本发明涉及一种户外施工机械实时高精度定位方法，属于施工机械定位技术领域。
背景技术：
户外施工智能化管理对施工机械的定位精度要求越来越高，当前高性能定位系统的精度能达到厘米级，如北斗定位系统和gps定位系统，但是这种高性能定位系统的单价高昂，且在户外施工过程中需要同时对多辆施工机械进行高精度实时定位，若在每辆施工机械上均采用高性能定位系统，则造成总体成本太高，不利于推广。基于此，为了降低成本且保证定位精度，需要一种科学有效的户外施工机械实时高精度定位方法。
技术实现要素：
技术问题：本发明要解决的技术问题是克服当前户外施工机械高精度定位成本过高的现状，实现较低成本下的户外施工机械高精度实时定位目标。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种户外施工机械实时高精度定位方法，包括如下步骤：
(1)获取基准机械的定位坐标和航向角。在户外施工中，平面定位的需要远远高于高程定位，故本发明技术方案只考虑平面定位。选择高斯平面直角坐标系作为坐标系，其x轴为赤道在地球椭圆柱面上的投影，y轴为中央子午线在地球椭圆柱面上的投影，与x轴正交，交点为高斯平面直角坐标系原点o。根据实际情况选择一辆施工机械作为基准机械，在基准机械上安装一套高精度北斗定位系统，将定位天线居中置于基准机械车厢尾部，实时获取其高斯定位坐标和航向角(x1，y1，α)。
(2)计算基准机械上三个反光膜的坐标。在基准机械车厢尾部居中粘贴一张反光膜a1，在与基准机械运动方向垂直的方向上，在反光膜a1左侧距离为l1处粘贴反光膜a2，在反光膜a1右侧距离为l2处粘贴反光膜a3。三张反光膜高度一致，其中a1的坐标即为(x1，y1)，再根据航向角α和l1可计算出a2的坐标为(x2，y2)，根据航向角α和l2可计算出a3的坐标为(x3，y3)，如下：
(3)在待定位目标机械上安装激光二极管，激光头与基准机械上的反光膜高度一致，获取目标机械上激光二极管发射出的光束正射到基准机械车厢尾部反光膜a2、a1和a3时的角度，记其与地理正北方向夹角分别为β2、β1和β3。
(4)根据以上(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)、l1、l2、β2、β1和β3来计算目标机械实时定位坐标(x，y)。设正射到a2的直线为l2，则l2的直线方程表达式为：
同理l1的直线方程表达式为：
l3的直线方程表达式为：
联立以上三个直线方程即可求出唯一解(x，y)，该解即为目标机械的坐标。
本发明还公开一种户外施工机械实时高精度定位装置，其特征在于包括：北斗定位系统、三张反光膜、激光驱动电路、激光二极管、任意波形发生器、基准时钟源、电压/电流转换电路、计数器、偏转线圈、振镜、扫描镜、pin光电二极管、单片机处理器；
所述北斗定位系统安装在基准机械上，其中定位天线安装在基准机械车厢尾部居中位置；三张反光膜粘贴在基准机械车厢尾部，反光面朝外，其中一张反光膜安装位置与北斗定位天线位置重合，另外两张反光膜分别安装在所述其中一张反光膜的左右两侧，三张反光膜高度一致；在待定位目标机械车头中部安装激光二极管，激光驱动电路与激光二极管连接，用于驱动激光二极管向反光膜发射激光；激光二极管的激光头与基准机械上反光膜高度保持一致，在激光头前安装偏转线圈、振镜和扫描镜，三者相互连接；基准时钟源连接任意波形生成器，将基准时钟生成三角波电压，再通过电压/电流转换电路转换成电流控制偏转线圈转动，带动振镜转动，实现扫描镜来回摆动，改变激光射出角度；所述pin光电二极管与单片机处理器连接，用于检测反光膜反射回来的激光信号强度并将数据传给单片机；所述计数器对基准时钟进行计数，并把数据传给单片机；单片机利用激光正射到反光膜上时扫描镜的偏转角度、反光膜的坐标、反光膜之间的间距计算出目标机械的定位坐标。
有益效果：本发明提供一种户外施工机械实时高精度定位方法，其优点在于在整个定位系统中只需一套高精度定位系统，极大的降低了总体定位成本，本发明以基准机械的定位为参考，利用激光反射原理，根据坐标关系，对目标机械进行间接定位，保证了目标机械定位的精度，实现了较低成本下的实时高精度定位目标。本发明的定位装置结构简单，易于实现和操作。
附图说明
图1为本发明的方法操作流程示意图。
图2为定位装置工作原理图。
图3为激光二极管驱动电路图。
图4为本发明的定位模型示意图。
图4中a1、a2、a3为基准机械车厢尾部同高度的三点，表面贴有反光膜，a1处放置北斗定位系统定位天线，α为基准机械行驶航向角，l1和l2分别为a1a2和a1a3之间的距离，a4为目标机械车头激光二极管位置，β2、β1和β3分别为激光正射到反光膜a2、a1和a3时的夹角。
