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    重庆时时彩送28彩金群: 运土系统的定位方法及装置.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN201510650806.X

    申请日:

    2015.10.09

    公开号:

    CN106568430A

    公开日:

    2017.04.19

    当前法律状态:

    实审

    有效性:

    审中

    法律详情: 实质审查的生效IPC(主分类):G01C 21/00申请日:20151009|||公开
    IPC分类号: G01C21/00; G01C21/20 主分类号: G01C21/00
    申请人: 张琳俐; 王亮
    发明人: 王亮; 张琳俐
    地址: 618300 四川省德阳市广汉市雒城镇广东路东一段1号6栋1单元101室
    优先权:
    专利代理机构: 四川力久律师事务所 51221 代理人: 韩洋;熊晓果
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201510650806.X

    授权公告号:

    |||

    法律状态公告日:

    2017.05.17|||2017.04.19

    法律状态类型:

    实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种运土系统的定位方法,包括以下步骤:获取车体的全球位置坐标和在三维地理空间内车体的旋转角度;根据上述位置坐标和旋转角度计算得出车体与作业装置铰接处的位置坐标;获取作业装置在三维空间内的旋转角度;根据车体与作业装置铰接处的位置坐标和作业装置在三维空间内的旋转角度计算得到作业装置上参考点的位置坐标。本发明可以用来为车辆自动驾驶提供参数,并且使用车体底部与地面接触部分的全球位置坐标来更新三维地理数据,做到作业和测绘同时进行,节省了时间和成本,同时各传感器可方便的安装在不同机型上,可以形成??榛?,安全耐用,并便于通用和移植。

    权利要求书

    1.一种运土系统的定位方法,包括以下步骤:A.获取车体的全球位置坐标和在三维地理空间内车体的旋转角度;B.根据上述位置坐标和旋转角度计算得出车体与作业装置铰接处的位置坐标;C.获取作业装置在三维空间内的旋转角度;D.根据车体与作业装置铰接处的位置坐标和作业装置在三维空间内的旋转角度计算得到作业装置上参考点的位置坐标。2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:在A步骤中通过安装在车体上的第一GPS、第二GPS和第二惯性测量单元测量车体的位置坐标和其在三维空间内的旋转角度;在C步骤中通过安装在作业装置上的第一惯性测量单元测量作业装置的旋转角度。3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:在A步骤中通过安装在车体上的第一GPS和惯性测量单元测量车体的位置坐标和其在三维空间内的旋转角度;在C步骤中通过安装在作业装置上的第一惯性测量单元测量作业装置的旋转角度。4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:在A步骤中通过安装在车体上的N个GPS测量车体的位置坐标和其在三维空间内的旋转角度,其中N是大于等于3的自然数;在C步骤中通过安装在作业装置上的第一惯性测量单元测量作业装置的旋转角度。5.根据权利要求1至4之一所述的方法,其特征在于:选取车体上的一坐标点作为参考点,其作为车体在本地三维地理坐标系统中的位置和角度控制变量;所述参考点实质上是运土系统的重心点在车体底面的投影点。6.根据权利要求7所述的方法,其特征在于:确定参考点的步骤包括:在实质上水平的平整地面上,放置一物体作为支撑点,将车体开过该支撑点,在车体即将越过该支撑点而后仰的时候,停住车体,记下支撑点在车体上的位置;再将车体前进开过该支撑点,在车体即将越过该支撑点而前倾的时候,停住车体,记下支撑点在车体上的位置;以上两个位置的中点在车体底部的投影点,就是车体重心在车体底部平面的投影点,即所述参考点。7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:作业装置的参考点选取在选在作业装置底部中心点或者底边两个端点。8.根据权利要求6所述的方法,其特征在于:本方法中还设置有基准站,其静态的放置在一位置,基准站的观测值和测站坐标信息作为参考值,与获取的车体或作业装置的位置、旋转角度信息的值计算得出车体或作业装置的空间位置。9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于:所述基准站的观测值和测站坐标信息作为作业区域本地坐标系统的原点,获取的车体或作业装置的位置信息包括经度、维度和海拔高度,该位置信息折算为相对于坐标原点的本地坐标。10.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述作业装置是铲刀。11.根据权利要求10所述的方法,其特征在于:在所述铲刀支撑臂上安装一角度测量单元,其用来测量支撑臂的俯仰角度。12.一种实施权利要求1所述方法的装置,其包括设置在作业装置上的惯性测量单元和设置在车体上用于测量车体三维空间内的坐标和旋转角度的测量单元组, 所述测量单元组是下述组合中的一种:(i)安装在车体上的第一GPS、第二GPS和第二惯性测量单元,安装在作业装置上的第一惯性测量单元;(ii)安装在车体上的第一GPS和光纤陀螺仪,安装在作业装置上的第一惯性测量单元;(iii)在A步骤中通过安装在车体上的N个GPS,其中N是大于等于3的自然数,安装在作业装置上的第一惯性测量单元。

    说明书

    运土系统的定位方法及装置

    技术领域

    本发明属于运土的工程机械,具体的说是一种用于将土地修正为预期形状
    和地形的推土机或平整土地的工程车辆,特别是一种推土机和其作业装置的定
    位方法,以及实施该方法的装置。

