基于铲车载荷监测的gnss平地作业路径动态规划与导航方法
【专利摘要】本发明公开了基于铲车载荷监测的GNSS平地作业路径动态规划与导航方法，该方法包括平地前和平地中；平地前，地形测量，划分栅格，插值处理，计算农田基准高程并设置导航路径更新周期T；开始平地过程，每经过时间T，在铲车所在的栅格位置处读取所在位置三维坐标、当前行驶方向角及铲车载荷量，计算目标栅格并计算拖拉机转向角；铲车行走过程中改变的地形使用新的高程值覆盖原有数据；为避免多次重复行走，对于已经达到基准高程精度要求的栅格进行标记。该方法实现了整体的最优规划以及实时的最优规划；缩短整个土地平整过程拖拉机的行走路程，提高平整作业效率，解决了传统技术中路径规划方式固定、规划决策缺少实时反馈的问题。
【专利说明】基于铲车载荷监测的GNSS平地作业路径动态规划与导航方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及土地平整中的路径导航【技术领域】，更具体涉及基于铲车载荷监测的GNSS平地作业路径动态规划与导航方法。
【背景技术】
[0002]农田土地平整可改善农田表面的地形状况，提高农田灌溉效率与灌水均匀度，达到节水增产的效果。土地精细平整对于水资源管理和农业现代化均具有积极深远的推动作用。GPS控制平地技术作为一种智能化的土地平整技术在国内外均已有较好较快的发展，在美国已有商品化产品。国产GNSS控制平地系统选用高精度高集成性的GPS+BDS双星定位设备代替国外高成本的GPS接收设备，降低了系统开发成本，提高了产业化水平，同时，提高了定位精度，降低了农田平整硬件设备的故障率，增强了系统的实用性与集成性。
[0003]现有较普遍的GNSS智能控制平地系统主要包括:GNSS接收设备、工控机、阀控制器、液压系统和平地铲运设备等几部分。基于这类GNSS控制平地系统中的导航功能的实现是通过对平地前地形测量得到的高程数据进行分析，根据一定的最优规划原则，在常见的路径规划方式，例如梭形和环形中选择最优的一种路径。其中，最优规划原则不一而足，各有侧重，具体有挖填土方量平衡、运距最短、效率最高等。一般情况下根据实际情况只能保证其中一个或两个原则达到最优；并且使用这些规划原则实现的导航方式强调整体的规划，并未将平地过程中地形的实时改变以及操作者对导航命令不服从的因素考虑在内，无法体现导航的实时性和灵活性。同时，以往的平地过程中，平地作业者频繁的观察铲车中载土量从而判断拖拉机行走方向的方式极大的降低了工作效率，同时也给操作者平地作业造成不便。
【发明内容】
[0004](一 )要解决的技术问题
[0005]本发明要解决的技术问题是如何根据农田土地的实时状况，进行导航，提高导航效率和灵活性。
[0006]( 二 )技术方案
[0007]为了解决上述技术问题，本发明提供了基于铲车载荷监测的GNSS平地作业路径动态规划与导航方法，所述方法包括以下步骤:
[0008]S1、平地前，
[0009]S101、地形数据采集；标定原点三维坐标，进行边界测量和内部测量，相对所述原点三维坐标，以相对坐标的形式即高程值保存农田地形数据；
[0010]S102、对农田进行栅格划分，对所述高程值进行插值处理、并以矩阵H形式存储所述高程值；
[0011]S103、计算农田基准高程；利用公式⑴进行计算[0012]
【权利要求】
1.基于铲车载荷监测的GNSS平地作业路径动态规划与导航方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: 51、平地前， 5101、地形数据采集；标定原点三维坐标，进行边界测量和内部测量，相对所述原点三维坐标，以相对坐标的形式即高程值保存农田地形数据； 5102、对农田进行栅格划分，对所述高程值进行插值处理、并以矩阵H形式存储所述高程值； 5103、计算农田基准高程；利用公式(I)进行计算
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S202具体包括以下步骤: (1)根据当前铲车的方向角Θ，确定铲车的目标区域，即目标区域为铲车当前位置为圆心，中心角为90°、半径长度不固定的扇形，并且所述扇形随着拖拉机的前进同步推进； (2)目标区域中，设定有50%以上面积处在区域内的栅格即为有效栅格，然后找到所有有效栅格的高程值Hij,其中栅格面积为Stl，则单个栅格上的土方量(Hij-href)Stl ；(3)假定各个有效栅格为目标栅格，预描出铲车达到目标栅格的行走路径，并列出行走路径上所经过的所有有效栅格； (4)分别计算各个预描出的铲车行走路径上的总装卸土方量Σ(Hij-href)S05 (5)已知铲车满载时土方量体积为Vtl，将步骤(4)中的所述总装卸土方量换算为相对V?的比值
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S203具体包括以下步骤: (1)根据当前铲车的三维坐标，确定当前铲车所在位置的栅格，记作栅格Α，目标栅格记作栅格B ； (2)所述栅格A和所述栅格B的中心点坐标分别为P(xl，yl)、Q(x2，y2)，铲车当前位置在行走轨迹曲线上的切线记为L，L直线方程为
L:y = 1.x+c (6) 其中I为L的斜率，I = tan O /2- Θ ) = cot Θ ；c值通过将P点坐标带入方程求得，θ为铲车当前位置的方向角； P、Q的连线为铲车的目标航向，设其所在直线为Μ，斜率为m:
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方向角Θ的取值范围为[-45°，45。]。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述挖填土方比R的取值范围为(1.0，.1.2)。
【文档编号】G01C21/20GK104019815SQ201410245853
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月4日 优先权日:2014年6月4日
【发明者】刘刚, 王岩, 牛东岭, 李宏鹏, 李笑, 司永胜 申请人:中国农业大学
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