一种基于卫星导航的挖掘机智能化高精度定位系统的制作方法

本实用新型属于卫星技术综合应用领域，具体涉及一种基于卫星导航的挖掘机智能化高精度定位系统。

背景技术：

基于全球导航卫星系统(gnss)的高精度定位、导航和授时服务已广泛应用在农业、交通、能源、电力等国民经济各行业。其中，坐标系是定位描述的基础：

空间直角坐标系：坐标原点位于参考椭球中心，z轴指向参考椭球北极，x轴指向起始子午面与赤道交点，y轴位于赤道面上切按右手系于x轴呈90度夹角，某点坐标可用该点在此坐标系的各个坐标轴上的投影来表示。

大地坐标系：采用大地纬度、经度和绝对高程来描述空间位置。纬度是空间的点与参考椭球面法线与赤道面的夹角；经度是空间点与参考椭球的自转轴所在面与参考椭球的起始子午面的夹角；绝对高程是空间的点沿着参考椭球的法线方向到参考椭球面的距离。

高斯平面直角坐标系：为了方便工作，需要把测区投影到平面上来，使测量计算和绘图更加方便。当测区范围较大、精度要求较高时，平面坐标系不能忽略地球曲率影响。把地球上的点位换算到平面，称为地图投影。我国通用为高斯投影，即将地球按经线划分为带，称为投影带；投影是从首子午线开始的，分6°带和3°两种。每隔6°划分一带的叫6°带，每隔3°划分一带的叫3°带。通过高斯投影，将中央子午线的投影作为纵坐标轴，用x表示，将赤道的投影作横坐标轴，用y表示，两轴的交点作为坐标原点，由此构成的平面直角坐标系称为高斯平面直角坐标系。

独立坐标系：根据本地工作需要和坐标描述，选定原点和坐标轴的直角坐标系。相对于统一的国家坐标系而言，是独立于国家坐标系外的局部平面或直角坐标系。通常使用来说，x轴指示北、y轴指东，相对高程选定局部某一基准值进行描述。独立坐标系、高斯平面直角坐标系以及其他坐标系可以相互转化。

挖掘机作为一种机械设备，广泛应用于国民经济各领域。挖掘机由动力装置，工作装置，回转机构，操纵机构，传动机构，行走机构和辅助设施等组成，其中：行走机构包括以轮胎或履带为基础的底盘(底板)，工作装置包括大臂、小臂、铲斗、辅助装置等。对挖掘机行走机构和工作装置进行高精度定位，从而实现高精度引导、指挥和监控，能够提高挖掘机作业效率、优化作业效果、降低工作损耗。比如，工程施工中可避免对周围物体造成破坏，水下和山洞等不可见区域可实现精准操作，矿山采掘中能够降低损失和贫化，经济效益可观。

传统定位引导、指挥和监控主要依靠人工方式展开：引导时需要测量人员提前进行放样基准线和打桩；指挥和监控时，主要依靠现场指挥人员和挖掘机操作手经验和态度，精准度往往达不到要求。实现挖掘机自动化、智能化高精度定位，是挖掘机引导、监控和无人化操作的基础，对不同行业应用均具有重要意义。

针对挖掘机引导和监控中的高精度定位问题，近年来出现了部分基于gnss定位的研究成果，比如：

1.王太海、陈建宏、金俊在《基于挖掘机gnss精确定位的开采姿态监测系统》(黄金科学技术，2016，24(4):101-106)中，对gnss接收机原理、三维坐标转换原理、挖掘机姿态等进行了初步分析，表明该系统具备高精度定位特定。但挖掘机工作状态分析大多基于高斯平面坐标系或某独立坐标系(如：矿山自有坐标系、工程自有坐标系等)展开，依靠三维坐标系转换难度较高，特别是特定角度时平面坐标上容易产生大误差，部分角度为0的假设难以满足高精度要求。另外，报道只重点介绍了系统效果，未涉及系统具体组成和结构。

2.张峰在《基于挖掘机gnss精确定位的开采姿态监测系统》(机械管理开发，2018(8):88-90)中，对开采姿态原理、gnss定位原理、双天线姿态原理和视觉测量系统进行了结合，主要是结合开采姿态、gnss定位和视觉测量技术，解决挖掘机定位问题，涉及到视频监控和智能分析。视觉测量和分析本身会产生误差，影响高精度定位直观性和准确度。报道也未涉及系统具体组成和结构。

