CN211121250U - 挖掘机械土石方作业测量数据采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及建筑与土木工程技术领域，公开了一种挖掘机械土石方作业测量数据采集装置，包括：设置在挖掘机械上的双轴倾角传感器、角度传感器、测距仪、数据集成模块、数据计算终端、电源模块和两台GNSS接收机，所述电源模块为GNSS接收机、双轴倾角传感器、角度传感器、测距仪、数据集成模块和数据计算终端供电。本装置在挖掘机械上搭载两台GNSS接收机和多个传感器，能够自动实时地采集挖掘机械的三维定位和航偏角、俯仰角、横滚角、方位角、挖掘机械到测量点的距离等参数，便于实时地测量和放样，因此，测量放样与边坡开挖可以同步作业，不会影响放样精度和开挖效率，减小安全隐患。

Description

挖掘机械土石方作业测量数据采集装置

技术领域

本实用新型涉及建筑与土木工程技术领域，尤其涉及一种挖掘机械土石方作业测量数据采集装置。

背景技术

传统挖掘机械进行土石方施工作业前，需要测量技术人员现场放样，放样结束后，挖掘机械操作人员根据测量放样点位和放样交底数据进行作业。此方式在测量放样过程中需要人员采在现场采集与测量点相关的参数，无法自动且实时地采集与测量点相关的参数，因此测量放样与边坡开挖通常是交叉作业，影响放样精度和开挖效率，安全隐患较大。

实用新型内容

本实用新型提出一种挖掘机械土石方作业测量数据采集装置，解决上述现有技术中无法自动且实时地采集与测量点相关的参数的问题。

本实用新型的一种挖掘机械土石方作业测量数据采集装置，包括：挖掘机械及设置在挖掘机械上的双轴倾角传感器、角度传感器、测距仪、数据集成模块、数据计算终端、电源模块和两台GNSS接收机，所述电源模块为GNSS接收机、双轴倾角传感器、角度传感器、测距仪、数据集成模块和数据计算终端供电；

所述GNSS接收机用于实时获取挖掘机械的三维定位坐标和航偏角；

所述双轴倾角传感器用于将实时监测挖掘机械的俯仰角和横滚角；

所述测距仪用于实时测量挖掘机械与开挖面测量点的空间距离；

所述角度传感器安装在所述测距仪上，用于实时获取测距仪与挖掘机械之间的倾斜角；

所述数据集成模块用于在所述数据计算终端的指令下同步获取所述三维定位坐标、航偏角、俯仰角、横滚角、空间距离和倾斜角，并将获取的信息发送至所述数据计算终端。

其中，所述两台GNSS接收机安装在挖掘机械顶部，所述两台GNSS接收机在水平面上的中心连线最长，且中心连线与挖掘机械动臂的水平朝向一致。

其中，所述双轴倾角传感器的俯仰角的观测方向与挖掘机械动臂的水平朝向一致。

其中，所述测距仪的安装端可转动地安装在挖掘机械的驾驶室内，转动轴线平行于挖掘机械停放平面，且测距仪的发射端的朝向与所述转动轴线垂直。

其中，所述测距仪为激光测距仪。

本实用新型中，在挖掘机械上搭载两台GNSS接收机和多个传感器，能够自动实时地采集挖掘机械的三维定位和航偏角、俯仰角、横滚角、方位角、挖掘机械到测量点的距离等参数，便于实时地测量和放样，因此，测量放样与边坡开挖可以同步作业，不会影响放样精度和开挖效率，减小安全隐患。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一种挖掘机械土石方作业测量数据采集装置结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3是包含本实用新型装置的挖掘机械智能测量系统原理图；

图4是挖掘机械载体坐标系与导航坐标系的关系示意图；

图5是航偏角计算示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1和2所示，本实施例的挖掘机械土石方作业测量数据采集装置包括：挖掘机械及安装在挖掘机械上的两台GNSS接收机1、一台双轴倾角传感器2、一台角度传感器3、一台测距仪4、一套数据集成模块6、一台数据计算终端5、一套电源模块(图中未示出)。

上述两台GNSS接收机1需安装在挖掘机械本体顶部，确定靠近驾驶室的接收机为主天线，远离驾驶室的接收机为副天线。安装后即与挖掘机械本体的相对位置固定不变，并且安装位置到挖掘机械中心回转轴的水平距离、安装位置到驾驶舱地面的垂直距离可测量。GNSS接收机1实时接收卫星信号和基站电台信号，将其解算为当前项目施工坐标系的三维定位坐标和航偏角，并通过蓝牙或串口方式，传输给数据集成模块6。

