一种基于农机大田无人驾驶作业路径规划的算法制造技术

本发明专利技术涉及一种基于农机大田无人驾驶作业路径规划的算法，属于农业自动化技术领域。所述算法主要包括：大田作业区域坐标处理步骤、大田作业区域平面量化步骤、转弯路径分析步骤、回路右顺行走法步骤；本次发明专利技术提出的一种基于农机大田无人驾驶作业路径规划的算法通过WGS‑84坐标系到ECEF空间坐标系到垂直直角坐标系转换，获取到垂直坐标系下顶点坐标值，并通过坐标值量化作业的长度和宽度；根据农机的轴距、轮距、转向轮偏转角、农机作业机具宽度等推算最小转弯半径及转弯轨迹；提出回路右顺行走法，能够达到大田作业全覆盖、零遗漏、最小重叠作业的效果，农机接收右转指令，降低农机过度损耗。本算法能够有效实现农机大田无人精准作业。

An algorithm of driverless operation path planning based on agricultural machinery field

【技术实现步骤摘要】
一种基于农机大田无人驾驶作业路径规划的算法
本专利技术涉及农业自动化
，尤其涉及一种基于农机大田无人驾驶作业路径规划的算法。
技术介绍
随着我国农业现代化快速的发展，利用高新技术代替人工进行农业机械化作业的应用越来越广泛，如无人机喷药作业等。农机是大田最重要的机械化工具，传统模式以人工驾驶作业为主，存在人员作业强度大、疲劳、人工成本大等问题。近年来，农机无人驾驶技术在大田作业中进行应用和推广。在农机无人驾驶作业中路径规划尤为重要，现有的路径规划往往不能实现无重叠和无遗漏的全覆盖，无法达到大田精准作业，或者为了达到这一目标加大了农机操作的频率、增加了农机作业的强度，加速了农机的损耗。目前，缺少一个农机无人驾驶作业路径规划的算法能够改变这一现状。
技术实现思路
1.需要解决的技术问题本专利技术需要结局的技术问题在于，提供了一种基于农机大田无人驾驶作业路径规划的算法，优化农机无人驾驶作业的路径规划，在降低农机操作频率、降低农机作业强度、减缓农机损耗的同时，实现农机大田作业的精准性。2.技术方案一种基于农机大田无人驾驶作业路径规划的算法，包括如下步骤：步骤1，顶点坐标处理：处理预路径规划的大田作业区域顶点坐标；步骤2，平面量化：根据步骤1处理的大田作业区域顶点坐标，计算大田作业区域的长和宽；步骤3，转弯路径分析：分析步骤2平面量化后的路径转弯路径；步骤4，顺行走法规划：归化步骤3确认转弯路径后的农机回路右顺行走法。进一步地，所述步骤1包括如下步骤：步骤1.1，顶点处理：地球表面并非一个平面，通过对顶点进行处理，形成WGS-84坐标系下的矩形大田作业区域，并且确认矩形大田作业区域的4个顶点；其中，矩形大田作业区域共有4个顶点，需要由WGS-84坐标系转换为ECEF空间坐标系，再由ECEF空间坐标系转换为垂直直角坐标系。在WGS-84坐标系中通过北斗卫星获取顶点(φ,λ,h)；在ECEF空间坐标系顶点表示为(x1,y1,z1)；在垂直直角坐标系顶点表示为(x,y,z)。步骤1.2，ECEF空间坐标系转换：由步骤1.1的WGS-84坐标系向ECEF空间坐标系转换。P为顶点，N代表曲率半径，OD代表点P在平面上的投影向量，其长度为：OD＝(N+h)cosφsinλ，在ECEF空间坐标系统中通过经度的角λ可以求出P在本体系中的坐标：步骤1.3，直角坐标系转换：将步骤1.2的ECEF空间坐标系向垂直直角坐标系转换，得到平面顶点的坐标值。通过下面公式进行坐标系转换：其中，Kij由矩阵表示，且矩阵元素包括：根据矩形大田坐标求得旋转角t，并进行平行坐标轴处理，如下公式：通过此公式反算即可得到平面顶点的坐标值。进一步地，所述步骤2采用下式进行平面化处理。将换算后4个顶点值带入下面公式，能够计算大田实际作业的长和宽。其中，Point表示矩形大田顶点。进一步地，所述步骤3包括如下步骤：步骤3.1，转弯路径分析验算步骤。农机的轮距、轴距以及转向轮的最大偏转角度决定了农机的最小转弯半径和转向所需的空间，通过阿克曼特转向几何原理推导出：其中，R为农机转弯半径；B为农机轴距；L为农机轮距；θ为内侧转向轮偏转角。其中，R1为农机作业机具外侧边缘弧线半径；k为定位基准点与机具纵向距离；V为农机作业机具宽度。步骤3.2，由步骤3.1计算的最小转弯半径与农机机具作业幅宽V，确认农机转弯半径。当V>＝2R时，农机可以沿弓形转弯路径进入相邻直线路径；当V<2R时，农机需要沿鱼尾形转弯路径进入相邻直线路径。进一步地，所述步骤4包括如下步骤：步骤4.1，将大田4个顶点按顺时针设置为P1、P2、P3、P4，P1-P4间农机转向点依次定义为Pn1、Pn2、Pn3、Pn4、Pn5、Pn6、Pn7…；P2-P3间农机转向点依次定义为Pm1、Pm2、Pm3、Pm4、Pm5、Pm6…；步骤4.2，走法第一步：农机从P1点开始作业，农机作业工具外沿与P1重叠，内沿与Pn1重叠，根据坐标作业到P2点处，此时农机作业工具外沿与P2重叠，内沿与Pm1重叠。根据转弯路径，向右进行转向，以跨越一个V的宽幅转向Pm2点，自动回正转向盘，农具内沿与Pm2重叠，外沿与Pm3重叠，继续进行作业；步骤4.3，走法第二步：农机从Pm2-Pm3向Pn2-Pn3进行作业，当农机作业工具两侧与Pn2和Pn3重叠，开始做第二次右转向，转向以Pn2为转点，转到农机工具两侧与Pn1和Pn2重叠。其中，走法第三步：在农机工具两侧与Pn1和Pn2重叠后，继续向前进行作业，农机走到两侧与Pm1和Pm2重叠时，开始下一次右转向，此次转向跨越2个V的宽度，即从Pm1-Pm2转向到Pm4-Pm5；步骤4.4，走法第四步：在农机工具两侧与Pm4和Pm5重叠后，继续向前进行作业，农机走到两侧与Pn4和Pn5重叠时，开始下一次右转向，转向以Pn4为转点，转到农机工具两侧与Pn3和Pn4重叠；步骤4.5，重复步骤4.3和步骤4.4，直到农机工具外沿与P3和P4连线重合，完成大田作业区域的右顺行走法规划。3.有益效果综上所述，本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术提供了一种基于农机大田无人驾驶作业路径规划的算法，将大田矩形顶点通过WGS-84坐标系到ECEF空间坐标系到垂直直角坐标系转换，获取到垂直坐标系下顶点坐标值，并通过坐标值量化大田作业的长度和宽度；(2)本专利技术根据农机的轴距、轮距、转向轮偏转角、农机作业机具宽度等推算最小转弯半径及转弯轨迹；(3)本专利技术提出回路右顺行走法，能够达到大田作业全覆盖、零遗漏、最小重叠作业、农机最优化路径及最小转弯的效果，农机接收的都是右转弯指令，然后回正转向，尽可能减少农机复杂指令带来的过度损耗；(4)本专利技术的算法提高了现有算法的作业覆盖率、优化了农机作业路径、总体提升了农机无人作业的工作效率并降低农机的过度损耗能够有效实现农机在大田无人驾驶精准作业。附图说明图1是本专利技术的流程图；图2是本专利技术专利的农机转向结构图；图3是本专利技术专利的回路右顺行走法示意图；图4是本专利技术专利的转向轨迹图；图5是本专利技术专利的弓形转弯路径轨迹图；图中，1-坐标处理；2-平面量化；3-转向分析；4-路径走法；3.1-农机轮距；3.2-农机轴距；3.3-内侧轮转向角)。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步说明，但本专利技术不受实施例的限制。实施例：请参见附图1至附图5所示，一种基于农机大田无人驾驶作业路径规划的算法，包括如下步骤：步骤1，顶点坐标处理：处理预路径规划的大田作业区域顶点坐标；步骤2，平面量化：根据步骤1处理的大田作业区域顶点坐标，计算大田作业区域的长和宽；<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于农机大田无人驾驶作业路径规划的算法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1，顶点坐标处理：处理预路径规划的大田作业区域顶点坐标；/n步骤2，平面量化：根据步骤1处理的大田作业区域顶点坐标，计算大田作业区域的长和宽；/n步骤3，转弯路径分析：分析步骤2平面量化后的路径转弯路径；/n步骤4，顺行走法规划：归化步骤3确认转弯路径后的农机回路右顺行走法。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于农机大田无人驾驶作业路径规划的算法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，顶点坐标处理：处理预路径规划的大田作业区域顶点坐标；
步骤2，平面量化：根据步骤1处理的大田作业区域顶点坐标，计算大田作业区域的长和宽；
步骤3，转弯路径分析：分析步骤2平面量化后的路径转弯路径；
步骤4，顺行走法规划：归化步骤3确认转弯路径后的农机回路右顺行走法。


