【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及挖掘机，尤其涉及一种方向线法挖掘机空间位置解析和自动化控制系统及方法。
技术介绍
1、挖掘机又称挖土机，主要是用铲斗挖掘高于或低于承机面的物料，并装入运输车辆或卸至堆料场的土方机械。挖掘机挖掘的物料主要是土壤、煤、泥沙以及经过预松后的土壤和岩石。从近些年工程机械的市场占有率来看，挖掘机的发展相对最快，挖掘机已经发展成为工程建设中最主要的工程机械之一，其中反铲液压挖掘机市场占有率最高，受基坑地质条件的影响在开挖过程中，基坑可能垮塌造成开口线丢失，后期人员需要不停的上下测量，从而影响效率同时也会增加危险，在地面水沟、基础等工程开挖中，一般也需要先撒灰线才能指导施工，而在挖掘机不停的移动或者雨水冲刷下，灰线容易丢失从而影响正常施工作业，同时在遇到夜间施工或施工抢险，操作工人也容易疲劳，受挖掘机工作时抖动操作人员也容易产生职业病，因此自动化施工是工程机械的发展方向，也是提高工作效率的有效途径，而对挖掘机的空间位置精确捕捉是实现自动化控制的前提，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，从而导致了施工效率和精度变低。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是克服现有技术中存在的挖掘机施工效率低、精度低的缺陷与问题，提供一种施工效率高、精度较高的方向线法挖掘机空间位置解析和自动化控制系统及方法。
2、为实现以上目的，本专利技术的技术解决方案是：一种方向线法挖掘机空间位置解析和自动化控制系统，包括定位导航系统、中央处理器、数据无线传
3、所述定位导航系统，用于测量回转滚盘旋转中心的实时空间坐标和挖掘机上部转台纵轴线相对于北方向的坐标方位角，并将坐标值和方位角值发送给中央处理器；
4、所述数据无线传输系统，用于将中央处理器处理的数据同步通过网络上传云平台实现远程控制；
5、所述数据采集系统，用于获取挖掘机各运动节点的3轴倾角值，上部转台与下部行走机构之间的转角值，液压系统中的液压油以及发动机的工作数值；
6、所述液压数字控制系统，用于在中央处理器将数据采集系统采集数据处理后，控制继电器动作来使液压执行元件工作；
7、所述雷达侦测系统，用于在挖掘机移动过程中进行主动识别避障；
8、所述称重系统，用于获取挖掘机的铲斗中的被挖物体的重量；
9、所述360影像采集系统，用于获取挖掘机的工作视角，对被挖物体进行三维扫描，扫描挖之前土壤状态和挖之后卸载时渣土车内部空间状态；
10、所述中央处理器，用于根据定位导航系统发送的坐标值和方位角值、数据采集系统获取的3轴倾角值和转角值计算并获取挖掘机整体的三维空间坐标值以及各机构的运动状态，通过电信号控制液压数字控制系统中的继电器工作进而控制挖掘机上的方向控制、压力控制和流量控制电磁阀动作使各液压执行元件按预定流程动作，同时根据现场工况控制发动机油门的开合来控制输出功率。
11、所述数据采集系统包括角位移传感器、多个3轴倾角传感器、液压系统监控单元、发动机监控单元，所述角位移传感器通过柔性联轴器同轴连接于挖掘机的回转马达输出轴上，多个所述3轴倾角传感器分别安装于挖掘机的动臂的两个铰接点的连线上或与连线平行的位置、挖掘机的斗杆的两个铰接点的连线上或与连线平行的位置、挖掘机的铲斗的铰接点与齿尖的连线上或与连线平行的位置、推土铲的铰接点与铲口的连线上或与连线平行的位置，所述角位移传感器、多个3轴倾角传感器、液压系统监控单元、发动机监控单元分别与中央处理器相连接；