    背景技术

    为了实现平地机或推土机在工作过程中的自动控制,需要确定平地机或推
    土机在工作过程中的实时位置和状态,并根据其实时的位置和状态调整控制其
    工作状态。现有技术中提供了多种推土机或在平地机的定位方法,特别是关于
    推土机以及其铲刀位置的定位方法。

    以下将提供一些现有技术中关于如何定位铲刀的解决方案。

    在中国发明专利申请(2012年1月11日公开,公开号CN102312452A)中
    公开了一种运土系统,包括具有车架和切割刀片的推土机,所述切割刀片由自
    车架延伸的刀片支架支撑。所述刀片支架包括用于关于所述车架提升和降低刀
    片的一对液压汽缸以及用于控制切割刀片的横向倾斜的刀片倾斜汽缸。一对
    GPS接收机安装在推土机的切割刀片上以接收GPS信号。第一惯性测量单元感
    测车架绕大致横向于推土机并且经过推土机的重心的轴线的转动。第二惯性测
    量单元感测车架绕大致纵向于推土机并且经过推土机的重心的轴线的转动???br />制器响应于所述一对GPS接收机以及第一和第二惯性测量单元,以控制液压汽
    缸的操作并且由此控制切割刀片的位置。所述控制器以基于GPS接收机的输出
    的反复计算和基于第一和第二惯性测量单元的输出对反复计算的低等待时间的
    前馈校正,来监控切割刀片的位置。安装在车架上的加速计可以用于确定车架
    的垂直移动。所述加速计向控制器提供垂直加速度输出,由此所述控制器可以
    确定车架位置的快速改变,该快速改变可以基于加速计的输出被传递到切割刀
    片。所述控制器以基于GPS接收机的输出的反复计算和基于回转仪系统以及加
    速计的输出对反复计算的低等待时间的前馈校正来监控切割刀片的位置。此方
    法关注的焦点是铲刀(割刀片)的位置和状态,对于车辆的状态缺少监控。同
    时,GPS接收器装在推土铲上,有可能因为推土铲的振动直接传导到GPS接收
    器上而无法收到正确的GPS数据,且容易受到推土铲铲动而蹦起的沙土的损害。

    在中国发明专利(授权公告号CN103154386B,授权公告日2014年7月2
    日)中公开了一种建筑机械,包括:车体;可上下摆动地安装于所述车体的提
    升支架;支撑在所述提升支架前端的推土铲;提升缸;转角缸;倾斜缸;基于
    所述提升缸的提升缸长度、所述转角缸的转角缸长度以及所述倾斜缸的倾斜缸
    长度取得提升角、转角和倾斜角的角度取得部;固定于所述车体、接收显示本
    机位置的GPS数据的GPS接收器;基于通过所述GPS接收器接收的所述GPS
    数据,和通过所述角度取得部取得的所述提升角、所述转角和所述倾斜角,取
    得所述推土铲在全球坐标系中所处的位置的全球位置取得部;所述角度取得部
    存储有将所述转角缸长度和所述倾斜缸长度的组合与所述转角和所述倾斜角的
    组合相对应的换算表。对应的,此定位方法需要较多的传感器和电控,并且对
    应不同型号的推土机,由于其转角缸型号不同,其液压缸长度测量的传感器是
    内置在液压缸内部,不能方便取出和安装,所以该方案使用的设备是固定某一
    个机械上的,不能取下并安装在其他不同型号的机械上,通用性较差,增加了
    使用成本。

    类似的技术还有通过激光接收器和激光总站配合GPS确定推土铲位置的方
    法,例如中国发明专利申请(公开号1434177A,公开日2003年8月6日)中
    所描述。此类方法对环境要求较高,雨雪天气和灰尘会影响激光接收器的效果,
    而且要求激光站与接收器保持较近距离,同时接收器和激光束面要在位于相对
    水平的平面内,接收器不能随时大幅度上下提升。随着挖掘深度的变化,需要
    定期调节激光站的高度。而且,此方案的定位精度受推土铲震动影响明显。

    综上所述,现有技术都是对作业装置的定位,缺少对车体本身的定位,不
    利于作业和测绘同时进行,实现车辆的自动驾驶和作业。

    发明内容

    本发明的目的在于克服上述技术缺陷,提供一种能够定位车辆以及作业装
    置(通常是指铲刀)位置和状态的方法及装置。

    为了实现上述发明目的,本发明提供了以下技术方案:

    一种运土系统的定位方法,包括以下步骤:

    A.获取车体的全球位置坐标和在三维地理空间内车体的旋转角度;

    B.根据上述位置坐标和旋转角度计算得出车体与作业装置铰接处的位置坐
    标;

    C.获取作业装置在三维空间内的旋转角度;

    D.根据车体与作业装置铰接处的位置坐标和作业装置在三维空间内的旋转
    角度计算得到作业装置上参考点的位置坐标。

    优选地,本方法中还设置有基准站,其静态的放置在一位置,基准站的观
    测值和测站坐标信息作为参考值,与获取的车体或作业装置的位置、旋转角度
    信息的值计算得出车体或作业装置的空间位置,以便于在系统内组成差分观测
    值进行实时处理,用于得到厘米级定位结果。

