CN111679306A - 一种基于卫星导航的挖掘机智能化高精度定位方法 - Google Patents

一种基于卫星导航的挖掘机智能化高精度定位方法 Download PDF

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    • G01S19/42—Determining position

Abstract

本发明涉及一种基于卫星导航的挖掘机智能化高精度定位方法，属于卫星技术综合应用领域。本发明为了克服现有技术无法实现挖掘机自动化、智能化高精度定位的问题，在挖掘机上安装接收机、测量型天线、单轴角度传感器、双轴角度传感器和车载计算机等设备，通过北斗高精度空间信息技术和分析算法，可求解挖掘机及其主要部件精确位置，通过构建侧视和俯视二维坐标，合理分析和求解挖掘机运行姿态下各点相对坐标，经坐标系转化可完成各主要部件精确定位。本发明在精确定位基础上，可实现快速定位、提高定位精度、完成挖掘机自动引导和跟踪，满足不同行业工程应用要求。

Description

一种基于卫星导航的挖掘机智能化高精度定位方法
技术领域
本发明属于卫星技术综合应用领域，具体涉及一种基于卫星导航的挖掘机智能化高精度定位方法。
背景技术
基于全球导航卫星系统(GNSS)的高精度定位、导航和授时服务已广泛应用在农业、交通、能源、电力等国民经济各行业。其中，坐标系是定位描述的基础：
空间直角坐标系：坐标原点位于参考椭球中心，Z轴指向参考椭球北极，X 轴指向起始子午面与赤道交点，Y轴位于赤道面上切按右手系于X轴呈90度夹角，某点坐标可用该点在此坐标系的各个坐标轴上的投影来表示。
大地坐标系：采用大地纬度、经度和绝对高程来描述空间位置。纬度是空间的点与参考椭球面法线与赤道面的夹角；经度是空间点与参考椭球的自转轴所在面与参考椭球的起始子午面的夹角；绝对高程是空间的点沿着参考椭球的法线方向到参考椭球面的距离。
高斯平面直角坐标系：为了方便工作，需要把测区投影到平面上来，使测量计算和绘图更加方便。当测区范围较大、精度要求较高时，平面坐标系不能忽略地球曲率影响。把地球上的点位换算到平面，称为地图投影。我国通用为高斯投影，即将地球按经线划分为带，称为投影带；投影是从首子午线开始的，分6°带和3°两种。每隔6°划分一带的叫6°带，每隔3°划分一带的叫3°带。通过高斯投影，将中央子午线的投影作为纵坐标轴，用x表示，将赤道的投影作横坐标轴，用y表示，两轴的交点作为坐标原点，由此构成的平面直角坐标系称为高斯平面直角坐标系。
独立坐标系：根据本地工作需要和坐标描述，选定原点和坐标轴的直角坐标系。相对于统一的国家坐标系而言，是独立于国家坐标系外的局部平面或直角坐标系。通常使用来说，X轴指示北、Y轴指东，高程选定局部某一基准值进行描述。独立坐标系、高斯平面直角坐标系以及其他坐标系可以相互转化。
挖掘机作为一种机械设备，广泛应用于国民经济各领域。挖掘机由动力装置，工作装置，回转机构，操纵机构，传动机构，行走机构和辅助设施等组成，其中：行走机构包括以轮胎或履带为基础的底盘(底板)，工作装置包括大臂、小臂、铲斗、辅助装置等。对挖掘机行走机构和工作装置进行高精度定位，从而实现高精度引导、指挥和监控，能够提高挖掘机作业效率、优化作业效果、降低工作损耗。比如，工程施工中可避免对周围物体造成破坏，水下和山洞等不可见区域可实现精准操作，矿山采掘中能够降低损失和贫化，经济效益可观。
传统定位引导、指挥和监控主要依靠人工方式展开：引导时需要测量人员提前进行放样基准线和打桩；指挥和监控时，主要依靠现场指挥人员和挖掘机操作手经验和态度，精准度往往达不到要求。实现挖掘机自动化、智能化高精度定位，是挖掘机引导、监控和无人化操作的基础，对不同行业应用均具有重要意义。
针对挖掘机引导和监控中的高精度定位问题，近年来出现了部分基于GNSS 定位的研究成果，比如：
1.王太海、陈建宏、金俊在《基于挖掘机GNSS精确定位的开采姿态监测系统》(黄金科学技术，2016，24(4):101-106)中，对GNSS接收机原理、三维坐标转换原理、挖掘机姿态等进行了初步分析，表明该系统具备高精度定位特定。但挖掘机工作状态分析大多基于高斯平面坐标系或某独立坐标系(如：矿山自有坐标系、工程自有坐标系等)展开，依靠三维坐标系转换难度较高，特别是特定角度时平面坐标上容易产生大误差，部分角度为0的假设难以满足高精度要求。另外，报道只重点介绍了系统效果，未涉及具体实现流程、方法、设备组成和安装等。
