無人駕駛農(nóng)機自主作業(yè)路徑規(guī)劃方法

翟衛(wèi)欣，王東旭,2，陳智博，董 靚，趙 欣，吳才聰

·農(nóng)業(yè)裝備工程與機械化·

無人駕駛農(nóng)機自主作業(yè)路徑規(guī)劃方法

翟衛(wèi)欣1，王東旭1,2，陳智博1，董 靚1，趙 欣1，吳才聰1※

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083；2. 中國兵器工業(yè)計算機應(yīng)用技術(shù)研究所，北京 100089）

針對無人駕駛農(nóng)機自主作業(yè)的應(yīng)用需求，該研究設(shè)計了一種基于區(qū)塊套行作業(yè)模式的路徑規(guī)劃方法，以生成含有速度指令和機具狀態(tài)指令的可執(zhí)行路徑，重點解決田內(nèi)作業(yè)的四邊形地塊適應(yīng)性、無人駕駛農(nóng)機適應(yīng)性和農(nóng)田作業(yè)路徑完整規(guī)劃等問題。該方法由農(nóng)田信息處理模塊和路徑規(guī)劃模塊組成，農(nóng)田信息處理模塊將測繪產(chǎn)生的地塊輪廓數(shù)據(jù)和障礙物數(shù)據(jù)處理為便于運算的地塊輪廓點數(shù)據(jù)和障礙物輪廓點數(shù)據(jù)形式，然后由路徑規(guī)劃模塊利用用戶輸入的作業(yè)方向、作業(yè)幅寬、轉(zhuǎn)彎半徑和起始方位等作業(yè)參數(shù)，經(jīng)過作業(yè)梯形區(qū)生成、掉頭區(qū)與作業(yè)區(qū)劃分、作業(yè)條帶分割、障礙物條帶處理、作業(yè)條帶路由、掉頭路徑生成和最終指令路徑生成等子模塊，最終生成無人駕駛農(nóng)機的指令路徑。仿真試驗結(jié)果表明，相對于相鄰法，該方法的作業(yè)面積比及作業(yè)路程比分別提升了10.0%和8.8%。播種作業(yè)田間試驗結(jié)果表明，無人駕駛農(nóng)機自主作業(yè)的橫向偏差的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為左偏0.002和0.027 m，滿足作業(yè)要求。研究結(jié)果表明，該研究提出的方法適應(yīng)不同的四邊形農(nóng)田和障礙物，可以結(jié)合不同的作業(yè)參數(shù)完成路徑規(guī)劃，能夠滿足無人駕駛農(nóng)機自主作業(yè)的需求。

農(nóng)業(yè)機械；自動駕駛；自主作業(yè)；路徑規(guī)劃

0 引 言

隨著云定位和協(xié)同精密定位等技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)機自動駕駛技術(shù)已大規(guī)模應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，有利于降低勞動強度、提高作業(yè)質(zhì)量和提升勞動效率[1-2]。在農(nóng)機自動駕駛技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展的農(nóng)機無人駕駛技術(shù)，則致力于進一步減少勞動力數(shù)量，以應(yīng)對農(nóng)業(yè)勞動力日益緊缺和用工成本日益高漲等嚴(yán)峻問題[3]。相較于農(nóng)機自動駕駛，農(nóng)機無人駕駛在作業(yè)速度和機具動作指令等方面，對路徑規(guī)劃提出了更高的要求[4]，需要研發(fā)基于指令的農(nóng)機作業(yè)路徑規(guī)劃方法，特別是研發(fā)適應(yīng)不同四邊形農(nóng)田、不同農(nóng)藝、不同機具和不同工序的農(nóng)機路徑規(guī)劃方法。

與行人、移動機器人、車輛和無人機等場景不同[5-8]，農(nóng)機作業(yè)路徑規(guī)劃的主要目標(biāo)是高效地實現(xiàn)農(nóng)田全覆蓋作業(yè)[9]。目前，該領(lǐng)域的研究熱點主要集中在以AB線模式[10]為基礎(chǔ)的路由規(guī)劃[11]、地頭轉(zhuǎn)彎及障礙物處理等。在路由規(guī)劃方面，自從Bochtis等[12]提出以非作業(yè)路程為評價指標(biāo)以來，Conesa-Mu?oz等[13]引入了停車點適應(yīng)性，Rodias等[14]建立了油耗優(yōu)化與評估模型，Graf等[15]以總路程為指標(biāo)完成了2種圈型模式（circular pattern及circular pattern*）的設(shè)計和評估，Utamima等[16-17]提出進化混合鄰域搜索算法和進化分布式評估算法來優(yōu)化非作業(yè)路程。在地頭轉(zhuǎn)彎方面，孟志軍等[18]基于半圓形、梨形和魚尾形等轉(zhuǎn)彎模式進行了作業(yè)方向的優(yōu)化，Cariou等[19]提出了基于回旋曲線的掉頭方法，Boryga等[20]提出了基于多項式曲線的掉頭路徑規(guī)劃方法。在障礙物處理方面，奚小波等[21]面向圓形障礙物，設(shè)計了一種基于Bezier曲線的避障方法，Zhou等[22]提出了一種滿足農(nóng)田和障礙物適應(yīng)性的路網(wǎng)生成方法。

