CN107905275B - 一种挖掘机数字化辅助施工系统及其辅助施工方法 - Google Patents

一种挖掘机数字化辅助施工系统及其辅助施工方法 Download PDF

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CN107905275B CN201711125918.9A CN201711125918A CN107905275B CN 107905275 B CN107905275 B CN 107905275B CN 201711125918 A CN201711125918 A CN 201711125918A CN 107905275 B CN107905275 B CN 107905275B
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Abstract

本发明公开了一种挖掘机数字化辅助施工系统及其辅助施工方法，系统包括GNSS天线与接收机、IMU设备、单轴倾角传感器、双轴姿态传感器和智能控制终端。本发明采用GNSS/INS组合导航技术，通过机身尺寸与GNSS天线的相对位置关系推算出挖掘机铲齿在WGS84坐标系下的坐标。根据挖掘机铲齿的坐标建模，然后在智能控制终端实时显示挖掘机铲齿模型在工程目标区域地图中的位置，辅助操作者完成施工。本发明的挖掘机辅助施工系统具有实时性、精度高、操作方便等特点，降低了施工中对操作者技术的要求，提高了作业精度和效率，使得工程管理变得更加灵活。

Description

一种挖掘机数字化辅助施工系统及其辅助施工方法
技术领域
本发明涉及一种挖掘机领域，具体涉及一种挖掘机数字化辅助施工系统。
背景技术
现代施工建设的作业任务和类型日益繁多，挖掘机在各种工程领域中的应用日益广泛，同时各项工程对工程质量和施工工期的要求也越来越高。这对挖掘机的施工精度和操作者的熟练程度提出了较高要求。然而在实际操作过程中，因为挖掘机装置和操作者的原因，会出现一系列问题，导致了施工效率和精度变低。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，一次施工后的作业面与标准作业面有较大的差距，这种施工模式阻碍了工程建设的发展。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种挖掘机数字化辅助施工系统，能够实时得到挖掘机及其铲斗在WGS84坐标系下的三维坐标，设置好目标点坐标后引导操作者进行施工。
技术方案：一种挖掘机数字化辅助施工系统，包括：
固定设置在挖掘机机身上的GNSS主站天线、GNSS从站天线以及接收机；所述接收机用于根据所述GNSS主站天线和GNSS从站天线接收到的信号解算所述GNSS主站天线在WGS84坐标系下的坐标以及GNSS主从站天线方位角；
固定在铲斗和斗杆连接处，用于测量铲斗摇杆与水平面夹角的铲斗角度传感器；
固定在斗杆上，用于测量斗杆与水平面夹角的斗杆角度传感器；
固定在动臂上，用于测量动臂与水平面夹角的动臂角度传感器；
固定在挖掘机机身上，用于测量挖掘机机身横滚角和俯仰角的双轴姿态传感器；
智能控制终端，所述智能控制终端包括存储器、处理器、显示器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现以下步骤：
步骤a：根据所述GNSS主站天线在WGS84坐标系下的坐标、所述GNSS主从站天线方位角、所述铲斗角度传感器的输出值、所述斗杆角度传感器的输出值、动臂角度传感器的输出值、双轴姿态传感器的输出值、以及挖掘机身尺寸参数计算得到挖掘机铲齿的二维/三维坐标；
步骤b：根据获取的工程目标区域，控制所述显示器显示所述工程目标区域地图；
步骤c：根据所述挖掘机铲齿的二维/三维坐标建模，然后在所述显示器上实时显示挖掘机铲齿模型在所述工程目标区域地图中的位置。
进一步的，还包括固定在所述挖掘机身上，用于辅助定位的IMU设备。
