張炳力, 程嘯宇, 程 進(jìn), 李傲伽, 鄭平平

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;2.安徽省智能汽車工程實驗室,安徽 合肥 230009)

隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實施,無人駕駛拖拉機(jī)已成為研究熱點,它的應(yīng)用可解決農(nóng)村勞動力不足等問題[1-2],而其規(guī)劃路徑的合理高效性將影響田間作業(yè)的精度和質(zhì)量。根據(jù)環(huán)境信息掌握的情況,無人駕駛拖拉機(jī)路徑規(guī)劃可分為全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃。全局路徑規(guī)劃是在農(nóng)田環(huán)境信息已知的情況下提前離線規(guī)劃出全局路徑,以實現(xiàn)對地塊全覆蓋,減少對地塊不必要碾壓,尋求最優(yōu)解;局部路徑規(guī)劃是在環(huán)境信息未知的情況下,由感知傳感器實時獲取行駛路徑周圍障礙物信息進(jìn)行在線路徑規(guī)劃,注重路徑安全性與實時性[3-4]。

現(xiàn)階段國內(nèi)外關(guān)于拖拉機(jī)路徑規(guī)劃的研究較少。對于全局路徑規(guī)劃:文獻(xiàn)[5]對地塊最佳作業(yè)角展開研究,提出了“哈密頓路徑搜索”和“幾何推理”2種路徑軌跡構(gòu)建法;文獻(xiàn)[6]將地塊分割為若干單元,再利用遺傳算法尋找最優(yōu)覆蓋路徑;文獻(xiàn)[7]以鐵牛TN654為實驗平臺,聯(lián)合田間作業(yè)方式和拖拉機(jī)自動導(dǎo)航系統(tǒng)的特點,對耕地和播種這2種作業(yè)軌跡進(jìn)行設(shè)計。對于局部路徑規(guī)劃:文獻(xiàn)[8-9]根據(jù)障礙物大小與農(nóng)機(jī)作業(yè)寬度的關(guān)系劃分障礙物,針對含大障礙物的地塊,多通過“自上而下法”、“細(xì)胞分割法”等對地塊進(jìn)行分割和合并,提出一種折線避障措施避開小型靜態(tài)障礙物;文獻(xiàn)[10]提出最短切線避障路徑構(gòu)建方法,針對有靜態(tài)障礙物的情況可快速規(guī)劃出避障路徑。目前,國內(nèi)外對于全局路徑規(guī)劃的研究主要是針對規(guī)則地塊在不同評價指標(biāo)和不同作業(yè)方式下的路徑規(guī)劃,對不規(guī)則地塊的全局路徑規(guī)劃研究較少,且缺乏一定的通用性。而現(xiàn)有局部路徑規(guī)劃多采用最短切線法和折線法[11-12],沒有考慮農(nóng)機(jī)作業(yè)寬度和最小轉(zhuǎn)彎半徑的存在,且避障策略過于簡單，只考慮單個靜態(tài)障礙物避障情況,沒有對障礙物存在的不同情況進(jìn)行系統(tǒng)性分析研究。

本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上,提出一種面向不規(guī)則地塊全區(qū)域覆蓋通用路徑規(guī)劃方法,分析不同障礙物對作業(yè)路徑的影響并進(jìn)行系統(tǒng)性的劃分整理,針對障礙物不同情況且考慮到農(nóng)機(jī)固有參數(shù)限制而規(guī)劃出相應(yīng)的局部路徑。最后,本文合理選擇切換條件,將離線全局路徑與實時局部路徑相結(jié)合形成完整的田間作業(yè)路徑,并設(shè)計開發(fā)無人駕駛拖拉機(jī)路徑規(guī)劃系統(tǒng)。

