CN103852059B - 反铲挖掘机的铲斗定位装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反铲挖掘机的铲斗定位装置及方法，其中，该铲斗定位装置包括：定位装置，用于接收挖掘机的转动机座在一定的大地参考框架下的空间位置；方向测量装置，用以测量该反铲挖掘机的转动机座的航向角、俯仰角以及横滚角的角度信息；铲斗位置测量装置，用于测量该反铲挖掘机的铲斗的空间位置信息；以及计算装置，根据该空间位置信息、该在一定的大地参考框架下的空间位置、该航向角、俯仰角以及横滚角的角度信息，计算该铲斗的经纬度和高程。综上所述，使用上述反铲挖掘机铲斗定位装置与计算方法，通过两种不同的作业流程实现反铲挖掘机的作业引导，本发明提供了主动引导的装置设备和方法，为反铲挖掘机操作员及作业管理单位提供较为准确的作业量测定，并能够计算作业区域状态、作业程度和填挖方量。
Description
技术领域
本发明涉及反铲挖掘机技术领域，尤其涉及一种反铲挖掘机的铲斗定位装置及方法。
背景技术
随着我国经济的快速发展，工程建设、矿产开采等均需要使用反铲挖掘机进行作业。在利用反铲挖掘机进行大范围作业时，常常缺少信息化管理手段及作用的引导装置，造成施工或开采速度慢、不能实现精确管理和定采。目前，公交车导航系统和智能交通系统较多，但缺少施工车辆，尤其是反铲挖掘机的引导装置和配套方法。目前，现有的一种反铲挖掘机定位系统，运用的技术方法是扇形激光测量，但仅仅能够应用于较为平坦的地表环境及一般的车辆定位导航服务，其应用于实际的崎岖工程作业地表对反铲挖掘机的作业引导控制来讲尚存在一定的缺陷，不能够精确的判定车辆状态及采挖作业面情况。
通过GPS装置（一般理解为GPS和GLONASS等卫星定位系统信号接收机）来进行的定位，很大程度上局限了反铲挖掘机的作业引导范围，尤其当作业位于山坳或森林中，GPS信号不足，这就对整体的定位精度产生影响，不可能准确定位。而通过扇形激光或者平面激光来计算挖掘深度的问题也是不完全精确的，这种方法中缺少对误差的考虑，即可以测出高差，但不能够确定是否为铲斗轨迹，仅能确定对应激光区域堆积矿体或地面高度。因此需要其他方式进行补充和改进。
发明内容
本发明一种反铲挖掘机的铲斗定位装置及方法，用以解决现有的反铲挖掘机的铲斗定位装置，定位不准确，仅仅能够应用于较为平坦的地表环境及一般的车辆定位导航服务的问题。
本发明公开了一种反铲挖掘机的铲斗定位装置，其中，该反铲挖掘机包括：行走底座；具有驾驶室的转动机座，设置在该行走底座上；动臂，其一端与该转动机座枢接；斗杆，其一端与该动臂的另一端枢接；铲斗，与该斗杆的另一端枢接；动臂液压缸，固定在该转动机座上，其活塞杆与该动臂枢接；斗杆液压缸，固定在该动臂上，其活塞杆与该斗杆枢接；以及铲斗液压缸，固定在该斗杆相对该铲斗的远端，其活塞杆分别与一摇杆以及一连杆枢接，该摇杆的另一端枢接在该斗杆相对该铲斗的近端，该连杆的另一端与该铲斗枢接；该铲斗定位装置包括：定位装置，用于接收挖掘机的转动机座在一定的大地参考框架下的空间位置；方向测量装置，用以测量该反铲挖掘机的转动机座的航向角、俯仰角以及横滚角的角度信息；铲斗位置测量装置，用于测量该反铲挖掘机的铲斗的空间位置信息；以及计算装置，根据该空间位置信息、该在一定的大地参考框架下的空间位置、该航向角、俯仰角以及横滚角的角度信息，计算该铲斗的经纬度和高程。
根据反铲挖掘机的铲斗定位装置的一实施例，其中，该空间位置信息还包括该铲斗液压缸的活塞杆的伸缩长度、速度以及加速度，该斗杆相对该动臂的转动角度、角速度以及角加速度，该动臂相对该转动机座的转动角速、角速度以及角加速度；该计算装置还根据该铲斗液压缸的活塞杆的伸缩长度、速度以及加速度，该斗杆相对该动臂的转动角度、角速度以及角加速度，该动臂相对该转动机座的转动角速、角速度以及角加速度，计算该铲斗的经纬度和高程随时间的变化。
根据反铲挖掘机的铲斗定位装置的一实施例，其中，该铲斗位置测量装置包括：液压测量装置，用于测量该铲斗液压缸的活塞杆的伸缩长度；第一姿态测量装置，用于测量该斗杆相对该动臂的转动角度；以及第二姿态测量装置，用于测量该动臂相对该转动机座的转动角度。
