CN120213012A 一种农机作业轨迹补全与路径重构方法、系统、设备和介质

地址210044江苏省南京市江北新区宁六(72)发明人赵乐文翟伟陈萌萌GO1C21/00(2006本发明公开了一种农机作业轨迹补全与路段的置信度以及长度选择插值补全方式或者路多源数据采集和预处理多源数据采集和预处理农业作业状态识别和置信度评分保留有效作业轨迹，并进行缺失长度识别对轨迹进行合理性缺失判断，并选择差值补全或者路径重构进行有效轨迹的填充完整21.一种农机作业轨迹补全与路径重构方法，其特征在于，包括以下步骤：S1:采集多源数据并对其进行预处理，多源数据包括农机的GNSS定位数据、IMU数据和农具图像数据；S2:基于多源数据，通过速度特征、IMU信号和图像特征对基于GNSS定位数据形成的原始作业轨迹进行农机作业状态的识别和置信度评分；S3:根据农机作业状态，保留原始作业轨迹中的有效作业轨迹，并对有效作业轨迹进行缺失段长度识别；S4:基于缺失段的置信度以及长度选择插值补全方式或者路径重构方式，依次对有效作业轨迹的缺失段进行填补，其中，选择路径重构对缺失段m进行填补时，缺失段m通过作业时间偏差和IMU频谱特征双重判定为非合理缺失轨迹。2.根据权利要求1所述的农机作业轨迹补全与路径重构方法，其特征在于，所述GNSS定位数据为包含采样时间戳的空间位置坐标；所述IMU数据包括：包含采样时间戳的农机三轴加速度、农机三轴角速度以及航向角；所述预处理包括：多源数据的时间戳对齐、滤波去噪以及异常数据剔除。3.根据权利要求1所述的农机作业轨迹补全与路径重构方法，其特征在于，步骤S2,具S21:基于原始作业轨迹的轨迹点序列{Pi(x;,yi,t;)},生成关于相邻轨迹点之间速度Vi的速度序列，并对速度序列进行滤波，若滤波后连续N个设定时间窗口内的速度均位于设定的合理速度区间，则当前N个设定时间窗口的速度特征得分为1,否则为0;S22:基于IMU数据形成的IMU连续时间序列，根据设定时间窗口大小，获取每一个时间窗口内的IMU信号，包括农机沿行驶方向的加速度、加速度峰值amax、绕垂直轴的角速度均值@z,若满足(,则当前时间窗口加速度振动特征得分为1,否则的设定阈值；S23:将当前时间窗口内速度特征得分、加速度振动特征得分和IMU偏航角特征得分，根据设定权重融合为当前时间窗口的置信度得分α;S24:若当前时间窗口的置信度得分α位于设定的高置信度区间内，则当前时间窗口的农机作业状态为有效工作状态且高置信度；若当前时间窗口的置信度得分α位于设定的低置信度区间内，则进一步通过对农具图像数据进行图像特征的提取以及农具开启状态识别，若输出为农具开启，则当前时间窗口的农机作业状态为有效工作状态且低置信度，若输出为农具关闭，则当前时间窗口的农机作业状态为非有效工作状态；若当前时间窗口的置信度得分α低于设定的低置信度区间，则当前时间窗口的农机作业状态为非有效工作状态。4.根据权利要求1所述的农机作业轨迹补全与路径重构方法，其特征在于，步骤S3,具S31:基于原始作业轨迹的轨迹点序列和定位数据采样时间戳，获取原始作业轨迹的平3为第i+1和第i个轨迹点的采样时间戳；S32:将处于有效工作状态的作业轨迹作为有效作业轨迹进行保留，比较有效作业轨迹S42:若当前缺失段为高置信度且为大段缺失段，则依次对当前大段缺失段进行作业时S43:若当前缺失段为高置信度且为小段缺失段，则选择插值补全的方式对当前缺失段进行补全；根据有效轨迹曲线对应的GNSS定位数据，获取有效作业轨迹中多个匀速直线段的平均速度Vavg,并根据大段缺失段的起点和终点的距离Lmiss,获取大段缺失段的预期作业时间Texpect;获取大段缺失段起点和终点的实际间隔时间Tactual;判断大段缺失段的预期