1 全局路徑規(guī)劃算法

1.1 地塊幾何建模

農(nóng)田地塊是拖拉機(jī)主要的工作對象,考慮到實際地塊環(huán)境復(fù)雜性,為便于驗證算法的正確性,使用 GPS/BDS等導(dǎo)航系統(tǒng)實地測量獲取農(nóng)田地塊頂點位置信息，并以E120°為中央子午線進(jìn)行高斯投影正算，以獲得農(nóng)田頂點的平面坐標(biāo)[13]。將地塊抽象為2D幾何多邊形后放入平面直角坐標(biāo)系第一象限中分析,把路徑規(guī)劃問題轉(zhuǎn)換為幾何數(shù)學(xué)問題。若建模時有地塊邊界垂直于坐標(biāo)系x軸,應(yīng)將幾何模型旋轉(zhuǎn)一定角度直至無邊界垂直于該軸。設(shè)n邊形地塊頂點坐標(biāo)為(xi,yi)(i=1,2,…,n),其邊的大小和方向以向量形式表示。

全局路徑需滿足連續(xù)行駛作業(yè)、轉(zhuǎn)彎軌跡應(yīng)大于拖拉機(jī)的最小轉(zhuǎn)彎半徑r等條件,因此本文選用梭式法作為拖拉機(jī)田間行駛方式,如圖1所示。該轉(zhuǎn)彎方式由農(nóng)機(jī)具作業(yè)寬度w和r之間的關(guān)系確定[14]:w<2r,選用梨形轉(zhuǎn)彎;w=2r,選用半圓形轉(zhuǎn)彎;w>2r,選用弓形轉(zhuǎn)彎。因半圓形轉(zhuǎn)彎可視為弓形轉(zhuǎn)彎特例,本文僅考慮弓形和梨形轉(zhuǎn)彎2種轉(zhuǎn)彎方式。

圖1 梭式法全覆蓋示意圖

1.2 幾何地塊處理

1.2.1 最佳作業(yè)方向求取

全局路徑規(guī)劃重在提高作業(yè)效率,使無效路徑上的消耗達(dá)到最小,因此本節(jié)將對最佳作業(yè)角ω進(jìn)行求取,得到最優(yōu)全局路徑。4種評價指標(biāo)中[15],選取地頭消耗最少作為ω求取的指標(biāo),即

Ci=TiNi,

(1)

其中:αi為作業(yè)直線與第i條邊界夾角;Li為第i條邊界的長度;Ti為第i條邊界上單個轉(zhuǎn)彎消耗時間;Ni第i條邊界上轉(zhuǎn)彎次數(shù);Ci為第i條邊界上的轉(zhuǎn)彎消耗;C為地頭消耗。

設(shè)ω∈[0,180°],當(dāng)αi≠0時,C為連續(xù)函數(shù),以作業(yè)角θ為變量,θ=0.5°為起始角度,以0.5°為間隔分別計算該角度下的C值,通過選取C最小值,確定ω取值。需注意當(dāng)αi=0時,在該地塊邊界無轉(zhuǎn)彎，則C=0。同時,地頭消耗求取不考慮整體地塊的覆蓋,只以各邊界為一單位求取對應(yīng)地頭消耗值進(jìn)行匯總。

1.2.2 幾何地塊分割

地塊建模后,被分為凸形、凹形、復(fù)雜多邊形地塊。由于拖拉機(jī)沿ω行駛作業(yè)時對某些凹形地塊不能一次性遍歷,需判斷凹形地塊是否分割。設(shè)過凹點Pi(xi,yi)以ω為傾角做其直線方程y-kωx-b=0,且設(shè)與凹點相鄰的2個頂點坐標(biāo)分別為Pi-1(xi-1,yi-1)、Pi+1(xi+1,yi+1)。當(dāng)(yi-1-kωxi-1-b)(yi+1-kωxi+1-b)>0時,Pi-1、Pi+1兩點分布于該直線同側(cè),需沿最佳作業(yè)方向角對凹點進(jìn)行分割,形成新子地塊;反之,兩點分布于直線兩側(cè),地塊無需分割,如圖2所示。

