[发明专利]一种挖掘机智能施工引导系统及方法

权利要求书

1.一种挖掘机智能施工引导方法，其特征在于在车辆驾驶室顶部安装两个GPS天线，主天线在后，副天线在前；

挖掘机车身、动臂、斗杆、铲斗铰链上分别安装高精度动态倾角传感器，车身动态倾角传感器用于检测车身俯仰和横滚角度，动臂动态倾角传感器用于检测动臂的倾角，斗杆动态倾角传感器用于检测斗杆绕轴的倾角；铲斗动态倾角传感器分别用于检测动臂、斗杆、铲斗的倾角；

微型计算机按设定频率读取GPS系统和高精度动态倾角传感器的数据并进行运算处理，并将计算得到的挖掘机坐标、铲尖坐标和姿态信息进行显示，并且在三维地形图上实时显示挖掘机作业轨迹图像、已挖方量、待挖方量、当前挖掘深度、目标挖掘深度、当前坡度、目标坡度信息；

所述当前坡度信息通过铲背测量，包括如下步骤：

S1：以GPS主天线支点O₀、动臂支点O₁、斗杆支点O₂、铲斗支点O₃、铲尖正中央处O₄为中心，分别建立五个坐标系；GPS主天线坐标系的主天线支点O₀位于车身上；

S2：测量动臂支点O₁在GPS主天线坐标系中的位置x_d、y_d、z_d；

S3：测量动臂长度l₁，斗杆长度l₂，铲斗长度l₃的值；

S4：读取车身倾角传感器AS0的值，经处理后，得到车身俯仰θ_fb和横滚角度或左右倾斜角度θ_lr；

S5：读取动臂上倾角传感器AS1的值，经处理后得到动臂上倾角θ₁；

S6：读取斗杆上倾角传感器AS2的值，再根据动臂上倾角θ₁，经处理后得到斗杆上倾角θ₂；

S7：读取铲斗倾角传感器AS3的值，再根据斗杆上倾角传感器AS2的值，经处理后得到铲斗倾角θ₃；

S8：将以上测量所获得的x_d、y_d、z_d、l₁，l₂，l₃、θ_fb、θ_lr、θ₁、θ₂、θ₃的值代入改进后的D-H算法，得到基于GPS主天线坐标系的铲尖坐标x，y，z和铲尖姿态角ξ，ξ是铲斗与斗杆铰接点与铲斗斗齿尖连线与水平线的夹角；

改进的D-H算法公式如下：

车辆坐标系：

x_veh＝x_d；

y_veh＝y_d+cos(l₁cos(θ₁+θ_fb)+l₂cos(θ₁₊θ₂+θ_fb)+l₃cos(θ₁+θ₂+θ₃+θ_fb))；

z_veh＝z_d+sin(l₁cos(θ₁+θ_fb)+l₂sin(θ₁₊θ₂+θ_fb)+l₃sin(θ₁+θ₂+θ₃+θ_fb))；

基于车身GPS的坐标系：

其中，R是应用欧拉公式获得的旋转矩阵，其中θ_fb是车身的俯仰角，θ_lr是车身的横滚角，由车身传感器获得，θ₀是车身与正北方向的夹角，由GPS获得；

S9：根据铲尖姿态角ξ，经下式几何运算处理后，可得到铲背姿态角α₃；将铲背紧贴在坡面上，利用铲背姿态角α₃来测量坡度，实现铲背测坡功能：

ξ＝θ₁+θ₂+θ₃；

α₃＝180-ξ-α₂；

其中α₂为铲斗与斗杆铰接点与铲斗斗齿尖连线与铲背面之间的夹角。