CN113266047B - 一种挖掘机施工质量实时监控系统的监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明的挖掘机施工质量实时监控系统，包括挖掘机、工控机和显示屏，底盘的中心位置上设置有角度传感器，驾驶室上安装有北斗定向天线和定位天线，大臂、小臂和挖斗油缸上均安装有激光传感器，油缸伸缩杆的末端安装有激光反射板。本发明的监控方法，包括：a).建立直角坐标系；b).定义关键点；c).建立极坐标系；d).测量挖掘机参数；e).计算油缸长度；f).计算角度；g).计算挖斗实时位置；h).点坐标变换；i).施工监控。本发明的挖掘机监控系统及方法，可对挖掘位置是否越边界以及挖掘深度进行判断和提醒，解决了目前采用现场监管人员实时进行察验、测量所带来的效率低、监管不及时、工作量大的问题。

Description

一种挖掘机施工质量实时监控系统的监控方法

技术领域

本发明涉及一种挖掘机施工质量实时监控系统及方法，更具体的说，尤其涉及一种通过对挖斗的精准定位以对挖掘是否越界进行监控以及对剩余挖掘高程进行显示提醒的挖掘机施工质量实时监控系统及方法。

背景技术

挖掘机是道路建设或市政建设中的重要施工机械，为各种工程作业节省了人力、保证工程质量、缩短了工期，同时也降低了施工工程成本，对提高劳动生产率有显著意义。但目前挖掘机的信息化、智能化、自动化程度不高，影响项目施工质量的监管。

现有的挖掘机施工监管主要采用人工监管方式，即每台挖掘机配备一个专门的挖掘质量监管技术人员，人工方式查看挖掘位置与挖掘深度是否合格、驾驶员驾驶行为是否规范。对于挖掘深沟或深坑的项目来说，时常需要现场监管人员站到挖掘机的挖斗中进行察验、测量，该种监管方式不仅危及现场监管人员的安全，而且不利于现场施工质量的监管，进而导致施工企业需增加额外的人力与物力投入，项目管理的劳动强度与复杂度也呈级数增长。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种挖掘机施工质量实时监控系统及方法。

本发明的挖掘机施工质量实时监控系统，包括挖掘机、工控机和显示屏，挖掘机由行走机构、驾驶室、底盘、大臂、小臂、挖斗、大臂油缸、小臂油缸、挖斗油缸、第一连杆和第二连杆组成，驾驶室固定于底盘上，底盘经转盘设置于行走机构上，大臂的下端铰接于底盘上，小臂的中上部铰接于大臂的上端，挖斗铰接于小臂的下端；大臂油缸的油缸座和伸缩杆分别铰接于底盘和大臂中部，小臂油缸的油缸座和伸缩杆分别铰接于大臂中部和小臂的上端，挖斗油缸的油缸座铰接于小臂的上端，第一连杆的一端铰接于小臂的下端，第二连杆的一端铰接于挖斗上，第一连杆的另一端和第二连杆的另一端均铰接于挖斗的伸缩杆上；其特征在于：所述底盘的中心位置上设置测量底盘的俯仰角和横滚角的角度传感器，角度传感器为陀螺仪，驾驶室的顶部安装有北斗定向天线和北斗定位天线，北斗定位天线位于挖掘机转盘中心的垂线上，北斗定位天线和定向天线位于与底盘平行的同一平面内，且北斗定位天线与定向天线的连线方向与挖掘机正向位置时大臂方向一致，北斗定位天线用于获取位置坐标，北斗定位天线和定向天线共同决定挖掘机的航向角；大臂油缸的缸体上安装有实时测量大臂油缸总长度的第一激光传感器，小臂油缸上安装有实时测量小臂油缸总长度的第二激光传感器，挖斗油缸上安装有实时测量挖斗油缸总长度的第三激光传感器，大臂油缸、小臂油缸和挖斗油缸的伸缩杆的末端均设置有始终与其相垂直的激光反射板；工控机用于采集和处理角度传感器、北斗定向天线、北斗定位天线和激光传感器输出的数据，显示屏设置于驾驶室内。

本发明的挖掘机施工质量实时监控系统的监控方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

a).建立直角坐标系，以地理方位的正东、正北和天方向分别为 的正方向建立大地坐标系以北斗定位天线的中心Q为中心建立坐标系分别与相平行并方向一致；以北斗定位天线的中心Q为中心建立直角坐标系xyz，坐标系xyz的xy平面与挖掘机底盘所在平面平行，y轴方向沿大臂外伸方向，x轴方向沿远离大臂方向，z轴方向过转盘中心P点与定位天线中心Q点，正方向为P点指向Q的方向；

b).定义关键点，记大臂与底盘的铰接点为a、大臂油缸的油缸座与底盘的铰接点为b、大臂油缸的伸缩杆与大臂的铰接点为c，小臂油缸的油缸座与大臂的铰接点为d、小臂油缸的伸缩杆与小臂的铰接点为e、小臂与大臂的铰接点为g，挖斗油缸与小臂的铰接点为f、第一连杆与小臂的铰接点为h、第二连杆与挖斗的铰接点为k、挖斗油缸的伸缩杆与第一连杆和第二连杆的铰接点为i，挖斗与小臂的铰接点为j、挖斗顶端的中心点为o；

