CN113638463B - 挖掘机作业引导方法、装置和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种挖掘机作业引导方法、装置和系统，属于工程机械技术领域。该方法包括：网格化待作业区域，以将所述待作业区域分为多个挖掘区域和多个填方区域；在挖掘量和填方量平衡的前提下，生成施工引导区域的边界线，其中所述施工引导区域为所述待作业区域中挖掘机实际作业的区域；生成所述施工引导区域的等高线；显示网格化的施工引导区域、所述施工引导区域的边界线以及所述施工引导区域的等高线，以引导作业人员的作业。该挖掘机作业引导方法、装置和系统可以提供合理的施工引导，施工作业效果达到最优，并提高施工作业效率。
Description
技术领域
本发明涉及工程机械技术领域，具体地涉及一种挖掘机作业引导方法、装置和系统。
背景技术
在城市园林建设、体育馆修建、赛车道修建等等的施工作业中经常用到挖掘施工作业和填方施工作业，对作业精度要求越来越高，传统施工作业引导画面，仅考虑到将目标面和作业范围重合的位置作为最佳作业位置进行引导，难以符合实际施工习惯，也无法降低操作员的操作工作量，并且仅以简单直线划分显示施工范围，已经无法满足施工作业精度和效率的要求。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种挖掘机作业引导方法、装置和系统，该挖掘机作业引导方法、装置和系统可以提供合理的施工引导，施工作业效果达到最优，并提高施工作业效率。
为了实现上述目的，本发明实施例提供一种挖掘机作业引导方法，该方法包括：网格化待作业区域，以将所述待作业区域分为多个挖掘区域和多个填方区域；在挖掘量和填方量平衡的前提下，生成施工引导区域的边界线，其中所述施工引导区域为所述待作业区域中挖掘机实际作业的区域；生成所述施工引导区域的等高线；显示网格化的施工引导区域、所述施工引导区域的边界线以及所述施工引导区域的等高线，以引导作业人员的作业。
优选地，在生成施工引导区域的边界线之后，该方法还包括：根据所述挖掘机实际作业的区域中所述多个挖掘区域和所述多个填方区域的作业量，确定施工引导路径；显示所述施工引导路径，以引导所述作业人员的作业。
优选地，该方法还包括：根据所述挖掘机的实际位置的坐标以及所述挖掘机的目标位置的位置坐标，确定施工引导距离和施工引导航向角；根据所述施工引导距离和所述施工引导航向角，引导所述挖掘机至所述目标位置。
优选地，该方法还包括：至少根据所检测的挖掘机的动臂、斗杆以及铲斗的相关角度，计算所述铲斗的斗尖的坐标以及姿态角。
优选地，所述至少根据所检测的挖掘机的动臂、斗杆以及铲斗的相关角度，计算所述铲斗的斗尖的坐标以及姿态角包括：读取所述挖掘机的动臂与机身坐标平面之间的第一角度、所述挖掘机的斗杆与所述挖掘机的动臂之间的第二角度、所述挖掘机的斗杆与所述挖掘机的铲斗之间的第三角度；根据所述挖掘机的斗杆的长度、所述挖掘机的动臂的长度、所述挖掘机的铲斗的长度、所述第一角度、所述第二角度、所述第三角度、所述挖掘机的动臂的转轴的坐标与所述挖掘机的实际位置的坐标之间垂直高度上的坐标差以及沿所述铲斗朝向的水平方向上的坐标差，确定所述挖掘机的铲斗的斗尖的坐标以及姿态角；该方法还包括：根据所述斗尖的坐标以及所述姿态角，实时显示所述挖掘机的铲斗的斗尖的位置。
优选地，在实时显示所述挖掘机的铲斗的斗尖的位置之后，该方法还包括：基于外部输入的坐标，显示作业目标面的位置；根据所述挖掘机的铲斗的斗尖的位置和所述作业目标面的位置，显示所述挖掘机的铲斗的斗尖与所述作业目标面的位置关系，以引导所述作业人员的作业。
优选地，所述在挖掘量和填方量平衡的前提下，生成施工引导区域的边界线包括：在挖掘量和填方量平衡的前提下，计算所述施工引导区域的平均设计高程；基于所述平均设计高程，生成所述施工引导区域的边界线。
优选地，在网格化待作业区域，以将所述待作业区域分为多个挖掘区域和多个填方区域之后，该方法还包括：在所述多个挖掘区域和/或所述多个填方区域的作业目标面为曲面时，采用样条插值对所述多个挖掘区域和/或所述多个填方区域对应断面面积进行拟合，以生成样条函数；显示所述样条函数对应的曲面的位置，以引导所述作业人员的作业。
本发明实施例还提供一种挖掘机作业引导装置，该装置包括：网格化单元、边界线确定单元、等高线确定单元以及显示单元，其中，所述网格化单元用于网格化待作业区域，以将所述待作业区域分为多个挖掘区域和多个填方区域；所述边界线确定单元用于在挖掘量和填方量平衡的前提下，生成施工引导区域的边界线，其中所述施工引导区域为所述待作业区域中挖掘机实际作业的区域；所述等高线单元用于生成所述施工引导区域的等高线；所述显示单元用于显示网格化的施工引导区域、所述施工引导区域的边界线以及所述施工引导区域的等高线，以引导作业人员的作业。
