CN110374154A - 一种单gps平地机铲刀高程控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单GPS平地机铲刀高程控制装置和控制方法，GPS接收机设置在平地机的铲刀其中一端用于接收当前位置高程信号；第一方位角传感器设置在平地机的机架上，用于检测铲刀绕平地机铲刀横向中心线旋转角度；第二方位角传感器设置在铲刀上，用于检测铲刀绕垂直水平面的中心线旋转角度；第三方位角传感器设置在平地机的牵引架旋转盘上，用于检测铲刀绕平地机行驶方向中心线旋转角度；铲刀的两端分别设置一升降油缸，升降油缸调节铲刀高程至目标值。本发明仅采用单GPS接收机，结合方位角传感器辅助检测，实现高精度的高程控制，该系统仅采用一个GPS接收机，大大降低GPS系统应用成本。

Description

一种单GPS平地机铲刀高程控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及公路、铁路、机场、码头等建筑物土基、有机或者无机结合料稳定土垫层和基层领域，更具体的涉及一种单GPS的平地机高程控制装置及系统。

背景技术

平地机作为一种土地平整和整形作业的多用途连续作业式土方机械，在公路路基平整施工中发挥着无可比拟的作用。为了保证施工平整度，同时大幅降低操作手的劳动强度，提高施工效率，具有自动高程控制功能的平地机系统是一种有效的解决方案。

目前的高程控制系统主要有两种，一种是基于激光的二维高程控制系统，一种是基于GPS的三维高程控制系统。GPS三维高程控制的原理是：平地机铲刀两端布置的双GPS流动站实时获取铲刀高程，与设计高程比较，实时精确液压阀控制调整升降油缸动作，进而控制高程。因GPS具有精度高、可实现全天候测量、抗干扰强度大的优点，在平地机高程控制过程中可以准确的控制高程，实现精平作业。但同时可以看到一套GPS三维高程控制系统需要2个GPS流动站进行作业，单个GPS的价格在十万以上，价格昂贵。

专利CN1070468820，提出一种基于双天线GNSS的农用平地机控制系统，系统采用双GNSS获得铲刀两端高程，结合检测铲刀横向倾斜角的加速度传感器进行铲刀姿态校准，通过控制器控制油缸动作。

专利CN107842050，提出一种基于GPS-RTK的平地机人工辅助自动找平系统，该系统采用两个GPS-RTK，结合铲刀倾角传感器进行定位，对具有纵横坡度的待平整面进行自动平整。

上述专利都是采用双GPS系统对铲刀高程进行监控，控制油缸的动作，实现精平作业，然而单个GPS的价格达十万以上，价格昂贵，应用成本较高，大大超出行业预期，难以大规模应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：

针对于目前GPS的平地技术通常采用两个GPS传感器检测铲刀高程，控制油缸动作实现自动平地作业，而单个GPS的价格达十万以上，价格昂贵，应用成本较高，难以大规模应用的问题，本发明的目的是提出一种基于单GPS的平地机铲刀高程控制方法、装置及系统，可以显著降低成本。

本发明提供的完整技术方案：

一种单GPS平地机铲刀高程控制装置，包括GPS接收机、第一方位角传感器、第二方位角传感器、第三方位角传感器和升降油缸；

GPS接收机设置在平地机的铲刀其中一端用于接收当前位置高程信号；

第一方位角传感器设置在平地机的机架上，用于检测铲刀绕平地机铲刀横向中心线旋转角度；

第二方位角传感器设置在铲刀上，用于检测铲刀绕垂直水平面的中心线旋转角度；

第三方位角传感器设置在平地机的牵引架旋转盘上，用于检测铲刀绕平地机行驶方向中心线旋转角度；

铲刀的两端分别设置一升降油缸，升降油缸根据GPS接收机、第一方位角传感器、第二方位角传感器和第三方位角传感器的信号调节铲刀高程至目标值。

进一步地，GPS接收机通过一传感器支架设置在平地机铲刀的其中一端。

进一步地，第一方位角传感器布置平面与地面平行。

进一步地，第二方位角传感器布置平面与地面平行。

进一步地，第三方位角传感器活动连接在牵引架旋转盘上。

进一步地，所述升降油缸由液压多路阀控制进行调节。

进一步地，第一方位角传感器、第二方位角传感器和第三方位角传感器检测的旋转角度信号、GPS接收机接收的当前位置高程信号均传送至控制器，控制器通过液压多路阀驱动升降油缸动作。

一种单GPS平地机铲刀高程控制方法，包括以下步骤：

定义坐标系统：以水平面为参考平面，以平地机铲刀横向中心线与平地机纵向中心线的交点在水平面的投影为原点O，建立坐标系，坐标系中X轴方向为铲刀横向移动方向，Y轴方向为平地机车辆行驶方向，Z轴方向为垂直水平面向上的方向；平地机铲刀设置GPS接收机一端的坐标向量平移到原点后，无GPS接收机的另一端坐标初始向量定义为（X1，Y1，Z1）；