进一步的，所述GNSS主站天线和GNSS从站天线固定设置在挖掘机尾部，两天线的连线与挖掘机纵向主轴垂直。
进一步的，所述斗杆角度传感器为固定在斗杆上并与斗杆主轴垂直设置的单轴倾角传感器，所述动臂角度传感器固定在动臂上并与动臂主轴垂直设置的单轴倾角传感器。
进一步的，所述工程目标区域根据人机交互设备输入二维/三维坐标获得。
进一步的，所述工程目标区域根据通过挖掘机铲齿置于目标区域边界线/边界顶点后，利用所述步骤a获得掘机铲齿的二维坐标即所述目标区域边界线/边界顶点的二维坐标/三维坐标，然后通过人机交互设备输入挖掘深度值后，在显示器上生成所述目标区域的三维图像。
进一步的，所述步骤a包括如下具体步骤：
步骤a1：对所述双轴姿态传感器输出的俯仰角θobs进行转换后用于构建旋转矩阵，具体为：
Figure BDA0001468348750000021
其中，θcal为转换后用于构建旋转矩阵的俯仰角；γ为所述双轴姿态传感器(10)输出的横滚角；
步骤a2：构建挖掘机身姿态旋转矩阵为：
Rattitude＝R2(γ)R1(θcal) (2)
其中，Rattitude为姿态旋转矩阵；Ri(radian)表示绕笛卡尔坐标系第i轴旋转radian弧度的旋转矩阵，i＝1,2；
步骤a3：以挖掘机回转接头为坐标原点，以挖掘机前进方向为y轴，过坐标原点且垂直于y轴为x轴，z轴与x、y轴构成右手坐标系，建立车身三维坐标系，根据挖掘机机身姿态对GNSS主从站天线的基线方向进行修正，具体为：
Brot＝RattitudeB (3)
αB＝arctan2(yBrot,xBrot) (4)
ψcal＝90-(ψobs-αB) (5)
其中，B为车身坐标系下的基线向量；Brot为进行姿态旋转后的基线向量；xBrot、yBrot分别为Brot的x、y方向的分量；arctan2(y,x)为方位角计算函数；αB为旋转后基线向量的方位角；ψobs为GNSS定位定向设备测得的方位角；ψcal为修正后的航向角；
步骤a4：建立直角坐标系如下：取y轴和z轴所在平面上的一点P1为坐标原点，且已知该点与挖掘机回转接头的坐标差值，m轴与车身坐标系的y轴平行且方向相同，n轴与车身坐标系的z轴平行且方向相同，建立m、P1、n二维平面直角坐标系，则求得P1、P2、P3坐标如下
Figure BDA0001468348750000031
Figure BDA0001468348750000032
Figure BDA0001468348750000033
其中，P1为动臂与挖掘机身旋转连接点，P2为动臂与斗杆旋转连接点，P3为斗杆与铲斗旋转连接点；
Figure BDA0001468348750000036
为P1与P2之间的距离；
Figure BDA0001468348750000037
为P2与P3之间的距离；α1为动臂角度传感器测得的角度值；α2为斗杆角度传感器测得的角度值；
再计算P10、P9坐标如下：
Figure BDA0001468348750000034
Figure BDA0001468348750000035
其中，P10为斗杆与摇杆的连接点；P9为摇杆与连杆的连接点；
Figure BDA0001468348750000041
为P3与P10之间的距离；
Figure BDA0001468348750000042
为P9与P10之间的距离；
Figure BDA0001468348750000043
为点P2、P3连线与点P3、P10连线的夹角；α3为铲斗角度传感器测得的角度值；
根据P11至P3与P9距离为定值得到：
Figure BDA0001468348750000044
其中，P11为连杆与铲斗的连接点；
Figure BDA0001468348750000045
为P3与P11之间的距离；
Figure BDA0001468348750000046
为P9与P11之间的距离；
用xi与yi表示Pi的m轴分量与n轴分量，i取3、11，将式(11)改写为：
Figure BDA0001468348750000047
使用牛顿迭代法对式(12)进行求解，则用于牛顿迭代的递推公式为：
