【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种挖掘机工作装置运动轨迹测量方法及系统，属于工程机械。
技术介绍
1、挖掘机作为工程建设中的通用工程机械，其工作装置是直接参与挖掘、装载、平地等作业任务的部件，运行工况较为复杂。随着技术进步，自动化技术、人工智能技术等应用于挖掘机上，为实现挖掘机自主智能化作业，使其具有盲操作、挖掘机轨迹自主控制等功能，须先获取挖掘机工装装置姿态信息。另外，开展挖掘机操控性能的客观评价，也需要准确测量工作装置的姿态，得到铲斗的轨迹信息。
2、第一种现有技术提出了一种挖掘机三维姿态显示及远程自动控制系统，采集动臂、斗杆、铲斗拉线式位移传感器的位移值及电子罗盘的回转角度，通过挖掘机工作装置运动学关系，得到关节转角，从而计算得到铲斗齿尖位置坐标。但是，传感器测量姿态的技术方案会由于工作装置与作业目标的碰撞和挖掘机的剧烈振动，在动臂、斗杆、铲斗等位置的接触式传感器极易造成损坏，导致无法及时采集数据，增加维修成本。
3、第二种现有技术提出了一种用于确定挖掘机的铲斗的位姿的方法和装置，获取设置于挖掘机车体的相机采集到的铲斗的图像，铲斗的图像包含设置于挖掘机的铲斗上的预设标志物；基于铲斗的图像，以及预先获取的预设标志物的三维特征信息，确定相机相对于铲斗的位姿信息；将相机相对于铲斗的位姿信息转换为铲斗相对于挖掘机车体的位姿信息。但是，视觉测量的现有技术会由于挖掘机作业环境负载和挖掘机机身具有的棱角，相机捕获的图像中元素和噪点过多，从角点检测算法检测到较多无效的角点信息，从众多角点特征中筛选有效特征会增加图像检测的时间，也可
4、因此，本领域技术人员急需要提供一种解决以上技术问题的工程机械工作装置姿态的测量方法。
技术实现思路
1、目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种挖掘机工作装置运动轨迹测量方法及系统。
2、技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
3、第一方面，一种挖掘机工作装置运动轨迹测量方法，包括如下步骤：
4、步骤1：将激光跟踪测量系统中的激光跟踪头通过仪器支架布置在挖掘机铲斗活动区域的外侧，激光跟踪头布置点处于挖掘机同圆心的圆弧上，激光跟踪头的初始位置均朝向挖掘机；激光跟踪头中的主测量激光跟踪头、副测量激光跟踪头的布置点位置，应确保同一时刻至少有一个激光跟踪头的激光光束可以照射到测量用目标镜。
5、步骤2：以一个主测量激光跟踪头为空间坐标系原点，与另一个主测量激光跟踪头连线作为x轴方向；以面向挖掘机方向的垂直于主侧量激光跟踪头连线作为y轴方向；竖直地面向上的连线作为z轴方向，根据x轴方向、y轴方向和z轴方向构建激光跟踪测量区域空间坐标系，获取各激光跟踪头在激光跟踪测量区域空间坐标系内的三维坐标。
6、步骤3：将一个标定用目标镜布置于激光跟踪测量区域空间坐标系内的位置a，获取第一个标定用目标镜的三维空间坐标；将第二个标定用目标镜布置于激光跟踪测量区域空间坐标系内的位置b，获取第二个标定用目标镜的三维空间坐标，根据激光跟踪测量系统计算位置a、b之间的空间距离sab，空间距离sab与已知的两个标定用目标镜之间距离lab进行比对，完成激光跟踪头的标定，完成激光跟踪头的标定后，移除标定用目标镜。
7、步骤4：挖掘机进入激光跟踪测量区域空间坐标系内，工作装置位置及姿态固定，启动激光跟踪测量系统，激光跟踪头朝向铲斗表面固定标记点位置，调整激光光束方向照射测量用目标镜。
8、步骤5：挖掘机进行实时动作，主测量激光跟踪头实时跟踪测量，获取测量用目标镜的测量距离li、水平角俯仰角θi，根据测量用目标镜的测量距离li、水平角俯仰角θi计算铲斗表面固定标记点的三维坐标(xsi，ysi，zsi)，根据铲斗表面固定标记点的三维坐标(xsi，ysi，zsi)生成伺服电机控制指令发送给激光跟踪头。
9、步骤6：调整挖掘机铲斗的初始位置时，使铲斗耳板上的陀螺仪传感器的x、y、z轴分别于激光跟踪测量区域空间坐标系的x、y、z轴平行。挖掘机处于初始位置时，陀螺仪传感器与铲斗齿尖的连线在激光跟踪测量区域空间坐标系的空间向量为(xt0，yt0，zt0)，xt0、yt0、zt0为铲斗齿尖与陀螺仪传感器初始位置x、y、z坐标差值，其中铲斗齿尖初始坐标为(x0，y0，z0)，陀螺仪传感器初始坐标即铲斗表面固定标记点初始坐标(xs0，ys0，zs0)。挖掘机工作时，铲斗位置发生变化，获取铲斗姿态空间坐标变换的旋转矩阵[mx，my，mz]。根据铲斗姿态空间坐标变换的旋转矩阵，计算陀螺仪传感器与铲斗齿尖连线空间向量的姿态变换矩阵
10、步骤7：根据陀螺仪传感器与铲斗齿尖连线的实时空间向量的姿态变换矩阵，计算实时的铲斗齿尖空间坐标(xi，yi，zi)。
11、步骤8：根据实时的铲斗齿尖的空间坐标绘制挖掘机工作装置末端的运动轨迹。
12、作为优选方案，还包括，实时存储并显示测量用目标镜的三维坐标信息，激光跟踪头的水平角、俯仰角、以及与测量用目标镜距离，陀螺仪传感器姿态角的信息。
