CN108594281A - 基于载波相位差分技术的挖掘设备水平定姿定位辅助方法 - Google Patents

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杨海马
张帆
何诗晶
肖尧
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    • G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
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    • G01S19/43—Determining position using carrier phase measurements, e.g. kinematic positioning; using long or short baseline interferometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
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Abstract

基于载波相位差分技术的挖掘设备水平定姿定位辅助方法，包括施工区域和挖掘头的空间GPS定位模块、挖掘头的定姿施工控制模块和挖掘空间位置辅助指示模块；采用GPS加上载波相位差分系统进行定位，包括挖掘头的实时坐标定位和定姿施工保持，在用户主机的显示模块上显示的水平面网格中对应实际的施工区域对应设置工作网格，根据挖掘头的实时坐标在显示模块中显示挖掘头在水平面网格中所处的当前网格位置。本方法解决了现有工程挖掘效率低，挖掘区域错误率高等缺陷，极大避免各种挖掘事故发生，也为很多不便观察和测量的挖掘施工区域带来施工便利；耗时少、并且可以根据现场施工要求及时灵活的调整施工操作；建设花费成本较低。

Description

基于载波相位差分技术的挖掘设备水平定姿定位辅助方法
技术领域
本发明涉及姿态定位领域，涉及一种基于载波相位差分技术的挖掘设备水平定姿定位辅助方法。
背景技术
近年来，基于定位的服务(LBS，Location Based Services)被广泛认为是信息产业发展的一个重要趋势，目前，LBS中位置的获取主要是依靠GPS(Global PositioningSystem，全球卫星定位系统)为主要代表的全球卫星导航系统(Global NavigationSatellite System，GNSS)，GNSS具有定位精度高、全球24小时可用，以及不易受天气等因素影响的优势但卫星导航系统本身具有信号弱、易受遮挡的先天性不足，这使得GNSS的应用场景大大受限，例如在市区的街道和高架桥下等区域，其定位性能将严重受限，在室内、地下等区域将几乎彻底失效。因此，基于蜂窝移动通信网络、WLAN网络、视觉等方式的定位手段应用而生，这些辅助定位手段通常作为卫星导航的一种辅助定位方式，在连续性、精度等方面对卫星导航进行增强。
辅助定位技术是一种结合了网络基站信息和GPS信息对终端进行定位的技术，与普通GPS定位相比，具有定位速度快、精度高的优点。在室外等空旷地区，辅助定位系统精度在正常的GPS工作环境下，可达10米左右，是目前定位精度较高的一种定位技术。辅助定位手段通常作为卫星导航的一种辅助定位方式，在连续性、精度等方面对卫星导航进行增强。
目前，定位辅助系统已经得到了越来越广泛的应用。但是在挖掘设备定位辅助这块受到了一定的限制。现有的挖掘设备包括：动力装置、工作装置、回转机构等，用铲斗挖掘高于或低于承机面的物料，并装入运输车辆或卸至堆料场的土方机械。但是，大部分挖掘设备外观整体结构设计老套，工程挖掘主要依赖于驾驶员的个人感觉来进行挖掘，这种方法工作量大，周期长。挖掘设备无法对需要挖掘的区域实现精准的挖掘，挖掘精度低，耗时大以及调整技术要求比较困难，花费成本昂贵。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于载波相位差分技术的挖掘设备水平定姿定位辅助方法，以解决现有工程挖掘效率低，挖掘区域错误率高等缺陷，极大避免各种挖掘事故发生，也为很多不便观察和测量的挖掘施工区域带来施工便利。
