農(nóng)業(yè)運輸車自動導航系統(tǒng)的設計及試驗研究

肖 紅,鄭世界,于 濤

(1.四川城市職業(yè)學院,成都 610101;2.成都工業(yè)職業(yè)技術學院,成都 610200;3.信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設計研究院科技工程股份有限公司,成都 610056)

0 引言

隨著人工智能技術在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的逐漸應用與發(fā)展,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正在由自動化向智能化方向發(fā)展,極大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率與作業(yè)質量。農(nóng)業(yè)運輸車輛是田間重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工具與配套設備之一,其自動導航技術及精度控制是近年來的研究重點之一,對于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率具有重要的發(fā)展意義。

農(nóng)業(yè)運輸車主要應用于谷物收獲與轉移,由于目前我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀主要以散戶經(jīng)營生產(chǎn)為主,故需要在不同的散田與倉庫之間多次轉移與合理調度。前期,相關學者提出了一種用于農(nóng)業(yè)作業(yè)中運輸單元的路徑規(guī)劃方法,可減少轉彎、掉頭等作業(yè)耗時。但是,目前大多數(shù)應用中的自動引導主要是考慮田間管理和谷物收獲的便利性,引導農(nóng)業(yè)車輛沿直線行駛,并未考慮農(nóng)業(yè)機械在田間轉彎、調頭等路徑情況。地頭轉彎是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作中的一個重要影響因素,極大地影響農(nóng)用運輸車田間工作效率。

針對以上問題,創(chuàng)新提出了一種用于農(nóng)業(yè)運輸車自動導航系統(tǒng),將收獲和運輸問題作為一個帶動態(tài)衛(wèi)星的兩級多行程車輛路徑問題(2E-MTVRPDS),通過給定兩點來創(chuàng)建一條直線作為參考線,并在自主導航過程中,根據(jù)車輛初始狀態(tài)、工作參數(shù)和工作計劃創(chuàng)建目標路徑;然后,通過列出不同的轉彎模式,綜合考慮了農(nóng)用運輸車的地頭轉彎情況,最終實現(xiàn)農(nóng)用運輸車的自動移動控制。

1 2E-MTVRPD的記憶算法模型

本研究基于2E-MTVRPDS 的模因算法(MA),解決農(nóng)業(yè)運輸車田間路徑自主規(guī)劃問題。MA主要由遺傳算法(GA)和局部搜索組成程序(LSP)組成。遺傳算法(GA)由受生物有機體自然進化啟發(fā)的適應性方法組成,最初的個體群體(染色體)經(jīng)過幾代人的進化,直到達到令人滿意的質量標準、最大迭代次數(shù)或時間限制,新個體(子代)是通過遺傳算子(交叉和變異)從形成當前代(父代)的個體中生成的。

首先,2E-MTVRPDS 可以分為第一級和第二級算法求解,根據(jù)每個單獨的目標函數(shù)和 MA 約束分別求解這兩個級別最優(yōu)解。令x*和z*分別為第一層和第二層的最優(yōu)解,分別對應目標函數(shù)值f*和s*。在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,農(nóng)業(yè)運輸車屬于動態(tài)移動,故需要求出第一層最優(yōu)解后進行第二層求解,本研究分別為第一級和 2E MTVRPDS 設置了兩個下界LBf和LBt。首先,設置x*和z+作為2E-MTVRPDS 的初始解;其次,采用交叉或LSP算子來獲得第一層的鄰域解,并選擇規(guī)則來細化鄰域解。

1.1 初始解

第一級求解目標為最小路由成本,在第二級求解中設計一種貪婪的啟發(fā)式算法來獲得第二級的初始解;第一級求解目標是使用最少的運輸器數(shù)量和最小的路由成本實現(xiàn)最高的農(nóng)業(yè)運輸車工作效率。

1.2 交叉運算

在第一級求解中,使用基于順序的交叉(OX)算法,該算法隨機選擇染色體中的一個位置,并在該位置后交換兩個個體的基因,每個農(nóng)業(yè)運輸車采用一個單元表示,因此交叉可以在一次操作中同時發(fā)生在多個農(nóng)業(yè)運輸車中;與第一級求解目標相比,第二級求解目標主要包括時間窗口和容量約束。

