一种回状的全覆盖轨迹规划方法技术

本发明专利技术公开了一种回状的全覆盖轨迹规划方法，主要包括以下步骤，第一步是利用GPS采集作业区域的顶点，确定作业区域的平面坐标系；第二步是通过几何运算，确定作业区域的中心位置；第三步是抛幅密度曲线确定一次完整作业圈数；第四步是计算回状遍历的目标点，生成作业轨迹；第五步根据轨迹间距确定均匀投饵的最优抛幅。本发明专利技术可提高水产养殖的效益，促进水产养殖业的发展。

A method of full coverage trajectory planning with circular shape

The invention discloses a full coverage trajectory planning method for a return shape, which mainly includes the following steps: the first step is to use GPS to collect the vertices of the operation area and determine the plane coordinate system of the operation area; the second step is to determine the central position of the operation area through geometric operation; the third step is to determine the number of complete operation cycles by the throw amplitude density curve; and the fourth step is to calculate the purpose of the return traversal. Punctuation is used to generate the operation trajectory. Fifth step is to determine the optimal throwing amplitude of uniform baiting according to the trajectory spacing. The invention can improve the benefit of aquaculture and promote the development of aquaculture industry.

【技术实现步骤摘要】
一种回状的全覆盖轨迹规划方法
本专利技术涉及全自动水产养殖船的远程监控系统设计，特别给出了回状的全覆盖轨迹规划方法。
技术介绍
随着我国的经济快速发展，居民的消费水平在不断提高，消费结构在不断升级，其中水产品的消费增长率逐年上升，水产养殖业的行业盈利性和成长性保持着良好趋势。目前我国水产品的需求量在不断增长，但是大部分水产养殖还是依靠人工撑船投喂和投饵机定点投喂，人工撑船投喂方式虽然灵活，但是效率低下，并且存在安全隐患；定点投喂虽然解放了劳动力，但是缺乏灵活性，只能固定在一点投喂，无法进行全覆盖的投喂。随着自动化技术的不断发展，近年来有一些自动或半自动化的水产养殖设备投入使用，如申请号为201720211910.3的专利里的“智能投饵船”，可以使用遥控装置控制作业船进行投饵等操作，虽然一定程度上实现了控制方式的灵活性，但还是需要渔民时刻看守在作业现场，没有充分解放劳动力；申请号为201610710797.3的专利“一种自主导航河蟹养殖投饵装置及均匀投饵方法”使用自主导航作业船为载体进行均匀投饵，所提出的轨迹规划方法只是针对矩形的作业区域，当遇到五边形甚至是多边形的作业区域时则不再适用。
技术实现思路
针对上述专利中的不足，本专利技术提出了一种回状的全覆盖轨迹规划方法，以提高水产养殖的效益。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种回状的全覆盖轨迹规划方法，包括如下步骤：第一步是利用GPS采集作业区域的顶点，确定池塘作业区域的平面坐标系；第二步是通过几何运算，确定作业区域的中心位置的集合；第三步由工作区域中心位置距离确定一次完整作业的圈数并调整轨迹间距；第四步是计算回状遍历的目标点，生成作业轨迹；第五步根据轨迹间距确定均匀投饵的最优抛幅。进一步，所述第一步的具体过程包括如下内容：步骤1.1，利用RTK-GPS测定池塘的5个顶点经纬度坐标；步骤1.2，利用高斯投影公式将5个顶点的经纬度坐标转换为高斯坐标，通过坐标转换将高斯坐标转换为笛卡尔坐标；步骤1.3，将5个顶点按顺时针方向记作A(xa,ya)、B(xb,yb)、C(xc,yc)、D(xd,yd)和E(xe,ye)。3.