矿山工程机械姿态位置确定方法及系统与流程

1.本发明涉及智能设备技术领域，特别涉及一种矿山工程机械姿态位置确定方法及系统。


背景技术：

2.工程机械(engineering machinery)通常指的在矿山作业的挖掘机、装载机和凿岩钻机，作业工况恶劣，矿山工程机械在多尘、潮湿或在井下通风不良的作业环境中进行作业，工程机械的位置定位、姿态判断等技术属于智能矿山设备的关键技术所在，是目前矿山机械、建筑土木、计算机控制等领域重点关注和前沿。
3.cn110816522b公开了一种车辆姿态的控制方法、设备及计算机可读存储介质。该车辆姿态的控制方法包括以下步骤：当检测到车辆与障碍物之间的距离小于或者等于预设距离时，触发停止指令，根据所述停止指令控制所述车辆处于停止运行状态；在所述车辆处于停止运行状态时通过所述车辆的摄像装置获取深度图像，并生成与所述深度图像对应的背景环境模板图像；根据所述背景环境模板图像、所述深度图像和所述摄像装置的摄像参数确定所述障碍物的轮廓数据，并根据所述轮廓数据控制所述车辆的姿态；所述根据所述背景环境模板图像、所述深度图像和所述摄像装置的摄像参数确定所述障碍物的轮廓数据的步骤包括：获取所述背景环境模板图像的第一像素坐标，以及获取所述深度图像的第二像素坐标；确定所述第二像素坐标和所述第一像素坐标之间的距离差值，保留所述距离差值小于零对应的第二像素坐标，得到差异像素坐标；根据所述摄像装置的摄像参数对所述差异像素坐标进行极坐标转换，以得到所述障碍物转换后的极坐标；根据转换后的极坐标确定所述障碍物相对于坐标原点的角度和距离，得到所述障碍物的轮廓数据，其中，所述摄像装置所在位置为坐标原点；所述根据转换后的极坐标确定所述障碍物相对于坐标原点的角度和距离，得到所述障碍物的轮廓数据的步骤包括：在预设角度范围选取所述转换后的极坐标生成极坐标集合，对应所述极坐标集合中的各元素依次进行中值滤波和均值滤波处理，生成处理结果；对所述处理结果中的各元素进行合并，生成目标元素，并计算所述目标元素与所述摄像装置对应的角度和距离，对应得到所述障碍物相对于坐标原点的角度和距离，得到所述障碍物的轮廓数据。
4.由于矿山机械作业环境恶劣，特别在井下作业的矿山机械，通讯环境差，通过传统的定位方法难以获得对设备状态的准确判断和监测，从而导致工程机械出现状态异常不能及时调整，作业位置不准确导致作业误差大等一系列问题。


技术实现要素：

5.在大量的测试和实践中，在从事矿山生产过程中，工程机械所在位置和姿态直接影响着矿山作业的精度和效率，单纯采用全球卫星导航系统(gnss，global navigation satellite system)难以满足在矿井中作业的工程机械定位精度，且工程机械在矿山作业过程中常伴随着剧烈振动，其姿态和位置均出现较大的偏移，对于工程机械的姿态更加难
以进行判断和监测，对于定位爆破孔等高精度定位作业来说，严重影响整个作业的效率和安全。
6.有鉴于此，本发明旨在提出一种矿山工程机械姿态位置确定方法，该矿山工程机械姿态位置确定方法包括，
7.步骤s1，通过支撑脚固定工程机械本体于地面，设置车载全站仪的水平基准点o的坐标为[x
o
，y
o
，z
o
]；
[0008]
步骤s2，在车载全站仪输入已知点p的第三棱镜的坐标值[x
p
，y
p
，z
p
]，得到第一棱镜坐标值[x1，y1，z1]和第二棱镜坐标值[x2，y2，z2]；
[0009]
步骤s3，重力倾角传感器读取重力方向在x轴、y轴的倾角分别为[θ
x
，θ
y
]；
[0010]
步骤s4，步骤s2中得到工程机械在x方向倾角为α，
[0011]
α＝arctan[(y2‑
y1)/(x2‑
x1)]
[0012]
其中，在水平地面安装工程机械本体后得到的第一棱镜坐标值初始值[x
10
，y
10
，z
10
]和第二棱镜坐标值初始值[x
20
，y
20
，z
20
]，满足x
10
＝x
20
+d，y
10
＝y
20
，z
10
＝z
20
；d为第一棱镜与第二棱镜的水平间距；