圖2 凹點是否需要分割示意圖

地塊內(nèi)含障礙物的長或?qū)挻笥诘扔?w時,如存在大溝渠、水坑等,對其采點建模,其在模型中顯示為復(fù)雜多邊形中的“島嶼”或“空洞”。由于大障礙物區(qū)域?qū)θ致窂揭?guī)劃影響過大,必會增加轉(zhuǎn)彎區(qū)域,因此這些轉(zhuǎn)彎區(qū)域可被用于子地塊之間的路徑銜接。以ω為最優(yōu)分割方向選用“掃線法”對地塊進(jìn)行最優(yōu)分割,形成若干子地塊。需注意,對復(fù)雜多邊形地塊的ω求取應(yīng)包含地塊中大障礙物邊界處的地頭消耗,以尋求全局最優(yōu)。當(dāng)分割出若干子地塊時,對各子地塊逐個進(jìn)行路徑規(guī)劃,但子地塊的遍歷次序也將干擾整體路徑作業(yè)效率,故本文采用“自上而下、由右到左”的優(yōu)化次序銜接各子地塊,保證整地塊的最優(yōu)全局路徑,以復(fù)雜多邊形地塊為例,如圖3所示。

圖3 大障礙物地塊分割圖

1.3 全局作業(yè)路徑構(gòu)建

全局路徑構(gòu)建應(yīng)對3種地塊模型分類構(gòu)建,但后2種地塊都可被分割為凸形地塊,且不分割凹形地塊的路徑構(gòu)建方法與凸形地塊一致,因此本文以凸形地塊為例,采用幾何推理法構(gòu)建全局路徑。

1.3.1 作業(yè)區(qū)域構(gòu)建

圖4 內(nèi)縮多邊形求解

1.3.2 直線路徑構(gòu)建

為使拖拉機(jī)在不規(guī)則地塊作業(yè)時可一次性遍歷全地塊,且行走方式簡單,本文采用“自上而下”的方法進(jìn)行直線路徑構(gòu)建。

以多邊形地塊內(nèi)縮區(qū)域A′B′C′D′為例,如圖5所示。

圖5 直線路徑構(gòu)建示意圖

以ω為傾角,過A′點所對應(yīng)的直線L1的截距為最大截距bmax,過C′點所對應(yīng)的直線L2的截距為最小截距bmin,則A′為上方端點,C′為下方端點,連接線段A′C′,A′C′將A′B′C′D′ 分為左、右兩側(cè)。A′C′的下方為地塊的左側(cè),上方為地塊的右側(cè)。L1以不同w在y軸上投影值為平移量依次向下平移且不超過L2,依次連接左右兩點并均分形成完整的直線路徑。

自上而下第n行作業(yè)行直線方程為:

(2)

其中,bw為w在y軸上投影。

1.3.3 轉(zhuǎn)彎路徑構(gòu)建

拖拉機(jī)在地頭區(qū)域內(nèi)無論采取何種轉(zhuǎn)彎方式均可被分為4種情形:βi>90°,從地塊右側(cè)邊界左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn);βi<90°,從地塊左側(cè)邊界左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)。以梨形轉(zhuǎn)彎βi>90°右側(cè)轉(zhuǎn)彎為例進(jìn)行軌跡構(gòu)建,如圖6所示。

圖6 βi>90°右側(cè)梨形轉(zhuǎn)彎

(3)

(4)

(5)

(6)

其中:θv為直線P1P4所對應(yīng)的傾角。

由各圓弧起始角度可知,聯(lián)合各圓心坐標(biāo)可以求得各圓弧軌跡點,然后按照遍歷次序連接各點即可得到完整的轉(zhuǎn)彎路徑,同理可求得其他3種情況的轉(zhuǎn)彎路徑。

