本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)機械路徑規(guī)劃，特別涉及面向土壤機械壓實消減的玉米播種機田內(nèi)路徑規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

1、隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的持續(xù)推進(jìn)，智能化農(nóng)業(yè)技術(shù)的應(yīng)用逐漸成為提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵手段。傳統(tǒng)的機械化作業(yè)，雖然大幅提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，但也帶來了土壤壓實、作物生長環(huán)境惡化等問題。玉米播種機作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要設(shè)備，其作業(yè)路徑的優(yōu)化對于減少土壤壓實、提高作業(yè)效率具有重要意義。

2、傳統(tǒng)的玉米播種機作業(yè)路徑一般基于固定的規(guī)則進(jìn)行設(shè)計，而這種方法往往存在不均勻作業(yè)的情況，部分田塊可能存在多次播種或未被播種的情況，從而導(dǎo)致播種機需要多次作業(yè)，因此增加了玉米播種機行駛路徑長度和播種時間，導(dǎo)致播種效率低。多次作業(yè)還會導(dǎo)致部分土壤被多次壓實，使土壤的透氣性變差，從而影響玉米作物生長。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有玉米播種機路徑規(guī)劃方法還存在播種效率低以及多次壓實土壤影響玉米作物生長的問題，而提出了面向土壤機械壓實消減的玉米播種機田內(nèi)路徑規(guī)劃方法。

2、面向土壤機械壓實消減的玉米播種機田內(nèi)路徑規(guī)劃方法，具體為：

3、步驟一、獲取不規(guī)則田塊的田內(nèi)壟溝信息和邊界點信息，并對不規(guī)則田塊進(jìn)行聚類，將不規(guī)則田塊劃分為多個規(guī)則田塊，具體為：

4、步驟一一、獲取不規(guī)則田塊的邊界點信息；

5、所述邊界點信息為不規(guī)則田塊邊界點集合ρ＝{(x1,y1),(x2,y2),...,(xs,ys),...,(xn,yn)}；

6、其中，n是不規(guī)則田塊邊界點總數(shù)，(xs,ys)是不規(guī)則田塊第s個邊界點的坐標(biāo)，(xn,yn)是不規(guī)則田塊第n個邊界點的坐標(biāo)；

7、步驟一二、利用不規(guī)則田塊的邊界點信息進(jìn)行聚類，將不規(guī)則田塊劃分為多個規(guī)則田塊；

8、步驟二、在每個規(guī)則田塊內(nèi)設(shè)定種子化肥補充點位置；

9、步驟三、基于種子化肥補充點位置對全局播種路徑進(jìn)行規(guī)劃，獲得最終播種路徑。

10、進(jìn)一步地，所述步驟一二中的利用不規(guī)則田塊的邊界點信息進(jìn)行聚類，將不規(guī)則田塊劃分為多個規(guī)則田塊，具體為：

11、步驟一二一、按照預(yù)設(shè)鄰域半徑ε獲取不規(guī)則田塊邊界點集合內(nèi)每個點ps(xs,ys)的ε-鄰域內(nèi)的點數(shù)n(ps)，具體為：

12、n(ps)＝{q∈ρ|||ps-q||≤ε}

13、其中，s是不規(guī)則田塊邊界點集合點的標(biāo)號，q是點ps(xs,ys)ε-鄰域內(nèi)的點，s取1到n，n是不規(guī)則田塊邊界點總數(shù)；

14、步驟一二二、利用n(ps)判斷ps是否為核心點，若ps為核心點，將ps加入核心點集合c，然后執(zhí)行步驟一二三；否則，將ps標(biāo)記為噪聲點；；

15、步驟一二三、獲取n(ps)中點總的數(shù)量，若n(ps)中點的總數(shù)量大于預(yù)設(shè)閾值，則表示點ps被密度覆蓋，將n(ps)中的點標(biāo)記為同一簇ck；否則，表示點ps未被密度覆蓋，則將點ps標(biāo)記為噪聲點；