作业差判断；获取大段缺失段的农机沿行驶方向的加速度ax(t),将其进行FFT变换至频域，获取频使用三次贝塞尔曲线作为插值轨迹基础形式，利用缺失段的起点、终点和两个控制点4失段起点时间对应的航向角；a(tp)为采样时间戳tp对应的农机合加速度；Vp-1、xp-1和定的前向路径模板生成若干个第二候选路径曲线TPGk-;0相对初始航向角θ₀的偏移角度；D1和D2分别为第二候选路径曲线TPG-的前进路径曲线和掉头转向路径曲线，d₁和d2分别为第二候选路径曲线TPG-的设定前进距离和掉E3:以最小的欧式距离积分误差作为匹配指标，选择与第一路径曲线差异最小的第二候选路径曲线作为最优的第二路径曲线L2;5E42:使用贝塞尔曲线公式生成重构路径B(q),并将重构路径B(q)以轨迹点的形式插入B(q)=(1-q)³Cgo+3(1-q)²qCₙ+3(1-9)q²C₂+q²Cp差异化填充模块：基于缺失段的置信度以及长度选择插值补全方式或者路径重构方9.一种计算机设备，其特征在于，包括处理器和存储器；其中，处理器执行存储器中保存的计算机程序时实现权利要求1-7任一项所述的农机作业轨迹补全与路径重构方法的步6技术领域[0001]本发明属于智慧农业技术领域，具体涉及一种农机作业轨迹补全与路径重构方背景技术[0002]在农业机械化作业过程中，精准记录农机的作业轨迹对于农田管理、作业评估与资源配置优化具有重要意义。当前，普遍采用智能终端采集GNSS数据以获取作业轨迹，但该方法在实际田间环境中面临多重挑战，主要包括：(1)作业监控中断风险：监控应用可能因系统资源调度、误操作或后台机制被异常(2)GNSS信号不稳定：农田环境中常有树木、地形起伏或建筑物遮挡，容易造成(3)采集数据不连续：受限于终端存储、缓存及网络等限制，采样点时间间隔可能(4)缺乏作业状态判别能力：现有方法通常仅基于位置数据进行轨迹补全，难以有效识别农机是否处于有效作业状态，导致非作业轨迹误补、作业段遗漏等问题。[0003]传统轨迹补全方法通常忽略作业状态差异，容易将非作业段误判为需补全区域，导致数据污染；综上所述，迫切需要一种轨迹补全与路径重构方法，既准确识别有效作业状态，又具备轨迹缺失类型判定与差异化补全过程，实现农机作业轨迹的高完整性、高可靠性重构与补全。发明内容[0004]本发明针对现有技术中的不足，提供一种农机作业轨迹补全与路径重构方法、系迹缺失类型判定与差异化补全过程，实现农机作业轨迹的高完整性、高可靠性重构与补全。[0005]本发明提供了如下的技术方案：第一方面，提供一种农机作业轨迹补全与路径重构方法，包括以下步骤：S1:采集多源数据并对其进行预处理，多源数据包括农机的GNSS定位数据、IMU数据和农具图像数据；S2:基于多源数据，通过速度特征、IMU信号和图像特征对基于GNSS定位数据形成的原始作业轨迹进行农机作业状态的识别和置信度评分；S3:根据农机作业状态，保留原始作业轨迹中的有效作业轨迹，并对有效作业轨迹进行缺失段长度识别；S4:基于缺失段的置信度以及长度选择插值补全方式或者路径重构方式，依次对有效作业轨迹的缺失段进行填补，其中，选择路径重构对缺失段m进行填补时，缺失段m通过作业时间偏差和IMU频谱特征双重判定为非合理缺失轨迹。