竹林皆伐機(jī)路徑規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)仿真

王慧，崔生樂，楊春梅

竹林皆伐機(jī)路徑規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)仿真

王慧，崔生樂，楊春梅

（東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040）

設(shè)計(jì)一種中幼竹林皆伐機(jī)路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)伐竹機(jī)伐竹的路徑規(guī)劃功能，使伐竹機(jī)可以遍歷需要伐竹的全部節(jié)點(diǎn)并避開障礙。針對(duì)中幼竹林皆伐的特點(diǎn)，探討一種迪杰斯特拉及A*混合算法，用于解決伐竹機(jī)路徑規(guī)劃中的路徑優(yōu)化問(wèn)題。通過(guò)C語(yǔ)言編程，來(lái)建立一種基于改進(jìn)的迪杰斯特拉及A*混合算法的中幼竹林皆伐機(jī)路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)仿模型，并使用C++編程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模型的仿真，并調(diào)用Windows GDI實(shí)現(xiàn)仿真結(jié)果的顯示。仿真結(jié)果顯示，采用文中建立的中幼竹林皆伐機(jī)路徑規(guī)劃系統(tǒng)進(jìn)行伐竹機(jī)的路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了伐竹路徑規(guī)劃的目標(biāo)，且相較直接采伐的路徑，伐竹機(jī)伐竹總里程降低了47.6%，節(jié)省了伐竹機(jī)伐竹總里程，大大提升了伐竹效率。文中所討論的改進(jìn)的迪杰斯特拉及A*混合算法可以實(shí)現(xiàn)伐竹路徑規(guī)劃的功能，路徑規(guī)劃系統(tǒng)可以求得最優(yōu)伐竹路徑的一個(gè)近似解。

中幼竹林；皆伐；路徑優(yōu)化；計(jì)算機(jī)建模；仿真

竹子是再生植物，具有繁殖能力強(qiáng)、生長(zhǎng)周期短、材質(zhì)優(yōu)良等特性[1]。我國(guó)是世界上竹類資源最豐富的國(guó)家。根據(jù)第九次全國(guó)森林清查結(jié)果顯示，中國(guó)竹林面積超過(guò)600萬(wàn)hm2，因而，竹材在林業(yè)行業(yè)中占有舉足輕重的地位。隨著環(huán)保意識(shí)深入人心，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始研究竹材包裝替代塑料包裝，來(lái)減少白色污染[2-5]。我國(guó)竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的問(wèn)題有：產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)無(wú)序、采用人工采伐效率低下、成本較高等。在竹林尤其是毛竹采伐時(shí)，采用按照確定的寬度、面積對(duì)竹林進(jìn)行條帶式皆伐，即帶狀采伐，可以提高伐竹機(jī)械化水平，實(shí)現(xiàn)毛竹等竹制品行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于伐竹機(jī)械化的研究有：于航、傅萬(wàn)四等[1]設(shè)計(jì)了一種以往復(fù)鋸切割方式的叢生竹擇伐機(jī)等伐竹機(jī)械；楊春梅、張振宇等[2]提出了一種自走式輕型竹材采伐機(jī)的設(shè)計(jì)方案。李曉曉、王茂安等[5]設(shè)計(jì)了一種手持式竹林采伐機(jī)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者的其他研究還有竹材加工當(dāng)中的表面質(zhì)量問(wèn)題等[6]，為提升伐竹的機(jī)械化及自動(dòng)化水平設(shè)計(jì)一種中幼竹林寬幅伐竹機(jī)智能路徑規(guī)劃系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)伐竹機(jī)的路徑規(guī)劃對(duì)提升伐竹機(jī)伐竹效率、實(shí)現(xiàn)竹制品行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)有重要作用，因此，文中探究一種用于伐竹的路徑優(yōu)化算法，設(shè)計(jì)一種基于該算法的中幼竹林寬幅皆伐機(jī)的路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)建模與仿真。

1 竹林皆伐方式

在我國(guó)，典型的天然黃竹林中黃竹叢叢徑為2～3 m，黃竹叢間距為7～10 m。每叢20～30桿。黃竹林內(nèi)，往往混生有少量的熱帶季雨林以及季雨林的喬木類樹種[7-9]。