16、步驟一二四、將每一簇ck劃分為面積為as的規(guī)則矩形田塊，具體為：

17、

18、其中，as是播種機單次播種的最大面積，sk是簇ck中的所有小規(guī)則田塊集合，是k簇ck對應(yīng)的第jk個小規(guī)則田塊，是第jk個小規(guī)則田塊的面積，mk是簇ck對應(yīng)的小規(guī)則田塊個數(shù)。

19、進(jìn)一步地，所述步驟一三中的利用n(ps)判斷ps是否為核心點，具體為：

20、若n(ps)≥minpts則ps為核心點；否則，ps不是核心點；

21、其中，minpts是最小鄰域內(nèi)的點數(shù)量閾值；

22、所述核心點集合c，具體為：c＝{ps|n(ps)≥minpts}。

23、進(jìn)一步地，所述步驟二中的在每個規(guī)則田塊內(nèi)設(shè)定種子化肥補充點位置，具體為：

24、步驟二一、初始化參數(shù)并設(shè)置約束；

25、所述初始化參數(shù)具體為：

26、設(shè)置初始解初始溫度t＝t0，初始目標(biāo)函數(shù)值f(x)＝d0，初始化迭代次數(shù)n＝1；

27、其中，是隨機設(shè)置的初始種子化肥補充點位置集合，d0是初始播種路徑總長度，t0＞1000，t0是初始溫度，t是補充點總數(shù)，p是補充點標(biāo)號；

28、所述約束包括：障礙區(qū)域約束、牛耕往復(fù)路徑約束和田塊切換路徑約束；

29、所述障礙區(qū)約束為：

30、其中，os是障礙物區(qū)域，x是不規(guī)則田塊邊界點標(biāo)號集合；

31、所述牛耕往復(fù)路徑約束為：

32、其中，d切換是田塊切換距離，distance(xs,ys,p起點)是點(xs,ys)到下一田塊起點的距離，p起點是田塊起點；

33、步驟二二、在當(dāng)前存在的補充點位置的基礎(chǔ)上隨機擾動補充點位置，得到新解

34、其中，是擾動后補充點位置集合，δ～u(-δ,δ)，δ是隨機擾動，rp′＝rp+δ，rp′隨機擾動后的補充點，rp是第p個補充點位置，-δ是隨機擾動下限，δ是隨機擾動上限，u(-δ,δ)是(-δ,δ)范圍內(nèi)的均勻分布；

35、步驟二三、獲得隨機擾動前目標(biāo)函數(shù)值f(x)和隨機擾動后目標(biāo)函數(shù)值f(x′)，并獲取目標(biāo)函數(shù)差值δf＝f(x′)-f(x)；

36、步驟二四、根據(jù)目標(biāo)函數(shù)差值判斷是否接受新解，若接受新解，令x＝x'，同時按照冷卻進(jìn)度表更新溫度t＝αt；然后執(zhí)行步驟二五；若不接受新解，則直接返回步驟二二；

37、所述根據(jù)目標(biāo)函數(shù)差值判斷是否接受新解，具體為：

38、首先，利用根據(jù)目標(biāo)函數(shù)差值獲取概率p：

39、

40、其中，α∈(0,1)，α是溫度下降系數(shù)；

41、然后，根據(jù)概率p判斷是否接受新解：

42、若p＝1則接受新解，否則，生成隨機數(shù)，比較p與隨機數(shù)的大小關(guān)系，若p小于等于隨機數(shù)，則接受新解，若p大于隨機數(shù)，則不接受新解；

43、步驟二五、判斷當(dāng)前溫度是否到達(dá)終止溫度tmin或當(dāng)前迭代次數(shù)是否達(dá)到最大迭代次數(shù)nmax；若t≤tmin或n≥nmax則輸出最優(yōu)補充點位置集合以及對應(yīng)的最小路徑長度d'；否則，令n＝n+1并返回步驟二二。