2.张峰在《基于挖掘机GNSS精确定位的开采姿态监测系统》(机械管理开发，2018(8):88-90)中，对开采姿态原理、GNSS定位原理、双天线姿态原理和视觉测量系统进行了结合，主要是结合开采姿态、GNSS定位和视觉测量技术，解决挖掘机定位问题，涉及到视频监控和智能分析。视觉测量和分析本身会产生误差，影响高精度定位直观性和准确度。报道也未涉及具体实现流程和方法。
因此，综合运行GNSS、高精度仪表和现代信息技术手段，发明一种对挖掘机行走机构和工作装置进行智能化高精度定位的方法，对挖掘机引导、指挥、监控、无人化或少人化操作等具有重要作用。现有各类装置、方法和研究成果，无法满足使用要求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何提供一种基于卫星导航的挖掘机智能化高精度定位方法，以克服现有技术无法实现挖掘机自动化、智能化高精度定位的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于卫星导航的挖掘机智能化高精度定位方法，一种基于卫星导航的挖掘机智能化高精度定位方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一、在挖掘机上安装高精度GNSS接收机、GNSS接收天线、倾角传感器和车载计算机；
步骤二、标定挖掘机的各个部位，GNSS接收天线A为A点，GNSS接收天线 B为B点，A与B间矢量关系可判断所述挖掘机的工作装置朝向；大臂与辅助平台连接点为R点，是一个相对A和B静止的点；大臂与小臂连接点为C点，小臂与铲斗连接点为D点，铲斗头部为E点；行走机构后触点为F点，标识底盘所在坐标位置；
步骤三、挖掘机底盘保持水平时，标定挖掘机各个部位的静态尺寸；
步骤四、挖掘机工作状态时，读取倾角传感器实时动态角度；
步骤五、依靠所述高精度GNSS接收机，进行实时差分数据定位解算，获取 A、B点在空间直角坐标系和大地坐标系的实时定位信息；
步骤六、以A点位坐标原点O(0,0)，垂直方向为X轴、所述挖掘机的工作装置前进方向为Y轴，建立挖掘机侧视图坐标系S1，计算R、C、D、E、F相对于A点的坐标以及各点绝对高程；
步骤七、以A点位坐标原点O(0,0)，工作装置前进方向为X轴、AB连线方向为Y轴，建立挖掘机俯视图坐标系S2，计算R、C、D、E相对于A点的坐标；
步骤八、A、B空间直角坐标系和大地坐标系坐标转换到高斯平面坐标系坐标；转换后坐标标识为A(aGx,aGy,Ha)，B(bGx,bGy,Hb)，其中，aGx和bGx为北向坐标，aGy和bGy为东向坐标，Ha和Hb为绝对高程；
步骤九、计算坐标系S2到高斯平面坐标系的转换参数，将坐标系S2中R、C、D、E坐标转换到高斯平面坐标系坐标；参照Ha和参考坐标系S1中各点相对A的坐标，计算R、C、D、E、F的绝对高程；
步骤十、从高斯平面坐标系转换到其他独立坐标系；
步骤十一、完成所述挖掘机工作状态的智能化高精度定位。
进一步地，所述步骤一具体包括：所述高精度GNSS接收机、所述GNSS接收天线、所述倾角传感器和所述车载计算机安装在所述挖掘机上；所述车载计算机安装在所述挖掘机驾驶室内，与所述倾角传感器和所述高精度GNSS接收机连接，并配备了定位计算软件模块，用于挖掘机工作姿态分析和坐标转换；所述GNSS接收天线安装在所述挖掘机尾部并与所述高精度GNSS接收机连接，所述GNSS接收天线间的连接直线与所述挖掘机驾驶室方向垂直，所述高精度GNSS 接收机用于结合实时的差分信号和卫星星历数据，获取和分析所述GNSS接收天线的高精度定位信号；所述倾角传感器安装在所述挖掘机的工作装置，即大臂、小臂、铲斗和驾驶室内，用于分析判断挖掘机工作姿态。
进一步地，所述倾角传感器安装在所述挖掘机的工作装置，即大臂、小臂、铲斗和驾驶室内具体包括：所述倾角传感器安装在所述挖掘机驾驶室的俯仰和横滚方向，以及大臂、小臂和铲斗上，随着驾驶室、大臂、小臂和铲斗一起动作，用于判定驾驶室、大臂、小臂和铲斗的实时工作姿态，所述工作姿态包括驾驶室俯仰情况、驾驶室横滚情况、大臂与所述挖掘机平台连接点垂直高度和水平长度、大臂与小臂连接点的垂直高度和水平长度、小臂与铲斗连接点的垂直高度和水平长度、铲斗头部的垂直高度和水平长度。