竹林皆伐是指將竹林伐區(qū)內(nèi)的成熟竹材，在一定時(shí)間內(nèi)一次性伐光或幾乎全部伐光的方式。皆伐分為全面皆伐、塊狀皆伐以及帶狀皆伐種。塊狀皆伐指，將伐區(qū)分為若干塊較小的伐區(qū)，只采伐或者間隔采伐其中的一部分地塊的方式。帶狀皆伐是指，對(duì)竹林上的竹材，保留一帶，伐倒一帶的伐竹方式[10]。從皆伐后竹林生長(zhǎng)情況看，帶狀皆伐2年后竹林生長(zhǎng)最好，塊狀次之，全面皆伐最差，并且，最有利于竹林生長(zhǎng)的最大皆伐分塊大小為16 m×16 m[11-13]。從竹林生長(zhǎng)恢復(fù)的角度考慮，帶狀皆伐最為有利，然而，帶狀皆伐使得伐竹過(guò)程行走路徑較大，不利于提升伐竹效率，并且如果采用帶狀皆伐，竹林保留帶內(nèi)的竹材被視作障礙物，也不利于路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)的規(guī)劃及尋找最優(yōu)路徑。因而，文中所研究的中幼竹林寬幅皆伐機(jī)的智能路徑規(guī)劃系統(tǒng)采用的伐竹方式為塊狀皆伐，皆伐目標(biāo)區(qū)域?yàn)?6～24 m。竹林皆伐路徑規(guī)劃的約束條件：除邊界信息，起始點(diǎn)坐標(biāo)外，其余地圖信息未知，伐竹機(jī)探測(cè)器一次只能探測(cè)3～5 m內(nèi)的情況，白色區(qū)域可以自由移動(dòng)，紅色區(qū)域不可以動(dòng)。竹林皆伐路徑規(guī)劃的目標(biāo)：伐竹機(jī)路徑由規(guī)定的起點(diǎn)最終到達(dá)規(guī)定終點(diǎn)；伐竹機(jī)需遍歷綠色區(qū)域，即砍伐地圖區(qū)域內(nèi)的全部竹材實(shí)現(xiàn)皆伐；伐竹機(jī)路徑規(guī)劃應(yīng)盡可能短，以提升皆伐效率。

2 實(shí)現(xiàn)竹林皆伐路徑規(guī)劃的算法探究

路徑優(yōu)化算法是解決路徑規(guī)劃問(wèn)題的核心。常見的路徑優(yōu)化的算法有A*算法、混合粒子群算法[14-15]、懲罰函數(shù)法[16]、迪杰斯特拉算法、蟻群算法[17]、仿生自然水系算法等[18]。

2.1 A*算法

A*算法是一種啟發(fā)式算法，該算法引入了最優(yōu)啟發(fā)式函數(shù)，通過(guò)計(jì)算和比對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的周邊節(jié)點(diǎn)的啟發(fā)式函數(shù)值，從而確定移動(dòng)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)移動(dòng)到下一節(jié)點(diǎn)后，將此節(jié)點(diǎn)重新作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，重復(fù)上一步驟，從而實(shí)現(xiàn)AGV機(jī)器人的不斷前進(jìn)，直至到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。A*算法簡(jiǎn)單示意見圖1。

圖1 A*算法示意

A*算法的啟發(fā)式函數(shù)式為：

f()=g()+ h()

A*算法的優(yōu)點(diǎn)：作為啟發(fā)式算法，允許機(jī)器人邊探路邊規(guī)劃路徑；可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障。

A*算法的缺點(diǎn)：只能實(shí)現(xiàn)起到終點(diǎn)的路徑規(guī)劃，不能夠?qū)崿F(xiàn)地圖目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的遍歷；用A*算法規(guī)劃路徑不一定路徑最優(yōu)；A*算法計(jì)算量大，規(guī)劃效率低。