根据反铲挖掘机的铲斗定位装置的一实施例，其中，该液压测量装置还测量该铲斗液压缸的活塞杆的伸缩速度和加速度，该第一姿态测量装置还测量该斗杆相对该动臂的转动角速度以及角加速度，该第二姿态测量装置还测量该动臂相对该转动机座的转动角速度以及角加速度；该计算装置还根据该铲斗液压缸的活塞杆的伸缩长度、速度以及加速度，该斗杆相对该动臂的转动角度、角速度以及角加速度，该动臂相对该转动机座的转动角速、角速度以及角加速度，计算该铲斗的经纬度和高程随时间的变化。
根据反铲挖掘机的铲斗定位装置的一实施例，其中，该铲斗位置测量装置包括：第一液压测量装置，用于测量该铲斗液压缸的活塞杆的伸缩长度；第二液压测量装置，用于测量该斗杆液压缸的活塞杆的伸缩长度；以及第三液压测量装置，用于测量该动臂液压缸的活塞杆的伸缩长度；该计算装置根据该斗杆液压缸的活塞杆的伸缩长度以及该动臂液压缸的活塞杆的伸缩长度，计算该斗杆相对该动臂的转动角度以及该动臂相对该转动机座的转动角度。
根据反铲挖掘机的铲斗定位装置的一实施例，其中，第一液压测量装置还测量该铲斗液压缸的活塞杆的伸缩速度和加速度，第二液压测量装置还测量该斗杆液压缸的活塞杆的伸缩速度和加速度，第三液压测量装置还测量该动臂液压缸的活塞杆的伸缩速度和加速度；该计算装置根据该斗杆液压缸的活塞杆的伸缩速度和加速度以及该动臂液压缸的活塞杆的伸缩速度和加速度，计算该斗杆相对该动臂的转动角速度以及角加速度，该动臂相对该转动机座的转动角速度以及角加速度，进而计算该铲斗的经纬度和高程随时间的变化。
根据反铲挖掘机的铲斗定位装置的一实施例，其中，该计算装置计算该铲斗的经纬度和高程包括：
L为铲斗液压缸本体的长度，L0为铲斗液压缸的活塞杆伸缩的长度，L1为铲斗液压缸与斗杆的枢接端至斗杆液压缸与斗杆的连接端的连线长度，L2为斗杆液压缸与斗杆的枢接端至摇杆与斗杆的枢接端的连线长度，L3为摇杆与铲斗液压缸的枢接端至摇杆与斗杆枢接端的连线长度，L4为连杆与铲斗的枢接端至连杆与铲斗液压缸枢接端的连线长度，L5为铲斗与斗杆的枢接端至摇杆与斗杆枢接端的连线长度，L6为连杆与铲斗的枢接端至铲斗与斗杆的枢接端的连线长度，L7为铲斗液压缸与斗杆的枢接端至摇杆与斗杆的枢接端的连线长度，L''为摇杆与铲斗液压缸的枢接端至铲斗与斗杆的枢接端的连线长度，α1为L2的连线与L7的连线的夹角，α2为L7的连线与L3的连线的夹角，β1为L3的连线与L5的连线的夹角，β2为L''的连线与L5的连线的夹角，β3为L''的连线与L6的连线的夹角，α为L5的连线的延长线与L6的连线的夹角；根据公式（1）至（7）计算该α的值，根据该α的值、该斗杆相对该动臂的转动角度、该动臂相对该转动机座的转动角度、该在一定的大地参考框架下的空间位置、该航向角、俯仰角以及横滚角的角度信息，计算该铲斗的经纬度和高程。
根据反铲挖掘机的铲斗定位装置的一实施例，其中，该计算装置根据该动臂与该转动机座的枢接位置相对该定位装置的相对位置，以及该动臂与该转动机座的枢接位置相对该铲斗的相对位置，计算该铲斗与该在一定的大地参考框架下的空间位置之间的相对位置，进而计算该铲斗的经纬度和高程。
根据反铲挖掘机的铲斗定位装置的一实施例，其中，还包括：车载显示装置，安装在驾驶室内。
本发明还提供了一种反铲挖掘机的铲斗定位方法，其中，包括：测量该反铲挖掘机的转动机座的航向角、俯仰角以及横滚角的角度信息；测量该反铲挖掘机的铲斗的空间位置信息；根据该空间位置信息、接收的该挖掘机的转动机座在一定的大地参考框架下的空间位置、该航向角、俯仰角以及横滚角的角度信息，计算该铲斗的经纬度和高程。
根据反铲挖掘机的铲斗定位方法的一实施例，其中，测量该铲斗液压缸的活塞杆的伸缩长度、速度以及加速度，该斗杆相对该动臂的转动角度、角速度以及角加速度，该动臂相对该转动机座的转动角速、角速度以及角加速度；根据该铲斗液压缸的活塞杆的伸缩长度、速度以及加速度，该斗杆相对该动臂的转动角度、角速度以及角加速度，该动臂相对该转动机座的转动角速、角速度以及角加速度，计算该铲斗的经纬度和高程。