进一步地，所述步骤三中的静态尺寸具体包括：A到R的距离为Lf，A到F 的垂直高度为Hf；大臂长度即R到C的距离为Lc，小臂长度即C到D的距离为 Ld，铲斗长度即D到E的距离为Le；R点到AB连线的垂线交点与A点距离为r’Sy； A点与B点的直线距离为lb，A点到R点的垂直高差为Hr；A与B尽可能等高， AB连线与挖掘机工作装置方向垂直。
进一步地，所述实时动态角度包括大臂水平夹角为δc，小臂水平夹角为δd，铲斗水平夹角为δe，驾驶室俯仰角为δy和驾驶室横滚角为δx。
进一步地，所述步骤六中计算坐标系S1中R、C、D、E、F相对于A点的坐标以及各点绝对高程的过程如下：
S61、求解C、D、E相对于R点的水平长度和垂直高度，
R点到C点的水平长度l’c：l'c＝Lc·cosδc
R点到D点的水平长度l’d：l'd＝l'c+Ld·cosδd
R点到E点的水平长度l’e：l'e＝l'd+Le·cosδe
R点到C点的垂直高度h’c：h'c＝Lc·sinδc·cosδx
R点到D点的垂直高度h’d：h'd＝h'c+Ld·sinδd·cosδx
R点到E点的垂直高度h’e：h'e＝h'd+Le·sinδe·cosδx
S62、以A点位坐标原点，求解R、C、D、E的水平长度：
A点到R点的水平长度lf：lf＝Lf·cosδy-Hr·sinδy
A点到C点的水平长度lc：lc＝lf+l'c
A点到D点的水平长度ld：ld＝lf+l'd
A点到E点的水平长度le：le＝lf+l'e
S63、以A点位参照点，求解C、D、E、F各点绝对高程：
R点绝对高程：HWR＝Ha+Hr·cosδy·cosδx+Lf·sinδy·cosδx
C点绝对高程：HWC＝HWR+h′c
D点绝对高程：HWD＝HWR+h'd
E点绝对高程：HWE＝HWR+h′e
F点绝对高程：HWF＝Ha+Hf·cosδy·cosδx。
进一步地，所述步骤七中计算坐标系S2中R、C、D、E相对于A点的坐标的过程如下：
Figure BDA0002546216120000061
Figure BDA0002546216120000062
Figure BDA0002546216120000063
Figure BDA0002546216120000064
进一步地，所述步骤九中计算坐标系S2到高斯平面坐标系的转换参数，将坐标系S2中R、C、D、E坐标转换到高斯平面坐标系坐标的过程如下：
S91、计算AB向量与高斯平面坐标系北向X轴的夹角θ:
Figure BDA0002546216120000065
如果xGb>xGa且yGb>yGa，θ>0
如果xGb>xGa且yGb<yGa，θ<0
如果xGb<xGa且yGb>yGa，θ>0
如果xGb<xGa且yGb<yGa，θ<0；
S92、计算坐标系S2到高斯平面坐标系的转换角β：
如果xGb>xGa且yGb>yGa，β＝θ-90°
如果xGb>xGa且yGb<yGa，β＝θ-90°
如果xGb<xGa且yGb>yGa，β＝θ+90°
如果xGb<xGa且yGb<yGa，β＝θ+90°；
S93、计算坐标系S2到高斯平面坐标系的平移量：
Figure BDA0002546216120000066
S94、设某点位在S2坐标系的坐标为(xs2,ys2)，转换到高斯平面的坐标为 (xG,yG)，二者关系为：
Figure BDA0002546216120000071
S95、R、C、D、E以及其他各点按照上述方法完成从坐标系S2到高斯平面坐标系的转换，得到高斯平面坐标系坐标。
进一步地，所述步骤十中从高斯平面坐标系转换到其他独立坐标系的过程如下：
S101、已知高斯平面坐标系到某独立坐标系平面四转换参数：X轴平移量Δxk， Y轴平移量Δyk，坐标转换角γ，转换参数K；
S102、假设某一点在该独立坐标系的坐标为(xk,yk)，在高斯平面的坐标为 (xG,yG)：
Figure BDA0002546216120000072
S103、已知高斯平面坐标系的绝对高程到某独立坐标系高程转换参数为Δhk，假设某一点的绝对高程为hG、在该独立坐标系的高程为hk：
hk＝hG+Δhk。
进一步地，对于静止状态，所述步骤四中的倾角传感器实时动态角度不再实时更新，挖掘机其他点位的计算仍按此方法展开。
(三)有益效果
本发明提出一种基于卫星导航的挖掘机智能化高精度定位方法，可以实现快速定位、提高定位精度、满足实际工作需要，可为挖掘机高精度引导、指挥、监控、少人化或无人化操作提供基础技术支撑。本发明在挖掘机上安装接收机、测量型天线、单轴角度传感器、双轴角度传感器和车载计算机等设备，通过北斗高精度空间信息技术和分析算法，可求解挖掘机及其主要部件精确位置。本发明构建侧视和俯视二维坐标，合理分析和求解挖掘机运行姿态下各点相对坐标，经坐标转化可完成各主要部件精确定位。本发明在精确定位基础上，可完成挖掘机自动引导和跟踪，满足不同行业工程应用要求。