2.2 迪杰斯特拉算法

Dijkstra算法即迪杰斯特拉算法是由荷蘭科學(xué)家狄克斯提出了一種遍歷算法。該算法將帶權(quán)的地圖中的節(jié)點(diǎn)分為2個(gè)集合，分別為和其中，集合包含已經(jīng)找到最短路徑的節(jié)點(diǎn)，集合中存放沒找到最短路徑的節(jié)點(diǎn)。Dijkstra是將集合中的點(diǎn)，按照最短路徑逐漸遞增的順序，逐個(gè)將集合中的節(jié)點(diǎn)加入到集合當(dāng)中，直到全部的點(diǎn)加入集合，從而實(shí)現(xiàn)地圖目標(biāo)節(jié)點(diǎn)最短路徑遍歷的目標(biāo)[20]。

迪杰斯特拉算法優(yōu)點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)地圖目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的遍歷。

迪杰斯特拉算法缺點(diǎn)：迪杰斯特拉算法雖然可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)測(cè)遍歷，但該算法在路徑規(guī)劃時(shí)，要求機(jī)器人已完全知曉地圖全局信息，因而不適合機(jī)器人在陌生地圖中，邊探知地圖信息邊規(guī)劃路徑的情形。

2.3 改進(jìn)的迪杰斯特拉及A*混合算法

由文中2.1節(jié)知，A*算法作為啟發(fā)式算法，只能實(shí)現(xiàn)起始點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路徑規(guī)劃，無(wú)法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)遍歷，且計(jì)算量大，規(guī)劃效率低。由文中2.2節(jié)知，迪杰斯特拉算法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)遍歷，但迪杰斯特拉算法要求地圖已知，不適合探索式路徑規(guī)劃，因此文中針對(duì)竹林皆伐路徑規(guī)劃的特點(diǎn)，提出一種改進(jìn)的迪杰斯特拉及A*混合算法，以實(shí)現(xiàn)竹林皆伐的路徑規(guī)劃。

改進(jìn)的迪杰斯特拉及A*混合算法由如下步驟組成。

為深化醫(yī)藥衛(wèi)生體制改革，強(qiáng)化醫(yī)院的公益性質(zhì)，我院依托精細(xì)化管理手段，建立了以總額預(yù)算管理為基礎(chǔ)，兼顧質(zhì)量與效益的內(nèi)部績(jī)效考核體系。根據(jù)現(xiàn)代醫(yī)院發(fā)展特點(diǎn)，特別強(qiáng)化了針對(duì)病種管理的系列管理指標(biāo)，綜合考慮質(zhì)量、成本、服務(wù)水平和工作效率等因素，充分體現(xiàn)多勞多得、優(yōu)績(jī)優(yōu)酬的分配原則。通過(guò)動(dòng)態(tài)可調(diào)的績(jī)效分配方案與矩陣式量化模型，使績(jī)效考核體系可作用于過(guò)程管理與持續(xù)改進(jìn)，不斷提升醫(yī)院的業(yè)績(jī)、效率與效果。激發(fā)醫(yī)務(wù)人員積極性，提供優(yōu)質(zhì)高效服務(wù)，并減少醫(yī)療資源浪費(fèi)，減少政府醫(yī)保基金與患者個(gè)人負(fù)擔(dān)，充分體現(xiàn)醫(yī)院的公益性。

1）由于伐竹機(jī)探測(cè)器范圍為3～5 m，因此該算法第1步根據(jù)竹林地圖大小進(jìn)行分塊，分塊大小最大為5 m×5 m。

2）讀取分塊內(nèi)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)（地圖綠色區(qū)域）坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并根據(jù)下一分塊方位選擇終點(diǎn)，如果終點(diǎn)不再下一分塊邊界處，則將下一分塊邊界處靠近此點(diǎn)的最近點(diǎn)作為終點(diǎn)。

3）主要對(duì)當(dāng)前分塊內(nèi)各個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)排序，以確定從起始點(diǎn)遍歷各目標(biāo)節(jié)點(diǎn)最終到達(dá)分塊內(nèi)終點(diǎn)的遍歷順序，并確保路徑最優(yōu)。

