CN108519613A - 一种螺旋钻挖掘机辅助施工系统及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种螺旋钻挖掘机辅助施工系统及其施工方法,该系统在硬件上由GNSS定位定向设备、双轴姿态倾角仪、三个夹角传感器和智能控制终端组成。本发明通过GNSS定位定向设备、双轴姿态倾角仪和三个夹角传感器进行数据采集,将数据与预先确定的挖掘机尺寸信息相结合,获取螺旋钻头的WGS‑84坐标系坐标,将钻头真实坐标与设计钻孔位置显示于智能控制终端,并计算出坐标差一并显示,为操作者提供施工辅助。本发明具有计算精度高、实时性好、对操作者技术水平要求低、与现场施工结合性好等优点,能够提高现场施工效率和质量,降低现场施工复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及挖掘机领域,具体涉及一种螺旋钻挖掘机辅助施工系统及其施工方法。
背景技术
在传统的螺旋钻挖掘机施工场景中,通常需要经过控制测量、施工放样、钻孔施工和检核精度等多个步骤。其中,控制测量和施工放样步骤对测量人员的技术经验水平和现场发挥有较高的要求;而钻孔施工步骤对挖掘机操作者的技术经验水平和现场发挥有较高要求。施工过程的多个步骤均受到参与者的个人因素影响,且从整体过程来看具有周期长、影响因素多、流程复杂的特点,这使得传统施工方法费时费事,人工成本高。现代传感器技术的发展使得空间信息技术可以方便地应用于诸多领域,并提供准确、可靠和实时的空间信息服务。
发明内容
为了解决现有技术的不足,本发明提供了一种螺旋钻挖掘机辅助施工系统及其施工方法,该系统将现代传感器技术和空间信息技术与传统螺旋钻挖掘机相结合,能够实时得到螺旋钻挖掘机各关键组件尤其是螺旋钻尖端在WGS84坐标系下的三维坐标,并与设计方案进行比较和可视化显示,引导操作者进行施工。
为了实现上述目的,本发明的技术方案如下:
一种螺旋钻挖掘机辅助施工系统,包括GNSS定位定向设备、双轴姿态倾角仪、第一夹角传感器、第二夹角传感器、第三夹角传感器和智能控制终端;
所述GNSS定位定向设备,被配置为用于确定挖掘机的坐标和航向角;
所述双轴姿态倾角仪,被配置为用于测量挖掘机上部平台的横滚角与俯仰角;
所述第一夹角传感器,被配置为用于测量挖掘机动臂相对于上部平台的夹角;
所述第二夹角传感器,被配置为用于测量挖掘机斗杆相对于动臂的夹角;
所述第三夹角传感器,被配置为用于测量挖掘机摇杆相对于斗杆的夹角;
所述智能控制终端,被配置为用于计算挖掘机螺旋钻尖端的三维坐标,并与目标点坐标进行比较和可视化显示,从而引导操作者进行施工。
进一步的,所述GNSS定位定向设备安装于挖掘机上部平台,包括双GNSS天线和GNSS接收机,所述GNSS定位定向设备通过确定双GNSS天线的WGS-84坐标系坐标、双GNSS天线之间的几何距离和双GNSS天线所组成的基线的航向角来确定挖掘机的坐标和航向角。
进一步的,所述双轴姿态倾角仪安装于挖掘机上部平台,包括两个互相垂直安放的倾角传感器,所述双轴姿态倾角仪通过测量其两条敏感轴与水平面之间的夹角来求得挖掘机的横滚角与俯仰角。
进一步的,所述第一夹角传感器安装于挖掘机上部平台与动臂连接的旋转轴处,所述第二夹角传感器安装于动臂与斗杆连接的旋转轴处,所述第三夹角传感器安装于斗杆与摇杆连接的旋转轴处;
所述第一夹角传感器、第二夹角传感器和第三夹角传感器为可测量角度变化的编码器,通过不断测量当前编码以确定各旋转轴的转动夹角。