检测平地机的铲刀其中一端的高程信号，获取其在坐标系统中的坐标（X0,Y0,Z0），第一方位角传感器获取铲刀绕平地机铲刀横向中心线旋转角α，第二方位角传感器5获取铲刀绕垂直水平面的中心线旋转角β，第三方位角传感器获取铲刀绕平地机行驶方向中心线旋转角γ；

动态解算铲刀无GPS接收机的另一端的坐标值（X2，Y2，Z2），得到铲刀另一端高程目标值Z2，并通过液压多路阀驱动左、右升降油缸运动将铲刀另一端高程调节至目标值Z2。

进一步地，平地机按以下任意一种工作方式运行时，铲刀另一端高程调节的目标值Z2由对应的控制方程解算而得；

工作方式1：平地机铲刀仅在X方向移动，Z2=Z1+Z0；

工作方式2：平地机铲刀仅在Y方向移动，Z2=Z1+Z0；

工作方式3：平地机铲刀旋转运动，相当于平地机铲刀在XOY平面绕Z轴旋转角β，Z2=Z1+Z0；

工作方式4：平地机沿行驶方向具有一定的俯仰角度移动，相当于平地机铲刀在YOZ平面绕X轴旋转旋转角α，Z2=(Y1-Y0)*sin(α)+(Z1-Z0)*cos(α)+Z0；

工作方式5：平地机沿行驶方向具有一定的横向坡度移动，相当于平地机铲刀在XOZ平面绕Y轴旋转角γ，Z2=(Z1-Z0)*cos(α)+(X1-X0)*cos(γ)+Z0；

工作方式6：平地机沿行驶方向具有一定的俯仰角度和一定的横向坡度移动，相当于平地机铲刀在YOZ平面绕X轴旋转旋转角α、在XOZ平面绕Y轴旋转角γ，Z2=(Y1’-Y0)*sin(α)+(Z1’-Z0)*cos(α)+Z0。

进一步地，平地机按上述工作方式组合而成的方式运行时，按组合方式依次叠加对应的控制方程解算高程调节的目标值Z2。

本发明所达到的有益效果：

针对平地机现有双GPS控制方式成本高的问题，本发明仅采用单GPS接收机，结合方位角传感器辅助检测，采用更少的方位角传感器实现高精度的高程控制，该系统仅采用一个GPS接收机，大大降低GPS系统应用成本。

附图说明

图1平地机高程控制系统；

图2平移向量转换示意图；

图3平地机高程控制流程图；

图4单GPS平地机铲刀高程系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1和图2所示，本发明提出一种单GPS平地机铲刀高程控制装置，包括GPS接收机2、传感器支架3、方位角传感器5、牵引架旋转盘6、机架7、方位角传感器8、铲刀9、方位角传感器10、右升降油缸1、和左升降油缸4。

进行坐标系统定义：以水平面为参考平面，以平地机铲刀横向中心线与平地机纵向中心线的交点在水平面的投影为原点O，建立坐标系，坐标系中X方向为铲刀横向移动方向，Y方向为平地机车辆行驶方向，Z方向为垂直水平面指向GPS接收机的方向；平地机铲刀向量GPS端平移到原点后，无GPS端初始向量定义为（X1，Y1，Z1）。

GPS接收机2位于传感器支架3上，传感器支架3位于平地机铲刀左端或者右端，传感器支架3与平地机铲刀通过螺栓或者焊接固定；GPS接收机2接收当前位置的高程信号。

方位角传感器8位于平地机机架7上，平地机机架7与平地机整体刚性连接，平地机机架7上方位角传感器8布置平面与地面平行；方位角传感器8检测输出信号为第一旋转角α。

方位角传感器5位于平地机牵引架旋转盘6上，牵引架旋转盘6与方位角传感器5活动连接；方位角传感器5检测输出信号为平地机铲刀第二旋转角β。

方位角传感器10位于平地机铲刀9上，平地机铲刀9与方位角传感器10刚性连接；平地机铲刀9上方位角传感器10布置平面与地面平行；方位角传感器10检测输出信号为平地机铲刀第三旋转角γ。

所述第一旋转角α为平地机铲刀绕X轴旋转的角度，所述第二旋转角β为平地机铲刀绕Z轴旋转的角度，所述第三旋转角γ为平地机铲刀绕Y轴旋转的角度。

所述左升降油缸4一端与平地机铲刀左端以铰接方式连接，所述右升降油缸1一端与平地机铲刀右端以铰接方式连接。升降油缸根据GPS接收机2、方位角传感器8、方位角传感器5、方位角传感器10的信号调节铲刀高程至目标值。