在直線路徑的基礎(chǔ)上,按照左右交錯、自上而下依次排序的原則將求得的多個轉(zhuǎn)彎路徑添加到地頭區(qū)域,形成完整的全局路徑。所規(guī)劃路徑的起點為最上方的直線路徑線段與作業(yè)區(qū)域右側(cè)邊界交點,終點則由作業(yè)行數(shù)的奇偶性決定:若為奇數(shù),最后一條直線路徑線段與作業(yè)區(qū)域右側(cè)邊界交點為終點;反之則左側(cè)交點。注意,若起點、終點處的轉(zhuǎn)彎軌跡超出內(nèi)縮邊界,應(yīng)給予刪除。

2 局部路徑規(guī)劃算法

2.1 障礙風(fēng)險評估

拖拉機(jī)沿著全局作業(yè)路徑在地塊內(nèi)行駛時,其作業(yè)區(qū)域由遠(yuǎn)及近可被劃分為:障礙物觀測區(qū)、沖突避讓區(qū)、緊急避障區(qū)。周圍作業(yè)環(huán)境未知,在障礙物觀測區(qū)內(nèi)利用感知傳感器(激光雷達(dá))不斷采集期望路徑周邊靜態(tài)障礙物信息。由于激光雷達(dá)原始數(shù)據(jù)是以球坐標(biāo)系的形式儲存,為方便解析處理數(shù)據(jù),將激光點球坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為笛卡爾坐標(biāo)。激光雷達(dá)是安裝在拖拉機(jī)機(jī)體上,需將激光坐標(biāo)系通過平移矩陣和旋轉(zhuǎn)矩陣轉(zhuǎn)換為拖拉機(jī)隨車坐標(biāo)系,且隨車坐標(biāo)系是固結(jié)于車身上,故需將隨車坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到大地坐標(biāo)系完成對障礙物絕對坐標(biāo)系的獲取且將其輪廓擬合為最小外接圓形,獲得障礙物最小外接圓圓心坐標(biāo)(x0,y0)和半徑R。當(dāng)靜態(tài)障礙物半徑小于3w,即為小障礙物。

當(dāng)沖突避讓區(qū)內(nèi)有靜態(tài)障礙物時,需對障礙物進(jìn)行風(fēng)險評估。設(shè)當(dāng)前所在直線路徑方程為y=kω+b,可求得障礙物圓心與作業(yè)路徑所在直線的距離d。當(dāng)R+w/2≤d時為無威脅障礙物,不需要采取任何避障策略,仍沿原作業(yè)路徑行駛;反之為有威脅障礙物,若拖拉機(jī)仍沿原路徑行駛,所攜帶的農(nóng)機(jī)具將會與障礙物發(fā)生碰撞,故需進(jìn)行局部路徑規(guī)劃。

2.2 單障礙物局部路徑構(gòu)建

單障礙物局部作業(yè)路徑搭建原則是考慮參數(shù)限制，使得拖拉機(jī)順利轉(zhuǎn)彎且實現(xiàn)避障后回到原路徑上。

(1) 因為拖拉機(jī)存在r,且存在w,所以需設(shè)定障礙物安全圓區(qū)域,保證拖拉機(jī)能安全轉(zhuǎn)彎避讓障礙物。障礙物最小外接圓半徑為R,兩者圓心重合。當(dāng)R≥r-w/2時,其半徑RO=R;反之,RO=r-w/2。

(2) 判斷安全圓圓心與路徑所在直線方程的關(guān)系。若kωx+b≥y0,則從上方避過;反之,則從下方避過。

(3) 設(shè)拖拉機(jī)的前3 s行駛軌跡點為Pi(xi,yi),當(dāng)前行駛軌跡點Pi+1(xi+1,yi+1)。局部路徑規(guī)劃時可被分為4種情況:當(dāng)xixi+1,下行上避障或下避障。

2.3 多障礙物局部路徑構(gòu)建

當(dāng)拖拉機(jī)行駛路徑上有多威脅性小障礙物時,沿行駛方向定義為Z1,Z2,…,Zn。首先,不考慮其他障礙物存在,構(gòu)建各小障礙物避障路徑,設(shè)各避障路徑為Si(i=1,2,…,n),如圖7所示。

