專利名稱：一種用于gps控制平地系統(tǒng)的作業(yè)路線生成方法及作業(yè)路線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及土地精細平整技術(shù)，特別涉及一種用于GPS控制平地系統(tǒng)的作業(yè)路線生成方法及其生成的作業(yè)路線。
背景技術(shù)：
隨著我國農(nóng)業(yè)水資源供需矛盾的突出，改進地面灌溉技術(shù)、提高農(nóng)田平整程度已成為當今現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)的重要組成部分。平整土地可以起到提高田間地面灌溉效率和灌水均勻度的作用，是改進地面灌溉方法的重要技術(shù)要素之一。目前在農(nóng)田平整作業(yè)方面，平地的方法主要有三種，即常規(guī)平地，激光控制平地以及GPS控制平地。常規(guī)平地方法中采用的平地設(shè)備一般包括推土機、鏟運機和刮平機等，該種常規(guī)的土地平整設(shè)備具有土方運移量大、平地費用相對較低的特點，適合于地面起伏較大、原始平整程度較差的農(nóng)田粗平作業(yè)，可有效改變農(nóng)田的宏觀地形。這種常規(guī)土地平整的效果主要取決于推土機和刮平機的施工精度。但是由于推土機的升降采用手工控制，操作人員不能精確地控制其抬升或下落的高度，而刮平機的鏟運刀口與設(shè)備行進裝置間的相對位置固定，故平地施工時刀口將隨輪胎沿地面微地形的變化上下起伏，刮平及修整田面的效果有限。因此，受常規(guī)平地機具設(shè)備自身缺陷和人工操作精度較低等不利條件的影響，當平地效果達到一定平整程度后很難再有所提高，難以滿足農(nóng)田土地精細灌溉的要求。激光控制平地技術(shù)是利用激光束掃射形成參照平面作為非視覺操作控制手段，代替常規(guī)平地設(shè)備操作人員的目測判斷能力來自動控制液壓平地機具刀口的升降，從而能夠大幅度提高土地的平整精度，其感應(yīng)系統(tǒng)的靈敏性至少比人工視覺判斷和拖拉機操作人員的手動液壓控制系統(tǒng)精確10 50倍。但激光平地的作業(yè)范圍有限，當土地長度超出激光發(fā)射器的有效發(fā)射距離時，需要搬動且重新固定發(fā)射器的位置，影響作業(yè)效率，同時，由于激光接收器的接收范圍有限，會出現(xiàn)在平地中丟失激光信號的現(xiàn)象，不適宜大范圍土地平整作業(yè)。GPS控制平地技術(shù)是利用GPS接收機和獲取測量點的位置信息，通過一定算法計算出預(yù)設(shè)基準高程與挖填土方量，根據(jù)高程差輸出控制信號從而控制平地機構(gòu)進行作業(yè)。GPS控制平地技術(shù)基本適用于全國各種地形，相對于上述兩種方法，自動化程度較高，且不受陽光、風力、地勢起伏等外界因素的影響，有著較好的工作效率與發(fā)展前景。在GPS控制平地作業(yè)中，為了便于駕駛員更好的了解待平整地塊的地勢狀況，系統(tǒng)一般提供三維地形圖顯示功能，在拖拉機對農(nóng)田進行動態(tài)測量之后，快速顯示農(nóng)田三維地形圖，便于作業(yè)人員確定作業(yè)路線。作業(yè)路線的選取，直接影響平地的作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量。一般以耗時少、作業(yè)人員勞動強度低、土方運移量少為標準選擇作業(yè)路線。目前，國內(nèi)外有些關(guān)于平地路線設(shè)計的報道，例如國內(nèi)本領(lǐng)域技術(shù)人員設(shè)計了螺旋形等16種規(guī)則的平地路線，缺點是難以保證高效率。考慮到作業(yè)的連續(xù)性、效率及作業(yè)勞動強度，在平地作業(yè)時，常常采用圓形路線。