优选地，该装置还包括引导路径确定单元，用于根据所述挖掘机实际作业的区域中所述多个挖掘区域和所述多个填方区域的作业量，确定施工引导路径；所述显示单元还用于显示所述施工引导路径，以引导所述作业人员的作业。
优选地，该装置还包括：引导属性确定单元，用于根据所述挖掘机的实际位置的坐标以及所述挖掘机的目标位置的位置坐标，确定施工引导距离和施工引导航向角；所述显示单元还用于根据所述施工引导距离和所述施工引导航向角，引导所述挖掘机至所述目标位置。
优选地，该装置还包括：计算单元，用于至少根据所检测的挖掘机的动臂、斗杆以及铲斗的相关角度，计算所述铲斗的斗尖的坐标以及姿态角。
优选地，所述计算单元包括：读取单元，用于读取所述挖掘机的动臂与机身坐标平面之间的第一角度、所述挖掘机的斗杆与所述挖掘机的动臂之间的第二角度、所述挖掘机的斗杆与所述挖掘机的铲斗之间的第三角度；斗尖属性确定单元，用于根据所述挖掘机的斗杆的长度、所述挖掘机的动臂的长度、所述挖掘机的铲斗的长度、所述第一角度、所述第二角度、所述第三角度、所述挖掘机的动臂的转轴的坐标与所述挖掘机的实际位置的坐标之间的垂直高度上的坐标差以及沿所述铲斗朝向的水平方向上的坐标差，确定所述挖掘机的铲斗的斗尖的坐标以及姿态角；所述显示单元还用于根据所述斗尖的坐标以及所述姿态角，实时显示所述挖掘机的铲斗的斗尖的位置。
优选地，所述显示单元还用于：基于外部输入的坐标，显示作业目标面的位置；根据所述挖掘机的铲斗的斗尖的位置和所述作业目标面的位置，显示所述挖掘机的铲斗的斗尖与所述作业目标面的位置关系，以引导所述作业人员的作业。
优选地，所述边界线确定单元用于：在挖掘量和填方量平衡的前提下，计算所述施工引导区域的平均设计高程；基于所述平均设计高程，生成所述施工引导区域的边界线。
优选地，该装置还包括拟合单元，用于在所述多个挖掘区域和/或所述多个填方区域的作业目标为曲面时，采用样条插值对所述多个挖掘区域和/或所述多个填方区域对应断面面积进行拟合，以生成样条函数；所述显示单元还用于显示所述样条函数对应的曲面，以引导所述作业人员的作业。
本发明实施例还提供一种挖掘机作业引导系统，该系统包括：上文所述的挖掘机作业引导装置；角度检测装置，用于检测所述挖掘机的动臂、斗杆以及铲斗的相关角度；定位装置，用于检测所述挖掘机的实际位置坐标以及航向角。
优选地，所述角度检测装置包括：动臂倾角传感器，设置在所述挖掘机的动臂上，用于检测所述挖掘机的动臂与机身坐标平面之间的第一角度；斗杆倾角传感器，设置在所述挖掘机的斗杆上，用于检测所述挖掘机的斗杆与所述挖掘机的动臂之间的第二角度；铲斗倾角传感器，设置在所述挖掘机的铲斗上，用于检测所述挖掘机的斗杆与所述挖掘机的铲斗之间的第三角度。
优选地，所述定位装置为GNSS定位装置。
通过上述技术方案，采用本发明提供的挖掘机作业引导方法、装置和系统，合理进行施工引导，施工作业效果达到最优，操作员可以根据显示器上的引导画面，很容易的移动和操作挖掘机，提高施工作业效率。
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1A是本发明一实施例提供的挖掘机作业引导方法的流程图；
图1B是本发明一实施例提供的网格化的待作业区域的示意图；
图1C是本发明一实施例提供的含边界线的施工引导区域的示意图；
图2是本发明一实施例提供的边界线的生成方法的流程图；
图3是本发明另一实施例提供的挖掘机作业引导方法的流程图；
图4是本发明另一实施例提供的挖掘机作业引导方法的流程图；
图5是本发明另一实施例提供的挖掘机作业引导方法的流程图；
图6是本发明一实施例提供的挖掘机的数学结构组成示意图；
图7是本发明另一实施例提供的挖掘机作业引导方法的流程图；
图8是本发明一实施例提供的挖掘机作业引导装置的结构框图；
图9是本发明另一实施例提供的挖掘机作业引导装置的结构框图；
图10是本发明一实施例提供的挖掘机作业引导系统的结构框图。
附图标记说明
801 网格化单元 802 边界线确定单元
803 等高线确定单元 804 显示单元
805 计算单元 901 引导路径确定单元
902 引导属性确定单元 904 读取单元
905 斗尖属性确定单元 906 拟合单元
1001 挖掘机作业引导装置 1002 角度检测装置
1003 定位装置 1101 动臂倾角传感器