Figure BDA0001468348750000048
其中：
Figure BDA0001468348750000049
其中，
Figure BDA00014683487500000410
与
Figure BDA00014683487500000411
为上一步迭代的结果，x11与y11为本次迭代的结果；用P10点坐标相对于P3和P9点的连线做对称来作为P11初值；
再由P3和P11坐标计算两点的方向
Figure BDA00014683487500000412
Figure BDA00014683487500000413
在计算P3至P12的方向
Figure BDA00014683487500000414
Figure BDA00014683487500000415
则得到P12的坐标为：
Figure BDA0001468348750000051
其中，
Figure BDA0001468348750000052
点P11、P3连线与点P3、P12连线的夹角；P12为铲齿；
Figure BDA0001468348750000053
为P3与P12之间的距离。
进一步的，还包括对坐标增量进行俯仰角改正的步骤，具体包括如下步骤：
步骤a5：首先以P1为坐标系零点，车身坐标系的X轴作为X轴，在水平面上与X轴垂直且指向工作装置朝向的方向为Y轴，Z轴与X轴、Y轴组成右手坐标系，建立三维工作装置坐标系，则P12坐标可如式(18)在该坐标系下表示为
Figure BDA0001468348750000054
Figure BDA0001468348750000055
所述三维工作装置坐标系与所述车身坐标系之间相差一个俯仰角的旋转，因此按式(19)推算车身坐标系下的P12坐标
Figure BDA0001468348750000056
Figure BDA0001468348750000057
步骤a6：计算车身坐标系下所述GNSS主站天线至P12的坐标增量
Figure BDA0001468348750000058
Figure BDA0001468348750000059
其中，
Figure BDA00014683487500000510
为车身坐标系下所述GNSS主站天线至P1的坐标增量；
步骤a7：计算修正后的铲齿坐标pos12为：
Figure BDA00014683487500000511
其中，posa1为所述接收机输出的所述GNSS主站天线坐标。
一种挖掘机数字化辅助施工系统的辅助挖坑方法，对于短坑，首先将铲齿分别置于目标坑的四个边界顶点，拾取点坐标为a,b,c,d并存储；对于长坑，首先将铲齿置于任一短边的两个端点及长边上任意一点，拾取点坐标为a,b,c并存储；然后输入设计坑深，在智能控制终端上生成目标坑的三维图像；操作者根据铲齿模型在图像的位置进行作业，在超挖或欠挖时，智能控制终端上显示到目标点/边的距离，操作者根据提示完成作业。
一种挖掘机数字化辅助施工系统的辅助修坡方法，将挖掘机铲齿放到坡底，拾取坡底点的坐标，移动铲齿至坡顶，拾取坡顶点坐标，存储两点坐标；在能控制终端中选择参考模型，建立整个坡的三维模型；开始施工，作业平面和铲齿模型以三维图像的形式显示在智能控制终端上，操作者根据提示进行修坡。
有益效果：本发明的挖掘机数字化辅助施工系统及其辅助施工方法，运用GNSS/INS导航定位技术实时解算出挖掘机机身和铲齿在WGS84坐标系下的三维坐标。获取目标点坐标后，该系统可以辅助操作者完成挖坑、修坡功能，降低了工程的难度，提高了工作效率。
附图说明
图1是本发明挖掘机数字化辅助施工系统的结构示意图；
图2是挖掘机结构简化示意图；
图3是本发明辅助挖坑功能流程图；
图4是本发明辅助修坡功能流程图；
图中：挖掘机机身1、铲斗2、斗杆3、动臂4、GNSS主站天线5、GNSS从站天线6、铲斗角度传感器7、斗杆角度传感器8、动臂角度传感器9、双轴姿态传感器10、接收机11、智能控制终端12、集线盒13、IMU设备14、掘机回转接头15、铲斗摇杆16、连杆17、铲齿18。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
