一种无人驾驶农机的自主路径规划方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种无人驾驶农机的自主路径规划方法及装置，涉及智能农机装备领域，采用视觉传感器与北斗RTK定位定向系统自主识别田垄，并优化田块边界识别路线，减少边界识别算法的计算量和边界提取时间。该装置包括北斗RTK定位定向单元、信息处理单元和数据通讯单元。该装置首先通过边界识别算法得出田块边界信息，用户通过人机交互界面输入的农机作业幅宽，然后根据作业奇、偶数行规划出满足农艺要求的作业路径，通过数传模块将获得的田块边界信息和路径规划信息发送到数据服务中心存储，用于其他作业机具的自动田块匹配和作业状态监测。

【技术实现步骤摘要】
一种无人驾驶农机的自主路径规划方法及装置
本专利技术涉及智能农机装备领域，特别涉及一种用于无人驾驶农机的自主路径规划方法及装置。
技术介绍
目前，在我国的农业生产过程中，绝大多数的作业机具都需要驾驶人员人工操作执行，作业过程重复单调。尤其在对大面积农田进行作业时驾驶员容易产生疲劳从而导致作业效率低下、作业质量不符合标准要求，所得到的作业质量不具有持久性和一致性，有时甚至发生严重的安全事故，威胁到驾驶员的人身安全。随着导航定位技术应用成本的逐步下降以及定位精度的持续提高满足了农业生产对于动态定位的精度要求，农业作业机具无人化得到快速发展。农业机械的导航作业路径规划系统是农业机械向无人化发展的一个重要方向和研究内容，符合智慧农业和精准农业的发展要求。它能够在作业前采集作业农田的地理信息，对作业路径进行合理规划，减少作业重复和遗漏。不仅大大提高作业效率和质量，更是实现了作业过程的数字化和信息化，便于农机装备的调度管理和农业生产计划的预先筹划。论文《基于GNSS农田平整全局路径规划方法与试验》提出了一种获取田块边界的方法，该方法需要驾驶人员驾驶拖拉机从边界上一个位置点出发，绕农田一圈回到原点，采集农田边界点，然后利用方向包围盒方法(OrientedBoundingBox,OBB)对边界进行标准化处理。该方法能够提取出田块边界，但需要人工驾驶拖拉机，且采集的数据量大，计算量大。目前现有的技术中导航作业路径规划无人化程度不高，需要人工采集作业地块边界，费时费力；田块边界信息没能得到充分利用，不能将生成的边界信息运用到其他农业机具上。
技术实现思路
本专利技术目的在于针对现有技术不足，提供一种无人驾驶农机的自主路径规划方法和装置，设计一种田块边界识别线路，并使用机器视觉传感器与北斗RTK定位定向系统自主识别田垄，来优化田块边界识别路线，减少田块边界识别算法的计算量和田块边界提取时间。并将获得的田块边界信息通过数传模块发送到数据服务中心存储，用作其他作业机具的自动田宽匹配和作业状态监测。本专利技术的一个技术方案如下：一种无人驾驶农机的路径规划方法，包括田块边界识别线路设计，进行田块边界提取，坐标系转换和规划农机作业路径；所述田块边界识别线路设计，即在田块的一边某位置处沿着一个固定的航向角向前行驶，当行驶到田块边界时向左旋转90°然后以旋转后的航线角继续向前行驶，当完成三次这样的操作时，向前行驶直到行驶到田块边界处即回到了田块起始边，然后再向左旋转起始的航向角，以旋转后的航向角向前行驶到田块边界处即到达田块的顶点位置处；所述田块边界提取包括：初始化航向角，采集边界点数据，坐标投影转换和边界计算；进一步的所述初始化航向角，目的是将田块的一边设置为基准航向0°，包括如下步骤：步骤一：将农机停靠在田块的某一边，并且使农机的轴向平行于垂直边；步骤二：通过北斗RTK导航定位系统可以得到农机此时航向角为β；步骤三：设任意时刻农机通过北斗RTK得到的航向角为α；步骤四：以与农机轴向平行的田块边为基准方向得到的航向偏差角θ＝α-β；进一步的所述采集边界点数据，根据设计好的边界识别路线，通过北斗RTK定位定向系统和机