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基于鏟車載荷監測的gnss平地作業路徑動態規劃與導航方法
【專利摘要】本發明公開了基于鏟車載荷監測的GNSS平地作業路徑動態規劃與導航方法，該方法包括平地前和平地中；平地前，地形測量，劃分柵格，插值處理，計算農田基準高程并設置導航路徑更新周期T；開始平地過程，每經過時間T，在鏟車所在的柵格位置處讀取所在位置三維坐標、當前行駛方向角及鏟車載荷量，計算目標柵格并計算拖拉機轉向角；鏟車行走過程中改變的地形使用新的高程值覆蓋原有數據；為避免多次重復行走，對于已經達到基準高程精度要求的柵格進行標記。該方法實現了整體的最優規劃以及實時的最優規劃；縮短整個土地平整過程拖拉機的行走路程，提高平整作業效率，解決了傳統技術中路徑規劃方式固定、規劃決策缺少實時反饋的問題。
【專利說明】基于鏟車載荷監測的GNSS平地作業路徑動態規劃與導航方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及土地平整中的路徑導航【技術領域】，更具體涉及基于鏟車載荷監測的GNSS平地作業路徑動態規劃與導航方法。
【背景技術】
[0002]農田土地平整可改善農田表面的地形狀況，提高農田灌溉效率與灌水均勻度，達到節水增產的效果。土地精細平整對于水資源管理和農業現代化均具有積極深遠的推動作用。GPS控制平地技術作為一種智能化的土地平整技術在國內外均已有較好較快的發展，在美國已有商品化產品。國產GNSS控制平地系統選用高精度高集成性的GPS+BDS雙星定位設備代替國外高成本的GPS接收設備，降低了系統開發成本，提高了產業化水平，同時，提高了定位精度，降低了農田平整硬件設備的故障率，增強了系統的實用性與集成性。
[0003]現有較普遍的GNSS智能控制平地系統主要包括:GNSS接收設備、工控機、閥控制器、液壓系統和平地鏟運設備等幾部分。基于這類GNSS控制平地系統中的導航功能的實現是通過對平地前地形測量得到的高程數據進行分析，根據一定的最優規劃原則，在常見的路徑規劃方式，例如梭形和環形中選擇最優的一種路徑。其中，最優規劃原則不一而足，各有側重，具體有挖填土方量平衡、運距最短、效率最高等。一般情況下根據實際情況只能保證其中一個或兩個原則達到最優；并且使用這些規劃原則實現的導航方式強調整體的規劃，并未將平地過程中地形的實時改變以及操作者對導航命令不服從的因素考慮在內，無法體現導航的實時性和靈活性。同時，以往的平地過程中，平地作業者頻繁的觀察鏟車中載土量從而判斷拖拉機行走方向的方式極大的降低了工作效率，同時也給操作者平地作業造成不便。

【發明內容】

[0004](一 )要解決的技術問題
[0005]本發明要解決的技術問題是如何根據農田土地的實時狀況，進行導航，提高導航效率和靈活性。
[0006]( 二 )技術方案
[0007]為了解決上述技術問題，本發明提供了基于鏟車載荷監測的GNSS平地作業路徑動態規劃與導航方法，所述方法包括以下步驟:
[0008]S1、平地前，
[0009]S101、地形數據采集；標定原點三維坐標，進行邊界測量和內部測量，相對所述原點三維坐標，以相對坐標的形式即高程值保存農田地形數據；
[0010]S102、對農田進行柵格劃分，對所述高程值進行插值處理、并以矩陣H形式存儲所述高程值；
[0011]S103、計算農田基準高程；利用公式⑴進行計算[0012]
【權利要求】
1.基于鏟車載荷監測的GNSS平地作業路徑動態規劃與導航方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 51、平地前， 5101、地形數據采集；標定原點三維坐標，進行邊界測量和內部測量，相對所述原點三維坐標，以相對坐標的形式即高程值保存農田地形數據； 5102、對農田進行柵格劃分，對所述高程值進行插值處理、并以矩陣H形式存儲所述高程值； 5103、計算農田基準高程；利用公式(I)進行計算


2.根據權利要求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)根據當前鏟車的方向角Θ，確定鏟車的目標區域，即目標區域為鏟車當前位置為圓心，中心角為90°、半徑長度不固定的扇形，并且所述扇形隨著拖拉機的前進同步推進； (2)目標區域中，設定有50%以上面積處在區域內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，則單個柵格上的土方量(Hij-Href)Stl ；(3)假定各個有效柵格為目標柵格，預描出鏟車達到目標柵格的行走路徑，并列出行走路徑上所經過的所有有效柵格； (4)分別計算各個預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V?的比值
3.根據權利要求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)根據當前鏟車的三維坐標，確定當前鏟車所在位置的柵格，記作柵格Α，目標柵格記作柵格B ； (2)所述柵格A和所述柵格B的中心點坐標分別為P(xl，yl)、Q(x2，y2)，鏟車當前位置在行走軌跡曲線上的切線記為L，L直線方程為
L:y = 1.x+c (6) 其中I為L的斜率，I = tan O /2- Θ ) = cot Θ ；c值通過將P點坐標帶入方程求得，θ為鏟車當前位置的方向角； P、Q的連線為鏟車的目標航向，設其所在直線為Μ，斜率為m:
4.根據權利要求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.根據權利要求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】G01C21/20GK104019815SQ201410245853
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月4日 優先權日:2014年6月4日
【發明者】劉剛, 王巖, 牛東嶺, 李宏鵬, 李笑, 司永勝 申請人:中國農業大學