基于GNSS農(nóng)田平整全局路徑規(guī)劃方法與試驗(yàn)

劉 剛 康 熙 夏友祥 景云鵬

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083;2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息獲取技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

0 引言

土地平整可以對合理灌溉，節(jié)約用水，改善土壤質(zhì)量，保持土壤肥料，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等起到重要的作用[1-3]。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (Global navigation satellite system，GNSS)平地技術(shù)是通過GNSS差分定位獲取農(nóng)田地勢三維數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)處理和設(shè)計(jì)最佳平整面，根據(jù)農(nóng)田地勢的實(shí)際高程與設(shè)計(jì)高程的落差自動(dòng)精準(zhǔn)控制鏟車的升降從而實(shí)現(xiàn)土地平整[4-5]。GNSS控制平地技術(shù)適用于各種地形，具有不受陽光、風(fēng)力、地勢起伏等外界因素影響的優(yōu)點(diǎn)，可以非常便捷地進(jìn)行地形測量、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)面和土地平整，智能化和自動(dòng)化程度較高，并且可擴(kuò)展功能多，有著非常好的工作效率與發(fā)展前景[6-7]。

GNSS平地技術(shù)已在美國等發(fā)達(dá)國家得到了應(yīng)用，包括Trimble公司的FieldLevel Ⅱ、Topcon公司的System 310、麥格集團(tuán)的GCS900等系統(tǒng)，但其價(jià)格昂貴、安裝較復(fù)雜、對國內(nèi)農(nóng)田環(huán)境和農(nóng)用機(jī)械適用性較弱，不利于我國產(chǎn)業(yè)化推廣[8]。目前，我國前期研究的GNSS農(nóng)田平整系統(tǒng)具有相對完善的功能，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)精細(xì)農(nóng)業(yè)研究中心自2009年開始研發(fā)適合國內(nèi)的GNSS智能化精細(xì)平地系統(tǒng)，經(jīng)過幾年的研究，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田地形測量、平面平整、坡面平整、軟硬件開發(fā)和系統(tǒng)集成。該系統(tǒng)精度高，能滿足土地精細(xì)平整和灌溉需求[8-10]，但還存在對農(nóng)田信息處理手段單一，在作業(yè)過程中缺少路徑規(guī)劃，容易出現(xiàn)鏟車空載、滿載、漏平和重平等問題，每塊農(nóng)田需要反復(fù)幾次平整才能達(dá)到精度要求，作業(yè)效率低。

本文分析GNSS平地系統(tǒng)原理[7]，結(jié)合農(nóng)田平整實(shí)際要求及作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，在改進(jìn)系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上，對在地形測量后生成遍歷農(nóng)田的路徑，指導(dǎo)平地作業(yè)，提高平地效率問題進(jìn)行研究，提出一種基于地勢信息的全局路徑規(guī)劃算法，并通過仿真對比試驗(yàn)驗(yàn)證算法的可行性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了提高平地效率，增加拖拉機(jī)行走的目的性，根據(jù)GNSS精細(xì)農(nóng)田平整的工作原理，結(jié)合實(shí)際需求，提出系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，在硬件、方法和軟件方面進(jìn)行改進(jìn)。系統(tǒng)組成和系統(tǒng)總體框架如圖1和圖2所示。選擇赫斯曼公司生產(chǎn)的MA- 004- 111NA型銷軸力傳感器對鏟車載荷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，傳感器參數(shù)為：額定載荷0～4 t，安全過載150%，供電電壓10～30 V DC，輸出信號4～20 mA。

圖1 系統(tǒng)硬件組成Fig.1 System hardware components1.拖拉機(jī) 2.平地鏟 3.液壓系統(tǒng) 4.智能控制終端 5.移動(dòng)站 6.移動(dòng)站電臺(tái) 7.基站 8.銷軸拉力傳感器