器视觉传感器，自主识别田块边界，并记录存储坐标点，包括如下步骤：步骤一：通过北斗RTK定位定向系统得到田块边界上起始点A(x1，y1)的经纬度信息，记录并存储，并且将初始值为0的计数变量a，加一赋值给a；步骤二：给农机一个固定航向偏差角θ(45°<θ<90°)，使农机沿该航向自动驾驶，并通过机器视觉传感器实时检测前方是否为田埂，如果没有田埂沿该航向继续行驶；如果检测到前方为田埂则停止行驶，记录、存储此刻位置B(x2，y2)的经纬度信息，并将计数变量a加一赋值给a；步骤三：判断a的值：判断a的值，如果a＝2，让农机向左转90°弯，即航向偏差角为θ-90°，并且保持该航向向前行驶，通过机器视觉传感器实时检测前方是否为田埂，如果没有田埂沿该航向继续行驶；如果检测到前方为田埂则停止行驶，记录、存储此刻位置C(x3，y3)的经纬度信息，并且将计数变量a加一赋值给a；判断a的值，如果a＝3，让农机向左转90°，即航向偏差角为θ-180°，并且保持该航向向前行驶，通过机器视觉传感器实时检测前方是否为田埂，如果没有田埂沿该航向继续行驶；如果检测到前方为田埂则停止行驶，记录、存储此刻位置D(x4，y4)的经纬度信息，并且将计数变量a加一赋值给a；判断a的值，如果a＝4，让农机向左转90°，即航向偏差角为θ-270°，并且保持该航向向前行驶，通过机器视觉传感器实时检测前方是否为田埂，如果没有田埂沿该航向继续行驶；如果检测到前方为田埂则停止行驶，记录、存储此刻位置E(x5，y5)的经纬度信息，并且将计数变量a加一赋值给a；判断a的值，如果a＝5，让农机向左转θ，即航向偏差角为-270°，并且保持该航向向前行驶，通过机器视觉传感器实时检测前方是否为田埂，如果没有田埂沿该航向继续行驶；如果检测到前方为田埂则停止行驶，记录、存储此刻位置F(x6，y6)的经纬度信息，并且将计数变量a加一赋值给a；判断a的值，如果a＝6,采集数据完成，农机停机。进一步的所述坐标投影转换，使用高斯投影将经纬度坐标投影到高斯平面，即将得到的矩形田块上的6个经纬度坐标点使用高斯投影法投影到高斯平面，设投影后的点A坐标为(x1，y1)，点B坐标为(x2，y2)，点C坐标为(x3，y3)，点D坐标为(x4，y4)，点E坐标为(x5，y5)，点F坐标为(x6，y6)。其中点A、点E和点F在田块同一边，点C在该边的相对边，点D和点B分别在该边的两个垂直边上；进一步的所述边界计算，即根据坐标数据的位置关系通过几何计算得出田块边界，包括如下步骤：步骤一：根据采集保存的在同一边的田块边界点A和点E，可以得出直线方程L1，L1：(y1-y5)x+(x5-x1)y+x1y5-x5y1＝0；步骤二：求出田块的垂直边直线方程L2，L2和直线AE垂直且经过点B，L2：(x5-x1)x+(y5-y1)y+y2(y1-y5)-(x5-x1)＝0；步骤三：求出田块的一边长h，h为点C到直线方程L1的距离，步骤四：求出田块的另一边长w，w为点D到直线方程L2的距离，步骤五：已求得矩形田块长宽，且已知矩形田块的一个顶点F，即可求得矩形田块的其他3个顶点的坐标。所述坐标系转换，即建立以田块的一个顶点为原点，田块的一边和其垂直边为坐标轴的坐标系，包括以下步骤：步骤一：以矩形田块的一个顶点K为新建坐标系的原点O，将矩形田块的4个顶点的坐标值分别减去K点的坐标值；步骤二：以的方向为新坐标系的X轴向，以方向为Y轴方向，并求出和的单位向量e1，e2；步骤三：将矩形田块除原点外的3个顶点的x值乘以e1，y值乘以e2，得到新的坐标点，即建立了以矩形田块的一个顶点为原点，两个垂直边为X轴和Y轴的坐标系。所述规划农机作业路径，即根据农机的作业幅宽规划出作业路径，并根据作业奇数行偶数行规划出满足要求的作业路径，包括如下步骤：步骤一：在路径规划前先通过人机交互界面设置农机的作业幅宽l；步骤二：计算田块边界宽度w和农机作业幅宽l的比值，取w/l的整数部分为m；步骤三：为了满足农艺要求，需要判断m的奇偶性，如果m本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人驾驶农机的自主路径规划方法，其特征在于，该方法包括田块边界识别线路设计，田块边界提取，坐标系转换和规划农机作业路径。