c).建立极坐标系，以a点为极点，以平行于坐标系xyz的y轴且与y轴方向相同的射线为极轴at，建立大臂坐标系；以g点为极点，以平行于坐标系xyz的z轴且与z轴方向相反的射线为极轴gs，建立小臂极坐标系；以j点为极点，以平行于坐标系xyz的z轴且与z轴方向相反的射线为极轴jm，建立挖斗极坐标系；

d).测量挖掘机参数及a点相对位置，通过对挖掘机进行测量，获得挖掘机的固有长度

e).计算油缸长度，在挖掘机工作过程中，通过周期性地实时采集第一、第二和第三激光传感器的测量长度，并结合第一、第二和第三激光传感器的安装位置，计算出大臂油缸总长度小臂油缸总长度和挖斗油缸总长度

f).计算大臂、小臂和挖斗角度，利用步骤e)中实时计算的长度 在步骤c)中建立的以a点为极点的极坐标系下计算大臂角度ag，在以g点为极点的极坐标下计算小臂坐标gj，在以j点为极点的极坐标下计算挖斗坐标jo；ag表示线段ag在以a点为极点的坐标系下的角度，gj表示线段gj在以g点为极点的坐标系下的角度，jo表示线段jo在以j点为极点的坐标系下的角度；

g).计算挖斗实时位置，通过以下步骤计算挖斗的实时位置坐标：

g-1).计算a点坐标，记Q点在坐标系xyz中的坐标为[0,0,0]^T，然后根据a点与Q点的机械结构参数，测得a点在坐标系xyz中的坐标[x_a,y_a,z_a]^T：

g-2).计算g点坐标，利用公式(1)计算出g点在坐标系xyz中的坐标[x_g,y_g,z_g]^T：

g-3).计算j点坐标，利用公式(2)计算出j点在坐标系xyz中的坐标[x_j,y_j,z_j]^T：

g-4).计算o点坐标，利用公式(3)计算出o点在坐标系xyz中的坐标[x_o,y_o,z_o]^T：

h).o点坐标变换，通过北斗定位天线和定向天线获取挖掘机的航向角yaw，通过角度传感器获取底盘的横滚角roll和俯仰角pitch；通过坐标系旋转公式(4)计算o点在坐标系下的坐标

其中，Rx、Ry和Rz为xyz坐标系到坐标系的旋转矩阵，通过公式(5)进行求取：

最后，对o点坐标进行平移，通过公式(6)计算出o点在大地坐标系中的坐标

其中，为北斗定位天线中点Q在坐标系下的实时测量坐标；

i).施工监控，施工过程中给出的施工坐标均为大地坐标，首先确定出施工区域的边界以及挖掘高程，在挖掘机挖掘的过程中，通过实时执行步骤e)至步骤h)求出挖斗的位置坐标，通过挖斗的坐标判断挖斗是否超出了挖掘边界，如果超出了挖掘边界，则发出报警提示；通过挖斗实时高度与挖掘高程的对比，给出当前高程与目标高程的高程差提示，以实现对挖掘机施工质量的监控。

本发明的挖掘机施工质量实时监控系统的监控方法，步骤f)中所述的计算大臂、小臂和挖斗角度具体通过以下步骤来实现：

f-1).计算大臂角度ag，在以a点为极点的极坐标系中，有ac＝∠cab，ag＝ac-∠cag，进而通过公式(7)计算大臂角度ag：

ag＝∠cab-∠cag   (7)

公式(7)中∠cab的角度通过公式(8)计算：

其中，∠cab为△cab中边ac与边ab的夹角，分别为线段ca、ab、cb的长度；

公式(7)中∠cag的角度通过公式(9)计算：

f-2).计算小臂角度gj，在以g点为极点的极坐标系中，通过公式(10)计算小臂角度gj：

gj＝360°-∠jgh-∠egh-∠dga-∠agp-∠dge   (10)

公式(10)中的∠jgh、∠egh、∠dga、∠dge通过公式(11)求取：

在以g点为极点的极坐标系中，有ga＝-(90°-ag)，则∠agp＝|ga|；

f-3).计算挖斗角度jo，在以j点为极点的极坐标系中，有jg-jn＝180°，又有：

jo-jg＝360-(∠gjh+∠hjk+∠kjo)   (12)

故：

jo＝360°+jg-(∠gjh+∠hjk+∠kjo)   (13)