圖2 GNSS農(nóng)田路徑規(guī)劃系統(tǒng)框圖Fig.2 Design of GNSS path planning system

2 平地路徑規(guī)劃建模與算法描述

2.1 土地平整路徑規(guī)劃概述

常規(guī)的土地平整過程中，拖拉機(jī)始終保持直線行駛，到地頭進(jìn)行轉(zhuǎn)向。這種方法操作要求低，線路明確簡潔，但是在作業(yè)過程中容易出現(xiàn)平地鏟空載、滿載的情況，鏟車空載、滿載導(dǎo)致系統(tǒng)處于無土可卸、挖不動(dòng)土的無效作業(yè)狀態(tài)，在這種狀態(tài)下拖拉機(jī)行駛過的農(nóng)田地形沒有得到改善，由于作業(yè)人員無法確定其位置，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)漏平、重平的情況。為達(dá)到預(yù)期的平整效果，需要進(jìn)行多次遍歷農(nóng)田的平地作業(yè)，極大影響了平地效率。

農(nóng)田土地平整的路徑規(guī)劃通過地形測量獲取農(nóng)田地勢信息，建立農(nóng)田環(huán)境模型，利用路徑規(guī)劃算法分析地形三維數(shù)據(jù)，生成最有效的、遍歷整個(gè)農(nóng)田的路徑指導(dǎo)作業(yè)。

圖3 路徑規(guī)劃流程Fig.3 Flow chart of path planning algorithm

路徑規(guī)劃流程如圖3所示：①首先進(jìn)行農(nóng)田的地形測量，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、誤差處理和插值處理獲取農(nóng)田地勢信息。②根據(jù)地勢信息計(jì)算農(nóng)田基準(zhǔn)高程。③生成農(nóng)田地勢信息圖，顯示每一塊區(qū)域的挖填土方量，直觀地表示農(nóng)田各個(gè)位置的高低程度。④根據(jù)地勢信息和全局路徑規(guī)劃算法，生成最優(yōu)路徑指導(dǎo)作業(yè)。⑤作業(yè)過程中，利用拉力傳感器反饋鏟車載荷，工作人員可以根據(jù)規(guī)劃路徑、鏟車載荷和地勢信息圖判斷拖拉機(jī)行駛方向。

2.2 算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.2.1環(huán)境建模方法

由于農(nóng)田環(huán)境復(fù)雜，形狀差異較大，拖拉機(jī)體積過大，無法靈活移動(dòng)等原因，現(xiàn)有的環(huán)境建模方法無法滿足要求，本文將柵格法與模板模型法相結(jié)合，建立一種適用于土地平整的農(nóng)田地勢環(huán)境建模方法。

農(nóng)田土地平整的地形測量首先進(jìn)行邊界測量，確定農(nóng)田形狀，人為選取邊界上一個(gè)位置為原點(diǎn)，拖拉機(jī)從原點(diǎn)出發(fā)，繞農(nóng)田一圈回到原點(diǎn)，如圖4所示；GNSS測得數(shù)據(jù)組成邊界點(diǎn)顯示在地圖上反映農(nóng)田形狀。

圖4 邊界測量Fig.4 Boundary measurement

由于GNSS在邊界測量過程中收集的數(shù)據(jù)為拖拉機(jī)行駛的位置信息，路線曲折并且四角呈弧形，不滿足環(huán)境建模標(biāo)準(zhǔn)，本文利用方向包圍盒方法(Oriented bounding box, OBB)對邊界進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[11]。首先確定農(nóng)田中心點(diǎn)C(xc,yc)的位置

(1)

尋找與C點(diǎn)距離最短的點(diǎn)P(xp,yp),利用lCP確定OBB主軸；生成包圍盒如圖5所示，即為環(huán)境邊界。

圖5 環(huán)境邊界Fig.5 Boundary of environment

在生成環(huán)境邊界后，對內(nèi)部區(qū)域進(jìn)行單元格劃分，并預(yù)留兩側(cè)區(qū)域?yàn)檗D(zhuǎn)彎地頭。由于拖拉機(jī)不同于普通機(jī)器人，靈活度不高，并且在平地過程中，應(yīng)盡量保持直線行駛，普通柵格并不適用。本文將單元格設(shè)定為長方形，借鑒常規(guī)土地平整方法，即保證拖拉機(jī)的直線行駛，在特定情況轉(zhuǎn)向，減少操作難度，如圖6所示。

