本發(fā)明涉及智能農(nóng)機(jī)，特別涉及一種無人輪式農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)場的軌跡規(guī)劃方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化、智能化是目前智能農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)研究方向，其研究核心就是盡可能減少勞動力的需求、降低生產(chǎn)成本、提高作業(yè)效率與質(zhì)量、提高農(nóng)機(jī)作業(yè)精度。無人輪式農(nóng)機(jī)的轉(zhuǎn)場是智能無人輪式農(nóng)機(jī)執(zhí)行田間作業(yè)任務(wù)先行條件，同時軌跡規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)無人輪式農(nóng)機(jī)的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)場的必由之路。

2、相關(guān)技術(shù)中，除了采用路徑規(guī)劃或全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)采集無人輪式農(nóng)機(jī)從起始位置到目標(biāo)區(qū)域可行駛的區(qū)域的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)等生成無人輪式農(nóng)機(jī)初始行駛軌跡外，還可以根據(jù)農(nóng)機(jī)作業(yè)區(qū)域大小和區(qū)域內(nèi)的障礙物形成的環(huán)境地圖信息，以農(nóng)機(jī)位置作為起始坐標(biāo)，倉庫位置為終點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)行環(huán)境建模，進(jìn)而得到初始可行路徑群，并進(jìn)行更新，得到最終的最優(yōu)路徑。

3、然而，相關(guān)技術(shù)中，沒有考慮所得的路徑軌跡結(jié)果是否符合輪式農(nóng)機(jī)的運(yùn)動學(xué)規(guī)律；沒有考慮轉(zhuǎn)場過程中無人輪式農(nóng)機(jī)行駛場景的變化，采用跟蹤控制算法是否能夠取得良好的跟蹤效果；沒有考慮綜合考慮無人輪式農(nóng)機(jī)安全行駛和工作效率相結(jié)合；沒有考慮轉(zhuǎn)場目標(biāo)位姿與農(nóng)田全覆蓋路徑規(guī)劃所期望的起始作業(yè)位姿相結(jié)合，導(dǎo)致無人輪式農(nóng)機(jī)在轉(zhuǎn)場過程中行駛路徑長、效率低，無法滿足田間全覆蓋路徑規(guī)劃所要求高的有效作業(yè)路徑比，降低了無人輪式農(nóng)機(jī)作業(yè)質(zhì)量，亟需改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種無人輪式農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)場的軌跡規(guī)劃方法及裝置，以解決相關(guān)技術(shù)中，沒有考慮所得的路徑軌跡結(jié)果是否符合輪式農(nóng)機(jī)的運(yùn)動學(xué)規(guī)律；沒有考慮轉(zhuǎn)場過程中無人輪式農(nóng)機(jī)行駛場景的變化，采用跟蹤控制算法是否能夠取得良好的跟蹤效果；沒有考慮綜合考慮無人輪式農(nóng)機(jī)安全行駛和工作效率相結(jié)合；沒有考慮轉(zhuǎn)場目標(biāo)位姿與農(nóng)田全覆蓋路徑規(guī)劃所期望的起始作業(yè)位姿相結(jié)合，導(dǎo)致無人輪式農(nóng)機(jī)在轉(zhuǎn)場過程中行駛路徑長、效率低，無法滿足田間全覆蓋路徑規(guī)劃所要求高的有效作業(yè)路徑比，降低了無人輪式農(nóng)機(jī)作業(yè)質(zhì)量等問題。

