[发明专利]一种挖掘机辅助施工系统及方法

权利要求书

1.一种挖掘机辅助施工系统，包括挖掘机本体，挖掘机本体包括铲斗、动臂和斗杆，其特征在于，铲斗、动臂和斗杆上分别设有单轴倾角传感器，用于获取动臂、斗杆和铲齿的姿态角度信息，挖掘机本体上设置有IMU测量单元和GNSS双天线定位定向装置，通过IMU测量单元获取挖掘机本体的姿态角度信息，通过GNSS双天线定位定向装置获取挖掘机本体的位置变化信息；挖掘机本体的驾驶室顶部安装有朝向挖掘机铲斗的施工方向的双目相机，用于获取挖掘机的三维地面坐标；挖掘机本体的操作室内设置有数据处理单元和三维用户交互界面，所述数据处理单元接收单轴倾角传感器、IMU测量单元、GNSS双天线定位定向装置和双目相机传送的信息，计算挖掘机铲斗齿的三维坐标，构建挖掘机施工场景，并在三维用户交互界面上显示。

2.根据权利要求1所述的挖掘机辅助施工系统，其特征在于，所述GNSS双天线定位定向装置包括GNSS主天线、GNSS从天线和GNSS接收机，所述GNSS主天线和GNSS从天线设置在挖掘机本体的后部，GNSS主天线和GNSS从天线的空间连线垂直于挖掘机的航向，当挖掘机车身水平时，GNSS主天线和GNSS从天线处于同一水平面上，用于定位挖掘机的空间位置坐标，计算挖掘机的航向角，发送至GNSS接收机；所述GNSS接收机安装在挖掘机本体的操作室内，用于计算GNSS主天线的空间位置坐标，并将GNSS主天线的空间位置坐标通过串口传输方式传输到数据处理单元。

3.根据权利要求1所述的挖掘机辅助施工系统，其特征在于，在挖掘机车身的顶部安装有双轴倾角传感器，用于测量挖掘机的俯仰角和横滚角，并传输至数据处理单元。

4.采用权利要求1所述的挖掘机辅助施工系统进行辅助施工方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)获取挖掘机本体的各部位姿态角度信息以及各部位的位置变化量，计算挖掘机铲斗齿的三维坐标；

(2)建立挖掘机三维模型，并进行挖掘机运动仿真；

(3)根据挖掘机本体的各部位姿态角度信息及双目相机参数，建立立体像对，基于立体像对和挖掘机的三维地理坐标，建立施工区域的三维地面模型；

(4)将预先导入的三维施工设计图与步骤(2)得到的挖掘机三维模型、步骤(3)得到的施工区域的三维地面模型进行融合，得到挖掘机施工场景，为挖掘机作业提供依据。

5.根据权利要求4所述的采用挖掘机辅助施工系统进行辅助施工方法，其特征是，所述步骤(1)中，计算挖掘机铲斗齿的三维坐标的步骤包括：

测量挖掘机本体的动臂、斗杆和铲齿的姿态角度信息以及GNSS主天线与挖掘机回转中心的坐标差值，建立数学模型；

将挖掘机各部位之间的长度和角度关系输入到数学模型中，改正双轴倾角传感器测量的俯仰角，计算车身姿态旋转矩阵，推算挖掘机工作装置坐标，基于挖掘机工作装置坐标增量再次改正俯仰角，计算GNSS主天线与挖掘机铲斗齿之间的坐标增量；

测量GNSS主天线坐标值，结合GNSS主天线与挖掘机铲斗齿之间的坐标增量，计算挖掘机铲斗齿的三维坐标。

6.根据权利要求4所述的采用挖掘机辅助施工系统进行辅助施工方法，其特征是，所述步骤(2)中，建立挖掘机三维模型，并进行挖掘机运动仿真的步骤包括：

根据挖掘机机身参数，在3D Max中建立挖掘机三维模型，然后将挖掘机三维模型导入到OpenGL中，并根据挖掘机本体的各部位姿态角度信息控制挖掘机三维模型中挖掘机对应部位的运动，实现挖掘机运动的仿真。