本發明專利技術涉及設備調節技術領域，具體涉及一種基于地型高度感知的智能化除草機自動高度調節方法，包括以下步驟：通過多模態感知裝置，采集作業地塊的深度數據和地形數據；基于采集的深度數據和地形數據，利用三維地形重建算法重建作業地塊三維模型，提取區域地形特征；利用路徑規劃算法生成最優作業路徑；動態計算除草執行機構目標高度；通過角度優化算法調整除草機構的刀具角度，使其與溝壑底部地形貼合；執行目標高度和角度調節。本發明專利技術，與傳統除草機只能依賴固定高度或簡單的地面檢測方法相比，能夠針對地形變化進行精細調整，大幅提高除草效率和作業質量，避免漏除或過度除草。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及設備調節，尤其涉及一種基于地型高度感知的智能化除草機自動高度調節方法。
技術介紹
1、隨著農業現代化的推進，智能化除草設備逐漸成為農田作業的重要工具，傳統的除草機通常依賴人工設定的高度和角度進行作業，難以適應復雜的地形變化，尤其是在具有較大坡度或溝壑的區域，這些區域的雜草往往被遺漏，導致除草效果不理想，為了應對這些問題，許多研究者嘗試通過自動化控制系統和傳感器技術來提升除草機的作業精度和適應性，但現有的技術大多存在以下不足：
2、地形感知不足：傳統除草機多依賴簡單的傳感器進行地面高度測量，但這些傳感器在復雜地形（溝壑、陡坡）中可能存在盲區或誤差，無法全面感知地塊的真實地形變化，這導致除草機在遇到復雜地形時無法準確調整作業高度和角度，從而降低了作業效果。
3、作業路徑規劃效率低：現有路徑規劃算法在規劃除草機作業路徑時，通常只是依據固定的作業參數（固定高度、預設路徑）進行規劃，而忽略了作業地塊的實際地形特征，這種簡單的路徑規劃方式導致除草機在作業時效率低下，尤其是在復雜地形區域，往往需要多次來回調整，浪費了大量時間和能源。
4、除草刀具角度調整不靈活：在現有除草設備中，刀具角度的調整往往較為簡單，缺乏對地形變化的實時適應能力，對于溝壑或不規則地形，刀具角度無法實時調節以適應地形變化，導致刀具與地面不貼合，造成作業效率低、草根難以清除等問題。
技術實現思路
1、本專利技術提供了一種基于地型高度感知的智能化除草機自動高度調節方法。
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p>2、一種基于地型高度感知的智能化除草機自動高度調節方法，包括以下步驟：3、s1，作業地塊數據采集：通過多模態感知裝置，采集作業地塊的深度數據和地形數據，包括：
4、激光雷達獲取作業地塊的地表激光點云數據；
5、超聲波傳感器捕獲地塊局部溝壑；
6、s2，地塊深度特征分析與分區建模：基于采集的深度數據和地形數據，利用三維地形重建算法重建作業地塊三維模型，提取區域地形特征：
7、區域坡度變化趨勢；
8、溝壑深度和溝壑分布；
9、s3，作業路徑規劃：結合作業地塊模型中提取的區域地形特征，利用路徑規劃算法生成最優作業路徑，確保除草執行機構優先進入溝壑區域；
10、s4，目標高度計算：基于最優作業路徑，在除草機按照最優作業路徑除草作業時，動態計算除草執行機構目標高度；
11、s5，溝壑角度處理：在溝壑區域，通過角度優化算法調整除草機構的刀具角度，使其與溝壑底部地形貼合，確保雜草清除徹底；
12、s6，高度與角度實時調節：通過多自由度機械臂驅動除草執行機構，執行目標高度和角度調節。
13、可選的，所述激光雷達掃描作業地塊的地表，獲取高精度的激光點云數據，通過多角度掃描和激光束旋轉，捕捉作業地塊的地面高度、坡度，所述超聲波傳感器用于局部超聲波數據采集，實時發射超聲波脈沖并接收反射波，檢測地面突變區域，突變區域為溝壑區域（如果某個點的高度數據相對于周圍數據有顯著變化，可以通過設定一個高度突變閾值實現，在超聲波傳感器檢測作業地塊時，某個點突然超過高度突變閾值，即出現突變）；所采集的超聲波數據提供局部溝壑信息，補充激光點云數據在復雜地形區域（如溝壑和溝壑）可能出現的盲區。
14、可選的，所述s2具體包括：
15、通過對采集的激光點云數據和超聲波傳感器數據進行數據融合，使用三維地形重建算法生成完整的作業地塊三維模型，激光點云數據表示為，其中，是點云中第i個點的三維坐標，描述作業地塊整體三維空間結構，超聲波傳感器數據表示為，其中是超聲波傳感器測得的第j個點的局部高度數據，是第j個點的二維平面坐標，是第j個點的高度值，描述局部高度數據，用于在數據融合時補充和修正激光點云數據；
16、所述三維地形重建算法具體包括：
17、delaunay三角剖分：在激光點云數據中，通過delaunaytriangulation算法將采集的點云數據進行三角網格化，生成的三角形網格連接了點云中的每一對相鄰點，形成初步模型；
18、表面擬合與插值：利用已知點云數據，通過插值方法計算并補充缺失的表面點，x,y,z是缺失的表面點p的三維坐標，x,y表示該表面點在地塊表面上的平面坐標，z表示該表面點的地面高度，使得整個地塊表面形態平滑、連續，使用樣條插值可以獲得平滑的高度函數，描述地塊表面的高度。
19、可選的，所述區域坡度變化趨勢在重建的作業地塊三維模型上，計算坡度（即地面的傾斜度），通過計算地面法向量的方向來確定坡度大小，給定任意點，坡度s計算如下：
20、；
21、其中，arctan是反正切函數，和分別是高度函數關于x和y方向的偏導數，使用梯度算子進行離散化計算，通過遍歷整個作業地塊的網格，得到每個網格單元的坡度值，并計算坡度變化趨勢，坡度變化趨勢通過統計回歸分析提取。