[0013]
步骤s5，步骤s3和步骤s4中，控制模块得到工程机械本体的姿态坐标[θ
x
，θ
y
，α]。
[0014]
优选地，由步骤s1中设置车载全站仪的水平基准点o的坐标为[x
o
，y
o
，z
o
]后，由步骤s2中得到第一棱镜坐标值[x1，y1，z1]和第二棱镜坐标值[x2，y2，z2]，在车载全站仪中输入[x1，y1，z1]和[x2，y2，z2]坐标值，获得作业区域内第四棱镜所在点p1的坐标值[x
p1
，y
p1
，z
p1
]。
[0015]
优选地，作业区域内第四棱镜所在点p1的坐标值[x
p1
，y
p1
，z
p1
]中，
[0016]
x
p1
＝(x
p11
+x
p12
)/2；
[0017]
y
p1
＝(y
p11
+y
p12
)/2；
[0018]
z
p1
＝(z
p11
+z
p12
)/2；
[0019]
其中，[x
p11
，y
p11
，z
p11
]为车载全站仪通过第一棱镜的坐标值，测量得到的点p1的坐标值；[x
p12
，y
p12
，z
p12
]为车载全站仪通过第二棱镜的坐标值，测量得到的点p1的坐标值。
[0020]
优选地，在步骤s2中，已知点p的第三棱镜的坐标值[x
p
，y
p
，z
p
]为基准站的标准值。
[0021]
本发明还提供了一种用于实施上述的矿山工程机械姿态位置确定方法的系统，所述系统包括车载全站仪、第一棱镜、第二棱镜、第三棱镜、第四棱镜、重力倾角传感器、控制模块，所述车载全站仪与工程机械本体中部固定连接，所述第一棱镜、所述第二棱镜分别与所述工程机械本体不同位置固定连接；所述重力倾角传感器、所述控制模块与所述工程机械本体固定连接，所述控制模块与所述重力倾角传感器、所述车载全站仪电连接，所述第三棱镜固定于基准站，所述第四棱镜为能够移动的组件。
[0022]
优选地，所述第一棱镜、第二棱镜分别与所述车载全站仪等距的两侧。
[0023]
优选地，所述第一棱镜、第二棱镜的镜头中心线分别与所述车载全站仪镜头中心线平行。
[0024]
优选地，所述第三棱镜、所述第四棱镜包括高度可调的伸缩杆和棱镜镜头，所述棱镜镜头与所述伸缩杆的一端固定连接，所述伸缩杆能够固定于地面。
[0025]
优选地，所述第三棱镜、所述第四棱镜在测量坐标状态时，镜头中心线分别与所述车载全站仪镜头中心线平行。
[0026]
根据本发明实施例的另一方面，提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的
程序，其中，在所述程序运行时控制所述存储介质所在设备执行上述的方法。
[0027]
相对于现有技术，本发明提供的矿山工程机械姿态位置确定方法，可实现技术效果：通过在工程机械本体上固定设置车载全站仪和第一棱镜、第二棱镜，以及基准站已知点p的第三棱镜，当设置车载全站仪的水平基准点o的坐标为[x
o
，y
o
，z
o
]和已知点p的第三棱镜的坐标值[x
p
，y
p
，z
p
]，即由计算第一棱镜坐标值[x1，y1，z1]和第二棱镜坐标值[x2，y2，z2]，再结合重力倾角传感器读取重力方向在x轴、y轴的倾角即可得到工程机械本体的姿态坐标数据，该方法不仅操作简单，而且精度高，且能够已知第一棱镜坐标值[x1，y1，z1]和第二棱镜坐标值[x2，y2，z2]，并能精准地测算新的作业点p1的坐标，本发明还提供了一种执行上述方法的系统，系统中包括车载全站仪和第一棱镜、第二棱镜，将车载全站仪与第一棱镜、第二棱镜固定设置在工程机械本体上，通过基准站已知点p即可由车载全站仪得出第一棱镜、第二棱镜的坐标，从而也可以得出具体作业点p1的定位坐标，该方法和系统在工况恶劣的环境下，特别是矿井中作业工况下，能够改善单纯采用全球卫星导航系统gnss带来的较大误差，能够满足特别在矿井中作业的工程机械定位精度；在工程机械在矿山作业过程经过剧烈振动后可以快速对工程机械本体的姿态和位置做出调整，从而不会出现较大偏差，再而能够对工程机械的姿态进行判断和监测，尤其对于定位爆破孔等高精度定位作业来说，能够提高整个作业的效率和安全。