    优选地,在A步骤中通过安装在车体上的第一GPS、第二GPS和第二惯性测
    量单元测量车体的位置坐标和其在三维空间内的旋转角度;在C步骤中通过安
    装在作业装置上的第一惯性测量单元测量作业装置的旋转角度。

    优选地,在A步骤中通过安装在车体上的第一GPS和光纤陀螺仪测量车体
    的位置坐标和其在三维空间内的旋转角度;在C步骤中通过安装在作业装置上
    的第一惯性测量单元测量作业装置的旋转角度。

    优选地,在A步骤中通过安装在车体上的N个GPS测量车体的位置坐标和
    其在三维空间内的旋转角度,其中N是大于等于3的自然数;在C步骤中通过
    安装在作业装置上的第一惯性测量单元测量作业装置的旋转角度。

    对于以上测量方案,优选地,选取车体上的一坐标点作为参考点,其作为
    车体在本地三维地理坐标系统中的位置和角度控制变量;所述参考点实质上是
    系统的重心点在车体底面的投影点。

    优选的,确定参考点的步骤包括:在无坡度的平整地面上,放置一物体作
    为支撑点,将车体开过该支撑点,在车体即将越过该支撑点而后仰的时候,停
    住车体,记下支撑点在车体上的位置;再将车体前进开过该支撑点,在车体即
    将越过该支撑点而前倾的时候,停住车体,记下支撑点在车体上的位置;以上
    两个位置的中点在车体底部的投影点,就是车体重心在车体底部平面的投影点。

    优选地,作业装置的参考点选取在选在作业装置底部中心点或者底边两个
    端点。

    优选地,所述作业装置是铲刀。

    优选地,在所述铲刀支撑臂上安装一角度测量单元,其用来测量支撑臂的
    俯仰角度。

    优选地,所述GPS中至少有一对是关于过车体参考点的竖直平面对称安装,
    该竖直平面由车体的尾部向车体的首部延伸。

    本发明还提供了实施上述方法的装置,其包括设置在作业装置上的惯性测
    量单元和设置在车体上用于测量车体三维空间内的坐标和旋转角度的测量单元
    组,所述测量单元组是下述组合中的一种:(i)安装在车体上的第一GPS、第
    二GPS和第二惯性测量单元,安装在作业装置上的第一惯性测量单元;(ii)安
    装在车体上的第一GPS和光纤陀螺仪,安装在作业装置上的第一惯性测量单元;
    (iii)在A步骤中通过安装在车体上的N个GPS,其中N是大于等于3的自然
    数,安装在作业装置上的第一惯性测量单元。

    与现有技术相比,本发明的有益效果:我们对系统本身的定位主要是用来
    为车辆自动驾驶提供参数,并且使用车体底部与地面接触部分的全球位置坐标
    来更新三维地理数据,做到作业和测绘同时进行,节省了时间和成本。而作业
    装置的定位则是用来识别作业装置全球位置和角度,来控制作业地形的高度、
    形状和坡度。同时各传感器可方便的安装在不同机型上,可以形成??榛?,安
    全耐用,并便于通用和移植。

    附图说明。

    图1A是表示本实施方式的推土机1整体结构的侧视图。

    图1B是本发明另一实施例推土机的整体结构的侧视图。

    图2A是本发明一实施例的示意图。

    图2B是本发明又一个实施例的示意图。

    图2C和2D是本发明再一实施例的示意图。

    图3是实施例中全球LLA坐标系到本地ENU坐标系转换流程图。

    图4A是车体本地XYZ坐标系定义示意图。

    图4B-4D是车体旋转角度定义示意图。

    图5是作业装置本地XYZ坐标系定义示意图。

    图6是本发明实施例中控制参考点的示意图。

    图7是由参考点坐标到目标点坐标推导流程图。

    图8是控制单元的控制流程图。

    具体实施方式

    下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将
    此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例,凡基于本发明内容所实
    现的技术均属于本发明的范围。

    在以下参照附图的表述中,相同或类似的部分标注了相同或类似的符号。
    附图为示意图。

    以下参考附图就作为运土系统某一例的推土机进行说明。在以下的说明中,
    “上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”是以现有技术中坐在驾驶室内的操作
    员为基准的用语。

    参考图1,本发明实施例的一种推土机1包括:车体10、行驶装置20、提
    升支架30、作业装置(推土铲)40、转角缸34、提升缸35、倾斜缸36、GNSS
    接收器70(一个或多个)、惯性测量单元(Inertial Measurement,简称IMU)51,
    惯性测量单元50(可选),算数运算单元60。下面将分别详细介绍本实施例的
    各个组成部分。