1102 斗杆倾角传感器 1103 铲斗倾角传感器
1104 机身倾角传感器
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
图1A是本发明一实施例提供的挖掘机作业引导方法的流程图。如图1A所示，该方法包括：
步骤S11，网格化待作业区域，以将所述待作业区域分为多个挖掘区域和多个填方区域；
例如，可以根据设定好的施工数据，确定待作业区域哪里需要挖掘，哪里需要填方，并对待作业区域进行网格化，如图1B所示。在图1B中，可以使用无填充的网格作为挖掘区域，使用有填充的网格作为填方区域，每个网格代表一定的区域面积。可以理解的是，虽然图1B中使用了网格进行网格化，但是同样也可以使用其他形状进行网格化，在此不再赘述。为了使网格化更精确，可以将网格的大小设置的更小。
步骤S12，在挖掘量和填方量平衡的前提下，生成施工引导区域的边界线，其中所述施工引导区域为所述待作业区域中挖掘机实际作业的区域；
例如，由于填方需要用到大量的土、砂石等土石方，如果从其他位置运送，不能精确确定需要使用多少，会浪费大量时间。因此，在本发明实施例中，拟使用挖掘出的土石方进行填方，这样可以节省运输土石方的时间，同时也不需对挖出的土石方进行处理。因此，需要保证挖掘量和填方量平衡，也就是说保证挖掘量和填方量相等。对此本发明在待作业区域中，生成一个实际作业的施工引导区域，在该施工引导区域内，挖掘量和填方量恰好平衡，并确定施工引导区域的边界线，挖掘机仅对该区域内施工。具体地，本发明实施例提供一种方法，如图2所示，如下：
步骤S21，在挖掘量和填方量平衡的前提下，计算所述施工引导区域的平均设计高程；
例如，可以通过加权平均的方法计算平均设计高程。公式如下：
其中Hd是场地的平均设计高程；Hi为网格点的地面高程；Wi为网格点的权重值。该权重值可以与网格点的挖填面积相关。
步骤S22，基于所述平均设计高程，生成所述施工引导区域的边界线。
例如，可以使用等高线内插的方式，将平均设计高程对应的等高线进行内插，这条等高线即是施工引导区域的边界线，例如如图1C所示。
步骤S13，生成所述施工引导区域的等高线；
例如，通过以下公式可以计算每个网格点需要的挖掘或填方高度：
hi＝Hi-Hd
其中Hd是场地的平均设计高程；Hi为网格点的地面高程，hi为正表示挖方，hi为负表示填方。通过确定出每个网格点需要的挖掘或填方高度，可以生成施工引导区域的等高线。
步骤S14，显示网格化的施工引导区域、所述施工引导区域的边界线以及所述施工引导区域的等高线，以引导作业人员的作业。
例如，通过作业引导显示装置可以显示网格化的施工引导区域、施工引导区域的边界线以及施工引导区域的等高线，作业人员可以据此进行作业。
图3是本发明另一实施例提供的挖掘机作业引导方法的流程图。如图3所示，该方法包括：
步骤S31，根据所述挖掘机实际作业的区域中所述多个挖掘区域和所述多个填方区域的作业量，确定施工引导路径；
例如，如上文计算出每个网格点需要的挖掘或填方高度，即可以预估出每个挖掘区域和填方区域的作业量，也就可以得知挖掘机实际作业的区域中每个挖掘区域可以挖出多少土石方，每个填方区域需要多少土石方，从而设定施工引导路径。该施工引导路径可以保证在进行填方之前，必先挖掘出足够的土石方。
步骤S32，显示所述施工引导路径，以引导所述作业人员的作业。
例如，显示施工引导路径，作业人员按照该施工引导路径进行作业，可以保证不会出现在需要填方时却无土石方可使用的情况。
图4是本发明另一实施例提供的挖掘机作业引导方法的流程图。如图4所示，该方法包括：
步骤S41，根据所述挖掘机的实际位置的坐标以及所述挖掘机的目标位置的位置坐标，确定施工引导距离和施工引导航向角；
例如，目标位置可以是施工引导区域中需要首先施工的网格，可以通过以下公式确定施工引导距离：
其中，|P1P2|为施工引导距离，x1，y1为挖掘机的实际位置的坐标，x2，y2为挖掘机的目标位置的位置坐标。
可以通过以下公式确定施工引导航向角：
α＝arctan(y2-y1)/(x2-x1)
其中，α为施工引导航向角，x1，y1为挖掘机的实际位置的坐标，x2，y2为挖掘机的目标位置的位置坐标。
步骤S42，根据所述施工引导距离和所述施工引导航向角，引导所述挖掘机至所述目标位置。
例如，有了施工引导距离和施工引导航向角，就可以将挖掘机引导至目标位置以便进行施工。具体的引导方式可以显示挖掘机的行进路径，也可以使用声音显示的方式进行指引。
另外，本发明还可以至少根据所检测的挖掘机的动臂、斗杆以及铲斗的相关角度，计算所述铲斗的斗尖的坐标以及姿态角。本发明以下实施例提供一种计算方式：