4）根據(jù)第3步確定的順序規(guī)劃節(jié)點(diǎn)遍歷具體路徑并合理避開障礙。

5）到達(dá)下一分塊內(nèi)的邊界處，掃描下一分塊數(shù)據(jù)并重復(fù)第1步直到伐竹機(jī)到達(dá)竹林地圖的終點(diǎn)完成本區(qū)塊的伐竹作業(yè)。

該算法第3步融合了A*算法和迪杰斯特拉算法的特點(diǎn)，是該算法的核心部分。算法第3步實(shí)現(xiàn)方法如下。

類似于迪杰斯特拉算法，改進(jìn)的迪杰斯特拉及A*算法也是將遍歷節(jié)點(diǎn)分成和2個(gè)集合，并逐步地將中的點(diǎn)加入到當(dāng)中。類似于A*算法，該算法賦予當(dāng)中的點(diǎn)以啟發(fā)函數(shù)，通過(guò)判斷啟發(fā)函數(shù)的數(shù)值，將數(shù)值較大的放入中。

改進(jìn)的迪杰斯特拉及A*混合算法啟發(fā)函數(shù)為：

f() = 200+h()+m()?g()

g()為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的距離。考慮該算法第2步，確定了分塊內(nèi)的起點(diǎn)和終點(diǎn)，顯然，算法第3步確定的遍歷順序應(yīng)該滿足從起點(diǎn)先逐漸遍歷離終點(diǎn)較遠(yuǎn)的點(diǎn)，再逐步靠近終點(diǎn)的原則，從而有利于縮短伐竹遍歷的總路徑，因此該算法引入了h()、m() 2個(gè)遠(yuǎn)端優(yōu)先加權(quán)數(shù)。當(dāng)分塊內(nèi)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前目標(biāo)節(jié)點(diǎn)2 m內(nèi)時(shí)，m()值為0，h()按照分塊內(nèi)的總體移動(dòng)方向，為分塊內(nèi)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)到分塊終點(diǎn)的縱向或橫向距離乘以遠(yuǎn)端系數(shù)1。同理當(dāng)分塊內(nèi)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前目標(biāo)節(jié)點(diǎn)2 m外時(shí)，h()值為0，m(𝑛)按照分塊內(nèi)的總體移動(dòng)方向，為分塊內(nèi)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)到分塊終點(diǎn)的縱向或橫向距離乘以遠(yuǎn)端系數(shù)2，且1>2。取1>2是為了選擇加入的下一節(jié)點(diǎn)是按照逐步朝向離分塊最遠(yuǎn)點(diǎn)，且不遺漏離當(dāng)前節(jié)點(diǎn)較近的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)?shù)辖芩固乩癆*混合算法將中目標(biāo)節(jié)點(diǎn)中f()值最大的節(jié)點(diǎn)加入后，就將新加入的節(jié)點(diǎn)作為新的當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，重新計(jì)算其余中目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的f()值，并重新判定，直到將中全部節(jié)點(diǎn)及終點(diǎn)納入中。

如上所述，改進(jìn)的迪杰斯特拉及A*混合算法，同時(shí)具有2種算法的特點(diǎn)。與迪杰斯特拉算法相同的是，該算法將目標(biāo)節(jié)點(diǎn)分為和2個(gè)集合，并通過(guò)將中的節(jié)點(diǎn)逐步添加入的方式，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的遍歷。與A*算法相似且區(qū)別于迪杰斯特拉算法的是，每當(dāng)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)加入后，都需要將新加入的節(jié)點(diǎn)作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，重新計(jì)算中的剩余節(jié)點(diǎn)的函數(shù)權(quán)重值，并重新排序，因而改進(jìn)的迪杰斯特拉及A*混合算法相比于迪杰斯特拉算法，其權(quán)重函數(shù)值是動(dòng)態(tài)的，且由于遠(yuǎn)近端系數(shù)的引入，使得該算法可以實(shí)現(xiàn)定終點(diǎn)路徑規(guī)劃的功能。

