CN102853824B - 定位机械臂上位置点的定位系统及工程机械设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种定位机械臂上位置点的定位系统及工程机械设备。其中，所述定位系统包括：用于设置在机械臂的待定位的位置处的待定位节点模块；分别用于基于与所述待定位节点模块的通信相关信息来确定各自与所述待定位节点模块间的距离的至少三个参考节点模块；以及处理模块，其与每一个参考节点模块相连接，用于基于每一参考节点模块所确定的各自与所述待定位节点模块间的距离、及每一个参考节点模块自身所在位置信息来确定所述待定位节点模块所在位置的位置信息。相对于现有技术，本法简单且定位精度高。

Description

定位机械臂上位置点的定位系统及工程机械设备

技术领域

本发明涉及机械领域，特别涉及一种定位机械臂上位置点的定位系统。

背景技术

随着城市化的发展，大型机械设备正在诸多现代建设中发挥重要作用，尤其是泵车。目前，对泵车的机械臂进行定位的方式通常都是采用倾角传感器，例如，如图1所示，在泵车的机械臂的每一个关节点处均设置一个倾角传感器，即在关节点a1、a2、a3、a4及a5分别设置有倾角传感器，处理器再将各倾角传感器所感测的角度经过三角变换来确定各个关节点的位置坐标，其中，倾角传感器以水平地面为参考线。

然而，基于倾角传感器来进行机械臂的定位的方法极为繁复，因为每一个关节点的位置坐标需要根据其前自身之前的每一个关节点处的倾角传感器所感测的角度来进行计算，例如，关节点a2的位置坐标需要根据关节点a2之前的关节点a1所感测的角度来进行计算，关节点a3的位置坐标需要根据关节点a3之前的关节点a1及a2各自所感测的角度来进行计算，...，由此可见，如果机械臂的关节点过多，则计算最后一个关节点位置坐标时，计算尤为繁复，不仅如此，计算还会产生累计误差，如此就会导致最后一个关节点的位置坐标的误差最大；再则，受限于倾角传感器的精度、以及当机械臂的臂架发生弯曲及震动时，其位移与方向的不连续变化，都会导致感测的角度信息存有误差；还有，由于每一个倾角传感器所感测的角度均送入核心控制器后进行处理，不仅算法复杂、且需要不断更新才能得到各关节点的实时位置信息，显然，核心控制器的运算负担极为繁重。

由于现有基于倾角传感器来进行机械臂的定位方式过于复杂，已难以满足现代工程机械智能化和安全化的要求，故，需要一种更为新型的机械臂定位方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单且精度高的定位机械臂上位置点的定位系统。

本发明的另一目的在于提供一种定位简单的工程机械设备。

为了达到上述目的及其他目的，本发明提供的定位机械臂上位置点的定位系统，包括：

待定位节点模块，用于设置在机械臂的待定位的位置处；

至少三个参考节点模块，分别用于基于与所述待定位节点模块的通信相关信息来确定各自与所述待定位节点模块间的距离；以及

处理模块，与每一个参考节点模块相连接，用于基于每一参考节点模块所确定的各自与所述待定位节点模块间的距离、及每一个参考节点模块自身所在位置信息来确定所述待定位节点模块所在位置的位置信息。

优选地，所述处理模块与一个参考节点模块为同一模块。

此外，本发明提供的工程机械设备，包括：包含机械臂的设备本体；以及前述的定位机械臂上位置点的定位系统，其中，所述节点定位系统中所述的机械臂为所述设备本体包含的机械臂。

综上所述，本发明的定位机械臂上位置点的定位系统直接基于参考节点模块所提供的各自与待定位节点模块间的距离信息来确定待定位节点模块的位置，相对于现有机械臂上的位置点的定位方式，本法简单且精度高。

附图说明

图1为一机械臂的示意图。

图2为本发明的定位机械臂上位置点的定位系统示意图。

图3为本发明的定位机械臂上位置点的定位系统包含的参考节点模块的优选示意图。

图4为本发明的定位机械臂上位置点的定位系统包含的处理模块的定位示意图。

图5为本发明的定位机械臂上位置点的定位系统包含的处理模块的优选示意图。

具体实施方式

图2示出了本发明的定位机械臂上位置点的定位系统示意图。所述定位机械臂上位置点的定位系统1至少包括：待定位节点模块11、至少三个参考节点模块12、以及处理模块13。