图5是本发明另一实施例提供的挖掘机作业引导方法的流程图。如图5所示，该方法包括：
步骤S51，读取所述挖掘机的动臂与机身坐标平面之间的第一角度、所述挖掘机的斗杆与所述挖掘机的动臂之间的第二角度、所述挖掘机的斗杆与所述挖掘机的铲斗之间的第三角度；
例如，如图6所示，可以采用角度检测装置进行检测，并继而读取第一角度θ1、第二角度θ2以及第三角度θ3。
步骤S52，根据所述挖掘机的斗杆的长度、所述挖掘机的动臂的长度、所述挖掘机的铲斗的长度、所述第一角度、所述第二角度、所述第三角度、所述挖掘机的动臂的转轴的坐标与所述挖掘机的实际位置的坐标之间的垂直高度上的坐标差以及沿所述铲斗朝向的水平方向上的坐标差，确定所述挖掘机的铲斗的斗尖的坐标以及姿态角；
例如，采用以下公式计算挖掘机的铲斗的斗尖的坐标[X，Y，Z]：
X＝l1+l2cosθ1+l3cos(θ1+θ2)+l4cos(θ1+θ2+θ3)
Y＝0
Z＝d1+l2sinθ1+l3sin(θ1+θ2)+l4sin(θ1+θ2+θ3)
其中，θ1为第一角度，θ2为第二角度，θ3为第三角度，l1为所述挖掘机的动臂的转轴的坐标与所述挖掘机的实际位置的坐标之间的沿所述铲斗朝向的水平方向上的坐标差，l2为所述挖掘机的动臂的长度，l3为所述挖掘机的斗杆的长度，l4为所述挖掘机的铲斗的长度，d1所述挖掘机的动臂的转轴的坐标与所述挖掘机的实际位置的坐标之间的垂直高度上的坐标差。
采用以下公式计算挖掘机的铲斗的姿态角β：
β＝-(θ1+θ2+θ3)
其中，θ1为第一角度，θ2为第二角度，θ3为第三角度。
步骤S53，根据所述斗尖的坐标以及所述姿态角，实时显示所述挖掘机的铲斗的斗尖的位置。
例如，在得到斗尖的坐标以及姿态角之后，可以将斗尖实时显示出来，以便于工作人员得知斗尖处于何处，从而可以精确进行操作和施工。
图7是本发明另一实施例提供的挖掘机作业引导方法的流程图。如图7所示，该方法包括：
步骤S71，在所述多个挖掘区域和/或所述多个填方区域的作业目标面为曲面时，采用样条插值对所述多个挖掘区域和/或所述多个填方区域对应断面面积进行拟合，以生成样条函数；
例如，具体地，在某个或多个挖掘区域以及填方区域的作业目标面是曲面时，例如需要将当前区域施工成高尔夫球场，可以理解为该曲面由多个挖掘区域和填方区域对应的断面组合而成。
假设该曲面的第一个坐标值为Ps，最后一个坐标值为Pe，多个挖掘区域和填方区域对应的断面面积为f(x1),f(x2)…，f(xi)。则构造一个断面面积性质的样条函数S逼近f(x)，满足S(x)∈[Ps，Pe]。S(xi)在每个子区间上是一个多项式，S(x)＝f(xi)(i＝0,1,…n)函数表示曲线通过所有的点(xi,f(xi))。S″(xi)＝Mi(i＝0,1,2,…n)，S″(x)在区间上是线性函数，表示为：
式中，hi-1＝xi-xi-1。对上式积分2次，利用插值条件，S(xi-1)＝f(xi-1),S(xi)＝f(xi)，可以得到样条曲线M的表达式，
利用函数S(x)在采样点xi处具有连续二阶导数的条件，增加自然边界条件，s"(x1)＝0,S"(xn)＝0。
为了满足边界条件，在作业面首末端位置的断面形式和断面面积保持不变，得下面方程组，
式中，
λi＝1-μi
解上面方程组，得到：
Mi(i＝0,1,2…,n)
将其代入样条曲线M的表达式可得到每个区间上的子区间[xi-1,xi](i＝0,1,2,…n上的样条函数。
步骤S72，显示所述样条函数对应的曲面的位置，以引导所述作业人员的作业。
例如，实际上，该样条函数可以理解为一个曲面，将该样条函数对应的曲面显示出来，可以使作业人员作业时，沿该曲面进行挖填操作。
如上文所述，在实时显示所述挖掘机的铲斗的斗尖的位置之后，还可以显示作业目标面的位置。作业目标面例如可以是曲面或者是斜坡等等。上文已经给出了显示曲面的相关方式，基于此施工人员可以输入曲面的起点、终点和各关键点处的坐标，从而使用上述样条函数的确定方法得到曲面，以显示该曲面的位置。对于斜坡，可以输入斜坡横断面交点坐标以及坡度值，就可以得到斜坡，以显示该斜坡的位置。
在显示所述挖掘机的铲斗的斗尖的位置和作业目标面的位置之后，还可以据此显示挖掘机的铲斗的斗尖与所述作业目标面的位置关系。该位置关系可以使用三维图形或侧视图形式显示，或者也可以显示挖掘机的铲斗的斗尖的坐标，显示作业目标面上与斗尖最近的一个坐标，并显示二者的距离。施工人员可以根据显示的引导画面操作机器，使铲斗沿着作业目标面进行作业，完成施工引导作业，使得目标地形与设计的三维地形一致。
