CN115183732B - 一种挖掘机的位姿标定方法及其系统、挖掘机 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种挖掘机的位姿标定方法及其系统、挖掘机，解决了现有技术中挖掘机的位姿的反馈精度低的技术问题。本申请提供的挖掘机的位姿标定方法在挖掘机进行正式施工之前，先对挖掘机进行校验以及辨识，充分考虑到了挖掘机的设计以及安装误差、惯性传感器的安装方式以及检测造成的检测误差以及挖掘机施工时施工环境所造成的误差。因此，经过校验和辨识后的挖掘机在正式施工时，回转关节的角度数据输入至运动学机理模型中计算挖掘机的齿尖信息时，将误差以补偿的方式输入至运行学机理模型，提高了位姿确定的精准性。另外，整个位姿确定过程中并没有用到摄像装置等需要高度计算的检测设备，因此降低了计算难度。
Description
技术领域
本申请涉及工程机械领域，具体涉及一种挖掘机的位姿标定方法及其系统、挖掘机。
背景技术
目前，随着现代施工建设作业任务和类型的日益繁多，挖掘机在各种工程领域中的应用日益广泛，同时各项工程对工程质量和施工工期的要求也越来越高。这对挖掘机的施工精度和用户的熟练程度提出了较高要求。因此，为了提高挖掘机的工作效率以及降低操作人员的劳动强度，挖掘机的智能化应运而生。目前智能化的挖掘机，操作人员只需发出指令，给出挖掘点及其挖掘任务，控制系统根据实时反馈的机体定位信息、工作装置的姿态信息，控制挖掘机中的驱动系统从而实现自动挖掘操作，实现挖掘机的智能化的重点在于挖掘机的位姿的自动检测。但是由于挖掘机的结构件的生产、安装，零件之间的配合间隙以及在使用过程中更换结构件都可能给挖机本身带来一定误差，因此，降低了挖掘机的位姿的反馈精度。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种挖掘机的位姿标定方法及其系统、挖掘机，解决了现有技术中挖掘机的位姿的反馈精度低的技术问题。
根据本申请的一个方面，本申请提供了一种挖掘机的位姿标定方法，其特征在于，包括：根据挖掘机的产品设计数据、惯性传感器在所述挖掘机上的安装方式以及所述惯性传感器检测的所述挖掘机的回转关节的校验角度数据，对所述挖掘机进行校验，确定所述回转关节的校验角度误差；
根据经过所述校验的挖掘机的多组测试数据以及所述校验角度误差对所述挖掘机进行误差辨识，确定所述回转关节的辨识角度误差，其中，每组所述测试数据包括预设姿态数据以及所述挖掘机位于所述预设姿态时所述挖掘机的回转关节的测试角度数据；
当所述辨识角度误差与所述校验角度误差之差小于第一预设数值时，确定所述辨识误差为补偿角度误差；以及
获取经过所述误差辨识后的所述挖掘机在施工过程中，所述惯性传感器检测的回转关节的实际角度数据，并将回转关节的实际角度数据以及所述补偿角度误差输入至运动学机理模型进行计算，输出所述挖掘机的位姿数据。
在一种可能的实现方式中，根据挖掘机的产品设计数据、惯性传感器在所述挖掘机上的安装方式以及所述惯性传感器检测的所述挖掘机的回转关节的校验角度数据，对所述挖掘机进行校验，确定所述回转关节的校验角度误差，包括：
根据挖掘机的产品设计数据、惯性传感器在所述挖掘机上的安装方式对所述挖掘机进行初始校验，确定第一校验角度误差；
当所述第一校验角度误差在第一预设范围内时，根据经过所述初始校验的挖掘机的多组校验姿态数据确定第二校验角度误差；其中，每组校验姿态数据包括预设极限姿态以及所述挖掘机位于所述预设极限姿态时所述挖掘机的回转关节的极限角度数据；
根据所述第一校验角度误差以及所述第二校验角度误差确定所述校验角度误差。
在一种可能的实现方式中，根据挖掘机的产品设计数据、惯性传感器在所述挖掘机上的安装方式对所述挖掘机进行初始校验，确定第一校验角度误差，包括：
构建第一运动学正逆变模型，所述第一运动学正逆变模型反应驱动空间、回转关节空间以及工作空间之间的运动学；
输入所述挖掘机的产品设计数据至所述第一运动学正逆变模型进行计算，确定所述挖掘机的回转关节的理论活动角度范围；
构建第二运动学正逆变模型，所述第二运动学正逆变模型反应测量空间、回转关节空间以及工作空间之间的运动学；
输入所述惯性传感器的安装数据至所述第二运动学正逆变模型进行计算，确定所述挖掘机的回转关节的安装活动角度范围；
根据所述回转关节的理论活动角度范围以及所述回转关节的安装活动角度范围确定第一校验角度误差。
在一种可能的实现方式中，根据经过所述初始校验的挖掘机的多组校验姿态数据确定第二校验角度误差，包括：
获取经过所述初始校验的挖掘机执行预设极限姿态时，所述挖掘机的预设极限姿态数据以及所述惯性传感器检测到的回转关节的实测极限角度活动范围；
将所述挖掘机的预设极限姿态数据输入至运动学机理模型中进行计算，确定所述挖掘机的理论极限角度活动范围；
根据所述挖掘机的实测极限角度活动范围以及所述挖掘机的理论极限角度活动范围确定所述挖掘机的第二校验角度误差。
在一种可能的实现方式中，根据经过所述初始校验的挖掘机的多组校验姿态数据确定第二校验角度误差，还包括：
当所述第一校验角度误差超出所述第一预设范围内时，且所述第一校验角度误差在第二预设范围内时，根据所述第一校验角度误差确定第一模型补偿角度，并将述第一模型补偿角度以补偿的形式补偿至所述第二运动学正逆变模型；或
