农业机器人全覆盖作业规划研究进展

随着自动导航技术的发展,农业机器人已经应用到农业生产的各个方面。农业机器人可以代替人类从事喷药、施肥、收获等活动,减轻了劳动强度,提高了作业效率。全覆盖作业是智能机器人研究的核心内容之一,涉及农业、军事、生产制造和民用等多个应用领域。全覆盖作业规划作为农业生产作业的关键技术,有助于提高作业质量和资源利用率。但在全覆盖作业中,仍然存在障碍物识别不准确,阻碍农机工作路径;工作区域面积遗漏,路径重复问题,造成资源浪费;单机器人工作效率较低,无法处理复杂的全覆盖作业问题。本文从全覆盖作业规划中存在的问题入手,从环境模型构建、机器人路径规划、多机器人协作任务分配3方面进行综述。其中,准确可靠的环境地图信息有助于规避静态障碍物、提高作业可靠性;高效优化路径信息有助于减少遗漏面积,提高作业效率;最佳的任务分配方案有助于减少作业时间和资源浪费。首先对环境建模方法进行了分析和对比,揭示其局限性并提出优化方法;在环境建模方法的基础之上,对国内外全覆盖路径规划算法现状进行综述,指出相关算法的特点;然后,针对多机器人协作全覆盖任务规划的研究,探讨了相关任务分配算法的研究进展;最后对移动机器人全覆盖作业规划未来的发展方向进行了展望。该研究将有助于进一步提高农业生产中全覆盖环节的工作效率和农业作业质量,减少资源浪费,为我国实现农业规模化生产提供重要依据。     

自动导航拖拉机田间作业路径规划与应用试验

为了实现自动导航拖拉机田间作业的全区域覆盖路径规划,提出基于全排列算法获得转弯耗时最短的路径规划方案。为此,将农田地块划分为直线作业区域和地头转弯区域,在地头转弯区域内建立了拖拉机沿弓形和鱼尾形转弯路径行驶的轨迹解析模型,计算得到地头转弯区域所需的最小宽度及转弯所消耗的时间。在直线作业区域内,根据转弯次数最少来确定直线作业路径在田间的相对方向,生成相应的直线路径簇。根据对两块典型农田地块田间作业路径规划试验,得到了直线作业路径遍历顺序的一般规律。试验表明:这两块农田的路径规划方案中转弯路径的耗时较梭形行走、离心行走及向心行走方式至少减少了51%。     

基于启发式搜索算法的自动采摘机器人路径规划研究

对启发式搜索算法进行了分析和介绍,并选择采用A*算法进行自动采摘机器人路径规划研究.研究了采摘机器人路径规划的二维空间环境的模型,并采用栅格法建立了采摘机器人路径规划空间模型.利用Mat-Lab软件对模型进行了仿真实验,结果表明:改进的A *算法可以明显改善采摘机器人移动路径,使规划的路径更加平滑,证实了改进算法的可行...     

农业机械导航路径规划研究进展

导航路径规划是农业机械自动导航的关键技术,近年来被广泛应用于耕种管收自动导航生产作业过程中。本文分别从全局路径规划和局部路径规划两个角度阐述分析了农业机械导航路径规划研究现状和进展。全局路径规划着重阐述了全覆盖路径规划和全局点到点路径规划,并归纳总结了在精准作业、农业运输和农机跨地块调度等方面的研究成果和具体应用。局部路径规划重点阐述了避障路径规划和局部跟踪路径规划,由于农业作业环境的复杂性和时空变异性,局部路径规划研究的重点是算法的实时性、高效性、鲁棒性和安全性。最后指出导航路径规划技术未来的研究重点为:数据资源标准化及规划路径共享;提高环境信息感知和解析能力;增强实时动态规划性能;路径规划与农机特性相结合。     