本发明还具有以下优点：
1.设备组成明确，运行原理清晰，实现效果良好，系统结构稳定，适合不同场景、不同类型挖掘机作业。
2.如果排除标定静态尺寸和设备安装偏差、设备自身误差等影响，挖掘机行走机构和工作装置实时定位精度可控制到厘米级。
3.定位精度解算速度可控制到毫秒级，如果配置通信网络单元，可与其他系统实现数据共享和利用。
4.智能化高精度定位能够简化挖掘机作业前准备和作业中引导、指挥和监控流程，减少提前进行放样基准线和打桩等操作工作量，提高挖掘机作业水平。
5.在不同应用场景下，可以提高挖掘机工作效率和效果，实现按照设计要求精准化快速施工作业，避免资源和能源浪费，减少对周围的破坏。
6.提高挖掘机实时高精度定位，能够辅助实现挖掘机智能引导、操作监控等功能，提高操作安全性，促进挖掘机操作无人化或少人化。
附图说明
图1为本发明设备连接关系示意图；
图2为本发明实现方法总体流程图；
图3为本发明各项参数标定说明图，其中(a)为侧视图，(b)为俯视图， (c)为正视图；
图4为本发明姿态参数侧视坐标图；
图5为本发明姿态参数俯视坐标图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明提出一种基于卫星导航的挖掘机智能化高精度定位系统，其中包括(附图1)：1-挖掘机、2-高精度GNSS接收机、3-GNSS接收天线、4-倾角传感器、5-车载计算机。高精度GNSS接收机、GNSS接收天线、倾角传感器、车载计算机全部安装在挖掘机上；车载计算机安装在挖掘机驾驶室内，与倾角传感器和高精度接收机连接，并配备了专用定位计算软件模块；GNSS接收天线安装在挖掘机尾部并与高精度GNSS接收机连接，GNSS接收天线间的直线连接与挖掘机驾驶室方向基本垂直；倾角传感器安装在挖掘机工作装置大臂、小臂、铲斗和驾驶室内，用于分析判断挖掘机工作姿态。
其中，还包括：设备供电单元，用于向高精度GNSS接收机、倾角传感器、车载计算机供电。
其中，还可以包括：高精度GNSS基准站，用于向高精度GNSS接收机提供实时差分数据。高精度GNSS基准站可以是自建的局部基准站，也可以是政府等非盈利组织或电信运营商提供的公共基准站；高精度GNSS接收机所需差分信号可以是来自高精度GNSS基准站，也可以通过其他方式获得。
其中，还可以包括：通信网络单元，通过有线或无线网络，将挖掘机本地车载计算机接收、处理和存储的信息发送到远端硬件和(或)软件系统中。
其中，挖掘机是系统的主要载体，行走机构可以是履带、轮胎或其他形式的底盘，工作装置包括驾驶室及辅助平台、大臂、小臂、铲斗，可以是正铲或反铲工作方式。
其中，高精度GNSS接收机和接收天线安装在挖掘机上并且相互连接。高精度GNSS接收机结合实时的差分信号和卫星星历数据，实现GNSS接收天线高精度定位信号的获取和分析；通过1根GNSS接收天线为基准，定位挖掘机；通过 2根或以上GNSS接收天线间矢量关系，判定挖掘机朝向。高精度GNSS接收机所需差分信号可以是来自高精度GNSS基准站，也可以通过其他方式获得，目的是进一步提高GNSS接收天线的定位精度。
其中，倾角传感器安装在挖掘机驾驶室的俯仰(前后)和横滚(左右)方向，以及工作装置大臂、小臂和铲斗上，随着驾驶室、大臂、小臂和铲斗一起动作，用于判定驾驶室、大臂、小臂和铲斗的实时工作姿态，具体包括：驾驶室俯仰情况、驾驶室横滚情况、大臂与挖掘机平台连接点垂直高度和水平长度、大臂与小臂连接点的垂直高度和水平长度、小臂与铲斗连接点的垂直高度和水平长度、铲斗头部(斗齿)垂直高度和水平长度。
其中，大臂、小臂和铲斗的水平方向倾角传感器为单轴倾角传感器，用于检测大臂、小臂和铲斗的抬升或下降角度；驾驶室可以使用2台单轴倾角传感器，也可以使用1台双轴倾角传感器，用于检测驾驶室的俯仰(前后)角度和横滚(左右)角度。
其中，车载计算机安装在挖掘机驾驶室内部，与倾角传感器、高精度GNSS 接收机连接。同时，车载计算机中安装了定位计算软件模块，包含挖掘机工作姿态分析和坐标转换的高精度定位解算功能。
本发明还提供一种基于卫星导航的挖掘机智能化高精度定位方法，其包括以下步骤(图2)：