当所述第一校验角度超出所述第一预设范围内时，且所述第一校验角度误差超过第二预设范围内时，生成第一反馈信息，所述第一反馈信息用于提示用户调整所述惯性传感器在所述挖掘机上的安装方式。
在一种可能的实现方式中，根据所述第一校验角度误差以及所述第二校验角度误差确定所述校验角度误差，包括：
根据所述第一校验角度误差确定初始角度补偿误差；
根据所述初始角度补偿误差以及所述第二校验角度误差确定所述校验角度误差。
在一种可能的实现方式中，根据经过所述校验的挖掘机的多组测试数据以及所述校验角度误差对所述挖掘机进行误差辨识，确定所述回转关节的辨识角度误差，包括：
基于PSO算法构建数据驱动模型；
获取经过所述校验的挖掘机在执行预设姿态时所述挖掘机的回转关节的测试角度数据；
根据所述回转关节的测试角度数据以及所述校验角度误差进行预设姿态仿真，确定所述预设姿态的仿真姿态数据；
将多组测试数据输入至所述数据驱动模型进行误差辨识，输出回转关节的辨识角度误差，其中，每组所述测试数据包括挖掘机执行预设姿态时所述挖掘机的回转关节的测试角度数据以及所述预设姿态的仿真姿态数据，其中，所述测试数据的组数量大于所述挖掘机的辨识量的数量。
在一种可能的实现方式中，所述挖掘机的位姿标定方法，还包括：
当所述辨识角度误差与所述测校验角度误差之差大于或者等于所述第一预设数值时，根据所述辨识角度误差与所述测校验角度误差之差确定第二补偿角度；以及
根据所述辨识角度误差与所述测校验角度误差之差确定第二模型补偿角度，并将所述第二模型补偿角度以补偿的形式补偿至所述第二运动学正逆变模型。
作为本申请的第二方面，本申请还提供了一种挖掘机的位姿标定系统，包括：
校验角度误差确定单元，用于根据挖掘机的产品设计数据、惯性传感器在所述挖掘机上的安装方式以及所述惯性传感器检测的所述挖掘机的回转关节的校验角度数据，对所述挖掘机进行校验，确定所述回转关节的校验角度误差；
辨识角度误差确定单元，用于根据经过所述校验的挖掘机的多组测试数据以及所述校验角度误差对所述挖掘机进行误差辨识，确定所述回转关节的辨识角度误差，其中，每组所述测试数据包括预设姿态数据以及所述挖掘机位于所述预设姿态时所述挖掘机的回转关节的测试角度数据；
补偿角度误差确定单元，用于当所述辨识角度误差与所述测校验角度误差之差小于第一预设数值时，确定所述辨识误差为补偿角度误差；
运动学机理模型，用于获取经过所述误差辨识后的所述挖掘机在施工过程中，所述惯性传感器检测的回转关节的实际角度数据以及所述补偿角度误差，并对所述实际角度数据以及所述补偿角度误差进行计算，输出所述挖掘机的位姿数据。
在一种可能的实现方式中，所述校验角度误差确定单元包括：
第一运动学正逆变模型，用于对所述挖掘机的产品设计数据进行计算，确定所述挖掘机的回转关节的理论活动角度范围；
第二运动学正逆变模型，用于对所述惯性传感器的安装数据进行计算，确定所述挖掘机的回转关节的安装活动角度范围；
第一校验角度误差确定模块，用于根据所述理论活动角度范围以及所述安装活动角度范围确定第一校验角度误差；
其中，运动学机理模型还用于获取经过所述初始校验的挖掘机执行预设极限姿态时，所述挖掘机的预设极限姿态数据进行计算，输出所述挖掘机的理论极限角度活动范围；
所述校验角度误差确定单元还包括：
第二校验角度误差确定模块，获取经过所述初始校验的挖掘机执行预设极限姿态时，所述惯性传感器检测到的回转关节的实测极限角度活动范围，并根据所述实测极限角度活动范围以及所述理论极限角度活动范围确定第二校角度误差；以及
校验角度误差模块，用于根据所述第二校验角度误差以及第一校验角度误差确定校验角度误差；
所述辨识角度误差确定单元包括：
仿真模块，用于获取经过所述校验的挖掘机在执行预设姿态时所述挖掘机的回转关节的测试角度数据；并对所述回转关节的测试角度数据以及所述校验角度误差进行预设姿态仿真，确定所述预设姿态的仿真姿态数据；
数据驱动模型，接收多组测试数据，并对多组测试数据进行误差辨识，输出回转关节的辨识角度误差，其中，每组所述测试数据包括挖掘机执行预设姿态时所述挖掘机的回转关节的测试角度数据以及所述预设姿态的仿真姿态数据，其中，所述测试数据的组数量大于所述挖掘机的辨识量的数量。
作为本申请的第三方面，本申请还提供了一种挖掘机，包括：
挖掘机本体；
设置在所述挖掘机本体上的惯性传感器；以及
上述所述的挖掘机的位姿标定系统。
本申请提供的挖掘机的位姿标定方法在挖掘机进行正式施工之前，先对挖掘机进行校验以及辨识，确定出挖掘机的补偿角度误差，在确定出挖掘机的补偿角度误差的过程中充分考虑到了挖掘机的设计以及安装误差、惯性传感器的安装方式以及检测造成的检测误差以及挖掘机施工时施工环境所造成的误差。因此，经过校验和辨识后的挖掘机在正式施工时，回转关节的角度数据输入至运动学机理模型中计算挖掘机的齿尖信息时，将误差以补偿的方式输入至运行学机理模型，将挖掘机的设计以及安装误差、惯性传感器的安装方式以及检测造成的检测误差以及挖掘机施工时施工环境所造成的误差进行了补偿，提高了位姿确定的精准性。另外，整个位姿确定过程中并没有用到摄像装置等需要高度计算的检测设备，因此降低了计算难度。另外，无论哪个厂家生产的挖掘机、哪个型号的挖掘机，均可以采用该位姿标定方式进行标定，提高了位姿标定的通用性。
附图说明
通过结合附图对本申请实施例进行更详细的描述，本申请的上述以及其他目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本申请实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请实施例一起用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。