圖7 單/多障礙物避障軌跡示意圖

(1)DiAi+1與直線路徑線段夾角為0°或長度為0時,拖拉機(jī)可從2個障礙物之間安全通過,因此,沿路徑Si行駛避過Zi,令i=i+1,對Zi+1采取局部路徑規(guī)劃,直至到檢測范圍內(nèi)的Zn。

3 路徑規(guī)劃系統(tǒng)軟件設(shè)計及測試

3.1 路徑規(guī)劃系統(tǒng)軟件開發(fā)

無人駕駛拖拉機(jī)路徑規(guī)劃方法需將全局路徑規(guī)劃方法和局部路徑規(guī)劃方法相結(jié)合,使得離線規(guī)劃的全局路徑與實時規(guī)劃的局部路徑相結(jié)合形成完整田間作業(yè)路徑,從而保證路徑規(guī)劃的全局最優(yōu)性和局部實時性,具體結(jié)合流程如圖8所示。

3.2 路徑規(guī)劃系統(tǒng)軟件測試

基于上述算法,本文使用LabVIEW2016作為開發(fā)工具,該系統(tǒng)軟件通過BDS采集方式獲得試驗地塊電子地圖,可在此軟件中規(guī)劃出最優(yōu)作業(yè)方式的路徑規(guī)劃圖,用戶可以通過一個友好的界面來完成地塊搭建、最佳作業(yè)角選取、自主路徑規(guī)劃等功能。支持各種標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)格式的作業(yè)路徑輸出,界面如圖9所示。

圖9 路徑規(guī)劃系統(tǒng)軟件前面板

為了檢驗路徑規(guī)劃算法和系統(tǒng)軟件的有效性,設(shè)r=5 m,令w為6、12 m,選取地塊頂點坐標(biāo)為(108,257)、(288,205)、(327,85)、(147,17)、(76,18)、(10,85)、(1,180),然后進(jìn)行全局路徑規(guī)劃。

手動輸入期望路徑前、后軌跡點和各靜態(tài)小障礙物坐標(biāo)Z1(104,227)、Z2(92,199)、Z3(132,185)、Z4(159,196)、Z5(195,171)、Z6(99,99)、Z7(122,109)、Z8(240,140)、Z9(246,145)、Z10(188,80)、Z11(201,84)、Z12(186,52),對應(yīng)R為3、3、4、3、6、5、5、4、3、3、3、1 m,模擬實時局部路徑規(guī)劃,其結(jié)果如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)軟件測試結(jié)果1

由圖10的全局路徑規(guī)劃結(jié)果可知:w=6 m時,選用梨形轉(zhuǎn)彎,其ω=20.5°;w=12 m時,選用弓形轉(zhuǎn)彎,其ω=20.5°,相較于梨形轉(zhuǎn)彎,由于w增加導(dǎo)致地頭消耗顯著減少。在2種轉(zhuǎn)彎方式下,沿該方向?qū)Φ貕K進(jìn)行路徑規(guī)劃,S為起點,E為終點,其規(guī)劃的路徑末端作業(yè)行與地塊距離均大于w/2,起點、終點和轉(zhuǎn)彎方式均符合作業(yè)要求,且都能滿足對地塊的全覆蓋要求,符合本文設(shè)計要求。

由圖10的局部路徑規(guī)劃結(jié)果可知,因w不同,障礙物風(fēng)險評估的結(jié)果、相鄰障礙物的評判標(biāo)準(zhǔn)不同。w=6 m,Z1、Z2、Z3、Z4對多條作業(yè)路徑都具備威脅性,上下都需進(jìn)行避障;Z10、Z11相鄰但不滿足合并條件,因而各視為單一障礙物進(jìn)行避障路徑規(guī)劃。w=12 m,Z1、Z2、Z3、Z4僅對單一作業(yè)路徑具備威脅性,只需進(jìn)行上/下避障;Z10、Z11相鄰但避障圓有交點,拖拉機(jī)不能從兩障礙物之間安全經(jīng)過,需合成一新障礙物進(jìn)行避障路徑規(guī)劃,合成的新障礙物圓內(nèi)切于Z10、Z11兩障礙物圓且圓心坐標(biāo)為(194,82),R=10 m。由于Z8、Z9兩障礙物圓相鄰過近,無論w數(shù)值為多少都需合成一新障礙物進(jìn)行避障路徑規(guī)劃,其圓心坐標(biāo)為(243,142),R=7 m,該圓內(nèi)切于Z8、Z9兩障礙物圓。

