一种挖掘机智能施工引导系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种挖掘机智能施工引导系统及方法，属于挖掘机控制技术领域。能实时检测并显示挖掘机铲斗位姿、作业区域高程、坡度、开挖方量等重要参数，以及与设计目标的差值等信息，实时引导挖掘机驾驶员进行作业，在提高施工效率和质量的同时，减轻了技术人员的工作量。与现有的挖掘机铲尖坐标测量系统相比，本发明专利技术具有独特的铲背测坡功能，并且图形化显示的内容更加丰富多样，能够为驾驶员作业提供更全面的引导。全面的引导。全面的引导。

【技术实现步骤摘要】
一种挖掘机智能施工引导系统及方法


[0001]本专利技术属于挖掘机控制
，具体来说，涉及一种挖掘机定位、铲斗位姿检测、施工区域高程、坡度、开挖方量等重要参数检测方法，广泛应用于挖掘机智能化施工中。

技术介绍

[0002]挖掘机是最常用的工程机械之一，它在施工过程中的主要用途是挖掘、平地和修坡作业。驾驶员凭经验来操作铲斗进行挖掘、平地或修坡作业，以达到设计的高度或坡度，效率低且精确度不高。如若实时获得铲尖基于车身坐标系的坐标，基于该坐标给驾驶员作业引导可大大提高作业效率和精度。因此，挖掘机铲斗定位成为了一个研究热点，从各方文献以及工程现场调研结果来看，现有的铲斗定位方法可定位车辆和铲斗的坐标，可以通过铲斗的Z坐标获得作业面的高度信息，但不能获得坡度信息，引导信息有限；并且可视化时，只显示挖掘轨迹、设计高程、当前高程、车速等信息，没有施工区域三维地形图，不能统计施工量等信息，信息可视化不够全面。

