[發明專利]基于改進蟻群算法的收獲機器人作業路徑規劃方法

有效

• 申請號: 202110562995.0
• 申請日: 2021-05-24
• 公開（公告）號: CN113190017B
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發明（設計）人: 王立輝;劉明杰;祝文星;任元;許寧徽
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 蔣昱

1.基于改進蟻群算法的收獲機器人作業路徑規劃方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1、建立農田模型：

設農田的四個頂點為A、B、C和D，已知四點的坐標，解出邊界的數學表達式，完成對農田的初步建模，以轉彎次數最少、作業行與邊界的垂直程度最大為條件確定作業方向，分別以四邊形的邊和對角線為作業方向，求解各自所需的轉彎次數；

當以AD為作業方向時，設收獲機的割幅為l_{cut_width}，則一系列平行的作業行為

其中，k_AD為AD邊的斜率，b_AD為AD邊的截距，i為作業行的序號；

分別求解該組平行線與四邊形邊界的交點，如果有兩個交點，則將轉彎次數加一，直到沒有交點，則保留當前的轉彎次數作為此作業方向的結果；

同理，再分別以AB、BC、CD、AC和BD為作業方向，求解相應的轉彎次數，通過對比，轉彎次數最少的作業方向即為所求，如果有多組作業方向均滿足轉彎次數最少，則對比作業方向與邊界的夾角，由于垂直情況下轉彎復雜度與轉彎距離較小，所以選擇夾角接近90°的作業方向，最終，求解得到每個作業行的數學表示式，完善農田模型；

步驟2、將農田全覆蓋路徑規劃抽象為車輛路線問題，并根據不同的卸糧位置分布，建立相應的VRP模型；

步驟3、根據收獲機容量、總行駛距離、滿載行駛距離和卸糧位置分布約束條件，采用改進的蟻群算法設計最優的作業行遍歷順序；

步驟4、根據作業行遍歷順序和農田模型，求解各個路徑的表達式，生成農田全覆蓋路徑，為收獲機的路徑跟蹤提供參考。

2.根據權利要求1所述的基于改進蟻群算法的收獲機器人作業路徑規劃方法，其特征在于，所述步驟2將農田全覆蓋路徑規劃抽象為車輛路線問題，并根據不同的卸糧位置分布，建立相應的VRP模型，包括如下步驟：

(2.1)定義五種卸糧位置分布情況：

基于間歇式卸糧方式進行研究，且運糧車不能在農田里行駛，需?？吭诼愤?，按照卸糧的位置和數目分為以下五種情況：

“a”：只有一個卸糧位置S₁，在作業行的首部或尾部；

“b”：只有一個卸糧位置S₁，在與作業行平行的一側道路上；

“c”：有兩個卸糧位置S₁、S₂，分別在作業行的首部、尾部；

“d”：有兩個卸糧位置S₁、S₂，分別在與作業行平行的兩側道路上；

“e”：有兩個卸糧位置S₁、S₂，一個在作業行的首部或尾部，一個在與作業行平行的道路上；

(2.2)建立VRP模型：

農田全覆蓋路徑規劃是指通過規劃收獲機的作業路徑，使其遍歷整塊農田，且每個作業行只經過一次，收獲機的裝載量不能超過其自身容量，當滿載或者接近滿載時，需到卸糧位置進行卸糧，設路徑點集合為E，其中包括每個作業行的首端點i_up、尾端點i_down，卸糧位置S₁、S₂，每個作業行具有長度l_i和能夠收獲的糧食體積V_i兩個屬性，收獲機從卸糧位置出發，通過一定順序遍歷各個作業行，最終回到卸糧位置，設收獲機容量為V_granary，作業行序號為i、j，其中i,j∈[1,n_line]，卸糧點S₁到作業行首端的距離為到作業行尾端的距離為卸糧點S₂到作業行首端的距離為到作業行尾端的距離為作業行之間的轉彎距離為根據五種卸糧位置分布情況，分別建立作業行與卸糧位置間的距離模型如下：

(2.2.1)收獲機在作業行首端卸載：

其中，l_i為第i個作業行的長度；

(2.2.2)收獲機在與作業行平行的一側卸載：

其中，w為作業行寬度，θ_up為上邊界與作業行的夾角，θ_down為下邊界與作業行的夾角；

(2.2.3)收獲機在作業行的首端和尾端均可卸載：

(2.2.4)收獲機在與作業行平行的兩側均可卸載：

其中，n_line為作業行數目；

(2.2.5)收獲機在作業行首端和左側卸載：

作業行之間的轉彎距離為為

其中，S_T為T型轉彎方式的轉彎距離，S_Ω為Ω型轉彎方式的轉彎距離，S_U為U型轉彎方式的轉彎距離。