进一步的,所述智能控制终端包括触控显示屏、微处理器和数据接口,所述数据接口与各采集设备相连,所述微处理器用于对采集的数据进行处理从而获得挖掘机螺旋钻尖端的三维坐标,所述触控显示屏用于实时显示螺旋钻尖端的坐标和目标点坐标。
一种基于上述螺旋钻挖掘机辅助施工系统的施工方法,包括:
1)根据挖掘机坐标和航向角、挖掘机上部平台的横滚角和俯仰角、挖掘机动臂相对于上部平台的夹角、挖掘机斗杆相对于动臂的夹角、挖掘机摇杆相对于斗杆的夹角以及挖掘机的几何设计参数,求得挖掘机螺旋钻前端的三维坐标;
2)根据事先导入的施工图纸,在触控显示屏显示挖掘机在图纸上的位置和方向;
3)根据事先导入的施工方案,计算并显示螺旋钻尖端与目标点位置的偏差,并通过提示引导操作手正确施工。
进一步的,所述步骤1)中,挖掘机螺旋钻前端的三维坐标的计算步骤包括:
1-1)定义坐标系;
1-2)根据双轴倾角仪的输出特性,对其输出的俯仰角进行改化,并根据改化后的俯仰角构造上部平台横滚俯仰旋转矩阵;
1-3)根据上部平台横滚俯仰旋转矩阵对GNSS输出的航向角进行改化,并根据改化后的航向角和上部平台横滚俯仰旋转矩阵构造上部平台姿态旋转矩阵;
1-4)根据第一夹角传感器输出的平台-动臂夹角、第二夹角传感器输出的动臂-斗杆夹角和第三夹角传感器输出的斗杆-摇杆夹角计算螺旋钻尖端的坐标增量;
1-5)根据上部平台姿态旋转矩阵和螺旋钻尖端的坐标增量计算WGS-84坐标系下的螺旋钻尖端坐标。
进一步的,所述步骤2)中,通过智能控制终端根据各传感器的观测值计算挖掘机的位置和方向,所述挖掘机位置为挖掘机上部平台中央旋转轴的位置,所述挖掘机方向是指挖掘机工作装置的朝向。
进一步的,所述步骤3)中,偏差包括偏差量和偏差方向,根据偏差量和偏差方向在触控显示屏显示螺旋钻尖端的移动方向和移动距离,从而引导操作手进行施工。
进一步的,对于一点钻孔,由设计文件或手动输入获得目标点坐标,由各采集设备的输出数据结合算法获得螺旋钻尖端坐标,在触控显示屏上显示两点的坐标差,辅助操作者到达目标点位置;显示器上通过图像显示螺旋钻尖端与目标点重合的程度,待两点完全重合或在限差范围内后,输入孔深,开始钻孔;对于多点钻孔,完成第一个点的钻孔后,设置第一点为起算点,根据其他点与起算点的相对位置关系,依次找点钻孔。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明的螺旋钻挖掘机辅助施工系统,运用多传感器融合技术实时解算出螺旋钻挖掘机各关键组件尤其是螺旋钻尖端在WGS84坐标系下的三维坐标,并将当前真实坐标与设计坐标进行比对和可视化显示,辅助操作者进行施工,降低了施工流程复杂度和出错概率,提高了施工效率和施工精度。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。
图1为螺旋钻挖掘机整体、车身坐标系及上部平台各传感器示意图;
图2为螺旋钻挖掘机工作装置及夹角传感器示意图;
图3为螺旋钻挖掘机工作装置简化及点号注记示意图;
图4为螺旋钻挖掘机辅助施工系统辅助施工流程图。
其中,1-双GNSS天线、2-上部平台旋转轴、3-双轴姿态倾角仪、4-工作装置、5-螺旋钻头、6-上部平台、7-行走部分、8-动臂、9-斗杆、10-摇杆、11-连杆、12-动臂旋转轴、13-第一夹角传感器、14-第二夹角传感器、15-第三夹角传感器。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步的说明。