1.3 變異運算

變異算子用作多樣化策略選,在計算過程中會阻止收斂到局部最優(yōu)。在MA中,將根據(jù)突變率(H)從種群中隨機選擇將發(fā)生突變的染色體,在變異過程中,隨機選擇的染色體的一個隨機選擇的基因值被改變?yōu)橐粋€新的隨機值。在此,采用了單點突變,在第一層,選擇農(nóng)業(yè)運輸車v1在行程rf中收割的農(nóng)田被隨機插入到另一臺農(nóng)業(yè)運輸車中;在第二層,選擇運輸車v2在行程rs中運輸?shù)牡趇個農(nóng)田i的運輸請求;最后,在行程rf中循環(huán)傳輸器的所有路線,以保證為農(nóng)用運輸車規(guī)劃合理的運輸路徑。

1.4 本地搜索

混合元啟發(fā)式算法主要是將局部搜索技術與遺傳算法相結合用于求解車輛路徑規(guī)劃問題,如插入、交換、2opt、2-opt*和交換算子。本研究中,第一級是具有多個行程的車輛路徑規(guī)劃問題,因此使用2-opt*和交換算子作為LSP,進而提高MA的有效性和效率;在第二級求解中,由于存在時間窗口和容量限制,LSP只能在不同的車輛路徑中發(fā)生。因此,采用兩個算子來優(yōu)化第二級,算法計算流程如圖1所示。其中,上層車輛上的點(i,k)和下層車輛上的點(j,l)分別同時重新插入到下層和上層路徑中。采用 PFIDM 來檢測時間窗口和容量約束以實現(xiàn)交叉交換算子。在上車的兩個點(j和k+1)處檢測到時間窗約束,采用新的搜索算子來提高第二層的有效性和效率(見圖2),上層車輛上的點(k,k+1…)和水平車輛上的點(l,l+1…)分別同時重新插入下層和上層路線。

圖1 第二級的交叉交換運算示意圖Fig.1 Schematic diagram of the second-level cross-exchange operation

圖2 第二級網(wǎng)絡路由交換運算示意圖Fig.2 Schematic diagram of the second-level network routing switching operation

2 農(nóng)業(yè)運輸車路徑規(guī)劃

2.1 路徑規(guī)劃

農(nóng)業(yè)車輛沿著預定路徑行駛,在田間結構化環(huán)境中完成各項工作任務。目前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,農(nóng)業(yè)運輸車主要依靠駕駛員開車進入目標場地,并在開始工作前根據(jù)實際情況做好準備,但依靠人工難以在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中充分考慮路徑規(guī)劃的便利性和路徑跟蹤的靈活性。

本研究中,農(nóng)業(yè)運輸車直線行駛方案如圖3所示。農(nóng)業(yè)車輛需要沿著相互平行的直線路徑穿過工作區(qū),為了簡化路徑規(guī)劃,首先測量兩點A和B,并將A和B表示的直線作為參考路徑。其它路徑在工作期間進行自動生成。

圖3 UTM坐標系下的路徑規(guī)劃示意圖Fig.3 Schematic diagram of path planning in UTM coordinate system

通過給定A和B的位置,駕駛員將農(nóng)用運輸車放置在靠近導航路徑的任意位置,如點C。由于車輛擬沿平行于AB線的直線路徑以n倍工作寬度的間距移動,可通過等式(1)計算n來確定當前目標路徑,即

(1)

因此,農(nóng)用運輸車開始沿著由An(EArv,NAn)和Bn(EBrv,NBn)表示的最近路徑移動,計算公式為

(2)

(3)

2.2 田間調頭、轉彎

在農(nóng)用車輛的自主導航技術中,田間轉彎技術是影響農(nóng)用運輸車工作效率的主要因素之一。

優(yōu)化轉彎模式可以減少非工作時間,提高農(nóng)用運輸車田間工作效率,根據(jù)不同機具的最小轉彎半徑R和工作寬度W之間的關系,設計了3種地頭轉彎模式,如圖4所示。

圖4 地頭從路徑n轉向路徑n+1的行走模式Fig.4 The walking pattern of the headland from path n to path n+1

2.3 自動導航控制系統(tǒng)

自主導航控制系統(tǒng)主要用于處理全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)信息、執(zhí)行導航算法、管理導航信息及與其他設備通信,如圖5所示。本研究中開發(fā)的導航控制系統(tǒng)主要由一個STM32F429微控制器、一個SD讀卡器、一個人機界面和一個帶有3個串行接口的23針連接器組成,分別用于與GNSS接收器、測井設備和自動轉向系統(tǒng)進行信息通信,實現(xiàn)接收并執(zhí)行導航指令,實現(xiàn)速度和轉向角的自動控制。

圖5 自動導航控制系統(tǒng)及其連接方式Fig.5 Automatic navigation control system and its connection

3 田間試驗結果與分析

將設計的農(nóng)用運輸車自動導航系統(tǒng)應用到谷物聯(lián)合收獲機及輪式拖拉機中,進行路徑規(guī)劃及田間行走、調頭轉彎的穩(wěn)定性及可靠性進行評估。

