CN109440854A - 一种计算斗尖与大臂轴心位置关系的方法 - Google Patents

一种计算斗尖与大臂轴心位置关系的方法 Download PDF

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杨红
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毛凌
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    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/20—Drives; Control devices
    • E02F9/2025—Particular purposes of control systems not otherwise provided for
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Abstract

本发明提供了一种计算斗尖与大臂轴心位置关系的方法，包括以下步骤：步骤(1)：依据倾角传感器和校准参数，计算出精确的挖机姿态数据；步骤(2)：依据大臂、小臂、摇杆的姿态数据以及机械模型计算斗尖和大臂轴心的相对位置关系，本发明方法使用高精度倾角传感器技术，以及相应的机械模型和坐标转换算法，可以获取实时的挖机斗尖坐标以及挖机实时姿态信息。

Description

一种计算斗尖与大臂轴心位置关系的方法
技术领域
本发明涉及北斗数字化施工领域，具体涉及到一种计算斗尖与大臂轴心位置关系的方法。
背景技术
近年来，国家的基础设计建设发展迅速，国内施工领域对施工质量、精度要求越来越高，同时国家提倡节能环保，这对传统施工领域提出了新挑战。
目前，国内使用挖掘机进行精细施工时，一般要求至少一名测量员和挖机操作手进行联合作业，如果进行高精度的试车场高环作业时，甚至可达到3～4名测量员和一位挖机操作手联合作业。同时传统作业方式具有以下不足：
施工效率低，挖掘施工和测量员施工检核不可同步进行。
施工检核的样本比较少，不能够覆盖整个作业过程。
实时性不够，测量员在检核时，会打断施工进程，不能够实时的进行作业质量检核。
不能够24小时作业，在夜晚时，如果照明条件不足，无法进行施工检核，同时挖机操作手在夜晚也不能够清晰的看清作业面。
具有施工安全隐患，挖机操作手误操作时，可能会伤害到挖机附近的测量员。
传统的河道施工，由于河面下环境的可观测性不高，或者观测难度较高，因此无法对河道施工质量进行有效的把控。
发明内容
为了解决上述不足的缺陷，本发明提供了一种计算斗尖与大臂轴心位置关系的方法，本发明提供了使用高精度倾角传感器技术，以及相应的机械模型和坐标转换算法，可以获取实时的挖机斗尖坐标以及挖机实时姿态信息。
本发明提供了一种计算斗尖与大臂轴心位置关系的方法，包括以下步骤：
步骤(1)：依据倾角传感器和校准参数，计算出精确的挖机姿态数据；
步骤(2)：依据大臂、小臂、摇杆的姿态数据以及机械模型计算斗尖和大臂轴心的相对位置关系。
上述的方法，其中，车体跟大臂的夹角计算通过安装在车体上的传感器和装在大臂上的传感器，计算两者之间的夹角，假设都是传感器的X轴代表其方向，如果车体的X轴小于大臂X轴的值，那么夹角为正，否则夹角为负。
上述的方法，其中，所述大臂和小臂的夹角，通过安装在大臂的传感器和装在小臂上的传感器，计算两者之间的夹角，假设都是传感器的X轴代表其方向，如果小臂的X轴大于大臂X轴的值，那么夹角为正，否则夹角为负,实践中夹角永远为负。
上述的方法，其中，依据安装在大臂上的大臂倾角传感器以及大臂传感器校准算法，可以获得大臂的实时俯仰角。