一种挖掘机数字化辅助施工系统，如图1所示，包括GNSS主站天线5、GNSS从站天线6、铲斗角度传感器7、斗杆角度传感器8、动臂角度传感器9、双轴姿态传感器10、接收机11、智能控制终端12、集线盒13以及IMU设备14。
GNSS主站天线5和GNSS从站天线6固定设置在挖掘机机身1的尾部位置，两天线的连线与挖掘机纵向主轴垂直，接收机11于挖掘机机身1固定。接收机11用于根据GNSS主站天线5和GNSS从站天线6接收到的信号解算GNSS主站天线5在WGS84坐标系下的坐标以及GNSS主从站天线方位角。及IMU设备14用于在已知挖掘机起始坐标的情况下，在一定时间段内可以获得较高精度的载体坐标，弥补了GNSS设备在外界环境较差时无法获得高精度定位的缺陷，以达到高精度无缝定位。
铲斗角度传感器7固定在铲斗2和斗杆3连接处，用于测量铲斗摇杆16与水平面夹角。斗杆角度传感器8为固定在斗杆3上并与斗杆主轴垂直设置的单轴倾角传感器，用于测量斗杆3与水平面夹角。动臂角度传感器9为固定在动臂4上并与动臂主轴垂直设置的单轴倾角传感器，用于测量动臂4与水平面夹角的动臂角度传感器9。双轴姿态传感器10固定在挖掘机机身1上水平的位置，用于测量挖掘机机身1横滚角和俯仰角。
铲斗角度传感器7、斗杆角度传感器8、动臂角度传感器9、双轴姿态传感器10、接收机11以及IMU设备14通过集线盒13连接到智能控制终端12，智能控制终端12设置于驾驶室内。智能控制终端12包括存储器、处理器、显示器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器在执行计算机程序时实现以下步骤：
步骤a：根据GNSS主站天线5在WGS84坐标系下的坐标、GNSS主从站天线方位角、铲斗角度传感器7的输出值、斗杆角度传感器8的输出值、动臂角度传感器9的输出值、双轴姿态传感器10的输出值、以及挖掘机身尺寸参数计算得到挖掘机铲齿的二维/三维坐标。步骤a包括如下具体步骤：
步骤a1：对双轴姿态传感器10输出的俯仰角θobs进行转换后用于构建旋转矩阵，具体为：
Figure BDA0001468348750000071
其中，θcal为转换后用于构建旋转矩阵的俯仰角；γ为双轴姿态传感器10输出的横滚角。
步骤a2：构建挖掘机身姿态旋转矩阵为：
Rattitude＝R2(γ)R1(θcal) (2)
其中，Rattitude为姿态旋转矩阵；Ri(radian)表示绕笛卡尔坐标系第i轴旋转radian弧度的旋转矩阵，i＝1,2。
步骤a3：以挖掘机回转接头15为坐标原点，以挖掘机前进方向为y轴，过坐标原点且垂直于y轴为x轴，z轴与x、y轴构成右手坐标系，建立车身三维坐标系，根据挖掘机机身姿态对GNSS主从站天线的基线方向进行修正，具体为：
Brot＝RattitudeB (3)
Figure BDA0001468348750000081
ψcal＝90-(ψobs-αB) (5)
其中，B为车身坐标系下的基线向量；Brot为进行姿态旋转后的基线向量；
Figure BDA0001468348750000082
Figure BDA0001468348750000083
分别为Brot的x、y方向的分量；arctan2(y,x)为方位角计算函数；αB为旋转后基线向量的方位角；ψobs为GNSS定位定向设备测得的方位角；ψcal为修正后的航向角。
步骤a4：根据如图2所示的挖掘机结构简化示意图，建立直角坐标系如下：取y轴和z轴平面上的一点P1为坐标原点，且已知该点与挖掘机回转接头15的坐标差值，m轴与车身坐标系的y轴平行且方向相同，n轴与车身坐标系的z轴平行且方向相同，建立m、P1、n二维平面直角坐标系，则求得P1、P2、P3坐标如下：
Figure BDA0001468348750000084
Figure BDA0001468348750000085