本发明是通过以下技术方案实现的：
基于载波相位差分技术的挖掘设备水平定姿定位辅助方法，其特征在于：包括施工区域和挖掘头的空间GPS定位模块、挖掘头的定姿施工控制模块和挖掘空间位置辅助指示模块；
所述施工区域和挖掘头的空间GPS定位模块：采用GPS加上载波相位差分系统进行定位，包括基准站和流动站,基准站的接收机执行两个操作：1)接收GPS卫星信号，2)把采集的载波相位观测量发送给流动站；流动站的接收机执行三个操作：1)接收GPS卫星信号，2)接收基准站所发送的基准站观测量，3)对卫星信号与基准站观测量进行对比处理，从而对自己的观测量进行修正并传送给用户主机；
所述挖掘头的定姿施工控制模块：包括挖掘头的实时坐标定位和定姿施工保持，其中，挖掘头的实时坐标定位是以基准站为原点O建立三维坐标系，将挖掘头的关节坐标变换与空间GPS定位相结合，用户主机根据挖掘机头所处的坐标点相对于任意两个不同方位点距离变化，计算挖掘头的实时坐标信息，从而定位挖掘头的实时坐标；定姿施工保持是在关节坐标运算后，用户主机控制挖掘设备的主臂、次臂做出相应动作以维持挖掘头始终保持固定的工作姿态，垂直施工；
所述挖掘空间位置辅助指示模块：在用户主机的显示模块上显示的水平面网格中对应实际的施工区域对应设置工作网格，包括设定施工平面形状和位置保护点；用户主机根据挖掘头的实时坐标在显示模块中显示挖掘头在水平面网格中所处的当前网格位置；施工人员根据挖掘头的当前网格位置，通过水平面网格辅助进行施工设计及布局，并对挖掘头进行施工指示、越界提醒指示。
进一步的，所述显示模块为点阵液晶屏，显示内容包括字符、汉字、图形和曲线中的一种或多种，显示内容包括施工区域的形状、施工区域在水平面网格内的边缘位置、挖掘头在水平面网格内的工作路径、挖掘头所处的当前网格位置和在已挖掘过的工作网格内的挖掘深度及挖掘量。通过液晶屏上的水平面网格辅助显示施工区域和挖掘头的定位信息，能够使施工人员更加直接准确的了解工作状态和工作进步，并及时通过用户主机指导挖掘工作，从而提高挖掘精度，同时也减少了施工区域场地上辅助施工人员的工作量。此外，液晶屏显示的信息多，可显示字符、汉字，也可以显示图形和曲线，且容易与微处理器接口。在机械设备控制和自动生产线中，液晶显示屏用于显示工作参数，用图形来显示设备及设备和生产线的工作过程。如果用320×240坐标纸先绘出设备的图形，然后采用每8个点构成一个字节，用一对一的方式与屏幕显示点相对应，而一屏图形所占存储单元计有320×240＝9600个字节，若有多幅图形，则所需存储容量成倍增加。
进一步的，所述挖掘头上设有用于监控实时姿态信息的姿态传感器，姿态传感器实时输出以四元数、欧拉角表示的零漂移三维姿态数据，用户主机根据姿态传感器的监控信息控制挖掘设备的主臂、次臂做出相应动作以维持挖掘头始终保持固定的工作姿态，垂直施工。基于MEMS技术的高性能姿态传感器能够在动态环境下启动，真正的低功耗，实测17mA；高速数据输出率，最高500Hz，全角度无盲区三维姿态方位数据输出给用户主机。
再进一步，所述用户主机根据姿态传感器的监控信息通过显示模块实时显示挖掘头的空间姿态，施工人员根据显示的挖掘头空间姿态进行施工指导、越界提醒等辅助指示。图像显示直观明了，便于操作，无需其它现场人员在旁协助。
进一步的，所述挖掘头的实时坐标信息包括挖掘头的实时坐标点及平面角度；所述平面角度是指挖掘头的实时坐标点与原点O之间的连线和坐标系X向之间的夹角。将关节坐标变换与GPS相结合，通过定姿公式，能够准确定位挖掘头的姿态信息。对使用环境要求不高、适于现场测量和在线测量，应用广泛，测量功能强，测量精度高。
进一步的，流动站对实际的施工区域进行空间GPS定位并传送给用户主机，用户主机将实际的施工区域的空间GPS定位对应设置在水平面网格内，形成工作网格并显示于显示模块上，从而获得水平面网格中的施工平面形状和位置保护点。通过流动站对实际的施工区域进行精确定位，将实际的施工区域显示在辅助的水平面网格上，直观明了的显示施工区域的形状及大小，也便于通过水平面网格对挖掘头辅助进行施工设计及布局，并对挖掘头进行施工指示、越界提醒指示。