12、所述角位移传感器，用于测量驱动齿轮的水平旋转角度，并将旋转角度值发送给中央处理器；
13、多个所述3轴倾角传感器，分别用于测量动臂的竖向旋转角度、斗杆的竖向旋转角度、铲斗的竖向旋转角度、推土铲的竖向旋转角度，并将旋转角度值发送给中央处理器；
14、所述液压系统监控单元，用于监控液压系统液压油的方向、压力、流量、油温，并将数据发送给中央处理器；
15、所述发动机监控单元，用于监控发动机的进气量、进气压力、油门大小、曲轴转速、爆震情况、水温、蓄电池电量，并将数据发送给中央处理器，便于中央处理器进行发动机综合控制；
16、所述中央处理器，用于根据驱动齿轮的水平旋转角度值除以回转滚盘的齿圈与驱动齿轮之间的减速比，再加上上部转台纵轴线的坐标方位角得到下部行走机构纵轴线的坐标方位角。
17、所述定位导航系统包括定位导航单元和铝杆，所述定位导航单元包括rtk移动站接收机、ahrs模块、360度棱镜、自动全站仪，所述铝杆的内部空心且下端安装于挖掘机的回转滚盘旋转中心的正上方，所述铝杆的外侧开设有安装孔，所述ahrs模块安装于所述铝杆内且相对于所述安装孔布置，所述rtk移动站接收机螺纹连接于所述铝杆的上端，所述360度棱镜螺纹安装于所述rtk移动站接收机的上侧，所述自动全站仪安装于地面上且相对于所述360度棱镜布置，所述rtk移动站接收机、ahrs模块、360度棱镜的中心在垂直方向均与回转滚盘的旋转中心重合，所述rtk移动站接收机、ahrs模块的一端均连接有传输线，所述传输线位于所述铝杆内，所述传输线的一端穿过所述铝杆的下端后与中央处理器相连接；
18、所述rtk移动站接收机，用于通过卫星差分定位获取挖掘机回转滚盘旋转中心的实时空间坐标；
19、所述ahrs模块，用于通过调用其内部的多轴姿态传感器测量的数据解算挖掘机回转滚盘旋转中心的实时空间坐标；
20、所述自动全站仪，用于对360度棱镜进行跟踪测量来获取挖掘机回转滚盘旋转中心的实时空间坐标；
21、所述中央处理器，用于根据定位导航单元与回转滚盘的旋转中心之间固定的高差值，计算挖掘机回转滚盘旋转中心的三维空间坐标值，并以此值作为挖掘机上部转台工作装置和下部行走机构上推土铲各运动节点三维坐标推算的基础。
22、所述角位移传感器的上端安装有u型架，所述u型架安装于挖掘机上部转台底钢板的下方，挖掘机的驱动齿轮位于u型架内，回转马达的输出轴连接有柔性联轴器，所述柔性联轴器的一端穿过所述u型架后与角位移传感器相连接，多个所述3轴倾角传感器均通本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种方向线法挖掘机空间位置解析和自动化控制系统，其特征在于：包括定位导航系统(3)、中央处理器(2)、数据无线传输系统(4)、液压数字控制系统(5)、雷达侦测系统(6)、称重系统(7)、360影像采集系统(8)以及数据采集系统(9)，所述中央处理器(2)安装于挖掘机(1)的驾驶室(11)内，所述定位导航系统(3)安装于挖掘机(1)的回转滚盘(16)的旋转中心的正上方，所述数据采集系统(9)中的角位移传感器(91)安装于挖掘机(1)的回转马达(17)的驱动齿轮(18)轴上，所述数据采集系统(9)中的3轴倾角传感器(92)分别安装于挖掘机(1)的动臂(12)、斗杆(13)、铲斗(14)、推土铲(15)的相邻运动节点的中心连线上，所述数据无线传输系统(4)安装于驾驶室(11)的外侧顶部，所述雷达侦测系统(6)安装在挖掘机(1)四周以及斗杆(13)的前端，所述液压数字控制系统(5)安装于挖掘机(1)上，所述360影像采集系统(8)安装于驾驶室(11)的顶部，所述称重系统(7)安装于挖掘机(1)的动臂(12)的下方，所述定位导航系统(3)、数据采集系统(9)、数据无线传输系统(4)、液