Figure BDA0001468348750000086
其中，P1为动臂4与挖掘机身1旋转连接点，P2为动臂4与斗杆3旋转连接点，P3为斗杆3与铲斗2旋转连接点；
Figure BDA0001468348750000087
为P1与P2之间的距离；
Figure BDA0001468348750000088
为P2与P3之间的距离；α1为动臂角度传感器9测得的角度值；α2为斗杆角度传感器8测得的角度值。
再计算P10、P9坐标如下：
Figure BDA0001468348750000089
Figure BDA00014683487500000810
其中，P10为斗杆与摇杆的连接点；P9为摇杆与连杆的连接点；
Figure BDA00014683487500000811
为P3与P10之间的距离；
Figure BDA0001468348750000091
为P9与P10之间的距离；
Figure BDA0001468348750000092
为点P2、P3连线与点P3、P10连线的夹角；α3为铲斗角度传感器7测得的角度值。
根据P11至P3与P9距离为定值得到：
Figure BDA0001468348750000093
其中，P11为连杆与铲斗的连接点；
Figure BDA0001468348750000094
为P3与P11之间的距离；
Figure BDA0001468348750000095
为P9与P11之间的距离。
用xi与yi表示Pi的m轴分量与n轴分量，i取3、11，将式(11)改写为：
Figure BDA0001468348750000096
使用牛顿迭代法对式(12)进行求解，则用于牛顿迭代的递推公式为：
Figure BDA0001468348750000097
其中：
Figure BDA0001468348750000098
其中，
Figure BDA0001468348750000099
与
Figure BDA00014683487500000910
为上一步迭代的结果，x11与y11为本次迭代的结果；用P10点坐标相对于P3和P9点的连线做对称来作为P11初值。
再由P3和P11坐标计算两点的方向
Figure BDA00014683487500000911
Figure BDA00014683487500000912
在计算P3至P12的方向
Figure BDA00014683487500000913
Figure BDA00014683487500000914
则得到P12的坐标为：
Figure BDA00014683487500000915
其中，
Figure BDA0001468348750000101
点P11、P3连线与点P3、P12连线的夹角；P12为铲齿；
Figure BDA0001468348750000102
为P3与P12之间的距离。
还包括对坐标增量进行俯仰角改正的步骤，具体包括如下步骤：
步骤a5：首先以P1为坐标系零点，车身坐标系的X轴作为X轴，在水平面上与X轴垂直且指向工作装置朝向的方向为Y轴，Z轴与X轴、Y轴组成右手坐标系，建立三维工作装置坐标系，则P12坐标可如式(18)在该坐标系下表示为
Figure BDA0001468348750000103
Figure BDA0001468348750000104
三维工作装置坐标系与车身坐标系之间相差一个俯仰角的旋转，因此按式(19)推算车身坐标系下的P12坐标
Figure BDA0001468348750000105
Figure BDA0001468348750000106
步骤a6：计算车身坐标系下GNSS主站天线至P12的坐标增量
Figure BDA0001468348750000107
Figure BDA0001468348750000108
其中，
Figure BDA0001468348750000109
为车身坐标系下所述GNSS主站天线至P1的坐标增量。
步骤a7：计算修正后的铲齿坐标pos12为：
Figure BDA00014683487500001010