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中,术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词,并非特指本发明中任一部件或元件,不能理解为对本发明的限制。
本发明中,术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解,表示可以是固定连接,也可以是一体地连接或可拆卸连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员,可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义,不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的,现有技术中存在施工过程受到参与者的个人因素影响,周期长、影响因素多、流程复杂,使得传统施工方法费时费事,人工成本高的问题,为了解决如上的技术问题,本申请提供了一种螺旋钻挖掘机辅助施工系统及其施工方法,该系统将现代传感器技术和空间信息技术与传统螺旋钻挖掘机相结合,能够实时得到螺旋钻挖掘机各关键组件尤其是螺旋钻尖端在WGS84坐标系下的三维坐标,并与设计方案进行比较和可视化显示,引导操作者进行施工。
如图1和2所述,一种螺旋钻挖掘机辅助施工系统,包括GNSS定位定向设备、双轴姿态倾角仪3、第一夹角传感器13、第二夹角传感器14、第三夹角传感器15和智能控制终端;
所述GNSS定位定向设备,被配置为用于确定挖掘机的坐标和航向角;
所述双轴姿态倾角仪3,被配置为用于测量挖掘机上部平台6的横滚角与俯仰角;
所述第一夹角传感器13,被配置为用于测量挖掘机动臂8相对于上部平台6的夹角;
所述第二夹角传感器14,被配置为用于测量挖掘机斗杆9相对于动臂8的夹角;
所述第三夹角传感器15,被配置为用于测量挖掘机摇杆10相对于斗杆9的夹角;
所述智能控制终端,被配置为用于计算挖掘机螺旋钻5尖端的三维坐标,并与目标点坐标进行比较和可视化显示,从而引导操作者进行施工。
所述GNSS定位定向设备安装于挖掘机上部平台6,包括双GNSS天线1和GNSS接收机,所述GNSS定位定向设备通过确定双GNSS天线1的WGS-84坐标系坐标、双GNSS天线1之间的几何距离和双GNSS天线1所组成的基线的航向角来确定挖掘机的坐标和航向角。
所述双GNSS天线1包括GNSS主天线和GNSS副天线。
所述双轴姿态倾角仪3安装于挖掘机上部平台6,包括两个互相垂直安放的倾角传感器,所述双轴姿态倾角仪3通过测量其两条敏感轴与水平面之间的夹角来求得挖掘机的横滚角与俯仰角。
所述敏感轴由两个倾角传感器确定。
所述第一夹角传感器13安装于挖掘机上部平台6与动臂8连接的旋转轴12处,所述第二夹角传感器14安装于动臂8与斗杆9连接的旋转轴处,所述第三夹角传感器15安装于斗杆9与摇杆10连接的旋转轴处;
所述第一夹角传感器13、第二夹角传感器14和第三夹角传感器15为可测量角度变化的编码器,通过不断测量当前编码以确定各旋转轴的转动夹角。
所述智能控制终端包括触控显示屏、微处理器和数据接口,所述数据接口与各采集设备相连,所述微处理器用于对采集的数据进行处理从而获得挖掘机螺旋钻5尖端的三维坐标,所述触控显示屏用于实时显示螺旋钻5尖端的坐标和目标点坐标。