进一步的，所述工作网格是由施工人员通过画图笔在显示模块的水平面网格内设定并对应实际的施工区域。1)施工人员可以用画图笔在显示模块的水平网格面上设定施工平面，形成对应实际的施工区域的工作网格；2)工作人员可以手持移动GPS终端即流动站设定位置保护点；3)可以支持不规则施工区的设定。
进一步的，所述工作网格包括实际的施工区域边界线所在的边界网格和被边界网格包围在内部的、被实际的施工区域全部覆盖的内部网格，所述的位置保护点为内部网格。挖掘设备的传动回路中安装有蓄能器，随着转速的增加，回转马达所需的流量也增加。设置位置保护点后，有条理的进行挖掘，由于阻力和液压制动的作用，转台速度慢慢降低，从而达到与液压泵的流量相符合的速度进行挖掘，使传动过程受力较均匀，对链轮的磨损减轻，保护挖掘高效率有序进行，而且可以延长挖掘机使用寿命。
进一步的，所述流动站的观测量通过移动基站由串口输出，经客户的数传电台传送给用户主机。
本发明的有益效果在于：
1、解决了现有挖掘设备挖掘效率低，挖掘区域错误率高等缺陷，极大避免各种挖掘事故发生，也为很多不便观察和测量的挖掘施工区域带来施工便利；
2、耗时少、并且可以根据现场施工要求及时灵活的调整施工操作；
3、建设花费成本较低。
附图说明
图1为本方法一种实施例中的流程示意图。
图2为挖掘头的一种实时坐标定位定姿实施例的原理示意图。
图3为实际的施工区域和挖掘头实时坐标在显示模块水平面网格中的位置示意图
图4为坐标辅助显示的屏幕显示点地址的排列与坐标轴的确定。
图5为水平面网格中坐标辅助显示的显示字节位单元与位单元坐标值。
图6为本方法的一种挖掘设备布置方式示意图
图2、6中：1为主臂，2为次臂，3为姿态传感器，4为通讯线缆，5为驾驶室，6为用户主机，7为旋转车体，8为挖掘机底盘，9为挖掘头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
以下将结合附图对本实施例所提供的基于载波相位差分技术的挖掘设备水平定姿定位辅助方法进行详细描述。
如图6所示的实施例所示挖掘设备，包括：挖掘机底盘8、旋转车体7、驾驶室5、主臂1、次臂2以及通讯线缆4、传感器3、挖掘头9等；本辅助系统的核心为GPS加上载波相位差分系统和姿态传感装置，定位精度的高低取决于GPS接收机的性能。为兼顾系统可靠工作，具有友好的人机接口，驾驶室中利用工控一体机显示屏辅助显示当前挖掘头的空间姿态，指导挖掘工作。
定位模式采用基准站加流动站，采用GPS加上载波相位差分系统(RTK)进行定位，基准站的接收机执行两个操作：1)接收GPS卫星信号，2)把采集的载波相位观测量发送给流动站；流动站的接收机执行三个操作：1)接收GPS卫星信号，2)接收基准站所发送的基准站观测量，3)对卫星信号与基准站观测量进行对比处理，从而对自己的观测量进行修正并传送给用户主机。
基准站需要架设在一个观测条件比较好(上空视野，周围无干扰)的地方然后流动站就可以运动定位，精度在0.05m/12H。移动站数据输出频率5Hz。移动站的数据由串口输出，经用户的数传电台传送给用户主机。
如图1所示的操作程示意图，本实施例应用于对野外的一施工区域进行挖掘，如图2所对应的挖掘头实时坐标定位模型，为了坐标测量方便，主臂1和次臂2均使用测量臂模型。
S11，S12，上电开关打开，查看通信状态灯，闪烁则表示连接正常。GPS工程挖掘头已接收正常信号，实时通信状态指示。
S13，空间GPS进行动作测试，触发动作测试键，主臂1、次臂2做对应动作，姿态传感器指示正常，则表示线路正常；
在本实施例中，所述S13包括：
(1)S131，GPS进行动作测试。
在本实施例中，对这一施工区域定位模式采用基准站加流动站模式，基准站的接收机接收卫星信号，接着把自己的对这一施工区域的观测量发送给流动站；然后流动站接收卫星信号、接收基准站所发送的基准站观测量，最后对卫星信号与基准站观测量进行对比处理，从而对自己的观测量进行修正。然后流动站就可以运动定位、对实际的施工区域进行空间GPS定位，经客户的数传电台传送给客户主机。
(2)S132，触发动作测试键，主臂1、次臂2做对应动作。
在本实施例中，先进行关节坐标运算，接着主臂1、次臂2做出相应动作。对于关节坐标运算，采取的坐标变换将关节坐标变换与GPS相结合，推导出一个完整的定姿公式，能够准确定位挖掘头的姿态信息，从而方便驾驶室的施工人员通过用户主机控制主次臂关节精准灵活定位挖掘。如图2所示：
