一种基于有序边表法的多边形农田作业路径规划算法制造技术

本发明专利技术的目的是提供一种基于有序边表法的多边形农田作业路径规划算法，属于路径规划技术领域，该方法包括：建立农田电子地图以获取农田大地坐标；将农田电子地图的大地坐标转化为农田高斯投影平面坐标；将农田高斯投影平面坐标输入到有序边表算法中，生成初步农机作业路径点；建立农机转弯模型；根据农机作业路径点和农机转弯模型，采用套圈作业的工作模式规划农机作业路径。本发明专利技术能够有效帮助自动驾驶拖拉机在多边形地块有序作业，不漏作业不重作业，并且覆盖率高作业效率高。并且覆盖率高作业效率高。并且覆盖率高作业效率高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于有序边表法的多边形农田作业路径规划算法


[0001]本专利技术涉及路径规划
，特别涉及一种基于有序边表法的多边形农田作业路径规划算法。

技术介绍

[0002]农业机械智能化作为现代化农业建设中重要一环，随着人口老龄化的日渐严重，农业劳动力短缺，传统农业生产模式已经开始不足，国家开始在政策上大力支持，数字农业项目的开始有序开展，我国农业逐渐形成耕、种、管、收全程数字化生产管理模式,应用农机自动驾驶装备和无人化农机取得了显著效果，正如罗锡文院士所说的，“智慧农业是现代农业的高级形式，无人农场是实现智慧农业的重要途径，智能农机是无人农场的物质支撑。”用智能化的农机装备提升传统农业，加速“机器换人”，是帮助解决农业劳动力短缺问题的很好解决方案。
[0003]当前农机自动驾驶技术作为智慧农业、无人农场的基础技术被广泛应用于智能农机装备之中，而路径规划算法是农机自动驾驶系统中较为关键技术，是帮助智能农机装备实现路径跟踪和车辆控制的基础，通常是以作业成本(如总行驶距离、总作业时间，作业时油耗等)最低为目标，通过输入农机的作业参数，根据不同作业环节，对目标农田区域自动规划出一条少遗漏、无重复的作业路径，减少总作业路径和总作业时间，降低作业重复和作业遗漏区域，最终达到降低农机作业消耗的目的。
[0004]目前，针对农机自动驾驶全局路径规划算法，还是只能适应于规则四边形田块，非四边形农田全局作业路径规划算法还处于研究阶段，国外的OKSANEN采用基于多边形的梯形分解来处理一种作业路径生成算法，国内对于任意多边形算法主要是采用内圈采用平行作业，外圈采用套外圈的方式进行作业，是一个不完全自动化的规划，这种方法作业覆盖率高，但是没考虑转弯成本和转弯复杂度，采用基于有序边表算法能够很好的处理多边形地块，计算出平行作业条带，根据农机作业幅宽W及最小转弯半径rmin的关系设计不同转弯模型，利用不同转弯模型的代价函数和目标函数通过模拟退火算法直接算出最优作业次序，此方法因为是通过优化算法去确定转弯方式和作业次序，是一种完全自动的规划方法，很好地实现了多边形农田的全局作业路径规划。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于有序边表法的多边形农田作业路径规划算法，该方法能够有效帮助自动驾驶拖拉机在多边形地块有序作业，不漏作业不重作业，并且覆盖率高作业效率高。
[0006]本专利技术提出一种基于有序边表法的多边形农田作业路径规划算法，包括：
[0007]建立农田电子地图以获取农田大地坐标；
[0008]将农田大地坐标转化为农田高斯投影平面坐标；
[0009]将农田高斯投影平面坐标输入到有序边表算法中，生成农机作业路径点；
[0010]建立农机转弯模型；
[0011]根据农机作业路径点和农机转弯模型，采用套圈作业的工作模式规划农机作业路径。
[0012]将农田高斯投影平面坐标输入到有序边表算法中，生成农机作业路径点包括：
[0013]将得到的农田边界平面坐标按照顺序输入到程序，以N倍作业幅宽为内缩距离，采用点斜式直线和交点计算方法，得到一个外形和农田边界轮廓一致且等间距的缩小多边形；
[0014]将缩小多边形的所有边按照y坐标的大小排序，保证在扫描线算法中，总是先处理较低的边，再处理较高的边；
[0015]创建一个空的有序边表，并将多边形的边依次插入有序边表中，有序边表中的边按照y坐标的大小从小到大排序；
[0016]从有序边表的最低边开始，扫描每一条边，对于每一条边，计算出它的端点的x坐标，并将这些坐标加入一个像素列表中；
[0017]在扫描线算法中，每当扫描到一个新的y坐标时，就更新有序边表中的边的端点坐标，通过计算斜率来实现，公式为：
[0018]X
new
＝X
oid
+(Y
new
‑
Y
oid
)*(X1‑
X2)/(Y1‑
Y2)
[0019]其中，X
new
和Y
new
分别表示边的新端点的x和y坐标，X
oid
和Y
oid
