[发明专利]一种基于卫星导航的挖掘机智能化高精度定位方法

说明书

本发明涉及一种基于卫星导航的挖掘机智能化高精度定位方法，属于卫星技术综合应用领域。本发明为了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，在挖掘机上安装接收机、测量型天线、单轴角度传感器、双轴角度传感器和车载计算机等设备，通过北斗高精度空间信息技术和分析算法，可求解挖掘机及其主要部件精确位置，通过构建侧视和俯视二维坐标，合理分析和求解挖掘机运行姿态下各点相对坐标，经坐标系转化可完成各主要部件精确定位。本发明在精确定位基础上，可实现快速定位、提高定位精度、完成挖掘机自动引导和跟踪，满足不同行业工程应用要求。

技术领域

本发明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方法。

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，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，未涉及具体实现流程、方法、设备组成和安装等。