公式(13)中的∠gjh、∠kjo通过公式(14)求取：

公式(13)中的∠hjk通过公式(15)求取：

公式(15)中的通过公式(16)进行求取：

本发明的挖掘机施工质量实时监控系统的监控方法，包括对大臂角度ag、小臂角度gj和挖斗角度jo的补偿，补偿方法通过以下方法来实现：

步骤1：通过逐步伸长液压缸的伸缩杆，测得运动臂在相应极轴方向上的投影长度H，根据运动臂的臂长L和投影长度H求出运动臂当前的真实角度θ_r：

其中，运动臂为大臂、小臂和挖斗，对于大臂来说：H为线段ag在极轴at方向上的投影长度；对于小臂来说：H为线段gj在极轴gs方向上的投影长度；对于挖斗来说，H为线段jo在极轴jm方向上的投影长度；

步骤2：在每进行一次测量运动臂在垂直或水平方向的距离H的过程中，通过步骤f-1)至步骤f-3)计算出运动臂当前的计算角度θ_c；

步骤3：补偿方法采用支持向量回归方法SVR，即f(θ_c)＝ω^Tθ_c+b，设coe＝[ω,b]^T为待求解项；

设共计进行了i次测量和计算，i次测量的测量角度分别为θ_r1、θ_r2、…、θ_ri，i次运动臂的计算角度分别为θ_c1、θ_c2、…、θ_ci，i次测量和计算的真实角度与计算角度的差值分别记为Δθ₁、Δθ₂、…、Δθ_i；

对于训练样本D＝{(θ_c1,Δθ₁),(θ_c2,Δθ₂),…,(θ_ci,Δθ_i)}，引入松弛因子∈，将SVR问题转化为：

引入拉格朗日乘子并分别对公式(19)中的求偏导，并令偏导为0，将结果代入公式(19)得：

满足KKT条件，可得SVR的解为：

f(θ_ci)＝ω^Tθ_ci+b     (21)

其中：

因此，补偿后的角度值为：

本发明的挖掘机施工质量实时监控系统的监控方法，步骤i)中所述的施工监控具体通过以下步骤来实现：

i-1).确定施工区域中线，根据施工要求，给出施工区域中线的起点、中点和终点的大地坐标，每个点输入高斯坐标(X,Y)和高度坐标H；并确定所挖掘宽度W，则要求挖掘机向施工区域中线两侧挖掘W/2的宽度；

i-2).计算高程差，经北斗定向天线所确定的位置精度满足要求，但高度位置可能存在较大变差，标定出北斗定向天线所确定的高度与实际高度的差值△H，△H为校准高程差；

i-3).确定施工区域边界，根据步骤i-1)中所确定的施工区域中线和挖掘宽度W，计算出施工区域边界；

i-4).判断是否越边界，通过实时获取挖斗在大地坐标系中的坐标，判断其是否位于步骤i-3)确定的施工区域边界之内，如果位于边界之内，则未越边界，如果不位于边界之内，则发出越边界的报警提醒，以提醒挖掘机驾驶人员及时校正挖掘位置；

i-5).计算实测高程与目标高程的高程差，通过实时获取挖斗在大地坐标系中高度并将挖斗高度与挖斗当前位置的实际要求的挖掘深度做差，并将差值显示出来，如果差值大于0，表示还应继续挖掘与差值相等的深度，如果差值小于0，表示多挖了与差值相等的深度，以对挖掘机驾驶人员进行挖掘高度的提醒，避免过深挖掘或挖掘深度不足情形的发生。

本发明的挖掘机施工质量实时监控系统的监控方法，步骤i-5)中，如果施工区域的某段中线起点和终点的高度坐标不相等，代表所挖掘的深沟具有高度落差，则通过一次曲线求出中线上个点的高度值，与施工区域中线上某点垂直的两侧均按照该点的高度值进行挖掘。

本发明的有益效果是：本发明的挖掘机施工质量实时监控系统及方法，在挖掘机底盘的中心设置有角度传感器、在驾驶室顶部安装有北斗定向天线，以及在挖掘机的大臂、小臂和挖斗的油缸上均设置有对其长度实时测量的激光传感器，以北斗定位天线中心建立与大地坐标系平移的坐标系以及挖掘机坐标系xyz，通过实施获取北斗定位天线的坐标以及各个油缸伸长的长度，可求出挖掘机的挖斗顶部中点的大地坐标系下的坐标，进而通过将挖斗位置坐标与挖掘边界比较，判断是否越边界，如果越界则发出越边界的报警提醒，以提醒挖掘机驾驶人员及时校正挖掘位置；通过将挖斗高度与实际要求的挖掘深度做差，将当前高程与目标高程的高程差显示出以对驾驶员进行挖掘高度的提醒，避免过深挖掘或挖掘深度不足情形的发生，解决了目前采用现场监管人员实时进行察验、测量所带来的效率低、监管不及时、工作量大以及监管人员安全得不到保障的问题。

