[发明专利]一种挖掘机施工质量实时监控系统的监控方法

权利要求书

1.一种挖掘机施工质量实时监控系统的监控方法，挖掘机施工质量实时监控系统包括挖掘机(1)、工控机和显示屏，挖掘机由行走机构(2)、驾驶室(3)、底盘(4)、大臂(6)、小臂(7)、挖斗(8)、大臂油缸(9)、小臂油缸(10)、挖斗油缸(11)、第一连杆(12)和第二连杆(13)组成，驾驶室固定于底盘上，底盘经转盘(5)设置于行走机构上，大臂的下端铰接于底盘上，小臂的中上部铰接于大臂的上端，挖斗铰接于小臂的下端；大臂油缸的油缸座和伸缩杆分别铰接于底盘和大臂中部，小臂油缸的油缸座和伸缩杆分别铰接于大臂中部和小臂的上端，挖斗油缸的油缸座铰接于小臂的上端，第一连杆的一端铰接于小臂的下端，第二连杆的一端铰接于挖斗上，第一连杆的另一端和第二连杆的另一端均铰接于挖斗的伸缩杆上；所述底盘(4)的中心位置上设置测量底盘的俯仰角和横滚角的角度传感器(16)，角度传感器为陀螺仪，驾驶室的顶部安装有北斗定向天线(14)和北斗定位天线(15)，北斗定位天线位于挖掘机转盘中心的垂线上，北斗定位天线和定向天线位于与底盘平行的同一平面内，且北斗定位天线与定向天线的连线方向与挖掘机正向位置时大臂方向一致，北斗定位天线用于获取位置坐标，北斗定位天线和定向天线共同决定挖掘机的航向角；大臂油缸的缸体上安装有实时测量大臂油缸总长度的第一激光传感器(17)，小臂油缸上安装有实时测量小臂油缸总长度的第二激光传感器(18)，挖斗油缸上安装有实时测量挖斗油缸总长度的第三激光传感器(19)，大臂油缸、小臂油缸和挖斗油缸的伸缩杆的末端均设置有始终与其相垂直的激光反射板(20)；工控机用于采集和处理角度传感器、北斗定向天线、北斗定位天线和激光传感器输出的数据，显示屏设置于驾驶室内；

其特征在于，挖掘机施工质量实时监控系统的监控方法通过以下步骤来实现：

a).建立直角坐标系，以地理方位的正东、正北和天方向分别为的正方向建立大地坐标系以北斗定位天线的中心Q为中心建立坐标系分别与相平行并方向一致；以北斗定位天线的中心Q为中心建立直角坐标系xyz，坐标系xyz的xy平面与挖掘机底盘所在平面平行，y轴方向沿大臂外伸方向，x轴方向沿远离大臂方向，z轴方向过转盘中心P点与定位天线中心Q点，正方向为P点指向Q的方向；

b).定义关键点，记大臂与底盘的铰接点为a、大臂油缸的油缸座与底盘的铰接点为b、大臂油缸的伸缩杆与大臂的铰接点为c，小臂油缸的油缸座与大臂的铰接点为d、小臂油缸的伸缩杆与小臂的铰接点为e、小臂与大臂的铰接点为g，挖斗油缸与小臂的铰接点为f、第一连杆与小臂的铰接点为h、第二连杆与挖斗的铰接点为k、挖斗油缸的伸缩杆与第一连杆和第二连杆的铰接点为i，挖斗与小臂的铰接点为j、挖斗顶端的中心点为o；

c).建立极坐标系，以a点为极点，以平行于坐标系xyz的y轴且与y轴方向相同的射线为极轴at，建立大臂坐标系；以g点为极点，以平行于坐标系xyz的z轴且与z轴方向相反的射线为极轴gs，建立小臂极坐标系；以j点为极点，以平行于坐标系xyz的z轴且与z轴方向相反的射线为极轴jm，建立挖斗极坐标系；

d).测量挖掘机参数及a点相对位置，通过对挖掘机进行测量，获得挖掘机的固有长度

e).计算油缸长度，在挖掘机工作过程中，通过周期性地实时采集第一、第二和第三激光传感器的测量长度，并结合第一、第二和第三激光传感器的安装位置，计算出大臂油缸总长度小臂油缸总长度和挖斗油缸总长度