为了使GNSS接收机1获取的坐标(WGS84地心坐标系)与当前项目施工坐标系一致，本申请所示实例在项目初期需进行基站设置。本实施例支持以下两种基站配置方式：

(1)自由设站，根据甲方给定的施工控制点，结合现场实际使用的方便性、安全性、稳定性要求，项目测量专业人员自己设置测量基准站的设站方式。适用于偏远地区手机信号弱的地区。

(2)授权连续运行参考站(CORS)，利用多基站网络RTK技术建立的连续运行(卫星定位服务)参考站。采用付费授权方式，获取某一地区的定位基站服务。适用于移动通信基站信号好的地区。

由于方位角计算的起始边越长，计算精度越高，因此安装时需满足两台GNSS接收机1在水平面上的连线最长，且为了减少后续计算过程中坐标系转换次数，降低计算难度，两台GNSS接收机1在水平面上的连线与挖掘机械动臂的水平朝向一致。挖掘机械动臂的水平朝向是挖掘机械动臂的中心线在挖机停放平面(该平面垂直于挖掘机械中心回转轴心线)的投影所在直线的方向。

上述的双轴倾角传感器2安装于挖掘机械驾驶舱内，安装后即与挖掘机械本体的相对位置固定不变，将监测的挖掘机械俯仰角和横滚角参数通过串口传输方式传输到数据集成模块6。

为了简化后续计算，使双轴倾角传感器2测得的数据可以直接用于坐标计算，减少后续计算过程中坐标系转换次数，安装时需满足俯仰角的观测方向与挖掘机械动臂的水平朝向一致。为了在单位时间内获取足够多的角度信息，根据正态分布原理，获取较高精度的角度观测值，双轴倾角传感器2的监测频率不低于50Hz。

上述的测距仪4安装于挖掘机械驾驶舱内，安装后激光发射点与挖掘机械本体的相对位置固定不变，且测距起点相对于挖掘机械中心回转的空间关系可测量。测距仪4应具备红点瞄准功能，将测量的空间距离通过串口方式传输到数据集成模块6。

测距仪4的安装端可转动地安装在挖掘机械的驾驶室内，转动轴线平行于挖掘机械停放平面，且测距仪4的发射端的朝向与转动轴线垂直，测距仪4可以是激光测距仪或其他测距仪。

上述的角度传感器3安装在测距仪4上，安装后相对于测距仪4激光发射点的相对位置和夹角固定不变，实时获取测距仪与挖掘机械之间的倾斜角，并将倾斜角通过串口方式传输到数据集成模块6。

上述的电源模块安装在挖掘机械驾驶舱内，主要由24V转12V、24V转5V的隔离变压器模块组成，将挖掘机械本体的24V直流电转换为挖掘机械智能测量系统所需的12V和5V直流电。电源模块通过电源线与GNSS接收机1、挖掘机械本体、双轴倾角传感器2、角度传感器3、测距仪4、数据集成模块6、数据计算终端5等各个模块或传感器相连，为其提供电能，电源需严格按照传感设备工作电压进行正确连接。

数据集成模块6用于在数据计算终端5的指令下同步获取三维定位坐标、航偏角、俯仰角、横滚角、空间距离和倾斜角，并将获取的信息发送至数据计算终端5。具体地，数据集成模块6同步接收来自上述传感器的观测数据，并通过串口或蓝牙方式，传输至数据计算终端5，以便数据计算终端5进行后续处理。

本实施例中，在挖掘机械上搭载两台GNSS接收机1和多个传感器，能够自动实时地采集挖掘机械的三维定位和航偏角、俯仰角、横滚角、方位角、挖掘机械到测量点的距离等参数，便于实时地测量和放样，因此，测量放样与边坡开挖可以同步作业，不会影响放样精度和开挖效率，减小安全隐患。

上述挖掘机械土石方作业测量数据采集装置将采集到的观测数据在数据计算终端5中处理过程如下：

步骤S1：数据计算终端通过用户交互界面接收用户输入导航坐标系下的工程设计参数，工程设计参数具体为：平曲线要素、纵曲线要素、边坡设计参数(包括边坡坡比、平台宽度及横坡)、超高及加宽及线路断链等。

