅格编号n之间的映射关系为：其中，符号％表示取余数操作；
22.s18：根据公式
②③
，对初始农田地图进行遍历解析(从坐标系地图的原点开始，对每个坐标依次进行栅格解析和编号)，使每个栅格均填充概率值；
23.s19：判断每个栅格所填充的概率值是否大于栅格创建的初始值，若大于，则说明栅格已被占用，标记占用标识符为1；若小于或等于栅格创建的初始值，则说明栅格未被占用，标记占用标识符为0；其中，当栅格所填充的概率值大于栅格创建的初始值，表示该栅格位于农田地图的边界，为边界栅格，所述边界栅格为非完整栅格；当栅格所填充的概率值小于或等于栅格创建的初始值，表示该栅格位于农田地图的边界以内，为空闲栅格，所述空闲栅格为完整的栅格。
24.进一步地，本技术方案中，栅格创建的初始值为65。
25.进一步地，步骤s2中，在路径规划地图上生成平行作业路径的具体步骤为：
26.在路径规划地图上确定好作业方向，然后按照确定好的作业方向，开始向上或向下进行平行作业路径的生成。
27.具体地，在路径规划地图上确定平行作业路径的作业方向时，选取的作业方向优选为转弯次数少和/或作业方向与农田的最长边平行或垂直。
28.进一步地，步骤s2中，在向上或向下进行平行作业路径生成时，还包括以下操作步骤：
29.在生成作业路径的同时，检测当前平行作业路径正前方栅格的占用标识符，若占用标识符为1，表示当前平行作业路径正前方的栅格为边界栅格，需要作出转弯处理；若占用标识符为0，表示当前平行作业路径正前方的栅格为空闲栅格，则继续往前生成作业路径。
30.优选地，农业机器的转弯方式为原地转弯，以便于尽可能减少转弯半径。
31.进一步地，步骤s2中，在作出转弯处理时，需要判断下一平行作业路径正前方的栅格是否适合掉头，其判断方法包括以下操作步骤：
32.检测下一平行作业路径正前方栅格的占用标识符，若占用标识符为1，表示下一平行作业路径正前方的栅格为边界栅格，农业机器无法在此掉头，需要后退一个栅格后，再在此栅格上检测下一平行作业路径正前方栅格的占用标识符，直至检测到下一平行作业路径正前方栅格的占用标识符为0，则表示下一平行作业路径正前方的栅格为空闲栅格，则可以进行掉头。
33.具体地，当完成转弯处理后，即作业方向已转换，继续向下或向上生成平行作业路径，循环往复，直至遍历完整个路径规划地图。
34.具体地，每完成依次转弯处理，则作业方向转换180
°
，即上一作业路径与完成转弯处理后的作业路径方向相反。当遍历完整个路径规划地图后，所获得的平行作业路径呈若干个依次首尾连接的“弓”字形形状。
35.进一步地，步骤s3中，在平行作业路径上生成边界环绕作业路径的具体步骤为：
36.记录平行作业路径每次转弯时的端点，形成一个环绕整个边界的集合点，所述集合点组成边界环绕路径，再对边界环绕路径进行平滑处理，获得边界环绕作业路径。
37.本技术方案中，由于集合点组成的边界环绕路径为多线段连接的路径，转弯幅度大，影响作业效果，而通过对边界环绕路径进行平滑处理，可以减少直角转弯的次数，提高作业的覆盖率。
38.进一步地，步骤s3中，对边界环绕路径进行平滑处理的具体步骤为：
39.设定边界环绕路径的三个相邻端点为：p0、p1、p2，其中，过p0和p2点的两切线交于p1点，设定p
0-1
为p0到p1的直线，p
1-2
为p1到p2的直线，p
02
为经平滑处理后p0到p2弧线上的其中一点，其中，过p
02
的切线与直线p
0-1
相交，并交于直线p
0-1
上的p
01
点，且过p
02
的切线还与直线p
1-2
相交，并交于直线p
1-2
上的p
11
点；由此可得以下公式：当p0和p2固定，引入参数t，并令则：则：
40.将公式
④
和
⑤
代入公式
⑥
，得
41.当t从0变到1时，表示边界环绕路径的三个相邻端点p0、p1、p2由三点连成的两段直线变为了由p0到p2的弧线，从而使有棱角转弯转换为曲线转弯，达到使路径平滑的效果。
42.具体地，上述对边界环绕路径进行平滑处理的方法为bezier算法；通过上述的bezier算法对剩余的边界环绕路径的端点依次进行平滑处理，即可对整个农田边界进行平滑处理，获得边界环绕作业路径。