图1所示为本申请提供的一种挖掘机的结构示意图；
图2所示为本申请一实施例提供的一种挖掘机的位姿标定方法的流程示意图；
图3所示为本申请另一实施例提供的一种挖掘机的位姿标定方法的流程示意图；
图4所示为本申请另一实施例提供的一种挖掘机的位姿标定方法的流程示意图；
图5所示为本申请另一实施例提供的一种挖掘机的位姿标定方法的流程示意图；
图6所示为本申请另一实施例提供的一种挖掘机的位姿标定方法的流程示意图；
图7a-7f为挖掘机通过不同数量的回转关节点的测试角度数据，对挖掘机的姿态进行仿真来确定姿态数据时的仿真图；
图8所示为本申请另一实施例提供的一种挖掘机的位姿标定方法的流程示意图；
图9所示为本申请提供的一种挖掘机的位姿标定系统的工作原理图；
图10所示为本申请一实施例提供的电子设备的结构示意图。
附图标记：
51-回转平台；52-动臂；53-斗杆；54-铲斗；71-动笔传感器；72-斗杆传感器；73-铲斗传感器；
具体实施方式
本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
另外，在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
示例性标定方法
图1所示本申请提供的一种挖掘机的结构示意图，图2所示为本申请提供的一种挖掘机的位姿标定方法，如图1以及图2所示，该挖掘机的位姿标定方法包括如下步骤：
S1：根据挖掘机的产品设计数据、惯性传感器在挖掘机上的安装方式以及惯性传感器检测的挖掘机的回转关节的校验角度数据，对挖掘机进行校验，确定回转关节的校验角度误差；
具体的，如图1所示，挖掘机包括机体、动臂52、斗杆53、铲斗54和回转平台51，挖掘机各回转关节可以包括斗杆53与铲斗54之间的铲斗回转关节、动臂 52与斗杆53之间的斗杆回转关节、回转平台51与动臂52之间的动臂回转关节以及回转平台51与底座之间的回转关节。根据挖掘机的齿尖信息，可以通过运动学逆解算法确定出挖掘机施工时各回转关节的角度信息，从而可以为后续可以根据各回转关节的角度信息控制各回转关节，从而可以控制挖掘机作业。同理，根据各回转关节的角度信息，通过运动学正解算法可以确定出挖掘机的齿尖信息，从而可以确定挖掘机的位姿。
具体的，挖掘机的产品设计数据包括但不限于挖掘机各个回转关节以及主体结构(包括机体、动臂、斗杆、铲斗以及回转平台)等的结构尺寸、生产尺寸、安装尺寸以及产品更换时的新产品的结构尺寸等数据。挖掘机的主体结构以及各个回转关节的结构尺寸以及安装尺寸可以从挖掘机的设计图纸中确定，结构尺寸和安装尺寸均包括误差数据，例如尺寸误差数据以及安装误差数据。挖掘机的关键产品更换时新产品的结构尺寸以及重装时的安装尺寸均可以从新产品的设计图纸以及安装时确定。
惯性传感器指的是安装在挖掘机上且用于检测各个回转关节的转动角度，例如，如图1所示，惯性传感器可以分别为动臂传感器71，斗杆传感器72以及铲斗传感器73；其中，动臂传感器71用于检测动臂52与回转平台51之间的转动角度，即动臂回转关节的转动角度；斗杆传感器72用于检测斗杆53与动臂51之间的转动角度，即斗杆回转关节的转动角度；铲斗传感器73用于检测铲斗54与斗杆53 之间的转动角度，即铲斗回转关节的转动角度。由于惯性传感器安装在挖掘机上的位置不同，检测到的各个回转关节的转动角度也会有所不同，因此惯性传感器的安装位置对于挖掘机的位姿确定存在安装误差，另外惯性传感器在检测的时候自身也存在检测误差甚至是因为使用者操作不规范造成的更大的使用误差。
另外，挖掘机在实际作业时，施工环境工况不同，常会对挖掘机的位姿确定引入误差，例如挖机施工时的地面倾斜程度和不平整程度对各关节的角度测量存在一定的影响。
由上述所述，挖掘机的各个结构、安装以及惯性传感器的安装以及使用均会存在各种类型的误差，因此，在挖掘机在正式作业之前，根据挖掘机的产品设计数据、惯性传感器在挖掘机上的安装方式以及惯性传感器检测的挖掘机的回转关节的校验角度数据，对挖掘机进行校验，以确定回转关节的校验角度误差。
S2：根据经过校验的挖掘机的多组测试数据对挖掘机进行误差辨识，确定回转关节的辨识角度误差，其中，每组姿态数据包括预设姿态以及挖掘机位于预设姿态时挖掘机的回转关节的测试角度数据；
当经过步骤S1校验后的挖掘机再次进行校验。此时，挖掘机按照预先设定好的预设姿态进行施工测试，惯性传感器检测挖掘机在预设姿态时各个回转关节的测试角度数据。然后根据预设姿态以及回转关节的测试角度数据进行误差辨识，确定回转关节的辨识角度误差。
步骤S3：判断步骤S1确定的校验角度误差与步骤S2确定的辨识角度误差之差是否小于第一预设数值；
当步骤S3判断结果为是时，即S1确定的校验角度误差与步骤S2确定的辨识角度误差之差小于第一预设数值，即校验角度误差与辨识角度误差相差不大，即可确定辨识角度误差为补偿角度误差，即执行步骤S4。
S4：确定辨识误差为补偿角度误差；以及
S5：获取经过误差辨识后的挖掘机在施工过程中，惯性传感器检测的回转关节的实际角度数据，并将回转关节的实际角度数据以及补偿角度误差输入至运动学机理模型进行计算，输出挖掘机的位姿数据。