44、進(jìn)一步地，所述補充點的約束如下：

45、

46、其中，是小規(guī)則田塊的邊界點集合，(xb,yb)是小規(guī)則田塊中的邊界點坐標(biāo)，b是小規(guī)則田塊中邊界點標(biāo)號，是小規(guī)則田塊中的邊界點總數(shù)。

47、進(jìn)一步地，所述步驟二三中的獲得隨機擾動前目標(biāo)函數(shù)值f(x)和隨機擾動后目標(biāo)函數(shù)值f(x′)，具體為：

48、

49、其中，d是隨機擾動前播種路徑長度，k是簇標(biāo)號，k是簇總數(shù)，jk是第k簇形成的規(guī)則田塊集合中小規(guī)則田塊標(biāo)號，mk是第k簇形成的規(guī)則田塊集合中小規(guī)則田塊總數(shù)，是隨機擾動前牛耕往復(fù)法在田塊中播種的路徑長度，是隨機擾動前田塊播種結(jié)束的邊界點到最近補充點的路徑長度；d'是隨機擾動后播種路徑長度，是隨機擾動后牛耕往復(fù)法在田塊中播種的路徑長度，是隨機擾動后田塊邊界到最近補充點的路徑長度。

50、進(jìn)一步地，所述步驟三中的基于種子化肥補充點位置對全局播種路徑進(jìn)行規(guī)劃，獲得最終播種路徑，具體為：

51、步驟三一、按照搜索步長αf在搜索區(qū)域ωf內(nèi)，隨機初始化n'f個壟溝的位置，生成nf條播種路徑，將每條播種路徑作為一個螢火蟲ρi：

52、ρi＝{(xi,1,yi,1),(xi,2,yi,2),...,(xi,kf,yi,kf),...,(xi,kf,yi,kf)},i＝1,2,...,nf

53、初始化螢火蟲光強度l0；初始化迭代次數(shù)t'＝1；

54、其中，i是播種路徑標(biāo)號，(xi,kf,yi,kf)是第i條路徑中第kf個壟溝中的位置，kf是第i條播種路徑中壟溝中位置總數(shù)，ρi是第i個螢火蟲；nf個壟溝的位置中包括所有最優(yōu)補充點位置；

55、步驟三二、獲取每個螢火蟲的適應(yīng)度值ff(ρi)；

56、步驟三三、根據(jù)每個螢火蟲的適應(yīng)度值獲得每個螢火蟲的光強li，具體為：

57、

58、其中，γf是光強吸收系數(shù)，l0是初始光強；

59、步驟三四、獲取螢火蟲間的吸引度，具體為：

60、

61、其中，βij,f是螢火蟲ρi對螢火蟲ρj的吸引度，β0f是螢火蟲之間的最大吸引度預(yù)設(shè)值，dij,f是螢火蟲ρi與螢火蟲ρj之間相對光強，(xi,kf,yi,kf)是螢火蟲ρi對應(yīng)的播種路徑中第kf個點，(xj,kf,yj,kf)是螢火蟲ρj對應(yīng)的播種路徑中第kf個點；

62、步驟三五、利用螢火蟲之間的吸引度更新螢火蟲位置；

63、步驟三六、根據(jù)螢火蟲的光強度和更新后的螢火蟲位置選取精英螢火蟲，并對精英螢火蟲的位置進(jìn)行混沌擾動更新精英螢火蟲的位置，然后執(zhí)行步驟三七；將除精英螢火蟲外的螢火蟲重新隨機初始化，并返回步驟三二；

64、步驟三七、更新步長因子，具體為：

65、

66、其中，κf∈(0,1)，κf是步長動態(tài)衰減系數(shù)；

67、步驟三八、若迭代次數(shù)達(dá)到最大值tmax,firefly或適應(yīng)度函數(shù)值變化小于預(yù)設(shè)閾值，將作為最優(yōu)路徑ρbest輸出；否則，令t'＝t'+1，并返回步驟三二；

