无人驾驶农机自主作业路径规划方法

翟卫欣，王东旭,2，陈智博，董 靓，赵 欣，吴才聪

·农业装备工程与机械化·

无人驾驶农机自主作业路径规划方法

翟卫欣1，王东旭1,2，陈智博1，董 靓1，赵 欣1，吴才聪1※

（1. 中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083；2. 中国兵器工业计算机应用技术研究所，北京 100089）

针对无人驾驶农机自主作业的应用需求，该研究设计了一种基于区块套行作业模式的路径规划方法，以生成含有速度指令和机具状态指令的可执行路径，重点解决田内作业的四边形地块适应性、无人驾驶农机适应性和农田作业路径完整规划等问题。该方法由农田信息处理模块和路径规划模块组成，农田信息处理模块将测绘产生的地块轮廓数据和障碍物数据处理为便于运算的地块轮廓点数据和障碍物轮廓点数据形式，然后由路径规划模块利用用户输入的作业方向、作业幅宽、转弯半径和起始方位等作业参数，经过作业梯形区生成、掉头区与作业区划分、作业条带分割、障碍物条带处理、作业条带路由、掉头路径生成和最终指令路径生成等子模块，最终生成无人驾驶农机的指令路径。仿真试验结果表明，相对于相邻法，该方法的作业面积比及作业路程比分别提升了10.0%和8.8%。播种作业田间试验结果表明，无人驾驶农机自主作业的横向偏差的均值和标准差分别为左偏0.002和0.027 m，满足作业要求。研究结果表明，该研究提出的方法适应不同的四边形农田和障碍物，可以结合不同的作业参数完成路径规划，能够满足无人驾驶农机自主作业的需求。

农业机械；自动驾驶；自主作业；路径规划

0 引 言

随着云定位和协同精密定位等技术的不断发展，农机自动驾驶技术已大规模应用于农业生产，有利于降低劳动强度、提高作业质量和提升劳动效率[1-2]。在农机自动驾驶技术基础上发展的农机无人驾驶技术，则致力于进一步减少劳动力数量，以应对农业劳动力日益紧缺和用工成本日益高涨等严峻问题[3]。相较于农机自动驾驶，农机无人驾驶在作业速度和机具动作指令等方面，对路径规划提出了更高的要求[4]，需要研发基于指令的农机作业路径规划方法，特别是研发适应不同四边形农田、不同农艺、不同机具和不同工序的农机路径规划方法。

与行人、移动机器人、车辆和无人机等场景不同[5-8]，农机作业路径规划的主要目标是高效地实现农田全覆盖作业[9]。目前，该领域的研究热点主要集中在以AB线模式[10]为基础的路由规划[11]、地头转弯及障碍物处理等。在路由规划方面，自从Bochtis等[12]提出以非作业路程为评价指标以来，Conesa-Muñoz等[13]引入了停车点适应性，Rodias等[14]建立了油耗优化与评估模型，Graf等[15]以总路程为指标完成了2种圈型模式（circular pattern及circular pattern*）的设计和评估，Utamima等[16-17]提出进化混合邻域搜索算法和进化分布式评估算法来优化非作业路程。在地头转弯方面，孟志军等[18]基于半圆形、梨形和鱼尾形等转弯模式进行了作业方向的优化，Cariou等[19]提出了基于回旋曲线的掉头方法，Boryga等[20]提出了基于多项式曲线的掉头路径规划方法。在障碍物处理方面，奚小波等[21]面向圆形障碍物，设计了一种基于Bezier曲线的避障方法，Zhou等[22]提出了一种满足农田和障碍物适应性的路网生成方法。

现有的农机作业路径规划大多围绕单一问题（如路由问题、掉头问题或避障问题）进行算法优化和仿真测试，以一个农田作业任务为研究对象的完整规划方法研究较少[23]，尚无法满足无人驾驶农机应用需求。因此，本文面向农机无人驾驶需要，设计完整的农田作业路径规划方法，包括作业条带分割、路由规划、掉头路径生成、障碍物处理等模块，生成包含指令信息的路径点文件。为验证方法的合理性和高效性，以真实地块和农机为基础进行仿真试验，并基于DF1004无人驾驶农机开展田间播种试验。

1 材料与方法

1.1 技术路线

路径规划方法架构见图1，主要包括农田信息处理模块和路径规划模块。农田信息处理模块基于地块轮廓测绘点数据和障碍物测绘点数据等农田信息生成作业参数；路径规划模块基于作业方向、作业幅宽、转弯半径和起始方位等作业参数计算出不同的农田区域并生成包含指令信息的路径点集，并实现数据的可视化。

1.2 农田信息处理

农田信息可通过对目标农田进行测绘获取，测绘设备采集的位置数据坐标系为WGS84（World Geodetic System 1984），为便于进行几何规划，需要将地图数据转化为UTM（Universal Transverse Mercator，通用横轴墨卡托投影）坐标系。农田信息主要分为2种，分别是地块轮廓点数据和障碍物轮廓点数据，因此设计2种测绘方案和数据处理方法。地块轮廓点数据获取方法较为简单，可以直接利用厘米级RTK（Real-Time Kinematic，动态载波相位差分）测绘装置进行控制点采集获取原始位置数据，并经过地块轮廓测绘点数据处理转换为可直接运算的地块轮廓点数据。

