CN109262619A - 一种工程机械定位方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种工程机械定位方法及系统，其中，该方法包括：步骤一、通过调整工程机械的机械臂，使得工程机械的指定臂架的延伸方向与导向激光的方向平行；步骤二、获取指定臂架与工程机械本体之间各个机械臂的相对位置关系数据以及导向激光的导向激光姿态数据，根据相对位置关系数据以及导向激光姿态数据确定工程机械本体的姿态数据。本方法通过使得指定臂架与导向激光平行，以此利用导向激光来确定出指定臂架在隧道空间坐标系下的姿态，进而根据各个臂架之间的相对位置关系来确定出工程机械本体在隧道空间坐标系下的姿态。本方法对于测量环境的要求更低，这样也就能够有效提高整个系统的适应性，使得该系统以及方法能够应用于诸多条件恶劣的工况下。
Description
技术领域
本发明涉及工程定位技术领域，具体地说，涉及一种工程机械定位方法及系统。
背景技术
在智能建造施工中，为实现工程机械的自动化施工，首先需确定和保持设备的位置和姿态，这样才能够提高自动化施工的精度和质量。其中，对于工程机械的姿态测量是其主要难点，因此在工程机械的施工过程中也就需要配备定位系统。
目前工程机械的定位主要通过全站仪定位系统来实现，基于全站仪的定位系统具有自动化程度高、精度好等特点。但这种测量定位系统的结构较为复杂、成本较高，且不具有较好的防爆特性，因此在实际应用中也受到了一定限制。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种工程机械定位方法，所述方法包括：
步骤一、通过调整工程机械的机械臂，使得所述工程机械的指定臂架的延伸方向与导向激光的方向平行；
步骤二、获取所述指定臂架与所述工程机械本体之间各个机械臂的相对位置关系数据以及所述导向激光的导向激光姿态数据，根据所述相对位置关系数据以及导向激光姿态数据确定所述工程机械本体的姿态数据。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤一中，
将结构相同的第一标靶和第二标靶设置在所述指定臂架上，并且使得分别形成在两个标靶中心的孔洞的连线与所述指定臂架的延伸方向平行；
调整所述工程机械的机械臂，使得所述导向激光同时穿过所述第一标靶和第二标靶的孔洞。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤二中，获取所述工程机械的各个关节的角度数据，从而得到所述相对位置关系数据。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤二中，利用安装在各个关节位置的角度传感器来获取所述各个关节的角度数据。
根据本发明的一个实施例，所述工程机械本体的姿态数据包括所述工程机械本体在隧道空间坐标系中的姿态角。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤二中，
根据所述各个关节的角度数据分别生成各个臂架在其后一臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵以及工程机械本体在与工程机械本体连接关系最为靠近的第一臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵；
根据各个姿态矩阵确定所述工程机械本体的姿态数据。
根据本发明的一个实施例，当第个臂架所对应的坐标系相对第个臂架所对应的坐标系作绕X轴的转动时，所述第个臂架在第个臂架所对应的坐标系的姿态矩阵为：
当第个臂架所对应的坐标系相对第个臂架所对应的坐标系作绕Y轴的转动时，所述第个臂架在第个臂架所对应的坐标系的姿态矩阵为：
当第个臂架所对应的坐标系相对第个臂架所对应的坐标系作绕Z轴的转动时，所述第个臂架在第个臂架所对应的坐标系的姿态矩阵为：
其中，表示第个臂架在第个臂架所对应的坐标系的姿态矩阵，表示第个关节的转动角度。
根据本发明的一个实施例，所述工程机械本体的姿态数据包括所述工程机械本体在隧道空间坐标系中的Z-Y-X欧拉角，根据如下表达式确定所述导向激光在隧道空间坐标系下的姿态矩阵：
其中，表示导向激光在隧道空间坐标系下的姿态矩阵，其中， 、和表示所述导向激光在隧道空间坐标系中的欧拉角。
