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CN117306617B - 一种对工程机械工作装置进行定位的装置及其定位方法 - Google Patents

一种对工程机械工作装置进行定位的装置及其定位方法 Download PDF

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CN117306617B
CN117306617B CN202311594685.2A CN202311594685A CN117306617B CN 117306617 B CN117306617 B CN 117306617B CN 202311594685 A CN202311594685 A CN 202311594685A CN 117306617 B CN117306617 B CN 117306617B
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Abstract

本发明提供了一种对工程机械工作装置进行定位的装置及其定位方法，包括装载机后车体、装载机前车体、举升缸、翻转缸和铲斗，所述装载机后车体与所述装载机前车体铰接；所述装载机前车体与所述举升缸连接；所述举升缸用于控制所述铲斗的上升和下降，所述举升缸与所述翻转缸连接；所述翻转缸用于控制所述铲斗的倾斜角度，所述翻转缸与所述铲斗连接；还包括全球定位传感器、陀螺仪、角度传感器、举升电机编码器、翻转电机编码器和工业电脑；以在工程机械作业的同时对铲齿的位置进行高精度定位，指导工程机械的作业过程，真正实现工程机械自动化。

Description

一种对工程机械工作装置进行定位的装置及其定位方法
技术领域
本发明涉及工程机械工作装置技术领域，具体而言，涉及一种对工程机械工作装置进行定位的装置及其定位方法。
背景技术
随着科技的发展，越来越多原有用人工操作的器械进入到了自动化生产阶段。例如，工程机械的自动作业，工程机械可以包括装载机，通过使用自动化技术和控制系统，使用工程机械能够在一定程度上自主执行任务，而无需持续的人工行干预。通过使用自动化的工程机械，可以提高效率、安全性和精确度。现有的自动作业的工程机械一般为涉及工程机械的自动驾驶装置，通过获取工程机械在目标作业场景下的当前环境信息；确定目标应用场景后，基于环境信息与业务场景的对应关系，确定当前环境信息对应的目标业务场景；当目标业务场景与当前业务场景不一致时，查询全局配置文件中目标业务场景的业务运作逻辑，全局配置文件包括目标作业场景下的至少一个业务场景、各个业务场景的业务运作逻辑以及业务场景之间的逻辑关系；基于目标业务场景的业务运作逻辑生成目标业务场景下的目标应用程序；基于目标应用程序对工程机械进行自动驾驶控制。然而现有技术仅对工程机械的整体自动化定位进行了设计，但并不能将工程机械用于具体的作业中。
有鉴于此，本发明提供了一种对工程机械工作装置进行定位的装置及其定位方法，以在工程机械作业的同时对铲齿的位置进行高精度定位，指导工程机械的作业过程，真正实现工程机械自动化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对工程机械工作装置进行定位的装置，包括装载机后车体、装载机前车体、举升缸、翻转缸和铲斗，所述装载机后车体与所述装载机前车体铰接；所述装载机前车体与所述举升缸连接；所述举升缸用于控制所述铲斗的上升和下降，所述举升缸与所述翻转缸连接；所述翻转缸用于控制所述铲斗的倾斜角度，所述翻转缸与所述铲斗连接；还包括全球定位传感器、陀螺仪、角度传感器、举升电机编码器、翻转电机编码器和工业电脑；所述全球定位传感器包括车载全球定位接收站和本地