图8是本发明一实施例提供的挖掘机作业引导装置的结构框图。如图8所示，该装置包括：网格化单元801、边界线确定单元802、等高线确定单元803以及显示单元804，其中，所述网格化单元801用于网格化待作业区域，以将所述待作业区域分为多个挖掘区域和多个填方区域；所述边界线确定单元802用于在挖掘量和填方量平衡的前提下，生成施工引导区域的边界线，其中所述施工引导区域为所述待作业区域中挖掘机实际作业的区域；所述等高线单元803用于生成所述施工引导区域的等高线；所述显示单元804用于显示网格化的施工引导区域、所述施工引导区域的边界线以及所述施工引导区域的等高线，以引导作业人员的作业。
图9是本发明另一实施例提供的挖掘机作业引导装置的结构框图。如图9所示，优选地，该装置还包括引导路径确定单元901，用于根据所述挖掘机实际作业的区域中所述多个挖掘区域和所述多个填方区域的作业量，确定施工引导路径；所述显示单元804还用于显示所述施工引导路径，以引导所述作业人员的作业。
优选地，该装置还包括：引导属性确定单元902，用于根据所述挖掘机的实际位置的坐标以及所述挖掘机的目标位置的位置坐标，确定施工引导距离和施工引导航向角；所述显示单元804还用于根据所述施工引导距离和所述施工引导航向角，引导所述挖掘机至所述目标位置。
优选地，该装置还包括：计算单元805，用于至少根据所检测的挖掘机的动臂、斗杆以及铲斗的相关角度，计算所述铲斗的斗尖的坐标以及姿态角。
优选地，所述计算单元805包括：读取单元904，用于读取所述挖掘机的动臂与机身坐标平面之间的第一角度、所述挖掘机的斗杆与所述挖掘机的动臂之间的第二角度、所述挖掘机的斗杆与所述挖掘机的铲斗之间的第三角度；斗尖属性确定单元905，用于根据所述挖掘机的斗杆的长度、所述挖掘机的动臂的长度、所述挖掘机的铲斗的长度、所述第一角度、所述第二角度、所述第三角度、所述挖掘机的动臂的转轴的坐标与所述挖掘机的实际位置的坐标之间的垂直高度上的坐标差以及沿所述铲斗朝向的水平方向上的坐标差，确定所述挖掘机的铲斗的斗尖的坐标以及姿态角；所述显示单元804还用于根据所述斗尖的坐标以及所述姿态角，实时显示所述挖掘机的铲斗的斗尖的位置。
优选地，所述边界线确定单元802用于：在挖掘量和填方量平衡的前提下，计算所述施工引导区域的平均设计高程；基于所述平均设计高程，生成所述施工引导区域的边界线。
优选地，该装置还包括拟合单元906，用于在所述多个挖掘区域和/或所述多个填方区域的作业目标为曲面时，采用样条插值对所述多个挖掘区域和/或所述多个填方区域对应断面面积进行拟合，以生成样条函数；所述显示单元804还用于显示所述样条函数对应的曲面，以引导所述作业人员的作业。
优选地，所述显示单元804还用于：基于外部输入的坐标，显示作业目标面的位置；根据所述挖掘机的铲斗的斗尖的位置和所述作业目标面的位置，显示所述挖掘机的铲斗的斗尖与所述作业目标面的位置关系，以引导所述作业人员的作业。
上文所述的挖掘机作业引导装置与上文所述的挖掘机作业引导方法的实施例类似，在此不再赘述。
图10是本发明一实施例提供的挖掘机作业引导系统的结构框图。如图10所示，该系统包括：上文所述的挖掘机作业引导装置1001；角度检测装置1002，用于检测、斗杆以及铲斗的相关角度；定位装置1003，用于检测所述挖掘机的实际位置坐标以及航向角。
优选地，所述角度检测装置1002包括：动臂倾角传感器1101，设置在所述挖掘机的动臂上，用于检测所述挖掘机的动臂与机身坐标平面之间的第一角度；斗杆倾角传感器1102，设置在所述挖掘机的斗杆上，用于检测所述挖掘机的斗杆与所述挖掘机的动臂之间的第二角度；铲斗倾角传感器1103，设置在所述挖掘机的铲斗上，用于检测所述挖掘机的斗杆与所述挖掘机的铲斗之间的第三角度。
通过挖掘机的位置坐标、第一角度、第二角度和第三角度的检测，供上文所述的挖掘机作业引导装置进行读取，从而如上文所述的进行挖掘机作业引导和显示。上文用于显示的显示单元可以是各种显示器。
另外，角度检测装置1002还可以包括机身倾角传感器1104，设置在机身上，用于检测所述挖掘机的俯仰和倾斜，以供进行监控。
所述定位装置1003可以为任意可进行定位的设备，优选地，可以为GNSS定位装置，同时，在检测挖掘机的位置坐标时，还可以检测挖掘机的航向角以供进行监控。
挖掘机作业引导装置1001、角度检测装置1002以及定位装置1003，可以通过CAN总线进行连接。