根据权利要求1所述的一种回状的全覆盖轨迹规划方法，其特征在于，所述第二步的具体过程为：步骤2.1，计算出5个顶点A、B、C、D、E依次构成的线段AB、BC、CD、DE和EA的中点坐标，分别记作P1(xp1,yp1)和P2(xp2,yp2)，其中，步骤2.2，计算出AB、BC、CD、DE和EA的斜率，分别记为kab和kbc，其中，步骤2.3，计算出过点P1垂直于直线AB的直线方程：计算出过点P2垂直于直线BC的直线方程：步骤2.4，确定工作区域的中心位置为M点，计为M(xm,ym)，其中xm和ym可以通联立方程组得到：进一步，所述第三步的具体过程如下：步骤3.1，计算出工作区域中心位置距离最外围的距离d：步骤3.2，投饵机取最大抛幅时，由于饵料在水面上呈扇状分布，要提高两个相邻轨迹间的投喂密度的一致性，相邻轨迹减的饵料投喂必须要存在重叠区域，将轨迹间距离初始化为有效抛幅l：其中，lmax为投饵机最大抛幅；步骤3.3，确定一次完整作业的圈数q：其中，max[]函数是取不大于的最大整数，l为投饵机最大抛幅作业时的有效抛幅；步骤3.4，由于距离d大概率不是l的整数倍，所以行驶q圈后会存在覆盖不到的区域，应当遍历q+1圈，进一步调整轨迹间间距为：进一步，所述第四步的具体过程如下：步骤4.1，记直线AB的法向量为步骤4.2，第一次平移是相对于边界，只需要平移半个抛幅，即平移而后每次平移步骤4.3，计算边界AB第一次平移的向量为：其中，lmax为投饵机的最大抛幅；步骤4.4，直线AB平移得到A’B’,方程为：步骤4.5，同理，重复以上三步可以得到其它四条直线第一次平移后的方程，分别为：其中，(x2,y2)为直线BC的法向量(x3,y3)为直线CD的法向量(x4,y4)为直线DE的法向量(x5,y5)为直线EA的法向量步骤4.6，平移完成后，五条直线的5个交点就是第二圈要遍历的目标点，记为T1，T2，T3，T4和T5；步骤4.7，同理，重复以上五步可以确定第n(n≤q)圈所要遍历的目标点，记为T1n，T2n，T3n，T4n和T5n；步骤4.8，生成水产养殖船的作业目标点的集合为：{T1,T2...T(5q-1),T5q}，生成水产养殖船的作业轨迹为：T1→T2…→T(5q-1)→T5q。进一步，所述第五步中，当间距一定时，根据抛幅与饵料的分布密度均方差的趋势示意图来调整抛幅使得饵料的分布密度均方差最小。当间距一定时，抛幅与饵料的分布密度均方差之间是一种振荡并趋于稳定的关系，即抛幅变化量在初始化时对饵料的分布密度均方差的影响较大，而当抛幅逐渐增大时饵料的分布密度均方差的影响会逐渐减小并趋于稳定，根据抛幅与饵料的分布密度均方差的趋势示意图来调整抛幅使得饵料的分布密度均方差最小。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：用户可以在手机上远程监控水产养殖船，随时随地掌握并控制水产养殖船的作业动作，极大的提高了水产养殖的效益，其次，本专利技术提出的轨迹规划方法适用多边形的作业区域，确定作业区域的中心位置后，将作业区域的边界轨迹向中心平移可以得到新的作业轨迹，实现了全覆盖均匀投饵，促进了水产养殖业的发展。附图说明图1为全自动水产养殖船前端作业设备的左视图；图2为全自动水产养殖船前端作业设备的俯视图；图3确定作业区域中心位置和轨迹平移方向示意图；图4初始化轨迹间距示意图；(a)为相邻航道的轨迹重叠示意图；(b)为投饵机有效抛幅示意图；图5计算轨迹规划目标点示意图；图6饵料平均累积密度和饵料的分布密度均方差随抛幅变化的趋势示意图；具体实施方式以下结合附图及具体实施方式，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用于解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1和图2所示，本专利技术所述双浮体明轮驱动平台的两侧安装有可正反转的明轮电机和装置，不仅可以控制船体动作，还可以防止水草缠绕，给池水增氧。所述控制柜11装在船体的前端，控制的顶端放置GPS的移动站设备，控制柜11内部分为两层，第一层放置控制板和GPRS通信模块5，第二层放置用以供电的12V蓄电池4，并在电池的输出端安装有电流传感器6，测得蓄电池的输出电流发送给控制板；所述投饵机安装在船体的后端，投饵机由料仓、转台和底座构成，料仓里装有开度电机，在开度电机出安装接近传感器测得开度大小并传输给控制板，在转台上安装接近传感器用以控制投饵机的抛幅，在底座安装称重传感器用以测量投饵机里的饵料剩余量；该系统基于GPS定位系统、传感器技术和GPRS通信模块，能够监测水产养殖船的各项工作参数，同时可以远程对水产养殖船的工作方式进行调整；GPS定位系统测得的位置信息和传感器测得各项参数经STM32微处理器处理后，STM32处理器将处理过的数据通过GPRS通信模块发送给远程服务器，用户手机客户端的应用程序从服务器上获取船体的位置信息和处理过的各项参数，根据位置信息进行轨迹规划并将轨迹的数据打包发送给船载控制系统，根据接收到的各项参数来远程监测系统的状态，分析参数后对系统的作业状态进行调整；上述的GPS定位系统,包括GPS基本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种回状的全覆盖轨迹规划方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步是利用GPS采集作业区域的顶点，确定池塘作业区域的平面坐标系；第二步是通过几何运算，确定作业区域的中心位置的集合；第三步由工作区域中心位置距离确定一次完整作业的圈数并调整轨迹间距；第四步是计算回状遍历的目标点，生成作业轨迹；第五步根据轨迹间距确定均匀投饵的最优抛幅。

