一种针对内河狭窄生境的互花米草轻量化作业装备轨迹优化方法与流程

本发明涉及轨迹优化，特别是涉及一种针对内河狭窄生境的互花米草轻量化作业装备轨迹优化方法。

背景技术：

1、外来入侵植物互花米草在我国滨海湿地以及内河沿岸快速扩张。该物种的大规模蔓延严重破坏了本土底栖生物的栖息地。机械化物理清除法具有见效快且无化学残留的特征。目前行业主要采用刈割、翻耕、旋耕粉碎等作业方式。针对大面积开阔滩涂，现有技术已经形成相对成熟的大型机械化联合作业模式。现有的机械化作业装备以及路径规划方法多针对平坦开阔的滩涂地貌进行开发。这些方法的应用前提是底泥承载力均匀。

2、当前互花米草的治理区域正在逐步向堤内养殖交换河道、感潮型内陆河道以及废弃养殖塘等狭窄内河生境延伸。此类生境具有空间尺度受限、岸坡高陡、底泥含水率高以及水文条件多变的特征。传统的重型轮式装备或者重型履带式装备无法在上述场景中正常作业。研发具备底盘自适应能力的水陆两栖轻量化作业装备成为行业的重要发展方向。依靠环境感知技术实现智能化以及无人化的轨迹优化决策，能够提升复杂离散生境的作业精度。

3、然而，现有的农机或者无人船轨迹规划算法多基于二维平面的几何避障与覆盖率计算进行设计。现有算法未将狭窄水域特有的三维岩土力学约束以及流体力学安全约束纳入系统建模。

4、首先，现有轨迹规划未考虑岸坡岩土的承载极限。装备抵近狭窄岸坡作业时极易触发边坡失稳临界阈值，进而导致塘埂坍塌。

5、其次，现有的路径生成方法缺乏水体扰动动力学惩罚机制。作业过程中的高频转向与速度突变易引发底泥剧烈翻涌，从而造成水体二次生态污染。

6、最后，现有全覆盖算法无法适配微地形起伏形成的离散斑块生境。由于缺乏基于种源空间拓扑关系的自适应规划能力，残留种源清除不彻底，最终导致治理后的区域面临二次入侵风险。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种针对内河狭窄生境的互花米草轻量化作业装备轨迹优化方法，本发明解决了现有技术中存在无法兼顾狭窄生境岸坡力学安全、水体低扰动约束与离散斑块全覆盖清除的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种针对内河狭窄生境的互花米草轻量化作业装备轨迹优化方法，包括：

4、获取目标狭窄生境的三维地形数据、岸坡岩土力学参数、互花米草分布影像数据，以及用于除治作业的轻量化作业装备的设备特征参数与水动力扰动安全阈值；

5、基于所述三维地形数据和所述互花米草分布影像数据，提取水陆边界线，并构建表征互花米草空间拓扑关系的离散种源斑块拓扑图，其中，所述离散种源斑块拓扑图包含多个斑块节点；

6、基于所述岸坡岩土力学参数和所述水陆边界线，计算反映岸坡稳定状态的抗滑稳定系数；

7、依据所述抗滑稳定系数、所述设备特征参数以及所述水动力扰动安全阈值，构建限定所述轻量化作业装备行驶边界的安全作业空间模型；

8、在所述安全作业空间模型内，以所述多个斑块节点作为遍历节点，构建依次连接所述多个斑块节点且满足所述设备特征参数的全局参考路径；

9、以所述全局参考路径为基准，结合所述安全作业空间模型构建包含水体扰动惩罚项的多目标代价泛函，并对所述多目标代价泛函进行求解以生成最优作业轨迹。

10、一种针对内河狭窄生境的互花米草轻量化作业装备轨迹优化系统，包括：

11、多源数据获取模块，用于获取目标狭窄生境的三维地形数据、岸坡岩土力学参数、互花米草分布影像数据，以及用于除治作业的轻量化作业装备的设备特征参数与水动力扰动安全阈值；

12、特征提取与拓扑构建模块，用于基于所述三维地形数据和所述互花米草分布影像数据，提取水陆边界线，并构建表征互花米草空间拓扑关系的离散种源斑块拓扑图，其中，所述离散种源斑块拓扑图包含多个斑块节点；