    车体10具有驾驶室12和发动机室11,驾驶室12内装有座位和各种操作装
    置(图中未示出)。

    行驶装置20由一对履带及其驱动装置构成(图1A只显示一个履带),安装
    在车体10的下部。推土机1靠一对履带的转动来行驶和转向。提升支架30在
    车辆宽度方向上装配在行驶装置20的内侧。提升支架30以与车辆宽度方向(以
    驾驶室内驾驶员为基准的左右方向)平行的轴X为中心,可上下摆动地安装在
    车体10上。提升支架30通过球关节部31、俯仰支撑连杆33、支柱部32支撑
    作业装置(推土铲)40。

    作业装置(推土铲)40装配在车体10的前面。作业装置(推土铲)40通
    过与球关节部31连接的万向接头42和与俯仰支撑连杆32连接的倾斜接头41,
    被提升支架30所支撑。作业装置(推土铲)40的下端部形成挖掘、平整土地的
    刃部43。作业装置可随提升支架的上下摆动而上下移动。

    提升缸35(一对)与车体10和提升支架30连接。通过提升缸35的伸缩,提
    升支架30以轴X为中心上下摆动。转角缸34(一对)与提升支架30和推土铲40
    连接。通过转角缸34的伸缩,作业装置40以穿过万向接头41中心的与车辆高
    度方向(以驾驶室内驾驶员为基准的上下方向)平行的轴Z为中心摆动。倾斜
    缸36(一个)与提升支架30的支柱部32和推土铲40的右上端部连接。通过倾斜
    缸36的伸缩,作业装置40以穿过万向接头40中心与车辆长度方向(以驾驶室
    内驾驶员为基准的前后方向)平行的轴Y为中心摆动。

    上述推土机1与现有技术中的推土机相同或相似。本实施例还包括:

    GNSS接收器70配置在车体10上。GNSS接收器70(Global Navigation
    Satellite System:全球卫星导航系统,包括美国的Global Positioning System
    (GPS全球定位系统);俄罗斯的GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM
    (GLONASS);欧洲的伽利略定位系统;中国的北斗定位系统等多种全球定位
    系统)接收表示本机全球位置的定位数据。GNSS接收器70将接收到的定位数
    据传送给算数运算单元60。

    在不同的实施例中,GNSS可以有多种配置。例如,GNSS接收器70配置
    在车体10上的车辆宽度方向中央(参照图2A)。为提高车体偏航角的测定精度,
    可配置两个GNSS接收器70、71沿车体10的车辆宽度方向中心线垂直对称分
    布,并保持足够距离(参照图2B,其中Y为车辆宽度方向中心线)。例如,为
    节省惯性测量单元50,可配置三个GNSS接收器70、71、72在车体上,其中
    GNSS接收器70和71沿车体10的车辆宽度方向中心线垂直对称分布并保持足
    够距离;GNSS接收器72位于车辆宽度方向中心线上,并与GNSS接收器70
    和71的中点沿车辆宽度方向中心线保持足够距离(参照图2C)。

    惯性测量单元51安装在作业装置40上,用来取得作业装置在三维地理空
    间的三个旋转角度,并把作业装置40的旋转角度数据传送给算数运算单元60。
    惯性测量单元50安装在车体10上,用来取得车体10在三维空间的旋转角度,
    并把车体10的旋转角度数据传送给算数运算单元60。对于车体10装有三个或
    三个以上GNSS接收器的配置下(参照图2C),则无需安装惯性测量单元50。

    算数运算单元60安装在车体10上,接收GNSS接收器70的位置数据(图
    2B中,还接收GNSS接收器71的位置数据;图2C中,还接收GNSS接收器
    71和72的位置数据),接收惯性测量单元51的角度数据,接收惯性测量单元
    50的角度数据(图2C中,无需接收惯性测量单元50的角度数据),使用内部存
    储的车体10、提升支架30、作业装置40等结构的几何尺寸数据,来计算全球
    坐标系中车体10和作业装置40的全球位置和角度。算数运算单元结构和功能
    后面会加以详述。

    在另一实施例中,大型推土机1的提升支架30和作业装置40的连接和操
    作方式与图1A中的表示略有区别(参照图1B)。其中提升支架30在车辆宽度
    方向上装配在行驶装置20的外侧。提升支架30以与车辆宽度方向(以驾驶室
    内驾驶员为基准的左右方向)平行的轴X为中心,可上下摆动地安装在车体10。
    提升支架30通过铰接关节31、俯仰缸34支撑作业装置40。提升缸35(一对,
    左右对称分布)与车体10和提升支架30连接。通过左右提升缸35的同方向上下
    等长伸缩,提升支架30以轴X为中心上下摆动。通过左右提升缸35的彼此反
    方向等长伸缩,作业装置40以穿过铰接关节31中点的且与车辆宽度中心线平
    行的轴Y为中心左右摆动。一对俯仰缸34与提升支架30和作业装置40连接。
    通过俯仰缸34的伸缩,作业装置40以穿过铰接关节31中心与车辆宽度方向平
    行的轴X’为中心前后摆动。推土机1没有转角缸。惯性测量单元和GNSS接
    收器的配置和安装与图1A所示相同。因为作业装置40可在俯仰缸34的伸缩下
    前后俯仰摆动,因此需在提升支架30上装有惯性测量单元52,来测定提升支架
    30的倾斜角和俯仰角(其偏航角与车体10的偏航角相同),并传送给算数运算
    单元60。