22、可選的，所述溝壑分布通過將所有溝壑區域標記在作業地塊三維模型中進行展示；
23、基于所述作業地塊三維模型中的地面點，計算每個溝壑區域的溝壑深度，激光點云數據中，為對應位置的地面高度，利用地面高度差計算每個溝壑區域的相對深度：，其中，z1是鄰近非溝壑區域的平均高度，z2是該溝壑最低點的高度，通過這樣計算，可以得到每個位置的相對深度值。
24、可選的，所述s3中的作業路徑規劃采用算法，結合地形特征優先處理溝壑區域，設定溝壑區域為高權重，確保路徑規劃優先選擇溝壑區域作為作業路徑的一部分，在計算路徑時，對于每個作業點，計算其到目標點的代價函數，調整各個因素對路徑選擇的影響。
25、可選的，所述算法具體包括：
26、s31，代價函數定義：確保除草執行機構優先進入溝壑區域，設計代價函數，代價函數反映每個網格點的難度，其中：
27、坡度代價：坡度大的區域增加作業的難度，因此坡度代價定義為：
28、，其中為坡度的權重系數，為網格點處的坡度；
29、溝壑代價：溝壑區域地形復雜，代價更高，定義為：
30、，其中，為溝壑深度的權重系數，為網格點處的溝壑深度；
31、總代價函數為兩者加權和：；
32、s32，使用算法進行路徑搜索，算法的啟發式函數估計從當前點到目標點的最短距離，代價函數作為路徑的代價，目標是找到總代價最小的路徑：，其中，為從起點到當前網格點的實際代價，實際代價是從起點到當前網格點經過的所有網格點的代價和，每一步的代價來自：，表示每次從起點移動到某一網格點,累積經過路徑上的地形代價，為啟發式估計的從當前網格點到目標網格點的代價，選擇總代價最低的路徑作為最優作業路徑。
33、可選的，所述s4中的除草執行機構目標作業高度根據當前作業點的區域地形特征進行動態調整：
34、平地區域：如果當前作業網格點位于平地區域，則目標作業高度與地面高度相等；
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【技術保護點】
1.一種基于地型高度感知的智能化除草機自動高度調節方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種基于地型高度感知的智能化除草機自動高度調節方法，其特征在于，所述激光雷達掃描作業地塊的地表，獲取激光點云數據，通過多角度掃描和激光束旋轉，捕捉作業地塊的地面高度、坡度，所述超聲波傳感器用于局部超聲波數據采集，實時發射超聲波脈沖并接收反射波，檢測地面突變區域，突變區域為溝壑區域。
3.根據權利要求1所述的一種基于地型高度感知的智能化除草機自動高度調節方法，其特征在于，所述S2具體包括：
4.根據權利要求3所述的一種基于地型高度感知的智能化除草機自動高度調節方法，其特征在于，所述區域坡度變化趨勢在重建的作業地塊三維模型上，計算坡度，通過計算地面法向量的方向來確定坡度大小，給定任意點，坡度S計算如下：
5.根據權利要求4所述的一種基于地型高度感知的智能化除草機自動高度調節方法，其特征在于，所述溝壑分布通過將所有溝壑區域標記在作業地塊三維模型中進行展示；
6.根據權利要求5所述的一種基于地型高度感知的智能化除草機自動高度調節方法，其特征在于，所述S3中的作業路徑規劃采用算法，結合地形特征優先處理溝壑區域，設定溝壑區域為高權重，確保路徑規劃優先選擇溝壑區域作為作業路徑的一部分，在計算路徑時，對于每個作業點，計算其到目標點的代價函數，調整各個因素對路徑選擇的影響。
7.根據權利要求6所述的一種基于地型高度感知的智能化除草機自動高度調節方法，其特征在于，所述算法具體包括：
8.根據權利要求1所述的一種基于地型高度感知的智能化除草機自動高度調節方法，其特征在于，所述S4中的除草執行機構目標作業高度根據當前作業點的區域地形特征進行動態調整：
9.根據權利要求1所述的一種基于地型高度感知的智能化除草機自動高度調節方法，其特征在于，所述S5具體包括：
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【技術特征摘要】
1.一種基于地型高度感知的智能化除草機自動高度調節方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種基于地型高度感知的智能化除草機自動高度調節方法，其特征在于，所述激光雷達掃描作業地塊的地表，獲取激光點云數據，通過多角度掃描和激光束旋轉，捕捉作業地塊的地面高度、坡度，所述超聲波傳感器用于局部超聲波數據采集，實時發射超聲波脈沖并接收反射波，檢測地面突變區域，突變區域為溝壑區域。
3.根據權利要求1所述的一種基于地型高度感知的智能化除草機自動高度調節方法，其特征在于，所述s2具體包括：
4.根據權利要求3所述的一種基于地型高度感知的智能化除草機自動高度調節方法，其特征在于，所述區域坡度變化趨勢在重建的作業地塊三維模型上，計算坡度，通過計算地面法向量的方向來確定坡度大小，給定任意點，坡度s計算如下：
5.根據權利要求4所述的一種基于地型高度感知的智能化除草機自動高度...
【專利技術屬性】
技術研發人員：姚克恒，劉德江，鐘成義，李樹德，丁艷，楊濤，馬詩珉，袁棟，夏敏，陳偉，
申請(專利權)人：農業農村部南京農業機械化研究所，
類型：發明
國別省市：
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