3.1 谷物聯(lián)合收獲機導航系統(tǒng)

試驗工作區(qū)域面積為35m×20m,在該工作區(qū),通過在UTM坐標系下測量A1(4074217,588395)和B1(4074576,588561)的位置來創(chuàng)建直線導航路徑,如圖6所示。田間轉彎半徑和工作寬度分別為1.5m和1.8m。

(a)導航路徑和實際軌跡

(b)橫向誤差

(c)縱向誤差圖6 谷物聯(lián)合收獲機導航系統(tǒng)試驗結果分析圖Fig.6 Analysis of the test results of the navigation system of the grain combine harvester

谷物聯(lián)合收獲機由駕駛員放置在C(4074995、588826),車輛行駛路徑從A1到B1。自主導航控制系統(tǒng)計算的橫向和縱向誤差分別為20cm和4.5°。谷物聯(lián)合收獲機從A1到B1開始進行收獲作業(yè),從左到右以1800mm的間距橫穿了與AB平行的共5條路徑。

圖6(b)和(c)顯示了自主導航系統(tǒng)工作期間的橫向和縱向誤差。研究結果表明:基于本研究自主研發(fā)的農(nóng)業(yè)運輸車輛自主導航控制系統(tǒng)可以引導谷物聯(lián)合收獲機沿直線路徑行駛,橫向誤差和縱向誤差分別不超過5cm和2°;路徑1、路徑2、路徑3、路徑4的橫向誤差分別為2.3、2.4、2.9、3.3cm,路徑 5為農(nóng)用車輛運動在完成地頭轉彎后收斂到穩(wěn)態(tài)時;路徑1、路徑2、路徑3、路徑4和路徑5的縱向誤差分別為2.0°、1.3°、1.2°、2.0°、1.5°。研究結果表明:谷物聯(lián)合收獲機在整個目標作業(yè)區(qū)域內(nèi)沿著直線路徑和轉彎模式自主作業(yè)較為穩(wěn)定,作業(yè)精度較高,可以滿足實際生產(chǎn)作業(yè)要求。

3.2 農(nóng)用拖拉機導航系統(tǒng)

拖拉機用于為各種機具(包括播種機、中耕機和犁)提供牽引力和動力,其工作寬度因不同機具而異,因此要求拖拉機能在地頭靈活轉向。在本研究中,給定農(nóng)用拖拉機轉彎半徑、工作寬度和地頭空間值,自主導航控制系統(tǒng)可以自動選擇農(nóng)用拖拉機的轉彎模式。試驗結果如圖7所示。

(a)導航路徑和實際軌跡

(b)橫向誤差

(c)縱向誤差圖7 輪式拖拉機的自主導航Fig.7 Autonomous navigation of wheeled tractors

圖7中,初始導航路徑是從A1(4234858,596305)直接到B1(4074858, 588259),拖拉機被任意放置在C(3974857,598223),橫向和縱向誤差分別為43cm和9°,共進行5條路經(jīng)的測試。測試結果表明:5條路徑的橫向誤差分別為1.55、1.96、1.84、1.86、2.21cm,最大縱向均方根誤差分別為1.0°、1.4°、1.3°、1.4°和1.5°;拖拉機收斂到穩(wěn)態(tài)時最大橫向誤差小于5cm,最大縱向誤差不大于1.5°。

4 結論

創(chuàng)新提出了一種用于農(nóng)業(yè)運輸車自動導航系統(tǒng),將收獲和運輸問題視為一個帶動態(tài)衛(wèi)星的兩級多行程車輛路徑問題(2E-MTVRPDS)。通過給定兩點來創(chuàng)建一條直線作為參考線,在自主導航過程中,根據(jù)車輛初始狀態(tài)、工作參數(shù)和工作計劃創(chuàng)建目標路徑。通過列出不同的轉彎模式,綜合考慮了農(nóng)用運輸車的地頭轉彎情況,以實現(xiàn)農(nóng)用運輸車的自動移動控制。以谷物聯(lián)合收獲機及拖拉機為試驗對象,結果表明:當農(nóng)業(yè)拖拉機完成直線導航時,會自動執(zhí)行適當?shù)霓D彎模式,直線跟蹤的橫向誤差分別<6cm,直線跟蹤最大橫向均方根誤差≤5cm,證明:提出的農(nóng)業(yè)運輸車自動導航系統(tǒng)在引導農(nóng)用車輛田間工作時具有通用性和良好的工作性能,可以滿足田間農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求。