根据反铲挖掘机的铲斗定位方法的一实施例，其中，测量该铲斗液压缸的活塞杆的伸缩长度、伸缩速度和加速度，该斗杆液压缸的活塞杆的伸缩长度、伸缩速度和加速度，该动臂液压缸的活塞杆的伸缩长度、伸缩速度和加速度；根据该斗杆液压缸的伸缩速度和加速度以及该动臂液压缸的伸缩速度和加速度，计算该斗杆相对该动臂的转动角速度以及角加速度，该动臂相对该转动机座的转动角速度以及角加速度，进而计算该铲斗的经纬度和高程。
根据反铲挖掘机的铲斗定位方法的一实施例，其中，根据该空间位置信息、接收的该挖掘机的转动机座在一定的大地参考框架下的空间位置、该航向角、俯仰角以及横滚角的角度信息，计算该铲斗的经纬度和高程包括：
L为铲斗液压缸本体的长度，L0为铲斗液压缸的活塞杆伸缩的长度，L1为铲斗液压缸与斗杆的枢接端至斗杆液压缸与斗杆的连接端的连线长度，L2为斗杆液压缸与斗杆的枢接端至摇杆与斗杆的枢接端的连线长度，L3为摇杆与铲斗液压缸的枢接端至摇杆与斗杆枢接端的连线长度，L4为连杆与铲斗的枢接端至连杆与铲斗液压缸枢接端的连线长度，L5为铲斗与斗杆的枢接端至摇杆与斗杆枢接端的连线长度，L6为连杆与铲斗的枢接端至铲斗与斗杆的枢接端的连线长度，L7为铲斗液压缸与斗杆的枢接端至摇杆与斗杆的枢接端的连线长度，L''为摇杆与铲斗液压缸的枢接端至铲斗与斗杆的枢接端的连线长度，α1为L2的连线与L7的连线的夹角，α2为L7的连线与L3的连线的夹角，β1为L3的连线与L5的连线的夹角，β2为L''的连线与L5的连线的夹角，β3为L''的连线与L6的连线的夹角，α为L5的连线的延长线与L6的连线的夹角；根据公式（1）至（7）计算该α的值，根据该α的值、该斗杆相对该动臂的转动角度、该动臂相对该转动机座的转动角度、该在一定的大地参考框架下的空间位置、该航向角、俯仰角以及横滚角的角度信息，计算该铲斗的经纬度和高程。
根据反铲挖掘机的铲斗定位方法的一实施例，其中，根据该动臂与该转动机座的枢接位置相对该在一定的大地参考框架下的空间位置的相对位置，以及该动臂与该转动机座的枢接位置相对该铲斗的相对位置，计算该铲斗与该在一定的大地参考框架下的空间位置之间的相对位置，进而计算该铲斗的经纬度和高程。
综上所述，本发明基于几何数学及特有的姿态测定装置实现作业测量，并通过两种不同的作业流程实现反铲挖掘机的作业引导，提供主动引导的装置设备和方法，为反铲挖掘机操作员及作业管理单位提供较为准确的作业量测定，并能够计算作业区域状态、作业程度和填挖方量。且反铲挖掘机的铲斗定位装置安装便利，测量效果好、速度快，填补了施工作业中反铲挖掘机无法主动引导的缺陷。
附图说明
图1所示为反铲挖掘机铲臂部分的结构图；
图2所示为铲斗定位装置的一实施例的模块图；
图3为铲斗定位装置安装于反铲挖掘机的示意图；
图4所示为反铲挖掘机在一三维坐标系中的示意图；
图5所示为铲斗的位置平移示意图；
图6以及图7所示为铲斗的空间位置的示意图；
图8所示为铲斗定位装置的一实施例的模块图。
具体实施方式
图1所示为反铲挖掘机铲臂部分的结构图，如图1所示，反铲挖掘机包括，转动机座3，动臂2，斗杆11，铲斗5、动臂液压缸4，斗杆液压缸1，铲斗液压缸10、摇杆9以及连杆8。
参考图1，动臂2的一端与转动机座3枢接，动臂液压缸4固定在转动机座3上，动臂液压缸4的活塞杆与动臂2的中部枢接，以推动动臂2转动。斗杆11的一端与动臂2的另一端枢接，斗杆液压缸1固定在动臂2上，斗杆液压缸1的活塞杆与斗杆11枢接，以推动斗杆11相对动臂2转动。铲斗5与斗杆11的另一端枢接，铲斗液压缸10固定在斗杆11相对铲斗5的远端。铲斗液压缸10的活塞杆分别与摇杆9以及连杆8枢接，摇杆9的另一端枢接在斗杆11相对铲斗5的近端，连杆8的另一端与铲斗5枢接，以组成推动铲斗5相对斗杆11转动的反铲结构。
图2所示为铲斗定位装置的一实施例的模块图，参考图2，铲斗定位装置包括，定位装置22，方向测量装置15，姿态测量装置14，姿态测量装置16，液压测量装置21、计算装置23、无线通信天线17以及车载显示装置13。可选的车载显示装置13安装在驾驶室内，用于相关信息的显示。无线通信天线17用于反铲挖掘机与外部进行通信。定位装置22具有无线电定位天线12。