根据本发明的一个实施例，根据如下表达式确定工程机械本体在第一臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵：
其中，表示工程机械本体在第一臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤二中，根据如下表达式确定所述工程机械本体的姿态数据：
其中，、和表示工程机械本体在隧道空间坐标系下的欧拉角，表示工程机械本体在隧道空间坐标系下的姿态矩阵，表示第臂架在第臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵，表示臂架总数，表示第臂架在隧道空间坐标系下的姿态矩阵。
本发明还提供了一种工程机械定位系统，所述系统包括：
激光发射设备，其用于向指定方向发射导向激光，并根据所述导向激光的方向生成相应的导向激光姿态数据；
结构相同的第一标靶和第二标靶，所述第一标靶和第二标靶的中心形成有孔洞，在测量过程中，所述第一标靶和第二标靶设置在所述工程机械的指定臂架上，并且两个标靶的孔洞的连线与所述指定臂架的延伸方向平行；
定位装置，其与安装在所述工程机械的各个关节上的角度传感器和所述激光发射设备连接，用于根据所述角度传感器传输来的各个关节的角度数据和所述导向激光姿态数据确定工程机械本体的姿态数据。
根据本发明的一个实施例，在对工程机械进行定位的过程中，所述导向激光同时穿过所述第一标靶和第二标靶的孔洞。
根据本发明的一个实施例，所述工程机械定位系统包括三个以上标靶，在测量过程中，各个标靶均设置在所述工程机械的指定臂架上，各个标靶的孔洞共线，且标靶孔洞的连线与所述指定臂架的延伸方向平行。
根据本发明的一个实施例，所述激光发射设备包括：
激光发射器，其用于产生并向外发射激光；
导向激光姿态数据生成装置，其与所述激光发射器连接，用于根据所述导向激光的方向生成所述导向激光姿态数据。
根据本发明的一个实施例，所述工程机械本体的姿态数据包括所述工程机械本体在空间坐标中的姿态角。
根据本发明的一个实施例，所述定位装置包括：
姿态矩阵生成模块，其与所述角度传感器和激光发射设备连接，用于根据所述导向激光姿态数据确定所述导向激光在隧道空间坐标系下的姿态矩阵，从而得到安装所述第一标靶和第二标靶的臂架在所述隧道空间坐标系下的姿态矩阵，还用于根据各个关节的角度数据分别生成各个臂架在其后一臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵以及工程机械本体在与工程机械本体连接关系最为靠近的第一臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵；
工程机械姿态定位模块，其与所述姿态矩阵生成模块连接，用于根据各个姿态矩阵确定所述工程机械本体的姿态数据。
根据本发明的一个实施例，
当第个臂架所对应的坐标系相对第个臂架所对应的坐标系作绕X轴的转动时，所述第个臂架在第个臂架所对应的坐标系的姿态矩阵为：
当第个臂架所对应的坐标系相对第个臂架所对应的坐标系作绕Y轴的转动时，所述第个臂架在第个臂架所对应的坐标系的姿态矩阵为：
当第个臂架所对应的坐标系相对第个臂架所对应的坐标系作绕Z轴的转动时，所述第个臂架在第个臂架所对应的坐标系的姿态矩阵为：
其中，表示第个臂架在第个臂架所对应的坐标系的姿态矩阵，表示第个关节的转动角度。
根据本发明的一个实施例，所述工程机械本体的姿态数据包括所述工程机械本体在隧道空间坐标系中的Z-Y-X欧拉角，所述姿态矩阵生成模块配置为根据如下表达式确定所述导向激光在隧道空间坐标系下的姿态矩阵：
其中，表示导向激光在隧道空间坐标系下的姿态矩阵，其中，、和表示所述导向激光在在空间坐标中的姿态角。
根据本发明的一个实施例，所述姿态矩阵生成模块配置为根据如下表达式确定工程机械本体在第一臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵：
其中，表示工程机械本体在第一臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵。
根据本发明的一个实施例，所述定位装置配置为根据如下表达式确定所述工程机械本体的姿态数据：