多约束情形下的农机全覆盖路径规划方法

为满足自主作业农机自动导航作业的需求并优化农机作业效率,在处理多种车辆转弯方式约束和农业地块约束的基础上,基于模拟退火算法提出一种混合规则路径规划方法。在多种作业约束处理方面,引入了农机转弯代价邻接矩阵来量化农机地头转弯方式的影响,通过采用内缩改进的道格拉斯-普克(Douglas-Peucker)拟合算法与求解采样点的最小凸包分别处理地块边界及障碍物边界。在使用角平分线的平行偏移法求得转向预留地块后,以转弯代价最小为优化条件对多种形状地块进行了最优作物行生成。在农机遍历顺序方面,利用模拟退火算法求解得到最优路径集,并通过单元拆解及合成的方式求解全覆盖遍历顺序,解决了传统规则遍历走法适应性差和大规模农机作业时经典模拟退火算法易陷入局部最优解的问题。实验表明,本文方法所得路径平均作业覆盖率达90.78%,平均作业占空比达85.10%。在同等作业条件下,利用本文方法所得路径比传统规则路径最多可节约距离消耗30.3%,比模拟退火算法所生成路径节约6.9%。说明本文规划算法可在多种约束下对农机进行作业路径规划,且具有较好的规划效果。     

农业机械导航技术研究进展

农业机械自动导航技术是实施精细农业的基础,可有效减轻农机操作人员的劳动强度,提高作业精度与作业效率。经典的农机自动导航关键技术包括定位测姿、路径规划和运动控制,针对这3项关键技术,分别阐述了基于全球导航卫星系统、惯性导航系统、机器视觉导航系统及多传感器信息融合的农机定位测姿方法,总结归纳了农机自动导航系统中的全局路径与局部路径规划算法,以及农机的运动学模型、导航决策控制方法、转向制动控制系统。随着信息技术的发展,农机智能导航技术受到越来越多的关注,保证作业安全与提高作业效率成为农机智能导航不同于传统自动导航的关键技术。以激光雷达和RGB相机为例综述了农机自主避障技术,并从协同导航模式、通信技术、协同控制、远程监控平台等角度阐明了多农机协同作业的关键技术。最后,结合无人农场和智慧农业对农机智能导航技术未来的发展方向进行了展望。     

基于改进A*算法的地下无人铲运机导航路径规划

提出一种基于改进A*算法的铰接式地下铲运机导航路径规划方法。针对地下铲运机的铰接结构,采用按铰接角扩展节点的方法,使扩展节点符合铲运机的轨迹特性;针对巷道狭窄,易于发生碰撞的问题,在估价函数中引入了碰撞威胁代价,避免铲运机与巷道壁发生碰撞。通过仿真试验分析比较了传统A*算法和所提出的改进A*算法的搜索性能,验证了改进A*算法可提高搜索效率。通过多组试验参数比较表明,当碰撞代价加权系数为0.2时,可以得到在避免碰撞情况下的最短路径。最后在实验室环境下实现了无人铲运机的路径规划及轨迹跟踪。跟踪结果表明,采用所提出的算法规划的导航路径,符合铲运机的结构特性,使跟踪误差保持在0.2 m之内,同时也可使铲运机不与巷道发生碰撞,实现安全行驶,验证了所提方法的可行性和实用性。     

基于GNSS的农田平整自动导航路径规划方法

为了提高农田平整作业工作效率,分析了基于全球导航卫星系统（Global navigation satellite system,GNSS）的农田平整自动导航解决方案的可行性,改进了系统硬件设计,提出了一种基于GNSS的农田平整自动导航路径规划方法。该方法将全局路径规划和局部实时路径规划相结合,以铲车空载或满载时间最短为最优评价基准,融合K 均值与密度均值,聚类农田栅格;根据设计的铲车挖高填低方法和局部搜索策略得到平地路径全局规划,在实际作业中根据拉力传感器反映的实时载荷进行局部调整和规划。通过仿真试验和农田路径规划平地对比试验分析表明,最大高度差从22.8cm降到2.7cm,平整度从12.6cm降到1.5cm,高差分布列从81%上升到97%,平整效果能满足精细灌溉需求。该方法能够较好地实现路径规划,实现拖拉机高效平地作业,其中铲车的满载和空载率较其他方法小,满载和空载率总和在20%左右,增加了有效工作时间,降低了人工劳作强度,提高了平地效率。     