2、本發(fā)明第一方面實(shí)施例提供一種無人輪式農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)場的軌跡規(guī)劃方法，所述方法包括以下步驟：獲取無人農(nóng)場的初始地圖，并確定無人輪式農(nóng)機(jī)在農(nóng)田全覆蓋作業(yè)的地頭轉(zhuǎn)向?qū)挾龋辉谒龀跏嫉貓D中的自由空間添加虛擬進(jìn)田通道，得到實(shí)際地圖，并獲取所述無人輪式農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)場所需要的轉(zhuǎn)場起始位姿、轉(zhuǎn)場終點(diǎn)位姿與行駛速度；生成所述無人輪式農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)場路徑規(guī)劃生成的連接所述轉(zhuǎn)場起始位姿和所述轉(zhuǎn)場終點(diǎn)位姿之間的無碰撞安全的幾何路徑；基于所述幾何路徑，對所述無人輪式農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)場過程的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化處理，得到離散結(jié)果；基于所述離散結(jié)果和所述實(shí)際地圖，獲取所述無人輪式農(nóng)機(jī)的速度、加速度、虛擬前輪轉(zhuǎn)角、角速度離散化數(shù)據(jù)，以構(gòu)建所述無人輪式農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)場軌跡規(guī)劃的多優(yōu)化目標(biāo)代價函數(shù)與至少一個約束條件；基于所述無人輪式農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)場的軌跡規(guī)劃模型，在所述至少一個約束條件下求解在所述多優(yōu)化目標(biāo)代價函數(shù)最小的情況下所述無人輪式農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)場的行駛軌跡及控制量時間序列。

3、可選地，在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述在所述初始地圖中的自由空間添加虛擬進(jìn)田通道，得到實(shí)際地圖，包括：基于所述無人輪式農(nóng)機(jī)的至少一個技術(shù)參數(shù)、作業(yè)地塊大小形狀與田間作業(yè)方式在所述初始地圖中的自由空間增添所述虛擬進(jìn)田通道。

4、可選地，在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述基于所述無人輪式農(nóng)機(jī)的至少一個技術(shù)參數(shù)、作業(yè)地塊大小形狀與田間作業(yè)方式在所述初始地圖中的自由空間增添所述虛擬進(jìn)田通道，包括：由所述至少一個技術(shù)參數(shù)的最小轉(zhuǎn)向半徑和作業(yè)寬度、所述作業(yè)地塊大小形狀與所述田間作業(yè)方式確定地頭轉(zhuǎn)向區(qū)域的地頭轉(zhuǎn)向?qū)挾?，其中，所述地頭轉(zhuǎn)向?qū)挾鹊挠嬎愎娇梢缘幌抻跒椋?/p>

5、

6、或者，

7、

8、或者，

9、t＝r(1+cosα)+w/2，

10、或者，

11、t＝r(1-cosα)+w(cosα+1/2)，

12、其中，r表示最小轉(zhuǎn)彎半徑，w表示工作寬度，α表示作業(yè)方向角。

13、可選地，在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述獲取所述無人輪式農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)場所需要的轉(zhuǎn)場起始位姿、轉(zhuǎn)場終點(diǎn)位姿與行駛速度，包括：基于虛擬通道中心線的末端點(diǎn)的坐標(biāo)確定所述無人輪式農(nóng)機(jī)起始作業(yè)位置；根據(jù)作業(yè)方向角確定所述無人輪式農(nóng)機(jī)田間的起始作業(yè)的橫擺角，以得到所述無人輪式農(nóng)機(jī)在田間作業(yè)的轉(zhuǎn)場起始位姿和轉(zhuǎn)場終點(diǎn)位姿；根據(jù)期望的作業(yè)行駛速度確定轉(zhuǎn)場結(jié)束時所述無人輪式農(nóng)機(jī)的行駛速度。

14、可選地，在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述多優(yōu)化目標(biāo)代價函數(shù)可以但不限于為：

15、min?j＝w1j1+w2j2+w3j3，

16、j1＝tf，

17、

18、其中，j表示總體代價函數(shù)；j1表示無人輪式農(nóng)機(jī)從起始位姿行駛到目標(biāo)位姿所需花費(fèi)的時間(tf)；j2表示行駛軌跡光滑程度，為了方便評估采用加速度的平方項積分，用于描述無人輪式農(nóng)機(jī)在這段行駛時間里速度變化所花費(fèi)的能量；j3表示車輛后軸中心遠(yuǎn)離障礙物的程度；at(i)表示無人輪式農(nóng)機(jī)在轉(zhuǎn)場過程的t(i)時刻的加速度值；ωt(i)表示無人輪式農(nóng)機(jī)在轉(zhuǎn)場過程的t(i)時刻前輪轉(zhuǎn)角的角速度值；nobs表示障礙物總體數(shù)量，(xgj,ygj)表示障礙物幾何中心位置，(xt(i),yt(i))表示車輛后軸中心的位置，djt(i)表示車輛后軸中心到障礙物幾何中心的距離，系數(shù)κj>0表示車輛遠(yuǎn)離障礙物的程度；w1、w2、w3分別表示時間或者能耗的權(quán)重數(shù)、軌跡平滑的權(quán)重數(shù)及遠(yuǎn)離障礙物的權(quán)重數(shù)，盡可能行駛在可行駛通道的中心線上的權(quán)重數(shù)，權(quán)重數(shù)wi∈(0,1),i＝1,2,3。

