一种提高农机工作效率的最小单元套耕路径规划方法

技术领域

本发明涉及农机作业路径规划领域，具体地说，本发明涉及一种提高农机工作效率的最小单元套耕路径规划方法。

背景技术

随着农业机械化水平的不断提高，农机作业效率成为农业发展中非常重要的一个方面；规划高效的农机行驶路线，可以大大提高农机作业效率；而随着无人驾驶技术的发展，规划出高效的农机行驶路线已经成为无人驾驶农机的关键技术；

现有技术中无人驾驶农机作业大多将地块分为作业区与待转区，但传统的路径规划方法存在两个弊端其一是无法避免的复杂掉头问题，其二无法将作业路径与地形、作物生长情况等因素进行综合考虑，规划出更为合理的路径，从而导致。空驶里程过多导致的作业效率降低

发明内容

本发明提供一种提高农机工作效率的最小单元套耕路径规划方法，以解决上述背景技术中存在的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种提高农机工作效率的最小单元套耕路径规划方法，具体包括以下步骤，

步骤S1，工作区域的总宽幅数设计：该发明用平行线对整个工作区平面进行扫描，以一个宽幅为平行线的宽度，通过公式计算得到整个平面扫描后的得到的总宽幅数

步骤S2，最小套耕单元宽幅设计：套耕总宽幅数由套耕步进宽幅距离和套耕后退宽幅距离决定，公式如：n＝2*s-1，s为套耕步进宽幅数；

步骤S3，工作区总体套耕设计：该发明通过以上最小套耕单元思想，对整个工作区域进行套耕设计，先基于最小套耕单元对整个工作区域进行分块，每块工作区域为最小套耕单元的总宽幅数进行分割，每个工作区则通过离心套耕方式进行连接，这就使得除工作初始的第一个最小套耕单元其他的套耕单元的总套耕数减1；

步骤S4：路径轨迹生成。

优选的，所述步骤S1总宽幅数公式中D为工作区域总宽度，即以主轴运动方向垂直方向为宽，d为一个宽幅距离，N

优选的，所述以步骤S2中的套耕方式可知，若工作区有总宽幅数为9个宽幅，则需要步进为5个宽幅，一个套耕单元即可完成；此时计算上下边界重叠宽幅次数，依次为：0、1、3、5、7、6、4、2、0，可计算得到共计空驶里程为29个宽幅数；若工作区总宽幅数为9个宽幅，将其拆分为两个更小的套耕单元，如步进为3个宽幅的两个套耕单元，此时计算上下边界重叠宽幅次数，依次为：0、1、3、3、1、1、3、2、0，可计算得到共计空驶里程为13个宽幅。

4、根据权利要求3所述的一种提高农机工作效率的最小单元套耕路径规划方法，其特征在于：所述通过2倍车辆最小转弯半径，加固定设置的长度，与宽幅的比值计算得到一个最小套耕单元的步进宽幅数，公式即：

优选的，所述步骤S3，工作区总体套耕设计，具体步骤为：

步骤S3.1，如最小套更单元总宽幅数为n，则工作初始第一个套耕单元为n个宽幅，其后每个套耕单元的总宽幅数均为n-1；

步骤S3.2，若最后剩余宽幅不足一个套耕单元则需将最后剩余宽幅与其相邻的最小套耕单元合并为最后的套耕单元，以保证工作区域的覆盖面积；

步骤S3.3，如果最小套耕单元步进数为n为6，总宽幅数为N为178，可知工作初始的第一个套耕单元为总即宽幅数为11个宽幅，其后所有单元总宽幅数为10个宽幅。

优选的，所述步骤S3.3具体步骤为，总计套耕最小单元为

优选的，所述步骤S4，路径轨迹生成，具体步骤为：

步骤S4.1，确定起始点以及车辆运动的主轴方向，确定主轴方向与工作区上下边界线交点，其交点即为拟路径转弯点；

步骤S4.2，将起点主轴方向间隔一个宽幅距离进行平移，得到N个扩展平行线，与设计的总宽幅数相等；并以起始点主轴方向为起始平行线依次记录所有扩展平行线与上下边界交点，作为拟路径转弯点；

步骤S4.3，根据上述最小套耕方案总体套耕设计依次将平行线与上下边界交点进行排序得到路径点序列；

步骤S4.4，依次取出路径点两两进行插值得到离散点，即直线行驶路径点，再将所有转弯处以车辆转弯半径R为圆弧半径求解两条垂直直线的相切圆弧公式，并取出插值点，即转弯行驶路径点，最终将直线/转弯行驶路径点串在一起得到最终全局路径点集；