步骤一、按照图1完成设备安装。在挖掘机上安装高精度GNSS接收机、GNSS 接收天线、倾角传感器、车载计算机等设备。
步骤二、按照图3标定计算部位。GNSS接收天线A为A点，GNSS接收天线B 为B点，A与B间矢量关系可判断挖掘机工作装置朝向；大臂与辅助平台连接点为R点，是一个相对A和B静止的点；大臂与小臂连接点为C点，小臂与铲斗连接点为D点，铲斗头部为E点；行走机构后触点为F点，标识底盘所在坐标位置。
步骤三、挖掘机底盘保持水平时，按照图3标定静态尺寸。A到R的距离为 Lf，A到F的垂直高度为Hf；大臂长度(R到C的距离)为Lc，小臂长度(C到D的距离)为Ld，铲斗长度(D到E的距离)为Le；R点到AB连线的垂线交点与A点距离(R点向AB连线做垂线，垂线与AB连线的交点与A点的距离)为r’Sy；A点与B 点的直线距离为lb，A点到R点的垂直高差(R-A)为Hr；A与B尽可能等高，AB 连线尽可能与工作装置方向垂直。
步骤四、挖掘机工作状态时，按照图3读取倾角传感器实时动态角度。其中，大臂水平夹角为δc，小臂水平夹角为δd，铲斗水平夹角为δe，驾驶室俯仰角为δy，驾驶室横滚角为δx。
步骤五、依靠高精度GNSS接收机，进行实时差分数据高精度定位解算，获取A、B点在空间直角坐标系和大地坐标系的高精度实时定位信息。
获悉天线A和B精确位置是挖掘机各点高精度定位基础，需要用到差分定位，即：借助事先已知精确位置的基准站，通过基准站测量信息，减弱或消除星历误差、卫星钟差、接收机钟差、对流程延时误差等对用户接收机的影响。因此，挖掘机高精度定位中，需在附近有高精度基准站，实现A和B精确定位；基准站位置由接收机长时间连续接收获取卫星星历后计算获得，精度要求不高时可通过传统测量获得。
步骤六、以A点位坐标原点O(0,0)，垂直方向为X轴、工作装置前进方向为Y轴，建立图4挖掘机侧视图坐标系S1，计算R、C、D、E、F相对于A点的坐标以及各点绝对高程。挖掘机其他部位，也可按照图4计算相对位置。
步骤七、以A点位坐标原点O(0,0)，工作装置前进方向为X轴、AB连线方向为Y轴，建立图5挖掘机俯视图坐标系S2，计算R、C、D、E相对于A点的坐标。挖掘机其他部位，也可按照图5计算相对位置。
步骤八、A、B空间直角坐标系和大地坐标系转换到高斯平面坐标系。将高精度GNSS接收机获取的A、B空间直角坐标系和大地坐标系坐标，转换到高斯平面坐标系坐标，转换后坐标标识为A(aGx,aGy,Ha)，B(bGx,bGy,Hb)。其中，aGx和bGx为北向坐标，aGy和bGy为东向坐标，Ha和Hb为绝对高程。
步骤九、计算坐标系S2到高斯平面坐标系的转换参数，将坐标系S2中R、C、 D、E坐标转换到高斯平面坐标系坐标；参照Ha和坐标系S1中各点相对A的坐标，计算R、C、D、E、F的绝对高程。
步骤十、从高斯平面坐标系转换到其他独立坐标系。根据高斯平面坐标系到其他独立坐标系的转换参数，将R、C、D、E在高斯平面坐标系的坐标，转换到其他坐标系；R、C、D、E、F绝对高程也可进行相应转换。
步骤十一、完成挖掘机工作状态的智能化高精度定位。
另外，静止状态是一种特殊的工作状态，区别仅在于步骤四中的参数不再实时更新；挖掘机其他点位计算均可按此流程展开。
本发明关键点一是步骤六计算坐标系S1中R、C、D、E、F相对于A点的坐标，以及R、C、D、E、F的绝对高程：
第一步、图4中，求解C、D、E相对于R点的水平长度和垂直高度。其中，当挖掘机基本为水平作业，或者水平方向角度不大时，δx、δy可以近似为0，但定位精度会有小幅变化：
R点到C点的水平长度l’c：l'c＝Lc·cosδc
R点到D点的水平长度l’d：l'd＝l'c+Ld·cosδd
R点到E点的水平长度l’e：l'e＝l'd+Le·cosδe
R点到C点的垂直高度h’c：h'c＝Lc·sinδc·cosδx
R点到D点的垂直高度h’d：h'd＝h'c+Ld·sinδd·cosδx
R点到E点的垂直高度h’e：h'e＝h'd+Le·sinδe·cosδx
第二步、以A点位坐标原点，求解R、C、D、E的水平长度：
A点到R点的水平长度lf：lf＝Lf·cosδy-Hr·sinδy
A点到C点的水平长度lc：lc＝lf+l'c
A点到D点的水平长度ld：ld＝lf+l'd
A点到E点的水平长度le：le＝lf+l'e
第三步、以A点位参照点，求解C、D、E、F各点绝对高程：
R点绝对高程：HWR＝Ha+Hr·cosδy·cosδx+Lf·sinδy·cosδx
