[發(fā)明專利]一種螺旋鉆挖掘機(jī)輔助施工系統(tǒng)及其施工方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201810312072.8
• 申請日: 2018-04-09
• 公開（公告）號: CN108519613A
• 公開（公告）日: 2018-09-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊濤;王勝利;于明衛(wèi);張麗偉;喬龍雷
• 申請（專利權(quán)）人: 山東天星北斗信息科技有限公司
• 主分類號: G01S19/42
• 分類號: G01S19/42;G01S19/53;G01C9/00;G01B21/22;E21B7/02
• 代理公司: 濟(jì)南圣達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 趙妍

1.一種螺旋鉆挖掘機(jī)輔助施工系統(tǒng)，其特征在于：包括GNSS定位定向設(shè)備、雙軸姿態(tài)傾角儀、第一夾角傳感器、第二夾角傳感器、第三夾角傳感器和智能控制終端；

所述GNSS定位定向設(shè)備，被配置為用于確定挖掘機(jī)的坐標(biāo)和航向角；

所述雙軸姿態(tài)傾角儀，被配置為用于測量挖掘機(jī)上部平臺的橫滾角與俯仰角；

所述第一夾角傳感器，被配置為用于測量挖掘機(jī)動臂相對于上部平臺的夾角；

所述第二夾角傳感器，被配置為用于測量挖掘機(jī)斗桿相對于動臂的夾角；

所述第三夾角傳感器，被配置為用于測量挖掘機(jī)搖桿相對于斗桿的夾角；

所述智能控制終端，被配置為用于計算挖掘機(jī)螺旋鉆尖端的三維坐標(biāo)，并與目標(biāo)點坐標(biāo)進(jìn)行比較和可視化顯示，從而引導(dǎo)操作者進(jìn)行施工。

2.如權(quán)利要求1所述的一種螺旋鉆挖掘機(jī)輔助施工系統(tǒng)，其特征在于，所述GNSS定位定向設(shè)備安裝于挖掘機(jī)上部平臺，包括雙GNSS天線和GNSS接收機(jī)，所述GNSS定位定向設(shè)備通過確定雙GNSS天線的WGS-84坐標(biāo)系坐標(biāo)、雙GNSS天線之間的幾何距離和雙GNSS天線所組成的基線的航向角來確定挖掘機(jī)的坐標(biāo)和航向角。

3.如權(quán)利要求1所述的一種螺旋鉆挖掘機(jī)輔助施工系統(tǒng)，其特征在于，所述雙軸姿態(tài)傾角儀安裝于挖掘機(jī)上部平臺，包括兩個互相垂直安放的傾角傳感器，所述雙軸姿態(tài)傾角儀通過測量其兩條敏感軸與水平面之間的夾角來求得挖掘機(jī)的橫滾角與俯仰角。

4.如權(quán)利要求1所述的一種螺旋鉆挖掘機(jī)輔助施工系統(tǒng)，其特征在于，所述第一夾角傳感器安裝于挖掘機(jī)上部平臺與動臂連接的旋轉(zhuǎn)軸處，所述第二夾角傳感器安裝于動臂與斗桿連接的旋轉(zhuǎn)軸處，所述第三夾角傳感器安裝于斗桿與搖桿連接的旋轉(zhuǎn)軸處；

所述第一夾角傳感器、第二夾角傳感器和第三夾角傳感器為可測量角度變化的編碼器，通過不斷測量當(dāng)前編碼以確定各旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動夾角。

5.如權(quán)利要求1所述的一種螺旋鉆挖掘機(jī)輔助施工系統(tǒng)，其特征在于，所述智能控制終端包括觸控顯示屏、微處理器和數(shù)據(jù)接口，所述數(shù)據(jù)接口與各采集設(shè)備相連，所述微處理器用于對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理從而獲得挖掘機(jī)螺旋鉆尖端的三維坐標(biāo)，所述觸控顯示屏用于實時顯示螺旋鉆尖端的坐標(biāo)和目標(biāo)點坐標(biāo)。

6.一種基于如權(quán)利要求1-5任一所述的螺旋鉆挖掘機(jī)輔助施工系統(tǒng)的施工方法，其特征在于，包括：

1)根據(jù)挖掘機(jī)坐標(biāo)和航向角、挖掘機(jī)上部平臺的橫滾角和俯仰角、挖掘機(jī)動臂相對于上部平臺的夾角、挖掘機(jī)斗桿相對于動臂的夾角、挖掘機(jī)搖桿相對于斗桿的夾角以及挖掘機(jī)的幾何設(shè)計參數(shù)，求得挖掘機(jī)螺旋鉆前端的三維坐標(biāo)；

2)根據(jù)事先導(dǎo)入的施工圖紙，在觸控顯示屏顯示挖掘機(jī)在圖紙上的位置和方向；

3)根據(jù)事先導(dǎo)入的施工方案，計算并顯示螺旋鉆尖端與目標(biāo)點位置的偏差，并通過提示引導(dǎo)操作手正確施工。

7.如權(quán)利要求6所述的一種螺旋鉆挖掘機(jī)輔助施工系統(tǒng)的施工方法，其特征在于，所述步驟1)中，挖掘機(jī)螺旋鉆前端的三維坐標(biāo)的計算步驟包括：

1-1)定義坐標(biāo)系；

1-2)根據(jù)雙軸傾角儀的輸出特性，對其輸出的俯仰角進(jìn)行改化，并根據(jù)改化后的俯仰角構(gòu)造上部平臺橫滾俯仰旋轉(zhuǎn)矩陣；

1-3)根據(jù)上部平臺橫滾俯仰旋轉(zhuǎn)矩陣對GNSS輸出的航向角進(jìn)行改化，并根據(jù)改化后的航向角和上部平臺橫滾俯仰旋轉(zhuǎn)矩陣構(gòu)造上部平臺姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣；

1-4)根據(jù)第一夾角傳感器輸出的平臺-動臂夾角、第二夾角傳感器輸出的動臂-斗桿夾角和第三夾角傳感器輸出的斗桿-搖桿夾角計算螺旋鉆尖端的坐標(biāo)增量；

1-5)根據(jù)上部平臺姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣和螺旋鉆尖端的坐標(biāo)增量計算WGS-84坐標(biāo)系下的螺旋鉆尖端坐標(biāo)。

8.如權(quán)利要求6所述的一種螺旋鉆挖掘機(jī)輔助施工系統(tǒng)的施工方法，其特征在于，所述步驟2)中，通過智能控制終端根據(jù)各傳感器的觀測值計算挖掘機(jī)的位置和方向，所述挖掘機(jī)位置為挖掘機(jī)上部平臺中央旋轉(zhuǎn)軸的位置，所述挖掘機(jī)方向是指挖掘機(jī)工作裝置的朝向。