一种具有自动化放样系统的树穴定位装置的制作方法

本实用新型涉及一种具有自动化放样系统的树穴定位装置，主要适用平原地区或缓坡地带植树造林项目中的测量放样和树穴的快速施挖。

背景技术：

在规模较大的植树造林项目中，常规测量放样要先根据设计栽种图纸，提取树木的放样坐标点；现场建立测量系统，对控制点进行复测；采用全钻仪或GPSRTK等测量仪器，对坐标数据实施放样后，人工进行洒灰或打木桩标记。

传统的测量放样工序如下：

1）内业人员根据设计图纸提取放样坐标点，并将大量坐标数据导入GPSRTK等测量仪器；

2）专业放样人员持GPSRTK或者全站仪逐个树穴点位进行放样；

3）每个点位放样之后，由工人使用生石灰或打设木桩进行点位标记工作；

4）挖穴机械操作人员根据地面上的标记，进行开挖作业。

常规测量放样需要投入大量的人员、测量仪器及工器具；由于放样点数据较多，需要专业测量人员采用手持测量移动设备逐点定位完成，耗时长，劳动力投入多，对树木栽种进度影响很大；人工洒灰定点存在偏移误差，对工程精度或景观效观要求高的植树项目有一定的影响。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种具有自动化放样系统的树穴定位装置，将自动化放样系统与施挖机械设备组合，既不需要专业测量人员持设备测量放样、也不需要大量工人用生石灰进行放样后的点位标记。本实用新型采用以下技术方案。

一种具有自动化放样系统的树穴定位装置，包括移动平台和挖掘模块， 所述移动平台采用行走式机械设备，所述挖掘模块用于树穴开挖，所述挖掘模块与所述移动平台连接，所述树穴定位装置还包括自动化放样系统；

所述自动化放样系统包括GPS接收终端、GPS卫星定位天线、GPS卫星姿态改正天线和显示及操控模块，所述GPS卫星定位天线、GPS卫星姿态改正天线和显示及操控模块均与所述GPS接收终端连接；

所述显示及操控模块将设计栽种图纸中拟放样的各树穴坐标点的数字化穴位数据进行图像显示，以在地图上显示拟放样的各树穴位置标记；

所述GPS卫星定位天线安装于挖掘模块正上方，定位挖掘模块当前所在位置的坐标信息，并将其发送到GPS接收终端；

所述GPS卫星姿态改正天线安装于移动平台上，并将其定位的当前坐标信息发送到GPS接收终端；所述显示及操控模块根据所述GPS卫星姿态改正天线定位的当前坐标信息与所述GPS卫星定位天线定位的当前坐标信息显示所述挖掘模块的当前位置标记为有向图标。

优选的，所述树穴定位装置还包括驱动挖掘模块运动的第一驱动模块，所述挖掘模块通过传动结构与第一驱动模块相连，而获得挖掘和升降的动力。

优选的，所述树穴定位装置还包括设置在移动平台上的驱动挖掘模块运动的第一驱动模块，所述挖掘模块通过连接架与第一驱动模块相连而获得升降动力；所述挖掘模块通过传动结构与第一驱动模块相连而获得挖掘动力。

优选的，所述挖掘模块或连接架连接有天线台，所述GPS卫星定位天线设置在天线台上。

优选的，所述挖掘模块设置在所述移动平台的轴线上，所述GPS卫星姿态改正天线也设置在所述移动平台的轴线上。

优选的，所述树穴定位装置还包括驱动挖掘模块运动的第一驱动模块，所述显示及操控模块与所述第一驱动模块连接而控制其工作，或者，所述显示及操控模块与所述第一驱动模块及移动平台的驱动模块连接，控制它们的工作。

优选的，所述传动结构包括传动轴和液压轴。

优选的，所述GPS卫星姿态改正天线安装于移动平台顶棚中间位置。

本实用新型的有益效果是：（1）将人工与半机械化施工提升为数字化、机械化施工：通过本实用新型，可以将测量放样的工作充分融入自动化机械施挖树穴的工序中，实现了栽种树木测量放样和挖穴工序的数字化、机械化施工，有效提高各个工序的作业效率，减少了劳动力、测量设备和工器具的投入。