通過對國內(nèi)外專利文獻、期刊雜志及其他公開發(fā)表的文獻(如互聯(lián)網(wǎng))進行檢索，本發(fā)明在國內(nèi)外未見報道，我們也未公開發(fā)表涉及本發(fā)明內(nèi)容的文章，本發(fā)明在國內(nèi)外公眾未知。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是一種用于GPS控制平地系統(tǒng)的效率高、作業(yè)人員勞動強度低的作業(yè)路線生成方法及其生成的作業(yè)路線。一種用于GPS控制平地系統(tǒng)的作業(yè)路線生成方法，該方法包括如下步驟S1.設(shè)定圓周擬合次數(shù)N，設(shè)定圓環(huán)適宜平整指數(shù)初值Kmin，量取平地鏟寬度L;S2.將需要平整的土地劃分為多個正方形柵格，求取柵格中心點三維坐標，并求所
有柵格中心點高程均值"'S3.找到高程最高的柵格中心點，隨機選取另外兩個柵格中心點，利用此三點進行圓擬合，使三個柵格中心點全在圓周上，計圓周擬合次數(shù)N=N-1 ；S4.計算圓心P (X。，y。)與半徑Ri,若半徑Ri小于40米或半徑Ri大于150米,貝丨J返回S3重新進行圓擬合，否則，計算圓環(huán)(R1-L/2)(Ri+L/2)內(nèi)的柵格中心點高程最大差值(Hanax-Hcmin),若(Hcmax-Hanin) MOcm則返回S3重新進行圓擬合，否則計算此圓環(huán)適宜平整指數(shù) K，若 K〈Kmin，則 Kmin=K, Pbest=P (X。，yc)，Rbest = Ri，否則 Kmin、Pbest 和 Rbest 保持不變；S5.若N>0,則返回S3,否則，以Pbest為圓心，以Rbest為半徑的圓周為最優(yōu)作業(yè)路線，其中起點為高程最高的柵格中心點。進一步，在步驟SI中，根據(jù)土地的平整狀況確定擬合次數(shù)N，一般N的取值范圍為100 300。進一步，步驟S2中劃分的正方形柵格為邊長2-5m的正方形柵格。進一步，在步驟S4中，柵格中心點位于圓環(huán)中的確定方法為計算所有柵格中心點到圓心P的距離，如果距離在R1-L/2和Ri+L/2之間，則該中心點位于圓環(huán)中。進一步，所述圓環(huán)適宜平整指數(shù)初值Kmin的確定方法為確定任一寬度為L米、中心半徑為50米，且經(jīng)過高程最高點的圓環(huán)，計算此圓環(huán)的圓環(huán)適宜平整指數(shù)K，將其作為
Kmin0進一步，所述圓環(huán)適宜平整指數(shù)K的計算方法為首先計算在圓環(huán)(R1-L/2)彡R彡(Ri+L/2)內(nèi)的柵格中心點的高程均值TT及高程方差S2，則圓環(huán)適宜平整
指數(shù) a·=(I 萬；-Tq) M2
O本發(fā)明的用于GPS控制平地系統(tǒng)的作業(yè)路線是通過上述作業(yè)路線生成方法生成的。本發(fā)明的用于GPS控制平地系統(tǒng)的作業(yè)路線生成方法充分考慮實際作業(yè)中影響作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效率的各種條件，進而生成了適宜實際作業(yè)的作業(yè)路線。所生成的作業(yè)路線能夠有效提高平地作業(yè)的效率和質(zhì)量，同時降 低作業(yè)人員勞動強度。


圖1為依照本發(fā)明的一種用于GPS控制平地系統(tǒng)的作業(yè)路線生成方法示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明提出的一種用于GPS控制平地系統(tǒng)的作業(yè)路線生成方法，結(jié)合附圖及實施例詳細說明如下。如圖1所示，依照本發(fā)明一種用于GPS控制平地系統(tǒng)的作業(yè)路線生成方法包括如下步驟S1.設(shè)定圓周擬合次數(shù)N，設(shè)定圓環(huán)適宜平整指數(shù)初值Kmin,量取平地鏟寬度L;S2.將需要平整的土地劃分 為邊長為2m的正方形柵格，求取柵格中心點三維坐