3 中幼竹林寬幅皆伐機(jī)路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)建模仿真

3.1 仿真方法選擇

文中采用C/C++進(jìn)行混合編程，具體是：在Dev-C++5.11環(huán)境下用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)文中所述伐竹機(jī)路徑規(guī)劃系統(tǒng)的建模、實(shí)現(xiàn)核心算法即迪杰斯特拉及A*混合算法并進(jìn)行基本測(cè)試；在Visual Studio 2017環(huán)境下用C++語(yǔ)言編程，建立簡(jiǎn)單的窗口程序，作為文中所建立的伐竹機(jī)路徑規(guī)劃系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行仿真，并調(diào)用Windows GDI將仿真結(jié)果顯示在窗口程序當(dāng)中。

3.2 地圖模型及數(shù)據(jù)

如圖2所述，地圖模型為矩形，矩形被分割成邊長(zhǎng)相同的正方形，每個(gè)正方形邊長(zhǎng)視為實(shí)際竹林當(dāng)中的1 m，竹林當(dāng)邊界處中不足1 m的區(qū)域近似為一個(gè)方格。白色方各表示表示該小格可以移動(dòng)。紅色表

示該小格中心點(diǎn)為原點(diǎn)，半徑0.5 m范圍內(nèi)有障礙物，若障礙物半徑大于0.5 m將占據(jù)更多的小格。綠色表示表示該小格中心點(diǎn)為原點(diǎn)，半徑0.5 m范圍內(nèi)有竹材，若竹材半徑大于0.5 m將占據(jù)更多的小格，數(shù)值為3的小格即為路徑規(guī)劃需要遍歷的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

如圖3所示，伐竹機(jī)路徑規(guī)劃系統(tǒng)模型采用二維數(shù)組來(lái)存放地圖數(shù)據(jù)，并用多個(gè)結(jié)構(gòu)體來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。其中，二維數(shù)組下標(biāo)表示地圖小格坐標(biāo)點(diǎn)。地圖二維數(shù)組的數(shù)值可以為1、2、3。數(shù)值1與地圖中的紅色小格對(duì)應(yīng)。數(shù)值2與地圖中白色小格對(duì)應(yīng)，數(shù)值3與地圖中綠色小格對(duì)應(yīng)。

圖2 地圖模型

圖3 地圖數(shù)據(jù)

3.3 改進(jìn)的迪杰斯特拉及A*混合算法程序

1）分塊數(shù)據(jù)采集。伐竹機(jī)路徑規(guī)劃系統(tǒng)讀取分塊內(nèi)數(shù)據(jù)采集的代碼見圖4，每次采集的地圖數(shù)據(jù)限定在以當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為中心，最遠(yuǎn)5個(gè)方格的數(shù)據(jù)，以模擬伐竹機(jī)探測(cè)器探測(cè)距離的限制。

2）算法第2步是改進(jìn)迪杰斯特拉及A*混合算法的算法核心。如圖5，通過(guò)引入新的啟發(fā)函數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)分塊內(nèi)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的排序。為了保證分塊內(nèi)節(jié)點(diǎn)排序按照從起點(diǎn)逐步移動(dòng)到距離分塊內(nèi)終點(diǎn)最遠(yuǎn)點(diǎn)在逐步靠近終點(diǎn)的順序，改進(jìn)的迪杰斯特拉及A*混合算法要求系數(shù)1>2。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，取系數(shù)1=15，2=5可以滿足要求。

3）節(jié)點(diǎn)移動(dòng)并避開障礙。路徑規(guī)劃系統(tǒng)規(guī)劃節(jié)點(diǎn)間具體路徑時(shí)，避開橫向障礙的實(shí)現(xiàn)代碼見圖6。

3.4 Windows 窗口程序和GDI調(diào)用代碼

在Windows窗口程序主函數(shù)中，用圖7中所示代碼運(yùn)行文中建立的伐竹機(jī)路徑規(guī)劃系統(tǒng)模型的函數(shù)。如圖8所示，文中用me_Init、me_Paint函數(shù)進(jìn)行Windows GDI調(diào)用的初始化準(zhǔn)備工作并進(jìn)行初始化顯示。

圖4 分塊數(shù)據(jù)采集

圖5 算法第3步算法核心

圖6 橫向避開障礙物代碼

圖7 調(diào)用伐竹機(jī)路徑規(guī)劃系統(tǒng)函數(shù)