7的角速度均值⑦z,若满足amax>δa且o₂<δ6,则当前时间窗口加速度振动特征得分为1,S23:将当前时间窗口内速度特征得分、加速度振动特征得分和IMU偏航角特征得若当前时间窗口的置信度得分α位于设定的低置信度若当前时间窗口的置信度得分α低于设定的低置信度的平均采样间隔a,并根据平均采样间隔a设定第一缺失阈值δ和第二缺失阈值δ₂;分别为第i+1和第i个轨迹点的采样时间戳；8当前缺失段进行补全，否则为非合理缺失轨迹，则通过路径重构的方式进行填充；S43:若当前缺失段为高置信度且为小段缺失段，则选择插值补全的方式对当前缺失段进行补全；其中，对当前大段缺失段进行作业时间偏差判断，具体为：根据有效轨迹曲线对应的GNSS定位数据，获取有效作业轨迹中多个匀速直线段的平均速度Vavg,并根据大段缺失段的起点和终点的距离Lmiss,获取大段缺失段的预期作业时间Texpect;获取大段缺失段起点和终点的实际间隔时间Tactual;判断大段缺失段的预期作业时间Texpect和实际间隔时间Tactual的差值是否满足设定阈值，若满足，则通过作业时间偏差判断；获取大段缺失段的农机沿行驶方向的加速度ax(t),将其进行FFT变换至频域，获取频率-幅值分布曲线；寻找频率-幅值分布曲线的主峰频率和幅度，若两者均满足设定阈值[0012]可选地，通过插值补全的方式对缺失段进行根据缺失段的起点和终点位置坐标P(x,y.)和P(x。,y.),以及起点和终点对应的使用三次贝塞尔曲线作为插值轨迹基础形式，利用缺失段的起点、终点和两个控制点的位置，生成补全轨迹曲线，并将补全的轨迹曲线以轨迹点的形式插入有效作业轨迹[0015]可选地，通过路径重构的方式对缺失段进行E1:基于缺失段起点位置(xo,y₀)、缺失段的IMU数据和IMU数据的采样间隔，获取缺失段每个采样点的位置，生成第一路径曲线L1;为缺失段起点时间对应的航向角；a(tp)为采Yp-1分别为第p-1个采样点的速度和位置坐标；E2:计算缺失段起点和终点之间的航向角变动量△θ;若变动量△θ超过150°,则使用设定的掉头路径模板生成若干个第二候选路径曲线TPG-,若变动量△θ小于150°,则使9用设定的前向路径模板生成若干个第二候选路径曲线TPGk-f;[0022]D1=(x₀+d₁·cos(θa),yo+d₁曲线和掉头转向路径曲线，d₁和d₂分别为第二候选路径曲线TPG-的设定前进距离和掉头航向角；0mrn为第二候选路径曲线TPG-的设定前进航向角和掉头转向后的航向角的集E3:以最小的欧式距离积分误差作为匹配指标，选择与第一路径曲线差异最小的第一路径曲线30%和60%位置的点，L2(0.3)和L2(0.6)分别为第二路径曲线30%和60%位置的E42:使用贝塞尔曲线公式生成重构路径B(q),并将重构路径B(q)以轨迹点的形式B(q)=(1-q)³C₀+3(1-q)²qCp+3(1-9)q²Cp₂+q²Cp₃,q∈[作业状态识别模块：基于多源数据，通过速度特征、IMU信号和图像特征对基于方式，依次对有效作业轨迹的缺失段进行填补，其中，选择路径重构对缺失段m进行填补时，缺失段m通过作业时间偏差和IMU频谱特征双重判定为非合理缺失轨迹。[0028]第三方面，提供一种计算机设备，包括处理器和存储器；其中，处理器执行存储器中保存的计算机程序时实现第一方面任一项所述的农机作业轨迹补全与路径重构方法的[0029]第四方面，提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序；计算机程序被处理器执行时实现第一方面任一项所述的农机作业轨迹补全与路径重构方法的步骤。[0030]与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本申请通过引入农机状态识别机制、双判据轨迹合理性分析与插值-重构结合策略，解决农业作业中因轨迹数据不连续、缺失严重及作业状态不明确所导致的轨迹不完整问题；本申请通过融合GNSS速度特征、IMU动态特征与的轨迹数据的精准剔除，提升了轨迹的纯净度，另外，本申请针对大段轨迹缺失，提出作业时间偏差与IMU频谱特征相结合的“双判据”判断机制，能够准可补采用插值补全方式进行填充，对于不可补采用路径重构方式进行路径填充，增强对路径填充补全的科学性与鲁棒性。