2.根据权利要求1所述的一种方向线法挖掘机空间位置解析和自动化控制系统，其特征在于：所述数据采集系统(9)包括角位移传感器(91)、多个3轴倾角传感器(92)、液压系统监控单元(93)、发动机监控单元(94)，所述角位移传感器(91)通过柔性联轴器(35)同轴连接于挖掘机(1)的回转马达(17)输出轴上，多个所述3轴倾角传感器(92)分别安装于挖掘机(1)的动臂(12)的两个铰接点的连线上或与连线平行的位置、挖掘机(1)的斗杆(13)的两个铰接点的连线上或与连线平行的位置、挖掘机(1)的铲斗(14)的铰接点与齿尖的连线上或与连线平行的位置、推土铲(15)的铰接点与铲口的连线上或与连线平行的位置，所述角位移传感器(91)、多个3轴倾角传感器(92)、液压系统监控单元(93)、发动机监控单元(94)分别与中央处理器(2)相连接；
3.根据权利要求1所述的一种方向线法挖掘机空间位置解析和自动化控制系统，其特征在于：所述定位导航系统(3)包括定位导航单元(31)和铝杆(32)，所述定位导航单元(31)包括RTK移动站接收机(311)、AHRS模块(312)、360度棱镜(313)、自动全站仪，所述铝杆(32)的内部空心且下端安装于挖掘机(1)的回转滚盘(16)旋转中心的正上方，所述铝杆(32)的外侧开设有安装孔(33)，所述AHRS模块(312)安装于所述铝杆(32)内且相对于所述安装孔(33)布置，所述RTK移动站接收机(311)螺纹连接于所述铝杆(32)的上端，所述360度棱镜(313)螺纹安装于所述RTK移动站接收机(311)的上侧，所述自动全站仪安装于地面上且相对于所述360度棱镜(313)布置，所述RTK移动站接收机(311)、AHRS模块(312)、360度棱镜(313)的中心在垂直方向均与回转滚盘(16)的旋转中心重合，所述RTK移动站接收机(311)、AHRS模块(312)的一端均连接有传输线，所述传输线位于所述铝杆(32)内，所述传输线的一端穿过所述铝杆(32)的下端后与中央处理器(2)相连接；
4.根据权利要求2所述的一种方向线法挖掘机空间位置解析和自动化控制系统，其特征在于：所述角位移传感器(91)的上端安装有U型架(34)，所述U型架(34)安装于挖掘机(1)上部转台底钢板的下方，挖掘机(1)的驱动齿轮(18)位于U型架(34)内，回转马达(17)的输出轴连接有柔性联轴器(35)，所述柔性联轴器(35)的一端穿过所述U型架(34)后与角位移传感器(91)相连接，多个所述3轴倾角传感器(92)均通过角铝(36)安装于挖掘机(1)的动臂(12)、斗杆(13)、铲斗(14)、推土铲(15)上，位于铲斗(14)处和推土铲(15)处的3轴倾角传感器(92)的上侧反向安装有防撞角铝支架(37)。
5.根据权利要求1所述的一种方向线法挖掘机空间位置解析和自动化控制系统，其特征在于：所述360影像采集系统(8)包括3D工业扫描相机(81)、安装座(82)、电机(85)、三色警示灯(88)、支撑柱(89)以及全景摄像头(810)，所述支撑柱(89)、三色警示灯(88)均安装于驾驶室(11)的顶部，所述全景摄像头(810)安装于支撑柱(89)的上端，所述安装座(82)、电机(85)分别安装于挖掘机(1)的动臂(12)上，所述安装座(82)的中心处转动连接有转动轴(83)，所述转动轴(83)的...