在经过误差辨识后的挖掘机在实际施工过程中，惯性传感器检测的回转管家的实际角度数据输入至运动学机理模型，并将补偿角度误差以补偿的方式补偿至运动学机理模型中，然后运动学机理模型的运动学正解算法可以确定出挖掘机的齿尖信息，从而可以确定挖掘机的位姿。
本申请提供的挖掘机的位姿标定方法在挖掘机进行正式施工之前，先对挖掘机进行校验以及辨识，确定出挖掘机的补偿角度误差，在确定出挖掘机的补偿角度误差的过程中充分考虑到了挖掘机的设计以及安装误差、惯性传感器的安装方式以及检测造成的检测误差以及挖掘机施工时施工环境所造成的误差。因此，经过校验和辨识后的挖掘机在正式施工时，回转关节的角度数据输入至运动学机理模型中计算挖掘机的齿尖信息时，将误差以补偿的方式输入至运行学机理模型，将挖掘机的设计以及安装误差、惯性传感器的安装方式以及检测造成的检测误差以及挖掘机施工时施工环境所造成的误差进行了补偿，提高了位姿确定的精准性。另外，整个位姿确定过程中并没有用到摄像装置等需要高度计算的检测设备，因此降低了计算难度。另外，无论哪个厂家生产的挖掘机、哪个型号的挖掘机，均可以采用该位姿标定方式进行标定，提高了位姿标定的通用性。
在一种可能的实现方式中，图3所示为本申请提供的另一种挖掘机的位姿标定方法的流程示意图，如图3所示，步骤S1(根据挖掘机的产品设计数据、惯性传感器在挖掘机上的安装方式以及惯性传感器检测的挖掘机的回转关节的校验角度数据，对挖掘机进行校验，确定回转关节的校验角度误差)具体包括如下步骤：
S11：根据挖掘机的产品设计数据、惯性传感器在挖掘机上的安装方式对挖掘机进行初始校验，确定第一校验角度误差；
即根据挖掘机本身的设计以及惯性传感器安装方式以及测量误差对挖掘机进行初始校验。此时，第一校验角度误差包括挖掘机的设计以及安装而造成的误差ε1以及惯性传感器的安装方式以及惯性传感器本身的测量而造成的误差ε2。
S12：判断第一校验角度误差是否在第一预设范围内；
当步骤S12的判断结果为否时，即第一校验角度误差在第一预设范围之外时，说明惯性传感器的安装方式可能设计的不太合理，所以在对于挖掘机的位姿确定时的精准度也会受到较大影响。因此当第一校验角度误差在第一预设范围之外时，说明惯性传感器的安装位置可能需要调整。即可以通过调整惯性传感器的安装方式对挖掘机进行粗校验，以降低第一校验角度误差。
当步骤S12的判断结果为是时，即第一校验角度误差在第一预设范围之内时，说明挖掘机通过了初始校验。执行步骤S13-步骤S14。
S13：当第一校验角度误差在第一预设范围内时，根据经过初始校验的挖掘机的多组校验姿态数据确定第二校验角度误差；其中，每组校验姿态数据包括预设极限姿态以及挖掘机位于预设极限姿态时挖掘机的回转关节的极限角度数据；
即对经过初始校验的挖掘机进行测试，即进行挖掘机的单动作、复合动作极限角度测试，然后确定第二校验角度误差。第二校验角度误差包括由于挖掘机的施工环境所造成的误差ε3。
S14：根据第一校验角度误差以及第二校验角度误差确定校验角度误差。
具体的，根据第一校验角度误差以及第二校验第二校验角度误差确定校验角度误差的具体方式报可以有如下两种：
(1)根据第一校验角度误差确定初始角度补偿误差；并根据初始角度补偿误差以及第二校验角度误差确定校验角度误差，即校验角度误差等于初始角度补偿误差与第二校验角度误差之和。
例如，当第一校验角度误差ε1+ε2较大时，例如ε1+ε2为8，第一预设范围为 -10-10，虽然ε1+ε2在第一预设范围内，但是当用户理想的误差为-2-2时，此时，在确定校验角度误差时，可以直接根据第一校验角度误差确定一个初始角度补偿误差，例如，可以将初始角度补偿误差确定为4，然后再将初始角度补偿误差与第二校验角度误差ε3相加得出校验角度误差。通过采用初始角度补偿误差的方式对误差进行首次补偿，从而提高挖掘机的校验精确度，进而提高了位姿确定的精确性。
(2)将第一校验角度误差与第二校验角度误差相加，确定校验角度误差，即校验角度误差等于第一校验角度误差以及第二校验角度误差之和。
例如，当第一校验角度误差ε1+ε2较小时，例如ε1+ε2为6，第一预设范围为 -10-10，ε1+ε2在第一预设范围内，当用户理想的误差为-2-2时，此时，ε1+ε2也较小，因此，在确定校验角度误差时，可以直接将第一校验角度误差与第二校验角度误差相差得出校验角度误差，即校验角度误差ε＝ε1+ε2+ε3。
在一种可能的实现方式中，图4所示为本申请提供的一种挖掘机的位姿标定方法的流程示意图。如图4所示，步骤S11(根据挖掘机的产品设计数据、惯性传感器在挖掘机上的安装方式对挖掘机进行初始校验，确定第一校验角度误差)包括：
步骤S111：构建第一运动学正逆变模型，第一运动学正逆变模型反应驱动空间、回转关节空间以及工作空间之间的运动学；
S112：输入挖掘机的产品设计数据至第一运动学正逆变模型进行计算，确定挖掘机的回转关节的理论活动角度范围；
即根据挖掘机的产品设计以及安装确定的回转关机的理论活动角度范围，此时，该理论活动角度范围包括由于挖掘机的设计以及安装而造成的误差ε1。
S113：构建第二运动学正逆变模型，第二运动学正逆变模型反应测量空间、回转关节空间以及工作空间之间的运动学；
S114：输入惯性传感器的安装数据至第二运动学正逆变模型进行计算，确定挖掘机的回转关节的安装活动角度范围；
