农业机械学报

作者：黄小毛,张垒,TANG Lie,唐灿,李小霞,贺小伟

单位：华中农业大学,华中农业大学,爱荷华州立大学,华中农业大学,华中农业大学,塔里木大学,

关键词：农用航空;作业路径;复杂边界;障碍物;规划优化

基金：国家自然科学基金面上项目（31771683）、塔里木大学现代农业工程重点实验室开放项目（TDNG20170102）、中央高校基本科研业务费专项资金项目（2662018PY08）和湖北省自然科学基金项目（2019CFB752）

针对农用无人机复杂边界田块下的作业问题，提出一种对田块边界形状具有普适性意义的旋翼无人机作业路径规划算法，以快速获得凸多边形、凹多边形、带孔洞多边形甚至多个多边形形式的复杂边界田块情形下的飞行作业轨迹。首先，基于田块边界多边形顶点数据的存储规则，采用多边形分组法，区分所属不同田块的多边形，建立按区域即田块为单元进行航线计算的基础；针对单田块的内、外边界多边形，采用活性边表法实现单个多边形扫描线填充的快速求交解算，得到初始扫描线，再对处于同一航向位置上的内、外多边形两类扫描线组采用线段布尔运算“减法”操作处理，获得预设航向条件下的作业航线；以最小航线间转移路径总长度为优化目标，引入贪婪算法、凸多边形最小跨度法和步进旋转法，综合进行航线排序优化和航向优化，获得不考虑障碍物条件下的完整作业路径。为进一步扩大算法的应用范围，假设田块边界上存在障碍物，且高度大于作业高度，继续增加转移过程的安全性判断及处理算法。针对假想田块和实际田块边界的多组算法仿真试验结果表明，所设计的算法可处理各种复杂边界类型的田块；在不考虑障碍物影响时算法耗时15ms~19.2s；相比于只进行航线排序优化的情况，同时进行航向和航线排序优化后，航线间转移路径总长度下降了23.04%~45.98%；而考虑障碍物影响时处理耗时也在离线应用的可接受范围内。该算法的通用性、可靠性、效率和优化效果均可满足各种复杂边界二维田块无障碍物和有障碍物条件下的农用无人机作业的相关要求。

来源：2020年第3期

《农业机械学报》期刊编辑部

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