附图说明

图1为本发明的挖掘机施工质量实时监控系统的结构示意图；

图2为本发明中所建立的坐标系及挖掘机关键点的示意图；

图3为本发明的实施例中监控界面示意图；

图4为本发明的实施例中施工参数输入界面图。

图中：1挖掘机，2行走机构，3驾驶室，4底盘，5转盘，6大臂，7小臂，8挖斗，9大臂油缸，10小臂油缸，11挖斗油缸，12第一连杆，13第二连杆；14北斗定向天线，15北斗定位天线，16角度传感器，17第一激光传感器，18第二激光传感器，19第三激光传感器，20激光反射板。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，给出了本发明的挖掘机施工质量实时监控系统的结构示意图，所示的挖掘机1由行走机构2、驾驶室3、底盘4、转盘5、大臂6、小臂7、挖斗8、大臂油缸9、小臂油缸10、挖斗油缸11、第一连杆12、第二连杆13组成，驾驶室3设置于底盘4上，大臂6的下端也铰接于底盘4上，底盘4经转盘5与行走机构2相连接，以实现底盘4的转动。小臂7的中上部铰接于大臂6的上端，挖斗8铰接于小臂7的下端；大臂油缸9的缸体铰接于底盘4上，伸缩杆的末端铰接于大臂6的中部，这样，通过大臂油缸9的伸缩即可驱使大臂6进行转动。小臂油缸10的缸体铰接于大臂6上，伸缩杆的末端铰接于小臂的上端，这样，通过小臂油缸10的伸缩即可驱使小臂进行转动。挖斗油缸11的缸体铰接于小臂7上，第一连杆12的一端铰接于小臂7的下端，第二连杆13的一端铰接于挖斗8上，第一连杆12的另一端和第二连杆13的另一端均铰接于挖斗油缸11的伸缩杆的末端，这样，通过挖斗油缸11的伸缩即可驱使挖斗8进行转动。

所示的底板5上固定有角度传感器，角度传感器采用陀螺仪，以实现对底盘的俯仰角和横滚角进行测量；驾驶室3的顶部安装有北斗定向天线14和北斗定位天线15，北斗定位天线15位于挖掘机转盘5中心的垂线上，北斗定位天线15和定向天线位于与底盘4平行的同一平面内，且北斗定位天线15与定向天线的连线方向与挖掘机1正向位置时大臂6方向一致，北斗定位天线用于获取位置坐标，北斗定位天线15和定向天线共同决定挖掘机1的航向角。驾驶室3内还设置有工控机和显示屏，工控机由于采集和处理角度传感器、北斗定向天线和激光传感器输出的数据，显示屏用于显示相关信息。大臂油缸9的缸体上安装有实时测量大臂油缸总长度的第一激光传感器17，小臂油缸10上安装有实时测量小臂油缸总长度的第二激光传感器18，挖斗油缸11上安装有实时测量挖斗油缸总长度的第三激光传感器19，大臂油缸9、小臂油缸10和挖斗油缸11的伸缩杆的末端均设置有始终与其相垂直的激光反射板20，激光传感器发射的激光经激光反射板20反射回来后，再经激光传感器接收，以计算相应油缸的长度。

如图2所示，给出了本发明中所建立的坐标系及挖掘机关键点的示意图，本发明的挖掘机施工质量实时监控系统的监控方法，通过以下步骤来实现：

a).建立直角坐标系，以地理方位的正东、正北和天方向分别为 的正方向建立大地坐标系以北斗定位天线的中心Q为中心建立坐标系分别与相平行并方向一致；以北斗定位天线的中心Q为中心建立直角坐标系xyz，坐标系xyz的xy平面与挖掘机底盘所在平面平行，y轴方向沿大臂外伸方向，x轴方向沿远离大臂方向，z轴方向过转盘中心P点与定位天线中心Q点，正方向为P点指向Q的方向；

b).定义关键点，记大臂与底盘的铰接点为a、大臂油缸的油缸座与底盘的铰接点为b、大臂油缸的伸缩杆与大臂的铰接点为c，小臂油缸的油缸座与大臂的铰接点为d、小臂油缸的伸缩杆与小臂的铰接点为e、小臂与大臂的铰接点为g，挖斗油缸与小臂的铰接点为f、第一连杆与小臂的铰接点为h、第二连杆与挖斗的铰接点为k、挖斗油缸的伸缩杆与第一连杆和第二连杆的铰接点为i，挖斗与小臂的铰接点为j、挖斗顶端的中心点为o；

c).建立极坐标系，以a点为极点，以平行于坐标系xyz的y轴且与y轴方向相同的射线为极轴at，建立大臂坐标系；以g点为极点，以平行于坐标系xyz的z轴且与z轴方向相反的射线为极轴gs，建立小臂极坐标系；以j点为极点，以平行于坐标系xyz的z轴且与z轴方向相反的射线为极轴jm，建立挖斗极坐标系；

d).测量挖掘机参数及a点相对位置，通过对挖掘机进行测量，获得挖掘机的固有长度

e).计算油缸长度，在挖掘机工作过程中，通过周期性地实时采集第一、第二和第三激光传感器的测量长度，并结合第一、第二和第三激光传感器的安装位置，计算出大臂油缸总长度小臂油缸总长度和挖斗油缸总长度

f).计算大臂、小臂和挖斗角度，利用步骤e)中实时计算的长度 在步骤c)中建立的以a点为极点的极坐标系下计算大臂角度ag，在以g点为极点的极坐标下计算小臂坐标gj，在以j点为极点的极坐标下计算挖斗坐标jo；ag表示线段ag在以a点为极点的坐标系下的角度，gj表示线段gj在以g点为极点的坐标系下的角度，jo表示线段jo在以j点为极点的坐标系下的角度；