全球定位基站；所述全球定位传感器用于获取全球RTK定位信号，以获取装载机后车体的朝向信息及全球定位信号；所述车载全球定位接收站用于接收卫星定位信号和本地全球定位基站RTK信号，以获取装载机后车体的朝向信号；所述本地全球定位基站用于向各个所述全球定位传感器和所述车载全球定位接收站发送基站RTK信号；所述陀螺仪用于获取装载机的横滚角度和俯仰角度；所述角度传感器用于获取所述装载机后车体和所述装载机前车体的夹角；所述举升电机编码器用于计算举升电缸的伸缩长度；所述翻转电机编码器用于计算翻转电缸的伸缩长度；所述工业电脑用于采集所述全球定位传感器、所述车载全球定位接收站、所述本地全球定位基站、所述陀螺仪、所述角度传感器、所述举升电机编码器和所述翻转电机编码器的数据信号，并实时计算出装载机的各个部位的位置。
进一步，所述车载全球定位接收站设置在所述装载机上；所述本地全球定位基站设置在所述装载机工作环境附近；所述陀螺仪设置在所述装载机后车体；所述角度传感器设置在所述装载机后车体与所述装载机前车体的铰接点处；所述举升电机编码器设置在举升电动机内部；所述翻转电机编码器设置在翻转电动机内部。
本发明的目的还在于提供一种应用于上述任一项所述的对工程机械工作装置进行定位的装置的定位方法，包括：通过车载全球定位接收站获取后车体定位点o处的后车体定位信息O和第一后车体朝向信息；通过陀螺仪获取后车体旋转量；获取后车体定位点o与前后车体铰接点a之间的第一位置平移量OA，基于所述后车体旋转量/>、所述后车体定位信息O和所述第一位置平移量OA，通过第一公式a，计算得到所述前后车体铰接点a处的铰接点定位信息A；通过角度传感器获取装载机后车体和装载机前车体的车体夹角θ；基于所述后车体旋转量/>和所述车体夹角θ，通过第二公式，计算前车体旋转量/>；获取所述前后车体铰接点a与所述装载机前车体定位点b处之间的第二位置平移量AB，并基于所述前车体旋转量/>、所述铰接点定位信息A和所述第二位置平移量AB，通过所述第一公式b，计算前车体定位信息B；获取举升缸的伸缩长度L1和翻转缸的伸缩长度L2；基于所述伸缩长度L1，计算得到举升缸的举升高度H，并基于所述举升高度H、铲斗和举升缸的连接点c与装载机前车体定位点b之间的测量长度L，通过第三公式，计算铲斗与所述举升缸的连接点c处的铲斗旋转量/>；获取所述装载机前车体定位点b与所述连接点c点之间的第三位置平移量BC，并基于所述铲斗旋转量/>、所述前车体定位信息B和所述第三位置平移量BC，通过所述第一公式c，计算所述连接点c处的铲斗定位信息C；基于所述伸缩长度L1和所述伸缩长度L2，确定所述连接点c处相对于装载机所在平面的铲斗角度/>，并基于第四公式，计算铲斗斗齿定位点d处的铲齿旋转量/>；获取所述连接点c与所述铲斗斗齿定位点d之间的第四位置平移量CD，并基于所述铲齿旋转量/>、所述铲斗定位信息C和所述第四位置平移量CD，通过所述第一公式d，计算铲齿定位信息D。
进一步，所述第一公式a的表达式为：
其中，、/>、/>分别表示前后车体铰接点a的X、Y、Z坐标；/>、/>、/>分别表示前后车体铰接点a的横滚角、俯仰角、朝向角；/>、/>、/>分别表示前后车体铰接点a的X坐标平移量、Y坐标平移量、Z坐标平移量；/>、/>、/>分别表示后车体定位点o的X、Y、Z坐标；
所述第一公式b的表达式为：
其中，、/>、/>分别表示装载机前车体定位点b的X、Y、Z坐标；/>、/>、/>分别表示装载机前车体定位点b的横滚角、俯仰角、朝向角；/>、/>、/>分别表示装载机前车体定位点b的X坐标平移量、Y坐标平移量、Z坐标平移量；
所述第一公式c的表达式为：
其中，、/>、/>分别表示举升缸的连接点c的X、Y、Z坐标；/>、/>、/>分别表示举升缸的连接点c的横滚角、俯仰角、朝向角；/>、/>、/>分别表示举升缸的连接点c的X坐标平移量、Y坐标平移量、Z坐标平移量；