所述挖掘机作业引导装置包括处理器和存储器，上述网格化单元、边界线确定单元、等高线确定单元、显示单元、引导路径确定单元、引导属性确定单元、引导执行单元、读取单元、斗尖属性确定单元、边界线确定单元、拟合单元等均作为程序单元存储在存储器中，由处理器执行存储在存储器中的上述程序单元来实现相应的功能。
处理器中包含内核，由内核去存储器中调取相应的程序单元。内核可以设置一个或以上，通过调整内核参数来引导作业人员作业。
存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)，存储器包括至少一个存储芯片。
本发明实施例提供了一种存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现所述挖掘机作业引导方法。
本发明实施例提供了一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行所述挖掘机作业引导方法。
本发明实施例提供了一种设备，设备包括处理器、存储器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，处理器执行程序时实现以下步骤：
网格化待作业区域，以将所述待作业区域分为多个挖掘区域和多个填方区域；在挖掘量和填方量平衡的前提下，生成施工引导区域的边界线，其中所述施工引导区域为所述待作业区域中挖掘机实际作业的区域；生成所述施工引导区域的等高线；显示网格化的施工引导区域、所述施工引导区域的边界线以及所述施工引导区域的等高线，以引导作业人员的作业。
优选地，在生成施工引导区域的边界线之后，该方法还包括：根据所述挖掘机实际作业的区域中所述多个挖掘区域和所述多个填方区域的作业量，确定施工引导路径；显示所述施工引导路径，以引导所述作业人员的作业。
优选地，该方法还包括：根据所述挖掘机的实际位置的坐标以及所述挖掘机的目标位置的位置坐标，确定施工引导距离和施工引导航向角；根据所述施工引导距离和所述施工引导航向角，引导所述挖掘机至所述目标位置。
优选地，该方法还包括：至少根据所检测的挖掘机的动臂、斗杆以及铲斗的相关角度，计算所述铲斗的斗尖的坐标以及姿态角。
优选地，所述至少根据所检测的挖掘机的动臂、斗杆以及铲斗的相关角度，计算所述铲斗的斗尖的坐标以及姿态角包括：读取所述挖掘机的动臂与机身坐标平面之间的第一角度、所述挖掘机的斗杆与所述挖掘机的动臂之间的第二角度、所述挖掘机的斗杆与所述挖掘机的铲斗之间的第三角度；根据所述挖掘机的斗杆的长度、所述挖掘机的动臂的长度、所述挖掘机的铲斗的长度、所述第一角度、所述第二角度、所述第三角度、所述挖掘机的动臂的转轴的坐标与所述挖掘机的实际位置的坐标之间的垂直高度上的坐标差以及沿所述铲斗朝向的水平方向上的坐标差，确定所述挖掘机的铲斗的斗尖的坐标以及姿态角；该方法还包括：根据所述斗尖的坐标以及所述姿态角，实时显示所述挖掘机的铲斗的斗尖的位置。
优选地，在实时显示所述挖掘机的铲斗的斗尖的位置之后，该方法还包括：基于外部输入的坐标，显示作业目标面的位置；根据所述挖掘机的铲斗的斗尖的位置和所述作业目标面的位置，显示所述挖掘机的铲斗的斗尖与所述作业目标面的位置关系，以引导所述作业人员的作业。
优选地，所述在挖掘量和填方量平衡的前提下，生成施工引导区域的边界线包括：在挖掘量和填方量平衡的前提下，计算所述施工引导区域的平均设计高程；基于所述平均设计高程，生成所述施工引导区域的边界线。
优选地，在网格化待作业区域，以将所述待作业区域分为多个挖掘区域和多个填方区域之后，该方法还包括：在所述多个挖掘区域和/或所述多个填方区域的作业目标面为曲面时，采用样条插值对所述多个挖掘区域和/或所述多个填方区域对应断面面积进行拟合，以生成样条函数；显示所述样条函数对应的曲面的位置，以引导所述作业人员的作业。
本文中的设备可以是服务器、PC、PAD、手机等。
本申请还提供了一种计算机程序产品，当在数据处理设备上执行时，适于执行初始化有如下方法步骤的程序：
网格化待作业区域，以将所述待作业区域分为多个挖掘区域和多个填方区域；在挖掘量和填方量平衡的前提下，生成施工引导区域的边界线，其中所述施工引导区域为所述待作业区域中挖掘机实际作业的区域；生成所述施工引导区域的等高线；显示网格化的施工引导区域、所述施工引导区域的边界线以及所述施工引导区域的等高线，以引导作业人员的作业。
优选地，在生成施工引导区域的边界线之后，该方法还包括：根据所述挖掘机实际作业的区域中所述多个挖掘区域和所述多个填方区域的作业量，确定施工引导路径；显示所述施工引导路径，以引导所述作业人员的作业。
优选地，该方法还包括：根据所述挖掘机的实际位置的坐标以及所述挖掘机的目标位置的位置坐标，确定施工引导距离和施工引导航向角；根据所述施工引导距离和所述施工引导航向角，引导所述挖掘机至所述目标位置。