（2）改善操作人员的职业健康：机械挖穴操作人员在施挖树穴过程中，不需频繁扭头回看树穴位置，避免造成颈椎病等职业病，对操作人员的职业健康有了很大改善。

（3）保证树木的栽种进度：放样点的数据可提前通过内业工作解决，优化了测量放样的工序时间，为造林进度争取了时间，保证了工程进度。

附图说明

图1是自动化放样系统及施挖树穴机械组合示意图。

图2是自动化放样系统连接示意图。

图3是GPS操控面板显示内容示意图。

附图标记说明：1、GPS操控面板；2、GPS接收终端；3、GPS卫星定位天线；4、GPS卫星姿态改正天线；5、移动平台；6、旋挖钻头；7、液压轴；8、顶棚；9、旋挖钻头位置标记；10、树穴位置标记；11、连接架；12、传动轴。

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做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至图3所示，一种具有自动化放样系统的树穴定位装置，包括移动平台1和挖掘模块，树穴定位装置还包括自动化放样系统。

移动平台5采用行走式机械设备，挖掘模块可以为旋挖钻头6，移动平台5包括用于行走的车轮、驱动移动平台运动的第二驱动模块，移动平台具有相应的设置位置和相应的支撑结构，以设置与旋挖钻头连接的机械装置、控制旋挖钻头工作的装置、驱动挖掘模块升降、旋转的第一驱动模块。

移动平台5用于其他模块的搭载工作，将旋挖钻头移动至待开挖点位。旋挖钻头用于树穴开挖，与移动平台通过连接架11和传动轴12进行连接，连接架、传动轴和液压轴均与第一驱动模块连接，连接架11用于支撑和连接旋挖钻头，连接架11相对于移动平台只能上下移动不能水平移动，传动轴12驱动旋挖钻头的旋转，液压轴7驱动旋挖钻头上下运动。

自动化放样系统包括GPS接收终端2、GPS卫星定位天线3、GPS卫星姿态改正天线4和显示及操控模块，GPS卫星定位天线、GPS卫星姿态改正天线和显示及操控模块均与GPS接收终端连接。GPS接收终端2、GPS卫星定位天线3、GPS卫星姿态改正天线4组成GPS定位模块，GPS卫星定位天线通过支撑架，安装于旋挖钻头正上方，确保接收天线上方无障碍物遮挡。GPS卫星姿态改正天线安装于驾驶室顶棚8上端中间位置，也应确保其上方无障碍物遮挡。两台GPS天线安装的位置位于移动平台的中轴面上。GPS接收终端设备安装于驾驶室内，终端设备与GPS卫星定位天线、GPS姿态改正天线均通过线路连接。

GPS卫星定位天线安装于旋挖钻头正上方，定位挖掘模块所在位置的坐标信息，并将其发送到GPS接收终端。GPS卫星定位天线可以通过铰接的方式固定在旋挖钻头正上方，并随旋挖钻头的运动一起运动。GPS卫星姿态改正天线安装于移动平台顶棚中间位置，GPS卫星姿态改正天线设置在移动平台的轴线上，定位移动平台的坐标信息，并将其发送到GPS接收终端。GPS卫星姿态改正天线可以通过铰接的方式固定在移动平台顶棚中间位置，并随移动平台的运动一起运动。

GPS定位模块采用基于双天线的定位原理。如图1，GPS卫星定位天线3安装于旋挖钻头6正上方，定位旋挖钻头6所在位置的坐标信息，并将其发送到GPS接收终端，通过初步处理，将天线定位结果转化成三维坐标数据（x1，y1，z1），定位精度达到厘米级。

GPS卫星姿态改正天线4安装于移动平台5顶棚中间位置，同时进行定位。GPS卫星姿态改正天线4定位出另一组位置坐标数据（x2，y2，z2），两点在水平方向的位移向量（x1-x2，y1-y2，0）方向为移动平台轴线所在方向，移动平台为四轮车辆，车辆存在纵向对称面，位于该对称面上的水平直线即为移动平台轴线，在图3中以有向标示的方式显示，以便于操控员通过操控面板获取方向，调整机械。旋挖钻头6跟随移动平台1运动，旋挖钻头设置在移动平台的轴线上，旋挖钻头6与移动平台1顶棚中间位置的连线始终在移动平台轴线所在方向。旋挖钻头6可以设置在移动平台5的前方，也可以设置在移动平台5的后方。