图3为铲斗定位装置安装于反铲挖掘机的示意图，参考图1、图2以及图3，铲斗定位装置在反铲挖掘机上的设置位置包括，转动机座3设置在行走底座6上。姿态测量装置14设置在动臂2靠近转动机座3的位置。姿态测量装置16设置在斗杆11靠近动臂2的位置。方向测量装置15设置在驾驶室内。无线通信天线设置在转动机座3上。无线电定位天线12设置在驾驶室的顶端，以用于接收挖掘机的转动机座在一定的大地参考框架下的空间位置，该一定的大地参考框架下的空间位置一般是根据接收到的位置信息的修正值，例如采用但不限于RTK方式快速解算。
下面简述铲斗定位装置的定位方式。图4所示为反铲挖掘机在一三维坐标系中的示意图，如图3以及图4所示，铲斗定位装置建立一个虚拟的三维坐标系XYZ，X和Z平面表示水平面，X和Y平面以及Y和Z平面分别表示两个相互垂直的立面。曲线A绕Y轴，表示转动机座3在X和Z平面相对转动的航向角；曲线B绕X轴，表示转动机座3在Y和Z平面相对转动的俯仰角；曲线C绕Z轴，表示转动机座3在X和Y平面相对转动的横滚角。方向测量装置15分别测量反铲挖掘机的转动机座的航向角、俯仰角以及横滚角的角度信息。如此，就确定了反铲挖据机的本体在三维空间中的转动角度。
图5所示为铲斗的位置平移示意图，如图1、图3和图5所示，一般情况下方向测量装置15安装在驾驶室内，驾驶室的轴面D同反铲挖掘机动臂2的中轴面G平行，可以通过平移重叠。由于动臂2与转动机座3的枢接端O2，无线电定位天线12的O1点之间的相对位置是固定的，如此，由于无线电定位天线12的O1点的空间坐标可以获取（即为GPS坐标），根据固定的空间关系可求出动臂2与转动机座3的枢接端O2的空间坐标。另外，平面E为反铲挖掘机的转动机座3的水平剖面，平面F为反铲挖掘机行走底座6的底面。作为整体考虑，平面E与平面F可以通过进一步的平移确定行走底座6的底面F与平面E之间各个点相对O1点的位置，也就是可以计算出铲斗5在各状态下相对O1点的位置。
图6以及图7所示为铲斗的空间位置的示意图，如图6以及图7所示，铲斗5的空间位置的计算公式包括：
其中，L为铲斗液压缸10本体的长度，L0为铲斗液压缸10的活塞杆伸缩的长度，L1为铲斗液压缸10与斗杆11的枢接端至斗杆液压缸1与斗杆11的连接端的连线长度，L2为斗杆液压缸1与斗杆11的枢接端至摇杆9与斗杆11的枢接端的连线长度，L3为摇杆9与铲斗液压缸10的枢接端至摇杆9与斗杆11枢接端的连线长度，L4为连杆8与铲斗5的枢接端至连杆8与铲斗液压缸10枢接端的连线长度，L5为铲斗5与斗杆11的枢接端至摇杆9与斗杆11枢接端的连线长度，L6为连杆8与铲斗5的枢接端至铲斗5与斗杆11的枢接端的连线长度，L7为铲斗液压缸10与斗杆11的枢接端至摇杆9与斗杆11的枢接端的连线长度，L''为摇杆9与铲斗液压缸10的枢接端至铲斗5与斗杆11的枢接端的连线长度。α1为L2的连线与L7的连线的夹角，α2为L7的连线与L3的连线的夹角，β1为L3的连线与L5的连线的夹角，β2为L''的连线与L5的连线的夹角，β3为L''的连线与L6的连线的夹角，α为L5的连线的延长线与L6的连线的夹角。且对于实际的铲斗而言，L、L1、L2、L3、L4、L5、L6以及L7的长度均为已知的，且L0可以经过测量得到。因此，就可以根据上述的公式（1）至（7）计算夹角α。同时由于，铲斗5至斗杆11与斗杆液压缸1的枢接端的连线P，与斗杆11与动臂2的枢接端的连线R之间的夹角，可代表上述斗杆11与动臂2的夹角，并可由姿态测量装置16测得。动臂2与转动机座3的枢接端至动臂液压缸4的活塞杆与动臂2的枢接端的连线Q，与水平线S的夹角，可代表上述动臂2与转动机座3的夹角。由于水平线S经过点O2，而点O2与定位装置22的O1点的相对位置是固定的，如此，就可以通过计算，得到铲斗5相对定位装置22的O1点的平移位置，并结合定位装置22接收的在一定的大地参考框架下的空间位置，铲斗5的GPS坐标信息，也就能够得到铲斗5的经纬度和高程的信息。