如图4所示,一种基于上述螺旋钻挖掘机辅助施工系统的施工方法,包括:
1)根据挖掘机坐标和航向角、挖掘机上部平台6的横滚角和俯仰角、挖掘机动臂8相对于上部平台6的夹角、挖掘机斗杆9相对于动臂8的夹角、挖掘机摇杆10相对于斗杆9的夹角以及挖掘机的几何设计参数,求得挖掘机螺旋钻5前端的三维坐标;
2)根据事先导入的施工图纸,在触控显示屏显示挖掘机在图纸上的位置和方向;
3)根据事先导入的施工方案,计算并显示螺旋钻5尖端与目标点位置的偏差,并通过提示引导操作手正确施工。
所述步骤1)中,挖掘机螺旋钻5前端的三维坐标的计算步骤包括:
1-1)定义坐标系;
1-2)根据双轴倾角仪3的输出特性,对其输出的俯仰角进行改化以适应整个挖掘机的姿态旋转需要,并根据改化后的俯仰角构造上部平台6横滚俯仰旋转矩阵;
1-3)根据上部平台6横滚俯仰旋转矩阵对GNSS输出的航向角进行改化,以适应整个挖掘机的姿态旋转需要,并根据改化后的航向角和上部平台6横滚俯仰旋转矩阵构造上部平台6姿态旋转矩阵;
1-4)根据第一夹角传感器13输出的平台6-动臂8夹角、第二夹角传感器输14出的动臂8-斗杆9夹角和第三夹角传感器15输出的斗杆9-摇杆10夹角计算螺旋钻5尖端的坐标增量;
1-5)根据上部平台6姿态旋转矩阵和螺旋钻5尖端的坐标增量计算WGS-84坐标系下的螺旋钻5尖端坐标。
所述步骤1-1)中,分别以当地东、北、上方向为X、Y、Z轴建立当地地平坐标系;Xveh、Yveh、Zveh分别为平行于上部平台的右、前、上方向,组成固连于挖掘机上部平台6的车身坐标系Cveh;X2D与Y2D组成二维的工作装置4坐标系Cwor,且两轴分别平行于Cveh的Y轴和Z轴,所述工作装置4为由动臂8、斗杆9、摇杆10、连杆11、螺旋钻头5、动臂油缸、斗杆油缸和摇杆油缸等组成的挖掘臂。
所述步骤1-2)中,俯仰角改化方程为:
其中,γ为双轴倾角仪3输出的横滚角;θcal为进行姿态旋转时所用的俯仰角;θobs为双轴倾角仪输出的俯仰角;
上部平台6横滚俯仰旋转矩阵Rroll+pitch的构造方程为:
Rroll+pitch=R2(γ)R1(θcal) (2)
其中,Ri(radian)表示绕笛卡尔坐标系第i轴旋转radian弧度的旋转矩阵。
所述步骤1-3)中,航向角改化方程为:
Brot=Rroll+pitchB (3)
ψcal=ψobs-αB (5)
注意,为保证描述的一致性,本申请中将航向角定义为起始于当地东方向以逆时针为正,xi或yi表示向量或坐标Pi在x或y轴上的分量;
其中,Brot为进行横滚俯仰旋转后的基线向量;B为在Cveh下的基线向量;arctan(y,x)对应C语言标准库中的方位角计算函数atan2(y,x),用于求得(x,y)与坐标系x轴的逆时针为正的夹角,不同于反正切函数;αB为横滚俯仰旋转后基线向量的航向角;ψcal为计算用的航向角;ψobs为GNSS设备测得的航向角;
上部平台6姿态旋转矩阵Rattitude的构造方程为:
Rattitude=R3(ψcal)Rroll+pitch (6)。
所述步骤1-4)中,根据第一夹角传感器13输出的平台6-动臂8夹角、第二夹角传感器14输出的动臂8-斗杆9夹角和第三夹角传感器15输出的斗杆9-摇杆10夹角计算得到在Cwor下动臂8与上部平台6之间旋转轴12到螺旋钻5尖端的坐标增量,包括:
