[發明專利]一種挖掘機輔助施工系統及方法在審

申請號：	201810331609.5	申請日：	2018-04-13
公開（公告）號：	CN108549771A	公開（公告）日：	2018-09-18
發明（設計）人：	楊濤;王勝利;于明衛;李智全;陳建超;李龍凱;王思又	申請（專利權）人：	山東天星北斗信息科技有限公司
主分類號：	G06F17/50	分類號：	G06F17/50;E02F3/28
代理公司：	濟南圣達知識產權代理有限公司 37221	代理人：	李琳
地址：	250101 山東省濟***	國省代碼：	山東;37
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摘要：
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【權利要求書】：

1.一種挖掘機輔助施工系統，包括挖掘機本體，挖掘機本體包括鏟斗、動臂和斗桿，其特征在于，鏟斗、動臂和斗桿上分別設有單軸傾角傳感器，用于獲取動臂、斗桿和鏟齒的姿態角度信息，挖掘機本體上設置有IMU測量單元和GNSS雙天線定位定向裝置，通過IMU測量單元獲取挖掘機本體的姿態角度信息，通過GNSS雙天線定位定向裝置獲取挖掘機本體的位置變化信息；挖掘機本體的駕駛室頂部安裝有朝向挖掘機鏟斗的施工方向的雙目相機，用于獲取挖掘機的三維地面坐標；挖掘機本體的操作室內設置有數據處理單元和三維用戶交互界面，所述數據處理單元接收單軸傾角傳感器、IMU測量單元、GNSS雙天線定位定向裝置和雙目相機傳送的信息，計算挖掘機鏟斗齒的三維坐標，構建挖掘機施工場景，并在三維用戶交互界面上顯示。

2.根據權利要求1所述的挖掘機輔助施工系統，其特征在于，所述GNSS雙天線定位定向裝置包括GNSS主天線、GNSS從天線和GNSS接收機，所述GNSS主天線和GNSS從天線設置在挖掘機本體的后部，GNSS主天線和GNSS從天線的空間連線垂直于挖掘機的航向，當挖掘機車身水平時，GNSS主天線和GNSS從天線處于同一水平面上，用于定位挖掘機的空間位置坐標，計算挖掘機的航向角，發送至GNSS接收機；所述GNSS接收機安裝在挖掘機本體的操作室內，用于計算GNSS主天線的空間位置坐標，并將GNSS主天線的空間位置坐標通過串口傳輸方式傳輸到數據處理單元。

3.根據權利要求1所述的挖掘機輔助施工系統，其特征在于，在挖掘機車身的頂部安裝有雙軸傾角傳感器，用于測量挖掘機的俯仰角和橫滾角，并傳輸至數據處理單元。

4.采用權利要求1所述的挖掘機輔助施工系統進行輔助施工方法，其特征是，包括以下步驟：

(1)獲取挖掘機本體的各部位姿態角度信息以及各部位的位置變化量，計算挖掘機鏟斗齒的三維坐標；

(2)建立挖掘機三維模型，并進行挖掘機運動仿真；

(3)根據挖掘機本體的各部位姿態角度信息及雙目相機參數，建立立體像對，基于立體像對和挖掘機的三維地理坐標，建立施工區域的三維地面模型；

(4)將預先導入的三維施工設計圖與步驟(2)得到的挖掘機三維模型、步驟(3)得到的施工區域的三維地面模型進行融合，得到挖掘機施工場景，為挖掘機作業提供依據。

5.根據權利要求4所述的采用挖掘機輔助施工系統進行輔助施工方法，其特征是，所述步驟(1)中，計算挖掘機鏟斗齒的三維坐標的步驟包括：

測量挖掘機本體的動臂、斗桿和鏟齒的姿態角度信息以及GNSS主天線與挖掘機回轉中心的坐標差值，建立數學模型；

將挖掘機各部位之間的長度和角度關系輸入到數學模型中，改正雙軸傾角傳感器測量的俯仰角，計算車身姿態旋轉矩陣，推算挖掘機工作裝置坐標，基于挖掘機工作裝置坐標增量再次改正俯仰角，計算GNSS主天線與挖掘機鏟斗齒之間的坐標增量；

測量GNSS主天線坐標值，結合GNSS主天線與挖掘機鏟斗齒之間的坐標增量，計算挖掘機鏟斗齒的三維坐標。

6.根據權利要求4所述的采用挖掘機輔助施工系統進行輔助施工方法，其特征是，所述步驟(2)中，建立挖掘機三維模型，并進行挖掘機運動仿真的步驟包括：

根據挖掘機機身參數，在3D Max中建立挖掘機三維模型，然后將挖掘機三維模型導入到OpenGL中，并根據挖掘機本體的各部位姿態角度信息控制挖掘機三維模型中挖掘機對應部位的運動，實現挖掘機運動的仿真。