对于一种实施例，参考图1、图2、图3、图6以及图7所示，姿态测量装置14还测量动臂2相对转动机座3的转动角速度以及角加速度，姿态测量装置16还测量斗杆11相对动臂2的转动角速度以及角加速度，液压测量装置21还测量铲斗液压缸10的活塞杆伸缩的速度以及加速度。同时，姿态测量装置14、姿态测量装置16以及液压测量装置21分别将上述的速度以及加速度数据发送给计算装置23，计算装置23结合上述的加速度以及速度数据，推算铲斗5的经纬度和高程的变化信息。
上述事实例中各方向测量装置，姿态测量装置以及液压测量装置均是每隔一定时间，例如1秒进行采样。同时，计算装置23根据采样的数据，计算各个时刻，铲斗5的经纬度和高程的数据，并可以根据各个时刻，铲斗5的经纬度和高程的数据绘制铲斗5的运动轨迹。
对于一种实施例，参考图2以及图3，如在实际中不考虑动臂2的影响，可以进一步去掉动臂2上的姿态测量装置14，即本实施例是假设斗杆11与动臂2为统一的整体，那么O2点与斗杆11上姿态测量装置16之间的位置关系可以视为已知。而其它部分数值的计算可以参考上述的铲斗5的空间位置的计算方法。即本实施例在忽略动臂2的影响的情况下，可以去掉动臂2上的姿态测量装置14，计算铲斗5的经纬度和高程的信息。
图8所示为铲斗定位装置的一实施例的模块图，参考图8，参考图2、图3以及图8，铲斗定位装置还可以包含另外两液压测量装置24以及25，以分别替代图3中的姿态测量装置14以及姿态测量装置16。液压测量装置24用于测量动臂液压缸4的活塞杆的伸缩的长度，液压测量装置25用于测量斗杆液压缸1的活塞杆的伸缩的长度。由此，计算装置23即可通过动臂液压缸4的活塞杆伸缩的长度以及斗杆液压缸1的活塞杆的伸缩的长度，计算出动臂2与转动机座3之间的夹角，以及斗杆11与动臂2之间的夹角。进而参考上述的铲斗5的空间位置的计算方法，计算铲斗5的经纬度和高程的信息。也就是说，本实施例采用了两液压测量装置可以分别替代图3中的姿态测量装置14以及姿态测量装置16。
同时，更进一步的参考图2、图3以及图8，液压测量装置还可以用于测量动臂液压缸4的活塞杆伸缩的速度以及加速度，另一液压测量装置还可以用于测量斗杆液压缸1的活塞杆伸缩的速度以及加速度。同时，液压测量装置24、液压测量装置25以及液压测量装置21分别将上述的速度以及加速度数据发送给计算装置23，计算装置23计算出动臂2相对转动机座3的转动角速度以及角加速度，斗杆11相对动臂2的转动角速度以及角加速度，进而计算铲斗5的经纬度和高程的变化信息。推算铲斗5的经纬度和高程的变化信息。
参考图1至8，本发明还提供了一种反铲挖掘机的铲斗定位方法，包括：
测量该反铲挖掘机的转动机座的航向角、俯仰角以及横滚角的角度信息；
测量该反铲挖掘机的铲斗的空间位置信息；
根据该空间位置信息、接收的该挖掘机的转动机座在一定的大地参考框架下的空间位置、该航向角、俯仰角以及横滚角的角度信息，计算该铲斗的经纬度和高程。
对于反铲挖掘机的铲斗定位方法的一实施例，测量该反铲挖掘机的铲斗的空间位置信息包括：
测量该铲斗液压缸的活塞杆的伸缩长度、速度以及加速度，该斗杆相对该动臂的转动角度、角速度以及角加速度，该动臂相对该转动机座的转动角速、角速度以及角加速度；
对于本实施例，根据该空间位置信息、接收的该挖掘机的转动机座在一定的大地参考框架下的空间位置、该航向角、俯仰角以及横滚角的角度信息，计算该铲斗的经纬度和高程还包括：
根据该铲斗液压缸的活塞杆的伸缩长度、速度以及加速度，该斗杆相对该动臂的转动角度、角速度以及角加速度，该动臂相对该转动机座的转动角速、角速度以及角加速度，计算该铲斗的经纬度和高程随时间的变化。
对于反铲挖掘机的铲斗定位方法的一实施例，测量该反铲挖掘机的铲斗的空间位置信息包括：
测量该铲斗液压缸的活塞杆的伸缩长度、伸缩速度和加速度，该斗杆液压缸的活塞杆的伸缩长度、伸缩速度和加速度，该动臂液压缸的活塞杆的伸缩长度、伸缩速度和加速度；
对于本实施例，根据该空间位置信息、接收的该挖掘机的转动机座在一定的大地参考框架下的空间位置、该航向角、俯仰角以及横滚角的角度信息，计算该铲斗的经纬度和高程还包括：
根据该斗杆液压缸的伸缩速度和加速度以及该动臂液压缸的伸缩速度和加速度，计算该斗杆相对该动臂的转动角速度以及角加速度，该动臂相对该转动机座的转动角速度以及角加速度，进而计算该铲斗的经纬度和高程随时间的变化。