步骤S2：数据计算终端通过用户交互界面接收用户输入的GNSS接收机、测距仪、双轴倾角传感器和角度传感器的在载体坐标系下的安装参数。安装参数具体为：

两台GNSS接收机1分别为主天线A、副天线B，在挖掘机械处于水平状态下，主天线A和副天线B的天线相位中心分别到挖掘机械中心回转轴的水平距离为l_a、l_b，主天线A的天线相位中心到挖掘机械停放平面的垂直距离为h_a；

双轴倾斜传感器2的俯仰角θ(挖掘机械铲斗朝向仰角为正，俯角为负)、横滚角φ(挖掘机械前进方向左偏为负，右偏为正)；

测距仪4激光发射点到挖掘机械中心回转轴的水平距离为l_c，到主天线A的水平距离为l_d，测距仪1初始竖直角为γ，激光发射点到挖掘机械停放地面的垂直距离为H_j。

由于载体坐标系的原点为挖掘机械中心回转轴心线与挖掘机械停放平面的交点，但GNSS接收机、测距仪、双轴倾角传感器和角度传感器并不能安装在原点处，因此在后续S5中计算时，安装参数用于进行补偿，将观测数据都对应到原点上，相当于观测数据都是将上述设备安装在原点观测到的数据。

如图3所示，利用两台GNSS接收机1，实时获取坐标及方位角，即三维定位和航偏角，辅以GNSS接收机相对于挖掘机械的安装参数，推算出假定挖掘机械为水平条件下，挖掘机械中心回转的三维定位坐标和挖掘机械动臂的朝向方位角。规定挖掘机械中心回转轴心线与挖掘机械停放平面的交点为载体坐标系原点，挖掘机械动臂的朝向向前方向为X轴正方向，挖掘机械动臂的右侧向右为Y轴正方向，挖掘机械顶部正上方向上为Z轴正方向。利用双轴倾角传感器2，实时获取挖掘机械相对于X轴的俯仰角和相对于Y轴的横滚角，辅以GNSS接收机1相对于挖掘机械的安装参数，推算出GNSS接收机1在载体坐标系下的平移参数。

安装在驾驶舱内的测距仪4，获取挖掘机械到开挖面测量点的距离(实际是测距仪4测距起点到开挖面测量点的距离)，同时辅以测距仪4相对于挖掘机械的安装位置参数和角度传感器获取的测距仪与挖掘机械本体之间的倾斜角，推算出测距仪4实测的开挖面测量点与载体坐标系下的坐标补偿数。

步骤S3：数据集成模块收到数据计算终端的数据请求，并发送数据采集信号至GNSS接收机、双轴倾角传感器、测距仪和角度传感器，使得GNSS接收机、双轴倾角传感器、测距仪和角度传感器开始进行精密观测，例如：观测持续时间为3秒。

步骤S4：数据集成模块在精密观测期内获取包括导航坐标系下的三维定位坐标、航偏角，以及在载体坐标系下的俯仰角、横滚角、空间距离和倾斜角的观测数据，并将所述观测数据传输至所述数据计算终端。

步骤S5：所述数据计算终端将所述观测数据中载体坐标系下的数据转换成导航坐标系下的数据，转换后，根据所述安装参数观测数据计算测距仪的激光照射点在导航坐标系下的坐标值。

具体地，步骤S5中，将载体坐标系下的观测数据转换成导航坐标系下的观测数据包括：

在空间内定义两个三维坐标系：导航坐标系和载体坐标系，利用空间矢量变换对挖掘机械的姿态作出数学描述。

定义所述导航坐标系b为O_bX_bY_bZ_b，X_b轴指向北方，Y_b轴指向东方，Z_b轴指向地心反方向，O_bX_bY_b平面即为大地水准面；

定义所述载体坐标系z为O_zX_zY_zZ_z，其坐标原点为挖掘机械中心回转轴心线与挖掘机械停放平面的交点，X_z轴指向北方，且与挖掘机械上部纵轴和铲斗朝向一致，Y_z轴指向东方，并指向挖掘机械铲斗朝向的右侧，Z_z轴指向挖掘机械中心回转轴心线竖直向上，并与X_z轴、Y_z轴构成右手直角坐标系。

挖掘机械运动时，导航坐标系恒定不变，而载体坐标系则随着挖掘机械的运动而不断改变。定义导航坐标系b为O_bX_bY_bZ_b，并作为描述载体运动的基准坐标系，载体坐标系z与导航坐标系b的关系如图4所示。