其中，、和表示工程机械本体在隧道空间坐标系下的欧拉角，表示工程机械本体在隧道空间坐标系下的姿态矩阵，表示第臂架在第臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵，表示臂架总数，表示第臂架在隧道空间坐标系下的姿态矩阵。
本发明所提供的工程机械定位系统以及定位方法通过使得指定臂架与导向激光平行，以此利用导向激光来确定出指定臂架在隧道空间坐标系下的姿态，进而根据各个臂架之间的相对位置关系来确定出工程机械本体在隧道空间坐标系下的姿态。
相较于现有定位系统，本系统的结构更为简单，这样也就可以使得整个激光定位系统的体积更小，同时也使得整个系统的成本得以降低。同时，本系统以及方法在对工程机械进行定位时，其能够实现对工程机械的姿态的自动测量，这样也就有效降低工程机械定位的难度以及成本。
此外，本发明所提供的定位系统以及定位方法由于是通过使得指定臂架与导向激光平行来确定指定臂架在空间坐标系中的姿态，因此相较于现有系统以及方法，其对于测量环境的要求更低，这样也就能够有效提高整个系统的适应性，进而使得该系统以及方法能够应用于诸多条件恶劣的工况下。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：
图1是根据本发明一个实施例的工程机械定位系统的机构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的标靶的结构示意图；
图3是根据本发明一个实施例的工程机械的简化示意图；
图4是根据本发明一个实施例的工程机械的各个关节的坐标系示意图；
图5是根据本发明一个实施例的工程机械定位方法的实现流程示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。
另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
通过检索发现，现有技术中存在由电子科技大学申请的名称为“一种用激光对目标物进行定位的装置及方法”（申请号201710524626.6）的发明专利。该装置包括激光发射器、陀螺仪、激光接收器、距离计算模块和坐标计算模块，其原理是利用激光分布函数的形式来实现水下目标的定位。该装置能够仅仅利用激光传输的属性来进行相关测量，并借助陀螺仪对目标的连接方向进行微调，使得测量的距离数据准确度高，并且可以在激光传输的有效范围内实现任意距离目标的定位。
同时，现有技术中还存在由合肥通彩自动化设备有限公司申请的名称为“一种激光定位系统及方法”（申请号201711205169.0）的发明专利。该系统包括用于控制各个模块运行的控制模块、用于对目标进行定位的激光定位模块、用于数据输入的操作模块、用于与其他远程终端连接的无线收发模块、用于对收集处理的数据进行存储的数据存储模块、用于根据定位目标发出执行指令的定位执行模块、用于接收定位执行模块发出的指令并将指令转换成实际动作的电机驱动模块、用于对改变后的位置进行信号反馈的位置反馈模块。该系统通过远程终端可以控制整个系统的运行，使用者可以灵活使用该激光定位系统，在进行激光定位时，具有自动校准功能，保证了定位的精准度。
然而，现有的这些激光定位系统都存在着结构复杂的问题，这样不仅造成了激光定位系统的体积过大，同时也使得整个系统的成本过高。此外，现有的激光定位系统还不具有良好的防爆特性，这也同样限制了该系统的应用。
针对现有技术中所存在的问题，本发明提供了一种新的工程机械定位系统以及定位方法，该系统以及方法能够基于导向激光来实现对工程机械本体的姿态定位，从而确定出工程机械本体的相关姿态数据。
图1示出了本实施例所提供的工程机械定位系统的结构示意图，该图为一俯视图。
如图1所示，本实施例所提供的工程机械定位系统优选地包括：激光发射设备101、结构相同的第一标靶102和第二标靶103以及定位装置104。其中，激光发射设备101用于向指定方向发射导向激光，并根据该导向激光的方向生成相应的导向激光姿态数据。
具体地，本实施例中，激光发射设备101优选地包括激光发射器和导向激光姿态数据生成装置。其中，激光发射器用于产生并向外发射激光，而导向激光姿态数据生成装置与激光发射器连接，其能够根据导向激光来生成导向激光姿态数据。本实施例中，导向激光姿态数据优选地包括导向激光在隧道空间坐标系中的姿态角（例如Z-Y-X欧拉角、和）。