19、本發(fā)明第二方面提供一種無人輪式農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)場的軌跡規(guī)劃裝置，所述裝置包括：確定模塊，用于獲取無人農(nóng)場的初始地圖，并確定無人輪式農(nóng)機(jī)在農(nóng)田全覆蓋作業(yè)的地頭轉(zhuǎn)向?qū)挾龋猾@取模塊，用于在所述初始地圖中的自由空間添加虛擬進(jìn)田通道，得到實(shí)際地圖，并獲取所述無人輪式農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)場所需要的轉(zhuǎn)場起始位姿、轉(zhuǎn)場終點(diǎn)位姿與行駛速度；生成模塊，用于生成所述無人輪式農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)場路徑規(guī)劃生成的連接所述轉(zhuǎn)場起始位姿和所述轉(zhuǎn)場終點(diǎn)位姿之間的無碰撞安全的幾何路徑；離散模塊，用于基于所述幾何路徑，對所述無人輪式農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)場過程的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化處理，得到離散結(jié)果；構(gòu)建模塊，用于基于所述離散結(jié)果和所述實(shí)際地圖，獲取所述無人輪式農(nóng)機(jī)的速度、加速度、虛擬前輪轉(zhuǎn)角、角速度離散化數(shù)據(jù)，以構(gòu)建所述無人輪式農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)場軌跡規(guī)劃的多優(yōu)化目標(biāo)代價函數(shù)與至少一個約束條件；規(guī)劃模塊，用于基于所述無人輪式農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)場的軌跡規(guī)劃模型，在所述至少一個約束條件下求解在所述多優(yōu)化目標(biāo)代價函數(shù)最小的情況下所述無人輪式農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)場的行駛軌跡及控制量時間序列。

20、可選地，在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述獲取模塊，包括：增添單元，用于基于所述無人輪式農(nóng)機(jī)的至少一個技術(shù)參數(shù)、作業(yè)地塊大小形狀與田間作業(yè)方式在所述初始地圖中的自由空間增添所述虛擬進(jìn)田通道。

21、可選地，在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述增添單元，包括：確定子單元，用于由所述至少一個技術(shù)參數(shù)的最小轉(zhuǎn)向半徑和作業(yè)寬度、所述作業(yè)地塊大小形狀與所述田間作業(yè)方式確定地頭轉(zhuǎn)向區(qū)域的地頭轉(zhuǎn)向?qū)挾?，其中，所述地頭轉(zhuǎn)向?qū)挾鹊挠嬎愎娇梢缘幌抻跒椋?/p>

22、

23、或者，

24、

25、或者，

26、t＝r(1+cosα)+w/2，

27、或者，

28、t＝r(1-cosα)+w(cosα+1/2)，

29、其中，r表示最小轉(zhuǎn)彎半徑，w表示工作寬度，α表示作業(yè)方向角。

30、可選地，在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述獲取模塊，包括：第一確定單元，用于基于虛擬通道中心線的末端點(diǎn)的坐標(biāo)確定所述無人輪式農(nóng)機(jī)起始作業(yè)位置；生成單元，用于根據(jù)作業(yè)方向角確定所述無人輪式農(nóng)機(jī)田間的起始作業(yè)的橫擺角，以得到所述無人輪式農(nóng)機(jī)在田間作業(yè)的轉(zhuǎn)場起始位姿和轉(zhuǎn)場終點(diǎn)位姿；第二確定單元，用于根據(jù)期望的作業(yè)行駛速度確定轉(zhuǎn)場結(jié)束時所述無人輪式農(nóng)機(jī)的行駛速度。

31、可選地，在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述多優(yōu)化目標(biāo)代價函數(shù)可以但不限于為：

