2. 农机作业路径规划基础

作业宽度确定之后，路径规划要回答的是“机器按什么顺序、沿什么方向、以什么方式覆盖整块田”。它并不是简单地在地块里画几条平行线，而是要在全覆盖、低重叠、少转弯、可执行之间取得平衡。本节围绕三个基本概念——全覆盖路径、转弯模式、作业方向，四项评价指标——重叠率、遗漏率、转弯次数、能耗，以及农田环境建模的初步方法展开。

一、全覆盖路径：把“不漏”作为硬约束

全覆盖路径规划（Coverage Path Planning）的目标是让农机的工作部件遍历田块内所有需要作业的区域，且尽量不重复。对播种、施肥、喷药、收割等作业而言，遗漏意味着漏播、漏喷或漏割，是质量事故；重叠则意味着重复投入种子、药液、燃油和时间。因此全覆盖是硬约束，重叠与效率是优化目标。

最经典的全覆盖形式是往复式（牛耕式）路径：农机沿某一方向走完一条作业行，在地头转弯后进入相邻的平行行，反向行驶，如此往复直至覆盖全田。它的优点是行距均匀、便于对行，缺点是每个行端都要转弯。与之相对的是回形式路径，先沿地块边界绕行若干圈，再在内圈往复，适合边界不规则或需要先“圈边”的地块。实际作业中常把两者结合：先绕边一到两圈，再在内部往复。

需要强调，全覆盖路径的“行间距”并不等于农具幅宽，而应等于有效作业幅宽。若喷杆喷幅为12 m，但相邻喷幅需重叠0.5 m以保证不漏喷，则路径行距应取11.5 m。行距取值直接决定重叠率，是路径规划中最关键的参数之一。

二、转弯模式：决定效率与地头损失

农机在行端的转向方式直接影响转弯次数、时间与地头占用。常见模式有三类：

• Ω形转弯（灯泡弯）：车辆驶出作业行后向外侧绕一个大弧再进入相邻行，转弯半径大、对行精度高，适合高速宽幅机具，但地头占用宽。
• U形转弯：在相邻行之间直接掉头，路径短，但要求行距与转弯半径匹配，行距过窄时无法完成。
• 倒车转弯（Fishtail）：空间不足时先倒车再转向，可减小地头宽度，但操作复杂、效率低。

选择转弯模式的核心判据是行距与最小转弯半径的关系。若行距小于两倍最小转弯半径，U形转弯往往无法一次完成，需要Ω形或倒车。以一台最小转弯半径约6 m的拖拉机为例，若作业行距为11.5 m，接近2倍转弯半径，U形转弯基本可行；若行距缩小到4 m，则必须采用Ω形或倒车。规划时应把这一约束写进路径生成规则，而不是事后靠驾驶员临场处理。

三、作业方向：影响转弯次数与地块适配

作业方向指往复行相对地块边界的方向角。方向选择主要考虑三点：一是地块形状，沿长边作业可使单行更长、行数更少，从而减少转弯次数；二是坡度与地表，应尽量沿等高线或顺坡方向作业，避免横坡造成侧滑和作业深度不均；三是农艺要求，如播种对行、收割留茬方向等。对不规则地块，单一方向往往在边角留下大量三角形余料，此时可采用分区规划：把地块划分为若干近似矩形子区，各子区分别选择最优方向，再统一衔接。

四、四项评价指标：把路径好坏量化

路径方案不能只凭“看起来顺”来判断，需要用指标量化。最常用的四项指标如下：

四项指标之间存在权衡。例如缩小行距可降低遗漏率，但会提高重叠率与转弯次数；沿长边作业可减少转弯，却可能在不规则地块边角留下更多遗漏。规划时应先保证遗漏率为零，再在重叠率与转弯次数之间择优。

五、农田环境建模的初步方法

路径规划需要先把真实田块抽象成可计算的模型。初步建模通常包含三步：

1. 边界建模：用多边形顶点序列描述地块边界，记录各顶点坐标。边界应扣除沟渠、电杆、水井等障碍物，形成“可作业区域”。
2. 栅格化或几何化：栅格法把地块划分为固定边长的小格（如1 m×1 m），标记可作业/障碍，便于搜索算法处理；几何法则直接用多边形与平行线求交，计算量小、精度高，适合规则地块。
3. 参数绑定：把有效作业幅宽、最小转弯半径、地头宽度等机具参数写入模型，作为生成路径行距与转弯方式的约束条件。

以一个约 200 m×120 m 的矩形地块为例（示例假设）：有效幅宽 11.5 m，沿长边（200 m 方向）作业，行数约为 120/11.5≈11 行，行端转弯约 10 次；若改沿短边作业，行数约为 200/11.5≈18 行，转弯约 17 次。仅方向选择一项，转弯次数就相差近七成。这说明在建模完成后，先做方向比选，再细化转弯模式，是性价比较高的规划顺序。

把全覆盖约束、转弯模式、作业方向与四项指标串起来，路径规划就从“画线”变成了有依据、可比较、可复现的工程决策过程。