该步骤中，计算大臂、小臂和挖斗角度具体通过以下步骤来实现：

f-1).计算大臂角度ag，在以a点为极点的极坐标系中，有ac＝∠cab，ag＝ac-∠cag，进而通过公式(7)计算大臂角度ag：

ag＝∠cab-∠cag   (7)

公式(7)中∠cab的角度通过公式(8)计算：

其中，∠cab为△cab中边ac与边ab的夹角，分别为线段ca、ab、cb的长度；

公式(7)中∠cag的角度通过公式(9)计算：

f-2).计算小臂角度gj，在以g点为极点的极坐标系中，通过公式(10)计算小臂角度gj：

gj＝360°-∠jgh-∠egh-∠dga-∠agp-∠dge   (10)

公式(10)中的∠jgh、∠egh、∠dga、∠dge通过公式(11)求取：

在以g点为极点的极坐标系中，有ga＝-(90°-ag)，则∠agp＝|ga|；

f-3).计算挖斗角度jo，在以j点为极点的极坐标系中，有jg-jn＝180°，又有：

jo-jg＝360-(∠gjh+∠hjk+∠kjo)   (12)

故：

jo＝360°+jg-(∠gjh+∠hjk+∠kjo)     (13)

公式(13)中的∠gjh、∠kjo通过公式(14)求取：

公式(13)中的∠hjk通过公式(15)求取：

公式(15)中的通过公式(16)进行求取：

g).计算挖斗实时位置，通过以下步骤计算挖斗的实时位置坐标：

g-1).计算a点坐标，记Q点在坐标系xyz中的坐标为[0,0,0]^T，然后根据a点与Q点的机械结构参数，测得a点在坐标系xyz中的坐标[x_a,y_a,z_a]^T：

g-2).计算g点坐标，利用公式(1)计算出g点在坐标系xyz中的坐标[x_g,y_g,z_g]^T：

g-3).计算j点坐标，利用公式(2)计算出j点在坐标系xyz中的坐标[x_j,y_j,z_j]^T：

g-4).计算o点坐标，利用公式(3)计算出o点在坐标系xyz中的坐标[x_o,y_o,z_o]^T：

h).o点坐标变换，通过北斗定位天线和定向天线获取挖掘机的航向角yaw，通过角度传感器获取底盘的横滚角roll和俯仰角pitch；通过坐标系旋转公式(4)计算o点在坐标系下的坐标

其中，Rx、Ry和Rz为xyz坐标系到坐标系的旋转矩阵，通过公式(5)进行求取：

最后，对o点坐标进行平移，通过公式(6)计算出o点在大地坐标系中的坐标

其中，为GPS北斗定位天线中点Q在坐标系下的实时测量坐标；

i).施工监控，施工过程中给出的施工坐标均为大地坐标，首先确定出施工区域的边界以及挖掘高程，在挖掘机挖掘的过程中，通过实时执行步骤e)至步骤h)求出挖斗的位置坐标，通过挖斗的坐标判断挖斗是否超出了挖掘边界，如果超出了挖掘边界，则发出报警提示；通过挖斗实时高度与挖掘高程的对比，给出当前高程与目标高程的高程差提示，以实现对挖掘机施工质量的监控。

步骤i)中施工监控具体通过以下步骤来实现：

i-1).确定施工区域中线，根据施工要求，给出施工区域中线的起点和终点的大地坐标，每个点输入高斯坐标(X,Y)和高度坐标H；并确定所挖掘宽度W，则要求挖掘机向施工区域中线两侧挖掘W/2的宽度；

i-2).计算高程差，经北斗定向天线所确定的经纬度精度满足要求，但高度位置可能存在较大变差，标定出北斗定向天线所确定的高度与实际高度的差值△H，△H为校准高程差；

i-3).确定施工区域边界，根据步骤i-1)中所确定的施工区域中线和挖掘宽度W，计算出施工区域边界；

i-4).判断是否越边界，通过实时获取挖斗在大地坐标系中的坐标，判断其是否位于步骤i-3)确定的施工区域边界之内，如果位于边界之内，则未越边界，如果不位于边界之内，则发出越边界的报警提醒，以提醒挖掘机驾驶人员及时校正挖掘位置；

i-5).计算实测高程与目标高程的高程差，通过实时获取挖斗在大地坐标系中高度并将挖斗高度与挖斗当前位置的实际要求的挖掘深度做差，并将差值显示出来，如果差值大于0，表示还应继续挖掘与差值相等的深度，如果差值小于0，表示多挖了与差值相等的深度，以对挖掘机驾驶人员进行挖掘高度的提醒，避免过深挖掘或挖掘深度不足情形的发生。