如图3所示,首先由夹角观测值计算倾角观测值,令表示由三点组成的夹角,则公式如下:
α1=A1-π (7)
α2=α1+A2-π (8)
其中α1,α2,α3分别表示计算所得的动臂8倾角、斗杆9倾角和摇杆10倾角,A1,A2,A3分别表示夹角传感器输出的平台6-动臂8夹角、动臂8-斗杆9夹角和斗杆9-摇杆10夹角;
坐标增量计算公式如下,其中令表示Pi与Pj两点在设计上的距离,令Pi=[xi xj]T表示点的坐标,令表示Pi与Pj两点的方向角:
其中式(14)为求解P6的迭代公式,其中与为上一步迭代的结果,x6与y6为本次迭代的结果,关于P6初值的选取,可用P5点坐标相对于P3和P4点的连线做对称来作为初值,P6初值可表示为:
其中:
式(15)中P3至P7的方向由下式计算:
所述步骤1-5)中,首先将Cwor下的二维坐标增量转换为Cveh下的从主天线中心a1至螺旋钻5尖端的坐标增量公式如下:
其中为Cveh下由主天线a1至P1的坐标增量;
按下式计算螺旋钻5尖端的当地地平坐标系坐标pos8:
其中,G为GNSS设备测得的主天线坐标。
所述步骤2)中,通过智能控制终端根据各传感器的观测值计算挖掘机的位置和方向,所述挖掘机位置为挖掘机上部平台中央旋转轴2的位置,以此来在地图上表示挖掘机整体的位置,所述挖掘机方向是指挖掘机工作装置4的朝向,以此来在地图上表示挖掘机整体的朝向。
所述挖掘机通过控制下部的行走部分7进行挖掘机整体的位置的调整。
所述步骤3)中,偏差包括偏差量和偏差方向,根据偏差量和偏差方向在触控显示屏显示螺旋钻5尖端的移动方向和移动距离,从而引导操作手进行施工。
如图4所示,对于一点钻孔,由设计文件或手动输入获得目标点坐标,由各采集设备的输出数据结合算法获得螺旋钻5尖端坐标,在触控显示屏上显示两点的坐标差,辅助操作者到达目标点位置;显示器上通过图像显示螺旋钻5尖端与目标点重合的程度,待两点完全重合或在限差范围内后,输入孔深,开始钻孔;对于多点钻孔,完成第一个点的钻孔后,设置第一点为起算点,根据其他点与起算点的相对位置关系,依次找点钻孔。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已,并不用于限制本申请,对于本领域的技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种螺旋钻挖掘机辅助施工系统,其特征在于:包括GNSS定位定向设备、双轴姿态倾角仪、第一夹角传感器、第二夹角传感器、第三夹角传感器和智能控制终端;
所述GNSS定位定向设备,被配置为用于确定挖掘机的坐标和航向角;
所述双轴姿态倾角仪,被配置为用于测量挖掘机上部平台的横滚角与俯仰角;
所述第一夹角传感器,被配置为用于测量挖掘机动臂相对于上部平台的夹角;
所述第二夹角传感器,被配置为用于测量挖掘机斗杆相对于动臂的夹角;
所述第三夹角传感器,被配置为用于测量挖掘机摇杆相对于斗杆的夹角;
所述智能控制终端,被配置为用于计算挖掘机螺旋钻尖端的三维坐标,并与目标点坐标进行比较和可视化显示,从而引导操作者进行施工。
2.如权利要求1所述的一种螺旋钻挖掘机辅助施工系统,其特征在于,所述GNSS定位定向设备安装于挖掘机上部平台,包括双GNSS天线和GNSS接收机,所述GNSS定位定向设备通过确定双GNSS天线的WGS-84坐标系坐标、双GNSS天线之间的几何距离和双GNSS天线所组成的基线的航向角来确定挖掘机的坐标和航向角。