优选地，该方法还包括：至少根据所检测的挖掘机的动臂、斗杆以及铲斗的相关角度，计算所述铲斗的斗尖的坐标以及姿态角。
优选地，所述至少根据所检测的挖掘机的动臂、斗杆以及铲斗的相关角度，计算所述铲斗的斗尖的坐标以及姿态角包括：读取所述挖掘机的动臂与机身坐标平面之间的第一角度、所述挖掘机的斗杆与所述挖掘机的动臂之间的第二角度、所述挖掘机的斗杆与所述挖掘机的铲斗之间的第三角度；根据所述挖掘机的斗杆的长度、所述挖掘机的动臂的长度、所述挖掘机的铲斗的长度、所述第一角度、所述第二角度、所述第三角度、所述挖掘机的动臂的转轴的坐标与所述挖掘机的实际位置的坐标之间的垂直高度上的坐标差以及沿所述铲斗朝向的水平方向上的坐标差，确定所述挖掘机的铲斗的斗尖的坐标以及姿态角；该方法还包括：根据所述斗尖的坐标以及所述姿态角，实时显示所述挖掘机的铲斗的斗尖的位置。
优选地，在实时显示所述挖掘机的铲斗的斗尖的位置之后，该方法还包括：基于外部输入的坐标，显示作业目标面的位置；根据所述挖掘机的铲斗的斗尖的位置和所述作业目标面的位置，显示所述挖掘机的铲斗的斗尖与所述作业目标面的位置关系，以引导所述作业人员的作业。
优选地，所述在挖掘量和填方量平衡的前提下，生成施工引导区域的边界线包括：在挖掘量和填方量平衡的前提下，计算所述施工引导区域的平均设计高程；基于所述平均设计高程，生成所述施工引导区域的边界线。
优选地，在网格化待作业区域，以将所述待作业区域分为多个挖掘区域和多个填方区域之后，该方法还包括：在所述多个挖掘区域和/或所述多个填方区域的作业目标面为曲面时，采用样条插值对所述多个挖掘区域和/或所述多个填方区域对应断面面积进行拟合，以生成样条函数；显示所述样条函数对应的曲面的位置，以引导所述作业人员的作业。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (17)
1.一种挖掘机作业引导方法，其特征在于，该方法包括：
网格化待作业区域，以将所述待作业区域分为多个挖掘区域和多个填方区域；
在挖掘量和填方量平衡的前提下，生成施工引导区域的边界线，其中所述施工引导区域为所述待作业区域中挖掘机实际作业的区域；
生成所述施工引导区域的等高线；
显示网格化的施工引导区域、所述施工引导区域的边界线以及所述施工引导区域的等高线，以引导作业人员的作业，
在网格化待作业区域，以将所述待作业区域分为多个挖掘区域和多个填方区域之后，该方法还包括：
在所述多个挖掘区域和/或所述多个填方区域的作业目标面为曲面时，采用样条插值对所述多个挖掘区域和/或所述多个填方区域对应断面面积进行拟合，以生成样条函数；
显示所述样条函数对应的曲面的位置，以引导所述作业人员的作业。
2.根据权利要求1所述的挖掘机作业引导方法，其特征在于，在生成施工引导区域的边界线之后，该方法还包括：
根据所述挖掘机实际作业的区域中所述多个挖掘区域和所述多个填方区域的作业量，确定施工引导路径；
显示所述施工引导路径，以引导所述作业人员的作业。
3.根据权利要求1所述的挖掘机作业引导方法，其特征在于，该方法还包括：
根据所述挖掘机的实际位置的坐标以及所述挖掘机的目标位置的位置坐标，确定施工引导距离和施工引导航向角；
根据所述施工引导距离和所述施工引导航向角，引导所述挖掘机至所述目标位置。
4.根据权利要求1所述的挖掘机作业引导方法，其特征在于，该方法还包括：
至少根据所检测的挖掘机的动臂、斗杆以及铲斗的相关角度，计算所述铲斗的斗尖的坐标以及姿态角。
5.根据权利要求4所述的挖掘机作业引导方法，其特征在于，
所述至少根据所检测的挖掘机的动臂、斗杆以及铲斗的相关角度，计算所述铲斗的斗尖的坐标以及姿态角包括：
读取所述挖掘机的动臂与机身坐标平面之间的第一角度、所述挖掘机的斗杆与所述挖掘机的动臂之间的第二角度、所述挖掘机的斗杆与所述挖掘机的铲斗之间的第三角度；
根据所述挖掘机的斗杆的长度、所述挖掘机的动臂的长度、所述挖掘机的铲斗的长度、所述第一角度、所述第二角度、所述第三角度、所述挖掘机的动臂的转轴的坐标与所述挖掘机的实际位置的坐标之间的垂直高度上的坐标差以及沿所述铲斗朝向的水平方向上的坐标差，确定所述挖掘机的铲斗的斗尖的坐标以及姿态角；
该方法还包括：
根据所述斗尖的坐标以及所述姿态角，实时显示所述挖掘机的铲斗的斗尖的位置。
6.根据权利要求5所述的挖掘机作业引导方法，其特征在于，在实时显示所述挖掘机的铲斗的斗尖的位置之后，该方法还包括：
基于外部输入的坐标，显示作业目标面的位置；