標，并求所有柵格中心點高程均值F正方形柵格的邊長也可以根據(jù)實際情況自行選擇，一般正方形的邊長為2-5m。S3.找到高程最高的柵格中心點，隨機選取另外兩個柵格中心點，利用此三點進行圓擬合，使三個柵格中心點全在圓周上，N=N-1 ；S4.計算圓心P (X。，y。)與半徑Ri,若半徑Ri小于40米或半徑Ri大于150米,則返回S3，否則，計算圓環(huán)(R1-L/2)彡R彡(Ri+L/2)內(nèi)的柵格中心點高程最大差值(Hcmax-Hanin),若(Hcmax-Hcmin) MOcm則返回S3，否則計算此圓環(huán)適宜平整指數(shù)K，若K〈Kmin，則Kmin=K,Pbest=P (Xe, yc)，Rbest = Ri，否則 K—、Pbest 和 Rbest 保持不變。S5.若N>0，則返回S3，否則，以Pbest為圓心，以Rbest為半徑的圓周為最優(yōu)作業(yè)路線，其中起點為高程最高的柵格中心點。在實際的作業(yè)中，考慮到機具的轉(zhuǎn)彎半徑、作業(yè)者的操作難度，作業(yè)路線圓形半徑要大于40米。如圖1所示，A點為高程最高的柵格中心點，隨機選取另外兩個柵格中心點B點和C點，利用A、B、C三點進行圓擬合，得到圖1中中間圓，以該圓的圓心P為圓心，分別將半徑Ri縮短L/2米和延長L/2米，得到圖1中另外兩個圓，其半徑分別為R1-L/2和Ri+L/2，半徑為R1-L/2和Ri+L/2的這兩個圓周構(gòu)成一個圓環(huán)。平地作業(yè)時，盡量做到移運的土方量最少，即做到保持路線中高出平均高度的土方量和低于平均高度的土方量接近或相等。因為柵格的面積相等，且柵格面積較小，可將同一柵格中的高程近似相等，以中心點的高程代替。這樣，對土方量的計算簡化為高程的計
笪
ο如圖1所示，部分柵格的中心被包含在上述圓環(huán)中，計算這些中心點的高程最大差值，如果差值大于40厘米，則容易造成平地鏟中運土過多，影響效率，且容易造成機具損害，需要重新選擇中心點進行圓擬合；如果中心點的高程最大差值小于40厘米，計算此圓環(huán)適宜平整指數(shù)K，計算方法為首先計算在圓環(huán)(R1-L/2)(Ri+L/2)內(nèi)的柵格中心點的高程均值^及高程方差s2，則圓環(huán)適宜平整指數(shù)&=(.|疋-VT|)/-v:
O在步驟S4中，需要確定哪個柵格中心點位于圓環(huán)中，確定方法為計算所有柵格中心點到圓心P的距離,如果距離在R1-L/2和Ri+L/2之間，則該中心點位于圓環(huán)中；進行N次圓擬合，得到N個圓環(huán)適宜平整指數(shù)K，其中數(shù)值最小的K，所對應(yīng)的圓環(huán)為最優(yōu)路線，其中作業(yè)的起點為高程最高點。在作業(yè)中，實時動態(tài)更新柵格中心點的高程，作業(yè)一圓周后，再次運行上述方法，生成新的作業(yè)路線，生成新的作業(yè)路線，進行連續(xù)平地作業(yè)。最后應(yīng)說明的是以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于GPS控制平地系統(tǒng)的作業(yè)路線生成方法，其特征在于，該方法包括如下步驟51.設(shè)定圓周擬合次數(shù)N，設(shè)定圓環(huán)適宜平整指數(shù)初值Kmin,量取平地鏟寬度L;52.將需要平整的土地劃分為多個正方形柵格，求取柵格中心點三維坐標，并求所有柵格中心點高程均值及 ·53.找到高程最高的柵格中心點，隨機選取另外兩個柵格中心點，利用此三點進行圓擬合，使三個柵格中心點全在圓周上，計圓周擬合次數(shù)N=N-1 ；54.計算圓心P(xe，y。)與半徑Ri,若半徑Ri小于40米或半徑Ri大于150米，則返回S3 重新進行圓擬合，否則，計算圓環(huán)(R1-L/2)(Ri+L/2)內(nèi)的柵格中心點高程最大差值 (Hcmax-Hanin),若(Hcmax-Hanin) >40cm則返回S3重新進行圓擬合，否則計算此圓環(huán)適宜平整指數(shù) K，若 K〈Kmin，則 Kfflin=K, Pbest=P (xc，yc)，Rbest = Ri,否則 Kfflin, Pbest 和 Rbest 保持不變；55.