技术实现思路

[0003]本专利技术要解决的技术问题是，提出一种挖掘机智能施工引导系统及方法，主要解决现有挖掘机铲斗坐标测量系统不具备测量斜面坡度的功能，以及可视化时不能导入三维地形图，不能实时统计开挖方量、待挖方量等信息，可视化内容不够丰富，对驾驶员的作业引导不够充分、准确的缺点。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0005]一种挖掘机智能施工引导方法，其特征在于在车辆驾驶室顶部安装两个GPS天线，主天线在后，副天线在前，其中航向角为主副天线的边线与正北方向的夹角；
[0006]挖掘机车身、动臂、斗杆、铲斗铰链上分别安装高精度动态倾角传感器，车身动态倾角传感器用于检测车身俯仰和横滚角度，动臂动态倾角传感器用于检测动臂的倾角，斗杆动态倾角传感器用于检测斗杆绕轴的倾角；铲斗动态倾角传感器分别用于检测动臂、斗杆、铲斗的倾角；
[0007]微型计算机按设定频率读取GPS系统和高精度动态倾角传感器的数据并进行运算处理，并将计算得到的挖掘机坐标、铲尖坐标和姿态信息进行显示，并且在三维地形图上实时显示挖掘机作业轨迹图像、已挖方量、待挖方量、当前挖掘深度、目标挖掘深度、当前坡度、目标坡度信息。
[0008]进一步的，两个GPS天线设置为通过直接读取GPS信息以获得主天线经度、纬度、高程、航向角信息。
[0009]进一步的，当前挖掘深度用铲尖Z坐标获得。
[0010]进一步的，当前坡度信息通过铲背测量，包括如下步骤：
[0011]S1：以GPS主天线支点O0、动臂支点O1、斗杆支点O2、铲斗支点O3、铲尖正中央处O4为中心，分别建立五个坐标系；GPS主天线坐标系的主天线支点O0位于车身上；
[0012]S2：测量动臂支点O1在GPS主天线坐标系中的位置x
d
、y
d
、z
d
；
[0013]S3：测量动臂长度l1,斗杆长度l2,铲斗长度l3的值；
[0014]S4：读取车身倾角传感器AS0的值，经处理后，得到车身俯仰θ
fb
和横滚角度或左右倾斜角度θ
lr
；
[0015]S5：读取动臂上倾角传感器AS1的值，经处理后得到动臂上倾角θ1；
[0016]S6：读取斗杆上倾角传感器AS2的值，再根据动臂上倾角θ1，经处理后得到斗杆上倾角θ2；
[0017]S7：读取铲斗倾角传感器AS3的值，再根据斗杆上倾角传感器AS2的值，经处理后得到铲斗倾角θ3；
[0018]S8：将以上测量所获得的x
d
、y
d
、z
d
、l1,l2,l3、θ
fb
、θ
lr
、θ1、θ2、θ3的值代入改进后的D
‑
H算法，可得到基于GPS主天线坐标系的铲尖坐标x,y,z和铲尖姿态角ξ，ξ是铲斗与斗杆铰接点与铲斗斗齿尖连线与水平线的夹角；
[0019]改进的D
‑
H算法公式如下：
[0020]车辆坐标系：
[0021]x
veh
＝x
d
[0022]y
veh
＝y
d
+cos(l1cos(θ1+θ
fb
)+l2cos(θ
1+
θ2+θ
fb
)+l3cos(θ1+θ2+θ3+θ
fb
))
[0023]z
veh
＝z
d
+sin(l1cos(θ1+θ
fb
)+l2sin(θ
1+
θ2+θ
fb
)+l3sin(θ1+θ2+θ3+θ
fb
))
[0024]基于车身GPS的坐标系：
[0025][0026][0027]这里R是应用欧拉公式获得的旋转矩阵，其中θ
fb
是车身的俯仰角，θ
lr
是车身的横滚角，由车身传感器获得，θ0是车身与正北方向的夹角，由GPS获得。
[0028]S9：根据铲尖姿态角ξ，经下式几何运算处理后，可得到铲背姿态角α3；将铲背紧贴在坡面上，利用铲背姿态角α3来测量坡度，实现铲背测坡功能：
[0029]ξ＝θ1+θ2+θ3[0030]α3＝180
‑
ξ
‑
α2[0031]其中α2为铲斗与斗杆铰接点与铲斗斗齿尖连线与铲背面之间的夹角。
[0032]进一步的，挖掘作业时，驾驶员将铲尖放在作业面获得当前挖掘深度、以及与设计挖掘目标深度的偏差值，在操作挖掘机挖掘时实时了解铲尖坐标与设计挖掘目标的偏差。
[0033]进一步的，修坡作业时，驾驶员将铲背紧贴在作业坡面上获得当时坡度值、以及与设计坡度的偏差，从而引导驾驶员作业。
[0034]进一步的，在显示挖掘机作业图像的同时，通过数据窗口显示挖掘机当前位置、高程、θ
fb
、θ
lr
、θ1、θ2、θ3、铲尖坐标x,y,z、铲尖姿态角ξ、铲背姿态角α3、设计作业目标、当前作业与设计作业目标偏差信息，给挖掘机驾驶员以作业引导。
[0035]一种挖掘机智能施工引导系统，其特征在于：
[0036]挖掘机上安装GPS系统，用于挖掘机车身定位和航向角检测；
[0037]挖掘机车身、动臂、斗杆、铲斗铰链上分别安装高精度动态倾角传感器，车身动态倾角传感器用于检测车身俯仰和横滚角度，动臂动态倾角传感器用于检测动臂的倾角，斗杆动态倾角传感器用于检测斗杆绕轴的倾角；铲斗动态倾角传感器分别用于检测动臂、斗杆、铲斗的倾角；
[0038]微型计算机按设定频率读取GPS系统和高精度动态倾角传感器的数据并进行运算处理，并将计算得到的挖掘机坐标、铲尖坐标和姿态信息进行显示，并且在三维地形图上实时显示挖掘机作业轨迹图像、已挖方量、待挖方量、当前挖掘深度、目标挖掘深度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种挖掘机智能施工引导方法，其特征在于在车辆驾驶室顶部安装两个GPS天线，主天线在后，副天线在前；挖掘机车身、动臂、斗杆、铲斗铰链上分别安装高精度动态倾角传感器，车身动态倾角传感器用于检测车身俯仰和横滚角度，动臂动态倾角传感器用于检测动臂的倾角，斗杆动态倾角传感器用于检测斗杆绕轴的倾角；铲斗动态倾角传感器分别用于检测动臂、斗杆、铲斗的倾角；微型计算机按设定频率读取GPS系统和高精度动态倾角传感器的数据并进行运算处理，并将计算得到的挖掘机坐标、铲尖坐标和姿态信息进行显示，并且在三维地形图上实时显示挖掘机作业轨迹图像、已挖方量、待挖方量、当前挖掘深度、目标挖掘深度、当前坡度、目标坡度信息。2.根据权利要求1所述的挖掘机智能施工引导方法，其特征在于两个GPS天线设置为通过直接读取GPS信息以获得主天线经度、纬度、高程、航向角信息。3.根据权利要求1所述的挖掘机智能施工引导方法，其特征在于航向角为主副天线的边线与正北方向的夹角。4.根据权利要求1所述的挖掘机智能施工引导方法，其特征在于当前挖掘深度用铲尖Z坐标获得。5.根据权利要求1所述的挖掘机智能施工引导方法，其特征在于当前坡度信息通过铲背测量，包括如下步骤：S1：以GPS主天线支点O0、动臂支点O1、斗杆支点O2、铲斗支点O3、铲尖正中央处O4为中心，分别建立五个坐标系；GPS主天线坐标系的主天线支点O0位于车身上；S2：测量动臂支点O1在GPS主天线坐标系中的位置x
d
、y
d
、z
d
；S3：测量动臂长度l1，斗杆长度l2，铲斗长度l3的值；S4：读取车身倾角传感器AS0的值，经处理后，得到车身俯仰θ
fb
和横滚角度或左右倾斜角度θ
1r
；S5：读取动臂上倾角传感器AS1的值，经处理后得到动臂上倾角θ1；S6：读取斗杆上倾角传感器AS2的值，再根据动臂上倾角θ1，经处理后得到斗杆上倾角θ2；S7：读取铲斗倾角传感器AS3的值，再根据斗杆上倾角传感器AS2的值，经处理后得到铲斗倾角θ3；S8：将以上测量所获得的x
d
、y
d
、z
d
、l1，l2，l3、θ
fb
、θ
lr
、θ1、θ2、θ3的值代入改进后的D
‑
H算法，得到基于GPS主天线坐标系的铲尖坐标x，y，z和铲尖姿态角ξ，ξ是铲斗与斗杆铰接点与铲斗斗齿尖连线与水平线的夹角；改进的D
‑
H算法公式如下：车辆坐标系：x
veh
＝x
d
y
veh
＝y
d
+cos(l1cos(θ1+θ
fb
...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜伏伍，史长城，邹斌，唐陆奇，刘洋洋，邱祥瑞，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：