即根据惯性传感器在挖掘机上的安装方式以及惯性传感器自身的测量误差等确定的回转关节的安装活动角度范围，该安装活动角度范围包括惯性传感器的安装方式以及惯性传感器本身的测量而造成的误差ε2。
S115：根据回转关节的理论活动角度范围以及回转关节的安装活动角度范围确定第一校验角度误差。
步骤S115确定的第一校验角度误差为ε1+ε2。
在一种可能的实现方式中，图5所示为本申请提供的一种挖掘机的位姿标定方法的流程示意图。如图5所示，当步骤S12中的判断结果为是时，即第一校验角度误差在第一预设范围内时时，步骤S13(当第一校验角度误差在第一预设范围内时，根据经过初始校验的挖掘机的多组校验姿态数据确定第二校验角度误差)具体包括如下步骤：
S131：获取经过初始校验的挖掘机执行预设极限姿态时，挖掘机的预设极限姿态数据以及惯性传感器检测到的回转关节的实测极限角度活动范围；
即经过初始校验的挖掘机执行预设极限姿态时，惯性传感器所检测到的回转关节的实测极限角度活动范围。
S132：将挖掘机的预设极限姿态数据输入至运动学机理模型中进行计算，确定挖掘机的理论极限角度活动范围；
即当挖掘机在预设极限姿态时，挖掘机的姿态数据输入至运动学机理模型进行计算，确定挖掘机在执行预设极限姿态时，回转关节的理论极限角度活动范围。
S133：根据挖掘机的实测极限角度活动范围以及挖掘机的理论极限角度活动范围确定挖掘机的第二校验角度误差。
即当挖掘机执行预设极限姿态时，回转关节的理论极限角度活动范围以及实测极限角度活动范围的偏差，即第二校验角度误差，也就是挖掘机在实际施工时，由于施工环境的影响而造成的角度测量误差ε3。
即步骤S131-步骤S133为采用挖掘机在执行预设极限姿态时，回转关节的理论极限角度活动范围以及测试极限角度活动范围来确定由挖掘机施工环境做造成的角度测量误差。
当步骤S112中的判断结果为否时，即第一校验角度误差超出第一预设范围内时，步骤S13还包括如下步骤：
S134：判断第一校验角度误差是否超出第二预设范围；
其中，第一预设范围在第二预设范围内，例如第一预设范围为-10～10，第二预设范围可以为-12～12，也可以为-20～20。
当步骤S134中的判断结果为否时，即第一校验角度误差虽然超出第一预设范围但是并没有超出第二预设范围，说明第一校验角度误差并不是很大，此时执行步骤S135。
S135：根据第一校验角度误差确定第一模型补偿角度，并将述第一模型补偿角度以补偿的形式补偿至第二运动学正逆变模型；
即第一校验角度误差虽然超过第一预设范围但是没有超出第二预设范围，可以不用更改惯性传感器的安装位置，直接根据第一校验角度误差确定一个模型补偿角度，并将模型补偿角度以补偿的方式补偿至第二运动学正逆变模型，继续执行步骤 S114-步骤S115，直到第一校验误差在第一预设范围内后，在继续执行步骤S131 以及其后续步骤。
当步骤S134中的判断结果为是时，即第一校验角度误差超出第二预设范围，说明第一校验角度误差很大，已经无法通过补偿的方式来降低误差，所以此时需要重新设计惯性传感器的安装位置，此时执行步骤S136。
S136：当第一校验角度超出第一预设范围内时，且第一校验角度误差超过第二预设范围内时，生成第一反馈信息，第一反馈信息用于提示用户调整惯性传感器在挖掘机上的安装方式。
即生成第一反馈信息，用户看到第一反馈信息后，调整惯性传感器在挖掘机上的安装位置，当用户调整惯性传感器在挖掘机上的安装位置之后，继续对挖掘机进行校验，即执行步骤S111及其后续步骤。
在一种可能的实现方式中，图6所示为本申请另一实施例提供的挖掘机的位姿标定方法的流程示意图，如图6所示，S2(根据经过校验的挖掘机的多组测试数据以及校验角度误差对挖掘机进行误差辨识，确定回转关节的辨识角度误差)具体包括如下步骤：
S21：基于PSO算法构建数据驱动模型；
PSO算法是粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization)的英文缩写，是一种基于种群的随机优化技术。
S22：获取经过校验的挖掘机在执行预设姿态时挖掘机的回转关节的测试角度数据；
S23：根据回转关节的测试角度数据以及校验角度误差进行预设姿态仿真，确定预设姿态的仿真姿态数据；
挖掘机执行一个动作时，通过惯性传感器测量回转关节的测试角度数据，然后对回转关节的测试角度数据以及校验角度误差进行仿真，仿真出该动作的仿真姿态数据，此时该组测试数据中的回转关节的测试角度数据以及仿真姿态数据均已确定。
通过设置多个预设姿势，然后挖掘机执行预设姿势，并重复步骤S22以及S23 即可获取多组测试数据。
具体的，根据回转关节的测试角度数据以及校验角度误差仿真挖掘机的预设姿态的具体仿真结果如图7a-7f所示。图7a-7f为挖掘机通过不同数量的回转关节点的测试角度数据，对挖掘机的姿态进行仿真来确定姿态数据时的仿真图。
S24：将多组测试数据输入至数据驱动模型进行误差辨识，输出回转关节的辨识角度误差，其中，每组测试数据包括挖掘机执行预设姿态时挖掘机的回转关节的测试角度数据以及预设姿态的仿真姿态数据，其中，测试数据的组数量大于挖掘机的辨识量的数量。
具体的，挖掘机的辨识量主要包括大臂、斗杆、铲斗的铰接点长度lboom、larm、lbucket，三个惯性传感器的整合误差εboom、εarm、εbucket，设置的回转关节的坐标x、y。各回转关节角到工作空间的关系可表示为