所述第一公式d的表达式为：
其中，、/>、/>分别表示铲斗斗齿定位点d的X、Y、Z坐标；/>、/>、/>分别表示铲斗斗齿定位点d的横滚角、俯仰角、朝向角；/>、/>、/>分别表示铲斗斗齿定位点d的X坐标平移量、Y坐标平移量、Z坐标平移量。
进一步，所述第二公式的表达式为：
其中，表示前车体旋转量/>；θ表示装载机后车体和装载机前车体的车体夹角；/>表示后车体旋转量/>。
进一步，所述第三公式的表达式为：
其中，表示铲斗旋转量/>；/>；/>表示测量长度，H表示举升高度；/>表示前车体旋转量/>。
进一步，所述第四公式的表达式为：
其中，表示铲齿旋转量/>；/>表示连接点c处相对于装载机所在平面的铲斗角度；/>表示铲斗旋转量/>。
进一步，所述后车体旋转量包括第二后车体朝向信息，还包括将所述第一后车体朝向信息和所述第二后车体朝向信息中精度更高的朝向信息作为新的后车体旋转量中的后车体朝向信息/>。
进一步，分别基于举升电机编码器和翻转电机编码器获取的电机圈数位置、连接电缸与电机轴承的齿轮的减速比以及电缸导程，计算得到所述举升缸的伸缩长度L1和所述翻转缸的伸缩长度L2。
进一步，通过车载全球定位接收站获取后车体定位点o处的后车体定位信息O和第一后车体朝向信息，包括：本地全球定位基站向所述车载全球定位接收站发送基站RTK信号；所述车载全球定位接收站接收所述基站RTK信号，并基于所述基站RTK信号获取所述后车体定位信息O和所述第一后车体朝向信息。
本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
本发明可以对工程机械的部件实现高精度的定位，使得可以实现自动化操作工程机械的部件，以完成工程作业；提高了作业精度，降低了作业风险。
附图说明
图1为本发明一些实施例提供的一种对工程机械工作装置进行定位的装置的示例性模块图；
图2为本发明一些实施例提供的一种对工程机械工作装置进行定位的装置的示例性示意图。
图中，a-前后车体铰接点，b-装载机前车体定位点，c-连接点，d-铲斗斗齿定位点，o-后车体定位点。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
如图1和图2所示，对工程机械工作装置进行定位的装置包括装载机后车体、装载机前车体、举升缸、翻转缸和铲斗。
所述装载机后车体与所述装载机前车体铰接；所述装载机前车体与所述举升缸连接；所述举升缸用于控制所述铲斗的上升和下降，所述举升缸与所述翻转缸连接；所述翻转缸用于控制所述铲斗的倾斜角度，所述翻转缸与所述铲斗连接。
还包括传感器模组100和工业电脑200。其中，传感器模组100包括全球定位传感器110、陀螺仪120、角度传感器130、举升电机编码器140、翻转电机编码器150。所述全球定位传感器110包括车载全球定位接收站111和本地全球定位基站112。所述全球定位传感器用于获取全球RTK定位信号，以获取装载机后车体的朝向信息及全球定位信号；所述车载全球定位接收站用于接收卫星定位信号和本地全球定位基站RTK信号，以获取装载机后车体的朝向信号；所述本地全球定位基站用于向各个所述全球定位传感器和所述车载全球定位接收站发送基站RTK信号；所述陀螺仪用于获取装载机的横滚角度和俯仰角度；所述角度传感器用于获取所述装载机后车体和所述装载机前车体的夹角；所述举升电机编码器用于计算举升电缸的伸缩长度；所述翻转电机编码器用于计算翻转电缸的伸缩长度；所述工业电脑用于采集所述全球定位传感器、所述车载全球定位接收站、所述本地全球定位基站、所述陀螺仪、所述角度传感器、所述举升电机编码器和所述翻转电机编码器的数据信号，并实时计算出装载机的各个部位的位置。
