2. 田间作业路径规划基础

田间作业路径规划是精准农业中实现高效、低成本作业的核心环节。其目标是在给定的地块边界内，为农机生成一条连续、无遗漏、低重叠的行驶路径，从而最大化作业效率、最小化资源浪费。

2.1 路径规划的目标

路径规划的核心目标可以量化为两个关键指标：覆盖效率与重叠率。这两个指标直接决定了作业的成本与质量。

2.2 坐标系与导航基础

农机导航依赖全球导航卫星系统（GNSS），其中WGS84和UTM投影是最常用的坐标系。理解两者的区别与转换关系，是路径规划的前提。

2.2.1 WGS84 坐标系

• 类型： 地心地固坐标系（ECEF），以地球质心为原点。
• 表示： 纬度（Latitude, φ）、经度（Longitude, λ）、海拔高度（Height, h）。
• 特点： 全球统一，但经纬度单位（度）不是等距的，直接计算距离和面积复杂。
• 应用： GNSS原始输出、跨区域导航。

2.2.2 UTM 投影坐标系

• 类型： 横轴墨卡托投影，将地球表面投影到60个带区。
• 表示： 东向（Easting, X）、北向（Northing, Y），单位为米。
• 特点： 局部区域变形小（<1/1000），距离和面积计算方便。
• 应用： 路径规划、面积计算、变量施肥处方图生成。

2.3 农机运动学模型简介

农机运动学模型描述了农机在平面上的运动规律，是路径跟踪控制的基础。最常用的是自行车模型，它将农机简化为前后两个轮子，忽略侧滑。

2.3.1 自行车模型状态方程

模型的状态变量通常包括：位置 (x, y)、航向角 (θ)、前轮转向角 (δ) 和速度 (v)。其连续时间状态方程为：

dx/dt = v * cos(θ)
dy/dt = v * sin(θ)
dθ/dt = (v / L) * tan(δ)

其中，L 为农机轴距（前后轮中心距离）。该模型假设农机在低速（< 5 m/s）作业时，轮胎无侧滑，运动轨迹由前轮转向角唯一确定。

2.3.2 关键参数与路径规划的关系

2.4 路径规划基础流程

基于上述目标与模型，田间路径规划通常遵循以下步骤：

1. 地块边界获取： 通过GNSS采集或导入已有边界矢量数据（Shapefile/GeoJSON）。
2. 坐标转换： 将WGS84坐标转换为UTM米制坐标。
3. 主作业方向确定： 根据地块形状、坡度、风向等因素，确定平行路径的方向（通常与最长边平行）。
4. 路径间距计算： 根据作业幅宽 W 和允许重叠率 R，计算实际路径间距 d = W × (1 - R)。
5. 地头转弯路径生成： 根据农机最小转弯半径 R_min，生成半圆形、梨形或鱼尾形转弯路径。
6. 路径平滑与优化： 对生成的路径进行平滑处理，减少急转弯，降低油耗。
7. 坐标反算： 将规划好的路径点反算为WGS84坐标，导出为导航文件（如ISO-XML、Shapefile）。