当然，在本发明的其他实施例中，导向激光姿态数据还可以包含其他合理数据，抑或是采用其他合理数据来表征，本发明不限于此。例如，在本发明的一个实施例中，导向激光姿态数据还可以包含诸如激光发射器在隧道空间坐标系下的位置坐标等数据。
如图2所示，本实施例中，第一标靶102和第二标靶103的中心都有孔洞201。其中，孔洞201的直径优选地较激光发射器所产生的导向激光的光斑直径略大，这样导向激光也就可以不受遮挡地穿过第一标靶102和第二标靶103的孔洞。
在测量过程中，第一标靶102和第二标靶103均设置在工程机械的指定臂架（例如第三臂架105_3）上，并且两个标靶的孔洞的连线与指定臂架的延伸方向平行。在对工程机械进行定位的过程中，通过调整工程机械的臂架可以使得导向激光同时穿过第一标靶102和第二标靶103的孔洞，而又由于第一标靶与第二标靶的孔洞的连线与指定臂架的延伸方向平行，因此此时该指定臂架在隧道空间坐标系下的姿态也就与导向激光在隧道坐标系下的姿态相同，这样也就实现了对该指定臂架的姿态的定位。本实施例中，臂架也即指代机械臂。
需要指出的是，为了保证对指定臂架的姿态定位的准确性，本实施例中，第一标靶102和第二标靶103中孔洞的直径不能相较于导向激光的光斑的直径过大。而标靶中孔洞的具体尺寸可以基于上述原则来根据导向激光的光斑直径来具体确定，本发明并不对标靶中孔洞的具体尺寸进行限定。
同时，还需要指出的是，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，该定位系统还可以包含三个以上结构相同的标靶。在测量过程中，各个标靶均设置在工程机械的指定臂架（例如第三臂架105_3）上，此时各个标靶的孔洞同样共线，且标靶孔洞的连线与指定臂架的延伸方向平行。
本实施例中，定位装置104与安装在工程机械的各个关节上的角度传感器和激光发射设备104连接。定位装置104能够通过角度传感器来获取各个关节的角度数据，即获得各个臂架相对于其相邻臂架（例如第一臂架105_1与第二臂架105_2，第二臂架105_2与第三臂架105_3等）的转角数据。而根据各个关节的角度数据以及导向激光姿态数据，定位装置104也就可以确定出工程机械本体的姿态数据。
具体地，本实施例中，工程机械本体的姿态数据优选地包括工程机械本体106在隧道空间坐标系统中的姿态角（例如欧拉角、和）。
本实施例中，定位装置104优选地会根据各个关节的角度数据分别生成各个臂架在其后一臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵以及工程机械本体在与工程机械本体连接关系最为靠近的第一臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵，随后根据各个姿态矩阵以及导向激光姿态数据确定所述工程机械本体的姿态数据。
本实施例中，当第个臂架所对应的坐标系相对第个臂架所对应的坐标系作绕X轴的转动（即第个关节坐标系相对于第个关节坐标系作绕X轴的转动）时，第个臂架在第个臂架所对应的坐标系的姿态矩阵为：
当第个臂架所对应的坐标系相对第个臂架所对应的坐标系作绕Y轴的转动时，所述第个臂架在第个臂架所对应的坐标系的姿态矩阵为：
当第个臂架所对应的坐标系相对第个臂架所对应的坐标系作绕Z轴的转动时，所述第个臂架在第个臂架所对应的坐标系的姿态矩阵为：
其中，表示第个臂架在第个臂架所对应的坐标系的姿态矩阵，表示第个关节的转动角度。
例如，对于如图3所示的工程机械的简化示意图（该图为侧视图）来说，其机械臂以及各个关节坐标系的关系示意图。如图3所示，该工程机械包含有六个机械臂，各个机械臂之间采用关节连接。其中，第一机械臂与第二机械臂之间采用第一关节F连接，第二机械臂与第三机械臂之间采用第二关节G连接，第三机械臂与第四机械臂之间采用第三关节H连接，第四机械臂与第五机械臂之间采用第四关节I连接，第五机械臂与第六机械臂之间采用第五关节J连接。
如图4所示，在初始状态下，第一关节F的转动轴线将会沿轴方向，即此时第一关节F可以视为一俯仰关节，第一关节F能够使得第二臂架以第一关节F为支点绕轴方向转动。第二关节G的转动轴线将会沿轴方向，即此时第二关节G可以视为一回转关节，第二关节G能够使得第三臂架以第二关节G为支点绕轴方向转动。第三关节H为一沿方向的伸缩关节，其能够使得第四臂架沿第三臂架延伸方向伸缩。第四关节I的转动轴线沿轴方向，即此时第四关节I为一横摆关节，其能够使得第五臂架以第四关节I为支点绕轴转动。第五关节J的转动轴线沿轴方向，即此时第五关节J同样可以视为一俯仰关节。