[0028]
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0029]
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0030]
图1为本发明的矿山工程机械姿态位置确定方法一种实施方式的流程图；
[0031]
图2为本发明的实施矿山工程机械姿态位置确定方法的系统的结构示意图；
[0032]
图3为本发明实施矿山工程机械姿态位置确定方法的系统中控制模块与传感器的连接示意图。
[0033]
附图标记说明：
[0034]
1工程机械本体
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
2车载全站仪
[0035]
3第一棱镜
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
4第二棱镜
[0036]
5第三棱镜
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
6第四棱镜
具体实施方式
[0037]
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0038]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0039]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第
二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0040]
为了解决背景技术部分所指现有技术中的在从事矿山生产过程中，工程机械所在位置和姿态直接影响着矿山作业的精度和效率，单纯采用gnss难以满足在矿井中作业的工程机械定位精度，且工程机械在矿山作业过程中常伴随着剧烈振动，其姿态和位置均出现较大的偏移，对于工程机械的姿态更加难以进行判断和监测，对于定位爆破孔等高精度定位作业来说，严重影响整个作业的效率和安全的问题。本发明提供一种矿山工程机械姿态位置确定方法，如图1
‑
图3所示，矿山工程机械姿态位置确定方法包括，
[0041]
步骤s1，通过支撑脚固定工程机械本体于地面，设置车载全站仪的水平基准点o的坐标为[x
o
，y
o
，z
o
]；
[0042]
步骤s2，在车载全站仪输入已知点p的第三棱镜的坐标值[x
p
，y
p
，z
p
]，得到第一棱镜坐标值[x1，y1，z1]和第二棱镜坐标值[x2，y2，z2]；
[0043]
步骤s3，重力倾角传感器读取重力方向在x轴、y轴的倾角分别为[θ
x
，θ
y
]；
[0044]
步骤s4，步骤s2中得到工程机械在x方向倾角为α，
[0045]
α＝arctan[(y2‑
y1)/(x2‑
x1)]
[0046]
其中，在水平地面安装工程机械本体后得到的第一棱镜坐标值初始值[x
10
，y
10
，z
10
]和第二棱镜坐标值初始值[x
20
，y
20
，z
20
]，满足x
10
＝x
20
+d，y
10
＝y
20
，z
10
＝z
20
；d为第一棱镜与第二棱镜的水平间距；
[0047]
步骤s5，步骤s3和步骤s4中，控制模块得到工程机械的姿态坐标[θ
x
，θ
y
，α]。
[0048]
通过在工程机械本体上固定设置车载全站仪和第一棱镜、第二棱镜，以及基准站已知点p的第三棱镜，当设置车载全站仪的水平基准点o的坐标为[x
o
，y
o
，z
o
]和已知点p的第三棱镜的坐标值[x
p
，y
p
，z
p