13、作为优选方案，所述步骤5中还包括：若出现主测量激光跟踪头断光提示，由副测量激光跟踪头进行实时跟踪测量。
14、作为优选方案，所述铲斗表面标记点三维坐标(xsi，ysi，zsi)计算公式如下：
15、
16、
17、zsi＝li·sinθi。
18、作为优选方案，所述铲斗姿态空间坐标变换的旋转矩阵[mx，my，mz]计算公式如下：
19、
20、
21、
22、其中，rowi、pitchi、yawi分别为陀螺仪传感器绕x轴、y轴、z轴的姿态角。
23、作为优选方案，所述陀螺仪传感器与铲斗齿尖连线空间向量的姿态变换计算公式如下：
24、
25、作为优选方案，所述铲斗齿尖空间坐标(xi，yi，zi)，计算公式如下：
26、(xi，yi，zi)＝(x0+xti，y0+xti，z0+xti)。
27、第二方面，一种挖掘机工作装置运动轨迹测量的激光跟踪测量系统，包括：多路激光跟踪头，测量用目标镜，陀螺仪传感器，控制单元，计算机。
28、所述测量用目标镜用于布置于挖掘机铲斗上的固定标记点位置。
29、所述陀螺仪传感器用于布置于挖掘机铲斗上的固定标记点位置。
30、所述多路激光跟踪头，包括：主测量激光跟踪头，副测量激光跟踪头，主测量激光跟踪头的数量与固定标记点位置的测量用目标镜的数量相同，副测量激光跟踪头的数量不少于主测量激光跟踪头的数量。所述主测量激光跟踪头、副测量激光跟踪头至少包括激光测距单元，跟踪经纬仪，伺服电机单元。激光测距单元通过跟踪的固定标本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种挖掘机工作装置运动轨迹测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种挖掘机工作装置运动轨迹测量方法，其特征在于：还包括，实时存储并显示测量用目标镜的三维坐标信息，激光跟踪头的水平角、俯仰角、以及与测量用目标镜距离，陀螺仪传感器姿态角的信息。
3.根据权利要求1或2所述的一种挖掘机工作装置运动轨迹测量方法，其特征在于：所述步骤5中还包括：若出现主测量激光跟踪头断光提示，由副测量激光跟踪头进行实时跟踪测量。
4.根据权利要求1或2所述的一种挖掘机工作装置运动轨迹测量方法，其特征在于：所述铲斗表面标记点三维坐标(xsi，ysi，zsi)计算公式如下：
5.根据权利要求1或2所述的一种挖掘机工作装置运动轨迹测量方法，其特征在于：所述铲斗姿态空间坐标变换的旋转矩阵[Mx，My，Mz]计算公式如下：
6.根据权利要求1或2所述的一种挖掘机工作装置运动轨迹测量方法，其特征在于：所述陀螺仪传感器与铲斗齿尖连线空间向量的姿态变换计算公式如下：
7.根据权利要求1或2所述的一种挖掘机工作装置运动轨迹测
8.一种挖掘机工作装置运动轨迹测量的激光跟踪测量系统，其特征在于：包括：多路激光跟踪头，测量用目标镜，陀螺仪传感器，控制单元，计算机；
9.根据权利要求8所述的激光跟踪测量系统，其特征在于：还包括，标定用目标镜，所述标定用目标镜通过仪器支架布设在主测量激光跟踪头与副测量激光跟踪头之间，标定用目标镜之间的空间距离已知，用于完成激光跟踪头的标定。
10.根据权利要求8所述的激光跟踪测量系统，其特征在于：所述主测量激光跟踪头，副测量激光跟踪头通过仪器支架呈扇形布设在挖掘机工作区域的周边，所述主测量激光跟踪头、副测量激光跟踪头相互配合，使跟踪的测量用目标镜与主测量激光跟踪头由于空间障碍处于断光状态时，副测量激光跟踪头可根据主测量激光跟踪头测得的测量用目标镜位置和角度信息，继续测量任务。
...【技术特征摘要】
1.一种挖掘机工作装置运动轨迹测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种挖掘机工作装置运动轨迹测量方法，其特征在于：还包括，实时存储并显示测量用目标镜的三维坐标信息，激光跟踪头的水平角、俯仰角、以及与测量用目标镜距离，陀螺仪传感器姿态角的信息。
3.根据权利要求1或2所述的一种挖掘机工作装置运动轨迹测量方法，其特征在于：所述步骤5中还包括：若出现主测量激光跟踪头断光提示，由副测量激光跟踪头进行实时跟踪测量。
4.根据权利要求1或2所述的一种挖掘机工作装置运动轨迹测量方法，其特征在于：所述铲斗表面标记点三维坐标(xsi，ysi，zsi)计算公式如下：
5.根据权利要求1或2所述的一种挖掘机工作装置运动轨迹测量方法，其特征在于：所述铲斗姿态空间坐标变换的旋转矩阵[mx，my，mz]计算公式如下：
6.根据权利要求1或2所述的一种挖掘机工作装置运动轨迹测量方法，其特征在于：所述陀螺仪传感器与铲斗齿尖连线空间向...
【专利技术属性】
技术研发人员：董栓牢，刘春蕾，刘汉光，
申请(专利权)人：江苏徐工工程机械研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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