[0031](2)本申请对小段缺失段，采用基于航向控制点生成的三次贝塞尔曲线插值方法，实现路径几何连续性与方向一致性；对于不可补段，引入模板路径和IMU路径融合重构策略，支持多路径生成与评估，适应多样化缺失情况；本发明在路径重构过程中融合IMU航向估计结果，一方面用于提升路径方向选择的准确性，另一方面实现路径几何结构与农机实际运动行为的高度匹配，增强了重构路径的物理一致性。附图说明[0032]图1是本发明的农机作业轨迹补全与路径重构方法的流程图；图2是本发明通过作业时间偏差和IMU频谱特征对缺失段进行双重判定的流程图。具体实施方式[0033]下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。[0034]需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。[0035]实施例1如图1所示，提供一种农机作业轨迹补全与路径重构方法，包括以下步骤：S1:采集多源数据并对其进行预处理，多源数据包括农机的GNSS定位数据、IMU数据和农具图像数据。11[0036]GNSS定位数据为包含采样时间戳的空间位置坐标；GNSS定位数据和IMU数据可以通过农机搭载智能终端(如智能手机),通过内置或外接的多类传感器实时采集；GNSS定位[0037]IMU数据包括：包含采样时间戳的农机三轴加速度、农机三轴角速度以及航向角，其中x方向为农机的行驶方向，姿态角可以通过智能手机内置的三轴加速度计与陀螺仪所提供的数据，通过姿态航向参考系统(AHRS)算法进行融合估算，得到连续的三轴姿态角信息，包括航向角(heading)、俯仰角(pitch)和横滚角(roll)。其中，航向角(Heading):表示当前方向与正北之间的夹角；俯仰角(Pitch):表示农机前后倾斜角度；横滚角(Roll):表示左右倾斜程度。惯性测量单元(IMU)数据的三轴加速度和三轴角速度，通常都是同时采集的，具体参考现有技术，采样频率通常设定为50Hz～100Hz,以保证捕捉农机动态行为变[0038]农具图像数据通过智能手机摄像头或外接工业相机采集作业过程农具的视频或定帧图像。[0039]为保证后续数据分析的准确性与时序一致性，原始多源数据需经过以下预处理步S11:时间戳对齐。[0040]以GNSS采样频率为基准，统一IMU与图像数据的时间轴，构建统一的时序数据序列；若各个数据存在采样率差异，采用线性插值或样条插值进行数据对齐。[0041]S12:滤波与去噪处理。[0042]对加速度与角速度数据采用滑动均值滤波，去除高频抖动；清除噪声点(如突变[0043]S13:异常数据剔除。[0044]删除GNSS速度为0而位置突变的伪点[0045]S2:基于多源数据，通过速度特征、IMU信号和图像特征对基于GNSS定位数据形成的原始作业轨迹进行农机作业状态的识别和置信度评分。[0046]原始作业轨迹为GNSS采样轨迹点(进行预处理后)。农机在作业过程中虽具有连续的GNSS轨迹记录，但其行为状态可能发生频繁变化，例如：在作业行之间掉头；作业设备未开启但仍在移动；静止状态等待补料/加油；农机开着走但没作业(空车转移)。上述状态在GNSS轨迹中表现为连续移动轨迹，但并不代表实际作业行为，若不加作业面积、覆盖率、遗漏率等关键指标的误判，进而影响轨迹补全与数据分析的准确性。