步骤S4.5，采用osqp/样条拟合/样条插值等平滑算法对路径点进行平滑处理，作为全局路径轨迹。

采用以上技术方案的有益效果是：

1、本发明的路径规划算法采用了最小单元套耕的思想，将农田划分为若干个小块，每个小块内部采用套耕的方式进行作业，而小块之间则采用离心耕法进行转移，从而避免了复杂掉头问题。

2、本发明通过科学的算法设计，将作业路径与地形、作物生长情况等因素进行综合考虑，规划出更为合理的路径，避免了空驶里程过多的问题，从而提高了农机作业效率。

附图说明

图1为本发明路径规划流程框图；

图2为本发明耕作方式示意图；

图3为本发明套耕步进数与总套耕数关系示意图；

图4为本发明最小单元套耕与非最小单元套耕规划路径空驶比较图；

图5为本发明最小单元套耕规划简图；

图6为本发明最小单元套耕规划实例图；

图7为本发明最小单元规划全局路径点序图；

图8为本发明全局路径离散点示意图；

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。

如图1至图8所示，本发明是一种提高农机工作效率的最小单元套耕路径规划方法，可以避免掉头问题，降低空驶里程，提高农机作业效率，为智能农业的发展提供了强有力的支持。

具体包括以下步骤，

步骤S1，工作区域的总宽幅数设计：该发明用平行线对整个工作区平面进行扫描，以一个宽幅为平行线的宽度，通过公式计算得到整个平面扫描后的得到的总宽幅数

步骤S2，最小套耕单元宽幅设计：套耕总宽幅数由套耕步进宽幅距离和套耕后退宽幅距离决定，公式如：n＝2*s-1，s为套耕步进宽幅数；

步骤S3，工作区总体套耕设计：该发明通过以上最小套耕单元思想，对整个工作区域进行套耕设计，先基于最小套耕单元对整个工作区域进行分块，每块工作区域为最小套耕单元的总宽幅数进行分割，每个工作区则通过离心套耕方式进行连接，这就使得除工作初始的第一个最小套耕单元其他的套耕单元的总套耕数减1；

步骤S4：路径轨迹生成。

步骤S1总宽幅数公式中D为工作区域总宽度，即以主轴运动方向垂直方向为宽，d为一个宽幅距离，N

以步骤S2中的套耕方式可知，若工作区有总宽幅数为9个宽幅，则需要步进为5个宽幅，一个套耕单元即可完成；此时计算上下边界重叠宽幅次数，依次为：0、1、3、5、7、6、4、2、0，可计算得到共计空驶里程为29个宽幅数；若工作区总宽幅数为9个宽幅，将其拆分为两个更小的套耕单元，如步进为3个宽幅的两个套耕单元，此时计算上下边界重叠宽幅次数，依次为：0、1、3、3、1、1、3、2、0，可计算得到共计空驶里程为13个宽幅。

通过2倍车辆最小转弯半径，加固定设置的长度，与宽幅的比值计算得到一个最小套耕单元的步进宽幅数，公式即：

步骤S3，工作区总体套耕设计，具体步骤为：

步骤S3.1，如最小套更单元总宽幅数为n，则工作初始第一个套耕单元为n个宽幅，其后每个套耕单元的总宽幅数均为n-1；

步骤S3.2，若最后剩余宽幅不足一个套耕单元则需将最后剩余宽幅与其相邻的最小套耕单元合并为最后的套耕单元，以保证工作区域的覆盖面积；

步骤S3.3，如果最小套耕单元步进数为n为6，总宽幅数为N为178，可知工作初始的第一个套耕单元为总即宽幅数为11个宽幅，其后所有单元总宽幅数为10个宽幅。

步骤S3.3具体步骤为，总计套耕最小单元为

所述步骤S4，路径轨迹生成，具体步骤为：

步骤S4.1，确定起始点以及车辆运动的主轴方向，确定主轴方向与工作区上下边界线交点，其交点即为拟路径转弯点；

步骤S4.2，将起点主轴方向间隔一个宽幅距离进行平移，得到N个扩展平行线，与设计的总宽幅数相等；并以起始点主轴方向为起始平行线依次记录所有扩展平行线与上下边界交点，作为拟路径转弯点；

步骤S4.3，根据上述最小套耕方案总体套耕设计依次将平行线与上下边界交点进行排序得到路径点序列；

步骤S4.4，依次取出路径点两两进行插值得到离散点，即直线行驶路径点，再将所有转弯处以车辆转弯半径R为圆弧半径求解两条垂直直线的相切圆弧公式，并取出插值点，即转弯行驶路径点，最终将直线/转弯行驶路径点串在一起得到最终全局路径点集；

步骤S4.5，采用osqp/样条拟合/样条插值等平滑算法对路径点进行平滑处理，作为全局路径轨迹。

以上结合附图对本发明进行了示例性描述，显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。