一种挖掘机数字化辅助施工系统及其辅助施工方法技术方案
A digital auxiliary construction system for excavator and its auxiliary construction method
The invention discloses a digitization aided construction system for excavators and an auxiliary construction method. The system comprises a GNSS antenna and a receiver, a IMU device, a uniaxial tilt sensor, a two axis attitude sensor and an intelligent control terminal. The GNSS/INS integrated navigation technology is adopted to calculate the coordinates of the excavator shovel teeth in the WGS84 coordinate system through the relative position relationship between the body size and the GNSS antenna. According to the coordinate modeling of excavator tooth shovel, the position of the excavator shovel tooth model in the engineering target area map is displayed in real time at the intelligent control terminal, which assists the operator to complete the construction. The excavator auxiliary construction system of the invention has the characteristics of real-time, high accuracy and convenient operation, which reduces the requirements for the operator in construction, improves the operation accuracy and efficiency, and makes the engineering management more flexible.
【技术实现步骤摘要】
一种挖掘机数字化辅助施工系统及其辅助施工方法
本专利技术涉及一种挖掘机领域，具体涉及一种挖掘机数字化辅助施工系统。
技术介绍
现代施工建设的作业任务和类型日益繁多，挖掘机在各种工程领域中的应用日益广泛，同时各项工程对工程质量和施工工期的要求也越来越高。这对挖掘机的施工精度和操作者的熟练程度提出了较高要求。然而在实际操作过程中，因为挖掘机装置和操作者的原因，会出现一系列问题，导致了施工效率和精度变低。目前市场上大多数挖掘机都不带有辅助施工系统，在进行作业时，主要靠操作者的技术和经验，一次施工后的作业面与标准作业面有较大的差距，这种施工模式阻碍了工程建设的发展。
技术实现思路
专利技术目的：针对上述现有技术，提出一种挖掘机数字化辅助施工系统，能够实时得到挖掘机及其铲斗在WGS84坐标系下的三维坐标，设置好目标点坐标后引导操作者进行施工。技术方案：一种挖掘机数字化辅助施工系统，包括：固定设置在挖掘机机身上的GNSS主站天线、GNSS从站天线以及接收机；所述接收机用于根据所述GNSS主站天线和GNSS从站天线接收到的信号解算所述GNSS主站天线在WGS84坐标系下的坐标以及G...
【技术保护点】
一种挖掘机数字化辅助施工系统，其特征在于，包括：固定设置在挖掘机机身(1)上的GNSS主站天线(5)、GNSS从站天线(6)以及接收机(11)；所述接收机(11)用于根据所述GNSS主站天线(5)和GNSS从站天线(6)接收到的信号解算所述GNSS主站天线(5)在WGS84坐标系下的坐标以及GNSS主从站天线方位角；固定在铲斗(2)和斗杆(3)连接处，用于测量铲斗摇杆与水平面夹角的铲斗角度传感器(7)；固定在斗杆(3)上，用于测量斗杆(3)与水平面夹角的斗杆角度传感器(8)；固定在动臂(4)上，用于测量动臂(4)与水平面夹角的动臂角度传感器(9)；固定在挖掘机机身(1)上，...
