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专利号: 2023101534950
申请人: 华南农业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种曲形农田边界的路径规划方法,其特征在于,包括以下步骤:S1、利用无人机测绘得出农田地形图,采集农田地块边界关键点,提取农田边界点信息,以农田边界点信息作为边界值,建立坐标系;

S2、以农田边缘检测量作为观测值,设定形状拟合阈值,获取相近的农田形状,匹配得出相应形状对应的路径规划算法;

S3、根据机器参数、机器作业类型生成农田作业路径规划线,对于曲形边界地块,若单边为曲形边界,其余边为规则边,则采用路径曲线的曲率逐渐降低的方法进行路径规划,根据机器转弯特性作为变化值,从而限定路径规划路线每次曲率变化率,将曲线完全变为直线后,剩余农田区域采用规则农田地块路径规划;对于规则农田地块,采用规则农田地块路径规划;步骤S3包括:S31、获取初始路径规划线;

S32、获取合适的路径规划坐标点;

S33、曲形边界的农田路径规划;具体为:

根据采集的农田边界点位置信息及机器参数,依次平移获取到初始路径规划线的散点集 , , 为点an在目标坐标系中的横坐标; 为点an在目标坐标系中的纵坐标; 为点an在目标坐标系中的目标航向角; 为点an在目标路径曲线上的曲率,n为初始路径规划线散点的个数;

对初始路径规划线,取农田地头边界点位置信息,通过边界拟合求得地头区域直线La方程为: ,其中 为拟合地头区域所在直线的斜率, 为拟合地头区域所在直线的截距;

求初始路径规划线的所有散点的平均斜率 ,包括:由初始路径规划线散点的坐标,依次求得相邻两散点连线的斜率:其中,线 的斜率为 …,线 的斜率为 ,

为初始路径规划线散点集倒数第二个路径点,an为初始路径线散点集最后一个路径点;

根据初始路径规划线上相邻两散点连线的斜率,从而求出初始路径规划线的平均斜率,进而得出平均斜率所在直线Lc的直线方程为 ;

获取对应点农机的平移距离,具体为:

过初始路径规划线散点集第1个路径点a1,作地头边界拟合直线La的平行线 ,求得方程为: ;

直线 与Lc的交点为M1,即点a1到M1的距离为此时农机应平移的距离d1,;

重复操作,最后过初始路径规划线散点集第n个路径点an,作地头边界拟合直线La的平行线 ,求得方程为: ;

直线 与Lc的交点为Mn,即点an到Mn的距离为此时农机应平移的距离dn,;

根据农机末端挂载机具的幅宽L和转弯半径,得到农机最终平移次数为N;农机每次需平移的距离为 ,农机第j次需平移距离为 ,其中i=1,2…n,j=1,2…N,n为路径规划线上散点个数;

根据初始路径规划线上各个散点坐标及平移距离Di,求得第二条路径规划曲线散点集;具体计算为:根据初始路径规划线上第一个散点 及平移距离 ,得, …,根据初始路径规划线上第n个散点

及平移距离 ,得 , ;

重复以上计算,求得第N条路径规划曲线散点集为 ,具体为:, ……,

, ;

曲形边界的农田路径规划还包括最小二乘法拟合出目标直线方程 ,即最终路径规划曲线拟合直线方程,具体为:以农田边界提取出的关键点信息作为参考值,设置距离阈值,对于等精度测量所得到的m组数据 ,用最小二乘法拟合估计参数,要求观测值y的偏差的加权平方和最小,使其距离拟合直线的总体误差尽量小,从而拟合出目标直线方程为:;

对第N条路径规划曲线散点集进行线性回归拟合,求偏导,得出拟合目标直线参数值如下:,

令 ,得:  ;

S34、规则农田地块路径规划;具体为:

通过对规则农田地块初始路径线 平移,求得下一行作业路径所在直线方程,从而求得下一行作业路径点信息;平移距离由农机末端挂载机具的幅宽决定,包括:当作业至第N条路径线时,完全变为直线路径规划时,余下农田地块即视作对规则地块进行路径规划;

剩余规则区域农田上一行作业路径所在直线为目标直线 : ,且该作业路径上的路径点信息为散点集 ,其中,路径点bi包含横坐标 、纵坐标 、航向角 以及曲率 ,i=1,2,…,n;

进行平移 ,设置农机 从当前行 平移到下一 行作业路 径的 平移参 数,其中dis表示平移距离,即垂直于初始路径线方向上的平移距离;