【技术特征摘要】
1.一种方向线法挖掘机空间位置解析和自动化控制系统，其特征在于：包括定位导航系统(3)、中央处理器(2)、数据无线传输系统(4)、液压数字控制系统(5)、雷达侦测系统(6)、称重系统(7)、360影像采集系统(8)以及数据采集系统(9)，所述中央处理器(2)安装于挖掘机(1)的驾驶室(11)内，所述定位导航系统(3)安装于挖掘机(1)的回转滚盘(16)的旋转中心的正上方，所述数据采集系统(9)中的角位移传感器(91)安装于挖掘机(1)的回转马达(17)的驱动齿轮(18)轴上，所述数据采集系统(9)中的3轴倾角传感器(92)分别安装于挖掘机(1)的动臂(12)、斗杆(13)、铲斗(14)、推土铲(15)的相邻运动节点的中心连线上，所述数据无线传输系统(4)安装于驾驶室(11)的外侧顶部，所述雷达侦测系统(6)安装在挖掘机(1)四周以及斗杆(13)的前端，所述液压数字控制系统(5)安装于挖掘机(1)上，所述360影像采集系统(8)安装于驾驶室(11)的顶部，所述称重系统(7)安装于挖掘机(1)的动臂(12)的下方，所述定位导航系统(3)、数据采集系统(9)、数据无线传输系统(4)、液压数字控制系统(5)、雷达侦测系统(6)、称重系统(7)以及360影像采集系统(8)均与中央处理器(2)相连接；
2.根据权利要求1所述的一种方向线法挖掘机空间位置解析和自动化控制系统，其特征在于：所述数据采集系统(9)包括角位移传感器(91)、多个3轴倾角传感器(92)、液压系统监控单元(93)、发动机监控单元(94)，所述角位移传感器(91)通过柔性联轴器(35)同轴连接于挖掘机(1)的回转马达(17)输出轴上，多个所述3轴倾角传感器(92)分别安装于挖掘机(1)的动臂(12)的两个铰接点的连线上或与连线平行的位置、挖掘机(1)的斗杆(13)的两个铰接点的连线上或与连线平行的位置、挖掘机(1)的铲斗(14)的铰接点与齿尖的连线上或与连线平行的位置、推土铲(15)的铰接点与铲口的连线上或与连线平行的位置，所述角位移传感器(91)、多个3轴倾角传感器(92)、液压系统监控单元(93)、发动机监控单元(94)分别与中央处理器(2)相连接；
3.根据权利要求1所述的一种方向线法挖掘机空间位置解析和自动化控制系统，其特征在于：所述定位导航系统(3)包括定位导航单元(31)和铝杆(32)，所述定位导航单元(31)包括rtk移动站接收机(311)、ahrs模块(312)、360度棱镜(313)、自动全站仪，所述铝杆(32)的内部空心且下端安装于挖掘机(1)的回转滚盘(16)旋转中心的正上方，所述铝杆(32)的外侧开设有安装孔(33)，所述ahrs模块(312)安装于所述铝杆(32)内且相对于所述安装孔(33)布置，所述rtk移动站接收机(311)螺纹连接于所述铝杆(32)的上端，所述360度棱镜(313)螺纹安装于所述rtk移动站接收机(311)的上侧，所述自动全站仪安装于地面上且相对于所述360度棱镜(313)布置，所述rtk移动站接收机(311)、ahrs模块(312)、360度棱镜(313)的中心在垂直方向均与回转滚盘(16)的旋转中心重合，所述rtk移动站接收机(311)、ahrs模块(312)的一端均连接有传输线，所述传输线位于所述铝杆(32)内，所述传输线的一端穿过所述铝杆(32)的...
【专利技术属性】
技术研发人员：王翔，王永太，董飞，左小伟，王正一，余高银，周子楠，王佳仪，陈仕猛，袁攀峰，吴凡，付天善，唐晨霖，王勇，
申请(专利权)人：中铁十一局集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
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