原始位置数据为csv格式，每一条数据包括点名称、纬度、经度和高程字段，经过地块轮廓测绘点数据处理提取纬度和经度数据，并转换为UTM坐标系格式，以数组形式存于内存空间中。

农田中的主要障碍物包括电线杆、电塔、沟渠、树等，可简化为点障碍物和线障碍物，为便于测绘和后续处理，在测绘时点的命名形式为“AA B C DDD”，其中，AA表示障碍物序号；B表示障碍物类型，共2类：点障碍物（用O表示）和线障碍物（用L表示）；C表示障碍物中的点序号；DDD表示障碍物点尺寸，点障碍物取半径尺寸，线障碍物取宽度尺寸。可近似为圆形的障碍物应处理为点障碍物，利用测绘装置及卷尺工具对其圆心和半径进行测绘；长条形障碍物为线障碍物，利用测绘装置对端点及转折点进行测绘，并利用卷尺测绘其宽度。

无论点障碍物还是线障碍物，均可利用障碍物测绘点数据处理方法转换为多边形障碍物轮廓点数据。具体方法如下：1）通过对点名称进行解析和坐标系转换，获取每个障碍物对象的测绘点列表，字段包括障碍物类型、障碍物中的点序号、点尺寸、东向坐标和北向坐标；2）根据障碍物类型的不同，构造2种障碍物轮廓计算方式，并统一为多边形形式，并用其顶点表示：线障碍物的点坐标为边中点，根据点尺寸和点坐标，利用相邻点的矢量垂线生成该点所在边的两端点，进而计算障碍物多边形的顶点；点障碍物仅有1个测绘点，即障碍物圆心点，本研究用正多边形表示，计算得到该多边形的顶点。

1.3 “区块套行”路径规划方法

本研究的“区块套行”路径规划方法基于AB线[10]作业模式进行设计，主要适用于四边形地块，利用农田信息处理模块生成的地块轮廓点数据和障碍物轮廓点数据等农田信息，结合作业方向、作业幅宽、转弯半径和起始方位等作业参数，生成支持无人驾驶农机执行作业任务的最终作业路径点集文件。

路径规划过程见图2，主要包括无人作业梯形区生成、掉头区与作业区划分、作业条带分割、障碍物条带处理、作业条带路由、掉头路径生成、最终路径生成等子模块。

a. 无人作业梯形区生成a. Unmanned operation trapezoidal area generationb. 掉头区与作业区划分b. Turning area and operation area divisionc. 作业条带分割c. Operation strip segmentationd. 障碍物条带处理d. Obstacle strip processinge. 作业条带路由e. Operation strip routing planningf. 掉头路径生成f. Turning path generationg. 最终路径生成g. Final path generation

1）无人作业梯形区生成。考虑到作业路径的平行性要求，首先对地块进行无人作业适应性划分，以作业方向为平行边在四边形地块内部构建最大梯形，生成适应于无人作业的梯形区，见图2a。

2）掉头区与作业区划分。根据作业幅宽和转弯半径设置掉头区的宽度turn，见式（1）。

进而利用作业方向参数在无人作业梯形区的非作业方向边划分2个宽度为turn的平行四边形作为掉头区（图 2b）。

3）作业条带分割。AB线的基本作业单元为作业条带，因此本研究先对作业区进行作业条带分割，生成作业直线——即作业条带中心线（图2c）。作业条带方向为作业方向，宽度为作业幅宽，以近起始方位的梯形区平行边为起始边向另一边进行延展，最终完成整个作业区的作业条带分割。

4）障碍物条带处理（图2d）。障碍物条带指与障碍物相交的作业条带，由于线障碍物和点障碍物均已抽象为用顶点表示的多边形形式，因此可以统一处理。本文障碍物绕行策略的优化综合考虑转弯半径、障碍物外形和作业条带的综合影响，详见图3。

如图3a，首先对作业条带的障碍物相交性进行判断，定义相交及非相交条带的编号分别为c和n，将作业条带c划分为前后2个作业段和中间绕行段，绕行段主要由绕行弧和绕行直线组成。绕行段的生成与障碍物多边形和作业条带n有关，首先找到障碍物前置与后置极限边直线f和b，将其与作业条带n进行相交得到绕行直线段的两端点nf和nb，绕行曲线可分为“双弧”和“弧-线-弧”形式，如图3b和3c，绕行曲线形式的选择与转弯半径和绕行宽度cir有关，当cir≤2时，绕行曲线为“双弧”形式，由2个相切弧组成，当cir>2时，绕行曲线段为“弧-线-弧”形式，由2个4等分圆弧和连接线段组成。

5）作业条带路由。为满足高作业路程比要求，利用作业条带路由方法对作业条带进行排序（图2e）。以作业路程比最大为目标，构造短掉头路程的掉头模式，要求相邻顺序作业的掉头为U形模式，相邻顺序的作业直线间距离不小于2，且应为作业幅宽的整数倍，因此采用区块套行作业模式进行作业条带路由方法设计。区块作业模式将所有作业路径（数量为operate）划分为blocks个单元区块和1个剩余区块。

定义每个单元区块作业条带数为block，按式（2）计算：

则单元区块数blocks按式（3）计算：