圖6 單元格劃分Fig.6 Cell division

由于地塊大小不統(tǒng)一，如先確定單元格長Lb，可能出現(xiàn)剩余地頭區(qū)域極大或極小的情況，所以先確定地頭長La為平地鏟寬度r，既保證鏟車對區(qū)域的全覆蓋，又給拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向留有足夠空間。將兩側(cè)地頭內(nèi)部區(qū)域分成單元格，其中單元格的寬度d與La相同，為平地鏟寬度r，保證鏟車在單元格內(nèi)挖填土無剩余區(qū)域；由于GNSS農(nóng)田平整系統(tǒng)用于精細(xì)平整，農(nóng)田最大高度差Sd在10 cm以下[12-15]，為保證鏟車在一個(gè)單元格內(nèi)不空載、滿載，根據(jù)平地鏟規(guī)格(表1)。由計(jì)算土方量的公式可得

(2)

表1 旱田平地鏟主要參數(shù)Tab.1 Parameters of upland field shovel

此單元格設(shè)定的意義在于保證拖拉機(jī)在其中直線行駛，即Lb不能太小。首先求出一行單元格個(gè)數(shù)p及余數(shù)q，再計(jì)算出單元格長Lb，保證6 m≤Lb≤7 m，即

(3)

(4)

式中L——環(huán)境邊界長

2.2.2路徑規(guī)劃算法

路徑規(guī)劃旨在于在地圖中生成一條遍歷整個(gè)農(nóng)田的作業(yè)路徑，在環(huán)境建?；A(chǔ)上生成地勢信息圖；通過整體地勢判斷，確定路徑走向，在生成過程中根據(jù)特定原則進(jìn)行局部調(diào)整；遍歷后更新地勢信息圖，針對由空載、滿載造成的未完全平整單元格進(jìn)行二次規(guī)劃平整，達(dá)到不漏平、重平，提高平整效率的效果[16-19]。算法流程圖如圖7所示。

圖7 算法流程圖Fig.7 Flow chart of algorithm

算法具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)標(biāo)定單元格

地形測量后，通過誤差處理剔除極點(diǎn)，計(jì)算基準(zhǔn)高程Hav，并根據(jù)邊界測量點(diǎn)生成標(biāo)準(zhǔn)化農(nóng)田地形；將測得高程數(shù)據(jù)根據(jù)位置映射到單元格中，求出每個(gè)單元格內(nèi)高程點(diǎn)的均值以表示單元格的平均高程，即

(5)

式中H1、H2、…、Hn——單元格內(nèi)各點(diǎn)高程

通過比較單元格平均高程與基準(zhǔn)高程，得到其高、低程度并計(jì)算其挖填土方量Vij為

Vij=2.5Lb(Hav-Hij)

(6)

本文通過系統(tǒng)中地形測量功能于中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊實(shí)驗(yàn)站收集的真實(shí)農(nóng)田數(shù)據(jù)，利用算法生成地勢信息圖，如圖8所示。

圖8 地勢信息圖Fig.8 Dialog of terrain information

(2)地勢分析

將農(nóng)田縱向均分為二，分別計(jì)算總挖填土方量，判斷地勢高低；計(jì)算每一行單元格挖填土方量，用V1，V2，…，Vn表示；規(guī)定拖拉機(jī)在地勢高側(cè)地頭轉(zhuǎn)向時(shí)，其目標(biāo)行挖填土方量與當(dāng)前載荷量之和最小，且大于0；拖拉機(jī)在地勢低側(cè)地頭轉(zhuǎn)向時(shí)，其目標(biāo)行挖填土方量與當(dāng)前載荷量之和最大，且小于1.7 m3。

(3)路徑生成

路徑生成的基本原則為：在保證鏟車不空載、滿載的情況下，保持直線行駛，拖拉機(jī)的目標(biāo)點(diǎn)為其所在單元格左前、前和右前3個(gè)單元格。首先計(jì)算V1，V2，…，Vn絕對值，從小到大判斷每一行兩端單元格中土方量較大且大于0的單元格為路徑起始點(diǎn)，開始生成路徑。生成標(biāo)準(zhǔn)為：通過計(jì)算鏟車內(nèi)當(dāng)前土方量與目標(biāo)單元格土方量之和，預(yù)測鏟車狀態(tài)，設(shè)定空載、滿載閾值，鏟車內(nèi)土方量在2個(gè)閾值范圍內(nèi)，則視為有效作業(yè)，即