因此，综合运行gnss、高精度仪表和现代信息技术手段，发明一种对挖掘机行走机构和工作装置进行智能化高精度定位的系统，对挖掘机引导、指挥、监控、无人化或少人化操作等具有重要作用。现有各类装置、方法和研究成果，无法满足使用要求。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本实用新型要解决的技术问题是如何提供一种基于卫星导航的挖掘机智能化高精度定位系统，以克服现有技术无法实现挖掘机自动化、智能化高精度定位的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提出一种基于卫星导航的挖掘机智能化高精度定位系统，所述系统包括挖掘机(1)、高精度gnss接收机(2)、两根gnss接收天线(3)、倾角传感器(4)和车载计算机(5)，所述高精度gnss接收机(2)、所述gnss接收天线(3)、所述倾角传感器(4)和所述车载计算机(5)安装在所述挖掘机(1)上；所述车载计算机(5)安装在所述挖掘机(1)驾驶室内，与所述倾角传感器(4)和所述高精度gnss接收机(2)连接，并配备了定位计算软件模块，用于挖掘机工作姿态分析和坐标转换；所述gnss接收天线(3)安装在所述挖掘机(1)尾部并与所述高精度gnss接收机(2)连接，所述gnss接收天线(3)间的连接直线与所述挖掘机(1)驾驶室方向垂直，所述高精度gnss接收机(2)用于结合实时的差分信号和卫星星历数据，获取和分析所述gnss接收天线(3)的高精度定位信号；所述倾角传感器(4)安装在所述挖掘机(1)的大臂、小臂、铲斗上和驾驶室内，用于分析判断挖掘机姿态。

进一步地，所述系统还包括供电单元，所述供电单元用于向所述高精度gnss接收机(2)、所述倾角传感器(4)和所述车载计算机(5)供电。

进一步地，所述系统还包括高精度gnss基准站，所述高精度gnss基准站用于向所述高精度gnss接收机(2)提供实时差分数据。

进一步地，所述高精度gnss基准站为自建的局部基准站、或政府或电信运营商提供的公共基准站。

进一步地，所述系统还包括通信网络单元，所述通信网络单元用于通过有线或无线网络，将所述车载计算机(5)接收、处理和存储的信息发送到远端硬件和/或软件系统中。

进一步地，所述倾角传感器(4)安装在所述挖掘机(1)驾驶室的俯仰和横滚方向，以及大臂、小臂和铲斗上，随着驾驶室、大臂、小臂和铲斗一起动作，用于判定驾驶室、大臂、小臂和铲斗的实时工作姿态。

进一步地，所述工作姿态包括驾驶室俯仰情况、驾驶室横滚情况、大臂与所述挖掘机(1)平台连接点垂直高度和水平长度、大臂与小臂连接点的垂直高度和水平长度、小臂与铲斗连接点的垂直高度和水平长度、铲斗头部的垂直高度和水平长度。

进一步地，安装在大臂、小臂和铲斗的所述倾角传感器(4)为单轴倾角传感器，用于检测大臂、小臂和铲斗的抬升或下降角度。

进一步地，安装在所述挖掘机(1)驾驶室的所述倾角传感器(4)为2台单轴倾角传感器或1台双轴倾角传感器，用于检测驾驶室的俯仰和横滚角度。

进一步地，所述系统还包括cpe网络通信单元，所述cpe网络通信单元用于将所述系统通过无线网络连接到矿山局域网。

(三)有益效果

本实用新型提出一种基于卫星导航的挖掘机智能化高精度定位系统，在所述挖掘机1上安装高精度gnss接收机2、gnss接收天线3、倾角传感器4和车载计算机5；gnss接收天线3安装在挖掘机1尾部并与高精度gnss接收机2连接，gnss接收天线3间的连接直线与挖掘机1驾驶室方向垂直，高精度gnss接收机2用于结合实时的差分信号和卫星星历数据，分析和获取gnss接收天线3的高精度定位信号；倾角传感器4安装在挖掘机1的大臂、小臂、铲斗和驾驶室内，用于分析判断挖掘机工作姿态；车载计算机5与倾角传感器4和高精度gnss接收机2连接，用于挖掘机工作姿态分析和坐标转换。从而通过分布在挖掘机各处的传感器、gnss接收机、gnss接收天线、车载计算机的协作可以实现挖掘机的快速定位、提高定位精度、满足实际工作需要，可为挖掘机高精度引导、指挥、监控、少人化或无人化操作提供基础技术支撑。本发明的系统组成设备明确，运行原理清晰，实现效果良好，系统结构稳定，适合不同场景、不同类型挖掘机作业；如果排除标定静态尺寸和设备安装偏差、设备自身误差等影响，挖掘机行走机构和工作装置实时定位精度可控制到厘米级；定位精度解算速度可控制到毫秒级，如果配置通信网络单元，可与其他系统实现数据共享和利用。