分别表示边的旧端点的x和y坐标，X1、Y1和X2、Y2分别表示边的两个端点的x和y坐标；
[0020]重复上述步骤，直到有序边表中的所有边都被处理完为止；
[0021]在有序边表中移除已经处理完的边，并在有序边表中插入新的边，这些新的边来自于在当前y坐标处的交点，可以使用下面的公式计算交点的坐标：
[0022]X
intersect
＝X1+(Y
intersect
‑
Y1)*(X2‑
X1)/(Y2‑
Y1)
[0023]其中，X
intersect
和Y
intersect
分别表示交点的x和y坐标，X1和Y1和X2和Y2分别表示边的两个端点的x和y坐标；
[0024]重复上述步骤，直到有序边表中没有边为止，将得到的所有x，y点按照顺序排列，每个与边界的交点即为作业行起点与终点。
[0025]建立农机转弯模型包括：
[0026]针对大马力拖拉机转弯半径大的特征，在不同的转弯条件下设定不同的转弯形式，建立各种转弯形式的转弯模型和转弯代价数学模型如下：
[0027]d
ij
＝D
ij
sinβ+πr，|i
‑
j|w＝2r
[0028]d
ij
＝D
ij
sinβ+D
ij
cosβ
‑
2r+πr，|i
‑
j|w＞2r
[0029]d
ij
＝D
ij
cosβ
‑
D
ij
sinβ+πr＝2r，|i
‑
j|w＜2r，
[0030]d
ij
＝D
ij
cosβ2πr
‑
βπr/180，|i
‑
j|w＜2r
[0031]i，j∈[1，N]且i≠j
[0032]d
ij
是转弯的代价函数，D
ij
是第i行到第就j行的直线距离，β是作业行和边界的夹角，r是农机转弯半径，w是幅宽，i、j表示作业行行数；
[0033]当|i
‑
j|w＝2r，农机沿半圆形状路径进入下一条作业行；
[0034]当|i
‑
j|w＞2r，农机沿弓形转弯路径进入下一条作业行；
[0035]当|i
‑
j|w＜2r时，农机有两种情况转弯路径进入相邻直线路径，分别是鱼尾转弯
和梨形转弯。
[0036]将农田大地坐标转化为农田高斯投影平面坐标包括：
[0037]农田大地坐本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于有序边表法的多边形农田作业路径规划算法，其特征在于，包括：建立农田电子地图以获取农田大地坐标；将农田大地坐标转化为农田高斯投影平面坐标；将农田高斯投影平面坐标输入到有序边表算法中，生成农机作业路径点；建立农机转弯模型；根据农机作业路径点和农机转弯模型，采用套圈作业的工作模式规划农机作业路径。2.根据权利要求1所述的一种基于有序边表法的多边形农田作业路径规划算法，其特征在于，所述将农田高斯投影平面坐标输入到有序边表算法中，生成农机作业路径点包括：将得到的农田边界平面坐标按照顺序输入到程序，以N倍作业幅宽为内缩距离，采用点斜式直线和交点计算方法，得到一个外形和农田边界轮廓一致且等间距的缩小多边形；将缩小多边形的所有边按照y坐标的大小排序，保证在扫描线算法中，先处理较低的边，再处理较高的边；创建一个空的有序边表，并将多边形的边依次插入有序边表中，有序边表中的边按照y坐标的大小从小到大排序；从有序边表的最低边开始，扫描每一条边，对于每一条边，计算出它的端点的x坐标，并将这些坐标加入一个像素列表中；在扫描线算法中，每当扫描到一个新的y坐标时，就更新有序边表中的边的端点坐标，通过计算斜率来实现，公式为：X
new
＝X
oid
+(Y
new
‑
Y
oid
)*(X1‑
X2)/(Y1‑
Y2)其中，X
new
和Y
new
分别表示边的新端点的x和y坐标，X
oid
和Y
oid
分别表示边的旧端点的x和y坐标，X1、Y1和X2、Y2分别表示边的两个端点的x和y坐标；重复上述步骤，直到有序边表中的所有边都被处理完为止；在有序边表中移除已经处理完的边，并在有序边表中插入新的边，这些新的边来自于在当前y坐标处的交点，可以使用下面的公式计算交点的坐标：X
intersect
＝X1+(Y
intersect
‑
Y1)*(X2‑
X1)/(Y2‑
Y1)其中，X
intersect
和Y
intersect
分别表示交点的x和y坐标，X1、Y1和X2、Y2分别表示边的两个端点的x和y坐标；重复上述步骤，直到有序边表中没有边为止，将得到的所有x，y点按照顺序排列，每个与边界的交点即为作业行起点与终点。3.根据权利要求1所述的一种基于有序边表法的多边形农田作业路径规划算法，其特征在于，所述建立农机转弯模型包括：针对大马力拖拉机转弯半径大的特征，在不同的转弯条件下设定不同的转弯形式，建立各种转弯形式的转弯模型和转弯代价数学模型如下：d
ij
＝D
i...

【专利技术属性】
技术研发人员：张智刚，张天，张帆，罗锡文，胡力文，
申请(专利权)人：华南农业大学，
类型：发明
国别省市：