一种工程机械料斗定位系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种工程机械料斗定位系统及方法，包括：工程机械车体位置及姿态测量系统、料斗位置及姿态测量系统和数据处理装置。针对工程机械作业环境的不同制定相应的料斗定位系统方案，满足不同作业任务时的定位需求。本发明专利技术使用超宽带定位系统定位料斗的位置，使用料斗姿态测量系统测量料斗的姿态，并对料斗的位置进行推算，使用数据处理装置将不同定位系统的定位数据转换到同一地理参考坐标系下进行融合处理，从而实现对工程机械料斗的精确定位，适用于不同类型不同作业环境的工程机械料斗定位，不需要进行复杂的解耦，与已有定位系统相比更为简单、效率更高，并且定位精度高，可靠性好。

An engineering machine hopper positioning system and method

The invention discloses an engineering machine hopper positioning system and method, including the position and attitude measurement system of the construction machinery, the position of the hopper and the attitude measurement system and the data processing device. According to the different working environment of construction machinery, the corresponding hopper positioning system scheme is formulated to meet the positioning requirements of different tasks. The invention uses the ultra wideband positioning system to locate the hopper position, uses the hopper attitude measurement system to measure the attitude of the hopper, calculates the position of the hopper, and uses the data processing device to convert the positioning data of the different positioning system into the same geographic reference coordinate system, thus realizing the engineering machinery. The precise positioning of the hopper is suitable for the location of the hopper of engineering machinery in different types of work environment. It does not need complex decoupling. It is simpler and more efficient than the existing positioning system, and has high positioning accuracy and good reliability.

【技术实现步骤摘要】
一种工程机械料斗定位系统及方法
本专利技术涉及工程机械定位
，特别是涉及一种工程机械料斗定位系统及方法。
技术介绍
工程机械在矿山开采、工业生产以及工程建设等方面发挥着至关重要的作用。工程机械进行装卸作业时，通常缺少精确的定位装置，通过操作人员主观判断得到的料斗位置在大多数情况下已经无法满足作业精度要求。目前，使用GNSS(全球导航卫星系统)、雷达、视觉和惯性器件等实现精准定位的技术在部分工程机械上已经得到实际应用，但工程机械料斗的工作环境恶劣，而且存在大幅度的旋转平移运动，实现精确定位相对困难。现有的一种工程机械料斗定位系统，采用倾角传感器、角度传感器和卫星定位系统等组合的方式，需要测量多个转动部位的角度，然后进行复杂的解耦。这种方法针对不同类型的工程机械需要单独计算解耦参数，普适性较差，测量时多个传感器的误差累加会导致定位精度不理想。因此，需要开发一种工程机械料斗定位系统，采用无线定位和惯性器件组合的方式直接对料斗进行定位，为工程机械料斗的精确定位提供基础。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种工程机械料斗定位系统及方法，以解决上述现有技术存在的问题，使料斗的位置和姿态得到准确测量，不需要进行复杂的解耦，适用不同类型不同作业环境的工程机械料斗定位，定位精度高，系统可靠性好。