RU2830703C1 - Calibration system and method of determining geometrical parameters of working elements for automation of construction equipment operation - Google Patents
Calibration system and method of determining geometrical parameters of working elements for automation of construction equipment operation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2830703C1 RU2830703C1 RU2024106523A RU2024106523A RU2830703C1 RU 2830703 C1 RU2830703 C1 RU 2830703C1 RU 2024106523 A RU2024106523 A RU 2024106523A RU 2024106523 A RU2024106523 A RU 2024106523A RU 2830703 C1 RU2830703 C1 RU 2830703C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- working
- construction equipment
- point
- excavator
- tape measure
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к измерению геометрических параметров подвижных частей строительной техники, в частности, к устройству и способу необходимых для автоматизации работы строительной техники, а также для оперативной калибровки систем промышленной автоматизации строительных работ.The invention relates to measuring the geometric parameters of moving parts of construction equipment, in particular, to a device and method necessary for automating the operation of construction equipment, as well as for the operational calibration of industrial automation systems for construction work.
Известны различные системы измерения геометрических параметров строительной техники, из которых наиболее очевидным является измерение длин подвижных частей строительной техники с использованием механических рулеток, углов наклона уровнем, углов поворота энкодером или транспортиром. Однако недостатком измерений перечисленными инструментами является невозможность точного определения центров осей у крупной техники, техническая недоступность части деталей на работающей строительной технике как следствие наличия большого количества гидравлических шлангов и проводов вдоль подвижных частей, что приводит к ошибкам как измерения длин, так и углов, что не позволяет достичь требуемой точности автоматической работы строительной техники.There are various systems for measuring the geometric parameters of construction equipment, the most obvious of which is measuring the lengths of moving parts of construction equipment using mechanical tape measures, tilt angles with a level, rotation angles with an encoder or a protractor. However, the disadvantage of measurements with the listed tools is the impossibility of accurately determining the centers of the axes of large equipment, the technical inaccessibility of some parts on operating construction equipment as a result of the presence of a large number of hydraulic hoses and wires along the moving parts, which leads to errors in both measuring lengths and angles, which does not allow achieving the required accuracy of automatic operation of construction equipment.
Наиболее близким по техническому решению, принятому за прототип, является патент RU 2650857C1 «Система определения геометрических параметров трехмерных объектов» авторов Дубенко Ю.В., Тимченко Н.Н. Данный патент относится к области бесконтактных измерений контуров или кривых трехмерных объектов в реальном масштабе времени и основан на использовании стереометрии, то есть обработке изображений с двух камер высокого разрешения. Технический результат этого решения заключается в повышении скорости контроля геометрических параметров трехмерных объектов, но при этом невозможно достичь требуемой для строительной техники точности измерений, так как точность измерений геометрических параметров зависит от точности определения углов и размера базы между камерами и как следствие точность уменьшается с расстоянием до измеряемого объекта, что недопустимо в рамках решаемой задачи калибровки строительной техники.The closest in technical solution adopted as a prototype is patent RU 2650857C1 "System for determining geometric parameters of three-dimensional objects" by authors Dubenko Yu.V., Timchenko N.N. This patent relates to the field of contactless measurements of contours or curves of three-dimensional objects in real time and is based on the use of stereometry, i.e. processing images from two high-resolution cameras. The technical result of this solution is to increase the speed of monitoring the geometric parameters of three-dimensional objects, but it is impossible to achieve the accuracy of measurements required for construction equipment, since the accuracy of measurements of geometric parameters depends on the accuracy of determining the angles and the size of the base between the cameras and, as a result, the accuracy decreases with the distance to the measured object, which is unacceptable within the framework of the solved problem of calibration of construction equipment.
Техническим результатом предлагаемого технического решения системы калибровки является повышение точности, оперативности и достоверности измерения геометрических параметров подвижных частей строительной техники.The technical result of the proposed technical solution for the calibration system is an increase in the accuracy, efficiency and reliability of measuring the geometric parameters of moving parts of construction equipment.