3.如权利要求1所述的一种螺旋钻挖掘机辅助施工系统,其特征在于,所述双轴姿态倾角仪安装于挖掘机上部平台,包括两个互相垂直安放的倾角传感器,所述双轴姿态倾角仪通过测量其两条敏感轴与水平面之间的夹角来求得挖掘机的横滚角与俯仰角。
4.如权利要求1所述的一种螺旋钻挖掘机辅助施工系统,其特征在于,所述第一夹角传感器安装于挖掘机上部平台与动臂连接的旋转轴处,所述第二夹角传感器安装于动臂与斗杆连接的旋转轴处,所述第三夹角传感器安装于斗杆与摇杆连接的旋转轴处;
所述第一夹角传感器、第二夹角传感器和第三夹角传感器为可测量角度变化的编码器,通过不断测量当前编码以确定各旋转轴的转动夹角。
5.如权利要求1所述的一种螺旋钻挖掘机辅助施工系统,其特征在于,所述智能控制终端包括触控显示屏、微处理器和数据接口,所述数据接口与各采集设备相连,所述微处理器用于对采集的数据进行处理从而获得挖掘机螺旋钻尖端的三维坐标,所述触控显示屏用于实时显示螺旋钻尖端的坐标和目标点坐标。
6.一种基于如权利要求1-5任一所述的螺旋钻挖掘机辅助施工系统的施工方法,其特征在于,包括:
1)根据挖掘机坐标和航向角、挖掘机上部平台的横滚角和俯仰角、挖掘机动臂相对于上部平台的夹角、挖掘机斗杆相对于动臂的夹角、挖掘机摇杆相对于斗杆的夹角以及挖掘机的几何设计参数,求得挖掘机螺旋钻前端的三维坐标;
2)根据事先导入的施工图纸,在触控显示屏显示挖掘机在图纸上的位置和方向;
3)根据事先导入的施工方案,计算并显示螺旋钻尖端与目标点位置的偏差,并通过提示引导操作手正确施工。
7.如权利要求6所述的一种螺旋钻挖掘机辅助施工系统的施工方法,其特征在于,所述步骤1)中,挖掘机螺旋钻前端的三维坐标的计算步骤包括:
1-1)定义坐标系;
1-2)根据双轴倾角仪的输出特性,对其输出的俯仰角进行改化,并根据改化后的俯仰角构造上部平台横滚俯仰旋转矩阵;
1-3)根据上部平台横滚俯仰旋转矩阵对GNSS输出的航向角进行改化,并根据改化后的航向角和上部平台横滚俯仰旋转矩阵构造上部平台姿态旋转矩阵;
1-4)根据第一夹角传感器输出的平台-动臂夹角、第二夹角传感器输出的动臂-斗杆夹角和第三夹角传感器输出的斗杆-摇杆夹角计算螺旋钻尖端的坐标增量;
1-5)根据上部平台姿态旋转矩阵和螺旋钻尖端的坐标增量计算WGS-84坐标系下的螺旋钻尖端坐标。
8.如权利要求6所述的一种螺旋钻挖掘机辅助施工系统的施工方法,其特征在于,所述步骤2)中,通过智能控制终端根据各传感器的观测值计算挖掘机的位置和方向,所述挖掘机位置为挖掘机上部平台中央旋转轴的位置,所述挖掘机方向是指挖掘机工作装置的朝向。
9.如权利要求6所述的一种螺旋钻挖掘机辅助施工系统的施工方法,其特征在于,所述步骤3)中,偏差包括偏差量和偏差方向,根据偏差量和偏差方向在触控显示屏显示螺旋钻尖端的移动方向和移动距离,从而引导操作手进行施工。
10.如权利要求6所述的一种螺旋钻挖掘机辅助施工系统的施工方法,其特征在于,对于一点钻孔,由设计文件或手动输入获得目标点坐标,由各采集设备的输出数据结合算法获得螺旋钻尖端坐标,在触控显示屏上显示两点的坐标差,辅助操作者到达目标点位置;显示器上通过图像显示螺旋钻尖端与目标点重合的程度,待两点完全重合或在限差范围内后,输入孔深,开始钻孔;对于多点钻孔,完成第一个点的钻孔后,设置第一点为起算点,根据其他点与起算点的相对位置关系,依次找点钻孔。
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