V0≤Vh≤Vs

(7)

式中V0——空載閾值，為0

Vs——滿載閾值，為1.7 m3

①首先計(jì)算鏟車內(nèi)土方量與前方單元格土方量之和Vh，如果在閾值范圍之內(nèi)，說明拖拉機(jī)直行過下一個(gè)單元格鏟車始終保持有效作業(yè)狀態(tài)，生成直行路徑，更新鏟車內(nèi)土方量為Vh，更新前方單元格土方量為0，對左右兩側(cè)單元格不予考慮。

②如鏟車內(nèi)土方量與前方單元格土方量之和超出閾值范圍，分別計(jì)算其與左前、右前單元格土方量之和，如果都不在范圍之內(nèi)，則說明拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向不能避免空載、滿載，則繼續(xù)保持直行至前方單元格，更新鏟車內(nèi)土方量為V0或Vs，前方單元格土方量減少V0-Vh或Vs-Vh。

③如果計(jì)算鏟車內(nèi)土方量與左前、右前單元格土方量之和的其一在閾值范圍內(nèi)，則說明拖拉機(jī)只有轉(zhuǎn)向才能進(jìn)行有效平整，則生成轉(zhuǎn)向路徑，更新鏟車內(nèi)土方量為Vh，更新前方單元格土方量為0。

④如左前、右前均滿足條件，則同時(shí)生成2條路徑，說明兩側(cè)均能進(jìn)行有效平整，并且路徑一分為二同時(shí)繼續(xù)生成路徑。

⑤路徑生成至地頭位置，按照地勢分析中地頭轉(zhuǎn)向原則選取目標(biāo)單元格繼續(xù)生成路徑。

⑥所有路徑遍歷整個(gè)農(nóng)田后，由轉(zhuǎn)彎計(jì)數(shù)器記錄每種路徑的轉(zhuǎn)彎數(shù)量，選擇轉(zhuǎn)彎數(shù)量最少的路徑為最終生成路徑。

(4)二次平整路徑生成

由于農(nóng)田地勢情況復(fù)雜，常規(guī)土地平整需要多次遍歷農(nóng)田作業(yè)才能達(dá)到目標(biāo)平整度。通過生成路徑平整后仍可能出現(xiàn)少數(shù)空載、滿載情況，本方法在一次遍歷作業(yè)后更新地勢信息圖，標(biāo)記空載、滿載單元格，顯示單元格挖填土方量，并以避免空載、滿載及路徑最短為原則，生成二次平整路徑，確保土地完全平整，提高平整效率。

3 仿真對比試驗(yàn)

為驗(yàn)證本文提出的基于GNSS農(nóng)田平整的全局路徑規(guī)劃算法的可行性，在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊實(shí)驗(yàn)站，選取2塊大小、地勢不同的試驗(yàn)田，設(shè)定為農(nóng)田1、農(nóng)田2，收集真實(shí)地形數(shù)據(jù)，對其分別進(jìn)行對比仿真試驗(yàn)，在地勢信息圖上生成路線示意圖，對比規(guī)劃路徑與2種常規(guī)路徑在一次遍歷后的空載、滿載情況以及剩余挖填土方量，計(jì)算完全平整效率，對本方法效果進(jìn)行判斷。仿真生成路徑以農(nóng)田1為例。

3.1 一次遍歷試驗(yàn)

一次遍歷試驗(yàn)路徑生成如圖9～11所示。

圖9 農(nóng)田1常規(guī)螺旋形Fig.9 Conventional spiral of No.1 farmland

圖10 農(nóng)田1常規(guī)蛇形Fig.10 Conventional serpentine of No.1 farmland

圖11 農(nóng)田1規(guī)劃路徑Fig.11 Path planning of No.1 farmland

一次遍歷后地勢信息與三維地形如圖12～14所示。

圖12 農(nóng)田1常規(guī)螺旋形地形圖Fig.12 Conventional spiral topographic map of No.1 farmland

圖13 農(nóng)田1常規(guī)蛇形地形圖Fig.13 Conventional serpentine topographic map of No.1 farmland

圖14 農(nóng)田1規(guī)劃路徑地形圖Fig.14 Path planning topographic map of No.1 farmland

3.2 完全平整試驗(yàn)