其中，posa1为接收机11输出的GNSS主站天线坐标。
步骤b：根据获取的工程目标区域，控制显示器显示工程目标区域地图。其中，工程目标区域有两种获取方法，其中一种为通过人机交互设备输入二维/三维坐标获得，另一种为，利用步骤a获得掘机铲齿的二维坐标即目标区域边界线/边界顶点的二维坐标，然后通过人机交互设备输入挖掘深度值后，在显示器上生成目标区域的三维图像。
步骤c：根据挖掘机铲齿的二维/三维坐标建模，控制在显示器实时显示挖掘机铲齿模型在所述工程目标区域地图中的位置，智能控制终端12从而可以引导操作者进行施工。
本系统在施工区域建立基站或使用当地CORS站，使用载波差分定位技术定位，得到挖掘机机身的三维坐标后，根据机身尺寸参数和传感器输出参数计算出铲齿的三维坐标并建模，精度为2-5cm；当周围环境遮挡较为严重时，GNSS定位效果较差，使用INS进行定位，保证定位定向的无缝连接；然后通过智能控制终端12显示铲齿建模在工程目标区域地图中的实时位置，使其在目标区域地图中显示，操作者可以实时掌握铲斗的姿态和位置，不仅提高了作业精度，而且降低了对操作者的技术要求，工作效率大大提高。
上述基站为在测区内建立的半永久性装置，基站接收机需架设在有强制对中装置的固体桩上，并且已知该点的精确三维坐标。通过电台对测区内的流动站接收机发送差分信息进行载波差分，覆盖范围十公里左右。
根据上述挖掘机数字化辅助施工系统的辅助挖坑方法：对于短坑，首先将铲齿分别置于目标坑的四个边界顶点，拾取点坐标为a,b,c,d并存储；对于长坑，首先将铲齿置于任一短边的两个端点及长边上任意一点，拾取点坐标为a,b,c并存储；然后输入设计坑深，在智能控制终端上生成目标坑的三维图像；操作者根据铲齿模型在图像的位置进行作业，在超挖或欠挖时，智能控制终端能够显示到目标点/边的距离，操作者根据提示完成作业。
根据上述挖掘机数字化辅助施工系统的辅助修坡方法：将挖掘机铲齿放到坡底，拾取坡底点的坐标S，移动铲齿至坡顶，拾取坡顶点坐标E，存储两点坐标；在控制器中选择参考模型，建立整个坡的三维模型；开始施工，作业平面和铲齿模型以三维图像的形式显示在智能控制终端上，操作者根据提示进行修坡，如果铲斗挖的过多和过少，智能控制终端将提示操作者。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种挖掘机数字化辅助施工系统，其特征在于，包括：
固定设置在挖掘机机身(1)上的GNSS主站天线(5)、GNSS从站天线(6)以及接收机(11)；所述接收机(11)用于根据所述GNSS主站天线(5)和GNSS从站天线(6)接收到的信号解算所述GNSS主站天线(5)在WGS84坐标系下的坐标以及GNSS主从站天线方位角；所述GNSS主站天线(5)和GNSS从站天线(6)固定设置在挖掘机尾部，两天线的连线与挖掘机纵向主轴垂直；
固定在铲斗(2)和斗杆(3)连接处，用于测量铲斗摇杆与水平面夹角的铲斗角度传感器(7)；
固定在斗杆(3)上，用于测量斗杆(3)与水平面夹角的斗杆角度传感器(8)；
固定在动臂(4)上，用于测量动臂(4)与水平面夹角的动臂角度传感器(9)；
固定在挖掘机机身(1)上，用于测量挖掘机机身(1)横滚角和俯仰角的双轴姿态传感器(10)；
智能控制终端(12)，所述智能控制终端(12)包括存储器、处理器、显示器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现以下步骤：
步骤a：根据所述GNSS主站天线(5)在WGS84坐标系下的坐标、所述GNSS主从站天线方位角、所述铲斗角度传感器(7)的输出值、所述斗杆角度传感器(8)的输出值、动臂角度传感器(9)的输出值、双轴姿态传感器(10)的输出值、以及挖掘机机身尺寸参数计算得到挖掘机铲齿的二维/三维坐标；
步骤b：根据获取的工程目标区域，控制所述显示器显示所述工程目标区域地图；
步骤c：根据所述挖掘机铲齿的二维/三维坐标建模，然后在所述显示器上实时显示挖掘机铲齿模型在所述工程目标区域地图中的位置；