    为了更好的理解整个系统的位置和角度,在下述实施例中对本地坐标系统
    进行了定义。要控制作业装置(比如推土机的铲刀,挖掘机的铲斗、装载机的
    装载斗)在三维地理空间任意时刻的位置和角度,控制机器在三维地理空间的
    位置和姿态,就必须有精确的定位方案和参考点坐标、角度的推导模型(因为
    参考点不一定是测量点)。这里说的定位其实是姿态,包括一个点在三维地理空
    间的位置坐标和旋转角度:俯仰角(Pitch),侧翻角(Roll)和偏航角(Yaw)。
    定位传感器GPS所提供的测绘数据是WGS84格式下的经度(Longitude),纬度
    (Latitude)和海拔高度(Altitude),该坐标也称为LLA坐标系统。为了方便计
    算,在此把LLA坐标转换为地心地固坐标系(ECEF,Earth center earth fixed)来
    获得XYZ坐标(正、逆转换有公开的公式),并进一步把ECEF下的XYZ转为
    本地XYZ地理坐标系,即ENU(East North Up)坐标系统,该转换可以通过现
    有的公式进行。在这些坐标中,全球位置坐标、本地坐标相互之间可以通过转
    换得到。

    在实施例中,通常采用实时动态GPS(RTK GPS)进行定位,一个GPS接
    收器被作为基准站放在作业区域某一静态位置,基准站通过无线通信数据链路
    将其观测值和测站坐标信息一起广播传送给作业区域内的一个或多个流动站
    (安装在机器或作业装置上的GPS接收器)。流动站不仅通过数据链接收来自基
    准站的数据,还要采集GPS观测数据,并在系统内组成差分观测值进行实时处
    理,同时给出厘米级定位结果。

    在实施例中,定位系统把基准站天线的中心点位置作为作业区域本地ENU
    坐标系统的原点,各个GNSS流动站在该ENU坐标系统中的本地坐标(Xi,Yi,
    Zi)则通过LLA坐标到ECEF坐标,再到ENU坐标转换公式求出。全球LLA
    坐标到本地ENU坐标系的转换流程如图3所示。

    为表述车体上或内部各个位置的方向和几何偏差,定义车体本地坐标系统
    XYZ如图4A所示。以驾驶室内驾驶员为基准,X轴与车体宽度方向平行,方
    向为从左到右。Y轴与车体长度方向平行,和车体宽度中心线重合,方向为从
    后向前。Z轴与车体高度方向平行,方向为从下到上。车体XYZ三轴遵守右手
    准则。为了符合常规部署和运算方便,通常车体本地坐标系统的原地选取为
    GNSS接收器的中心点(参考图2A),或两个GNSS接收器的中点(图2B和图
    2C中为GNSS接收器70和71的中点)。

    车体在ENU坐标系中三个旋转角度:俯仰角(Pitch),侧翻角(Roll)和偏
    航角(Yaw)定义分别如图4B、4C、4D所示。图4B中定义的俯仰角(Pitch)
    为任意时刻车体Y轴与水平面的夹角,范围为[-90°,90°]。符号为向下转动为
    负,向上转动为正(以驾驶室内驾驶员为基准的上下方向)。图4C中定义的侧
    翻角(Roll)为任意时刻车体X轴与水平面的夹角,范围为[-90°,90°]。符号
    为向右转动为正,向左转动为负(以驾驶室内驾驶员为基准的左右方向)。图4D
    中定义的偏航角(Yaw)为任意时刻车体Y轴与地理正北方向的夹角,范围为
    (-180°,180°]。符号为逆时针转动为正,顺时针转动为负。俯仰角(Pitch),侧
    翻角(Roll)和偏航角(Yaw)的角速度定义和符号与其各自角度定义一致。

    车体俯仰角(Pitch),侧翻角(Roll)和偏航角(Yaw)的角度可由车体上
    惯性测量单元50或两个GNSS接收器的测量位置坐标差分反而角度获得,以下
    是几种获得车体俯仰角、侧翻角和偏航角的具体实施方式:

    (1)单个GNSS接收器作为车体定位装置时(参考图2A),车体的俯仰角、
    侧翻角和偏航角由惯性测量单元50(参考图1A和1B)读取。

    (2)为了弥补有些惯性测量单元对偏航角测定的不准确性和受周围磁场变
    化及随时间产生角度偏移等引入的误差,使用两个GNSS接收器(参考图2B)
    来获得车体偏航角和侧翻角,若GNSS接收器70位置坐标为(X1,Y1,Z1),GNSS
    接收器71的位置坐标为(X2,Y2,Z2),则车体侧翻
    角=sin-1d,其中L为GNSS接收器70和71之间的距离。当d>1时,
    车体侧翻角为90°,当d<-1时,车体侧翻角为-90°。车体的俯仰角由惯性测量
    单元50读取。