工程机械的作业环境会随着作业任务的不同发生变化，多数传感器都无法满足在所有作业环境下的料斗定位需求。因此，需要根据作业环境的不同制定相应的料斗定位系统方案，并且具有一定的普适性。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：本专利技术提供了一种工程机械料斗定位系统，包括：车体位姿测量装置、料斗位姿测量装置和数据处理装置；所述车体位姿测量装置包括：车体定位单元和车体姿态测量单元，所述车体定位单元用于定位工程机械车体在一定的地理参考坐标系下的空间位置，所述车体姿态测量单元用于测量车体的航向角、俯仰角和横滚角；所述料斗位姿测量装置包括：超宽带定位单元和料斗姿态测量单元，所述超宽带定位单元包括定位基站和定位标签，通过随车体移动的定位基站定位料斗的位置，所述料斗姿态测量单元用于测量料斗的姿态角和推算料斗的位置；所述数据处理装置采集所述车体位姿测量装置和所述料斗位姿测量装置的定位数据进行融合处理，输出工程机械车体及料斗的空间位置和姿态。优选的，所述车体姿态测量装置和料斗姿态测量装置为惯性器件，输出无长时间漂移的姿态角及加速度信息。优选的，所述数据处理装置还包括车载显示终端和数据通信模块，所述车载显示终端安装于驾驶室内，用于引导操作人员完成精准作业，所述数据通信模块用于发送定位数据和接收作业指令。优选的，所述车体定位单元使用但不限于差分GNSS定位技术，获得车体在一定地理坐标系下的精确位置。上述定位系统是通过以下定位方法来实现的：选择某个地理参考坐标系作为整个定位系统的主坐标系，一般以作业区域内某个点为原点建立东北天坐标系作为主坐标系，此时惯性器件输出的姿态角信息的坐标轴与主坐标系的坐标轴重合。使用安装在工程机械车体上的差分GNSS接收机测量工程机械车体在大地坐标系下的位置，经坐标系变换得到其在主坐标系下精确的三维位置。工程机械车体姿态测量装置输出无长时间漂移的航向角、俯仰角和横滚角数据，实现对车体姿态的精确测量；车体姿态测量装置同时能够输出各轴向的加速度信息，结合工程机械在主坐标系下的初始位置、车体姿态角信息，可以对工程机械车体在主坐标系下的空间位置进行推算，保证在车体定位系统失效或定位误差增大时的情况下车体定位的准确性。超宽带定位系统使用定位基站确定定位标签的位置，进而确定料斗相对于定位基站的位置；超宽带定位基站固定在车体上，随着车体的移动其在主坐标系下的空间位置也会发生变化，根据已经测得的车体的空间位置及姿态角信息，结合超宽带定位基站的安装位置，可以确定超宽带定位基站在主坐标系下的空间位置；将料斗相对于超宽带定位基站的位置通过坐标系转换可以得到其在主坐标系下的位置。安装在料斗上的料斗姿态测量系统输出无长时间漂移的航向角、俯仰角和横滚角测量数据，实现对料斗姿态的精确测量；料斗姿态测量系统输出的加速度信息用于推算料斗的位置，通过对加速度数据进行积分，然后结合料斗的初始位置、输出的姿态角信息即可实现对料斗在主坐标系下的实时位置的准确推算。超宽带定位系统得到的料斗位置的定位精度和数据更新率较低，且在某些情况下可能受遮挡导致定位误差增大，料斗姿态测量系统推算得到的料斗位置的数据更新率高、短期精度高，但定位误差会随时间累积，使用数据融合算法综合处理两种定位系统的数据，既能利用料斗姿态测量系统的结果减少超宽带定位系统受遮挡时的影响，又能利用超宽带定位系统的测距或解算信息抑制料斗姿态测量系统的累积误差，获得定位精度高、数据更新快的料斗位置信息。数据处理装置采集各定位模块的数据，然后完成对数据的分析和融合处理，解算出工程机械车体和料斗的位姿信息，车载显示终端用于直观地显示工程机械车体和料斗当前的位姿信息，引导操作人员完成相应的作业任务，数据通信模块将定位信息传输到远程控制中心，同时接收新的作业指令，下达给操作人员。本专利技术还提供了一种固定基站料斗定位系统，包括：超宽带定位系统、姿态测量系统和数据处理装置。所述超宽带定位系统包括：定位基站、定位标签和无线通信模块，所述定位基站固定在作业现场某处，所述定位标签分别固定在工程机械的车体及料斗上，通过固定在地面的超宽带定位基站确定工程机械车体及料斗的位置，所述无线通信模块将车体和料斗的定位数据通过无线方式传输到数据处理装置。所述姿态测量系统用于测量工程机械车体及料斗的姿态角，并且结合输出的加速度信息对车体及料斗的位置进行推算。所述数据处理装置采集所有测量系统的定位数据进行融合处理，输出工程机械车体及料斗的空间位置和姿态。优选的，所述姿态测量系统使用低成本惯性器件，能够输出无长时间漂移的姿态角及加速度等信息。优选的，所述数据处理装置还包括车载显示终端和数据通信模块，所述车载显示终端安装于驾驶室内，用于引导操作人员完成精准作业，所述数据通信模块用于发送定位数据和接收作业指令。上述定位系统是通过以下定位方法来实现的：选择某个地理参考坐标系作为整个定位系统的主坐标系，一般以作业区域内某个点为原点建立东北天空间坐标系作为主坐标系，此时惯性器件输出的姿态角信息的坐标轴与主坐标系的坐标轴重合。超宽带定位系统使用定位基站确定定位标签的相对位置，进而确定车体及料斗相对于定位基站的位置；超宽带定位基站在主坐标系下的位置固定不变，根据得到的车体及料斗的相对位置，经过坐标变换可得车体及料斗在主坐标系下的空间位置。