C点绝对高程：HWC＝HWR+h′c
D点绝对高程：HWD＝HWR+h'd
E点绝对高程：HWE＝HWR+h′e
F点绝对高程：HWF＝Ha+Hf·cosδy·cosδx
本发明关键点二是步骤七计算坐标系S2中R、C、D、E相对于A点的坐标：
Figure BDA0002546216120000131
Figure BDA0002546216120000132
Figure BDA0002546216120000133
Figure BDA0002546216120000134
本发明关键点三是步骤八、步骤九计算坐标系S2到高斯平面坐标系的转换参数，并将R、C、D、E从坐标系S2到高斯平面坐标系的转换：
第一步、从A、B空间直角坐标系和大地坐标系坐标，计算出A、B点高斯平面坐标系坐标，分别标识为A(aGx,aGy,Ha)，B(bGx,bGy,Hb)。其中，aGx和bGx为东向坐标，aGy和bGy为北向坐标，Ha和Hb为绝对高程。
第二步、计算AB向量与高斯平面坐标系北向X轴的夹角θ(又称为北向角):
Figure BDA0002546216120000135
如果xGb>xGa且yGb>yGa，θ>0
如果xGb>xGa且yGb<yGa，θ<0
如果xGb<xGa且yGb>yGa，θ>0
如果xGb<xGa且yGb<yGa，θ<0
第三步、计算坐标系S2到高斯平面坐标系的转换角β：
如果xGb>xGa且yGb>yGa，β＝θ-90°
如果xGb>xGa且yGb<yGa，β＝θ-90°
如果xGb<xGa且yGb>yGa，β＝θ+90°
如果xGb<xGa且yGb<yGa，β＝θ+90°
第四步、计算坐标系S2到高斯平面坐标系的平移量：
Figure BDA0002546216120000141
第五步、设某点位在S2坐标系的坐标为(xs2,ys2)，转换到高斯平面的坐标为 (xG,yG)，二者关系为：
Figure BDA0002546216120000142
第六步、R、C、D、E以及其他各点按照上述方法完成从坐标系S2到高斯平面坐标系的转换，得到高斯平面坐标系坐标。
本发明关键点四是计算步骤十中各点高斯平面坐标系到其他独立坐标系的转换：
第一步、已知高斯平面坐标系到某独立坐标系平面四转换参数：X轴平移量Δxk，Y轴平移量Δyk，坐标转换角γ，转换参数K；
第二步、假设某一点在该独立坐标系的坐标为(xk,yk)，在高斯平面的坐标为(xG,yG)：
Figure BDA0002546216120000143
第三步、已知绝对高程到某独立坐标系高程转换参数为Δhk，假设某一点的绝对高程为hG、在该独立坐标系的高程为hk：
hk＝hG+Δhk
某海外露天金属矿山中，采用挖掘机进行采掘作业，年采掘重量超过1亿吨。通过定位挖掘机底板高度(相当于F点绝对高程)，能够判断采掘过程中的“欠挖”情况；通过斗齿高精度定位，可保证采掘作业计划和作业实绩相符程度，降低矿山损失贫化；通过挖掘机各点高精度定位，可提高引导效率、加强作业监控、减少无效操作。
该矿山为某挖掘机为小松PC2000反铲挖掘机，配置了如下硬件设备：
设备名称 数量 安装位置
高精度GNSS接收机 1台 驾驶室内
GNSS接收天线 2套 挖掘机尾部
单轴倾角传感器 3套 大臂、小臂和铲斗
双轴倾角传感器 1套 驾驶室内
车载计算机 1套 驾驶室内
CPE网络通信单元 1套 驾驶室内
供电单元 1套 驾驶室内
改挖掘机静态参数标定情况如下所示(单位：米)：
Figure BDA0002546216120000151
Figure BDA0002546216120000161
在该挖掘机实际作业过程中，记录并对比了本发明高精度定位解算结果和传统测量仪器定位结果，如下所示(单位；米，数据四舍五入截取到小数点后四位)。其中，Z表示绝对高程。分析可以看出，高斯平面坐标系中，相对静止点 R在水平X方向平均误差约为0.015米，Y方向平均误差约为0.069米，绝对高程Z平均误差约为0.154米，水平方向平均误差为0.071；相对运动点末端E在水平X方向平均误差约为0.033米，Y方向平均误差约为0.071米，绝对高程Z 平均误差约为0.189米，水平方向平均误差为0.078。可以认为，该方法水平方向定位精度可控制在0.1米以内、高程定位精度可控制在0.2米内。
Figure BDA0002546216120000171
Figure BDA0002546216120000181
