基于改进蚁群算法的收获机器人作业路径规划方法技术

本发明专利技术公开了一种基于改进蚁群算法的收获机器人作业路径规划方法，包括步骤：1、建立不规则四边形农田的数学模型，以转弯次数最少、作业行与边界的垂直程度最大为条件确定最优作业方向；2、将农田全覆盖路径规划抽象为车辆路线问题(VRP)，并根据不同的卸粮位置分布，建立相应的VRP模型；3、根据收获机容量、总行驶距离、满载行驶距离和卸粮位置分布约束条件，采用改进的蚁群算法设计最优的作业行遍历顺序；4、根据作业行遍历顺序和农田模型，求解各个路径的表达式，生成农田全覆盖路径，为收获机的路径跟踪提供参考。该方法能够根据不同的卸粮位置分布情况设计满载行驶距离最小的农田全覆盖路径。

【技术实现步骤摘要】
基于改进蚁群算法的收获机器人作业路径规划方法
本专利技术属于智能收获机作业路径规划领域，特别是涉及基于改进蚁群算法的收获机器人作业路径规划方法，具体涉及一种根据收获机粮仓容量、总行驶距离、满载行驶距离和卸粮位置分布约束条件，利用改进的蚁群算法设计全覆盖路径的方法。
技术介绍
农田全覆盖路径规划是实现收获机自主作业的一项关键技术，能为收获机田间作业提供合理的路径，有效改善重复作业和遗漏作业问题，提高收获机的作业效率。目前在农田全覆盖路径规划方面没有成熟、通用的方法。在实际应用中，针对农田的全覆盖路径规划，主要有两种方式：一种是由驾驶员规定初始作业路径，并通过不断对其平移实现对农田的全覆盖；另一种是在特定的农田环境下，如矩形农田中，以梭行法或者螺旋法进行作业。以上两种路径规划方式的智能化程度、对不同农田的适应性以及作业效率较低。因此，需要对作业路径规划方法进行研究。通过对全覆盖路径规划算法的国内外研究现状进行分析，多以行驶距离、有效作业面积占比、作业时长、能源消耗等为优化目标，利用贪婪算法、蚁群算法等优化算法设计最优作业路径。满载行驶距离、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于改进蚁群算法的收获机器人作业路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1、建立农田模型：/n设农田的四个顶点为A、B、C和D，已知四点的坐标，解出边界的数学表达式，完成对农田的初步建模，以转弯次数最少、作业行与边界的垂直程度最大为条件确定作业方向，分别以四边形的边和对角线为作业方向，求解各自所需的转弯次数；/n当以AD为作业方向时，设收获机的割幅为l

【技术特征摘要】
1.基于改进蚁群算法的收获机器人作业路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、建立农田模型：
设农田的四个顶点为A、B、C和D，已知四点的坐标，解出边界的数学表达式，完成对农田的初步建模，以转弯次数最少、作业行与边界的垂直程度最大为条件确定作业方向，分别以四边形的边和对角线为作业方向，求解各自所需的转弯次数；
当以AD为作业方向时，设收获机的割幅为lcut_width，则一系列平行的作业行为



其中，kAD为AD边的斜率，bAD为AD边的截距，i为作业行的序号；
分别求解该组平行线与四边形边界的交点，如果有两个交点，则将转弯次数加一，直到没有交点，则保留当前的转弯次数作为此作业方向的结果；
同理，再分别以AB、BC、CD、AC和BD为作业方向，求解相应的转弯次数，通过对比，转弯次数最少的作业方向即为所求，如果有多组作业方向均满足转弯次数最少，则对比作业方向与边界的夹角，由于垂直情况下转弯复杂度与转弯距离较小，所以选择夹角接近90°的作业方向，最终，求解得到每个作业行的数学表示式，完善农田模型；
步骤2、将农田全覆盖路径规划抽象为车辆路线问题，并根据不同的卸粮位置分布，建立相应的VRP模型；
步骤3、根据收获机容量、总行驶距离、满载行驶距离和卸粮位置分布约束条件，采用改进的蚁群算法设计最优的作业行遍历顺序；
步骤4、根据作业行遍历顺序和农田模型，求解各个路径的表达式，生成农田全覆盖路径，为收获机的路径跟踪提供参考。


2.根据权利要求1所述的基于改进蚁群算法的收获机器人作业路径规划方法，其特征在于，所述步骤2将农田全覆盖路径规划抽象为车辆路线问题，并根据不同的卸粮位置分布，建立相应的VRP模型，包括如下步骤：
(2.1)定义五种卸粮位置分布情况：
基于间歇式卸粮方式进行研究，且运粮车不能在农田里行驶，需停靠在路边，按照卸粮的位置和数目分为以下五种情况：
“a”：只有一个卸粮位置S1，在作业行的首部或尾部；
“b”：只有一个卸粮位置S1，在与作业行平行的一侧道路上；
“c”：有两个卸粮位置S1、S2，分别在作业行的首部、尾部；
“d”：有两个卸粮位置S1、S2，分别在与作业行平行的两侧道路上；
“e”：有两个卸粮位置S1、S2，一个在作业行的首部或尾部，一个在与作业行平行的道路上；
(2.2)建立VRP模型：
农田全覆盖路径规划是指通过规划收获机的作业路径，使其遍历整块农田，且每个作业行只经过一次，收获机的装载量不能超过其自身容量，当满载或者接近满载时，需到卸粮位置进行卸粮，设路径点集合为E，其中包括每个作业行的首端点iup、尾端点idown，卸粮位置S1、S2，每个作业行具有长度li和能够收获的粮食体积Vi两个属性，收获机从卸粮位置出发，通过一定顺序遍历各个作业行，最终回到卸粮位置，设收获机容量为Vgranary，作业行序号为i、j，其中i,j∈[1,nline]，卸粮点S1到作业行首端的距离为到作业行尾端的距离为卸粮点S2到作业行首端的距离为到作业行尾端的距离为作业行之间的转弯距离为根据五种卸粮位置分布情况，分别建立作业行与卸粮位置间的距离模型如下：
(2.2.1)收获机在作业行首端卸载：



其中，li为第i个作业行的长度；
(2.2.2)收获机在与作业行平行的一侧卸载：



其中，w为作业行宽度，θup为上边界与作业行的夹角，θdown为下边界与作业行的夹角；
(2.2.3)收获机在作业行的首端和尾端均可卸载：



(2.2.4)收获机在与作业行平行的两侧均可卸载：



其中，nline为作业行数目；
(2.2.5)收获机在作业行首端和左侧卸载：



作...

【专利技术属性】
技术研发人员：王立辉，刘明杰，祝文星，任元，许宁徽，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32