13、岸坡稳定性计算模块，用于基于所述岸坡岩土力学参数和所述水陆边界线，计算反映岸坡稳定状态的抗滑稳定系数；

14、安全作业空间建模模块，用于依据所述抗滑稳定系数、所述设备特征参数以及所述水动力扰动安全阈值，构建限定所述轻量化作业装备行驶边界的安全作业空间模型；

15、全局参考路径生成模块，用于在所述安全作业空间模型内，以所述多个斑块节点作为遍历节点，构建依次连接所述多个斑块节点且满足所述设备特征参数的全局参考路径；

16、最优作业轨迹求解模块，用于以所述全局参考路径为基准，结合所述安全作业空间模型构建包含水体扰动惩罚项的多目标代价泛函，并对所述多目标代价泛函进行求解以生成最优作业轨迹。

17、本发明公开了以下技术效果：

18、本发明提供了一种针对内河狭窄生境的互花米草轻量化作业装备轨迹优化方法，本发明通过将狭窄水域特有的岸坡岩土力学参数与设备特征参数相融合以构建安全作业空间模型，从根本上克服了现有技术由于未考虑岸坡承载极限而易引发塘埂坍塌的技术缺陷，保障了轻量化作业装备抵近狭窄岸坡作业的力学安全性；在此基础上，本方法利用表征互花米草空间拓扑关系的离散种源斑块拓扑图生成全局参考路径，并引入包含水体扰动惩罚项的多目标代价泛函对作业轨迹进行联合求解，不仅实现了对微地形起伏下复杂离散残留种源的精准全覆盖清除，有效破解了堤内互花米草“种源库”复燃难题，还通过动力学层面的最优控制严格约束了底泥的翻起幅度，显著降低了作业过程引发的水体二次生态扰动，最终全面实现了内河狭窄生境除治作业的高安全性、低扰动性与精准治理效果。

1.一种针对内河狭窄生境的互花米草轻量化作业装备轨迹优化方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种针对内河狭窄生境的互花米草轻量化作业装备轨迹优化方法，其特征在于，所述设备特征参数包括：

3.根据权利要求1所述的一种针对内河狭窄生境的互花米草轻量化作业装备轨迹优化方法，其特征在于，所述岸坡岩土力学参数包括：

4.根据权利要求1所述的一种针对内河狭窄生境的互花米草轻量化作业装备轨迹优化方法，其特征在于，所述基于所述三维地形数据和所述互花米草分布影像数据，提取水陆边界线，并构建表征互花米草空间拓扑关系的离散种源斑块拓扑图，包括：

5.根据权利要求1所述的一种针对内河狭窄生境的互花米草轻量化作业装备轨迹优化方法，其特征在于，所述基于所述岸坡岩土力学参数和所述水陆边界线，计算反映岸坡稳定状态的抗滑稳定系数，包括：

6.根据权利要求1所述的一种针对内河狭窄生境的互花米草轻量化作业装备轨迹优化方法，其特征在于，所述依据所述抗滑稳定系数、所述设备特征参数以及所述水动力扰动安全阈值，构建限定所述轻量化作业装备行驶边界的安全作业空间模型，包括：

7.根据权利要求1所述的一种针对内河狭窄生境的互花米草轻量化作业装备轨迹优化方法，其特征在于，所述在所述安全作业空间模型内，以所述多个斑块节点作为遍历节点，构建依次连接所述多个斑块节点且满足所述设备特征参数的全局参考路径，包括：

8.根据权利要求1所述的一种针对内河狭窄生境的互花米草轻量化作业装备轨迹优化方法，其特征在于，所述以所述全局参考路径为基准，结合所述安全作业空间模型构建包含水体扰动惩罚项的多目标代价泛函，包括：

9.根据权利要求1所述的一种针对内河狭窄生境的互花米草轻量化作业装备轨迹优化方法，其特征在于，所述对所述多目标代价泛函进行求解以生成最优作业轨迹，包括：

10.一种针对内河狭窄生境的互花米草轻量化作业装备轨迹优化系统，其特征在于，包括：