可将不同回转节点间的相对坐标作为验证辨识效果的验证数据，并根据辨识得到的辨识误差结果与校验角度误差确定补偿角度误差，然后将补偿角度误以补偿的形式加入运动学变换模型后，即可实现位姿反馈误差的消除。
在一种可能的实现方式中，图8所示为本申请另一实施例提供的一种挖掘机的位姿标定方法的流程示意图；如图8所示，挖掘机的位姿标定方法，还包括如下步骤：
当步骤S3中的判断结果为否时，即校验角度误差与辨识角度误差之差大于或者等于第一预设数值，说明步骤S2辨识出来的辨识角度误差与校验角度误差不一致，因此，需要重新进行校验，即执行步骤S6。
S6：根据辨识角度误差与测校验角度误差之差确定第二补偿角度；以及
S7：根据辨识角度误差与测校验角度误差之差确定第二模型补偿角度，并将第二模型补偿角度以补偿的形式补偿至第二运动学正逆变模型。
示例性标定系统
作为本申请的第二方面，本申请还提供了一种挖掘机的位姿标定系统，图9所示为本申请一实施例提供的挖掘机的位姿标定系统的工作原理图，如图9所示，该位姿标定系统包括：
校验角度误差确定单元100，用于根据挖掘机的产品设计数据、惯性传感器在所述挖掘机上的安装方式以及所述惯性传感器检测的所述挖掘机的回转关节的校验角度数据，对所述挖掘机进行校验，确定所述回转关节的校验角度误差；
辨识角度误差确定单元200，用于根据经过所述校验的挖掘机的多组测试数据以及所述校验角度误差对所述挖掘机进行误差辨识，确定所述回转关节的辨识角度误差，其中，每组所述测试数据包括预设姿态数据以及所述挖掘机位于所述预设姿态时所述挖掘机的回转关节的测试角度数据；
补偿角度误差确定单元300，用于当所述辨识角度误差与所述测校验角度误差之差小于第一预设数值时，确定所述辨识误差为补偿角度误差；
运动学机理模型400，用于获取经过所述误差辨识后的所述挖掘机在施工过程中，所述惯性传感器检测的回转关节的实际角度数据以及所述补偿角度误差，并对所述实际角度数据以及所述补偿角度误差进行计算，输出所述挖掘机的位姿数据。
图9所示的标定系统中的各个单元具体的工作过程如上述所述的位姿标定方法一一对应，且该标定系统所起到的作用均与上述所述的位姿标定方法的效果相同，因此，在此不再做赘述。
可选的，所述校验角度误差确定单元100包括：第一运动学正逆变模型，用于对所述挖掘机的产品设计数据进行计算，确定所述挖掘机的回转关节的理论活动角度范围；第二运动学正逆变模型，用于对所述惯性传感器的安装数据进行计算，确定所述挖掘机的回转关节的安装活动角度范围；第一校验角度误差确定模块，用于根据所述理论活动角度范围以及所述安装活动角度范围确定第一校验角度误差；其中，运动学机理模型还用于获取经过所述初始校验的挖掘机执行预设极限姿态时，所述挖掘机的预设极限姿态数据进行计算，输出所述挖掘机的理论极限角度活动范围；
所述校验角度误差确定单元100还包括：第二校验角度误差确定模块，获取经过所述初始校验的挖掘机执行预设极限姿态时，所述惯性传感器检测到的回转关节的实测极限角度活动范围，并根据所述实测极限角度活动范围以及所述理论极限角度活动范围确定第二校角度误差；以及校验角度误差模块，用于根据所述第二校验角度误差以及第一校验角度误差确定校验角度误差；
所述辨识角度误差确定单元200包括：仿真模块，用于获取经过所述校验的挖掘机在执行预设姿态时所述挖掘机的回转关节的测试角度数据；并对所述回转关节的测试角度数据以及所述校验角度误差进行预设姿态仿真，确定所述预设姿态的仿真姿态数据；数据驱动模型，接收多组测试数据，并对多组测试数据进行误差辨识，输出回转关节的辨识角度误差，其中，每组所述测试数据包括挖掘机执行预设姿态时所述挖掘机的回转关节的测试角度数据以及所述预设姿态的仿真姿态数据，其中，所述测试数据的组数量大于所述挖掘机的辨识量的数量。
同理，该标定系统中的各个单元以及各个模块的具体的工作过程如上述所述的位姿标定方法一一对应，且该标定系统所起到的作用均与上述所述的位姿标定方法的效果相同，因此，在此不再做赘述。
示例性挖掘机
作为本申请的第三方面，本申请还提供了一种挖掘机，包括：挖掘机本体；设置在挖掘机本体上的惯性传感器；以及上述所述的挖掘机的位姿标定系统。
本申请提供的挖掘机在实际施工过程前，可以在位姿标定系统的控制下实现补偿误差的确定，当挖掘机在实际施工过程中，将将惯性传感器检测到的各个转动关节的实际角度数据以及该补偿误差，输入至运动学机理模型中进行计算，确定挖掘机的位姿数据，在位姿数据确定的过程中，对由于挖掘机的设计误差、安装误差、关键部件的结构误差、惯性传感器的安装方式、惯性传感器本身的测量误差以及挖掘机的施工环境所造成的环境误差进行了补偿，从而提高了位姿数据的精确度。
示例性电子设备
下面，参考图10来描述根据本申请实施例的电子设备。图10所示为本申请一实施例提供的电子设备的结构示意图。
如图10所示，电子设备600包括一个或多个处理器601和存储器602。
处理器601可以是中央处理单元(CPU)或者具有数据处理能力和/或信息执行能力的其他形式的处理单元，并且可以控制电子设备600中的其他组件以执行期望的功能。
存储器601可以包括一个或多个计算机程序产品，所述计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。所述易失性存储器例如可以包括随机存取存储器(RAM)和/或高速缓冲存储器(cache) 等。所述非易失性存储器例如可以包括只读存储器(ROM)、硬盘、闪存等。在所述计算机可读存储介质上可以存储一个或多个计算机程序信息，处理器601可以运行所述程序信息，以实现上文所述的本申请的各个实施例的挖掘机的位姿标定方法或者其他期望的功能。