其中，所述车载全球定位接收站设置在所述装载机上（例如，装载机后车体处）；所述本地全球定位基站设置在所述装载机工作环境附近；所述陀螺仪设置在所述装载机后车体；所述角度传感器设置在所述装载机后车体与所述装载机前车体的铰接点处；所述举升电机编码器设置在举升电动机内部；所述翻转电机编码器设置在翻转电动机内部。
本发明还提出了应用于上述所述的对工程机械工作装置进行定位的装置的定位方法，包括以下内容：
通过车载全球定位接收站获取后车体定位点o处的后车体定位信息O和第一后车体朝向信息。其中，通过车载全球定位接收站获取后车体定位点o处的后车体定位信息O和第一后车体朝向信息，包括：本地全球定位基站向所述车载全球定位接收站发送基站RTK信号；所述车载全球定位接收站接收所述基站RTK信号，并基于所述基站RTK信号获取所述后车体定位信息O和所述第一后车体朝向信息。
通过陀螺仪获取后车体旋转量。
在一些实施例中，所述后车体旋转量包括第二后车体朝向信息，还包括将所述第一后车体朝向信息和所述第二后车体朝向信息中精度更高的朝向信息作为新的后车体旋转量中的后车体朝向信息/>。
获取后车体定位点o与前后车体铰接点a之间的第一位置平移量OA，基于所述后车体旋转量、所述后车体定位信息O和所述第一位置平移量OA，通过第一公式a，计算得到所述前后车体铰接点a处的铰接点定位信息A。其中，所述第一公式a的表达式为：
其中，、/>、/>分别表示前后车体铰接点a的X、Y、Z坐标；/>、/>、/>分别表示前后车体铰接点a的横滚角、俯仰角、朝向角；/>、/>、/>分别表示前后车体铰接点a的X坐标平移量、Y坐标平移量、Z坐标平移量；/>、/>、/>分别表示后车体定位点o的X、Y、Z坐标。
需要说明的是，如图2中的坐标系，本申请中的横滚角即经过对应点位的X轴方向与水平面的夹角，俯仰角即经过对应点位的Y轴方向与水平面的夹角；朝向角即经过对应点位的Z轴方向与水平面的夹角。
通过角度传感器获取装载机后车体和装载机前车体的车体夹角θ。
基于所述后车体旋转量和所述车体夹角θ，通过第二公式，计算前车体旋转量。其中，所述第二公式的表达式为：
其中，表示前车体旋转量/>；θ表示装载机后车体和装载机前车体的车体夹角；/>表示后车体旋转量/>。
获取所述前后车体铰接点a与所述装载机前车体定位点b处之间的第二位置平移量AB，并基于所述前车体旋转量、所述铰接点定位信息A和所述第二位置平移量AB，通过所述第一公式b，计算前车体定位信息B。其中，所述第一公式b的表达式为：
其中，、/>、/>分别表示装载机前车体定位点b的X、Y、Z坐标；/>、/>、/>分别表示装载机前车体定位点b的横滚角、俯仰角、朝向角；/>、/>、/>分别表示装载机前车体定位点b的X坐标平移量、Y坐标平移量、Z坐标平移量。
获取举升缸的伸缩长度L1和翻转缸的伸缩长度L2。其中，分别基于举升电机编码器和翻转电机编码器获取的电机圈数位置、连接电缸与电机轴承的齿轮的减速比以及电缸导程，计算得到所述举升缸的伸缩长度L1和所述翻转缸的伸缩长度L2。
基于所述伸缩长度L1，计算得到举升缸的举升高度H，并基于所述举升高度H、铲斗和举升缸的连接点c与装载机前车体定位点b之间的测量长度L，通过第三公式，计算铲斗与所述举升缸的连接点c处的铲斗旋转量。其中，所述第三公式的表达式为：
其中，表示铲斗旋转量/>；/>；/>表示测量长度，H表示举升高度；/>表示前车体旋转量/>。
获取所述装载机前车体定位点b与所述连接点c点之间的第三位置平移量BC，并基于所述铲斗旋转量、所述前车体定位信息B和所述第三位置平移量BC，通过所述第一公式c，计算所述连接点c处的铲斗定位信息C。其中，所述第一公式c的表达式为：