安装在车体及料斗上的姿态测量系统输出无长时间漂移的航向角、俯仰角和横滚角测量数据，实现对车体及料斗姿态的精确测量；姿态测量系统输出的加速度信息用于推算车体及料斗的位置，通过对加速度数据进行积分，然后结合车体及料斗的初始位置、输出的姿态角信息即可实现对车体及料斗在主坐标系下的实时位置的准确推算。超宽带定位系统得到的车体及料斗位置的定位精度和数据更新率较低，且在某些情况下可能受遮挡导致定位误差增大，姿态测量系统推算得到的车体及料斗位置的数据更新率高、短期精度高，但定位误差会随时间累积，使用数据融合算法综合处理两种定位系统的数据，既能利本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种工程机械料斗定位系统，包括：车体位姿测量装置、料斗位姿测量装置和数据处理装置；所述车体位姿测量装置包括：车体定位单元和车体姿态测量单元，所述车体定位单元用于定位工程机械车体在一定的地理参考坐标系下的空间位置，所述车体姿态测量单元用于测量车体的航向角、俯仰角和横滚角；所述料斗位姿测量装置包括：超宽带定位单元和料斗姿态测量单元，所述超宽带定位单元包括定位基站和定位标签，通过随车体移动的定位基站定位料斗的位置，所述料斗姿态测量单元用于测量料斗的姿态角和推算料斗的位置；所述数据处理装置采集所述车体位姿测量装置和所述料斗位姿测量装置的定位数据进行融合处理，输出工程机械车体及料斗的空间位置和姿态。

【技术特征摘要】
1.一种工程机械料斗定位系统，包括：车体位姿测量装置、料斗位姿测量装置和数据处理装置；所述车体位姿测量装置包括：车体定位单元和车体姿态测量单元，所述车体定位单元用于定位工程机械车体在一定的地理参考坐标系下的空间位置，所述车体姿态测量单元用于测量车体的航向角、俯仰角和横滚角；所述料斗位姿测量装置包括：超宽带定位单元和料斗姿态测量单元，所述超宽带定位单元包括定位基站和定位标签，通过随车体移动的定位基站定位料斗的位置，所述料斗姿态测量单元用于测量料斗的姿态角和推算料斗的位置；所述数据处理装置采集所述车体位姿测量装置和所述料斗位姿测量装置的定位数据进行融合处理，输出工程机械车体及料斗的空间位置和姿态。2.根据权利要求1所述的一种工程机械料斗定位系统，所述车体姿态测量装置和料斗姿态测量装置为惯性器件，输出无长时间漂移的姿态角及加速度信息。3.根据权利要求1所述的一种工程机械料斗定位系统，所述数据处理装置还包括智能控制器、车载显示终端和数据通信模块，所述车载显示终端安装于驾驶室内，用于引导操作人员完成精准作业，所述数据通信模块用于发送定位数据和接收作业指令。4.根据权利要求1所述的一种工程机械料斗定位系统，所述车体定位单元使用但不限于差分GNSS定位技术，获得车体在一定地理坐标系下的精确位置。5.根据如权利要求1所述的一种工程机械料斗定位系统，其特征在于：所述定位系统是通过以下方法来实现的：选择某个地理参考坐标系作为整个定位系统的主坐标系，以作业区域内某个点为原点建立东北天坐标系作为主坐标系，惯性器件输出的姿态角信息的坐标轴与主坐标系的坐标轴重合；使用安装在工程机械车体上的差分GNSS接收机测量工程机械车体在大地坐标系下的位置，经坐标系变换得到其在主坐标系下精确的三维位置；工程机械车体姿态测量装置输出无长时间漂移的航向角、俯仰角和横滚角数据，实现对车体姿态的精确测量；车体姿态测量装置同时能够输出各轴向的加速度信息，结合工程机械在主坐标系下的初始位置、车体姿态角信息，可以对工程机械车体在主坐标系下的空间位置进行推算，保证在车体定位系统失效或定位误差增大时的情况下车体定位的准确性；超宽带定位系统使用定位基站确定定位标签的位置，进而确定料斗相对于定位基站的位置；超宽带定位基站固定在车体上，随着车体的移动其在主坐标系下的空间位置也会发生变化，根据已经测得的车体的空间位置及姿态角信息，结合超宽带定位基站的安装位置，可以确定超宽带定位基站在主坐标系下的空间位置；将料斗相对于超宽带定位基站的位置通过坐标系转换可以得到其在主坐标系下的位置；安装在料斗上的料斗姿态测量系统输出无长时间漂移的航向角、俯仰角和横滚角测量数据，实现对料斗姿态的精确测量；料斗姿态测量系统输出的加速度信息用于推算料斗的位置，通过对加速度数据进行积分，然后结合料斗的初始位置、输出的姿态角信息即可实现对料斗在主坐标系下的实时位置的准确推算；超宽带定位系统得到的料斗位置的定位精度和数据更新率较低，且在某些情况下可能受遮挡导致定位误差增大，料斗姿态测量系统推算得到的料斗位置的数据更新率高、短期精度高，但定位误差会随时间累积，使用数据融合算法综合处理两种定位系统的数据，既能利用料斗姿态测量系统的结果减少超宽带定位系统受遮挡时的影响，又能利用超宽...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑戍华，鲁东原，王向周，彭熙伟，张言溪，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11