【技术特征摘要】
1.一种回状的全覆盖轨迹规划方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步是利用GPS采集作业区域的顶点，确定池塘作业区域的平面坐标系；第二步是通过几何运算，确定作业区域的中心位置的集合；第三步由工作区域中心位置距离确定一次完整作业的圈数并调整轨迹间距；第四步是计算回状遍历的目标点，生成作业轨迹；第五步根据轨迹间距确定均匀投饵的最优抛幅。2.根据权利要求1所述的一种回状的全覆盖轨迹规划方法，其特征在于，所述第一步的具体过程包括如下内容：步骤1.1，利用RTK-GPS测定池塘的5个顶点经纬度坐标；步骤1.2，利用高斯投影公式将5个顶点的经纬度坐标转换为高斯坐标，通过坐标转换将高斯坐标转换为笛卡尔坐标；步骤1.3，将5个顶点按顺时针方向记作A(xa,ya)、B(xb,yb)、C(xc,yc)、D(xd,yd)和E(xe,ye)。3.根据权利要求1所述的一种回状的全覆盖轨迹规划方法，其特征在于，所述第二步的具体过程为：步骤2.1，计算出5个顶点A、B、C、D、E依次构成的线段AB、BC、CD、DE和EA的中点坐标，分别记作P1(xp1,yp1)和P2(xp2,yp2)，其中，步骤2.2，计算出AB、BC、CD、DE和EA的斜率，分别记为kab和kbc，其中，步骤2.3，计算出过点P1垂直于直线AB的直线方程：计算出过点P2垂直于直线BC的直线方程：步骤2.4，确定工作区域的中心位置为M点，计为M(xm,ym)，其中xm和ym可以通联立方程组得到：4.根据权利要求1所述的一种回状的全覆盖轨迹规划方法，其特征在于，所述第三步的具体过程如下：步骤3.1，计算出工作区域中心位置距离最外围的距离d：步骤3.2，投饵机取最大抛幅时，由于饵料在水面上呈扇状分布，要提...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵德安，侍厅厅，孙月平，赵儒亚，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32