[發明專利]一種農用機械最低油耗運動路徑規劃方法

在審

• 申請號: 201711036800.9
• 申請日: 2017-10-30
• 公開（公告）號: CN107807644A
• 公開（公告）日: 2018-03-16
• 發明（設計）人: 萬忠政;鄭明凱;黃炎;張志遠
• 申請（專利權）人: 洛陽中科龍網創新科技有限公司
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 洛陽市凱旋專利事務所41112
• 代理人: 陸君

技術領域

本發明涉及計算機技術，尤其涉及一種數據處理方法，屬于農業機械自動化領域。

背景技術

近年來不論是高度工業化的發達國家還是處在經濟迅速增長期的發展中國家，對能源的需求量都在與日俱增。隨著我國農業機械化的發展，農機行業在不斷的成熟與完善，農機的種類，數量逐漸增多，對柴油等能源的消耗量也隨之升高。但現有的石油資源已跟不上人類科技發展的消耗速度，同時石油資源也屬于不可再生資源，隨著國家對節約能源，降低消耗的農機需求的增加，低油耗的農機是大勢所趨。

現有的低油耗農機主要是從農機結構、農機的維修保養等方面減少油耗，對于農機運行時的路徑規劃方面并沒有太多涉及。現有的與降低油耗相關的方案：一是改變車輛內部零件的結構，二是在已知目標點和起始點及相關路徑的條件下應用算法求出一條最低油耗路徑。但農機需要全覆蓋行走，所以現有方案無法使用。

有關研究表明，在全覆蓋的前提下，區域面積一定，移動機器人沿主軸方向運行時，轉向次數越少，能量消耗越少。此結論同樣可應用于農機低油耗運動規劃。

在公開號為CN 102167038 A、專利名稱為農田地塊全區覆蓋最優路徑生成方法及裝置中提出農機作業時在整個農田環境范圍內搜索最優作業方向角θ，生成農機的全覆蓋最優作業路徑，但是此方案只能適用于簡單的農田環境，對復雜的農田目標環境則無計可施。

發明內容

本發明在背景技術中提到的移動機器人研究結論的基礎上，結合農機特性，主要解決的是現有技術方案中未能從農機運動路徑規劃方面考慮降低油耗的問題，以及在面臨復雜農田作業環境時，從而提出一種在規劃農機運動路徑時既要全覆蓋又要油耗最低的解決方法。

本發明提供的農用機械最低油耗運動路徑規劃方法，包括：

獲取地塊多邊形圖；

判斷地塊多邊形圖特征：若為非凸多邊形，進一步劃分為最少數量的凸多邊形；如為凸多邊形，不動作；

在凸邊形內確定在農機平行直線往返作業時，轉彎數最少的農機作業主軸方向；

進一步確定對應轉彎數的轉彎路徑并生成軌跡圖。

為更好的實施本發明創造，地塊多邊形圖依據其所有頂點及邊界擬合出。

為更好的實施本發明創造，如果是非凸多邊形，通過凹邊點的延長線或凹邊點的平行線將非凸多邊形劃分為最少數量的凸多邊形。

為更好的實施本發明創造，確定農機作業主軸方向時，采用如下公式：

α角為農機作業主軸方向與地頭邊界的夾角、

θ為農機作業主軸作業方向角度、

為多邊形地塊第i條邊的角度、

L_i為多邊形地塊第i條邊的長度、

W為農機作業寬度。

為更好的實施本發明創造，初始化θ＝0，然后θ＝θ+1，直到θ＝180，求出對應的凸多邊形地塊總轉彎數目，并與前一個輸出的值比較，輸出較小值，即為對應的凸多邊形地塊最小轉彎數目及其對應的θ角，并以這個角為最佳農機作業主軸方向。

為更好的實施本發明創造，農機運動模擬方程為

x,y為農機后輪中心點的坐標，θ為農機橫擺角，α為農機轉向角，v為農機速度，l為農機軸距。

進一步的，以農機轉向角為控制量u，則農機橫擺角為控制量z，農機后輪坐標x,y的狀態方程為

。

進一步的，設初始時間t0＝0，終端時間為t_f，

初始時間的狀態量為z(t0)＝0,x(t0)＝0,y(t0)＝0,

終端時間的狀態量為z(t_f)＝π,x(t_f)＝0,y(t_f)＝d

約束條件為|u|≤α_m,x≥0,d為作業寬度，農機向左拐；

式中，γ₁，γ₂，H(x(t))為罰函數，其中

評價函數為當J<10^-3時為最優。

本發明先將復雜的目標作業地塊環境進行凹變形分解成若干小的凸邊形，在凸邊形內通過算法尋求從0～180轉彎數最少的最佳方向角；然后采用最優控制理論求出最佳轉彎路徑，達到最低油耗要求的運動路徑。

附圖說明

圖1為本發明實施例示意地塊擬合示意圖；

圖2為本發明實施例凹邊形分割實例示意圖；