表示当前行路径作业线的农机行驶方向,即机头作业方向; 表示下一行路径作业线的农机行驶方向,表示农机平移方向角度,即路径规划线平移方向;

求下一行路径点坐标信息,包括:

根据平移参数 ,平移得平行直线Lpy的直线方程为:其中, ,即求得下一行路径的直线方程式:

由初始路径平移一定距离得到平移直线 ,过初始路径散点集 中第一个路径点b1作地头边界拟合直线LAB的平行线 ,此时直线 与直线 的交点即为初始路径线上点b1平移得到的下一行路径线对应路径点c1;

重复该操作,最后过第n个路径点bn作地头边界拟合直线LAB的平行线 ,此时直线与直线 的交点即为初始路径线上bn点平移得到的下一行路径线对应路径点cn,从而求得下一行路径点集为 的坐标信息;

根据剩余规则农田区域面积及其参数,求得农机剩余作业行数 ,第j条路径散点集 ,此时 ,且取整数;

S4、对剩余未作业到的农田区域进行封圈的路径规划。

2.根据权利要求1所述的一种曲形农田边界的路径规划方法,其特征在于,步骤S1具体为:获取农田边界一周的所有边界关键点经纬度信息,对经纬度信息进行坐标转换运算,求得对应关键点的横坐标x、纵坐标y,当前点的航向角θ以及该点在所在曲线的曲率δ。

3.根据权利要求1所述的一种曲形农田边界的路径规划方法,其特征在于,步骤S2具体为:建立农田边界形状识别算法,分为:矩形、方形、直角梯形、其它梯形、其它四边形、多边形、单曲边、双曲边以及凹多边形;

采用几何参数法对形状特征进行描述,对目标区域的特征进行提取作为算法参照依据,按照设定的形状相近阈值及相应图形处理算法,根据已输入农田边界点的位置信息,判断出近似形状类别。

4.根据权利要求1所述的一种曲形农田边界的路径规划方法,其特征在于,步骤S31具体为:以农田边界起点为原点,建立坐标系;

对曲边边界坐标采样后,形成稀疏离散坐标点集合 ,通过对边界坐标点集 进行平移,形成新的局部路径 ,此时任意一个路径点信息为 ,i=1,2…,s;

其中,为目标路径点 在目标坐标系中的横坐标;为目标路径点 在目标坐标系中的纵坐标;为目标路径点 在目标坐标系中的目标航向角;为路径点 在目标路径曲线上的曲率;

对获得的局部路径 进行插值化处理形成稠密且详细的路径,并将处理后的路径作为初始路径规划线,初始路径规划线的散点集为 。

5.根据权利要求1所述的一种曲形农田边界的路径规划方法,其特征在于,步骤S32具体为:获取农机的机器参数及相关转弯特性,确定初始路径规划线距离边界的距离及下条路径规划线需平移的距离;

根据农机的最大转弯半径及农机末端挂载机具的幅宽,设置相应的转弯限制。

6.根据权利要求1所述的一种曲形农田边界的路径规划方法,其特征在于,步骤S4具体为:根据农田特征及作业需求,设置包圈数为2;

设计农田包圈的路径规划,包圈数为2则需分别对内圈和外圈进行路径规划;

其中,内圈即等比将农田边界向内部缩小距离Din,由相关机器特征参数得,,其中,r为农机的转弯半径, 为农机的提前转弯量,short_remaining为地头边界的短边保留;

其中,求内圈路径规划曲线散点集包括:

农田边界点集为 ,计算该曲线各分段的偏移量,然后将这些偏移量连接成曲线,称为偏移量曲线,其中,求曲线 的偏移量曲线的方法为:分别过点M1,M2作曲线的切线为 ,两切线 交点为Pc;获取Pc距离曲线 的最近点 ;同上,在曲线 中获取二次贝塞尔曲线段的控制点 ,在曲线中获取控制点二次贝塞尔曲线段的控制点 ;获取偏移点 ,即每个点在垂直方向上偏移距离Din,此时曲线 点集 在垂直方向上平移Din,求得点集;

重复以上操作,平移距离为Din时,曲线 的偏移量曲线,具体为;

组合所有偏移量曲线,得出内圈路径规划曲线散点集为 ;

外圈为边界向内缩小距离Dout;得出外圈路径规划曲线散点集为 ,从而生成包圈的路径点。