現(xiàn)有的農(nóng)機作業(yè)路徑規(guī)劃大多圍繞單一問題（如路由問題、掉頭問題或避障問題）進行算法優(yōu)化和仿真測試，以一個農(nóng)田作業(yè)任務(wù)為研究對象的完整規(guī)劃方法研究較少[23]，尚無法滿足無人駕駛農(nóng)機應(yīng)用需求。因此，本文面向農(nóng)機無人駕駛需要，設(shè)計完整的農(nóng)田作業(yè)路徑規(guī)劃方法，包括作業(yè)條帶分割、路由規(guī)劃、掉頭路徑生成、障礙物處理等模塊，生成包含指令信息的路徑點文件。為驗證方法的合理性和高效性，以真實地塊和農(nóng)機為基礎(chǔ)進行仿真試驗，并基于DF1004無人駕駛農(nóng)機開展田間播種試驗。

1 材料與方法

1.1 技術(shù)路線

路徑規(guī)劃方法架構(gòu)見圖1，主要包括農(nóng)田信息處理模塊和路徑規(guī)劃模塊。農(nóng)田信息處理模塊基于地塊輪廓測繪點數(shù)據(jù)和障礙物測繪點數(shù)據(jù)等農(nóng)田信息生成作業(yè)參數(shù)；路徑規(guī)劃模塊基于作業(yè)方向、作業(yè)幅寬、轉(zhuǎn)彎半徑和起始方位等作業(yè)參數(shù)計算出不同的農(nóng)田區(qū)域并生成包含指令信息的路徑點集，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。

1.2 農(nóng)田信息處理

農(nóng)田信息可通過對目標(biāo)農(nóng)田進行測繪獲取，測繪設(shè)備采集的位置數(shù)據(jù)坐標(biāo)系為WGS84（World Geodetic System 1984），為便于進行幾何規(guī)劃，需要將地圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為UTM（Universal Transverse Mercator，通用橫軸墨卡托投影）坐標(biāo)系。農(nóng)田信息主要分為2種，分別是地塊輪廓點數(shù)據(jù)和障礙物輪廓點數(shù)據(jù)，因此設(shè)計2種測繪方案和數(shù)據(jù)處理方法。地塊輪廓點數(shù)據(jù)獲取方法較為簡單，可以直接利用厘米級RTK（Real-Time Kinematic，動態(tài)載波相位差分）測繪裝置進行控制點采集獲取原始位置數(shù)據(jù)，并經(jīng)過地塊輪廓測繪點數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換為可直接運算的地塊輪廓點數(shù)據(jù)。

原始位置數(shù)據(jù)為csv格式，每一條數(shù)據(jù)包括點名稱、緯度、經(jīng)度和高程字段，經(jīng)過地塊輪廓測繪點數(shù)據(jù)處理提取緯度和經(jīng)度數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為UTM坐標(biāo)系格式，以數(shù)組形式存于內(nèi)存空間中。

農(nóng)田中的主要障礙物包括電線桿、電塔、溝渠、樹等，可簡化為點障礙物和線障礙物，為便于測繪和后續(xù)處理，在測繪時點的命名形式為“AA B C DDD”，其中，AA表示障礙物序號；B表示障礙物類型，共2類：點障礙物（用O表示）和線障礙物（用L表示）；C表示障礙物中的點序號；DDD表示障礙物點尺寸，點障礙物取半徑尺寸，線障礙物取寬度尺寸?？山茷閳A形的障礙物應(yīng)處理為點障礙物，利用測繪裝置及卷尺工具對其圓心和半徑進行測繪；長條形障礙物為線障礙物，利用測繪裝置對端點及轉(zhuǎn)折點進行測繪，并利用卷尺測繪其寬度。

無論點障礙物還是線障礙物，均可利用障礙物測繪點數(shù)據(jù)處理方法轉(zhuǎn)換為多邊形障礙物輪廓點數(shù)據(jù)。具體方法如下：1）通過對點名稱進行解析和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，獲取每個障礙物對象的測繪點列表，字段包括障礙物類型、障礙物中的點序號、點尺寸、東向坐標(biāo)和北向坐標(biāo)；2）根據(jù)障礙物類型的不同，構(gòu)造2種障礙物輪廓計算方式，并統(tǒng)一為多邊形形式，并用其頂點表示：線障礙物的點坐標(biāo)為邊中點，根據(jù)點尺寸和點坐標(biāo)，利用相鄰點的矢量垂線生成該點所在邊的兩端點，進而計算障礙物多邊形的頂點；點障礙物僅有1個測繪點，即障礙物圓心點，本研究用正多邊形表示，計算得到該多邊形的頂點。