步骤i-5)中，如果施工区域的某段中线起点和终点的高度坐标不相等，代表所挖掘的深沟具有高度落差，则通过一次曲线求出中线上个点的高度值，与施工区域中线上某点垂直的两侧均按照该点的高度值进行挖掘。

因机械参数测量存在误差等原因，故需要对计算的各机械臂角度进行补偿，补偿方法采用采用支持向量回归(SVR)，包括对大臂角度ag、小臂角度gj和挖斗角度jo的补偿，补偿方法通过以下方法来实现：

步骤1：通过逐步伸长液压缸的伸缩杆，测得运动臂在相应极轴方向上的投影长度H，根据运动臂的臂长L和投影长度H求出运动臂当前的真实角度θ_r：

其中，运动臂为大臂、小臂和挖斗，对于大臂来说：H为线段ag在极轴at方向上的投影长度；对于小臂来说：H为线段gj在极轴gs方向上的投影长度；对于挖斗来说，H为线段jo在极轴jm方向上的投影长度；

步骤2：在每进行一次测量运动臂在垂直或水平方向的距离H的过程中，通过步骤f-1)至步骤f-3)计算出运动臂当前的计算角度θ_c；

步骤3：补偿方法采用支持向量回归方法SVR，即f(θ_c)＝ω^Tθ_c+b，设coe＝[ω,b]^T为待求解项；

设共计进行了i次测量和计算，i次测量的测量角度分别为θ_r1、θ_r2、…、θ_ri，i次运动臂的计算角度分别为θ_c1、θ_c2、…、θ_ci，i次测量和计算的真实角度与计算角度的差值分别记为Δθ₁、Δθ₂、…、Δθ_i；

对于训练样本D＝{(θ_c1,Δθ₁),(θ_c2,Δθ₂),...,(θ_ci,Δθ_i)}，引入松弛因子∈，将SVR问题转化为：

引入拉格朗日乘子并分别对公式(19)中的求偏导，并令偏导为0，将结果代入公式(19)得：

满足KKT条件，可得SVR的解为：

f(θ_ci)＝ω^Tθ_ci+b   (21)

其中：

因此，补偿后的角度值为：

如图3所示，给出了本发明的实施例中监控界面示意图，其中左侧：①为施工区域中线，②所示的图框内为施工区域，其边框为边界；③为当前挖斗位置，④显示的数据为挖斗距离边界的实时距离，若超出边界则发出报警信息。右侧区域为挖掘机高程信息监管，其中，⑤为目标挖掘高程，⑥柱状图为距离目标挖掘高程的距离，即剩余挖掘高程。

如图4所示，给出了本发明的实施例中施工参数输入界面图，施工参数输入界面共分为3部分：区域①中，“线名”为当前输入的直线段的名称；“高程差”为图纸高程数据与实测高程数据的差值，用来校准高程数据。用户在区域②中输入当前直线段的中线数据，包括起点和终点坐标(X，Y)、高程(H)和宽度(W)。输入数值单位为米。区域③中，“+”按钮表示增加一直线段；“-”按钮表示删除当前直线段；“当前线段”可查看当前输入的线段序号；“确定”按钮可保存当前输入的直线段内容。

Claims (4)

1.一种挖掘机施工质量实时监控系统的监控方法，挖掘机施工质量实时监控系统包括挖掘机(1)、工控机和显示屏，挖掘机由行走机构(2)、驾驶室(3)、底盘(4)、大臂(6)、小臂(7)、挖斗(8)、大臂油缸(9)、小臂油缸(10)、挖斗油缸(11)、第一连杆(12)和第二连杆(13)组成，驾驶室固定于底盘上，底盘经转盘(5)设置于行走机构上，大臂的下端铰接于底盘上，小臂的中上部铰接于大臂的上端，挖斗铰接于小臂的下端；大臂油缸的油缸座和伸缩杆分别铰接于底盘和大臂中部，小臂油缸的油缸座和伸缩杆分别铰接于大臂中部和小臂的上端，挖斗油缸的油缸座铰接于小臂的上端，第一连杆的一端铰接于小臂的下端，第二连杆的一端铰接于挖斗上，第一连杆的另一端和第二连杆的另一端均铰接于挖斗的伸缩杆上；所述底盘(4)的中心位置上设置测量底盘的俯仰角和横滚角的角度传感器(16)，角度传感器为陀螺仪，驾驶室的顶部安装有北斗定向天线(14)和北斗定位天线(15)，北斗定位天线位于挖掘机转盘中心的垂线上，北斗定位天线和定向天线位于与底盘平行的同一平面内，且北斗定位天线与定向天线的连线方向与挖掘机正向位置时大臂方向一致，北斗定位天线用于获取位置坐标，北斗定位天线和定向天线共同决定挖掘机的航向角；大臂油缸的缸体上安装有实时测量大臂油缸总长度的第一激光传感器(17)，小臂油缸上安装有实时测量小臂油缸总长度的第二激光传感器(18)，挖斗油缸上安装有实时测量挖斗油缸总长度的第三激光传感器(19)，大臂油缸、小臂油缸和挖斗油缸的伸缩杆的末端均设置有始终与其相垂直的激光反射板(20)；工控机用于采集和处理角度传感器、北斗定向天线、北斗定位天线和激光传感器输出的数据，显示屏设置于驾驶室内；

