2. 农业机械基础
路径规划不是脱离硬件的纯几何问题。同一块田，用插秧机、喷杆喷雾机或联合收获机去作业，最优路径可能完全不同。原因在于：农机的外形尺寸、转弯半径、作业幅宽、速度范围、载荷变化和地面附着特性，共同决定了“哪些路径可走、哪些转弯可做、哪些覆盖方式更省时”。本节从常见农机类型出发，建立“农机特性—作业方式—路径约束”的对应关系，为后续覆盖路径生成与地头转弯设计打基础。
一、常见农机类型与作业方式
按作业方式，可将常见农机分为三大类：往复式作业机械（如插秧机、播种机、割草机）、连续式作业机械（如喷杆喷雾机、撒肥机）和收获类机械（如联合收获机、采棉机）。它们的共同点是“边走边作业”，但作业幅宽、行进方向和转弯需求差异显著。
- 插秧机：行距固定，对行作业，要求直线精度高，地头需要掉头并重新对行。
- 喷杆喷雾机：幅宽大（可达 12～36 m），喷杆易受侧倾影响，转弯时需避免喷杆碰撞，常采用“绕行+地头转弯”策略。
- 联合收获机：体积大、转弯半径大，卸粮时需与运粮车协同，路径规划要预留卸粮点与等待区。
- 播种机/施肥机：需保持播深与排量稳定，速度波动会影响作业质量，路径应减少急加速与急转弯。
二、运动学特性：转弯半径与地头空间
农机的运动学核心是最小转弯半径 Rmin与轴距 L、前轮转角 δ的关系。对轮式农机，近似有：
R_min = L / tan(δ_max)
其中：
L —— 轴距（m）
δ_max —— 前轮最大转角（°）
R_min —— 最小转弯半径（m）例如，某拖拉机轴距 2.6 m，前轮最大转角 35°，则 Rmin ≈ 2.6 / tan35° ≈ 3.7 m。若挂接 4 m 幅宽播种机，地头转弯所需宽度约为 2Rmin + 幅宽 ≈ 11.4 m。若田块地头不足，就必须采用倒车掉头或多段转弯，路径规划中要显式加入这些动作。
关键结论：地头宽度 W地头 必须满足 W地头 ≥ 2Rmin + B（B 为作业幅宽），否则需改用倒车或分段转弯策略。
三、动力学特性：速度、载荷与滑移
动力学关注“能不能按规划的速度和方向走”。农机在田间常面临土壤松软、坡度变化、载荷波动三类扰动。滑移率 s 可表示为：
s = (v_theoretical - v_actual) / v_theoretical × 100%
典型值：
- 旱田硬地：s ≈ 5%～10%
- 水田/湿软地：s ≈ 15%～30%
- 上坡作业：s 进一步增大，牵引力下降滑移会直接导致实际行驶距离大于规划距离，若路径规划按理论速度计算，会出现漏播、漏喷或重叠。工程上常用速度补偿系数 kv修正：
v_cmd = v_target / (1 - s)
例如 s = 20%，目标速度 1.2 m/s，
则 v_cmd = 1.2 / 0.8 = 1.5 m/s此外，喷杆喷雾机在转弯时若速度过快，药液因惯性产生侧向晃动，导致喷幅边缘沉积不均。因此路径规划应限制转弯段速度，通常取直线段的 50%～70%。
四、农机特性对路径规划的影响对照
下表汇总常见农机的关键参数及其对路径规划的直接约束，便于在规划前快速判断“该用什么策略”。
| 农机类型 | 作业幅宽 B | 最小转弯半径 Rmin | 典型速度 | 路径规划关键约束 |
|---|---|---|---|---|
| 手扶/小型拖拉机 | 0.8～1.5 m | 1.5～2.5 m | 0.5～1.0 m/s | 地头小，可小半径掉头，适合小地块 |
| 插秧机 | 1.8～3.0 m | 2.5～3.5 m | 0.6～1.2 m/s | 对行精度高，需直线跟踪与重新对行 |
| 喷杆喷雾机 | 12～36 m | 5～8 m | 1.5～4.0 m/s | 喷杆防碰撞，转弯限速，避免重叠/漏喷 |
| 联合收获机 | 3～6 m | 6～10 m | 0.8～2.0 m/s | 卸粮协同，地头等待区，大转弯半径 |
| 播种/施肥机 | 2～6 m | 3～6 m | 1.0～2.5 m/s | 速度稳定，减少急转弯，保证排量均匀 |
五、场景案例：水田插秧与旱田喷药
场景 A：水田插秧。土壤湿软，滑移率约 25%，插秧机幅宽 2.4 m，Rmin ≈ 3.0 m。规划时需将速度指令提高约 33% 以补偿滑移，同时地头宽度至少 2×3.0 + 2.4 = 8.4 m。若实际地头仅 6 m，则应采用“倒车+斜向切入”的复合掉头，而不是强行转弯。
场景 B：旱田喷药。喷杆幅宽 24 m，Rmin ≈ 6 m，直线速度 3 m/s。地头转弯时若保持 3 m/s，喷杆侧向加速度过大，药液分布变异系数升高。规划策略是：进入地头前 10 m 开始减速至 1.5 m/s，转弯完成后重新加速，并在转弯段关闭喷头，避免地头药害。
实用技巧：在路径规划器中，把“农机参数”作为独立配置层，而不是写死在算法里。更换机具时只改参数，路径自动重算，可大幅提升复用性。
六、常见误区与复盘
- 误区一：只按幅宽排线，忽略转弯半径。结果地头无法完成掉头，被迫倒车，效率反而下降。
- 误区二：用理论速度计算覆盖面积。滑移导致实际速度偏低，出现漏作业条带。
- 误区三：所有农机用同一套转弯模板。喷杆喷雾机与手扶拖拉机的地头策略完全不同，必须按机型区分。
- 误区四：忽略载荷变化。收获机粮仓满载后质量增加，制动距离和转弯特性改变，规划时应留安全余量。
复盘要点：路径规划前先确认三件事——幅宽 B、最小转弯半径 Rmin、滑移率 s。这三者决定了地头宽度、转弯方式和速度补偿，是农机路径规划最基础的输入参数。
理解农机基础，本质上是把“机器能做什么”翻译成“路径该怎么排”。下一阶段进入覆盖路径生成时，所有算法参数都应能追溯到本节的三类输入：幅宽、转弯半径、滑移率。只有把农机特性作为规划的第一性约束，生成的路径才真正可执行、可复现、可优化。