Технический результат достигается с помощью простого и надежного устройства измерения относительного расстояния рабочей точки рабочего органа от произвольной точки в рабочей зоне строительной техники в отличие от сложных и дорогостоящих устройств измерения абсолютных координат рабочей точки и лазерного дальномера, требующих привлечения квалифицированного персонала. Таким устройством измерения относительного расстояния с возможностью автоматического считывания значений в цифровом виде является механическая рулетка с цифровым интерфейсом — цифровая рулетка, представляющая собой гибкий тросик, намотанный на подпружиненный барабан с энкодером, гибкость тросика позволяет ему изгибаться в сторону рабочей точки при движении рабочего органа, а энкодер выдает значения длины смотанного тросика, измеряя расстояние между рабочей точкой и произвольной точкой в рабочей зоне строительной техники, в которой закреплена цифровая рулетка.The technical result is achieved using a simple and reliable device for measuring the relative distance of the working point of the working element from an arbitrary point in the working area of the construction equipment, unlike complex and expensive devices for measuring the absolute coordinates of the working point and a laser rangefinder, which require the involvement of qualified personnel. Such a device for measuring the relative distance with the ability to automatically read values in digital form is a mechanical tape measure with a digital interface - a digital tape measure, which is a flexible cable wound on a spring-loaded drum with an encoder, the flexibility of the cable allows it to bend towards the working point when moving the working element, and the encoder gives the values of the length of the wound cable, measuring the distance between the working point and an arbitrary point in the working area of the construction equipment in which the digital tape measure is fixed.
На чертежах цифровая рулетка представлена:The drawings show the digital tape measure:
Фиг. 1 - пример установки на строительной технике;Fig. 1 - example of installation on construction equipment;
фиг. 2 - структура системы калибровки;Fig. 2 - structure of the calibration system;
фиг. 3 - структура подвижных звеньев экскаватора;Fig. 3 - structure of the moving links of the excavator;
фиг. 4 - пример ошибок установки датчиков наклона. Fig. 4 - example of errors in installing tilt sensors.
На фиг. 1 и фиг. 2 система определения геометрических параметров подвижных частей строительной техники, например экскаватора, включает кабину 1 установленную на шасси 2, в районе кабины расположена система позиционирования 3, прикреплены подвижные части 4 рабочего органа, на которых расположены датчики 5 наклона и поворота и сам рабочий орган 6 с обозначенной на нем рабочей точкой 7 для его позиционирования. In Fig. 1 and Fig. 2, the system for determining the geometric parameters of moving parts of construction equipment, for example an excavator, includes a cabin 1 installed on a chassis 2, a positioning system 3 is located in the area of the cabin, moving parts 4 of the working element are attached, on which tilt and rotation sensors 5 are located, and the working element 6 itself with a working point 7 designated on it for its positioning.
Цифровая рулетка 8 одним концом закреплена в произвольной точке рабочей зоны (зоне перемещения рабочего органа), вторым концом к рабочей точке 7 рабочего органа, расстояние, измеряемое цифровой рулеткой 8 между ними, - 9. Получаемые данные от датчиков 5 наклона и поворота одновременно с данными от цифровой рулетки 8 и системы позиционирования 3 поступают на блок обработки информации 10, в котором реализованы вычисления длин подвижных частей 4, 6 и смещения углов установки датчиков 5 наклона и поворота. Полученные в результате калибровки значения сохраняют в блоке обработки 10 и используют для расчета координат рабочей точки 7 в процессе работы строительной техники.The digital tape measure 8 is fixed with one end at an arbitrary point of the working area (the zone of movement of the working element), with the other end to the working point 7 of the working element, the distance measured by the digital tape measure 8 between them is 9. The data obtained from the tilt and rotation sensors 5 simultaneously with the data from the digital tape measure 8 and the positioning system 3 are sent to the information processing unit 10, in which the calculations of the lengths of the moving parts 4, 6 and the displacement of the installation angles of the tilt and rotation sensors 5 are implemented. The values obtained as a result of calibration are stored in the processing unit 10 and used to calculate the coordinates of the working point 7 during the operation of the construction equipment.
Реализация работы предлагаемого технического решения установки цифровой рулетки осуществлена в предлагаемом способе измерения геометрических параметров подвижных частей строительной техники, необходимых для автоматизации работы строительной техники.The implementation of the proposed technical solution for installing a digital tape measure is carried out in the proposed method for measuring the geometric parameters of moving parts of construction equipment, necessary for the automation of the operation of construction equipment.
Известны системы автоматического управления компании Topcon X-53x, X-63x, X33 для экскаватора, которые поддерживают процедуру калибровки, при которой набор меток устанавливаемых в точках с известными координатами и высотой, после чего прикоснуться рабочим органом экскаватора (кромкой ковша) до всех меток, что позволяет соотнести абсолютные координаты WGS-84 и локальные координаты (x,y,z). Automatic control systems of Topcon X-53x, X-63x, X33 for excavators are known, which support the calibration procedure, in which a set of marks is installed at points with known coordinates and height, after which the working element of the excavator (edge of the bucket) touches all the marks, which allows to correlate absolute coordinates WGS-84 and local coordinates (x, y, z).
Недостатком данного способа является невозможность уточнить ранее введенные значения длин подвижных частей и ошибки определения углов при такой калибровке. Высокая точность достигается только в узком диапазоне углов поворота и глубин копания.The disadvantage of this method is the impossibility of specifying previously entered values of the lengths of moving parts and errors in determining angles during such calibration. High accuracy is achieved only in a narrow range of rotation angles and digging depths.