Multi-Bug全局路径规划算法研究

提出一种基于Multi-Bug思想的非搜索全局路径规划算法。在Multi-Bug算法中,借用传统Bug算法的寻路逻辑,加入遇到障碍物时的爬虫分裂规则及爬虫死亡条件判断规则,直至其中一只爬虫以相对最优路径抵达终点,从而实现多路径并行运算的局部最优寻路策略。利用栅格法对多类障碍物、迷宫类地图等环境进行建模,并与Dist-Bug算法、RRT*和A*算法进行路径长度及运算时间的对比仿真实验,结果表明,采用Multi-Bug算法获得的路径长度和用时都表现得更加稳定;与获得最短路径的A*算法相比,Multi-Bug算法获得的平均路径长度仅增加了16.8%,平均用时减少了86.5%。经理论分析及仿真验证,Multi-Bug算法时间复杂度为O(n),具有路径较短、时效性强、算法通用性和稳定性好的路径规划性能。     

农业无人机植保作业全覆盖航线科学规划方法研究

【目的】在无人机植保作业过程中,其作业安全受到诸多因素的影响,包括天气、地形、建筑物等。为了提前考虑到这些因素,降低无人机遇到危险和失控的可能性,从而增强其作业时的安全保障。【方法】笔者进行了农业无人机植保作业全覆盖航线科学规划方法研究,综合分析了全覆盖航线规划效果评价指标,科学设置了航向旋转后坐标位置计算方法,并对作业区域划分和区域规划设计了具体方案内容,最后结合具体作业过程中的地形变化,针对开放边界和障碍边界的地形特点设计了航线规划。根据试验内容,明确了全覆盖航线规划效果评价指标包括覆盖率、重复覆盖率以及其他可能涉及的约束条件,给出了子作业区域数量、子作业区域范围、航路点坐标的计算方法,并提出了航向旋转后坐标位置的计算方法。【结果】全覆盖航线的科学规划可以最大限度地利用无人机的作业效能,既可避免重复作业和漏洞等问题,又能提高作业效率,为全面提升全覆盖航线科学规划实效奠定了坚实的基础;同时,还对在作业过程中减少农药、化肥的使用量有一定的推动作用,不但可减少产业发展过程中的成本投入,还可提高农业产业发展的安全系数。     

基于WebGIS的农机多机协同导航服务平台设计

为向多台农业机械协同作业应用场景提供地图和导航服务支持,设计并开发了基于WebGIS的农机多机协同导航服务平台,该平台由GIS服务和农机调度2个功能模块组成。GIS模块基于GeoServer和JavaWeb提供网页端地图服务,在显示农场地图、实时标注农机位置的同时,也提供多农机导航结果的可视化显示功能;农机调度模块以路径规划算法和任务分配算法为核心,负责提供导航服务,在用户输入任务列表并调用服务的情况下,以GeoJSON格式返回各农机的任务分配以及路径规划结果。此外,为了筛选出满足平台需求且性能最优的算法,针对路径规划算法设计了算法性能对比实验,在导航距离近、中、远的3条路径上分别测试了基于A*、Bellman-Ford、Dijkstra、Floyd和SPFA 5种算法的路径规划算法,并对不同算法的执行时间和最优路径长度进行了对比;针对任务分配算法设计了不同任务数量场景下的仿真对比实验,在任务数量为8、10、14、18的场景下分别测试了基于蚁群算法和遗传算法的任务分配算法,并对两者的执行速度和最优路径长度进行了对比。结果表明：基于Dijkstra算法的路径规划算法在结果最优的前提下执行速度最快,平均单次执行时间为0.25ms。基于遗传算法的任务分配算法可以有效降低多机协同的路径代价,相较于随机生成的工作序列,路径代价减少50%~54%;相较于基于蚁群算法的任务分配算法,农机最佳路径长度减少19%~36%,执行时间减少51%~66%,平均执行时间在1s以内。开发的多机协同导航服务平台通过使用Dijkstra算法和遗传算法分别进行路径规划和任务分配,能够基本满足多机协同作业的实时性需求。     

基于改进蚁群算法的农田平地导航三维路径规划方法

为解决农田平地机无人驾驶作业时缺乏局部规划,进而实现平地路径在线调整的问题,以平地作业土方合理运卸且路径最短为目的,提出了一种基于改进蚁群算法的农田平地导航三维路径规划方法。基于农田三维地势模型,采用改进的蚁群算法规划三维路径：以平地作业土方运载为决策方向,建立新的路径搜索节点,对比平地机作业时平地铲运载土方量和经过栅格计算所需的挖填土方量,根据土方运载任务设置信息素更新规则和启发函数,获取农田平地的最佳三维路径;基于平地机的运动学模型,设置农田平地机转向约束条件,根据约束条件对路径进行平滑优化,并建立三维路径规划的效果评价标准。仿真结果表明：相比于原始蚁群算法,该方法的路径规划效果评价指标提高33.3%以上,可以更好地指导农田平地机实现局部平地任务,而且大大缩短了路径生成时间和路径长度,使路径更为平滑,更适用于辅助农田平地的自动导航作业。     