f).计算大臂、小臂和挖斗角度，利用步骤e)中实时计算的长度在步骤c)中建立的以a点为极点的极坐标系下计算大臂角度ag，在以g点为极点的极坐标下计算小臂坐标gj，在以j点为极点的极坐标下计算挖斗坐标jo；ag表示线段ag在以a点为极点的坐标系下的角度，gj表示线段gj在以g点为极点的坐标系下的角度，jo表示线段jo在以j点为极点的坐标系下的角度；

g).计算挖斗实时位置，通过以下步骤计算挖斗的实时位置坐标：

g-1).计算a点坐标，记Q点在坐标系xyz中的坐标为[0,0,0]^T，然后根据a点与Q点的机械结构参数，测得a点在坐标系xyz中的坐标[x_a,y_a,z_a]^T：

g-2).计算g点坐标，利用公式(1)计算出g点在坐标系xyz中的坐标[x_g,y_g,z_g]^T：

g-3).计算j点坐标，利用公式(2)计算出j点在坐标系xyz中的坐标[x_j,y_j,z_j]^T：

g-4).计算o点坐标，利用公式(3)计算出o点在坐标系xyz中的坐标[x_o,y_o,z_o]^T：

h).o点坐标变换，通过北斗定位天线和定向天线获取挖掘机的航向角yaw，通过角度传感器获取底盘的横滚角roll和俯仰角pitch；通过坐标系旋转公式(4)计算o点在坐标系下的坐标

其中，Rx、Ry和Rz为xyz坐标系到坐标系的旋转矩阵，通过公式(5)进行求取：

最后，对o点坐标进行平移，通过公式(6)计算出o点在大地坐标系中的坐标

其中，为北斗定位天线中点Q在坐标系下的实时测量坐标；

i).施工监控，施工过程中给出的施工坐标均为大地坐标，首先确定出施工区域的边界以及挖掘高程，在挖掘机挖掘的过程中，通过实时执行步骤e)至步骤h)求出挖斗的位置坐标，通过挖斗的坐标判断挖斗是否超出了挖掘边界，如果超出了挖掘边界，则发出报警提示；通过挖斗实时高度与挖掘高程的对比，给出当前高程与目标高程的高程差提示，以实现对挖掘机施工质量的监控；

包括对大臂角度ag、小臂角度gj和挖斗角度jo的补偿，补偿方法通过以下方法来实现：

步骤1：通过逐步伸长液压缸的伸缩杆，测得运动臂在相应极轴方向上的投影长度H，根据运动臂的臂长L和投影长度H求出运动臂当前的真实角度θ_r：

其中，运动臂为大臂、小臂和挖斗，对于大臂来说：H为线段ag在极轴at方向上的投影长度；对于小臂来说：H为线段gj在极轴gs方向上的投影长度；对于挖斗来说，H为线段jo在极轴jm方向上的投影长度；

步骤2：在每进行一次测量运动臂在垂直或水平方向的距离H的过程中，通过步骤f-1)至步骤f-3)计算出运动臂当前的计算角度θ_c；

步骤3：补偿方法采用支持向量回归方法SVR，即f(θ_c)＝ω^Tθ_c+b，设coe＝[ω,b]^T为待求解项；

设共计进行了i次测量和计算，i次测量的测量角度分别为θ_r1、θ_r2、…、θ_ri，i次运动臂的计算角度分别为θ_c1、θ_c2、…、θ_ci，i次测量和计算的真实角度与计算角度的差值分别记为Δθ₁、Δθ₂、…、Δθ_i；

对于训练样本D＝{(θ_c1,Δθ₁),(θ_c2,Δθ₂),…,(θ_ci,Δθ_i)}，引入松弛因子∈，将SVR问题转化为：

引入拉格朗日乘子并分别对公式(19)中的ω,b,ξ_i,求偏导，并令偏导为0，将结果代入公式(19)得：

满足KKT条件，可得SVR的解为：

f(θ_ci)＝ω^Tθ_ci+b     (21)

其中：

因此，补偿后的角度值为：