基于鏟車載荷監(jiān)測(cè)的gnss平地作業(yè)路徑動(dòng)態(tài)規(guī)劃與導(dǎo)航方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于鏟車載荷監(jiān)測(cè)的GNSS平地作業(yè)路徑動(dòng)態(tài)規(guī)劃與導(dǎo)航方法，該方法包括平地前和平地中；平地前，地形測(cè)量，劃分柵格，插值處理，計(jì)算農(nóng)田基準(zhǔn)高程并設(shè)置導(dǎo)航路徑更新周期T；開始平地過程，每經(jīng)過時(shí)間T，在鏟車所在的柵格位置處讀取所在位置三維坐標(biāo)、當(dāng)前行駛方向角及鏟車載荷量，計(jì)算目標(biāo)柵格并計(jì)算拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向角；鏟車行走過程中改變的地形使用新的高程值覆蓋原有數(shù)據(jù)；為避免多次重復(fù)行走，對(duì)于已經(jīng)達(dá)到基準(zhǔn)高程精度要求的柵格進(jìn)行標(biāo)記。該方法實(shí)現(xiàn)了整體的最優(yōu)規(guī)劃以及實(shí)時(shí)的最優(yōu)規(guī)劃；縮短整個(gè)土地平整過程拖拉機(jī)的行走路程，提高平整作業(yè)效率，解決了傳統(tǒng)技術(shù)中路徑規(guī)劃方式固定、規(guī)劃決策缺少實(shí)時(shí)反饋的問題。
【專利說明】基于鏟車載荷監(jiān)測(cè)的GNSS平地作業(yè)路徑動(dòng)態(tài)規(guī)劃與導(dǎo)航方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及土地平整中的路徑導(dǎo)航【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體涉及基于鏟車載荷監(jiān)測(cè)的GNSS平地作業(yè)路徑動(dòng)態(tài)規(guī)劃與導(dǎo)航方法。
【背景技術(shù)】
[0002]農(nóng)田土地平整可改善農(nóng)田表面的地形狀況，提高農(nóng)田灌溉效率與灌水均勻度，達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的效果。土地精細(xì)平整對(duì)于水資源管理和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化均具有積極深遠(yuǎn)的推動(dòng)作用。GPS控制平地技術(shù)作為一種智能化的土地平整技術(shù)在國(guó)內(nèi)外均已有較好較快的發(fā)展，在美國(guó)已有商品化產(chǎn)品。國(guó)產(chǎn)GNSS控制平地系統(tǒng)選用高精度高集成性的GPS+BDS雙星定位設(shè)備代替國(guó)外高成本的GPS接收設(shè)備，降低了系統(tǒng)開發(fā)成本，提高了產(chǎn)業(yè)化水平，同時(shí)，提高了定位精度，降低了農(nóng)田平整硬件設(shè)備的故障率，增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)用性與集成性。
[0003]現(xiàn)有較普遍的GNSS智能控制平地系統(tǒng)主要包括:GNSS接收設(shè)備、工控機(jī)、閥控制器、液壓系統(tǒng)和平地鏟運(yùn)設(shè)備等幾部分?；谶@類GNSS控制平地系統(tǒng)中的導(dǎo)航功能的實(shí)現(xiàn)是通過對(duì)平地前地形測(cè)量得到的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)一定的最優(yōu)規(guī)劃原則，在常見的路徑規(guī)劃方式，例如梭形和環(huán)形中選擇最優(yōu)的一種路徑。其中，最優(yōu)規(guī)劃原則不一而足，各有側(cè)重，具體有挖填土方量平衡、運(yùn)距最短、效率最高等。一般情況下根據(jù)實(shí)際情況只能保證其中一個(gè)或兩個(gè)原則達(dá)到最優(yōu)；并且使用這些規(guī)劃原則實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)航方式強(qiáng)調(diào)整體的規(guī)劃，并未將平地過程中地形的實(shí)時(shí)改變以及操作者對(duì)導(dǎo)航命令不服從的因素考慮在內(nèi)，無法體現(xiàn)導(dǎo)航的實(shí)時(shí)性和靈活性。同時(shí)，以往的平地過程中，平地作業(yè)者頻繁的觀察鏟車中載土量從而判斷拖拉機(jī)行走方向的方式極大的降低了工作效率，同時(shí)也給操作者平地作業(yè)造成不便。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004](一 )要解決的技術(shù)問題