其中，、/>、/>分别表示举升缸的连接点c的X、Y、Z坐标；/>、/>、/>分别表示举升缸的连接点c的横滚角、俯仰角、朝向角；/>、/>、/>分别表示举升缸的连接点c的X坐标平移量、Y坐标平移量、Z坐标平移量。
基于所述伸缩长度L1和所述伸缩长度L2，确定所述连接点c处相对于装载机所在平面的铲斗角度，并基于第四公式，计算铲斗斗齿定位点d处的铲齿旋转量/>。其中，所述第四公式的表达式为：
其中，表示铲齿旋转量/>；/>表示连接点c处相对于装载机所在平面的铲斗角度；/>表示铲斗旋转量/>。
获取所述连接点c与所述铲斗斗齿定位点d之间的第四位置平移量CD，并基于所述铲齿旋转量、所述铲斗定位信息C和所述第四位置平移量CD，通过所述第一公式d，计算铲齿定位信息D。其中，所述第一公式d的表达式为：
其中，、/>、/>分别表示铲斗斗齿定位点d的X、Y、Z坐标；/>、/>、/>分别表示铲斗斗齿定位点d的横滚角、俯仰角、朝向角；/>、/>、/>分别表示铲斗斗齿定位点d的X坐标平移量、Y坐标平移量、Z坐标平移量。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换（例如，等同替换的算法或通过增加传感器实现等）、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种对工程机械工作装置进行定位的装置，包括装载机后车体、装载机前车体、举升缸、翻转缸和铲斗，其特征在于，
所述装载机后车体与所述装载机前车体铰接；
所述装载机前车体与所述举升缸连接；
所述举升缸用于控制所述铲斗的上升和下降，所述举升缸与所述翻转缸连接；
所述翻转缸用于控制所述铲斗的倾斜角度，所述翻转缸与所述铲斗连接；
还包括全球定位传感器、陀螺仪、角度传感器、举升电机编码器、翻转电机编码器和工业电脑；所述全球定位传感器包括车载全球定位接收站和本地全球定位基站；
所述全球定位传感器用于获取全球RTK定位信号，以获取装载机后车体的朝向信息及全球定位信号；所述车载全球定位接收站用于接收卫星定位信号和本地全球定位基站RTK信号，以获取装载机后车体的朝向信号；所述本地全球定位基站用于向各个所述全球定位传感器和所述车载全球定位接收站发送基站RTK信号；
所述陀螺仪用于获取装载机的横滚角度和俯仰角度；
所述角度传感器用于获取所述装载机后车体和所述装载机前车体的夹角；
所述举升电机编码器用于计算举升电缸的伸缩长度；
所述翻转电机编码器用于计算翻转电缸的伸缩长度；
所述工业电脑用于采集所述全球定位传感器、所述车载全球定位接收站、所述本地全球定位基站、所述陀螺仪、所述角度传感器、所述举升电机编码器和所述翻转电机编码器的数据信号，并实时计算出装载机的各个部位的位置。
2.根据权利要求1所述的对工程机械工作装置进行定位的装置，其特征在于，所述车载全球定位接收站设置在所述装载机上；所述本地全球定位基站设置在所述装载机工作环境附近；所述陀螺仪设置在所述装载机后车体；所述角度传感器设置在所述装载机后车体与所述装载机前车体的铰接点处；所述举升电机编码器设置在举升电动机内部；所述翻转电机编码器设置在翻转电动机内部。
3.一种应用于如权利要求1-2任一项所述的对工程机械工作装置进行定位的装置的定位方法，其特征在于，包括：
通过车载全球定位接收站获取后车体定位点o处的后车体定位信息O和第一后车体朝向信息；
通过陀螺仪获取后车体旋转量；
获取后车体定位点o与前后车体铰接点a之间的第一位置平移量OA，基于所述后车体旋转量、所述后车体定位信息O和所述第一位置平移量OA，通过第一公式a，计算得到所述前后车体铰接点a处的铰接点定位信息A；
通过角度传感器获取装载机后车体和装载机前车体的车体夹角θ；
基于所述后车体旋转量和所述车体夹角θ，通过第二公式，计算前车体旋转量/>；