所述待定位节点模块11设置在机械臂的待定位的位置处，用于收发信息。

其中，所述机械臂包括任何一种能伸缩和/或转动的机械臂，优选地，包括但不限于：泵车的机械臂等。

例如，如图1所示，在泵车的机械臂的关节点a1、a2、a3、a4及a5分别设置一个待定位节点模块11。

需要说明的是，本领域技术人员应该理解，待定位节点模块可以设置在机械臂上的任意位置，而非仅限于机械臂的关节点。

优选地，所述待定位节点模块11可采用诸如蓝牙、zigbee、超宽带等射频技术的第一无线通信单元及与所述第一无线通信单元连接的诸如中央处理器、微处理、数字信号处理器等第一处理器单元来实现；其中，第一处理器单元根据所述第一无线通信单元接收的信息来形成相应的回复信息以便所述第一无线通信单元发送。

所述至少三个参考节点模块12分别用于基于与所述待定位节点模块11的通信相关信息来确定各自与所述待定位节点模块间的距离。

其中，所述通信相关信息包括能用于确定距离的信息，优选地，包括但不限于：通信时间等。

其中，每一个参考节点模块12设置在不会随机械臂的运动而移动的位置处，例如，设置在机械臂所处环境中且临近机械臂的固定位置；又例如，设置在泵车的机械臂之外的车身中等等。

具体地，参考节点模块12向待定位节点模块11发送测距请求号S（t），所述待定位节点模块11接收到该测距请求信号S（t）后，反馈回一个测距响应信号h(t)来确认已收到测距请求，由此，参考节点模块12基于接收到的测距响应信号h(t)、发送距请求号S（t）的发送时间、接收测距响应信号h(t)的接收时间来确定自身与待定位节点模块11之间的距离。

以下将对一种优选的测距原理予以简单描述：

通常，若发送信息的一方发送信号s（t），则接收信号的一方接收的信号为：

r(t)=h(t)*s(t)+n(t)，其中，h(t)是信道冲激响应，n(t)是热噪声；

而若发送信息的一方与接收信号的一方之间的通信信道为超宽带无线电多径信道，即该超宽带无线电多径信道的信道冲激响应为：

h(t)=A(D)δ(t-τ(D))

进而，接收信号的一方接收的信号为：

r(t)=A(D)s(t-τ(D))+n(t)

由上式可见：发送信息的一方与接收信号的一方之间的距离D可根据信号A(D)或时延信号τ(D)来进行估计，优选地，可采用接收信号强度(RSSl，Received Signal Strength Indicator)法来进行估计或采用到达时间(TOA，Time of Arrival)来进行估计等。

基于上述描述，本领域技术人员应该理解参考节点模块12基于与所述待定位节点模块的通信相关信息来确定各自与所述待定位节点模块间的距离的方式，故在此不再详述。

优选地，每一参考节点模块12可采用诸如蓝牙、射频、超宽带等第二无线通信单元及与所述第二无线通信单元连接的诸如中央处理器、微处理、数字信号处理器等第二处理器单元来实现；更为优选地，参考节点模块12通过平面椭圆极性天线来与所述待定位节点模块11通信。

例如，如图3所示，其为参考节点模块12的优选结构示意图。MCU单片机作为主控单元，用于控制其他各个单元以便各单元间能协调工作；FPGA单元为整个系统提供时钟信号，并生成待发送的基带信号后，经MCU单片机送入UWB单元处理成射频信号后，再由UWB天线予以发射给待定位节点模块11；当所述UWB天线接收到来自待定位节点模块11的反馈信号后，由所述UWB单元处理为基带信号后，再经由MCU单片机送入FPGA单元进行距离估计，以确定自身所属的参考节点模块12与待定位节点模块11间的距离，并由MCU单片机将该距离写入存储单元，同时通过CAN接口单元传输给处理模块13。此外，电源模块为系统提供5.75-30V之间的电压。优选地，UWB天线形状可为平面椭圆极性且具有标准SMA接口，以便完成UWB信号的接收与发射。

优选地，前述带定位节点模块11也可采用与参考节点模块12相同的结构。

所述处理模块13与每一个参考节点模块12相连接，用于基于每一参考节点模块12所确定的各自与所述待定位节点模块11间的距离、及每一个参考节点模块12自身所在位置信息来确定所述待定位节点模块11所在位置的位置信息。

优选地，所述处理模块13通过CAN总线来与参考节点模块12相连接。

具体地，所述处理模块13采用球面定位或双曲线定位等方式来确定待定位节点模块11所在位置的位置信息。

例如，如图4所示，点N1、N2、N3表示参考节点模块12的位置，其坐标分别为（X₁，Y₁）、(X₂,Y₂)、(X₃，Y₃)，若各参考节点模块12各自所确定的自身与待定位节点模块11之间的距离分别为D_1i、D_2i、D_3i，则分别以点N1、N2、N3为焦点、以距离差D_2i-D_1i和D_3i-D_2i为焦半径的两个双曲线的交点Ni即为待定位节点模块11的位置，由此，交点Ni的(坐标X_i,Y_i)基于下述方程组来确定：