导航坐标系保持不变，将载体坐标系相对于导航坐标系进行旋转可得到与导航坐标系重合的新载体坐标系。而新载体坐标系与旧载体坐标系之间的关系，可以用方向余弦矩阵表示。

在挖掘机械姿态表示中，将载体坐标系内测量到的数据通过方向余弦矩阵转换到导航坐标系中，再进行姿态反解，从而得到姿态角。

将挖掘机械看作刚体结构，其运动可以看成是平动和转动的合成，则挖掘机械的运动可以通过六个独立变化的坐标变量来描述其运动，其中三个变量用来确定基点的位置，即应用向量概念,通过直角坐标系描写刚体的平动运动。另外三个变量则用来描写围绕基点的转动。如图4所示，定义姿态角如下：

俯仰角θ：载体坐标系的OX_z轴与导航坐标系O_bX_bY_b平面之间的夹角为俯仰角，取OX_z轴指向O_bX_bY_b面之上为正，指向O_bX_bY_b面之下为负；

横滚角φ：载体坐标系的OY_z轴与导航坐标系O_bX_bY_b平面之间的夹角为横滚角，取OY_z轴指向O_bX_bY_b面之上为正，指向O_bX_bY_b面之下为负；

航偏角ψ：载体坐标系的OX_z轴在导航坐标系O_bX_bY_b平面的投影与OX_z轴夹角为航偏角，取角度数值以X_b轴为起点，向北偏东顺时针旋转方向为正；

计算挖掘机械航偏角ψ：

两个GNSS接收机中，一个为主天线A，另一个为副天线B，以主天线A所在位置作为原点，在导航坐标系下，设主天线A实时坐标为(x₁，y₁，z₁)，副天线B实时坐标为(x₂，y₂，z₂)，则如图5所示，∠β为

在xoy平面上的投影与y轴的夹角计算式如下：

由于挖掘机械实时航向与

相反，则挖掘机械航向角∠ψ计算如下：

其中，表达式∠β±180°中，当∠β＞180°时，取“-”，当∠β＜180°时，取“+”；

坐标转换矩阵：

初始条件下，导航坐标系与载体坐标系重合，当挖掘机械开始运动后，导航坐标系O_bX_bY_bZ_b恒定不变，为定坐标系；载体坐标系O_zX_zY_zZ_z随着挖掘机械运动而改变，为动坐标系，两个坐标系间的转动关系可以用方向余弦矩阵来表示，初始载体坐标系O_zX_z ⁰Y_z ⁰Z_z ⁰经过三次旋转，能得到坐标系O_zX_z ²Y_z ²Z_z ²，O_zX_z ²Y_z ²Z_z ²为三次旋转后的新载体坐标系，这三次旋转的角度分别为航偏角ψ、俯仰角θ、横滚角φ，坐标系旋转具体顺序如下：

其中，上式中坐标系表达式的上标表示各坐标轴转动的次数，每个坐标系表达式表示转动相应次数后得到的坐标系，利用矩阵形式表示上式：

第一次转动，将载体坐标系O_zX_z ⁰Y_z ⁰Z_z ⁰沿Z_z ⁰轴旋转一个航偏角ψ的角度，得到坐标系O_zX_z ¹Y_z ¹Z_z ⁰：

其中，

表示载体坐标系O_zX_z ⁰Y_z ⁰Z_z ⁰沿Z_z ⁰轴旋转角度ψ的旋转矩阵，

第二次转动，将O_zX_z ¹Y_z ¹Z_z ⁰沿Y_z ¹轴旋转一个俯仰角θ的角度，得到坐标系O_zX_z ²Y_z ¹Z_z ¹：

其中，

表示载体坐标系O_zX_z ¹Y_z ¹Z_z ⁰沿Y_z ¹轴旋角度θ的旋转矩阵，

第三次转动，将O_zX_z ²Y_z ¹Z_z ¹沿X_z ²轴旋转一个横滚角φ的角度，得到坐标系O_zX_z ²Y_z ²Z_z ²：

其中，

表示载体坐标系O_zX_z ²Y_z ¹Z_z ¹沿X_z ²轴旋转角度φ的旋转矩阵，

初始状态下载体坐标系O_zX_z ⁰Y_z ⁰Z_z ⁰与导航坐标系O_bX_bY_bZ_b重合，由初始状态经过旋转所得的O_zX_z ²Y_z ²Z_z ²坐标系与新的载体坐标系O_zX_zY_zZ_z重合，即，O_bX_bY_bZ_b坐标系经过三次旋转可以得到新的载体坐标系O_zX_zY_zZ_z：