68、適應(yīng)度函數(shù)值變化小于預(yù)設(shè)閾值具體為：

69、

70、其中，εf是搜索精度閾值，是第t'+1輪迭代精英螢火蟲位置，是第t'輪迭代精英螢火蟲位置，是的適應(yīng)度值，是的適應(yīng)度值。

71、進(jìn)一步地，所述步驟三二中的獲取每個螢火蟲的適應(yīng)度值ff(ρi)，具體為：

72、

73、其中，ccomp,f(ρi)是路徑ρi的壓實壟數(shù)，ωa是壓實壟數(shù)權(quán)重，dtotal,f(ρi)是路徑ρi總行駛距離，ωb是行駛距離權(quán)重，areaf(ρi)是路徑ρi所覆蓋的播種面積，ωc是播種面積權(quán)重，是小規(guī)則田塊jk內(nèi)第i條播種路徑的內(nèi)部路徑長度，l壓實是小規(guī)則田塊jk內(nèi)第i條播種路徑的壓實度，是小規(guī)則田塊jk內(nèi)第i條播種路徑的播種面積，是小規(guī)則田塊jk內(nèi)第i條播種路徑的邊界路徑長度。

74、進(jìn)一步地，所述步驟三五中的利用螢火蟲之間的吸引度更新螢火蟲位置，具體為：

75、

76、其中，是t'時刻螢火蟲ρi的位置，是t'+1時刻螢火蟲ρi的位置，是t'時刻螢火蟲ρj的位置，αf是步長因子，randf是服從[0,1]的隨機數(shù)，δρchaos,i是混沌搜索擾動，rc是混沌映射控制參數(shù)，是t'時刻混沌擾動變量，是t'+1時刻沌擾動變量。

77、進(jìn)一步地，所述步驟三六中的根據(jù)螢火蟲的光強度和更新后的螢火蟲位置選取精英螢火蟲，并對精英螢火蟲的位置進(jìn)行混沌擾動更新精英螢火蟲的位置，然后執(zhí)行步驟三七；將除精英螢火蟲外的螢火蟲重新隨機初始化，并返回步驟三二，具體為：

78、步驟三六一、根據(jù)螢火蟲的光強度對螢火蟲的位置進(jìn)行升序排序，選取前pelite·nf的螢火蟲作為精英螢火蟲；

79、其中，pelite是精英群體比例；

80、步驟三六二、對精英螢火蟲的位置進(jìn)行混沌擾動更新精英螢火蟲位置，然后執(zhí)行步驟三七：

81、

82、其中，ρelite是精英群體比例，δρchaos,i是混沌搜索擾動，是精英螢火蟲更新后的位置；

83、步驟三六三、將(1-pelite)·nf個不是精英螢火蟲的螢火蟲重新隨機初始化，并返回步驟三二。

84、本發(fā)明的有益效果為：

85、本發(fā)明提出了一種玉米播種機田內(nèi)路徑規(guī)劃方法，對不規(guī)則田塊進(jìn)行聚類，并基于多智能體優(yōu)化算法進(jìn)行路徑優(yōu)化，既能實現(xiàn)播種機作業(yè)過程中的壓實控制，又能最大程度保證作業(yè)的高效性和覆蓋率。本發(fā)明方法不僅能夠有效減少對土壤的壓實影響，還提升農(nóng)機路徑規(guī)劃效率。本發(fā)明在最小化土壤機械壓實前提下進(jìn)行對玉米播種機作業(yè)覆蓋面積最大化的田內(nèi)路徑規(guī)劃，優(yōu)化玉米播種機田內(nèi)路徑規(guī)劃，減少對土壤的壓實影響，實現(xiàn)了高效低損的作業(yè)目標(biāo)，避免了對玉米作物生長的負(fù)面影響。