对于如图3和图4所示的工程机械，姿态矩阵生成模块配置为根据如下表达式来确定工程机械本体在第一臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵：
其中，表示工程机械本体在第一臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵。
而第一臂架在第二臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵则可以根据如下表达式确定：
其中，表示第一臂架在第二臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵，表示第一关节F的转动角度（也即第二臂架相对于第一臂架的转动角度）。
第二臂架在其后一关节（即第三臂架）所对应的坐标系下的姿态矩阵可以根据如下表达式确定：
其中，表示第二臂架在其后一关节（即第三臂架）所对应的坐标系下的姿态矩阵，表示第二关节的转动角度（也即第三臂架相对于第二臂架的转动角度）。
本实施例中，由于第三关节H为一伸缩关节，而伸缩关节并不会改变其所连接的两个臂架的姿态，因此第三臂架在其后一臂架（即第四臂架）所对应的坐标系下的姿态矩阵即为单位矩阵。
第四臂架在其后一臂架（即第五臂架）所对应的坐标系下的姿态矩阵可以根据如下表达式确定：
其中，表示第四臂架在第五臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵，表示第四关节的转动角度（也即第五臂架相对于第四臂架的转动角度）。
而第五臂架在其后一臂架（即第六臂架）所对应的坐标系下的姿态矩阵，第五臂架所对应的坐标系绕Z5旋转的运动，可以视为第六臂架所对应的坐标系先绕自身X轴旋转了90度再绕Z6轴旋转了的运动，这样第五臂架在其后一臂架（即第六臂架）所对应的坐标系下的姿态矩阵可以根据如下表达式确定：
其中，表示第六臂架在第五臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵，表示第五关节的转动角度（也即第六臂架相对于第五臂架的转动角度）。
由于第六臂架在隧道空间坐标系下的姿态矩阵与导向激光在空间坐标系下的姿态矩阵是相同的，因此工程机械姿态定位模块也就可以根据导向激光姿态数据确定出导向激光在隧道空间坐标系下的姿态矩阵，从而得到安装所述第一标靶和第二标靶的臂架（即指定臂架）在隧道空间坐标系下的姿态矩阵。
具体地，本实施例中，工程机械姿态定位模块优选地根据如下表达式来确定导向激光在隧道空间坐标系下的姿态矩阵：
（9）
其中，表示第臂架在隧道空间坐标系下的姿态矩阵（即导向激光在隧道空间坐标系下的姿态矩阵）， 、和表示所述导向激光在在空间坐标中的姿态角。
工程机械姿态定位模块可以根据上述姿态矩阵（包括第臂架在隧道空间坐标系下的姿态矩阵、工程机械本体在与工程机械本体连接关系最为靠近的第一臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵以及各个臂架在其后一臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵）来确定出工程机械本体在空间坐标系下的姿态矩阵，进而确定出工程机械本体在空间坐标系下的姿态数据（例如欧拉角、和）。
具体地，本实施例中，工程机械姿态定位模块优选地根据如下表达式来确定工程机械本体的姿态数据：
（10）
其中，、和表示工程机械本体在空间坐标系下的姿态数据，表示工程机械本体在隧道空间坐标系下的姿态矩阵，表示第臂架在第臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵，表示臂架总数，表示第臂架在隧道空间坐标系下的姿态矩阵（也即导向激光激光在隧道空间坐标系下的姿态矩阵）。本实施例中，上述臂架总数的取值为为6。
需要指出的是，在本发明的其他实施例中，根据实际情况，定位装置还可以采用其他合理方式来根据各个关节的角度数据和导向激光姿态数据确定工程机械本体的姿态数据，本发明不限于此。