【技术特征摘要】
1.一种无人驾驶农机的自主路径规划方法，其特征在于，该方法包括田块边界识别线路设计，田块边界提取，坐标系转换和规划农机作业路径。2.根据权利要求1所述的无人驾驶农机的自主路径规划方法，其特征在于，所述田块边界识别线路设计为在田块的一边某位置处沿着一个固定的航向角向前行驶，当行驶到田块边界时向左旋转90°然后以旋转后的航线角继续向前行驶，当完成三次这样的操作时，向前行驶直到行驶到田块边界处即回到了田块起始边，然后再向左旋转起始的航向角，以旋转后的航向角向前行驶到田块边界处即到达田块的顶点位置处。3.根据权利要求1所述的无人驾驶农机的自主路径规划方法，其特征在于，所述田块边界提取包括初始化航向角、采集边界点数据、坐标投影转换和边界计算。4.根据权利要求3所述的无人驾驶农机的自主路径规划方法，其特征在于，所述初始化航向角包括以下步骤：步骤一：将农机停靠在田块的某一边，并且使农机的轴向平行于垂直边；步骤二：通过北斗RTK定位定向系统可以得到农机此时航向角为β；步骤三：设任意时刻农机通过北斗RTK得到的航向角为α；步骤四：以与农机轴向平行的田块边为基准方向得到的航向偏差角θ＝α-β。5.根据权利要求3所述的所述的无人驾驶农机的自主路径规划方法，其特征在于，所述采集边界点数据包括以下步骤：步骤一：通过北斗RTK导航定位系统得到田块边界上起始点A(x1，y1)的经纬度信息，记录并存储，并且将初始值为0的计数变量a，加一赋值给a；步骤二：给农机一个固定航向偏差角θ，45°<θ<90°，使农机沿该航向自动驾驶，并通过机器视觉传感器实时检测前方是否为田埂，如果没有田埂沿该航向继续行驶；如果检测到前方为田埂则停止行驶，记录、存储此刻位置B(x2，y2)的经纬度信息，并将计数变量a加一赋值给a；步骤三：判断a的值：判断a的值，如果a＝2，让农机向左转90°弯，即航向偏差角为θ-90°，并且保持该航向向前行驶，通过机器视觉传感器实时检测前方是否为田埂，如果没有田埂沿该航向继续行驶；如果检测到前方为田埂则停止行驶，记录、存储此刻位置C(x3，y3)的经纬度信息，并且将计数变量a加一赋值给a；判断a的值，如果a＝3，让农机向左转90°，即航向偏差角为θ-180°，并且保持该航向向前行驶，通过机器视觉传感器实时检测前方是否为田埂，如果没有田埂沿该航向继续行驶；如果检测到前方为田埂则停止行驶，记录、存储此刻位置D(x4，y4)的经纬度信息，并且将计数变量a加一赋值给a；判断a的值，如果a＝4，让农机向左转90°，即航向偏差角为θ-270°，并且保持该航向向前行驶，通过机器视觉传感器实时检测前方是否为田埂，如果没有田埂沿该航向继续行驶；如果检测到前方为田埂则停止行驶，记录、存储此刻位置E(x5，y5)的经纬度信息，并且将计数变量a加一赋值给a；判断a的值，如果a＝5，让农机向左转θ，即航向偏差角为-270°，并且保持该航向向前行驶，通过机器视觉传感器实时检测前方是否为田埂，如果没有田埂沿该航向继续行驶；如果检测到前方为田埂则停止行驶，记录、存储此刻位置F(x6，y6)的经纬度信息，并且将计数变量a加一赋值给a；判断a的值，如果a＝6,采集数据完成，农机停机。6.根据权利要求3所述的无人驾驶农机的自主路径规划方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏新华，刘子文，崔冰波，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32