【技术特征摘要】
1.一种挖掘机数字化辅助施工系统，其特征在于，包括：固定设置在挖掘机机身(1)上的GNSS主站天线(5)、GNSS从站天线(6)以及接收机(11)；所述接收机(11)用于根据所述GNSS主站天线(5)和GNSS从站天线(6)接收到的信号解算所述GNSS主站天线(5)在WGS84坐标系下的坐标以及GNSS主从站天线方位角；固定在铲斗(2)和斗杆(3)连接处，用于测量铲斗摇杆与水平面夹角的铲斗角度传感器(7)；固定在斗杆(3)上，用于测量斗杆(3)与水平面夹角的斗杆角度传感器(8)；固定在动臂(4)上，用于测量动臂(4)与水平面夹角的动臂角度传感器(9)；固定在挖掘机机身(1)上，用于测量挖掘机机身(1)横滚角和俯仰角的双轴姿态传感器(10)；智能控制终端(12)，所述智能控制终端(12)包括存储器、处理器、显示器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现以下步骤：步骤a：根据所述GNSS主站天线(5)在WGS84坐标系下的坐标、所述GNSS主从站天线方位角、所述铲斗角度传感器(7)的输出值、所述斗杆角度传感器(8)的输出值、动臂角度传感器(9)的输出值、双轴姿态传感器(10)的输出值、以及挖掘机身尺寸参数计算得到挖掘机铲齿的二维/三维坐标；步骤b：根据获取的工程目标区域，控制所述显示器显示所述工程目标区域地图；步骤c：根据所述挖掘机铲齿的二维/三维坐标建模，然后在所述显示器上实时显示挖掘机铲齿模型在所述工程目标区域地图中的位置。2.根据权利要求1所述的挖掘机数字化辅助施工系统，其特征在于，还包括固定在所述挖掘机身(1)上，用于辅助定位的IMU设备(14)。3.根据权利要求1所述的挖掘机数字化辅助施工系统，其特征在于，所述GNSS主站天线(5)和GNSS从站天线(6)固定设置在挖掘机尾部，两天线的连线与挖掘机纵向主轴垂直。4.根据权利要求1所述的挖掘机数字化辅助施工系统，其特征在于，所述斗杆角度传感器(8)为固定在斗杆(3)上并与斗杆主轴垂直设置的单轴倾角传感器，所述动臂角度传感器(9)固定在动臂(4)上并与动臂主轴垂直设置的单轴倾角传感器。5.根据权利要求1所述的挖掘机数字化辅助施工系统，其特征在于，所述工程目标区域根据人机交互设备输入二维/三维坐标获得。6.根据权利要求1所述的挖掘机数字化辅助施工系统，其特征在于，所述工程目标区域根据通过挖掘机铲齿置于目标区域边界线/边界顶点后，利用所述步骤a获得掘机铲齿的二维坐标即所述目标区域边界线/边界顶点的二维坐标/三维坐标，然后通过人机交互设备输入挖掘深度值后，在显示器上生成所述目标区域的三维图像。7.根据权利要求1所述的挖掘机数字化辅助施工系统，其特征在于，所述步骤a包括如下具体步骤：步骤a1：对所述双轴姿态传感器(10)输出的俯仰角θobs进行转换后用于构建旋转矩阵，具体为：其中，θcal为转换后用于构建旋转矩阵的俯仰角；γ为所述双轴姿态传感器(10)输出的横滚角；步骤a2：构建挖掘机身姿态旋转矩阵为：Rattitude＝R2(γ)R1(θcal)(2)其中，Rattitude为姿态旋转矩阵；Ri(radian)表示绕笛卡尔坐标系第i轴旋转radian弧度的旋转矩阵，i＝1,2；步骤a3：以挖掘机回转接头(15)为坐标原点，以挖掘机前进方向为y轴，过坐标原点且垂直于y轴为x轴，z轴与x、y轴构成右手坐标系，建立车身三维坐标系，根据挖掘机机身姿态对GNSS主从站天线的基线方向进行修正，具体为：Brot＝RattitudeB(3)ψcal＝90-(ψobs-αB)(5)其中，B为车身坐标系下的基线向量；Brot为进行姿态旋转后的基线向量；分别为Brot的x、y方向的分量；arctan2(y,x)为方位角计算函数；αB为旋转后基线向量的方位角；ψobs为GNSS定位定向设备测得的方位角；ψcal为修正后的航向角；步骤a4：建立直角坐标系如下：取y轴和z轴所在平面上的一点P1为坐标原点，且已知该点与挖掘机回转接头(15)的坐标差值，m轴与车身坐标系的y轴平行且方向相同，n轴与车身坐标系的z轴平行且方向相同，建立m、P1、n二维平面直角坐标系，则求得P1、P2、P3坐标如下其中，P1为动臂(4)与挖掘机身(...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨涛，王胜利，王建春，于明卫，乔龙雷，陈贵平，陈建超，李旭，刘扬，郑衍宁，
申请(专利权)人：山东天星北斗信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37
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