同时，还需要指出的是，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，定位装置104所确定出的工程机械本体的姿态数据还可以包含其他合理数据，本发明不限于此。例如，在本发明的一个实施例中，定位装置104所确定出的工程机械本体的姿态数据还可以包含工程机械本体与上述指定臂架的相对位置关系和/或工程机械本体在隧道空间坐标系中的坐标数据等。同样，定位装置104所确定出的工程机械本体的姿态数据还可以采用欧拉角外的其他合理参数来表示，本发明同样不限于此。
图5示出了本实施例所提供的工程机械定位方法的实现流程示意图。
如图5所示，本实施例所提供的工程机械定位方法首先会在步骤S501中通过调整工程机械的机械臂来使得工程机械的指定臂架的延伸方向与导向激光的方向平行。
具体地，本实施例中，该方法在步骤S501中优选地会将结构相同的第一标靶102和第二标靶103设置在该指定臂架（例如第三臂架105_3）上。通过调整工程机械的机械臂，使得导向激光同时穿过第一标靶102和第二标靶103的孔洞。正如上述分析的那样，当导向激光同时穿过第一标靶102和第二标靶103的孔洞时，由于第一标靶102和第二标靶103的孔洞的连线与该指定臂架的延伸方向平行，因此导向激光在隧道空间坐标系下的姿态数据也就等于该指定臂架在隧道空间坐标系下的姿态数据。
如图5所示，当工程机械的指定臂架的延伸方向与导向激光的方向平行后，该方法会在步骤S502中获取该指定臂架与工程机械本体之间各个机械臂的相对位置关系数据以及导向激光的导向激光姿态数据（即导向激光在隧道空间坐标系下的姿态数据）。
具体地，本实施例中，该方法在步骤S502中优选地会获取工程机械的各个关节的角度数据，这样也就可以得到指定臂架与工程机械本体之间各个机械臂的相对位置关系数据。例如，在本发明的一个实施例中，该方法可以利用安装在各个关节位置的角度传感器来获取各个关节的转动角度数据。
当然，在本发明的其他实施例中，根据实际情况，该方法还可以采用其他合理方式来获取指定臂架与工程机械本体之间各个机械臂的相对位置关系数据，本发明不限于此。
在得到指定臂架与工程机械本体之间各个机械臂的相对位置关系数据后，该方法也就可以在步骤S503中根据该相对位置关系数据以及导向激光在隧道空间坐标系下的姿态数据来确定出工程机械本体在隧道空间坐标系下的姿态数据。
具体地，本实施例中，工程机械本体的姿态数据优选地包括工程机械本体106在隧道空间坐标系统中的姿态角（即欧拉角、和）。
该方法在步骤S503中会根据导向激光来确定导向激光在隧道空间坐标系下的姿态矩阵，该姿态矩阵也即安装有第一标靶和第二标靶的臂架在隧道空间坐标系下的姿态矩阵。
同时，该方法在步骤S503中还会根据各个关节的角度数据分别生成各个关节在其后一关节所对应的坐标系下的姿态矩阵以及工程机械本体在与工程机械本体连接关系最为靠近的第一关节所对应的坐标系下的姿态矩阵，随后根据各个姿态矩阵以及指定臂架在隧道空间坐标下的的姿态矩阵来确定工程机械本体的姿态数据。
本实施例中，该方法在步骤S503中确定工程机械本体的姿态数据的原理与过程与上述定位装置实现其功能的原理以及过程相同，故在此不再对步骤S503的具体内容进行赘述。
从上述描述中可以看出，本发明所提供的工程机械定位系统以及定位方法通过使得指定臂架与导向激光平行，以此利用导向激光来确定出指定臂架在隧道空间坐标系下的姿态，进而根据各个臂架之间的相对位置关系来确定出工程机械本体在隧道空间坐标系下的姿态。
相较于现有定位系统，本系统的结构更为简单，这样也就可以使得整个激光定位系统的体积更小，同时也使得整个系统的成本得以降低。同时，本系统以及方法在对工程机械进行定位时，其能够实现对工程机械的姿态的自动测量，这样也就有效降低工程机械定位的难度以及成本。
此外，本发明所提供的定位系统以及定位方法由于是通过使得指定臂架与导向激光平行来确定指定臂架在空间坐标系中的姿态，因此相较于现有系统以及方法，其对于测量环境的要求更低，这样也就能够有效提高整个系统的适应性，进而使得该系统以及方法能够应用于诸多条件恶劣的工况下。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语 “一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。