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(X_2-X_i)}^2+{(Y_2-Y_i)}^2}-\sqrt{{(X_1-X_i)}^2+{(Y_1-Y_i)}^2}=\sqrt{D_{2i}-D_{1i}}\\ \sqrt{{(X_3-X_i)}^2+{(Y_3-Y_i)}^2}-\sqrt{{(X_2-X_i)}^2+{(Y_2-Y_i)}^2}=\sqrt{D_{3i}-D_{2i}}\end{array}\right..$

优选地，所述处理模块13可采用诸如中央处理器、微处理、数字信号处理器等第三处理器单元来实现。

更为优选地，所述处理模块13与一个参考节点模块12各自的功能由同一个模块来实现。

例如，如图5所示，其为即作为参考节点模块又作为处理模块13的模块的优选结构示意图。其中，ARM微处理器用于控制其他各个单元协调工作，FPGA单元为整个系统提供时钟信号，并生成待发送的基带信号后，送入UWB单元处理成射频信号后，再由UWB天线予以发射给待定位节点模块11；当所述UWB天线接收到来自待定位节点模块11的反馈信号后，由所述UWB单元处理为基带信号后，再送入FPGA单元进行距离估计，以确定自身所属的模块与待定位节点模块11间的距离，并由ARM微处理器将该距离写入存储单元，ARM微处理器通过CAN接口单元接入的其他参考节点模块12所提供的距离信息来确定待定位节点模块11所在的位置信息，并将该位置信息保存到存储单元。此外，电源模块为系统提供5.75-30V之间的电压，以太网（Ethernet）通信接口、UART串口、USB接口均为数据传输接口，用于与外部设备连接。优选地，UWB天线形状可为平面椭圆极性且具有标准SMA接口，以便完成UWB信号的接收与发射。

综上所述，本发明的定位机械臂上位置点的定位系统直接基于待定位节点模块自身与各参考节点模块之间的距离来确定该待定位节点模块的位置，而不再如现有技术般需要依赖其他节点的角度信息来确定带定位的位置点的位置，故本法简单易施；而且，由于不需要依赖其他节点的角度信息，故也不存在如现有技术中的累计误差的问题，因此，相对于现有技术，本法定位精度高。

上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (7)

1.一种定位机械臂上位置点的定位系统，其特征在于包括：

待定位节点模块，用于设置在机械臂的待定位的位置处；

至少三个参考节点模块，分别用于基于与所述待定位节点模块的通信相关信息来确定各自与所述待定位节点模块间的距离；

处理模块，与每一个参考节点模块相连接，用于基于每一参考节点模块所确定的各自与所述待定位节点模块间的距离、及每一个参考节点模块自身所在位置信息来确定所述待定位节点模块所在位置的位置信息；

当参考节点模块包括3个时，所述处理模块采用以下公式来确定所述待定位节点模块所在位置的位置信息：

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(X_2-X_i)}^2+{(Y_2-Y_i)}^2}-\sqrt{{(X_1-X_i)}^2+{(Y_1-Y_i)}^2}=\sqrt{D_{2i}-D_{1i}}\\ \sqrt{{(X_3-X_i)}^2+{(Y_3-Y_i)}^2}-\sqrt{{(X_2-X_i)}^2+{(Y_2-Y_i)}^2}=\sqrt{D_{3i}-D_{2i}}\end{array}\right.,$

其中，(X1，Y1)、(X2,Y2)、(X3，Y3)分别为3个参考节点模块各自的位置信息；

D1i、D2i、D3i分别为3个参考节点模块与所述待定位节点模块间的距离；(Xi，Yi)为所述待定位节点模块所在位置的位置信息。

2.如权利要求1所述的定位机械臂上位置点的定位系统，其特征在于：所述处理模块包含一个参考节点模块的功能。

3.如权利要求1或2所述的定位机械臂上位置点的定位系统，其特征在于：所述处理模块通过总线与参考节点模块相连接。

4.如权利要求3所述的定位机械臂上位置点的定位系统，其特征在于：所述总线包括CAN总线。

5.如权利要求1所述的定位机械臂上位置点的定位系统，其特征在于：所述参考节点模块通过平面椭圆极性天线来与所述待定位节点模块通信。

6.如权利要求1所述的定位机械臂上位置点的定位系统，其特征在于：所述机械臂包括泵车的机械臂。

7.一种工程机械设备，其特征在于包括：包含机械臂的设备本体；以及权利要求1至6任一项所述的定位机械臂上位置点的定位系统，其中，所述定位系统中所述的机械臂为所述设备本体包含的机械臂。