上述的根据该空间位置信息、接收的该挖掘机的转动机座在一定的大地参考框架下的空间位置、该航向角、俯仰角以及横滚角的角度信息，计算该铲斗的经纬度和高程的一个计算方法包括：
L为斗杆液压缸本体的长度，L0为斗杆液压缸的活塞杆伸缩的长度，L1为斗杆液压缸与斗杆的枢接端至斗杆液压缸与斗杆的连接端的连线长度，L2为斗杆液压缸与斗杆的枢接端至摇杆与斗杆的枢接端的连线长度，L3为摇杆与铲斗液压缸枢接端至摇杆与斗杆枢接端的连线长度，L4为连杆与铲斗的枢接端至连杆与铲斗液压缸枢接端的连线长度，L5为铲斗与斗杆的枢接端至摇杆与斗杆枢接端的连线长度，L6为连杆与铲斗的枢接端至铲斗与斗杆的枢接端的连线长度，L7为铲斗液压缸与斗杆的连接端至摇杆与斗杆的枢接端的连线长度，L''为摇杆与铲斗液压缸的枢接端至铲斗与斗杆的枢接端的连线长度，α1为L2的连线与L7的连线的夹角，α2为L7的连线与L3的连线的夹角，β1为L3的连线与L5的连线的夹角，β2为L''的连线与L5的连线的夹角，β3为L''的连线与L6的连线的夹角，α为L5的连线的延长线与L6的连线的夹角；
根据公式（1）至（7）计算该α的值，根据该α的值、该斗杆相对该动臂的转动角度、该动臂相对该转动机座的转动角度、该在一定的大地参考框架下的空间位置、该航向角、俯仰角以及横滚角的角度信息，计算该铲斗的经纬度和高程。
对于反铲挖掘机的铲斗定位方法的一实施例，根据该动臂与该转动机座的枢接位置相对该在一定的大地参考框架下的空间位置的相对位置，以及该动臂与该转动机座的枢接位置相对该铲斗的相对位置，计算该铲斗与该在一定的大地参考框架下的空间位置之间的相对位置，进而计算该铲斗的经纬度和高程。
综上所述，本发明基于几何数学及特有的姿态测定装置实现作业测量，并通过两种不同的作业流程实现反铲挖掘机的作业引导，与现有的车辆导航系统相比设计更为合理，提供主动引导的装置设备和方法，为反铲挖掘机操作员及作业管理单位提供较为准确的作业量测定，并能够计算作业区域状态、作业程度和填挖方量。且反铲挖掘机的铲斗定位装置安装便利，测量效果好、速度快，填补了施工作业中反铲挖掘机无法主动引导的缺陷。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离本发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在所附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为所附权利要求所涵盖。
Claims (13)
1.一种反铲挖掘机的铲斗定位装置，其特征在于，该反铲挖掘机包括：
行走底座；
具有驾驶室的转动机座，设置在该行走底座上；
动臂，其一端与该转动机座枢接；
斗杆，其一端与该动臂的另一端枢接；
铲斗，与该斗杆的另一端枢接；
动臂液压缸，固定在该转动机座上，其活塞杆与该动臂枢接；
斗杆液压缸，固定在该动臂上，其活塞杆与该斗杆枢接；以及
铲斗液压缸，固定在该斗杆相对该铲斗的远端，其活塞杆分别与一摇杆以及一连杆枢接，该摇杆的另一端枢接在该斗杆相对该铲斗的近端，该连杆的另一端与该铲斗枢接；
该铲斗定位装置包括：
定位装置，用于接收挖掘机的转动机座的在一定的大地参考框架下的空间位置；
方向测量装置，用以测量该反铲挖掘机的转动机座的航向角、俯仰角以及横滚角的角度信息；
铲斗位置测量装置，用于测量该反铲挖掘机的铲斗的相对该转动机座的空间位置信息；以及
计算装置，根据该空间位置信息、该在一定的大地参考框架下的空间位置、该航向角、俯仰角以及横滚角的角度信息，计算各采样时刻的该铲斗的经纬度和高程；
该铲斗位置测量装置包括：
第一液压测量装置，用于测量该铲斗液压缸的活塞杆的伸缩长度；
第二液压测量装置，用于测量该斗杆液压缸的活塞杆的伸缩长度；以及
第三液压测量装置，用于测量该动臂液压缸的活塞杆的伸缩长度；
其中，该计算装置根据该斗杆液压缸的活塞杆的伸缩长度以及该动臂液压缸的活塞杆的伸缩长度，计算该斗杆相对该动臂的转动角度以及该动臂相对该转动机座的转动角度。
2.如权利要求1所述的反铲挖掘机的铲斗定位装置，其特征在于，