綜上所述,本文所提出的局部路徑規(guī)劃可針對單障礙物、多相鄰障礙物進(jìn)行實時局部路徑規(guī)劃避障,且避障后仍回到原期望路徑,符合本文設(shè)計要求。

對其余地塊以及相應(yīng)轉(zhuǎn)彎工況類型進(jìn)行系統(tǒng)測試。

設(shè)地塊頂點坐標(biāo)為(43,247)、(184,236)、(236,369)、(391,359)、(347,163)、(18,13),令w=7 m,r=3 m,結(jié)果如圖11所示。

仍選取上述凸形地塊,內(nèi)設(shè)一大障礙物,其頂點坐標(biāo)為(139,161)、(200,130)、(170,80)、(120,120),w=5 m,r=2.5 m,結(jié)果如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)軟件測試結(jié)果3

由圖11可知,初始地塊ω=24.5°,由于在該方向作業(yè)時不能一次性遍歷地塊,需沿凹點進(jìn)行分割,子地塊① 的頂點坐標(biāo)為(43,247)、(184,236)、(384,328)、(347,163)、(18,13),子地塊② 的頂點坐標(biāo)為(236,369)、(391,25)、(384,328)、(184,236),對子地塊① 、子地塊② 重新進(jìn)行全局路徑規(guī)劃,兩子地塊ω均為24.5°,在該方向下對兩子地塊所規(guī)劃的路徑均符合本文設(shè)計要求。

由圖12可知,原始地塊ω=20.5°,地塊建模時為復(fù)雜多邊形,需沿此角度對地塊進(jìn)行掃線分割,子地塊① 的頂點坐標(biāo)為(108,257)、(270,209)、(7,109)、(1,180),子地塊② 的頂點坐標(biāo)為(270,211)、(288,205)、(170,80)、(200,130)、(139,161),子地塊③ 的頂點坐標(biāo)為(139,161)、(120,120)、(170,80)、(57,38)、(10,85)、(7,109),子地塊④ 的頂點坐標(biāo)為(312,134)、(327,85)、(147,17)、(76,18)、(57,38),對子地塊逐個進(jìn)行全局路徑規(guī)劃。子地塊① 、子地塊③ 的ω均為21.5°,子地塊② 、子地塊④ 的ω均為20.5°,在各自最佳作業(yè)角下對子地塊規(guī)劃的路徑均符合本文設(shè)計要求。

4 路徑規(guī)劃實車試驗

為驗證該系統(tǒng)實用性,本文依托課題組設(shè)計的無人駕駛拖拉機(jī)實車試驗平臺進(jìn)行實車試驗,r=5 m,實車平臺如圖13所示。地塊頂點坐標(biāo)信息可由組合導(dǎo)航測定,其由北斗星通UB842高精定位板卡和驛唐DTU共同組成。采用固定支架將激光雷達(dá)安裝在拖拉機(jī)前配重上,并通過網(wǎng)線與LabVIEW連接,可實時檢測獲得障礙物雷達(dá)坐標(biāo),經(jīng)過雷達(dá)坐標(biāo)與拖拉機(jī)隨車坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及拖拉機(jī)隨車坐標(biāo)與大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換獲得障礙物絕對坐標(biāo)信息。

試驗場地為安徽泗州拖拉機(jī)制造有限公司的實車試驗場,該場地由多層瀝青結(jié)構(gòu)面鋪裝而成,試驗車試驗時的擋位為低快3擋,油門開度40%,車輛始終保持10 km/h直線行駛速度,因場地原因未攜帶農(nóng)機(jī)具,虛設(shè)w=5 m,當(dāng)拖拉機(jī)轉(zhuǎn)彎時應(yīng)自行減速,轉(zhuǎn)彎成功后自行加速回至原速度。