43.通过上述的bezier算法对农田的边界环绕路径进行平滑处理，大幅减少了直角转弯的次数，可以使农业机器的转弯幅度减小，从而使农业机器工作更平滑，还可以使农业机器的作业覆盖率大大提高。
44.一种农田机器操作系统，设在农田机器上，包括建图模块、路径规划模块、导航模块、避障模块、无线通信模块和中央处理模块，
45.所述建图模块用于对当前的农田环境进行重建，再进行栅格化处理，以得到路径规划地图；
46.所述路径规划模块用于在路径规划地图上依次生成平行作业路径和边界环绕作
业路径；
47.所述导航模块用于给农田机器导航，使农田机器按照路径规划模块上的路径行走；
48.所述避障模块用于在农田机器作业过程中，对即将发生的碰撞或坡度较大的情况进行预警，并通过无线通信模块发送信号给中央处理模块；
49.所述中央处理模块通过无线通信模块分别与建图模块、路径规划模块、导航模块和避障模块进行通信，并控制农田机器进行农田作业。
50.进一步地，所述建图模块通过对当前的农田环境进行扫描，获得农田边界的点坐标信息和顺序信息，并将农田边界的点坐标信息和顺序信息投影到坐标系中，生成初始农田地图，从而实现对当前的农田环境进行重建。
51.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
52.本技术方案的路径规划方法，对复杂边界的农田适应性强，可以有效给复杂边界的农田进行路径规划，并可以在复杂边界的农田规划中提高覆盖率和适应性，从而更符合农艺要求。
附图说明
53.图1为本发明的工作流程图。
54.图2为本发明的栅格标记示意图。
55.图3为本发明生成平行作业路径的工作流程图。
56.图4为本发明在平行作业路径上掉头的工作流程图。
57.图5为本发明对边界环绕路径进行平滑处理的状态示意图。
具体实施方式
58.本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
59.实施例1
60.如图1和图2所示，本实施例公开了一种复杂边界农田的路径规划方法，用于给农业机器规划工作路径，包括以下步骤：
61.s1：对当前的农田环境重建，得到初始农田地图，再对初始农田地图进行栅格化处理，得到路径规划地图；
62.s2：在路径规划地图上生成平行作业路径；
63.s3：在平行作业路径上生成边界环绕作业路径；
64.s4：农业机器在当前的农田进行预定路径的作业。
65.其中，步骤s1中，对当前的农田环境重建的具体步骤为：
66.s11：对当前的农田环境进行扫描，得到农田边界的点坐标信息；具体地，该点坐标信息为农田边界每一点的三维坐标信息；
67.s12：再对农田边界进行环绕扫描一圈，得到按顺序排列后的点云坐标集合；所述点云坐标集合包括农田边界的点坐标信息和顺序信息；
68.s13：将点云坐标集合投影到坐标系中，得到初始农田地图，即完成了当前农田环境的重建。
69.如图2所示，进一步地，步骤s1中，对初始农田地图进行栅格化处理的具体步骤为：
70.s14：根据公式：计算初始农田地图中每个栅格的尺寸；
71.s15：计算边界空余栅格的尺寸；其中，边界空余栅格是指农业机器在农田地图上所占据的栅格，设定农业机器在农田地图上的转弯方式为原地转弯，且农业机器在农田地图上占据的栅格数量为两个或少于两个，则边界空余栅格的尺寸＝栅格尺寸
×
2；
72.s16：假设每个栅格的中心坐标为栅格的直角坐标，以使每个栅格的编号n与其直角坐标一一对应；则农田地图上任意一点(x,y)与栅格编号n的映射关系满足以下关系公式：
73.其中，xl表示边界空余栅格的尺寸，gsize表示栅格尺寸，int表示取整操作；
74.s17：根据公式
①
，计算农田地图上某一栅格的中心坐标(xg,yg)，其中，根据公式
①
可得农田地图上某一栅格的中心坐标(xg,yg)与栅格编号n之间的映射关系为：可得农田地图上某一栅格的中心坐标(xg,yg)与栅格编号n之间的映射关系为：其中，符号％表示取余数操作；