该空间位置信息还包括该铲斗液压缸的活塞杆的伸缩长度、速度以及加速度，该斗杆相对该动臂的转动角度、角速度以及角加速度，该动臂相对该转动机座的转动角速、角速度以及角加速度；
该计算装置还根据该铲斗液压缸的活塞杆的伸缩长度、速度以及加速度，该斗杆相对该动臂的转动角度、角速度以及角加速度，该动臂相对该转动机座的转动角速、角速度以及角加速度，计算该铲斗的经纬度和高程随时间的变化。
3.如权利要求1所述的反铲挖掘机的铲斗定位装置，其特征在于，该铲斗位置测量装置包括：
液压测量装置，用于测量该铲斗液压缸的活塞杆的伸缩长度；
第一姿态测量装置，用于测量该斗杆相对该动臂的转动角度；以及
第二姿态测量装置，用于测量该动臂相对该转动机座的转动角度。
4.如权利要求3所述的反铲挖掘机的铲斗定位装置，其特征在于，
该液压测量装置还测量该铲斗液压缸的活塞杆的伸缩速度和加速度，该第一姿态测量装置还测量该斗杆相对该动臂的转动角速度以及角加速度，该第二姿态测量装置还测量该动臂相对该转动机座的转动角速度以及角加速度；
该计算装置还根据该铲斗液压缸的活塞杆的伸缩长度、速度以及加速度，该斗杆相对该动臂的转动角度、角速度以及角加速度，该动臂相对该转动机座的转动角速、角速度以及角加速度，计算该铲斗的经纬度和高程随时间的变化。
5.如权利要求1所述的反铲挖掘机的铲斗定位装置，其特征在于，第一液压测量装置还测量该铲斗液压缸的活塞杆的伸缩速度和加速度，第二液压测量装置还测量该斗杆液压缸的活塞杆的伸缩速度和加速度，第三液压测量装置还测量该动臂液压缸的活塞杆的伸缩速度和加速度；
其中，该计算装置根据该斗杆液压缸的活塞杆的伸缩速度和加速度以及该动臂液压缸的活塞杆的伸缩速度和加速度，计算该斗杆相对该动臂的转动角速度以及角加速度，该动臂相对该转动机座的转动角速度以及角加速度，进而计算该铲斗的经纬度和高程随时间的变化。
6.如权利要求2-5任一权利要求所述的反铲挖掘机的铲斗定位装置，其特征在于，该计算装置计算该铲斗的经纬度和高程包括：
L为铲斗液压缸本体的长度，L0为铲斗液压缸的活塞杆伸缩的长度，L1为铲斗液压缸与斗杆的枢接端至斗杆液压缸与斗杆的连接端的连线长度，L2为斗杆液压缸与斗杆的枢接端至摇杆与斗杆的枢接端的连线长度，L3为摇杆与铲斗液压缸的枢接端至摇杆与斗杆枢接端的连线长度，L4为连杆与铲斗的枢接端至连杆与铲斗液压缸枢接端的连线长度，L5为铲斗与斗杆的枢接端至摇杆与斗杆枢接端的连线长度，L6为连杆与铲斗的枢接端至铲斗与斗杆的枢接端的连线长度，L7为铲斗液压缸与斗杆的枢接端至摇杆与斗杆的枢接端的连线长度，L”为摇杆与铲斗液压缸的枢接端至铲斗与斗杆的枢接端的连线长度，α1为L2的连线与L7的连线的夹角，α2为L7的连线与L3的连线的夹角，β1为L3的连线与L5的连线的夹角，β2为L”的连线与L5的连线的夹角，β3为L”的连线与L6的连线的夹角，α为L5的连线的延长线与L6的连线的夹角；
其中，该计算装置根据公式(1)至(7)计算该α的值，根据该α的值、该斗杆相对该动臂的转动角度、该动臂相对该转动机座的转动角度、该在一定的大地参考框架下的空间位置、该航向角、俯仰角以及横滚角的角度信息，计算该铲斗的经纬度和高程。
7.如权利要求1至5任一权利要求所述的反铲挖掘机的铲斗定位装置，其特征在于，该计算装置根据该动臂与该转动机座的枢接位置相对该定位装置的相对位置，以及该动臂与该转动机座的枢接位置相对该铲斗的相对位置，计算该铲斗与该在一定的大地参考框架下的空间位置之间的相对位置，进而计算该铲斗的经纬度和高程。
8.如权利要求1的反铲挖掘机的铲斗定位装置，其特征在于，还包括：车载显示装置，安装在驾驶室内。
9.一种反铲挖掘机的铲斗定位方法，其特征在于，该反铲挖掘机包括：
行走底座；
具有驾驶室的转动机座，设置在该行走底座上；
动臂，其一端与该转动机座枢接；
斗杆，其一端与该动臂的另一端枢接；
铲斗，与该斗杆的另一端枢接；
动臂液压缸，固定在该转动机座上，其活塞杆与该动臂枢接；
斗杆液压缸，固定在该动臂上，其活塞杆与该斗杆枢接；以及
铲斗液压缸，固定在该斗杆相对该铲斗的远端，其活塞杆分别与一摇杆以及一连杆枢接，该摇杆的另一端枢接在该斗杆相对该铲斗的近端，该连杆的另一端与该铲斗枢接；