农业运输机械田间路径协同分配模型研究

田间任务分配是多农机协同工作分配中的核心问题,在农忙时期,需要多种农业机械配合完成多项田间作业任务。为了提高田间农业机械工作效率及协同管理,在充分考虑供需匹配、农机作业能力、作业周期和路径成本的基础上,提出了基于蚁群算法下多机任务协同分配模型,并以农作物收获试验为例,通过MatLab对改进蚁群算法的多台农机协作的动态和静态任务分配进行了仿真分析。研究结果表明：当任务数量设置为11时,谷物联合收获机和农业运输机械的成本分别降低了50%和22%,表明改进的蚁群算法可以有效降低路径成本;当任务数量设置为5、11、16、22时,农业机械平均运行周期分别缩短了65%、38%、56%、56%,可以避免田间部分农机超载和其他农机闲置等问题,缩短了农业机械作业周期。研究结果可为解决复杂农田作业时多农机协同调度管理问题提供技术参考与应用依据。     

拖拉机自动驾驶路径规划算法研究与系统仿真

拖拉机无人驾驶与自动导航可有效解决人工操作存在的诸多问题,同时推进了作业方式的智能化进程。提出了一种用于拖拉机自动路径规划的算法,分析了算法实现的关键问题,并进行了算法的系统仿真。该算法可针对不同的拖拉机宽幅及转弯半径自动生成作业路径,为拖拉机无人驾驶和自动导航的实现提供了理论支持。     

基于混合粒子群算法的水稻穴直播机路径规划研究

介绍了粒子群算法和混合粒子群算法原理,并对水稻穴直播机全覆盖路径规划进行了分析,基于混合粒子群算法实现了水稻穴直播机路径规划算法。实际测试试验表明：水稻穴直播机在经过直线和转向路径规划后,对整个作业可以进行全覆盖路径规划,并对障碍物进行了避障规划处理,证实了系统算法的可靠性和可行性。     

基于改进粒子群算法的路径规划

传统粒子群算法存在收敛精度低、搜索停滞等缺点,导致机器人路径规划精度低。为了提高路径规划的精度,对传统的粒子群算法进行改进。首先在算法运行的各阶段对惯性权重因子和加速因子同时使用三角函数的变化方式自适应调整,使算法中的参数在算法运行各阶段的配合达到最佳,提高了算法的搜索能力;其次在算法中引入鸡群算法中的母鸡更新方程和小鸡更新方程对搜索停滞的粒子进行扰动,并在引进的方程中使用全局最优解使扰动后的粒子向全局最优解靠近;最后通过函数优化和路径规划两组对比实验,验证了改进算法在问题优化时具有寻优精度高、鲁棒性好的优点。     

基于路径规划与跟踪的自动泊车系统研究

为了降低泊车系统控制器的建模难度,更好地完成自动泊车操作,提高泊车控制器对环境的适应能力,通过对自动泊车流程和控制进行研究,采用路径规划与跟踪方法,设计了一种自动泊车系统。     

基于混合粒子群算法的农业机器人全局路径规划研究

从运动学模型和路径规划整体方案分析了农业机器人路径规划要点,介绍了混合粒子群算法原理,并基于该算法设计了农业机器人全局路径规划方案.实验对比表明:混合粒子群算法比蚂蚁算法规划的路线更优,效率更高,证实了算法的可行性和稳定性.     

基于物联网和人工智能的农业无人机路径规划系统

采用物联网网络架构,基于Dijstar算法中引入的启发式函数A^*算法,将农业无人机的航迹放大细化,在航迹存在明显夹角的情况下对A^*算法进行改进,在允许的范围内采用劣弧替代A^*算法的航路规划,实现对航迹的优化。MatLab仿真实验表明：改进A^*算法的路径规划明显比A^*算法更平滑,路径更短,具备更好的航路点集,证明了改进A^*算法的路径规划具备一定的稳定性和可行性。