[0047]为提升轨迹数据对真实作业行为的表达能力，通过速度特征、IMU信号和图像特征对基于GNSS定位数据形成的原始作业轨迹进行农机作业状态的识别和置信度评分，从而将农机有效工作状态的轨迹作为轨迹缺失识别与填充的前置判断依据，显著提升轨迹数据的有效性与补全质量；值得注意的是，本申请农机的作业状态包括：有效工作状态和非有效工具处于工作开启状态；非有效工作状态包括非作业状态和停止状态，非作业状态为农机处于移动但未作业状态，如行间移动、掉头或调头过程；停止状态表示农机处于静止不动状[0048]步骤S2,具体包括以下子步骤：[0050]基于GNSS传感器采集的连续轨迹波窗口大小设置为5个轨迹点。作为一种可选地，本申请设定的合理速度区间为Vmin(0.2m/s)和Vmax(3m/s)。[0054]若连续N个时间窗口内的速度均稳定维持在合理区间(如Vmin<Vi<Vmax),则将的角速度均值W₂,若满足amax>δa且o₂<88,则当前时间窗口加速度振动特征得分为1,[0059]偏航角速度w₂(t):表示绕垂直轴的角速度，反映农机是否存在方向变化(掉头、[0060]纵向加速度ax(t)和偏航角速度wz(t)按固定频率采样(如50~100Hz),并在预处理[0067]判别逻辑：若|W₂l>δ,表示存在持续转向动作，可能处此状态常出现在行间掉头、调头或转向作业阶段(均为非有效工作状态),需剔除以避免重[0069]S23:将当前时间窗口内速度特征得分、加速度振动特征得分和IMU偏航角特征得的低置信度区间内，则进一步通过对农具图像数据进行图像特征的平均采样间隔a,并根据平均采样间隔đ设定第一缺失阈值81和第二缺失阈值δ2;分别为第i+1和第i个轨迹点的采样时间戳。[0081]S4:基于缺失段的置信度以及长度选择插值补全方式或者路径重构方式，依次对S41:若当前缺失段的大段缺失段为低置信度，则标记该大段缺失段为非有效轨业时间偏差判断和IMU频谱特征判断，若均通过则为合理缺失轨迹，选择插值补全的方式对当前缺失段进行补全，否则为非合理缺失轨迹，则通过路径重构的方式进行填充。a1:根据有效轨迹曲线对应的GNSS定位数据，获取有效作业轨迹中多个匀速直线段的平均速度Vavg,并根据大段缺失段的起点和终点的距离Lmiss,获取大段缺失段的预期[0088]a2:获取大段缺失段起点和终点的实际间隔时间Tactual。[0090]实际间隔时间相当于是缺失段的实际缺失时间，缺失段的两端轨迹点之间的距离，是通过缺失段起点和终点的位置坐标确定，实际缺失时间是根据起点和终点采样时间戳确定。[0091]a3:判断大段缺失段的预期作业时间Texpect和实际间隔时间Tactual的差值是否满[0093]作为一种可选地，设置误差容限阈值∈t,为估算[0094]b:对当前大段缺失段进行IMU频谱特征判断，具体为：b1:获取大段缺失段的农机沿行驶方向的加速度ax(t),将其进行FFT变换至频域，获取频率-幅值分布曲线。[0096]加速度ax(t)的频率-幅值分布曲线为：[0097]频谱范围一般设为0~2Hz,覆盖农机绝大部分常规动作频率。[0098]b2:寻找频率-幅值分布曲线的主峰频率和幅度，若两者均满足设定阈值区间，则[0099]典型农机掉头、喷洒转换、左右微摆行为，其主频集中在0.15~0.35Hz;设定频率匹配区间为f∈[fmin,fmax]=[0.15,0.35]Hz;找出频谱中主峰频率fpeak和其幅度A(fpeak);若满足：阈值(如为该段总能量的20%以上，或均值的3倍)。[0101]IMU频谱特征判断，能够用于识别轨迹缺失段是否符合农机典型作业动作(如掉头、匀速播种、微幅转向)特征。在实际农机作业过程中，不度相对平稳；静止或等待状态：惯性信号波动微弱；这些运动特征可以在频谱中表现为不同的频率能量分布。在某些场景中，轨迹缺失段的持续时间与历史作业节奏一致，时间判据可能通过，但农机实际处于非作业状态(如等待、停车);或者，缺失段的IMU信号频谱符合作业行为的特征，但该段实际持续时间远超合理范围，可能存在掉头或路径偏移等情况；若仅依靠单一维度的判据进行判断，容易造成误补、过补或错补，影响轨迹重构的整体准确性。