2.根据权利要求1所述的一种基于农机大田无人驾驶作业路径规划的算法，其特征在于，所述步骤1包括如下步骤：
步骤1.1，顶点处理：地球表面并非一个平面，通过对顶点进行处理，形成WGS-84坐标系下的矩形大田作业区域，并且确认矩形大田作业区域的4个顶点；
步骤1.2，ECEF空间坐标系转换：由步骤1.1的WGS-84坐标系向ECEF空间坐标系转换；
步骤1.3，直角坐标系转换：将步骤1.2的ECEF空间坐标系向垂直直角坐标系转换，得到平面顶点的坐标值。


3.根据权利要求2所述的一种基于农机大田无人驾驶作业路径规划的算法，其特征在于，所述步骤2采用下式进行平面化处理，将换算后4个顶点值带入下面公式，计算大田实际作业的长和宽：



其中，Point表示矩形大田顶点。


4.根据权利要求1所述基于农机大田无人驾驶作业路径规划的算法，其特征在于，所述步骤3包括如下步骤：
步骤3.1，转弯路径分析验算步骤。农机的轮距、轴距以及转向轮的最大偏转角度决定了农机的最小转弯半径和转向所需的空间，通过阿克曼特转向几何原理推导出：



其中，R为农机转弯半径；B为农机轴距；L为农机轮距；θ为内侧转向轮偏转角。



其中，R1为农机作业机具外侧边缘弧线半径；k为定位基准点与机具纵向距离；V为农机作...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈峰，
申请(专利权)人：陈峰，
类型：发明
国别省市：黑龙;23