75.s18：根据公式
②③
，对初始农田地图进行遍历解析(从坐标系地图的原点开始，对每个坐标依次进行栅格解析和编号)，使每个栅格均填充概率值；
76.s19：判断每个栅格所填充的概率值是否大于栅格创建的初始值，若大于，则说明栅格已被占用，标记占用标识符为1；若小于或等于栅格创建的初始值，则说明栅格未被占用，标记占用标识符为0；其中，本技术方案中，栅格创建的初始值为65；其中，当栅格所填充的概率值大于栅格创建的初始值，表示该栅格位于农田地图的边界，为边界栅格，所述边界栅格为非完整栅格；当栅格所填充的概率值小于或等于栅格创建的初始值，表示该栅格位于农田地图的边界以内，为空闲栅格，所述空闲栅格为完整的栅格。
77.如图2和图3所示，其中，步骤s2中，在路径规划地图上生成平行作业路径的具体步骤为：
78.在路径规划地图上确定好作业方向，作业方向的选取原则为：转弯次数尽可能少，且作业方向与农田的最长边平行或垂直。然后按照确定好的作业方向，开始向上或向下进行平行作业路径的生成。在向上或向下进行平行作业路径生成时，还包括以下操作步骤：
79.在生成作业路径的同时，检测当前平行作业路径正前方栅格的占用标识符，若占用标识符为0，表示当前平行作业路径正前方的栅格为空闲栅格，则继续往前生成作业路径；若占用标识符为1，表示当前平行作业路径正前方的栅格为边界栅格，需要作出转弯处理；其中，转弯方式以原地转弯为主，以便于尽可能减少转弯半径。
80.如图4所示，进一步地，在作出转弯处理时，为避免转弯后，下一平行作业路径的正前方为掉头死区，因此，需要判断下一平行作业路径正前方的栅格是否适合掉头，其判断方法包括以下操作步骤：
81.检测下一平行作业路径正前方栅格的占用标识符，若占用标识符为1，表示下一平行作业路径正前方的栅格为边界栅格，农业机器无法在此掉头，需要后退一个栅格后，再在此栅格上检测下一平行作业路径正前方栅格的占用标识符，直至检测到下一平行作业路径正前方栅格的占用标识符为0，则表示下一平行作业路径正前方的栅格为空闲栅格，则可以进行掉头。
82.当完成转弯处理后，即作业方向已转换，继续向下或向上生成平行作业路径，循环往复，直至遍历完整个路径规划地图。
83.具体地，每完成依次转弯处理，则作业方向转换180
°
，即上一作业路径与完成转弯处理后的作业路径方向相反。当遍历完整个路径规划地图后，所获得的平行作业路径呈若干个依次首尾连接的“弓”字形形状。
84.进一步地，步骤s3中，在平行作业路径上生成边界环绕作业路径的具体步骤为：
85.记录平行作业路径每次转弯时的端点，形成一个环绕整个边界的集合点，所述集合点组成边界环绕路径，该边界环绕路径由多线段连接形成，棱角明显，转弯幅度大，影响了农业机器的作业效果，而通过对边界环绕路径进行平滑处理，获得边界环绕作业路径，可以减少直角转弯的次数，提高作业的覆盖率。
86.如图5所示，具体地，对边界环绕路径进行平滑处理的方法为bezier算法，其具体步骤为：
87.设定边界环绕路径的三个相邻端点为：p0、p1、p2，其中，过p0和p2点的两切线交于p1点，设定p
0-1
为p0到p1的直线，p
1-2
为p1到p2的直线，p
02
为经平滑处理后p0到p2弧线上的其中一点，其中，过p
02
的切线与直线p
0-1
相交，并交于直线p
0-1
上的p
01
点，且过p
02
的切线还与直线p
1-2
相交，并交于直线p
1-2
上的p
11
点；由此可得以下公式：当p0和p2固定，引入参数t，并令则：则：
88.将公式
④
和
⑤
代入公式
⑥
，得
89.当t从0变到1时，表示边界环绕路径的三个相邻端点p0、p1、p2由三点连成的两段直线变为了由p0到p2的弧线，从而使有棱角转弯转换为曲线转弯，达到使路径平滑的效果。
90.通过上述的bezier算法对边界环绕路径的端点进行依次优化，即可实现对整个边界环绕路径进行平滑处理。
91.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。