根据所述挖掘机的铲斗的斗尖的位置和所述作业目标面的位置，显示所述挖掘机的铲斗的斗尖与所述作业目标面的位置关系，以引导所述作业人员的作业。
7.根据权利要求1所述的挖掘机作业引导方法，其特征在于，所述在挖掘量和填方量平衡的前提下，生成施工引导区域的边界线包括：
在挖掘量和填方量平衡的前提下，计算所述施工引导区域的平均设计高程；
基于所述平均设计高程，生成所述施工引导区域的边界线。
8.一种挖掘机作业引导装置，其特征在于，该装置包括：
网格化单元、边界线确定单元、等高线确定单元以及显示单元，其中，
所述网格化单元用于网格化待作业区域，以将所述待作业区域分为多个挖掘区域和多个填方区域；
所述边界线确定单元用于在挖掘量和填方量平衡的前提下，生成施工引导区域的边界线，其中所述施工引导区域为所述待作业区域中挖掘机实际作业的区域；
所述等高线单元用于生成所述施工引导区域的等高线；
所述显示单元用于显示网格化的施工引导区域、所述施工引导区域的边界线以及所述施工引导区域的等高线，以引导作业人员的作业；
拟合单元，用于在所述多个挖掘区域和/或所述多个填方区域的作业目标造型为曲面时，采用样条插值对所述多个挖掘区域和/或所述多个填方区域对应断面面积进行拟合，以生成样条函数；
所述显示单元还用于显示所述样条函数对应的曲面，以引导所述作业人员的作业。
9.根据权利要求8所述的挖掘机作业引导装置，其特征在于，该装置还包括引导路径确定单元，用于根据所述挖掘机实际作业的区域中所述多个挖掘区域和所述多个填方区域的作业量，确定施工引导路径；
所述显示单元还用于显示所述施工引导路径，以引导所述作业人员的作业。
10.根据权利要求8所述的挖掘机作业引导装置，其特征在于，该装置还包括：
引导属性确定单元，用于根据所述挖掘机的实际位置的坐标以及所述挖掘机的目标位置的位置坐标，确定施工引导距离和施工引导航向角；
所述显示单元还用于根据所述施工引导距离和所述施工引导航向角，引导所述挖掘机至所述目标位置。
11.根据权利要求8所述的挖掘机作业引导装置，其特征在于，该装置还包括：
计算单元，用于至少根据所检测的挖掘机的动臂、斗杆以及铲斗的相关角度，计算所述铲斗的斗尖的坐标以及姿态角。
12.根据权利要求11所述的挖掘机作业引导装置，其特征在于，
所述计算单元包括：
读取单元，用于读取所述挖掘机的动臂与机身坐标平面之间的第一角度、所述挖掘机的斗杆与所述挖掘机的动臂之间的第二角度、所述挖掘机的斗杆与所述挖掘机的铲斗之间的第三角度；
斗尖属性确定单元，用于根据所述挖掘机的斗杆的长度、所述挖掘机的动臂的长度、所述挖掘机的铲斗的长度、所述第一角度、所述第二角度、所述第三角度、所述挖掘机的动臂的转轴的坐标与所述挖掘机的实际位置的坐标之间垂直高度上的坐标差以及沿所述铲斗朝向的水平方向上的坐标差，确定所述挖掘机的铲斗的斗尖的坐标以及姿态角；
所述显示单元还用于根据所述斗尖的坐标以及所述姿态角，实时显示所述挖掘机的铲斗的斗尖的位置。
13.根据权利要求12所述的挖掘机作业引导装置，其特征在于，所述显示单元还用于：
基于外部输入的坐标，显示作业目标面的位置；
根据所述挖掘机的铲斗的斗尖的位置和所述作业目标面的位置，显示所述挖掘机的铲斗的斗尖与所述作业目标面的位置关系，以引导所述作业人员的作业。
14.根据权利要求8所述的挖掘机作业引导装置，其特征在于，所述边界线确定单元用于：
在挖掘量和填方量平衡的前提下，计算所述施工引导区域的平均设计高程；
基于所述平均设计高程，生成所述施工引导区域的边界线。
15.一种挖掘机作业引导系统，其特征在于，该系统包括：
权利要求8-14中任一项权利要求所述的挖掘机作业引导装置；
角度检测装置，用于检测所述挖掘机的动臂、斗杆以及铲斗的相关角度；
定位装置，用于检测所述挖掘机的实际位置坐标以及航向角。
16.根据权利要求15所述的挖掘机作业引导系统，其特征在于，所述角度检测装置包括：
动臂倾角传感器，设置在所述挖掘机的动臂上，用于检测所述挖掘机的动臂与机身坐标平面之间的第一角度；
斗杆倾角传感器，设置在所述挖掘机的斗杆上，用于检测所述挖掘机的斗杆与所述挖掘机的动臂之间的第二角度；
铲斗倾角传感器，设置在所述挖掘机的铲斗上，用于检测所述挖掘机的斗杆与所述挖掘机的铲斗之间的第三角度。
17.根据权利要求15所述的挖掘机作业引导系统，其特征在于，所述定位装置为GNSS定位装置。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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