]，即由计算第一棱镜坐标值[x1，y1，z1]和第二棱镜坐标值[x2，y2，z2]，再结合重力倾角传感器读取重力方向在x轴、y轴的倾角即可得到工程机械本体的姿态坐标数据，该方法不仅操作简单，而且精度高，且能够已知第一棱镜坐标值[x1，y1，z1]和第二棱镜坐标值[x2，y2，z2]，并能精准地测算新的作业点p1的坐标，该方法在工况恶劣的环境下，特别是矿井中作业工况下，能够改善单纯采用全球卫星导航系统gnss带来的较大误差，能够满足特别在矿井中作业的工程机械定位精度；在工程机械在矿山作业过程经过剧烈振动后可以快速对工程机械本体的姿态和位置做出调整，从而不会出现较大偏差，再而能够对工程机械的姿态进行判断和监测，特别对于定位爆破孔等高精度定位作业来说，能够提高整个作业的效率和安全。
[0049]
车载全站仪2是将全站仪固定设置在所述工程机械本体1上，使得全站仪能够随工程机械本体1进行运动和固定。例如，在凿岩机的朝向车辆前进方向的前侧面上，通过螺栓或铆钉固定设置全站仪，使其成为车载全站仪2。
[0050]
重力倾角传感器是用于在重力作用下的物体的倾斜角度的倾角传感器，在本发明优选的情况下，重力倾角传感器优选地采用双轴传感器，即可测量x轴角度输出和y轴角度输出，且采用水平安装固定至工程机械本体1；能够对xy每个轴显示重力场下的倾斜角度；
在本发明更为优选的情况下，精度0.1
°
或0.5
°
的传感器，接口类型包括canopen、模拟量电流、模拟量电压接口。
[0051]
为了根据已知的水平基准点o的坐标为[x
o
，y
o
，z
o
]和第一棱镜坐标值[x1，y1，z1]和第二棱镜坐标值[x2，y2，z2]快速高精度地定位出作业区域内作业点的坐标，在本发明优选的情况下，由步骤s1中设置车载全站仪的水平基准点o的坐标为[x
o
，y
o
，z
o
]后，由步骤s2中得到第一棱镜坐标值[x1，y1，z1]和第二棱镜坐标值[x2，y2，z2]，在车载全站仪中输入[x1，y1，z1]和[x2，y2，z2]坐标值，获得作业区域内第四棱镜所在点p1的坐标值[x
p1
，y
p1
，z
p1
]。例如，凿岩机需要高精度定位爆破孔，单纯采用gps等gnss完全满足不了对待爆破的岩石孔进行定位，而采用全站仪已知两点即可计算第三点的坐标值，即采用全站仪坐标测设法。
[0052]
为了精确地确定作业区域内待作业的点坐标，且能够减小某一次或某一棱镜测量误差，在本发明优选的情况下，作业区域内第四棱镜所在点p1的坐标值[x
p1
，y
p1
，z
p1
]中，
[0053]
x
p1
＝(x
p11
+x
p12
)/2；
[0054]
y
p1
＝(y
p11
+y
p12
)/2；
[0055]
z
p1
＝(z
p11
+z
p12
)/2；
[0056]
其中，[x
p11
，y
p11
，z
p11
]为车载全站仪通过第一棱镜的坐标值，测量得到的点p1的坐标值；[x
p12
，y
p12
，z
p12
]为车载全站仪通过第二棱镜的坐标值，测量得到的点p1的坐标值。
[0057]
为了更好地测算工程机械本体的水平倾角的姿态，更为精准地测量出第一棱镜和第二棱镜的坐标，在本发明优选的情况下，在步骤s2中，已知点p的棱镜的坐标值[x
p
，y
p
，z
p
]为基准站的标准值。
[0058]
为了更好地在矿山作业前即可进行测量精确的坐标，测量后即可进行工程作业，并且能够在工程机械运行一段时间后出现工程机械本体姿态偏差或定位失准的情况下，及时重新进行测量和调整，本发明还提供了一种用于实施上述的矿山工程机械姿态位置确定方法的系统，所述系统包括车载全站仪2、第一棱镜3、第二棱镜4、第三棱镜5、第四棱镜6、重力倾角传感器、控制模块，所述车载全站仪2与工程机械本体1中部固定连接，所述第一棱镜3、所述第二棱镜4分别与所述工程机械本体1不同位置固定连接；所述重力倾角传感器、所述控制模块与所述工程机械本体1固定连接，所述控制模块与所述重力倾角传感器、所述车载全站仪2电连接，所述第三棱镜5固定于基准站，所述第四棱镜6为能够移动的组件。
[0059]
通过在工程机械本体1上固定设置车载全站仪2和第一棱镜3、第二棱镜4，以及基准站已知点p的第三棱镜5，通过基准站已知点p即可由车载全站仪2得出第一棱镜3、第二棱镜4的坐标，从而也可以得出具体作业点p1的定位坐标，该系统能够当设置车载全站仪2的水平基准点o的坐标为[x