最后文中將建立并測(cè)試完畢的伐竹機(jī)路徑規(guī)劃系統(tǒng)模型的代碼拷貝入圖9所示me_RePaint函數(shù)中進(jìn)行仿真運(yùn)行，用圖9中所示me_RePaint函數(shù)中的代碼將仿真結(jié)果顯示在窗口函數(shù)中。

3.5 仿真結(jié)果及對(duì)比

文中建立的中幼竹林寬幅皆伐機(jī)路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)模型的路徑規(guī)劃仿真結(jié)果，見圖10。其中，粉色線條代表了伐竹機(jī)從左下角起點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到右上角終點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。如圖10可知，文中建立的伐竹機(jī)路徑規(guī)劃系統(tǒng)成功地規(guī)劃出滿足第3.1節(jié)要求的路徑。不采用路徑規(guī)劃算法時(shí)，伐竹機(jī)的伐竹路徑仿真結(jié)果見圖11。從仿真結(jié)果圖來(lái)看，采用文中提出的算法進(jìn)行路徑優(yōu)化后伐竹機(jī)伐竹總移動(dòng)距離應(yīng)有較大降幅。

如圖12所示，左側(cè)是采用中幼竹林寬幅皆伐機(jī)路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)即使用文中提出的改進(jìn)的迪杰斯特拉及A*混合算法進(jìn)行路徑規(guī)劃的伐竹機(jī)路徑仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，右側(cè)是不采用路徑規(guī)劃算法的伐竹機(jī)路徑仿真結(jié)果數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包含伐竹機(jī)移動(dòng)的總距離、伐竹數(shù)量以及伐竹機(jī)移動(dòng)的主要節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

圖8 GDI調(diào)用初始化及初始化顯示

圖9 仿真結(jié)果顯示代碼

圖10 中幼竹林寬幅皆伐機(jī)路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)模型仿真結(jié)果

圖11 不采用路徑規(guī)規(guī)劃算法的仿真結(jié)果

由于文中建立的中幼竹林寬幅皆伐機(jī)路徑只能規(guī)劃系統(tǒng)在按照探測(cè)距離進(jìn)行分塊后的每個(gè)地圖分塊內(nèi)分別進(jìn)行的路徑規(guī)劃，因此，將伐竹機(jī)移動(dòng)路徑距離按照分塊進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見圖13。顯然，采用文中提出的算法進(jìn)行路徑優(yōu)化后，在每個(gè)分塊內(nèi)，伐竹機(jī)移動(dòng)路徑都比不采用算法優(yōu)化時(shí)伐竹機(jī)移動(dòng)路徑小，最終使得伐竹機(jī)總移動(dòng)路徑減小。

從仿真結(jié)果看，采用文中提出的路基優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化，伐竹機(jī)總移動(dòng)距離為192.5 m，伐竹機(jī)總伐竹數(shù)為100，實(shí)際值為97。這是由于分塊內(nèi)終點(diǎn)不在分塊邊界時(shí)，為了探測(cè)下一個(gè)分塊內(nèi)信息，伐竹機(jī)將移動(dòng)到分塊邊界處，此時(shí)，邊界上的新終點(diǎn)被記錄為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)造成的。不采用算法進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，伐竹機(jī)總移動(dòng)距離為367.2 m，伐竹總數(shù)為97。對(duì)比數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，采用文中設(shè)計(jì)的伐竹機(jī)路徑規(guī)劃系統(tǒng)進(jìn)行路徑規(guī)劃后，伐竹機(jī)總移動(dòng)距離下降了47.6%，伐竹效率有明顯提升。

圖12 仿真數(shù)據(jù)

圖13 分塊內(nèi)移動(dòng)路徑統(tǒng)計(jì)