GPS中：a为椭球元素。设基准站于点O，任一点A为方位点。设A＝(XA，YA，ZA)，此时A的大地坐标为(BA，LA，hA)，即：
由上式(1)，(2)，(3)可以解出任一点A的坐标(XA，YA，ZA)。
设基准站于点O，任一点B为方位点，设B＝(XB，YB，ZB)，此时A的大地坐标为(BB，LB，hB)，同理可得：
即由上式(4)，(5)，(6)可以解出任一点B的坐标(XB，YB，ZB)。
如图2，设任一方位点A与M点之间的距离为DAM，任一方位点B与M点之间的距离为。DBM挖掘机头所处的坐标为M＝(X0，Y0，Z0)
由两点间的距离公式：
(X0-XA)(YB-YA)＝(Y0-YA)(XB-XA)(9)
即可得：
结合上式(10)，(11)(12)可以得到挖掘机头所处的坐标点(X0，Y0，Z0)。
根据图2，即可得挖掘机头平面角度即其中：平面角度是指挖掘头的实时坐标点与原点O之间的连线和坐标系X向之间的夹角。在本实施例中，使用关节坐标变换与GPS相结合，推导出上述定位姿态公式，准确定位挖掘头的位置姿态信息。
S14，S15，S16按开始设置键，如图3所示实施例，开始对施工区域进行网格设置工作：1)施工人员可以用画图笔在液晶屏(即显示模块)的水平网格面上设定施工平面，形成对应实际的施工区域的工作网格；2)工作人员可以手持移动GPS终端(即流动站)设定位置保护点；3)可以支持不规则施工区的设定。
设置工作网格结束，点开始进行辅助指示工作；实时指示当前挖掘头所处的网格位置，通过用户界面可完成网格辅助设计、布局，施工指示、越界提醒等功能。
在本实施例中，运用点阵液晶显示模块来进行平板坐标辅助显示。点阵液晶显示模块显示点的存储地址不是按照常规坐标轴的方式来进行排列，首先需在屏幕上建立直角坐标系。(h表示16进制)以320×240点阵液晶显示模块为例，共有F0H(240)行，28H×08H(320)列。屏幕任意显示字节用Adhij来表示，其地址Adhij与屏幕直角16进制坐标(Xhi,Yhj)之间的关系如图4所示，设第hi行起始地址为Adhsi,Adhsi与Yh坐标的值Yhi之间的关系：Adhsi＝Yhi×8H。第hj列字节号为Adhrj，则屏幕上任意显示字节地址Adhij＝Adhsi+Adhrj。
由于每一个显示字节由8个显示位单元组成,排列按照n＝7,6…0；坐标值的排列应是1,2，…8，如图5所示，则k＝8-n；根据图4和图5可以推导出：
Yhi＝hi＝取整(Adhij/28H) (13)
Adhrj＝Adhij-hi×28H (14)
Xhj＝Adhrj×08H-1+8-n＝Adhrj+7-n＝Adhrj×08H+k-1 (15)
式(15)中-1是因为屏幕第一列显示的是Yh轴，即Xh＝0，故需-1才能得到正确的坐标值。将上面(13)～(15)3个式子得到的Xhj，Yhi转换为十进制数，得到十进制坐标(X,Y)。
若已知(X，Y)点，求出该点的屏幕显示地址，首先将X，Y转化为Xh，Yh，然后按下列式子计算：
Adhsi＝Yhi×28H (16)
Adhrj＝取整(Xhj/08H) (17)
k＝Xhi-Adhrj·08H+1:n＝8-k (18)
Adhij.n＝(Adhsi+Adhrj).n (19)
如图3所示的显示模块的显示界面上，本实施例提供的对一片施工区域(图中阴影部分)进行挖掘，用户主机有效的将定位空间识别定位为5*5m为单位的水平面网格，再根据流动站的观测量在水平面网格内将实际的施工区域对应设置为工作网格，并在工作网格内打27个位置保护点，即由边界网格包围在内部的、被实际的施工区域全部覆盖的27个内部网格，对挖掘头的空间定位精度优于0.1m；挖掘头施工尺寸1.3*0.8m，垂直施工；施工人员通过用户主机完成网格辅助设计、布局；然后，用户主机根据流动站的观测量将挖掘头的实时坐标在水平面网格中显示其所处的当前网格位置，便于施工人员再对挖掘设备进行施工指示、越界提醒等功能；此外，用户主机还根据姿态传感器的监控信息控制挖掘设备的主臂1、次臂2做出相应动作以维持挖掘头始终保持固定的工作姿态，垂直施工，从而能够在短时间内高效率的对这一施工区域进行挖掘，有效的完成施工设备挖掘头空间姿态的定位指示功能。