较佳地，如图4所示，GPS接收机2、方位角传感器8、方位角传感器5、方位角传感器10通过通讯电缆或者通讯协议与控制器相连；通过控制器计算换算出平地机铲刀另外一端的高程，控制液压多路阀的动作，进而控制左升降油缸4、右升降油缸1的位移，通过左升降油缸4、右升降油缸1调节平地铲刀两端的高程。

单GPS平地机铲刀高程解算方法：

以GPS接收机布置于平地机铲刀左侧为例（GPS接收机布置于平地机铲刀右侧时，同理），检测左侧的GPS接收机2信号，获取其在坐标系统中的坐标（X0,Y0,Z0），方位角传感器8检测获取第一旋转角α，方位角传感器5检测获取第二旋转角β，方位角传感器10检测获取第三旋转角γ，动态解算无GPS端铲刀的坐标值（X2，Y2，Z2）,Z2值即为另一端高程值。

如图3所示，平地机铲刀高程控制步骤如下：

1、建立基准坐标系；

2、获取平地机铲刀GPS端坐标；

3、平移平地机铲刀向量到坐标原点；

4、计算无GPS端初始坐标；

3、依据平地机工作姿态，计算无GPS侧铲刀高程；

6、设计高程与实际高程对比；

7、控制液压缸的移动。

单GPS平地机铲刀高程解算实例如下：

工作方式1：平地机铲刀横向移动

平地机产刀横向移动时，平地机铲刀仅在X方向移动，此时无GPS端铲刀的坐标值（X2，Y2，Z2）由以下控制方程给出:

Z2=Z1+Z0；X2=X1+X0；Y2=Y1+Y0。

工作方式2：平地机沿行驶方向移动

平地机沿行驶方向移动时，平地机铲刀仅在Y方向移动，此时无GPS端铲刀的坐标值（X2，Y2，Z2）由以下控制方程给出:

Z2=Z1+Z0；X2=X1+X0；Y2=Y1+Y0。

工作方式3：平地机铲刀旋转运动

平地机铲刀旋转运动时，平地机铲刀相当于在XOY平面绕Z轴旋转，旋转角度为方位角传感器5检测的第二旋转角β；此时无GPS端铲刀的坐标值（X2，Y2，Z2）由以下控制方程给出:

Z2=Z1+Z0；

X2=(X1-X0)*cos（β)-(Y1-Y0)*sin(β)+X0；

Y2=(X1-X0)*sin(β)+(Y1-Y0)*cos(β)+Y0。

工作方式4：平地机沿纵坡方向（平地机行驶方向）移动

平地机沿纵坡方向（平地机行驶方向）移动，此时平地机具有一定的俯仰角度，平地机铲刀相当于在YOZ平面绕X轴旋转移动，旋转角度为方位角传感器8检测的第一旋转角α；此时无GPS端铲刀的坐标值（X2，Y2，Z2）由以下控制方程给出:

X2=X1+X0；

Y2=(Y1-Y0)*cos(α)-(Z1-Z0)*sin(α)+Y0；

Z2=(Y1-Y0)*sin(α)+(Z1-Z0)*cos(α)+Z0。

工作方式5：平地机沿行驶方向（具有横坡）移动

平地机沿行驶方向（具有横坡）移动，平地机具有一定的横向坡度，平地机铲刀相当于在XOZ平面绕Y轴旋转移动，旋转角度为方位角传感器10检测的第三旋转角γ；此时无GPS端铲刀的坐标值（X2，Y2，Z2）由以下控制方程给出:

Y2=Y1+Y0；

X2=(Z1-Z0)*sin(γ)-(X1-X0)*cos(γ)+X0；

Z2=(Z1-Z0)*cos(α)+(X1-X0)*cos(γ)+Z0。

工作方式6：平地机在具有横坡γ、纵坡α的路面移动

平地机在具有横坡（第三旋转角γ）、纵坡（第一旋转角α）的路面移动时，控制方程如下：

按照具有横坡（第三旋转角γ）计算无GPS端坐标(X2’,Y2’,Z2’)

X2’=(Z1)*sin(γ)-(X1)*cos(γ)；

Z2’=(Z1)*cos(α)+(X1)*cos(γ)；

Y2’=Y1；

在此基础上按照纵坡（第一旋转角α），计算计算无GPS端坐标(X2,Y2,Z2)