4 展望

文中建立的中幼竹林寬幅皆伐伐竹機(jī)路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)，規(guī)劃路徑時(shí)，若分塊內(nèi)終點(diǎn)不在分塊邊界，為了探測(cè)下一個(gè)分塊內(nèi)信息，伐竹機(jī)將移動(dòng)到分塊邊界處，此時(shí)，邊界上的新終點(diǎn)被記錄為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，最終導(dǎo)致伐竹機(jī)記錄的伐竹總數(shù)有所偏差。為了滿足伐竹機(jī)探測(cè)器探測(cè)距離最大為5 m的要求，文中所述改進(jìn)的迪杰斯特拉及A*混合算法實(shí)現(xiàn)了分塊內(nèi)的節(jié)點(diǎn)遍歷順序優(yōu)化。分塊邊界移動(dòng)至下一分塊邊界的過(guò)程沒有進(jìn)行核心算法的優(yōu)化，因而，分塊邊界處的路徑可能不是最優(yōu)路徑。由于仿真次數(shù)的限制，文中所述改進(jìn)的迪杰斯特拉及A*混合算法的算法核心所引入的遠(yuǎn)端系數(shù)1、2可能不是最優(yōu)值，從而使得路徑優(yōu)化結(jié)構(gòu)不是最優(yōu)解。期望這些問(wèn)題能夠在今后的研究中得以解決，從而設(shè)計(jì)出更好的路徑規(guī)劃系統(tǒng)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)仿真結(jié)果可知，文中建立的中幼竹林寬幅皆伐伐竹機(jī)路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)在第3.1節(jié)所確定的約束條件內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)伐竹路徑規(guī)劃的功能。采用文中提出的迪杰斯特拉及A*混合算法作為伐竹機(jī)路徑規(guī)劃系統(tǒng)的路徑優(yōu)化算法是可行的，且此算法實(shí)現(xiàn)了伐竹機(jī)遍歷全部目標(biāo)節(jié)點(diǎn)、避開障礙物以及路徑優(yōu)化的功能。通過(guò)仿真結(jié)果對(duì)比，采用文中建立的中幼竹林皆伐機(jī)路徑規(guī)劃系統(tǒng)進(jìn)行伐竹機(jī)的路徑規(guī)劃，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，相較于直接采伐，伐竹機(jī)伐竹總里程降低了47.6%，節(jié)省了伐竹機(jī)伐竹總里程，大大提升了伐竹效率。

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Design and Computer Simulation of Path Planning System for Bamboo Clearing Machine

WANG Hui, CUI Sheng-le, YANG Chun-mei

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

The work aims to design an intelligent path planning system for young and middle-aged bamboo clearing machines, achieve the cutting path planning of bamboo clearing machines to cover all nodes requiring cutting and avoid barrier. Aiming at the characteristics of clearing of young and middle-aged bamboo forests, a Dijkstra and A* hybrid algorithm was discussed to solve the path optimization problem in path planning of the bamboo cutting machines. Through C language programming, an imitation model for the path planning system of the young and middle-aged bamboo clearing machine was established based on the improved Dijkstra and A* hybrid algorithm, and C++ programming was used to realize the simulation of the system model and call Windows GDI to realize the display of simulation results. The simulation results showed that using the path planning system of the young and middle-aged bamboo clearing machine established in this paper for path planning of the bamboo cutting machine can achieve the goal of the cutting path planning. Compared with the direct cutting path, the total mileage of the bamboo cutting machine was reduced. It saved 47.6% of the total bamboo cutting mileage of the bamboo cutting machine and greatly improved the bamboo cutting efficiency. The improved Dijkstra and A* hybrid algorithm discussed in this paper can realize the function of bamboo cutting path planning, and the path planning system can obtain an approximate solution of the optimal bamboo cutting path.

young and middle-agedbamboo forest; clearing; path optimization; computer modeling; simulation

TP27

A

1001-3563(2022)03-0217-11

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.03.027

廣東省重大專項(xiàng)研發(fā)計(jì)劃（2020B020216001）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2572020DR12）

王慧（1965—），女，東北林業(yè)大學(xué)副教授，主要研究方向?yàn)槟竟C(jī)械。

楊春梅（1977—），女，博士，東北林業(yè)大學(xué)教授，主要研究方向?yàn)榱謽I(yè)與木工機(jī)械。

2021-07-07