其特征在于，挖掘机施工质量实时监控系统的监控方法通过以下步骤来实现：

a).建立直角坐标系，以地理方位的正东、正北和天方向分别为

的正方向建立大地坐标系

以北斗定位天线的中心Q为中心建立坐标系

分别与

相平行并方向一致；以北斗定位天线的中心Q为中心建立直角坐标系xyz，坐标系xyz的xy平面与挖掘机底盘所在平面平行，y轴方向沿大臂外伸方向，x轴方向沿远离大臂方向，z轴方向过转盘中心P点与定位天线中心Q点，正方向为P点指向Q的方向；

b).定义关键点，记大臂与底盘的铰接点为a、大臂油缸的油缸座与底盘的铰接点为b、大臂油缸的伸缩杆与大臂的铰接点为c，小臂油缸的油缸座与大臂的铰接点为d、小臂油缸的伸缩杆与小臂的铰接点为e、小臂与大臂的铰接点为g，挖斗油缸与小臂的铰接点为f、第一连杆与小臂的铰接点为h、第二连杆与挖斗的铰接点为k、挖斗油缸的伸缩杆与第一连杆和第二连杆的铰接点为i，挖斗与小臂的铰接点为j、挖斗顶端的中心点为o；

c).建立极坐标系，以a点为极点，以平行于坐标系xyz的y轴且与y轴方向相同的射线为极轴at，建立大臂坐标系；以g点为极点，以平行于坐标系xyz的z轴且与z轴方向相反的射线为极轴gs，建立小臂极坐标系；以j点为极点，以平行于坐标系xyz的z轴且与z轴方向相反的射线为极轴jm，建立挖斗极坐标系；

d).测量挖掘机参数及a点相对位置，通过对挖掘机进行测量，获得挖掘机的固有长度

e).计算油缸长度，在挖掘机工作过程中，通过周期性地实时采集第一、第二和第三激光传感器的测量长度，并结合第一、第二和第三激光传感器的安装位置，计算出大臂油缸总长度

小臂油缸总长度

和挖斗油缸总长度

f).计算大臂、小臂和挖斗角度，利用步骤e)中实时计算的长度

在步骤c)中建立的以a点为极点的极坐标系下计算大臂角度ag，在以g点为极点的极坐标下计算小臂坐标gj，在以j点为极点的极坐标下计算挖斗坐标jo；ag表示线段ag在以a点为极点的坐标系下的角度，gj表示线段gj在以g点为极点的坐标系下的角度，jo表示线段jo在以j点为极点的坐标系下的角度；

g).计算挖斗实时位置，通过以下步骤计算挖斗的实时位置坐标：

g-1).计算a点坐标，记Q点在坐标系xyz中的坐标为[0,0,0]^T，然后根据a点与Q点的机械结构参数，测得a点在坐标系xyz中的坐标[x_a,y_a,z_a]^T：

g-2).计算g点坐标，利用公式(1)计算出g点在坐标系xyz中的坐标[x_g,y_g,z_g]^T：

g-3).计算j点坐标，利用公式(2)计算出j点在坐标系xyz中的坐标[x_j,y_j,z_j]^T：

g-4).计算o点坐标，利用公式(3)计算出o点在坐标系xyz中的坐标[x_o,y_o,z_o]^T：

h).o点坐标变换，通过北斗定位天线和定向天线获取挖掘机的航向角yaw，通过角度传感器获取底盘的横滚角roll和俯仰角pitch；通过坐标系旋转公式(4)计算o点在

坐标系下的坐标

其中，Rx、Ry和Rz为xyz坐标系到

坐标系的旋转矩阵，通过公式(5)进行求取：

最后，对o点坐标进行平移，通过公式(6)计算出o点在大地坐标系

中的坐标

其中，

为北斗定位天线中点Q在

坐标系下的实时测量坐标；

i).施工监控，施工过程中给出的施工坐标均为大地坐标，首先确定出施工区域的边界以及挖掘高程，在挖掘机挖掘的过程中，通过实时执行步骤e)至步骤h)求出挖斗的位置坐标，通过挖斗的