X2=X2’+X0；

Y2=(Y2’-Y0)*cos(α)-(Z2’-Z0)*sin(α)+Y0；

Z2=(Y2’-Y0)*sin(α)+(Z2’-Z0)*cos(α)+Z0。

工作方式7：平地机组合运动

当平地机同时进行以上多种运动方式组合时，按照顺序依次叠加计算。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种单GPS平地机铲刀高程控制装置，其特征是，包括GPS接收机、第一方位角传感器、第二方位角传感器、第三方位角传感器和升降油缸；

GPS接收机设置在平地机的铲刀其中一端用于接收当前位置高程信号；

第一方位角传感器设置在平地机的机架上，用于检测铲刀绕平地机铲刀横向中心线旋转角度；

第二方位角传感器设置在铲刀上，用于检测铲刀绕垂直水平面的中心线旋转角度；

第三方位角传感器设置在平地机的牵引架旋转盘上，用于检测铲刀绕平地机行驶方向中心线旋转角度；

铲刀的两端分别设置一升降油缸，升降油缸根据GPS接收机、第一方位角传感器、第二方位角传感器和第三方位角传感器的信号调节铲刀高程至目标值。

2.根据权利要求1所述的单GPS平地机铲刀高程控制装置，其特征是，GPS接收机通过一传感器支架设置在平地机铲刀的其中一端。

3.根据权利要求1所述的单GPS平地机铲刀高程控制装置，其特征是，第一方位角传感器布置平面与地面平行。

4.根据权利要求1所述的单GPS平地机铲刀高程控制装置，其特征是，第二方位角传感器布置平面与地面平行。

5.根据权利要求1所述的单GPS平地机铲刀高程控制装置，其特征是，第三方位角传感器活动连接在牵引架旋转盘上。

6.根据权利要求1所述的单GPS平地机铲刀高程控制装置，其特征是，所述升降油缸由液压多路阀控制进行调节。

7.根据权利要求6所述的单GPS平地机铲刀高程控制装置，其特征是，第一方位角传感器、第二方位角传感器和第三方位角传感器检测的旋转角度信号、GPS接收机接收的当前位置高程信号均传送至控制器，控制器通过液压多路阀驱动升降油缸动作。

8.一种单GPS平地机铲刀高程控制方法，其特征是，包括以下步骤：

定义坐标系统：以水平面为参考平面，以平地机铲刀横向中心线与平地机纵向中心线的交点在水平面的投影为原点O，建立坐标系，坐标系中X轴方向为铲刀横向移动方向，Y轴方向为平地机车辆行驶方向，Z轴方向为垂直水平面向上的方向；平地机铲刀设置GPS接收机一端的坐标向量平移到原点后，无GPS接收机的另一端坐标初始向量定义为（X1，Y1，Z1）；

检测平地机的铲刀其中一端的高程信号，获取其在坐标系统中的坐标（X0,Y0,Z0），第一方位角传感器获取铲刀绕平地机铲刀横向中心线旋转角α，第二方位角传感器5获取铲刀绕垂直水平面的中心线旋转角β，第三方位角传感器获取铲刀绕平地机行驶方向中心线旋转角γ；

动态解算铲刀无GPS接收机的另一端的坐标值（X2，Y2，Z2），得到铲刀另一端高程目标值Z2，并通过液压多路阀驱动左、右升降油缸运动将铲刀另一端高程调节至目标值Z2。

9.根据权利要求8所述的单GPS平地机铲刀高程控制方法，其特征是，平地机按以下任意一种工作方式运行时，铲刀另一端高程调节的目标值Z2由对应的控制方程解算而得；

工作方式1：平地机铲刀仅在X方向移动，Z2=Z1+Z0；

工作方式2：平地机铲刀仅在Y方向移动，Z2=Z1+Z0；

工作方式3：平地机铲刀旋转运动，相当于平地机铲刀在XOY平面绕Z轴旋转角β，Z2=Z1+Z0；

工作方式4：平地机沿行驶方向具有一定的俯仰角度移动，相当于平地机铲刀在YOZ平面绕X轴旋转旋转角α，Z2=(Y1-Y0)*sin(α)+(Z1-Z0)*cos(α)+Z0；

工作方式5：平地机沿行驶方向具有一定的横向坡度移动，相当于平地机铲刀在XOZ平面绕Y轴旋转角γ，Z2=(Z1-Z0)*cos(α)+(X1-X0)*cos(γ)+Z0；

工作方式6：平地机沿行驶方向具有一定的俯仰角度和一定的横向坡度移动，相当于平地机铲刀在YOZ平面绕X轴旋转旋转角α、在XOZ平面绕Y轴旋转角γ，Z2=(Y1’-Y0)*sin(α)+(Z1’-Z0)*cos(α)+Z0。

10.根据权利要求9所述的单GPS平地机铲刀高程控制方法，其特征是，平地机按上述工作方式组合而成的方式运行时，按组合方式依次叠加对应的控制方程解算高程调节的目标值Z2。