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(jī)械化·

無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)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(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083；2. 中國(guó)兵器工業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究所，北京 100089）

針對(duì)無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)自主作業(yè)的應(yīng)用需求，該研究設(shè)計(jì)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(jī)具狀態(tài)指令的可執(zhí)行路徑，重點(diǎn)解決田內(nèi)作業(yè)的四邊形地塊適應(yīng)性、無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)適應(yīng)性和農(nóng)田作業(yè)路徑完整規(guī)劃等問(wèn)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(cè)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(yùn)算的地塊輪廓點(diǎn)數(shù)據(jù)和障礙物輪廓點(diǎn)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(guò)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(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)的指令路徑。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)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(yàn)結(jié)果表明，無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)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(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)自主作業(yè)的需求。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；自動(dòng)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(jī)自動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度、提高作業(yè)質(zhì)量和提升勞動(dòng)效率[1-2]。在農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展的農(nóng)機(jī)無(wú)人駕駛技術(shù)，則致力于進(jìn)一步減少勞動(dòng)力數(shù)量，以應(yīng)對(duì)農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力日益緊缺和用工成本日益高漲等嚴(yán)峻問(wèn)題[3]。相較于農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛，農(nóng)機(jī)無(wú)人駕駛在作業(yè)速度和機(jī)具動(dòng)作指令等方面，對(duì)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(jī)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(jī)具和不同工序的農(nóng)機(jī)路徑規(guī)劃方法。

與行人、移動(dòng)機(jī)器人、車輛和無(wú)人機(jī)等場(chǎng)景不同[5-8]，農(nóng)機(jī)作業(yè)路徑規(guī)劃的主要目標(biāo)是高效地實(shí)現(xiàn)農(nóng)田全覆蓋作業(yè)[9]。目前，該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)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(píng)價(jià)指標(biāo)以來(lái)，Conesa-Mu?oz等[13]引入了停車點(diǎn)適應(yīng)性，Rodias等[14]建立了油耗優(yōu)化與評(píng)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(jì)和評(píng)估，Utamima等[16-17]提出進(jìn)化混合鄰域搜索算法和進(jìn)化分布式評(píng)估算法來(lái)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(jìn)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(xiàng)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(jì)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(jī)作業(yè)路徑規(guī)劃大多圍繞單一問(wèn)題（如路由問(wèn)題、掉頭問(wèn)題或避障問(wèn)題）進(jìn)行算法優(yōu)化和仿真測(cè)試，以一個(gè)農(nóng)田作業(yè)任務(wù)為研究對(duì)象的完整規(guī)劃方法研究較少[23]，尚無(wú)法滿足無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)應(yīng)用需求。因此，本文面向農(nóng)機(jī)無(wú)人駕駛需要，設(shè)計(jì)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(diǎn)文件。為驗(yàn)證方法的合理性和高效性，以真實(shí)地塊和農(nóng)機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，并基于DF1004無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)開展田間播種試驗(yàn)。

1 材料與方法

1.1 技術(shù)路線

路徑規(guī)劃方法架構(gòu)見(jiàn)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(cè)繪點(diǎn)數(shù)據(jù)和障礙物測(cè)繪點(diǎn)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(jì)算出不同的農(nóng)田區(qū)域并生成包含指令信息的路徑點(diǎn)集，并實(shí)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(guò)對(duì)目標(biāo)農(nóng)田進(jìn)行測(cè)繪獲取，測(cè)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(jìn)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(diǎn)數(shù)據(jù)和障礙物輪廓點(diǎn)數(shù)據(jù)，因此設(shè)計(jì)2種測(cè)繪方案和數(shù)據(jù)處理方法。地塊輪廓點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取方法較為簡(jiǎn)單，可以直接利用厘米級(jí)RTK（Real-Time Kinematic，動(dòng)態(tài)載波相位差分）測(cè)繪裝置進(jìn)行控制點(diǎn)采集獲取原始位置數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)地塊輪廓測(cè)繪點(diǎn)數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換為可直接運(yùn)算的地塊輪廓點(diǎn)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(diǎn)名稱、緯度、經(jīng)度和高程字段，經(jīng)過(guò)地塊輪廓測(cè)繪點(diǎn)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(jiǎn)化為點(diǎn)障礙物和線障礙物，為便于測(cè)繪和后續(xù)處理，在測(cè)繪時(shí)點(diǎn)的命名形式為“AA B C DDD”，其中，AA表示障礙物序號(hào)；B表示障礙物類型，共2類：點(diǎn)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(diǎn)序號(hào)；DDD表示障礙物點(diǎn)尺寸，點(diǎn)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(diǎn)障礙物，利用測(cè)繪裝置及卷尺工具對(duì)其圓心和半徑進(jìn)行測(cè)繪；長(zhǎng)條形障礙物為線障礙物，利用測(cè)繪裝置對(duì)端點(diǎn)及轉(zhuǎn)折點(diǎn)進(jìn)行測(cè)繪，并利用卷尺測(cè)繪其寬度。