    (3)为节省惯性测量单元50,也可以使用三个或以上GNSS接收器(参考
    图2C)来获取车体偏航角、侧翻角和俯仰角。若GNSS接收器70位置坐标为
    (X1,Y1,Z1),GNSS接收器71的位置坐标为(X2,Y2,Z2),GNSS接收器
    72位置坐标为(X3,Y3,Z3)。则车体侧翻角=sin-1d,其
    中L为GNSS接收器70和71之间的距离。当d>1时,车体侧翻角为
    90°,当d<-1时,车体侧翻角为-90°;当GNSS接收器72位于GNSS接收器
    70和71前面时(参考图2C的左图),车体俯仰角=sin-1l,其中D
    为GNSS接收器72,和接收器70、71中点之间的距离。当l>1时,车体俯仰
    角为90°,当l<-1时,车体俯仰角为-90°;当GNSS接收器72位于70和71后
    面时(参考图2C的右图),车体俯仰角=sin-1l,其中当l>1时,
    车体俯仰角为90°,当l<-1时,车体俯仰角为-90°。

    为精确定位车体在三维地理空间的位置,避免因GNSS接收器与地面间的
    距离在车体发生旋转时造成定位数据偏差;同时考虑使用车体的行走系统底部
    与地面接触部分的全球位置数据来实时更新作业区域的三维地理数据,需选取
    运土系统的重心点在行走系统底部平面的投影点来作为车体定位参考点。该参
    考点如图6中A点所示。选取该点作为车体定位参考点的原因主要如下:(a)
    车体转向或侧翻时,A点与车体行驶路线因转动带来的几何偏移最小,能最大
    程度地准确表示车体在地面上的实际位置;(b)车体在行驶中因地面不平整而
    发生颠簸或俯仰起伏时,行走系统以穿过A点的与车体X轴平行的轴做俯仰摆
    动,行走系统底部在该俯仰轴位置上与地面接触的概率最大,用A点的坐标能
    最精确的表示A点处地形的三维数据。

    确定A点的方法:1、在无坡度的平整地面上,放置一L型钢条或类似楔形
    物体作为支撑点,将运土系统倒档缓慢开过该支撑点,在运土系统即将越过该
    支撑点而后仰的时候,停住运土系统,记下支撑点在行走系统底部平面的位置
    L1;2、类似的,将运土系统前进开过支撑点,在运土系统即将越过该支撑点而
    前倾的时候,停住运土系统,记下支撑点在行走系统底部平面的位置L2。确定
    L1和L2的中点在行走系统底部平面的位置L3。穿过L3的与车体X轴平行的
    轴与车体Y轴在底面投影轴Yd的交点即为A点(参照图6)。

    因作业装置(推土铲)可独立于车体在三维空间转动,现定义作业装置本
    地坐标系统XYZ定义如图5所示。作业装置本地坐标系统X轴、Y轴和Z轴的
    定义与图4A车体本地坐标系统XYZ轴定义基本一致。作业装置本地坐标系统
    的原点选取为万向接头41的中心(参考图1A),或铰接关节31的中点(参考
    图1B)。作业装置在ENU坐标系中三个旋转角度:俯仰角(Pitch),侧翻角(Roll)
    和偏航角(Yaw)定义与上文车体的三个旋转角度定义相同。作业装置俯仰角
    (Pitch),侧翻角(Roll)和偏航角(Yaw)的角速度定义和符号与其各自角度
    定义一致。

    作业装置俯仰角(Pitch),侧翻角(Roll)和偏航角(Yaw)由惯性测量单
    元51(参考图1A和1B)读取。

    为表示作业装置在全球空间的位置和角度,控制作业装置的作业刃部的高
    度和角度,来完成设定的地形切割或平整轮廓,定义作业装置位置参考点为刃
    部中心点B点,如图5和图6所示。

    在三维地理空间内,因为目标点和测量点之间往往存在几何距离偏差和旋
    转角度(参考图6,测量点为GNSS接收器70的中心位置坐标,目标点为车体
    位置参考点A点),因此需要考虑测量点与目标点之间的几何距离偏差、当前时
    刻的旋转角度,用测量点的位置坐标为参考点,来推导出目标点当前时刻在本
    地三维地理空间(本地ENU坐标系)的位置坐标,并把目标点的本地位置坐标
    转换为全球位置坐标。坐标推导流程如图7所示。在任意时刻T,GNSS接收器
    测量得到的在本地ENU坐标系中的位置坐标为(Xr,Yr,Zr),如果GNSS接
    收器输出数据为经度、纬度和海拔高度坐标,则通过LLA到ECEF坐标转换,
    ECEF到本地ENU坐标转换来得到本地ENU坐标系的位置坐标(有公开公式)。
    把该已知位置点(Xr,Yr,Zr)作为参考点。在同一旋转系内,目标点与参考
    点在车体或装置XYZ三轴方向上的几何偏移距离为(dx,dy,dz),而旋转系
    (比如车体)的俯仰角、侧翻角和偏航角为(θp,θr,θy),则通过以下步骤计
    算目标点坐标(Xt,Yt,Zt)

    (1)求得几何偏移距离在偏航角旋转θy后的新的几何偏移距离(Xay,Yay,
    Zay):


    (2)求得新的几何偏移距离(Xay,Yay,Zay)在侧翻角旋转θr后的新的
    几何偏移距离(Xar,Yar,Zar):