經(jīng)過一次遍歷后，農(nóng)田地勢有明顯改善，但由于在過程中有無效作業(yè)情況，一些單元格地勢沒有改變，需要繼續(xù)平整直至所有單元格挖填土方量為0。

農(nóng)田1利用常規(guī)螺旋形路徑經(jīng)過3次遍歷達(dá)到完全平整，共經(jīng)過240個(gè)單元格；利用常規(guī)蛇形路徑經(jīng)過2次遍歷達(dá)到完全平整，共經(jīng)過191個(gè)單元格；規(guī)劃路徑共經(jīng)過100個(gè)單元格。農(nóng)田2利用常規(guī)螺旋形路徑經(jīng)過2次遍歷達(dá)到完全平整，共經(jīng)過126個(gè)單元格；利用常規(guī)蛇形路徑經(jīng)過2次遍歷達(dá)到完全平整，共經(jīng)過181個(gè)單元格；規(guī)劃路徑共經(jīng)過84個(gè)單元格。農(nóng)田1規(guī)劃路徑如圖15所示。

圖15 農(nóng)田1完全平整規(guī)劃路徑Fig.15 Planning level path of No.1 farmland

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)以真實(shí)農(nóng)田數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用本文算法生成作業(yè)路徑，仿真規(guī)劃路徑與2種常規(guī)路徑在相同地塊平整過程，通過地勢信息圖變化，計(jì)算得到一次遍歷后空載、滿載率，挖填土方量和完全平整效率，如表2、3所示。

2塊農(nóng)田由于大小、地勢不同，利用相同路徑方法得到的結(jié)果不同，由表2可知，常規(guī)螺旋形和常規(guī)蛇形路徑空載、滿載率在20%以上，完全平整效率不超過41%，規(guī)劃路徑一次遍歷后空載、滿載率僅為11%，完全平整效率為77%；由表3可知，常規(guī)蛇形路徑效果一般，一次遍歷空載、滿載率為46%，說明有效作業(yè)僅達(dá)到50%左右，完全平整效率為34.6%，常規(guī)螺旋形路徑效果稍好，有73%的有效作業(yè)率及50%的完全平整效率，規(guī)劃路徑有效作業(yè)率達(dá)到86%，完全平整率達(dá)到75%。

由試驗(yàn)可知，常規(guī)平整方法由于路徑固定，對于不同地勢分布農(nóng)田效果一般且波動(dòng)較大，容易出現(xiàn)空載、滿載現(xiàn)象，達(dá)到預(yù)期效果需要多次平整，完全平整效率低；相對于常規(guī)方法，本文提出的路徑規(guī)劃方法可以減少無效作業(yè)時(shí)間，不受農(nóng)田地形影響，提高平整效率。

表2 農(nóng)田1對比結(jié)果Tab.2 Compared results of No.1 farmland

表3 農(nóng)田2對比結(jié)果Tab.3 Compared results of No.2 farmland

4 結(jié)論

(1)在GNSS精細(xì)土地平整集成系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了鏟車載荷監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取載荷信息，便于工作人員了解鏟車狀態(tài)，作業(yè)過程中可及時(shí)進(jìn)行局部調(diào)整。

(2)提出了一種適用于農(nóng)田土地平整的環(huán)境建模方法，根據(jù)地形測量信息，利用OBB包圍盒方法規(guī)范農(nóng)田邊界，利用特定算法對農(nóng)田內(nèi)部單元格化。通過對GNSS信號的處理，生成地勢信息圖，顯示每一個(gè)區(qū)域的挖填土方量，直觀地反映了農(nóng)田的地勢分布情況，結(jié)合鏟車載荷監(jiān)控系統(tǒng)，預(yù)測鏟車狀態(tài)，避免空載、滿載情況發(fā)生。

(3)提出了一種可以遍歷整個(gè)農(nóng)田的路徑規(guī)劃算法，利用真實(shí)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真對比試驗(yàn)，與兩種常規(guī)GNSS平整作業(yè)路徑相比，提出的路徑規(guī)劃算法鏟車空載、超載率最小，一次平整后剩余挖填土方量最少，完全平整效率大幅度提高。綜合分析表明，該算法可滿足土地精細(xì)平整與灌溉要求，提高了平地效率。

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