[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何根據(jù)農(nóng)田土地的實(shí)時(shí)狀況，進(jìn)行導(dǎo)航，提高導(dǎo)航效率和靈活性。
[0006]( 二 )技術(shù)方案
[0007]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了基于鏟車載荷監(jiān)測(cè)的GNSS平地作業(yè)路徑動(dòng)態(tài)規(guī)劃與導(dǎo)航方法，所述方法包括以下步驟:
[0008]S1、平地前，
[0009]S101、地形數(shù)據(jù)采集；標(biāo)定原點(diǎn)三維坐標(biāo)，進(jìn)行邊界測(cè)量和內(nèi)部測(cè)量，相對(duì)所述原點(diǎn)三維坐標(biāo)，以相對(duì)坐標(biāo)的形式即高程值保存農(nóng)田地形數(shù)據(jù)；
[0010]S102、對(duì)農(nóng)田進(jìn)行柵格劃分，對(duì)所述高程值進(jìn)行插值處理、并以矩陣H形式存儲(chǔ)所述高程值；
[0011]S103、計(jì)算農(nóng)田基準(zhǔn)高程；利用公式⑴進(jìn)行計(jì)算[0012]
【權(quán)利要求】
1.基于鏟車載荷監(jiān)測(cè)的GNSS平地作業(yè)路徑動(dòng)態(tài)規(guī)劃與導(dǎo)航方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 51、平地前， 5101、地形數(shù)據(jù)采集；標(biāo)定原點(diǎn)三維坐標(biāo)，進(jìn)行邊界測(cè)量和內(nèi)部測(cè)量，相對(duì)所述原點(diǎn)三維坐標(biāo)，以相對(duì)坐標(biāo)的形式即高程值保存農(nóng)田地形數(shù)據(jù)； 5102、對(duì)農(nóng)田進(jìn)行柵格劃分，對(duì)所述高程值進(jìn)行插值處理、并以矩陣H形式存儲(chǔ)所述高程值； 5103、計(jì)算農(nóng)田基準(zhǔn)高程；利用公式(I)進(jìn)行計(jì)算
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S202具體包括以下步驟: (1)根據(jù)當(dāng)前鏟車的方向角Θ，確定鏟車的目標(biāo)區(qū)域，即目標(biāo)區(qū)域?yàn)殓P車當(dāng)前位置為圓心，中心角為90°、半徑長(zhǎng)度不固定的扇形，并且所述扇形隨著拖拉機(jī)的前進(jìn)同步推進(jìn)； (2)目標(biāo)區(qū)域中，設(shè)定有50%以上面積處在區(qū)域內(nèi)的柵格即為有效柵格，然后找到所有有效柵格的高程值Hij,其中柵格面積為Stl，則單個(gè)柵格上的土方量(Hij-Href)Stl ；(3)假定各個(gè)有效柵格為目標(biāo)柵格，預(yù)描出鏟車達(dá)到目標(biāo)柵格的行走路徑，并列出行走路徑上所經(jīng)過的所有有效柵格； (4)分別計(jì)算各個(gè)預(yù)描出的鏟車行走路徑上的總裝卸土方量Σ(Hij-Href)S05 (5)已知鏟車滿載時(shí)土方量體積為Vtl，將步驟(4)中的所述總裝卸土方量換算為相對(duì)V?的比值
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S203具體包括以下步驟: (1)根據(jù)當(dāng)前鏟車的三維坐標(biāo)，確定當(dāng)前鏟車所在位置的柵格，記作柵格Α，目標(biāo)柵格記作柵格B ； (2)所述柵格A和所述柵格B的中心點(diǎn)坐標(biāo)分別為P(xl，yl)、Q(x2，y2)，鏟車當(dāng)前位置在行走軌跡曲線上的切線記為L(zhǎng)，L直線方程為
L:y = 1.x+c (6) 其中I為L(zhǎng)的斜率，I = tan O /2- Θ ) = cot Θ ；c值通過將P點(diǎn)坐標(biāo)帶入方程求得，θ為鏟車當(dāng)前位置的方向角； P、Q的連線為鏟車的目標(biāo)航向，設(shè)其所在直線為Μ，斜率為m:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方向角Θ的取值范圍為[-45°，45。]。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述挖填土方比R的取值范圍為(1.0，.1.2)。
【文檔編號(hào)】G01C21/20GK104019815SQ201410245853
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月4日
【發(fā)明者】劉剛, 王巖, 牛東嶺, 李宏鵬, 李笑, 司永勝 申請(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)
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