坐标判断挖斗是否超出了挖掘边界，如果超出了挖掘边界，则发出报警提示；通过挖斗实时高度

与挖掘高程的对比，给出当前高程与目标高程的高程差提示，以实现对挖掘机施工质量的监控；

包括对大臂角度ag、小臂角度gj和挖斗角度jo的补偿，补偿方法通过以下方法来实现：

步骤1：通过逐步伸长液压缸的伸缩杆，测得运动臂在相应极轴方向上的投影长度H，根据运动臂的臂长L和投影长度H求出运动臂当前的真实角度θ_r：

其中，运动臂为大臂、小臂和挖斗，对于大臂来说：

H为线段ag在极轴at方向上的投影长度；对于小臂来说：

H为线段gj在极轴gs方向上的投影长度；对于挖斗来说，

H为线段jo在极轴jm方向上的投影长度；

步骤2：在每进行一次测量运动臂在垂直或水平方向的距离H的过程中，通过步骤f-1)至步骤f-3)计算出运动臂当前的计算角度θ_c；

步骤3：补偿方法采用支持向量回归方法SVR，即f(θ_c)＝ω^Tθ_c+b，设coe＝[ω,b]^T为待求解项；

设共计进行了i次测量和计算，i次测量的测量角度分别为θ_r1、θ_r2、…、θ_ri，i次运动臂的计算角度分别为θ_c1、θ_c2、…、θ_ci，i次测量和计算的真实角度与计算角度的差值分别记为Δθ₁、Δθ₂、…、Δθ_i；

对于训练样本D＝{(θ_c1,Δθ₁),(θ_c2,Δθ₂),…,(θ_ci,Δθ_i)}，引入松弛因子∈，将SVR问题转化为：

引入拉格朗日乘子并分别对公式(19)中的ω,b,ξ_i,

求偏导，并令偏导为0，将结果代入公式(19)得：

满足KKT条件，可得SVR的解为：

f(θ_ci)＝ω^Tθ_ci+b     (21)

其中：

因此，补偿后的角度值

为：

2.根据权利要求1所述的挖掘机施工质量实时监控系统的监控方法，其特征在于，步骤f)中所述的计算大臂、小臂和挖斗角度具体通过以下步骤来实现：

f-1).计算大臂角度ag，在以a点为极点的极坐标系中，有ac＝∠cab，ag＝ac-∠cag，进而通过公式(7)计算大臂角度ag：

ag＝∠cab-∠cag     (7)

公式(7)中∠cab的角度通过公式(8)计算：

其中，∠cab为△cab中边ac与边ab的夹角，

分别为线段ca、ab、cb的长度；

公式(7)中∠cag的角度通过公式(9)计算：

f-2).计算小臂角度gj，在以g点为极点的极坐标系中，通过公式(10)计算小臂角度gj：

gj＝360°-∠jgh-∠egh-∠dga-∠agp-∠dge    (10)

公式(10)中的∠jgh、∠egh、∠dga、∠dge通过公式(11)求取：

在以g点为极点的极坐标系中，有ga＝-(90°-ag)，则∠agp＝|ga|；

f-3).计算挖斗角度jo，在以j点为极点的极坐标系中，有jg-jn＝180°，又有：

jo-jg＝360-(∠gjh+∠hjk+∠kjo)     (12)

故：

jo＝360°+jg-(∠gjh+∠hjk+∠kjo)    (13)

公式(13)中的∠gjh、∠kjo通过公式(14)求取：

公式(13)中的∠hjk通过公式(15)求取：

公式(15)中的

通过公式(16)进行求取：

3.根据权利要求1或2所述的挖掘机施工质量实时监控系统的监控方法，其特征在于，步骤i)中所述的施工监控具体通过以下步骤来实现：

i-1).确定施工区域中线，根据施工要求，给出施工区域中线的起点和终点的大地坐标，每个点输入高斯坐标(X,Y)和高度坐标H；并确定所挖掘宽度W，则要求挖掘机向施工区域中线两侧挖掘W/2的宽度；

i-2).计算高程差，经北斗定向天线所确定的经纬度精度满足要求，但高度位置可能存在较大变差，标定出北斗定向天线所确定的高度与实际高度的差值△H，△H为校准高程差；

i-3).确定施工区域边界，根据步骤i-1)中所确定的施工区域中线和挖掘宽度W，计算出施工区域边界；

i-4).判断是否越边界，通过实时获取挖斗在大地坐标系中的

坐标，判断其是否位于步骤i-3)确定的施工区域边界之内，如果位于边界之内，则未越边界，如果不位于边界之内，则发出越边界的报警提醒，以提醒挖掘机驾驶人员及时校正挖掘位置；

i-5).计算实测高程与目标高程的高程差，通过实时获取挖斗在大地坐标系中高度

并将挖斗高度

与挖斗当前位置的实际要求的挖掘深度做差，并将差值显示出来，如果差值大于0，表示还应继续挖掘与差值相等的深度，如果差值小于0，表示多挖了与差值相等的深度，以对挖掘机驾驶人员进行挖掘高度的提醒，避免过深挖掘或挖掘深度不足情形的发生。

4.根据权利要求3所述的挖掘机施工质量实时监控系统的监控方法，其特征在于：步骤i-5)中，如果施工区域的某段中线起点和终点的高度坐标不相等，代表所挖掘的深沟具有高度落差，则通过一次曲线求出中线上个点的高度值，与施工区域中线上某点垂直的两侧均按照该点的高度值进行挖掘。

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