若N>0，則返回S3，否則，以Pbest為圓心，以Rbest為半徑的圓周為最優(yōu)作業(yè)路線，其中起點為高程最高的柵格中心點。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于GPS控制平地系統(tǒng)的作業(yè)路線生成方法，其特征在于，步驟S2中劃分的正方形柵格為邊長2-5m的正方形柵格。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于GPS控制平地系統(tǒng)的作業(yè)路線生成方法，其特征在于，步驟SI中所述圓周擬合次數(shù)N根據(jù)土地的平整狀況確定，N取值范圍為100 300。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于GPS控制平地系統(tǒng)的作業(yè)路線生成方法，其特征在于，在步驟S4中，柵格中心點位于圓環(huán)中的確定方法為計算所有柵格中心點到圓心P的距離，如果距離在R1-L/2和Ri+L/2之間，則該中心點位于圓環(huán)中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于GPS控制平地系統(tǒng)的作業(yè)路線生成方法，其特征在于，步驟SI中所述圓環(huán)適宜平整指數(shù)初值Kmin的確定方法為確定任一寬度為L米左右、中心半徑為50米，且經(jīng)過高程最高點的圓環(huán)，計算此圓環(huán)的圓環(huán)適宜平整指數(shù)K，將其作為1(_。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5任一項所述的用于GPS控制平地系統(tǒng)的作業(yè)路線生成方法，其特征在于，所述圓環(huán)適宜平整指數(shù)K的計算方法為首先計算在圓環(huán) (R1-L/2)彡R彡取+172)內(nèi)的柵格中心點的高程均值^及高程方差S2，則圓環(huán)適宜平整指數(shù)夂=(|7^-O
7.—種釆用如權(quán)利要求1-6任一項所述的作業(yè)路線生成方法生成的作業(yè)路線。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于GPS控制平地系統(tǒng)的作業(yè)路線生成方法及作業(yè)路線，該方法包括如下步驟S1.設(shè)定圓周擬合次數(shù)N，設(shè)定圓環(huán)適宜平整指數(shù)初值Kmin，量取平地鏟寬度L;S2.將需要平整的土地劃分為多個正方形柵格，求取柵格中心點三維坐標，并求所有柵格中心點高程均值S3.找到高程最高的柵格中心點，隨機選取另外兩個柵格中心點，利用此三點進行圓擬合，使三個柵格中心點全在圓周上，計圓周擬合次數(shù)N=N-1；S4.計算圓環(huán)適宜平整指數(shù)K，若K<Kmin，則Kmin=K，Pbest=P(xc,yc)，Rbest=Ri，否則Kmin、Pbest和Rbest保持不變；S5.若N>0,則返回S3,否則，得到作業(yè)路線。本發(fā)明的作業(yè)路線生成方法所生成的作業(yè)路線能夠有效提高平地作業(yè)的效率和質(zhì)量，同時降低作業(yè)人員勞動強度。
文檔編號G06F19/00GK102999706SQ20121050670
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者劉剛, 司永勝, 王瀧, 高冠東, 李宏鵬 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學