上述的方法，其中，依据安装在小臂上的小臂倾角传感器以及小臂传感器校准算法，可以获得大臂的实时俯仰角。
本发明提供了一种计算斗尖与大臂轴心位置关系的方法具有以下有益效果：1、本发明方法使用高精度倾角传感器技术，以及相应的机械模型和坐标转换算法，可以获取实时的挖机斗尖坐标以及挖机实时姿态信息。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1-图4分别为本发明中涉及的角度计算示意图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
参照图1-图4所示，本发明提供的一种计算斗尖与大臂轴心位置关系的方法，提供了一种实时确定斗尖与大臂轴心相对位置关系的方法。该方法依赖车载高精度倾角传感器以及挖机模型，依据挖机车体坐标***模型，利用倾角传感器数据，可得出斗尖与大臂轴心的相对位置关系。利用该方法，同时结合设计数据算法和相应的软件，可以实时的提醒用户如何进行施工，从而可以加快施工进度，提高施工质量，降低施工成本，防范施工事故发生。
本发明通过依据安装在大臂(动臂)上的大臂倾角传感器以及大臂传感器校准算法，可以获得大臂的实时俯仰角，依据安装在小臂(斗杆)上的小臂倾角传感器以及小臂传感器校准算法，可以获得大臂的实时俯仰角，依据安装在连杆上的斗杆倾角传感器以及斗杆传感器校准算法，可以获得斗杆的实时俯仰角，依据该方法能够确定铲斗的张角，并使得用户能够进行铲斗张角检核。
本发明包括以下步骤：步骤(1)：依据倾角传感器和校准参数，计算出精确的挖机姿态数据；步骤(2)：依据大臂、小臂、摇杆的姿态数据以及机械模型计算斗尖和大臂轴心的相对位置关系，该方法能够确定车体的实时俯仰角、翻滚角，能够确定动臂、斗杆、连杆的实时俯仰角，能够确定铲斗的俯仰角(铲斗和连杆链接点和铲斗斗尖中点连线的俯仰角)。本发明方法使用高精度定位技术、定向技术以及高精度倾角传感器技术。利用上述技术以及相应的机械模型和坐标转换算法，可以获取实时的挖机斗尖坐标以及挖机实时姿态信息。本发明的方法解决了挖掘机机姿态实时确定的问题；解决了挖掘机斗尖和大臂轴心实时位置关系的问题；采用高精度、高实时性倾角传感器，从而确认挖掘机大臂、小臂、摇杆的实时俯仰角以及车体的翻滚角和俯仰角，本发明的倾角传感器和车载控制器使用can总线通信：实现对挖掘机主要设备状态进行实时显示功能；实现对挖掘机在运行过程中设备出现的当前故障信息进行实时显示。
本发明通过安装在车体上的传感器，可以确定车体各个部件的实时姿态。具体为：车体传感器：确定挖掘机车体的纵向和横向的倾斜角度，以及旋转角。大臂传感器：确定大臂的纵向倾斜角度。小臂传感器：确定小臂的纵向倾斜角度。摇杆传感器：确定摇杆的纵向倾斜角度。
具体的计算过程为：
通过动臂、斗杆、铲斗的相关尺寸a、b、c，以及车体、动臂、斗杆、摇杆的角度值，利用相应的数学模型可以计算出斗尖的坐标；
令大臂和车体连接点为原点o，斗尖中心距离o的水平距离为L，垂直距离为H,则：
L＝a×sin(α)+b×sin(β)+c×sin(γ)L＝a×sin(α)+b×sin(β)+c×sin(γ)
H＝a×cos(α)+b×cos(β)+c×cos(γ)
参照图1-图4所示，车体(方向为车体从车后往车前方向)跟大臂(方向为大臂到小臂方向)的夹角计算。通过安装在车体上的传感器和装在大臂上的传感器，计算两者之间的夹角，假设都是传感器的X轴代表其方向，如果车体的X轴小于大臂X轴的值，那么夹角为正，否则夹角为负。(如图1中的α)
大臂(方向为大臂到小臂的方向)和小臂(方向为小臂到铲斗的方向)的夹角。通过安装在大臂的传感器和装在小臂上的传感器，计算两者之间的夹角，假设都是传感器的X轴代表其方向，如果小臂的X轴大于大臂X轴的值，那么夹角为正，否则夹角为负,实践中夹角永远为负。(如图1中的β)