Claims (20)
1.一种工程机械定位方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一、通过调整工程机械的机械臂，使得所述工程机械的指定臂架的延伸方向与导向激光的方向平行；
步骤二、获取所述指定臂架与所述工程机械本体之间各个机械臂的相对位置关系数据以及所述导向激光的导向激光姿态数据，根据所述相对位置关系数据以及导向激光姿态数据确定所述工程机械本体的姿态数据。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤一中，
将结构相同的第一标靶和第二标靶设置在所述指定臂架上，并且使得分别形成在两个标靶中心的孔洞的连线与所述指定臂架的延伸方向平行；
调整所述工程机械的机械臂，使得所述导向激光同时穿过所述第一标靶和第二标靶的孔洞。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步骤二中，获取所述工程机械的各个关节的角度数据，从而得到所述相对位置关系数据。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤二中，利用安装在各个关节位置的角度传感器来获取所述各个关节的角度数据。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述工程机械本体的姿态数据包括所述工程机械本体在隧道空间坐标系中的姿态角。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述步骤二中，
根据所述各个关节的角度数据分别生成各个臂架在其后一臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵以及工程机械本体在与工程机械本体连接关系最为靠近的第一臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵；
根据各个姿态矩阵确定所述工程机械本体的姿态数据。
7.如权利要求6中所述的方法，其特征在于，
当第个臂架所对应的坐标系相对第个臂架所对应的坐标系作绕X轴的转动时，所述第个臂架在第个臂架所对应的坐标系的姿态矩阵为：
当第个臂架所对应的坐标系相对第个臂架所对应的坐标系作绕Y轴的转动时，所述第个臂架在第个臂架所对应的坐标系的姿态矩阵为：
当第个臂架所对应的坐标系相对第个臂架所对应的坐标系作绕Z轴的转动时，所述第个臂架在第个臂架所对应的坐标系的姿态矩阵为：
其中，表示第个臂架在第个臂架所对应的坐标系的姿态矩阵，表示第个关节的转动角度。
8.如权利要求7中所述的方法，其特征在于，所述工程机械本体的姿态数据包括所述工程机械本体在隧道空间坐标系中的Z-Y-X欧拉角，根据如下表达式确定所述导向激光在隧道空间坐标系下的姿态矩阵：
其中，表示导向激光在隧道空间坐标系下的姿态矩阵，其中， 、和表示所述导向激光在隧道空间坐标系中的欧拉角。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，根据如下表达式确定工程机械本体在第一臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵：
其中，表示工程机械本体在第一臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵。
10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，在所述步骤二中，根据如下表达式确定所述工程机械本体的姿态数据：
其中，、和表示工程机械本体在隧道空间坐标系下的欧拉角，表示工程机械本体在隧道空间坐标系下的姿态矩阵，表示第臂架在第臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵，表示臂架总数，表示第臂架在隧道空间坐标系下的姿态矩阵。
11.一种工程机械定位系统，其特征在于，所述系统包括：
激光发射设备，其用于向指定方向发射导向激光，并根据所述导向激光的方向生成相应的导向激光姿态数据；