附图说明

图1为本实用新型的设备连接关系示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。

本实用新型提出一种基于卫星导航的挖掘机智能化高精度定位系统，其中包括(附图1)：1-挖掘机、2-高精度gnss接收机、3-gnss接收天线、4-倾角传感器、5-车载计算机。高精度gnss接收机、gnss接收天线、倾角传感器、车载计算机全部安装在挖掘机上；车载计算机安装在挖掘机驾驶室内，与倾角传感器和高精度接收机连接，并配备了专用定位计算软件模块；gnss接收天线安装在挖掘机尾部并与高精度gnss接收机连接，gnss接收天线间的直线连接与挖掘机驾驶室方向基本垂直；倾角传感器安装在挖掘机工作装置大臂、小臂、铲斗和驾驶室内，用于分析判断挖掘机工作姿态。

其中，还包括：设备供电单元，用于向高精度gnss接收机、倾角传感器、车载计算机供电。

其中，还可以包括：高精度gnss基准站，用于向高精度gnss接收机提供实时差分数据。高精度gnss基准站可以是自建的局部基准站，也可以是政府等非盈利组织或电信运营商提供的公共基准站；高精度gnss接收机所需差分信号可以是来自高精度gnss基准站，也可以通过其他方式获得。

其中，还可以包括：通信网络单元，通过有线或无线网络，将挖掘机本地车载计算机接收、处理和存储的信息发送到远端硬件和(或)软件系统中。

其中，挖掘机是系统的主要载体，行走机构可以是履带、轮胎或其他形式的底盘，工作装置包括驾驶室及辅助平台、大臂、小臂、铲斗，可以是正铲或反铲工作方式。

其中，高精度gnss接收机和接收天线安装在挖掘机上并且相互连接。高精度gnss接收机结合实时的差分信号和卫星星历数据，实现gnss接收天线高精度定位信号的获取和分析；通过1根gnss接收天线为基准，定位挖掘机；通过2根或以上gnss接收天线间矢量关系，判定挖掘机朝向。高精度gnss接收机所需差分信号可以是来自高精度gnss基准站，也可以通过其他方式获得，目的是进一步提高gnss接收天线的定位精度。

其中，倾角传感器安装在挖掘机驾驶室的俯仰(前后)和横滚(左右)方向，以及工作装置大臂、小臂和铲斗上，随着驾驶室、大臂、小臂和铲斗一起动作，用于判定驾驶室、大臂、小臂和铲斗的实时工作姿态，具体包括：驾驶室俯仰情况、驾驶室横滚情况、大臂与挖掘机平台连接点垂直高度和水平长度、大臂与小臂连接点的垂直高度和水平长度、小臂与铲斗连接点的垂直高度和水平长度、铲斗头部(斗齿)垂直高度和水平长度。

其中，大臂、小臂和铲斗的倾角传感器为单轴倾角传感器，用于检测大臂、小臂和铲斗的抬升或下降角度；驾驶室可以使用2台单轴倾角传感器，也可以使用1台双轴倾角传感器，用于检测驾驶室的俯仰(前后)角度和横滚(左右)角度。

其中，车载计算机安装在挖掘机驾驶室内部，与倾角传感器、高精度gnss接收机连接。同时，车载计算机中安装了定位计算软件模块，包含挖掘机工作姿态分析和坐标转换的高精度定位解算功能。

某海外露天金属矿山中，采用挖掘机进行采掘作业，年采掘重量超过1亿吨。通过定位挖掘机底板高度(相当于履带高程)，能够判断采掘过程中的“欠挖”情况；通过斗齿高精度定位，可保证采掘作业计划和作业实绩相符程度，降低矿山损失贫化；通过挖掘机各点高精度定位，可提高引导效率、加强作业监控、减少无效操作。

该矿山为某挖掘机为小松pc2000反铲挖掘机，配置了如下硬件设备：

未使用该系统前，该矿山采区每个平台“欠挖”经常大于0.5米，使用该系统后，“欠挖”量可控制在0.15米内左右；未使用该系统前斗齿允许的定位误差在±3米左右，使用该系统后，斗齿水平定位精度可控制在0.1米内、高程定位误差可控制在0.2米内；定位解算时间为毫秒；挖掘机作业效率提升超过15％，矿石损失贫化大幅降低，经济效益可观。同时，通过cpe网络通信单元，系统可以与矿山局域网实现无线网络通信，实现定位数据可与其他系统共享。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。