在一个示例中，电子设备600还可以包括：输入装置603和输出装置604，这些组件通过总线系统和/或其他形式的连接机构(未示出)互连。
该输入装置603可以包括例如键盘、鼠标等等。
该输出装置604可以向外部输出各种信息。该输出装置604可以包括例如显示器、通信网络及其所连接的远程输出设备等等。
当然，为了简化，图10中仅示出了该电子设备600中与本申请有关的组件中的一些，省略了诸如总线、输入/输出接口等等的组件。除此之外，根据具体应用情况，电子设备600还可以包括任何其他适当的组件。
除了上述方法和设备以外，本申请的实施例还可以是计算机程序产品，其包括计算机程序信息，所述计算机程序信息在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书中描述的根据本申请各种实施例的挖掘机的位姿标定方法中的步骤。
所述计算机程序产品可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本申请实施例操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言，诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。
此外，本申请的实施例还可以是计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序信息，所述计算机程序信息在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书根据本申请各种实施例的挖掘机的位姿标定方法中的步骤。
所述计算机可读存储介质可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。
本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。
提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此发明的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
以上所述仅为本申请创造的较佳实施例而已，并不用以限制本申请创造，凡在本申请创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本申请创造的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种挖掘机的位姿标定方法，其特征在于，包括：
根据挖掘机的产品设计数据、惯性传感器在所述挖掘机上的安装方式以及所述惯性传感器检测的所述挖掘机的回转关节的校验角度数据，对所述挖掘机进行校验，确定所述回转关节的校验角度误差；
根据经过所述校验的挖掘机的多组测试数据以及所述校验角度误差对所述挖掘机进行误差辨识，确定所述回转关节的辨识角度误差，其中，每组所述测试数据包括预设姿态数据以及所述挖掘机位于所述预设姿态时所述挖掘机的回转关节的测试角度数据；
当所述辨识角度误差与所述校验角度误差之差小于第一预设数值时，确定所述辨识角度误差为补偿角度误差；以及
获取经过所述误差辨识后的所述挖掘机在施工过程中，所述惯性传感器检测的回转关节的实际角度数据，并将回转关节的实际角度数据以及所述补偿角度误差输入至运动学机理模型进行计算，输出所述挖掘机的位姿数据。
2.根据权利要求1所述的挖掘机的位姿标定方法，其特征在于，根据挖掘机的产品设计数据、惯性传感器在所述挖掘机上的安装方式以及所述惯性传感器检测的所述挖掘机的回转关节的校验角度数据，对所述挖掘机进行校验，确定所述回转关节的校验角度误差，包括：
根据挖掘机的产品设计数据、惯性传感器在所述挖掘机上的安装方式对所述挖掘机进行初始校验，确定第一校验角度误差；
当所述第一校验角度误差在第一预设范围内时，根据经过所述初始校验的挖掘机的多组校验姿态数据确定第二校验角度误差；其中，每组校验姿态数据包括预设极限姿态以及所述挖掘机位于所述预设极限姿态时所述挖掘机的回转关节的极限角度数据；
根据所述第一校验角度误差以及所述第二校验角度误差确定所述校验角度误差。
3.根据权利要求2所述的挖掘机的位姿标定方法，其特征在于，根据挖掘机的产品设计数据、惯性传感器在所述挖掘机上的安装方式对所述挖掘机进行初始校验，确定第一校验角度误差，包括：
构建第一运动学正逆变模型，所述第一运动学正逆变模型反应驱动空间、回转关节空间以及工作空间之间的运动学；
输入所述挖掘机的产品设计数据至所述第一运动学正逆变模型进行计算，确定所述挖掘机的回转关节的理论活动角度范围；
构建第二运动学正逆变模型，所述第二运动学正逆变模型反应测量空间、回转关节空间以及工作空间之间的运动学；
输入所述惯性传感器的安装数据至所述第二运动学正逆变模型进行计算，确定所述挖掘机的回转关节的安装活动角度范围；
根据所述回转关节的理论活动角度范围以及所述回转关节的安装活动角度范围确定第一校验角度误差。
4.根据权利要求3所述的挖掘机的位姿标定方法，其特征在于，根据经过所述初始校验的挖掘机的多组校验姿态数据确定第二校验角度误差，包括：