無(wú)論點(diǎn)障礙物還是線障礙物，均可利用障礙物測(cè)繪點(diǎn)數(shù)據(jù)處理方法轉(zhuǎn)換為多邊形障礙物輪廓點(diǎn)數(shù)據(jù)。具體方法如下：1）通過(guò)對(duì)點(diǎn)名稱進(jìn)行解析和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，獲取每個(gè)障礙物對(duì)象的測(cè)繪點(diǎn)列表，字段包括障礙物類型、障礙物中的點(diǎn)序號(hào)、點(diǎn)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(jì)算方式，并統(tǒng)一為多邊形形式，并用其頂點(diǎn)表示：線障礙物的點(diǎn)坐標(biāo)為邊中點(diǎn)，根據(jù)點(diǎn)尺寸和點(diǎn)坐標(biāo)，利用相鄰點(diǎn)的矢量垂線生成該點(diǎn)所在邊的兩端點(diǎn)，進(jìn)而計(jì)算障礙物多邊形的頂點(diǎn)；點(diǎn)障礙物僅有1個(gè)測(cè)繪點(diǎn)，即障礙物圓心點(diǎn)，本研究用正多邊形表示，計(jì)算得到該多邊形的頂點(diǎn)。

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(jìn)行設(shè)計(jì)，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(diǎn)數(shù)據(jù)和障礙物輪廓點(diǎn)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(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的最終作業(yè)路徑點(diǎn)集文件。

路徑規(guī)劃過(guò)程見(jiàn)圖2，主要包括無(wú)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(wú)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(wú)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(duì)地塊進(jìn)行無(wú)人作業(yè)適應(yīng)性劃分，以作業(yè)方向?yàn)槠叫羞呍谒倪呅蔚貕K內(nèi)部構(gòu)建最大梯形，生成適應(yīng)于無(wú)人作業(yè)的梯形區(qū)，見(jiàn)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(jiàn)式（1）。

進(jìn)而利用作業(yè)方向參數(shù)在無(wú)人作業(yè)梯形區(qū)的非作業(yè)方向邊劃分2個(gè)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(duì)作業(yè)區(qū)進(jìn)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?yàn)樽鳂I(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(jìn)行延展，最終完成整個(gè)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(diǎn)障礙物均已抽象為用頂點(diǎn)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(jiàn)圖3。

如圖3a，首先對(duì)作業(yè)條帶的障礙物相交性進(jìn)行判斷，定義相交及非相交條帶的編號(hào)分別為c和n，將作業(yè)條帶c劃分為前后2個(gè)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(jìn)行相交得到繞行直線段的兩端點(diǎn)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(shí)，繞行曲線為“雙弧”形式，由2個(gè)相切弧組成，當(dāng)cir>2時(shí)，繞行曲線段為“弧-線-弧”形式，由2個(gè)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(duì)作業(yè)條帶進(jìn)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(jìn)行作業(yè)條帶路由方法設(shè)計(jì)。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(gè)單元區(qū)塊和1個(gè)剩余區(qū)塊。

定義每個(gè)單元區(qū)塊作業(yè)條帶數(shù)為block，按式（2）計(jì)算：

則單元區(qū)塊數(shù)blocks按式（3）計(jì)算：