采用GPS卫星定位天线3和GPS卫星姿态改正天线4双天线定位在孔穴标记和记录方面具有一定的作用。在开挖过程中，架设于施挖设备上的GPS卫星姿态改正天线存在垂向位移，故两个天线的垂向距离发生改变，当两个天线的垂向距离达到设计施挖深度（z1-z2≥h），系统判断已实施开挖。与此同时，实际开挖点与设计开挖点的水平距离（x^2+y^2≤δ）满足误差要求，即判断该开挖点合格。开挖点合格后，GPS操控面板自动将该树穴进行计入开挖总数，并在GPS操控面板上使用不同颜色的图形进行实际开挖点的标记。采用双天线进行定位，使得显示及操控模块上显示的旋挖钻头位置标记9具有方向标，操作员可以根据方向标控制移动平台向待挖树穴点进行移动，可以对移动平台的运行方向进行调整，使得移动平台的移动更加准确有效。

GPS天线的定位更新频率可根据作业需要进行调整，本实施例的更行频率为2HZ，即每秒进行2次位置更新。实时的定位更新利于操作员能够准确地将挖穴设备与待开挖点对齐，保证开挖精度，改善作业实施效果。

定位模块的作用包括：1、精确定位施挖钻头位置坐标；2、通过双天线计算出移动平台的方向角；3、将位置信息以三维坐标（x，y，z）的形式传输至显示及操控模块，保证施挖钻头与拟开挖点的平面位置重合，提升开挖精度。

如图3所示，显示及操控模块所提供的图像资料是位置坐标所呈现的图像，即大批量的苗木种植点位，图像中包括树穴位置标记10、树穴位置坐标、最近点ID、已挖穴数和待挖穴数。显示及操控模块可以是一台平板电脑。

显示及操控模块可以是一台GPS操控面板，安装于驾驶室内驾驶面板旁，通过线路连接GPS接收终端。显示及操控模块计算两个天线的垂向距离、挖掘模块位置标记与树穴位置标记之间的距离、计算实际开挖点与设计开挖点的水平距离，并根据这些计算结果来判断是否可以开挖和开挖的树穴是否达到设计要求。显示及操控模块当需要进行跟人工交互的时候，还具有交互功能，即人工可以在显示及操控模块上进行操作，来控制旋挖钻头的工作。

显示及操控模块显示设计栽种图纸上树穴的坐标位置：外部电脑根据设计栽种图纸上各树木布置的穴位坐标，提取拟放样树穴坐标点，将提取拟放样树穴坐标点转化为数字化数据，然后将提取的数字化穴位数据导入到GPS操控面板1中，GPS操控面板1即可对穴位予以图形显示。区别于一般导航设备的图像，该操控面板上所有树穴坐标点位具有等价性，即不设置起始点，不进行顺序规划，操作员结合实际工作需求和现场情况任意选点挖穴，屏幕上已开挖穴位将呈现出不同颜色进行标记记录。显示及操控模块可以通过有线或无线的方式从外部电脑获取数字化穴位数据。

显示及操控模块显示GPS接收终端处理后的旋挖钻头定位点坐标位置：GPS接收终端2处理后的坐标信息传输实时至GPS操控面板1上，以确保旋挖钻头6的坐标位置实时更新，便于操作员精确施挖。

旋挖钻头6每开挖一个树穴点位，搭载于施挖设备上的GPS卫星定位天线3与移动平台顶棚上的GPS姿态改正天线4两者相对位置(垂向位置)会发生变动。此时，GPS接收终端2对GPS卫星定位天线3的定位信息进行记录，并在GPS操控面板1上用不同颜色的圆形图案显示。

显示及操控模块的作用包括：1、接收树穴设计坐标，并将其以作业图的形式呈现；2、进行施挖模块定位点的显示；3、对施挖设备下达命令，实现自动化挖穴。

施挖模块与移动平台通过连接架11和传动轴12连接，再由液压轴7控制旋挖钻头6向下移动，调节打孔深度。

在一种实施方式中，显示及操控模块可与驱动旋挖钻头运动的第一驱动模块相连，从而根据显示及操控模块的坐标信息来控制旋挖钻头工作，实现挖穴的自动化。在另外一种实施方式中，显示及操控模块也可以与驱动旋挖钻头运动的第一驱动模块和移动平台的驱动设备相连，控制它们工作，显示及操控模块启动移动平台，调整移动平台位置使得显示及操控模块上的旋挖钻头位置标记与树穴位置标记重合，旋挖钻头位置标记与树穴位置标记重合后，显示及操控模块控制旋挖钻头进行施挖，实现全自动化操作。