将公式(3)、(4)、(5)、(6.1)和(6.2)综合，可得：

用方向余弦矩阵来表示上式，即：

所述角度传感器沿载体坐标系进行安装，因此要将载体坐标系内所测得的数据转换到导航坐标系中，载体坐标系向导航坐标系转换的方向余弦矩阵记为

则有

由于方向余弦矩阵为正交矩阵，所以有：

将公式(9)带入(10)得到：

利用方向余弦矩阵，通过欧拉角(θ，φ，ψ)就能将挖掘机械的载体坐标系O_zX_zY_zZ_z与导航坐标系O_bX_bY_bZ_b相互联系起来，由于载体坐标系相对于挖掘机的相对位置是固定不变，所以能测出测距仪的激光照射点在导航坐标系下的坐标值。

步骤S6：数据计算终端将计算得到的测距仪的激光照射点在导航坐标系下的坐标值与根据所述工程设计参数计算出的测量点坐标值比对，以得到偏差值，该偏差值即为开挖辅助参数(例如超挖多少、欠挖多少、桩号和偏距为多少等)

步骤S7：挖掘机械操作人员根据所述偏差值，进行土石方开挖操作。

步骤S6具体包括：

数据计算终端根据工程设计参数，包括：平曲线、断链、竖曲线、标准横断面、超高、加宽、边坡断面库等设计参数，以及GNSS接收机、测距仪、角度传感器等传感设备的安装参数，根据以上工程设计参数，构建工程数据模型；

数据计算终端根据数据集成模块传入的实时观测数据，可将测量点定位到工程数据模型中，并进行偏差值的计算；

数据计算终端对偏差值进行语音、图形、数据等多媒体形式输出，具体可输出以下信息：

(1)输出语音、图形及数据格式的边坡超、欠挖数值，例如：播报偏差值，以告知挖掘机械操作员超、欠挖数值；

(2)输出当前边坡开挖至边坡平台的语音、图形格式的预报信息；

(3)以语音、图形方式输出挖掘机械不安全状态，如行驶速度过快、倾斜角度过大等警告信息；

(4)输出累计土石方开挖工程量数据。

以多媒体形式输出，尤其是语音输出，便于在步骤S7中挖掘机械操作人员进行土石方开挖操作。

从指令下发到成果输出，可在3秒左右完成。数据计算终端可通过移动互联网技术，将挖掘机械采集的数据上传至信息化项目管理平台，实现挖掘机械的智能化管理。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种挖掘机械土石方作业测量数据采集装置，其特征在于，包括：挖掘机械及设置在挖掘机械上的双轴倾角传感器、角度传感器、测距仪、数据集成模块、数据计算终端、电源模块和两台GNSS接收机，所述电源模块为GNSS接收机、双轴倾角传感器、角度传感器、测距仪、数据集成模块和数据计算终端供电；

所述GNSS接收机用于实时获取挖掘机械的三维定位坐标和航偏角；

所述双轴倾角传感器用于将实时监测挖掘机械的俯仰角和横滚角；

所述测距仪用于实时测量挖掘机械与开挖面测量点的空间距离；

所述角度传感器安装在所述测距仪上，用于实时获取测距仪与挖掘机械之间的倾斜角；

所述数据集成模块用于在所述数据计算终端的指令下同步获取所述三维定位坐标、航偏角、俯仰角、横滚角、空间距离和倾斜角，并将获取的信息发送至所述数据计算终端。

2.如权利要求1所述的挖掘机械土石方作业测量数据采集装置，其特征在于，所述两台GNSS接收机安装在挖掘机械顶部，所述两台GNSS接收机在水平面上的中心连线最长，且中心连线与挖掘机械动臂的水平朝向一致。

3.如权利要求1所述的挖掘机械土石方作业测量数据采集装置，其特征在于，所述双轴倾角传感器的俯仰角的观测方向与挖掘机械动臂的水平朝向一致。

4.如权利要求1所述的挖掘机械土石方作业测量数据采集装置，其特征在于，所述测距仪的安装端可转动地安装在挖掘机械的驾驶室内，转动轴线平行于挖掘机械停放平面，且测距仪的发射端的朝向与所述转动轴线垂直。

5.如权利要求4所述的挖掘机械土石方作业测量数据采集装置，其特征在于，所述测距仪为激光测距仪。

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