Claims (10)

1.基于载波相位差分技术的挖掘设备水平定姿定位辅助方法，其特征在于：包括施工区域和挖掘头的空间GPS定位模块、挖掘头的定姿施工控制模块和挖掘空间位置辅助指示模块；
所述施工区域和挖掘头的空间GPS定位模块：采用GPS加上载波相位差分系统进行定位，包括基准站和流动站,基准站的接收机执行两个操作：1)接收GPS卫星信号，2)把采集的载波相位观测量发送给流动站；流动站的接收机执行三个操作：1)接收GPS卫星信号，2)接收基准站所发送的基准站观测量，3)对卫星信号与基准站观测量进行对比处理，从而对自己的观测量进行修正并传送给用户主机；
所述挖掘头的定姿施工控制模块：包括挖掘头的实时坐标定位和定姿施工保持，其中，挖掘头的实时坐标定位是以基准站为原点O建立三维坐标系，将挖掘头的关节坐标变换与空间GPS定位相结合，用户主机根据挖掘机头所处的坐标点相对于任意两个不同方位点距离变化，计算挖掘头的实时坐标信息，从而定位挖掘头的实时坐标；定姿施工保持是在关节坐标运算后，用户主机控制挖掘设备的主臂、次臂做出相应动作以维持挖掘头始终保持固定的工作姿态，垂直施工；
所述挖掘空间位置辅助指示模块：在用户主机的显示模块上显示的水平面网格中对应实际的施工区域对应设置工作网格，包括设定施工平面形状和位置保护点；用户主机根据挖掘头的实时坐标在显示模块中显示挖掘头在水平面网格中所处的当前网格位置；施工人员根据挖掘头的当前网格位置，通过水平面网格辅助进行施工设计及布局，并对挖掘头进行施工指示、越界提醒指示。
2.根据权利要求1所述的基于载波相位差分技术的挖掘设备水平定姿定位辅助方法，其特征在于：所述显示模块为点阵液晶屏，显示内容包括字符、汉字、图形和曲线中的一种或多种，显示内容包括施工区域的形状、施工区域在水平面网格内的边缘位置、挖掘头在水平面网格内的工作路径、挖掘头所处的当前网格位置和在已挖掘过的工作网格内的挖掘深度及挖掘量。
3.根据权利要求1所述的基于载波相位差分技术的挖掘设备水平定姿定位辅助方法，其特征在于：所述挖掘头上设有用于监控实时姿态信息的姿态传感器，姿态传感器实时输出以四元数、欧拉角表示的零漂移三维姿态数据，用户主机根据姿态传感器的监控信息控制挖掘设备的主臂、次臂做出相应动作以维持挖掘头始终保持固定的工作姿态，垂直施工。
4.根据权利要求3所述的基于载波相位差分技术的挖掘设备水平定姿定位辅助方法，其特征在于：所述用户主机根据姿态传感器的监控信息通过显示模块实时显示挖掘头的空间姿态，施工人员根据显示的挖掘头空间姿态进行施工指导。
5.根据权利要求1所述的基于载波相位差分技术的挖掘设备水平定姿定位辅助方法，其特征在于：所述挖掘头的实时坐标信息包括挖掘头的实时坐标点及平面角度；所述平面角度是指挖掘头的实时坐标点与原点O之间的连线和坐标系X向之间的夹角。
6.根据权利要求1所述的基于载波相位差分技术的挖掘设备水平定姿定位辅助方法，其特征在于：所述流动站对实际的施工区域进行空间GPS定位并传送给用户主机，用户主机将实际的施工区域的空间GPS定位对应设置在水平面网格内，形成工作网格并显示于显示模块上，从而获得水平面网格中的施工平面形状和位置保护点。
7.根据权利要求1所述的基于载波相位差分技术的挖掘设备水平定姿定位辅助方法，其特征在于：所述工作网格是由施工人员通过画图笔在显示模块的水平面网格内设定并对应实际的施工区域。
8.根据权利要求1所述的基于载波相位差分技术的挖掘设备水平定姿定位辅助方法，其特征在于：所述工作网格包括实际的施工区域边界线所在的边界网格和被边界网格包围在内部的、被实际的施工区域全部覆盖的内部网格，所述的位置保护点为内部网格。
9.根据权利要求1所述的基于载波相位差分技术的挖掘设备水平定姿定位辅助方法，其特征在于：所述流动站(2)的观测量数据通过移动基站由串口输出，经客户的数传电台传送给用户主机。
10.根据权利要求1所述的基于载波相位差分技术的挖掘设备水平定姿定位辅助方法，其特征在于：所述流动站为手持移动GPS终端。
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