本实用新型还提供了一种自动化放样系统的树穴定位方法，该方法可以应用到上述定位装置中，该定位方法包括以步骤。

步骤1、获取设计栽种图纸中的拟放样树穴坐标点的数字化穴位数据，将数字化穴位数据在显示及操控模块上进行图像显示，显示及操控模块上显示的拟放样树穴坐标点具有等价性，不需设置起始点，不进行顺序规划；所述图像上显示的信息包括树穴位置标记、树穴位置坐标、已挖穴数和待挖穴数。

步骤2、GPS卫星定位天线定位挖掘模块所在位置的第一坐标，将天线定位结果转化成第一坐标数据A(x1，y1，z1)，GPS卫星姿态改正天线定位移动平台所在位置的第二坐标，将天线定位结果转化成第二坐标数据B(x2，y2，z2)，所述显示及操控模块根据所述第一坐标和第二坐标进行图像显示，所述图像显示挖掘模块位置标记，所述挖掘模块位置标记为有向图标。

步骤3、启动移动平台，更新第一坐标数据和第二坐标数据并传送至显示及操控模块，调整移动平台位置使得显示及操控模块上的挖掘模块位置标记与树穴位置标记重合。挖掘模块位置标记与树穴位置标记重合后，显示及操控模块计算挖掘模块位置标记与树穴位置标记之间的距离，如果两者之间的距离满足第一误差要求，控制挖掘模块实施对放样树穴的施挖。如果不满足第一误差要求，则继续调整移动平台位置直至满足第一误差要求。

对于需要人工控制移动平台运动和挖掘模块挖掘的情况，施工人员根据显示及操控模块上显示的内容，控制移动平台的移动，通过观察挖掘模块位置标记与树穴位置标记重合后，操作显示及操控模块计算两者的距离，满足第一误差要求后，手动控制挖掘模块实施对放样树穴的施挖。

对于需要人工控制移动平台运动和可以自动控制挖掘模块挖掘的情况，施工人员根据显示及操控模块上显示的坐标信息，控制移动平台的移动，通过观察挖掘模块位置标记与树穴位置标记重合后，操作显示及操控模块计算两者的距离，满足第一误差要求后，显示及操控模块控制第一驱动模块实施对放样树穴的施挖。

对于可以自动控制移动平台运动和可以自动控制挖掘模块挖掘的情况，显示及操控模块根据其显示的坐标信息控制移动平台的移动，并计算挖掘模块位置标记与树穴位置标记两者的距离，满足第一误差要求后，显示及操控模块控制第一驱动模块实施对放样树穴的施挖，做到完全的自动化。

在对放样树穴的施挖过程中，GPS卫星定位天线和GPS卫星姿态改正天线存在垂向位移，当两个天线的垂向距离达到设计施挖深度h时，即z1-z2≥h，显示及操控模块判断已实施开挖；实际开挖点与设计开挖点的水平距离满足第二误差要求δ时，即x^2+y^2≤δ，显示及操控模块判断该开挖点合格；开挖点合格后，显示及操控模块自动将该树穴进行计入开挖总数，并在GPS操控面板上使用特定颜色的图形进行实际开挖点的标记，以区别于未开挖点位。图像上显示的信息还包括最近点ID，当前树穴施挖完毕后，更新所述最近点ID、已挖穴数和待挖穴数。最近的ID可以是树穴坐标的集合，显示及操控模块计算待挖树穴距离挖掘模块在一定范围内时，均可将满足条件的待挖树穴加入该集合中。

步骤4、重复步骤2～3，对其他放样树穴位置进行施挖。

显示及操控模块上所有树穴位置坐标点位具有施工便利性和随机性，区别于一般导航设备的图像，显示及操控模块上所有树穴坐标点位具有等价性，即不需设置起始点，不进行顺序规划，操作员结合实际工作需求和现场情况，根据机械设备行驶路线可任意选择拟放样树穴位置坐标点进行挖穴，GPS接收终端中不需要存储挖掘路径，不需要对行驶路径进行计算，节省了系统的存储和计算容量。

本实用新型通过内业工作提取树穴点位坐标数据，导入测量放样系统；操作人员通过GPS操控面板，调整开挖设备姿态及位置，对树穴坐标进行精确开挖。将自动化放样系统与施挖机械设备组合，既无需专业测量人员持设备测量放样、也无需大量工人用生石灰进行放样后的点位标记。本实用新型可应用于万亩级的树穴测量放样，树穴之间的距离也可以不完全相同，如树穴之间的距离为2~3米，可通过GPS卫星定位天线3和GPS卫星姿态改正天线4双天线定位来准确定位树穴。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。