结构相同的第一标靶和第二标靶，所述第一标靶和第二标靶的中心形成有孔洞，在测量过程中，所述第一标靶和第二标靶设置在所述工程机械的指定臂架上，并且两个标靶的孔洞的连线与所述指定臂架的延伸方向平行；
定位装置，其与安装在所述工程机械的各个关节上的角度传感器和所述激光发射设备连接，用于根据所述角度传感器传输来的各个关节的角度数据和所述导向激光姿态数据确定工程机械本体的姿态数据。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，在对工程机械进行定位的过程中，所述导向激光同时穿过所述第一标靶和第二标靶的孔洞。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述工程机械定位系统包括三个以上标靶，在测量过程中，各个标靶均设置在所述工程机械的指定臂架上，各个标靶的孔洞共线，且标靶孔洞的连线与所述指定臂架的延伸方向平行。
14.如权利要求11~13中任一项所述的系统，其特征在于，所述激光发射设备包括：
激光发射器，其用于产生并向外发射激光；
导向激光姿态数据生成装置，其与所述激光发射器连接，用于根据所述导向激光的方向生成所述导向激光姿态数据。
15.如权利要求11~13中任一项所述的系统，其特征在于，所述工程机械本体的姿态数据包括所述工程机械本体在空间坐标中的姿态角。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述定位装置包括：
姿态矩阵生成模块，其与所述角度传感器和激光发射设备连接，用于根据所述导向激光姿态数据确定所述导向激光在隧道空间坐标系下的姿态矩阵，从而得到安装所述第一标靶和第二标靶的臂架在所述隧道空间坐标系下的姿态矩阵，还用于根据各个关节的角度数据分别生成各个臂架在其后一臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵以及工程机械本体在与工程机械本体连接关系最为靠近的第一臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵；
工程机械姿态定位模块，其与所述姿态矩阵生成模块连接，用于根据各个姿态矩阵确定所述工程机械本体的姿态数据。
17.如权利要求16所述的系统，其特征在于，
当第个臂架所对应的坐标系相对第个臂架所对应的坐标系作绕X轴的转动时，所述第个臂架在第个臂架所对应的坐标系的姿态矩阵为：
当第个臂架所对应的坐标系相对第个臂架所对应的坐标系作绕Y轴的转动时，所述第个臂架在第个臂架所对应的坐标系的姿态矩阵为：
当第个臂架所对应的坐标系相对第个臂架所对应的坐标系作绕Z轴的转动时，所述第个臂架在第个臂架所对应的坐标系的姿态矩阵为：
其中，表示第个臂架在第个臂架所对应的坐标系的姿态矩阵，表示第个关节的转动角度。
18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述工程机械本体的姿态数据包括所述工程机械本体在隧道空间坐标系中的Z-Y-X欧拉角，所述姿态矩阵生成模块配置为根据如下表达式确定所述导向激光在隧道空间坐标系下的姿态矩阵：
其中，表示导向激光在隧道空间坐标系下的姿态矩阵，其中，、和表示所述导向激光在在空间坐标中的姿态角。
19.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述姿态矩阵生成模块配置为根据如下表达式确定工程机械本体在第一臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵：
其中，表示工程机械本体在第一臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵。
20.如权利要求18或19所述的系统，其特征在于，所述定位装置配置为根据如下表达式确定所述工程机械本体的姿态数据：
其中，、和表示工程机械本体在隧道空间坐标系下的欧拉角，表示工程机械本体在隧道空间坐标系下的姿态矩阵，表示第臂架在第臂架所对应的坐标系下的姿态矩阵，表示臂架总数，表示第臂架在隧道空间坐标系下的姿态矩阵。
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