32、min?j＝w1j1+w2j2+w3j3，

33、j1＝tf，

34、

35、其中，j表示總體代價函數(shù)；j1表示無人輪式農(nóng)機(jī)從起始位姿行駛到目標(biāo)位姿所需花費(fèi)的時間(tf)；j2表示行駛軌跡光滑程度，為了方便評估采用加速度的平方項積分，用于描述無人輪式農(nóng)機(jī)在這段行駛時間里速度變化所花費(fèi)的能量；j3表示車輛后軸中心遠(yuǎn)離障礙物的程度；at(i)表示無人輪式農(nóng)機(jī)在轉(zhuǎn)場過程的t(i)時刻的加速度值；ωt(i)表示無人輪式農(nóng)機(jī)在轉(zhuǎn)場過程的t(i)時刻前輪轉(zhuǎn)角的角速度值；nobs表示障礙物總體數(shù)量，(xgj,ygj)表示障礙物幾何中心位置，(xt(i),yt(i))表示車輛后軸中心的位置，djt(i)表示車輛后軸中心到障礙物幾何中心的距離，系數(shù)κj>0表示車輛遠(yuǎn)離障礙物的程度；w1、w2、w3分別表示時間或者能耗的權(quán)重數(shù)、軌跡平滑的權(quán)重數(shù)及遠(yuǎn)離障礙物的權(quán)重數(shù)，盡可能行駛在可行駛通道的中心線上的權(quán)重數(shù)，權(quán)重數(shù)wi∈(0,1),i＝1,2,3。

36、本發(fā)明第三方面實(shí)施例提供一種電子設(shè)備，包括：存儲器、處理器及存儲在所述存儲器上并可在所述處理器上運(yùn)行的計算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述程序，以實(shí)現(xiàn)如上述實(shí)施例所述的無人輪式農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)場的軌跡規(guī)劃方法。

37、本發(fā)明第四方面實(shí)施例提供一種計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，所述計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)存儲計算機(jī)程序，該程序被處理器執(zhí)行時實(shí)現(xiàn)如上的無人輪式農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)場的軌跡規(guī)劃方法。

38、本發(fā)明第五方面實(shí)施例提供一種計算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計算機(jī)程序，該程序被執(zhí)行時實(shí)現(xiàn)如上的無人輪式農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)場的軌跡規(guī)劃方法。

39、本發(fā)明實(shí)施例通過在初始地圖中的自由空間添加虛擬進(jìn)田通道得到實(shí)際地圖，并確定無人輪式農(nóng)機(jī)在農(nóng)田全覆蓋作業(yè)的地頭轉(zhuǎn)向?qū)挾纫约盁o人輪式農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)場所需要的轉(zhuǎn)場起始位姿、轉(zhuǎn)場終點(diǎn)位姿與行駛速度，進(jìn)而生成無碰撞安全的幾何路徑，并基于幾何路徑，對無人輪式農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)場過程的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化處理，進(jìn)而獲取無人輪式農(nóng)機(jī)的速度、加速度、虛擬前輪轉(zhuǎn)角、角速度離散化數(shù)據(jù)，構(gòu)建無人輪式農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)場軌跡規(guī)劃的多優(yōu)化目標(biāo)代價函數(shù)與至少一個約束條件，基于無人輪式農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)場的軌跡規(guī)劃模型，求解在多優(yōu)化目標(biāo)代價函數(shù)最小的情況下，無人輪式農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)場的行駛軌跡及控制量時間序列，可以規(guī)劃出滿足無人輪式農(nóng)機(jī)精準(zhǔn)轉(zhuǎn)場的安全高效的行駛軌跡，提高了無人輪式農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)場的效率、田間作業(yè)質(zhì)量、以及無人輪式農(nóng)機(jī)可在任意初始位姿都能完成轉(zhuǎn)場任務(wù)的環(huán)境適應(yīng)性，減少轉(zhuǎn)場任務(wù)和田間作業(yè)所需的能耗。由此，解決了相關(guān)技術(shù)中，無人輪式農(nóng)機(jī)在轉(zhuǎn)場過程中行駛路徑長、效率低，無法滿足田間全覆蓋路徑規(guī)劃所要求高的有效作業(yè)路徑比，降低了無人輪式農(nóng)機(jī)作業(yè)質(zhì)量等技術(shù)問題。本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。