反铲挖掘机的铲斗定位方法包括：
测量该反铲挖掘机的转动机座的航向角、俯仰角以及横滚角的角度信息；
测量该反铲挖掘机的铲斗的空间位置信息；
根据该空间位置信息、接收的该挖掘机的转动机座在一定的大地参考框架下的空间位置、该航向角、俯仰角以及横滚角的角度信息，计算该铲斗的经纬度和高程；
其中，以一第一液压测量装置测量该铲斗液压缸的活塞杆的伸缩长度；以一第二液压测量装置测量该斗杆液压缸的活塞杆的伸缩长度；以及，以一第三液压测量装置测量该动臂液压缸的活塞杆的伸缩长度；根据该斗杆液压缸的活塞杆的伸缩长度以及该动臂液压缸的活塞杆的伸缩长度，计算该斗杆相对该动臂的转动角度以及该动臂相对该转动机座的转动角度。
10.如权利要求9所述的反铲挖掘机的铲斗定位方法，其特征在于，测量该反铲挖掘机的铲斗的空间位置信息包括：
测量该铲斗液压缸的活塞杆的伸缩长度、速度以及加速度，该斗杆相对该动臂的转动角度、角速度以及角加速度，该动臂相对该转动机座的转动角速、角速度以及角加速度；
根据该空间位置信息、接收的该挖掘机的在一定的大地参考框架下的空间位置、该航向角、俯仰角以及横滚角的角度信息，计算该铲斗的经纬度和高程还包括：
根据该铲斗液压缸的活塞杆的伸缩长度、速度以及加速度，该斗杆相对该动臂的转动角度、角速度以及角加速度，该动臂相对该转动机座的转动角速、角速度以及角加速度，计算该铲斗的经纬度和高程随时间的变化。
11.如权利要求9所述的反铲挖掘机的铲斗定位方法，其特征在于，测量该反铲挖掘机的铲斗的空间位置信息包括：
测量该铲斗液压缸的活塞杆的伸缩长度、伸缩速度和加速度，该斗杆液压缸的活塞杆的伸缩长度、伸缩速度和加速度，该动臂液压缸的活塞杆的伸缩长度、伸缩速度和加速度；
根据该空间位置信息、接收的该挖掘机的转动机座在一定的大地参考框架下的空间位置、该航向角、俯仰角以及横滚角的角度信息，计算各采样时刻的该铲斗的经纬度和高程还包括：
根据该斗杆液压缸的伸缩速度和加速度以及该动臂液压缸的伸缩速度和加速度，计算该斗杆相对该动臂的转动角速度以及角加速度，该动臂相对该转动机座的转动角速度以及角加速度，进而计算该铲斗的经纬度和高程随时间的变化。
12.如权利要求10或11所述的反铲挖掘机的铲斗定位方法，其特征在于，根据该空间位置信息、接收的该挖掘机的转动机座在一定的大地参考框架下的空间位置、该航向角、俯仰角以及横滚角的角度信息，计算该铲斗的经纬度和高程包括：
L为铲斗液压缸本体的长度，L0为铲斗液压缸的活塞杆伸缩的长度，L1为铲斗液压缸与斗杆的枢接端至斗杆液压缸与斗杆的连接端的连线长度，L2为斗杆液压缸与斗杆的枢接端至摇杆与斗杆的枢接端的连线长度，L3为摇杆与铲斗液压缸的枢接端至摇杆与斗杆枢接端的连线长度，L4为连杆与铲斗的枢接端至连杆与铲斗液压缸枢接端的连线长度，L5为铲斗与斗杆的枢接端至摇杆与斗杆枢接端的连线长度，L6为连杆与铲斗的枢接端至铲斗与斗杆的枢接端的连线长度，L7为铲斗液压缸与斗杆的枢接端至摇杆与斗杆的枢接端的连线长度，L”为摇杆与铲斗液压缸的枢接端至铲斗与斗杆的枢接端的连线长度，α1为L2的连线与L7的连线的夹角，α2为L7的连线与L3的连线的夹角，β1为L3的连线与L5的连线的夹角，β2为L”的连线与L5的连线的夹角，β3为L”的连线与L6的连线的夹角，α为L5的连线的延长线与L6的连线的夹角；
根据公式(1)至(7)计算该α的值，根据该α的值、该斗杆相对该动臂的转动角度、该动臂相对该转动机座的转动角度、该在一定的大地参考框架下的空间位置、该航向角、俯仰角以及横滚角的角度信息，计算该铲斗的经纬度和高程。
13.如权利要求9至11任一权利要求所述的反铲挖掘机的铲斗定位方法，其特征在于，根据该动臂与该转动机座的枢接位置相对该在一定的大地参考框架下的空间位置的相对位置，以及该动臂与该转动机座的枢接位置相对该铲斗的相对位置，计算该铲斗与该在一定的大地参考框架下的空间位置之间的相对位置，进而计算该铲斗的经纬度和高程。
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