具体实施方式
如图2，本实施例户外施工机械实时高精度定位装置包括：北斗定位系统(图中未画出)、三张反光膜(图中未画出)、激光驱动电路、激光二极管、任意波形发生器、基准时钟源、电压/电流转换电路、计数器、偏转线圈、振镜、扫描镜、pin光电二极管及单片机处理器。
选择一辆施工机械作为基准机械，在基准机械上安装北斗定位系统，其中定位天线安装在基准机械车厢尾部居中位置。在基准机械车厢尾部粘贴三张反光膜，反光面朝外，其中一张反光膜安装位置与北斗定位天线位置重合，另外两张反光膜分别安装在所述其中一张反光膜的左右两侧，三张反光膜高度一致。
在待定位施工机械车头中部固定激光二极管，激光驱动电路与激光二极管连接，用于驱动激光二极管向反光膜发射激光。激光头与基准机械上反光膜高度保持一致。在激光头前安装偏转线圈、振镜和扫描镜。基准时钟源连接任意波形生成器，将基准时钟生成三角波电压，再通过电压/电流转换电路转换成电流，控制偏转线圈转动，偏转线圈带动振镜转动，振镜带动扫描镜持续来回摆动，激光射到扫描镜上发生反射，因此扫描镜的持续摆动实现了激光射出角度的不断改变。pin光电二极管与单片机处理器连接，用于检测反光膜反射回来的激光信号强度并将数据传给单片机。当激光正射到反光膜上时，反射回来的激光强度最强。单片机将反射回来的激光信号强度与设定的信号强度阈值相比较，当强度超过阈值，则判定激光正射在了反光膜上。计数器的作用是对基准时钟进行计数，并把数据传给单片机，由此单片机可以获得电压和电流的大小，得到偏转线圈的偏转角度，即扫描镜的偏转角度。单片机利用激光正射到反光膜上时扫描镜的偏转角度、反光膜的坐标、反光膜之间的间距，根据坐标之间的关系，可以计算出目标机械的定位坐标。装置还设置了信号放大整理电路，连接在pin光电二极管和单片机处理器之间，用于对pin光电二极管的输出进行信号放大调理。
如图1所示为一种户外施工机械实时高精度定位方法实现流程图，包括如下步骤：
step1、基准机械定位
在基准机械上安装一套高精度北斗定位系统，将定位天线居中置于基准机械车厢尾部，通过北斗定位系统实时采集该点的定位信息和航向角，并将定位信息转换为高斯坐标系下的坐标，即获得该点出的坐标和航向角(x1，y1，α)。
step2、计算反光膜坐标
在基准机械车厢尾部定位天线位置安装反光膜a1，在与基准机械运动方向垂直的方向上，在反光膜a1左侧距离为l1处粘贴反光膜a2，在反光膜a1右侧距离为l2处粘贴反光膜a3，保持三张反光膜高度一致。其中a1的坐标即为(x1，y1)，再根据航向角α和l1可计算出a2的坐标为(x2，y2)，根据航向角α和l2可计算出a3的坐标为(x3，y3)，计算公式如下，由此可获得三张反光膜的实时坐标。
step3、获取激光发射方位角
该部分工作原理如图2所示。
在待定位目标机械车头中部位置安装一个人眼安全激光二极管，位置记为a4，保持激光头与基准机械上的反光膜高度基本一致，通过激光驱动电路提供电源使得激光二极管发射出激光；在激光头前安装偏转线圈、振镜和扫描镜，设置基准时钟，将其输入任意波形发生器连续生成三角波电压，再通过电压/电流转换过程形成电流，控制偏转线圈转动来带动振镜转动，从而使得扫描镜能够来回摆动，激光发射到扫描镜上发生反射，通过扫描镜的来回摆动实现激光以不同角度发射出去；同时将基准时钟发送给计数器，每出现一个电压脉冲，计数器即自动加1，计数器再将结果发送给单片机处理器。同时通过pin光电二极管检测返回的激光信号强度，将信号放大整理后发送给单片机处理器，当激光正射到反光膜上时，激光沿原路返回，此时pin光电二极管吸收的光辐射信号最强，设置信号强度阈值，当返回的光辐射信号强度超过该阈值即认为此时激光正射到反光膜上，此时由单片机处理器读取计数器结果，获得此时的电压大小，根据电压大小能得到转化后电流大小，从而知道偏转线圈及扫描镜的偏转角度，该偏转角度作为发射角β。在本实施例中，由于在基准机械上贴有三张反光膜，理论上，在一个旋转周期内，可以记录到三个发射角β2、β1和β3。
step4、计算目标机械位置坐标
位置坐标计算模型如图4所示。
设激光以角度β2发射到反光膜a2上，则直线a2a4方程可以表示为：
同理，直线a1a4的方程表达式为：
直线a3a4的方程表达式为：
联立以上三个直线方程即可求出唯一解(x，y)，该解即为目标机械a4的坐标。
定位坐标计算过程由单片机处理器完成。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。