获取经过所述初始校验的挖掘机执行预设极限姿态时，所述挖掘机的预设极限姿态数据以及所述惯性传感器检测到的回转关节的实测极限角度活动范围；
将所述挖掘机的预设极限姿态数据输入至运动学机理模型中进行计算，确定所述挖掘机的理论极限角度活动范围；
根据所述挖掘机的实测极限角度活动范围以及所述挖掘机的理论极限角度活动范围确定所述挖掘机的第二校验角度误差。
5.根据权利要求4所述的挖掘机的位姿标定方法，其特征在于，根据经过所述初始校验的挖掘机的多组校验姿态数据确定第二校验角度误差，还包括：
当所述第一校验角度误差超出所述第一预设范围内时，且所述第一校验角度误差在第二预设范围内时，根据所述第一校验角度误差确定第一模型补偿角度，并将述第一模型补偿角度以补偿的形式补偿至所述第二运动学正逆变模型；或
当所述第一校验角度超出所述第一预设范围内时，且所述第一校验角度误差超过第二预设范围内时，生成第一反馈信息，所述第一反馈信息用于提示用户调整所述惯性传感器在所述挖掘机上的安装方式。
6.根据权利要求4所述的挖掘机的位姿标定方法，其特征在于，根据所述第一校验角度误差以及所述第二校验角度误差确定所述校验角度误差，包括：
根据所述第一校验角度误差确定初始角度补偿误差；
根据所述初始角度补偿误差以及所述第二校验角度误差确定所述校验角度误差。
7.根据权利要求4所述的挖掘机的位姿标定方法，其特征在于，
根据经过所述校验的挖掘机的多组测试数据以及所述校验角度误差对所述挖掘机进行误差辨识，确定所述回转关节的辨识角度误差，包括：
基于PSO算法构建数据驱动模型；
获取经过所述校验的挖掘机在执行预设姿态时所述挖掘机的回转关节的测试角度数据；
根据所述回转关节的测试角度数据以及所述校验角度误差进行预设姿态仿真，确定所述预设姿态的仿真姿态数据；
将多组测试数据输入至所述数据驱动模型进行误差辨识，输出回转关节的辨识角度误差，其中，每组所述测试数据包括挖掘机执行预设姿态时所述挖掘机的回转关节的测试角度数据以及所述预设姿态的仿真姿态数据，其中，所述测试数据的组数量大于所述挖掘机的辨识量的数量。
8.根据权利要求7所述的挖掘机的位姿标定方法，其特征在于，还包括：
当所述辨识角度误差与所述校验角度误差之差大于或者等于所述第一预设数值时，根据所述辨识角度误差与所述校验角度误差之差确定第二补偿角度；以及
根据所述辨识角度误差与所述校验角度误差之差确定第二模型补偿角度，并将所述第二模型补偿角度以补偿的形式补偿至所述第二运动学正逆变模型。
9.一种挖掘机的位姿标定系统，其特征在于，包括：
校验角度误差确定单元，用于根据挖掘机的产品设计数据、惯性传感器在所述挖掘机上的安装方式以及所述惯性传感器检测的所述挖掘机的回转关节的校验角度数据，对所述挖掘机进行初始校验，确定所述回转关节的校验角度误差；
辨识角度误差确定单元，用于根据经过所述校验的挖掘机的多组测试数据以及所述校验角度误差对所述挖掘机进行误差辨识，确定所述回转关节的辨识角度误差，其中，每组所述测试数据包括预设姿态数据以及所述挖掘机位于所述预设姿态时所述挖掘机的回转关节的测试角度数据；
补偿角度误差确定单元，用于当所述辨识角度误差与所述校验角度误差之差小于第一预设数值时，确定所述辨识角度误差为补偿角度误差；
运动学机理模型，用于获取经过所述误差辨识后的所述挖掘机在施工过程中，所述惯性传感器检测的回转关节的实际角度数据以及所述补偿角度误差，并对所述实际角度数据以及所述补偿角度误差进行计算，输出所述挖掘机的位姿数据。
10.根据权利要求9所述的位姿标定系统，其特征在于，
所述校验角度误差确定单元包括：
第一运动学正逆变模型，用于对所述挖掘机的产品设计数据进行计算，确定所述挖掘机的回转关节的理论活动角度范围；
第二运动学正逆变模型，用于对所述惯性传感器的安装数据进行计算，确定所述挖掘机的回转关节的安装活动角度范围；
第一校验角度误差确定模块，用于根据所述理论活动角度范围以及所述安装活动角度范围确定第一校验角度误差；
其中，运动学机理模型还用于获取经过所述初始校验的挖掘机执行预设极限姿态时，所述挖掘机的预设极限姿态数据进行计算，输出所述挖掘机的理论极限角度活动范围；
所述校验角度误差确定单元还包括：
第二校验角度误差确定模块，获取经过所述初始校验的挖掘机执行预设极限姿态时，所述惯性传感器检测到的回转关节的实测极限角度活动范围，并根据所述实测极限角度活动范围以及所述理论极限角度活动范围确定第二校角度误差；以及
校验角度误差模块，用于根据所述第二校验角度误差以及第一校验角度误差确定校验角度误差；
所述辨识角度误差确定单元包括：
仿真模块，用于获取经过所述校验的挖掘机在执行预设姿态时所述挖掘机的回转关节的测试角度数据；并对所述回转关节的测试角度数据以及所述校验角度误差进行预设姿态仿真，确定所述预设姿态的仿真姿态数据；
数据驱动模型，接收多组测试数据，并对多组测试数据进行误差辨识，输出回转关节的辨识角度误差，其中，每组所述测试数据包括挖掘机执行预设姿态时所述挖掘机的回转关节的测试角度数据以及所述预设姿态的仿真姿态数据，其中，所述测试数据的组数量大于所述挖掘机的辨识量的数量。
11.一种挖掘机，其特征在于，包括：
挖掘机本体；
设置在所述挖掘机本体上的惯性传感器；以及
权利要求9或权利要求10所述的挖掘机的位姿标定系统。
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