o
，y
o
，z
o
]和已知点p的第三棱镜5的坐标值[x
p
，y
p
，z
p
]，即由计算第一棱镜3坐标值[x1，y1，z1]和第二棱镜4坐标值[x2，y2，z2]，再结合重力倾角传感器读取重力方向在x轴、y轴的倾角即可得到工程机械本体1的姿态坐标数据，该系统不仅操作简单，而且精度高，且能够已知第一棱镜3坐标值[x1，y1，z1]和第二棱镜4坐标值[x2，y2，z2]，并能精准地测算新的作业点p1的坐标，该系统在工况恶劣的环境下，特别是矿井中作业工况下，能够改善单纯采用全球卫星导航系统gnss带来的较大误差，能够满足特别在矿井中作业的工程机械定位精度；在工程机械在矿山作业过程经过剧烈振动后可以快速对工程机械本体1的姿态和位置做出调整，从而不会出现较大偏差，再而能够对工程机械本体1的姿态进行判断和监测，尤其对于定位爆破孔等高精度定位作业来说，能够提高整个作业的效率和安全。
[0060]
为了更为便捷和高效地计算出所述第一棱镜3、第二棱镜4的坐标，以及在工程机械本体1水平位置时所述第一棱镜3、第二棱镜4相对车载全站仪2的位置刚好处于等距相反方向，进而能够在测量第四棱镜6坐标过程中有效减小误差，且能够精准地获得工程机械本体1姿态的水平倾角数值，在本发明优选的情况下，所述第一棱镜3、第二棱镜4分别与所述车载全站仪2等距的两侧。
[0061]
为了使得在测量坐标过程中更便于识别姿态偏移和误差，在安装所述第一棱镜3、所述第二棱镜4时，先将工程机械本体1通过支撑固定于水平地面，再通过水准仪调整所述第一棱镜3、所述第二棱镜4的镜头中心线分别与所述车载全站仪2镜头中心线的相对水平地面的位置，在本发明优选的情况下，所述第一棱镜3、第二棱镜4的镜头中心线分别与所述车载全站仪2镜头中心线平行。在本发明更为优选的情况下，在安装和初定工程机械本体1的测量部件基准位置时，所述第一棱镜3、所述第二棱镜4的镜头中心线分别与所述车载全站仪2镜头中心线的相对水平地面平行。
[0062]
为了更好和更加快捷地调整所述第三棱镜5、所述第四棱镜6中心线的水平高度位置，以及便于移动所述第四棱镜6组件和定位，在本发明优选的情况下，所述第三棱镜5、所述第四棱镜6包括高度可调的伸缩杆和棱镜镜头，所述棱镜镜头与所述伸缩杆的一端固定连接，所述伸缩杆能够固定于地面。
[0063]
为了更为精准地测量第四棱镜6所在坐标的位置以及工程机械本体1姿态倾角，在本发明优选的情况下，所述第三棱镜5、所述第四棱镜6在测量坐标状态时，镜头中心线分别与所述车载全站仪2镜头中心线平行。
[0064]
本发明实施例还提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述存储介质所在设备执行上述方法。
[0065]
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。
[0066]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
[0067]
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
[0068]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0069]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以
是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0070]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、移动终端、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0071]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。