获取所述前后车体铰接点a与所述装载机前车体定位点b处之间的第二位置平移量AB，并基于所述前车体旋转量、所述铰接点定位信息A和所述第二位置平移量AB，通过所述第一公式b，计算前车体定位信息B；
获取举升缸的伸缩长度L1和翻转缸的伸缩长度L2；
基于所述伸缩长度L1，计算得到举升缸的举升高度H，并基于所述举升高度H、铲斗和举升缸的连接点c与装载机前车体定位点b之间的测量长度L，通过第三公式，计算铲斗与所述举升缸的连接点c处的铲斗旋转量；
获取所述装载机前车体定位点b与所述连接点c点之间的第三位置平移量BC，并基于所述铲斗旋转量、所述前车体定位信息B和所述第三位置平移量BC，通过所述第一公式c，计算所述连接点c处的铲斗定位信息C；
基于所述伸缩长度L1和所述伸缩长度L2，确定所述连接点c处相对于装载机所在平面的铲斗角度，并基于第四公式，计算铲斗斗齿定位点d处的铲齿旋转量/>；
获取所述连接点c与所述铲斗斗齿定位点d之间的第四位置平移量CD，并基于所述铲齿旋转量、所述铲斗定位信息C和所述第四位置平移量CD，通过所述第一公式d，计算铲齿定位信息D；所述第一公式a的表达式为：
其中，、/>、/>分别表示前后车体铰接点a的X、Y、Z坐标；/>、/>、/>分别表示前后车体铰接点a的横滚角、俯仰角、朝向角；/>、/>、/>分别表示前后车体铰接点a的X坐标平移量、Y坐标平移量、Z坐标平移量；/>、/>、/>分别表示后车体定位点o的X、Y、Z坐标；
所述第一公式b的表达式为：
其中，、/>、/>分别表示装载机前车体定位点b的X、Y、Z坐标；/>、/>、/>分别表示装载机前车体定位点b的横滚角、俯仰角、朝向角；/>、/>、/>分别表示装载机前车体定位点b的X坐标平移量、Y坐标平移量、Z坐标平移量；
所述第一公式c的表达式为：
其中，、/>、/>分别表示举升缸的连接点c的X、Y、Z坐标；/>、/>、/>分别表示举升缸的连接点c的横滚角、俯仰角、朝向角；/>、/>、/>分别表示举升缸的连接点c的X坐标平移量、Y坐标平移量、Z坐标平移量；
所述第一公式d的表达式为：
其中，、/>、/>分别表示铲斗斗齿定位点d的X、Y、Z坐标；/>、/>、/>分别表示铲斗斗齿定位点d的横滚角、俯仰角、朝向角；/>、/>、/>分别表示铲斗斗齿定位点d的X坐标平移量、Y坐标平移量、Z坐标平移量；所述第二公式的表达式为：
其中，表示前车体旋转量/>；θ表示装载机后车体和装载机前车体的车体夹角；/>表示后车体旋转量/>；所述第三公式的表达式为：
其中，表示铲斗旋转量/>；/>；/>表示测量长度，H表示举升高度；/>表示前车体旋转量/>；所述第四公式的表达式为：
其中，表示铲齿旋转量/>；/>表示连接点c处相对于装载机所在平面的铲斗角度；/>表示铲斗旋转量/>。
4.根据权利要求3所述的对工程机械工作装置进行定位的装置的定位方法，其特征在于，所述后车体旋转量包括第二后车体朝向信息，还包括将所述第一后车体朝向信息和所述第二后车体朝向信息中精度更高的朝向信息作为新的后车体旋转量中的后车体朝向信息/>。
5.根据权利要求3所述的对工程机械工作装置进行定位的装置的定位方法，其特征在于，分别基于举升电机编码器和翻转电机编码器获取的电机圈数位置、连接电缸与电机轴承的齿轮的减速比以及电缸导程，计算得到所述举升缸的伸缩长度L1和所述翻转缸的伸缩长度L2。
6.根据权利要求3所述的对工程机械工作装置进行定位的装置的定位方法，其特征在于，通过车载全球定位接收站获取后车体定位点o处的后车体定位信息O和第一后车体朝向信息，包括：
本地全球定位基站向所述车载全球定位接收站发送基站RTK信号；
所述车载全球定位接收站接收所述基站RTK信号，并基于所述基站RTK信号获取所述后车体定位信息O和所述第一后车体朝向信息。
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