因此，为提高轨迹缺失判定的精度与鲁棒性，本申请融入融合作业时间偏差判断与IMU频谱特征判断的双判据联合判断机制，从而能够精准的了解当前缺失段的缺失情况，选择更准确的轨迹填补方法。[0102]S43:若当前缺失段为高置信度且为小段缺失段，则选择插值补全的方式对当前缺失段进行补全。[0103]S431:通过插值补全的方式对缺失段进行补全，具体为：根据缺失段的起点和终点位置坐标P(x₂,y.)和P(x。,y.),以及起点和终点对应的[0105]其中，d为设定的控制点的延伸距离；通常设为起止点间欧氏距离的20%～30%。该比例范围可有效控制路径的自然弯曲程度，使得补全轨迹既能避免线路生硬折线，又不会出现路径拖沓或波动偏移。[0106]使用三次贝塞尔曲线作为插值轨迹基础形式，利用缺失段的起点、终点和两个控制点的位置，生成补全轨迹曲线，并将补全的轨迹曲线插入有效作业轨迹中。[0107]本发明选用三次贝塞尔曲线(CubicBezierCurve)作为插值轨迹的基础形式，贝塞尔曲线由起点、终点以及两个控制点共同决定其形状，其中控制点的位置直接影响轨迹的弯曲方向和程度。为使轨迹补全过程中的路径过渡更加自然且符合实际农机的运行方式，本发明使用航向角信息推导出两个控制点的位置，以此控制贝塞尔曲线的“起始走向”与“结束收束方向”。具体而言，轨迹的控制点不再由传统的平均位置或曲线拟合自动生成，而是通过起止点方向向量推算而来。以起点为例，控制点从起点出发，沿着其航向角的方向延伸一定距离d,形成第一段方向引导；终点部分则在其航向角θ。的反方向上对称设置控制点。这种方式在空间上形成一条起止点连接、且弯曲程度最小的平滑曲线。[0108]通过本申请构造的贝塞尔路径，不仅能够严格满足位置边界条件，还能够实现方向边界的自然过渡，形成整体上曲率连续、无突变、无折返、无不合理波动的轨迹路径。随后，在所生成的曲线上按时间均匀划分采样点数(依据轨迹缺失时间与采样频率),将补全点序列插入原始轨迹中，补足数据缺口。[0109]S432:通过路径重构的方式对缺失段进行补全，具体为：E1:基于缺失段起点位置(xo,yo)、缺失段每个采样点的位置，生成第一路径曲线L1;用设定的前向路径模板生成若干个第二候选路径曲线TPGk-f。[0115]E2-1:使用设定的前向路径模板生成若干个第二候选路径曲曲线TPGk-f。[0124]D1=(x₀+d₁·cos(θa),yo+d₁的集合E3:以最小的欧式距离积分误差作为匹配指标，选择与第一路径曲线差异最小的第二候选路径曲线作为最优的第二路径曲线L2。[0128]具体地，将第一路径曲线和第二候选路径曲线中均线性重采样若干个点，得到对应的两组点集，再通过欧氏距离平方和误差计算第一路径曲线和第二候选路径的匹配度，其中欧氏距离平方和误差最小的第二候选路径曲线去第二路径曲线。[0129]E4:将第一路径曲线L1和第二路径曲线L2进行融合重构，生成缺失段的重构路径；具体地：E41:获取四个控制点的位置坐标Cpo、Cp₁、Cp₂和Cp₃:Cpo和Cp3为缺失段的起点和终点位置；和终点位置；第一路径曲线30%和60%位置的点，L2(0.3)和L2(0.6)分别为第二路径曲线30%和60%位置的E42:使用贝塞尔曲线公式生成重构路径B(q),并将重构路径B(q)以轨迹点的形式插入有效作业轨迹中；B(q)=(1-q³Cp+3(1-q)²qC,+3(1-q)q²C₂+q²Cp[0130]其中，9为贝塞尔曲线的参数，表示曲线在控制点之间的位置比例。[0131]在本实施例中，将插值补全路径或者重构路径按缺失时间