未使用该系统前，该矿山采区每个平台“欠挖”经常大于0.5米，使用该系统后，“欠挖”量可控制在0.15米左右；未使用该系统前斗齿允许的定位误差在±3米左右，使用该系统后，斗齿水平定位精度可控制在0.1米内、高程定位误差可控制在0.2米内；定位解算时间为毫秒；挖掘机作业效率提升超过15％，矿石损失贫化大幅降低，经济效益可观。同时，通过CPE网络通信单元，系统可以与矿山局域网实现无线网络通信，实现定位数据可与其他系统共享。
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)

1.一种基于卫星导航的挖掘机智能化高精度定位方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一、在挖掘机上安装高精度GNSS接收机、GNSS接收天线、倾角传感器和车载计算机；
步骤二、标定挖掘机的各个部位，GNSS接收天线A为A点，GNSS接收天线B为B点，A与B间矢量关系可判断所述挖掘机的工作装置朝向；大臂与辅助平台连接点为R点，是一个相对A和B静止的点；大臂与小臂连接点为C点，小臂与铲斗连接点为D点，铲斗头部为E点；行走机构后触点为F点，标识底盘所在坐标位置；
步骤三、挖掘机底盘保持水平时，标定挖掘机各个部位的静态尺寸；
步骤四、挖掘机工作状态时，读取倾角传感器实时动态角度；
步骤五、依靠所述高精度GNSS接收机，进行实时差分数据定位解算，获取A、B点在空间直角坐标系和大地坐标系的实时定位信息；
步骤六、以A点位坐标原点O(0,0)，与水平面垂直方向为X轴、所述挖掘机的工作装置水平前进方向为Y轴，建立挖掘机侧视图坐标系S1，计算R、C、D、E、F相对于A点的坐标以及各点绝对高程；
步骤七、以A点位坐标原点O(0,0)，工作装置前进方向为X轴、AB连线方向为Y轴，建立挖掘机俯视图坐标系S2，计算R、C、D、E相对于A点的坐标；
步骤八、A、B空间直角坐标系和大地坐标系坐标转换到高斯平面坐标系坐标；转换后坐标标识为A(aGx,aGy,Ha)，B(bGx,bGy,Hb)，其中，aGx和bGx为北向坐标，aGy和bGy为东向坐标，Ha和Hb为绝对高程；
步骤九、计算坐标系S2到高斯平面坐标系的转换参数，将坐标系S2中R、C、D、E坐标转换到高斯平面坐标系坐标；参照Ha和参考坐标系S1中各点相对A的坐标，计算R、C、D、E、F的绝对高程；
步骤十、从高斯平面坐标系转换到其他独立坐标系；
步骤十一、完成所述挖掘机工作状态的智能化高精度定位。
2.如权利要求1所述的基于卫星导航的挖掘机智能化高精度定位方法，其特征在于，所述步骤一具体包括：所述高精度GNSS接收机、所述GNSS接收天线、所述倾角传感器和所述车载计算机安装在所述挖掘机上；所述车载计算机安装在所述挖掘机驾驶室内，与所述倾角传感器和所述高精度GNSS接收机连接，并配备了定位计算软件模块，用于挖掘机工作姿态分析和坐标转换；所述GNSS接收天线安装在所述挖掘机尾部并与所述高精度GNSS接收机连接，所述GNSS接收天线间的连接直线与所述挖掘机驾驶室方向垂直，所述高精度GNSS接收机用于结合实时的差分信号和卫星星历数据，获取和分析所述GNSS接收天线的高精度定位信号；所述倾角传感器安装在所述挖掘机的工作装置，即大臂、小臂、铲斗和驾驶室内，用于分析判断挖掘机工作姿态。
3.如权利要求2所述的基于卫星导航的挖掘机智能化高精度定位方法，其特征在于，所述倾角传感器安装在所述挖掘机的工作装置，即大臂、小臂、铲斗和驾驶室内具体包括：所述倾角传感器安装在所述挖掘机驾驶室的俯仰和横滚方向，以及大臂、小臂和铲斗上，随着驾驶室、大臂、小臂和铲斗一起动作，用于判定驾驶室、大臂、小臂和铲斗的实时工作姿态，所述工作姿态包括驾驶室俯仰情况、驾驶室横滚情况、大臂与所述挖掘机平台连接点垂直高度和水平长度、大臂与小臂连接点的垂直高度和水平长度、小臂与铲斗连接点的垂直高度和水平长度、铲斗头部的垂直高度和水平长度。
4.如权利要求2或3所述的基于卫星导航的挖掘机智能化高精度定位方法，其特征在于，所述步骤三中的静态尺寸具体包括：A到R的距离为Lf，A到F的垂直高度为Hf；大臂长度即R到C的距离为Lc，小臂长度即C到D的距离为Ld，铲斗长度即D到E的距离为Le；R点到AB连线的垂线交点与A点的水平距离为r’Sy；A点与B点的直线距离为lb，A点到R点的垂直高差为Hr；A与B等高，AB连线与挖掘机工作装置方向垂直。