1.3 “區(qū)塊套行”路徑規(guī)劃方法

本研究的“區(qū)塊套行”路徑規(guī)劃方法基于AB線[10]作業(yè)模式進行設(shè)計，主要適用于四邊形地塊，利用農(nóng)田信息處理模塊生成的地塊輪廓點數(shù)據(jù)和障礙物輪廓點數(shù)據(jù)等農(nóng)田信息，結(jié)合作業(yè)方向、作業(yè)幅寬、轉(zhuǎn)彎半徑和起始方位等作業(yè)參數(shù)，生成支持無人駕駛農(nóng)機執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的最終作業(yè)路徑點集文件。

路徑規(guī)劃過程見圖2，主要包括無人作業(yè)梯形區(qū)生成、掉頭區(qū)與作業(yè)區(qū)劃分、作業(yè)條帶分割、障礙物條帶處理、作業(yè)條帶路由、掉頭路徑生成、最終路徑生成等子模塊。

a. 無人作業(yè)梯形區(qū)生成a. Unmanned operation trapezoidal area generationb. 掉頭區(qū)與作業(yè)區(qū)劃分b. Turning area and operation area divisionc. 作業(yè)條帶分割c. Operation strip segmentationd. 障礙物條帶處理d. Obstacle strip processinge. 作業(yè)條帶路由e. Operation strip routing planningf. 掉頭路徑生成f. Turning path generationg. 最終路徑生成g. Final path generation

1）無人作業(yè)梯形區(qū)生成?？紤]到作業(yè)路徑的平行性要求，首先對地塊進行無人作業(yè)適應(yīng)性劃分，以作業(yè)方向為平行邊在四邊形地塊內(nèi)部構(gòu)建最大梯形，生成適應(yīng)于無人作業(yè)的梯形區(qū)，見圖2a。

2）掉頭區(qū)與作業(yè)區(qū)劃分。根據(jù)作業(yè)幅寬和轉(zhuǎn)彎半徑設(shè)置掉頭區(qū)的寬度turn，見式（1）。

進而利用作業(yè)方向參數(shù)在無人作業(yè)梯形區(qū)的非作業(yè)方向邊劃分2個寬度為turn的平行四邊形作為掉頭區(qū)（圖 2b）。

3）作業(yè)條帶分割。AB線的基本作業(yè)單元為作業(yè)條帶，因此本研究先對作業(yè)區(qū)進行作業(yè)條帶分割，生成作業(yè)直線——即作業(yè)條帶中心線（圖2c）。作業(yè)條帶方向為作業(yè)方向，寬度為作業(yè)幅寬，以近起始方位的梯形區(qū)平行邊為起始邊向另一邊進行延展，最終完成整個作業(yè)區(qū)的作業(yè)條帶分割。

4）障礙物條帶處理（圖2d）。障礙物條帶指與障礙物相交的作業(yè)條帶，由于線障礙物和點障礙物均已抽象為用頂點表示的多邊形形式，因此可以統(tǒng)一處理。本文障礙物繞行策略的優(yōu)化綜合考慮轉(zhuǎn)彎半徑、障礙物外形和作業(yè)條帶的綜合影響，詳見圖3。

如圖3a，首先對作業(yè)條帶的障礙物相交性進行判斷，定義相交及非相交條帶的編號分別為c和n，將作業(yè)條帶c劃分為前后2個作業(yè)段和中間繞行段，繞行段主要由繞行弧和繞行直線組成。繞行段的生成與障礙物多邊形和作業(yè)條帶n有關(guān)，首先找到障礙物前置與后置極限邊直線f和b，將其與作業(yè)條帶n進行相交得到繞行直線段的兩端點nf和nb，繞行曲線可分為“雙弧”和“弧-線-弧”形式，如圖3b和3c，繞行曲線形式的選擇與轉(zhuǎn)彎半徑和繞行寬度cir有關(guān)，當(dāng)cir≤2時，繞行曲線為“雙弧”形式，由2個相切弧組成，當(dāng)cir>2時，繞行曲線段為“弧-線-弧”形式，由2個4等分圓弧和連接線段組成。

5）作業(yè)條帶路由。為滿足高作業(yè)路程比要求，利用作業(yè)條帶路由方法對作業(yè)條帶進行排序（圖2e）。以作業(yè)路程比最大為目標(biāo)，構(gòu)造短掉頭路程的掉頭模式，要求相鄰順序作業(yè)的掉頭為U形模式，相鄰順序的作業(yè)直線間距離不小于2，且應(yīng)為作業(yè)幅寬的整數(shù)倍，因此采用區(qū)塊套行作業(yè)模式進行作業(yè)條帶路由方法設(shè)計。區(qū)塊作業(yè)模式將所有作業(yè)路徑（數(shù)量為operate）劃分為blocks個單元區(qū)塊和1個剩余區(qū)塊。

定義每個單元區(qū)塊作業(yè)條帶數(shù)為block，按式（2）計算：

則單元區(qū)塊數(shù)blocks按式（3）計算：