所述步骤a包括如下具体步骤：
步骤a1：对所述双轴姿态传感器(10)输出的俯仰角θobs进行转换后用于构建旋转矩阵，具体为：
Figure FDA0002383278270000011
其中，θcal为转换后用于构建旋转矩阵的俯仰角；γ为所述双轴姿态传感器(10) 输出的横滚角；
步骤a2：构建挖掘机机身姿态旋转矩阵为：
Rattitude＝R2(γ)R1(θcal) (2)
其中，Rattitude为姿态旋转矩阵；Ri(radian)表示绕笛卡尔坐标系第i轴旋转radian弧度的旋转矩阵，i＝1,2；
步骤a3：以挖掘机回转接头(15)为坐标原点，以挖掘机前进方向为y轴，过坐标原点且垂直于y轴为x轴，z轴与x、y轴构成右手坐标系，建立车身三维坐标系，根据挖掘机机身姿态对GNSS主从站天线的基线方向进行修正，具体为：
Brot＝RattitudeB (3)
Figure FDA0002383278270000021
ψcal＝90-(ψobs-αB) (5)
其中，B为车身坐标系下的基线向量；Brot为进行姿态旋转后的基线向量；
Figure FDA0002383278270000022
Figure FDA0002383278270000023
分别为Brot的x、y方向的分量；arctan2(y,x)为方位角计算函数；αB为旋转后基线向量的方位角；ψobs为GNSS定位定向设备测得的方位角；ψcal为修正后的航向角；
步骤a4：建立直角坐标系如下：取y轴和z轴所在平面上的一点P1为坐标原点，且已知该点与挖掘机回转接头(15)的坐标差值，m轴与车身坐标系的y轴平行且方向相同，n轴与车身坐标系的z轴平行且方向相同，建立m、P1、n二维平面直角坐标系，则求得P1、P2、P3坐标如下
Figure FDA0002383278270000024
Figure FDA0002383278270000025
Figure FDA0002383278270000026
其中，P1为动臂(4)与挖掘机机身(1)旋转连接点，P2为动臂(4)与斗杆(3)旋转连接点，P3为斗杆(3)与铲斗(2)旋转连接点；
Figure FDA0002383278270000031
为P1与P2之间的距离；
Figure FDA0002383278270000032
为P2与P3之间的距离；α1为动臂角度传感器(9)测得的角度值；α2为斗杆角度传感器(8)测得的角度值；
再计算P10、P9坐标如下：
Figure FDA0002383278270000033
Figure FDA0002383278270000034
其中，P10为斗杆与摇杆的连接点；P9为摇杆与连杆的连接点；
Figure FDA0002383278270000035
为P3与P10之间的距离；
Figure FDA0002383278270000036
为P9与P10之间的距离；
Figure FDA0002383278270000037
为点P2、P3连线与点P3、P10连线的夹角；α3为铲斗角度传感器(7)测得的角度值；
根据P11至P3与P9距离为定值得到：
Figure FDA0002383278270000038
其中，P11为连杆与铲斗的连接点；
Figure FDA0002383278270000039
为P3与P11之间的距离；
Figure FDA00023832782700000310
为P9与P11之间的距离；
用xi与yi表示Pi的m轴分量与n轴分量，i取3、11，将式(11)改写为：
Figure FDA00023832782700000311
使用牛顿迭代法对式(12)进行求解，则用于牛顿迭代的递推公式为：
Figure FDA00023832782700000312
其中：
Figure FDA00023832782700000313
其中，
Figure FDA00023832782700000314
与
Figure FDA00023832782700000315