    (3)求得新的几何偏移距离(Xar,Yar,Zar)在俯仰角旋转θp后的新的几
    何偏移距离(Xap,Yap,Zap):



    如果-1≤D≤1,δ=sin-1D;如果D>1,δ=90°;如果D<-1,δ=-90°



    (4)求得目标点在本地ENU坐标系统中的位置坐标(Xt,Yt,Zt):


    (5)把目标点在本地ENU坐标系的位置坐标(Xt,Yt,Zt)转换为ECEF
    坐标,再转换为LLA全球位置坐标(有公开公式)

    以上转换流程中步骤(1)到(3)是按照偏航角、侧翻角、俯仰角的顺序
    进行的。也可按照这三个角度的任意顺序进行。

    为精确描述车体的全球位置,并使用车体行走系统的底部平面与地面接触
    部分的位置数据来实时更新三维地形地貌数据,自动完成地貌高度和倾斜角度
    的测绘,需要从车体GNSS接收器的位置坐标来推导出车体参考点A(参照图6)
    的坐标。计算过程如下:

    (1)读取车体GNSS接收器全球坐标并转换为本地ENU坐标系统中的位
    置坐标(X0,Y0,Z0)。对于单个GNSS接收器(参照图2A),(X0,Y0,Z0)
    就是GNSS接收器70的位置坐标。对于多个GNSS接收器(参照图2B和2C),
    (X0,Y0,Z0)是GNSS接收器70和71的中点坐标,
    其中(X1,Y1,Z1)就是GNSS接收器70的位置坐标,(X2,Y2,
    Z2)就是GNSS接收器71的位置坐标。使用位置坐标(X0,Y0,Z0)作为测量
    参考点。

    (2)读取车体当前时刻的俯仰角、侧翻角和偏航角。车体的三个旋转角度
    可由安装在车体上的惯性测量单元读取或由两个GNSS接收器位置坐标差分反
    求角度获得,具体方法在上文已有说明。

    (3)根据车体位置参考点A(参照图6)和测量参考点的几何偏移(dx,dy,
    dz)、步骤(2)中获得的三个旋转角度、步骤(1)中获得的测量参考点坐标,
    通过上述参考点坐标推导方法,来求出车体位置参考点A的本地ENU位置坐标
    (XA,YA,ZA),并转换为全球位置坐标。

    (4)类似的,可计算获得车体行走系统底面其他位置的全球位置坐标,这
    些位置坐标可用来更新对应点的三维地理数据,来完成地理数据更新和地形高
    度及角度测绘。

    为精确描述作业装置的全球位置和倾斜/转动角度,使用作业装置来按照设
    定的地形高度和倾斜角度来施工作业,需要从车体GNSS接收器的位置坐标来
    推导出作业装置参考点B(参照图6)的全球位置坐标。但因为作业装置可在提
    升缸、倾斜缸、转角缸(或俯仰缸)的伸缩控制下独立于车体进行旋转,因此
    作业装置与车体不在同一旋转系内,不能使用类似推导车体位置参考点A的方
    法来直接推导作业装置位置参考点B。作业装置通过提升支架与车体相连,可通
    过先获得提升支架与车体连接转动轴中点(图1A和图1B中X轴和车体宽度中
    心面的交点)的位置坐标,然后使用该转动轴中点位置坐标为参考点,来推导
    出提升支架与作业装置连接处的中点坐标(图1A中为万向接头42中心点,图
    1B中为X’轴与车体宽度中心面的交点),然后再以此连接处中点坐标为参考点,
    推导出作业装置位置参考点B的全球位置坐标。计算过程如下:

    (1)类似上文获取车体位置参考点的方法,首先获得车体GNSS接收器的
    测量参考点位置坐标(X0,Y0,Z0);然后获得车体的俯仰角、侧翻角和偏航角;
    根据提升支架与车体连接转动轴中点和GNSS接收器测量参考点的几何距离偏
    移,使用上述坐标推导模型,来计算获得提升支架与车体连接转动轴中点C点
    (参考图6)的位置坐标(XC,YC,ZC)。

    (2)图1B中的提升支架30上装有惯性测量单元52,提升支架的俯仰角和
    侧翻角可由惯性测量单元52读取,提升支架的偏航角与车体的偏航角相同。图
    1A中提升支架没有俯仰缸,作业装置不能独立于提升支架做俯仰转动,因此作
    业装置和提升支架在俯仰角上存在一个恒定偏差ΔP。确定该恒定俯仰角偏差的
    方法为:(a)保持作业装置无倾斜,使用作业装置上的惯性测量单元51来读取
    当前作业装置的俯仰角P1;(b)将惯性测量单元51移到提升支架上,读取此时
    提升支架的俯仰角P2;(c)ΔP=P1-P2,该俯仰角恒定偏差只需确定一次。图
    1A中提升支架的侧翻角和偏航角与车体的侧翻角、偏航角相同,提升支架的俯
    仰角则等于作业装置上惯性测量单元51读取的俯仰角减去恒定偏差ΔP。这样就
    获得了任意时刻提升支架的三个旋转角度。而提升支架上无需装载惯性测量单
    元。提升支架与作业装置连接处的中点为D点(参考图6),D点与步骤(1)
    中C点的几何偏移距离为(0,L,0),其中L为D点和C点沿提升支架的长度
    距离。以步骤(1)中求得的C点的位置坐标(XC,YC,ZC)为参考点坐标,通
    过坐标推导模型就可求出D点坐标(XD,YD,ZD)。