5.如权利要求4所述的基于卫星导航的挖掘机智能化高精度定位方法，其特征在于，所述实时动态角度包括大臂水平夹角为δc，小臂水平夹角为δd，铲斗水平夹角为δe，驾驶室俯仰角为δy和驾驶室横滚角为δx。
6.如权利要求5所述的基于卫星导航的挖掘机智能化高精度定位方法，其特征在于，所述步骤六中计算坐标系S1中R、C、D、E、F相对于A点的坐标以及各点绝对高程的过程如下：
S61、求解C、D、E相对于R点的水平长度和垂直高度，
R点到C点的水平长度l’c：l'c＝Lc·cosδc
R点到D点的水平长度l’d：l'd＝l'c+Ld·cosδd
R点到E点的水平长度l’e：l'e＝l'd+Le·cosδe
R点到C点的垂直高度h’c：h'c＝Lc·sinδc·cosδx
R点到D点的垂直高度h’d：h'd＝h'c+Ld·sinδd·cosδx
R点到E点的垂直高度h’e：h'e＝h'd+Le·sinδe·cosδx
S62、以A点位坐标原点，求解R、C、D、E的水平长度：
A点到R点的水平长度lf：lf＝Lf·cosδy-Hr·sinδy
A点到C点的水平长度lc：lc＝lf+l'c
A点到D点的水平长度ld：ld＝lf+l'd
A点到E点的水平长度le：le＝lf+l'e
S63、以A点位参照点，求解C、D、E、F各点绝对高程：
R点绝对高程：HWR＝Ha+Hr·cosδy·cosδx+Lf·sinδy·cosδx
C点绝对高程：HWC＝HWR+h′c
D点绝对高程：HWD＝HWR+h'd
E点绝对高程：HWE＝HWR+h′e
F点绝对高程：HWF＝Ha+Hf·cosδy·cosδx。
7.如权利要求6所述的基于卫星导航的挖掘机智能化高精度定位方法，其特征在于，所述步骤七中计算坐标系S2中R、C、D、E相对于A点的坐标的过程如下：
Figure FDA0002546216110000041
Figure FDA0002546216110000042
Figure FDA0002546216110000043
Figure FDA0002546216110000044
8.如权利要求7所述的基于卫星导航的挖掘机智能化高精度定位方法，其特征在于，所述步骤九中计算坐标系S2到高斯平面坐标系的转换参数，将坐标系S2中R、C、D、E坐标转换到高斯平面坐标系坐标的过程如下：
S91、计算AB向量与高斯平面坐标系北向X轴的夹角θ:
Figure FDA0002546216110000045
如果xGb>xGa且yGb>yGa，θ>0
如果xGb>xGa且yGb<yGa，θ<0
如果xGb<xGa且yGb>yGa，θ>0
如果xGb<xGa且yGb<yGa，θ<0；
S92、计算坐标系S2到高斯平面坐标系的转换角β：
如果xGb>xGa且yGb>yGa，β＝θ-90°
如果xGb>xGa且yGb<yGa，β＝θ-90°
如果xGb<xGa且yGb>yGa，β＝θ+90°
如果xGb<xGa且yGb<yGa，β＝θ+90°；
S93、计算坐标系S2到高斯平面坐标系的平移量：
Figure FDA0002546216110000046
S94、设某点位在S2坐标系的坐标为(xs2,ys2)，转换到高斯平面的坐标为(xG,yG)，二者关系为：
Figure FDA0002546216110000051
S95、R、C、D、E以及其他各点按照上述方法完成从坐标系S2到高斯平面坐标系的转换，得到高斯平面坐标系坐标。
9.如权利要求8所述的基于卫星导航的挖掘机智能化高精度定位方法，其特征在于，所述步骤十中从高斯平面坐标系转换到其他独立坐标系的过程如下：
S101、已知高斯平面坐标系到某独立坐标系平面四转换参数：X轴平移量Δxk，Y轴平移量Δyk，坐标转换角γ，转换参数K；
S102、假设某一点在该独立坐标系的坐标为(xk,yk)，在高斯平面的坐标为(xG,yG)：
Figure FDA0002546216110000052
S103、已知高斯平面坐标系的绝对高程到某独立坐标系高程转换参数为Δhk，假设某一点的绝对高程为hG、在该独立坐标系的高程为hk：
hk＝hG+Δhk。
10.如权利要求5-9任一项所述的基于卫星导航的挖掘机智能化高精度定位方法，其特征在于，对于静止状态，所述步骤四中的倾角传感器实时动态角度不再实时更新，挖掘机其他点位的计算仍按此方法展开。
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