圖13 無人駕駛拖拉機(jī)實車試驗平臺

打開LabVIEW軟件里的“自主路徑規(guī)劃”選項卡進(jìn)行作業(yè)路徑規(guī)劃:① 采集路徑規(guī)劃的坐標(biāo)原點,為了避免路徑點出現(xiàn)負(fù)值,坐標(biāo)原點需設(shè)置在所規(guī)劃的作業(yè)區(qū)域的東南方;② 從地塊的右上角開始,順時針采集地塊的邊界點的坐標(biāo)信息;③ 設(shè)定 “作業(yè)速度”、“轉(zhuǎn)彎速度”、“作業(yè)幅寬”和“轉(zhuǎn)彎半徑”等參數(shù),系統(tǒng)會自主規(guī)劃出期望作業(yè)路徑,并將作業(yè)路徑信息輸入給“循跡系統(tǒng)”,進(jìn)行路徑跟蹤。

在試驗場地中,采集出一不規(guī)則地塊頂點坐標(biāo)信息,經(jīng)處理后的各頂點坐標(biāo)值為(2 148,2 186)、(2 208,2 258)、(2 249,2 239)、(2 155,2 130)、(2 146,2 131),隨后進(jìn)行全局路徑規(guī)劃。

由于場地過于平坦,人為設(shè)置多個相鄰小障礙物,如圖14a所示。當(dāng)拖拉機(jī)沿該全局路徑行駛至障礙物區(qū)域進(jìn)行實時局部路徑規(guī)劃,完整路徑規(guī)劃實驗結(jié)果如圖14b所示。

由圖14b可知,所規(guī)劃的全局路徑可實現(xiàn)對地塊的全覆蓋。當(dāng)無人駕駛拖拉機(jī)沿期望路徑自主行駛至小障礙物區(qū)域時,進(jìn)行實時局部路徑規(guī)劃,規(guī)劃的局部路徑可實現(xiàn)對障礙物避障,且避障后仍回到原期望路徑上,滿足本文設(shè)計要求。直線路徑跟蹤偏差穩(wěn)定在0.07 m上下波動,轉(zhuǎn)彎時,由于目標(biāo)路徑曲率突變,跟蹤偏差會迅速增加,但最大不超過0.23 m,且可迅速被修正。因此本文設(shè)計的路徑具有較大的實用價值,可以作為無人駕駛拖拉機(jī)的參考作業(yè)路徑,具有一定的現(xiàn)實意義。

圖14 路徑規(guī)劃實車試驗

5 結(jié) 論

(1) 本文綜合農(nóng)田幾何形狀和作業(yè)機(jī)具參數(shù)等因素設(shè)計全局路徑規(guī)劃方法,并在全局路徑的基礎(chǔ)上針對單個及多個相鄰小型靜態(tài)障礙物實時搭建局部路徑;根據(jù)切換條件,將離線規(guī)劃全局路徑與實時規(guī)劃局部路徑相結(jié)合，形成完整的田間作業(yè)路徑,保證作業(yè)路徑的全局最優(yōu)性和局部實時性。

(2) 基于所述路徑規(guī)劃算法,設(shè)計無人駕駛拖拉機(jī)路徑規(guī)劃系統(tǒng),設(shè)定參數(shù)自主規(guī)劃,結(jié)果表明對于不同形狀地塊在不同轉(zhuǎn)彎工況下均可以規(guī)劃出全局路徑,并可根據(jù)模擬障礙物信息實時規(guī)劃出局部路徑。為驗證算法的實用性,基于某型拖拉機(jī)搭建實車試驗平臺,根據(jù)作業(yè)情況設(shè)計試驗工況,結(jié)果證明本文所設(shè)計的算法有較大的實用價值。