    (3)作业装置的三个旋转角度可由惯性测量单元51读取,作业装置位置
    参考点B与作业装置旋转中心点D的几何偏移为(lx,ly,lz),以步骤(2)中
    求的D点坐标(XD,YD,ZD)为参考点,通过坐标推导模型就可求出作业装置
    位置参考点B的坐标(XB,YB,ZB),并转换为全球位置坐标。

    在上述实施例中,算数运算单元60(参考图1A和1B)接收一个或多个GNSS
    接收器的位置坐标数据,惯性测量单元的旋转角度数据,并根据内部存储的各
    项几何偏移数据,使用上文说明的车体位置参考点坐标计算方法和作业装置位
    置参考点坐标计算方法来实时计算车体和作业装置的全球位置数据,并把这些
    位置数据传送给相关的车载计算系统或车外控制系统。算数运算单元的工作流
    程如图7所示。

    工程设备的作业装置(铲刀/铲斗等)与机身是通过一个或多个刚性机械结
    构连接,并靠液压缸伸缩来推动作业装置按轴或球关节旋转。为了求得作业装
    置的参考点坐标,需要先求得连接装置旋转关节处的坐标。铲刀通过支撑臂结
    构连接在机身上,液压缸通过提升/放下支撑臂来带动铲刀升降,这个升降动作
    的旋转轴的中心点在支撑臂与车体的铰接处(A点),而铲刀的倾斜或者角度旋
    转则是以铲刀与支持臂的铰接处为中心(B点)。

    对于铲刀支撑臂在履带外侧的,其支撑臂旋转轴和作业装置旋转点定义与
    上面在履带内侧的一致。

    因为支撑臂的旋转轴中心A点与车体GPS测量点处于同一旋转系内,所以
    可直接把A点与车体GPS测量点的几何偏移,车体的三个旋转角度作为输入变
    量,通过上述坐标推导模型,求出A点的在当前时刻的坐标(XA,YA,ZA)。

    铲刀支撑臂可在液压缸的牵引下,独立于车体做俯仰转动,所以B点坐标
    和车体GPS测量点不在同一旋转系内,不能直接通过车体GPS测量点求出,而
    需要通过A点来求出。铲刀连接支撑臂的侧翻角和偏航角与车体的侧翻角和偏
    航角相同。对于铲刀可随时独立于支撑臂做俯仰转动的作业结构,铲刀支撑臂
    的俯仰角由支撑臂上安装的角度传感器来读取当前的俯仰角度;对于铲刀不能
    随时独立于支撑臂做俯仰转动的作业结构,铲刀支撑臂上无需安装额外的角度
    传感器,支撑臂的俯仰角等于铲刀惯性测量单元测量的俯仰角加上一个恒定偏
    差角。该恒定偏差角的获取方法:把车体放置在水平硬质地面上,并让铲刀底
    部保持水平并刚好接触地面,用惯性测量单元测得当前的铲刀俯仰角P1,然后
    把惯性测量单元放在支撑臂上,测得当前支撑臂的俯仰角P2,则恒定偏差角为
    P2-P1。铲刀旋转中心B点与A点的几何偏差为(0,L,0),其中L为A和B
    两点沿支撑臂的距离;而A和B两点在Z轴和X轴上没有几何距离偏移。这样
    再加上支撑臂的三个旋转角度,就可以用坐标推导模型根据A点坐标来求得B
    点坐标(XB,YB,ZB)。

    B点是铲刀左右倾斜、顺时针/逆时针转动(可以的话)的旋转中心点。铲
    刀的三个旋转角度可由铲刀上安装的惯性测量单元测量获得;铲刀控制参考点C
    点与B点的几何偏移通过初始时的测量为已知变量,则C点的坐标(XC,YC,ZC)可
    通过坐标推导模型由B点坐标推导而出。

    这样,经过几次坐标推导,完成了从车体GPS测量点坐标推导到车体控制
    参考点(底部平衡点)和铲刀控制参考点(铲刀底部中心点)的过程??刂撇?br />考点坐标的准确性主要受各个几何偏移距离的准确度和惯性测量单元的角度测
    量准确度决定。对于前者,可以通过测量得到一系列参考点的坐标值,把这些
    测量值和参考点的推导值加以拟合分析,就可以修正几何距离的测量偏差,而
    这样修正过程在每台车体上只需执行一次即可;对于惯性测量单元引入的误差,
    则可通过选择更精准的惯性测量单元或者使用卡尔曼滤波器来减小误差。

    通过以上方法,可以求出车体和作业装置上任意点在三维地理空间内任意
    时刻的坐标和旋转角度,这样就把车体和作业装置上各个点在地理空间内的位
    置和姿态完全数字化了。

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    土系 定位 方法 装置
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