小臂(方向为小臂向铲斗方向)和挖斗夹角(方向为铲斗销到斗尖齿方向)。(如图1中的γ)
挖斗齿在局部坐标系中的坐标
从图1中可得：
长度定义：
大臂长度：s1；
小臂长度：s2，即图2中线段DE；
铲斗长度：s3,即图2中线段DF；
x＝s1*cos(α)+s2*cos(α+β)+s3*cos(α+β+γ)
y＝0
z＝s1*sin(α)+s2*sin(α+β)+s3*sin(α+β+γ)
γ角的计算，如图2：
∠c：即∠BAD，
∠b：即∠CDF，
∠m：即∠ADE，
∠n1：即∠BDC，
∠n2：即∠ADB，
∠n：即∠ADC
长度定义：
l1、l2、l3、l4的定义如图2中所示；
l1:线段AB，即狗骨头长度，dogBoneLength；
l2:线段BC；
l3:线段CD；
l4:线段AD；
l5:线段AE，假小臂长度FakeStickLength,如图2所示；
l6:线段BD，计算过程中的中间值。
m角的计算
铲斗相关的传感器安装在图2中狗骨头上，x轴方向为由A指向B。可知两传感器测得角度差为k(狗骨头传感器-小臂传感器)。
由三角形余弦定理得
从而可求得∠m。
b角的计算，由图3可获取
其中LDF即铲斗长度。
角c的计算，参照图2所示，已知角度m，从而求得c，c＝m+k。
角n的计算
下面将计算∠n，∠n＝∠n1+∠n2：
∵
所以利用上式，分别求得n1和n2，从而获取n＝n1+n2。
角γ的计算
由图2可知
∠m+∠n+∠b+∠EDF＝360°
∠γ+∠EDF＝180°
∴∠γ＝180°-∠EDF
∠γ＝180°-[360°-(∠m+∠n+∠b)]
∠γ＝∠m+∠n+∠b–180°
如果符号为正，说明铲斗在小臂下方；符号为负，说明铲斗在小臂上方。
本发明的方法依赖车载高精度倾角传感器以及挖机模型，依据挖机车体坐标***模型，利用倾角传感器数据，可得出斗尖与大臂轴心的相对位置关系。利用该方法，同时结合设计数据算法和相应的软件，可以实时的提醒用户如何进行施工，从而可以加快施工进度，提高施工质量，降低施工成本，防范施工事故发生；能够确定车体的实时俯仰角、翻滚角，以及能够确定动臂、斗杆、连杆的实时俯仰角，能够确定铲斗的俯仰角(铲斗和连杆链接点和铲斗斗尖中点连线的俯仰角)。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种计算斗尖与大臂轴心位置关系的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)：依据倾角传感器和校准参数，计算出精确的挖机姿态数据；
步骤(2)：依据大臂、小臂、摇杆的姿态数据以及机械模型计算斗尖和大臂轴心的相对位置关系。
2.如权利要求1所述的一种计算斗尖与大臂轴心位置关系的方法，其特征在于，车体跟大臂的夹角计算通过安装在车体上的传感器和装在大臂上的传感器，计算两者之间的夹角，假设都是传感器的X轴代表其方向，如果车体的X轴小于大臂X轴的值，那么夹角为正，否则夹角为负。
3.如权利要求1所述的一种计算斗尖与大臂轴心位置关系的方法，其特征在于，所述大臂和小臂的夹角，通过安装在大臂的传感器和装在小臂上的传感器，计算两者之间的夹角，假设都是传感器的X轴代表其方向，如果小臂的X轴大于大臂X轴的值，那么夹角为正，否则夹角为负,实践中夹角永远为负。
4.如权利要求3所述的一种计算斗尖与大臂轴心位置关系的方法，其特征在于，依据安装在大臂上的大臂倾角传感器以及大臂传感器校准算法，可以获得大臂的实时俯仰角。
5.如权利要求4所述的一种计算斗尖与大臂轴心位置关系的方法，其特征在于，依据安装在小臂上的小臂倾角传感器以及小臂传感器校准算法，可以获得大臂的实时俯仰角。
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