为上一步迭代的结果，x11与y11为本次迭代的结果；用P10点坐标相对于P3和P9点的连线做对称来作为P11初值；
再由P3和P11坐标计算两点的方向
Figure FDA0002383278270000041
Figure FDA0002383278270000042
在计算P3至P12的方向
Figure FDA0002383278270000043
Figure FDA0002383278270000044
则得到P12的坐标为：
Figure FDA0002383278270000045
其中，
Figure FDA0002383278270000046
点P11、P3连线与点P3、P12连线的夹角；P12为铲齿；
Figure FDA0002383278270000047
为P3与P12之间的距离。
2.根据权利要求1所述的挖掘机数字化辅助施工系统，其特征在于，还包括固定在所述挖掘机机身(1)上，用于辅助定位的IMU设备(14)。
3.根据权利要求1所述的挖掘机数字化辅助施工系统，其特征在于，所述斗杆角度传感器(8)为固定在斗杆(3)上并与斗杆主轴垂直设置的单轴倾角传感器，所述动臂角度传感器(9)固定在动臂(4)上并与动臂主轴垂直设置的单轴倾角传感器。
4.根据权利要求1所述的挖掘机数字化辅助施工系统，其特征在于，所述工程目标区域根据人机交互设备输入二维/三维坐标获得。
5.根据权利要求1所述的挖掘机数字化辅助施工系统，其特征在于，所述工程目标区域根据通过挖掘机铲齿置于目标区域边界线/边界顶点后，利用所述步骤a获得挖掘机铲齿的二维坐标即所述目标区域边界线/边界顶点的二维坐标/三维坐标，然后通过人机交互设备输入挖掘深度值后，在显示器上生成所述目标区域的三维图像。
6.根据权利要求1所述的挖掘机数字化辅助施工系统，其特征在于，还包括对坐标增量进行俯仰角改正的步骤，具体包括如下步骤：
步骤a5：首先以P1为坐标系零点，车身坐标系的X轴作为X轴，在水平面上与X轴垂直且指向工作装置朝向的方向为Y轴，Z轴与X轴、Y轴组成右手坐标系，建立三维工作装置坐标系，则P12坐标可如式(18)在该坐标系下表示为
Figure FDA0002383278270000048
Figure FDA0002383278270000051
所述三维工作装置坐标系与所述车身坐标系之间相差一个俯仰角的旋转，因此按式(19)推算车身坐标系下的P12坐标
Figure FDA0002383278270000052
Figure FDA0002383278270000053
步骤a6：计算车身坐标系下所述GNSS主站天线至P12的坐标增量
Figure FDA0002383278270000054
Figure FDA0002383278270000055
其中，
Figure FDA0002383278270000056
为车身坐标系下所述GNSS主站天线至P1的坐标增量；
步骤a7：计算修正后的铲齿坐标pos12为：
Figure FDA0002383278270000057
其中，posa1为所述接收机(11)输出的所述GNSS主站天线坐标。
7.一种根据权利要求1所述挖掘机数字化辅助施工系统的辅助挖坑方法，其特征在于：对于短坑，首先将铲齿分别置于目标坑的四个边界顶点，拾取点坐标为a,b,c,d并存储；对于长坑，首先将铲齿置于任一短边的两个端点及长边上任意一点，拾取点坐标为a,b,c并存储；然后输入设计坑深，在智能控制终端上生成目标坑的三维图像；操作者根据铲齿模型在图像的位置进行作业，在超挖或欠挖时，智能控制终端上显示到目标点/边的距离，操作者根据提示完成作业。
8.一种根据权利要求1所述挖掘机数字化辅助施工系统的辅助修坡方法，其特征在于：将挖掘机铲齿放到坡底，拾取坡底点的坐标，移动铲齿至坡顶，拾取坡顶点坐标，存储两点坐标；在智能控制终端中选择参考模型，建立整个坡的三维模型；开始施工，作业平面和铲齿模型以三维图像的形式显示在智能控制终端上，操作者根据提示进行修坡。
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