Аналогичные системы автоматизации и калибровки разработали компании Leica Geosystems (система Leica PowerDigger Lite iCON), Trimble (система GCSFlex), MOBA Mobile Automation AG (система Xsite PRO, Link), Bridgin (система iDig) и так далее. Ни одна из описанных систем не позволяет автоматически корректировать ошибки измерения длин подвижных частей строительной техники.Similar automation and calibration systems have been developed by Leica Geosystems (Leica PowerDigger Lite iCON system), Trimble (GCSFlex system), MOBA Mobile Automation AG (Xsite PRO, Link system), Bridgin (iDig system), etc. None of the described systems allows automatic correction of errors in measuring the lengths of moving parts of construction equipment.
Известна система калибровки компании LOADRITE™ (система X2650), которая для калибровки длин и углов использует замеры минимальных и максимальных углов поворота подвижных частей экскаватора (стрелы, рукояти и ковша), а также установку «нуля», то есть известного уровня, который в программном комплексе считается «нулем».The calibration system of the LOADRITE™ company (X2650 system) is known, which uses measurements of the minimum and maximum angles of rotation of the moving parts of the excavator (boom, handle and bucket) to calibrate lengths and angles, as well as the installation of “zero”, that is, a known level, which is considered “zero” in the software package.
Ближайшим прототипом алгоритма калибровки является патент US9644346B2 компании Komatsu Ltd (авторы Masanobu Seki, Masashi Ichihara). Данный патент описывает способ измерения длин рабочих частей экскаватора на основании записи координат рабочего органа (ковша), полученных при различных положениях стрелы, рукояти и ковша (по три положения для каждой подвижной части). Координаты определяются внешним прибором (рулеткой, теодолитом и GPS приемником). Достоинствами данного метода является способность корректировать ошибки измерения длин подвижных частей и углов и привязка полученных координат рабочего органа к абсолютным координатам GPS, к недостаткам можно отнести сложность точного измерения абсолютных координат положения ковша, особенно когда ковш поднят высоко над землей, так как все используемые при калибровке координаты рабочего органа измеряются специалистами с помощью точного измерительного оборудования.The closest prototype of the calibration algorithm is the patent US9644346B2 of Komatsu Ltd (authors Masanobu Seki, Masashi Ichihara). This patent describes a method for measuring the lengths of the working parts of an excavator based on recording the coordinates of the working element (bucket), obtained at different positions of the boom, handle and bucket (three positions for each moving part). The coordinates are determined by an external device (tape measure, theodolite and GPS receiver). The advantages of this method are the ability to correct errors in measuring the lengths of moving parts and angles and binding the obtained coordinates of the working element to absolute GPS coordinates, the disadvantages include the difficulty of accurately measuring the absolute coordinates of the bucket position, especially when the bucket is raised high above the ground, since all the coordinates of the working element used in calibration are measured by specialists using precise measuring equipment.
Техническим результатом изобретения является повышение точности, оперативности и достоверности калибровки системы автоматического управления строительной техникой, а также снижение требований к квалификации проводящего калибровку персонала.The technical result of the invention is to increase the accuracy, efficiency and reliability of the calibration of the automatic control system of construction equipment, as well as to reduce the requirements for the qualifications of the personnel performing the calibration.
Технический результат достигается установкой датчиков наклона кабины, подвижных элементов и рабочего органа строительной техники, подключением цифровой рулетки одним концом в любой удобной точке в зоне работы рабочего органа строительной техники (ковша), вторым концом рулетки к рабочей точке рабочего органа (самой важной части рабочего органа, координаты которой необходимо вычислять для автоматизации работы), записью значений углов поворота подвижных частей строительной техники одновременно с показаниями цифровой рулетки, после чего проводится решение системы нелинейных уравнений для нахождения таких длин подвижных частей и углов смещения установки датчиков, при которых система уравнений сходится с минимальной среднеквадратичной ошибкой. Таким образом, для калибровки длин подвижных частей и углов смещения датчиков достаточно установить цифровую рулетку в произвольном месте рабочей зоны калибруемой строительной техники, подключить ее вторым концом к рабочей точке на рабочем органе (ковше), записать текущие данные углов наклона и показаний рулетки, после чего вычислить все необходимые параметры для калибровки. Данная калибровка может проводиться без специального обучения персонала, не требует технической подготовки и времени проведения. The technical result is achieved by installing sensors for the tilt of the cabin, moving elements and the working body of the construction equipment, connecting a digital tape measure with one end at any convenient point in the operating area of the working body of the construction equipment (bucket), with the other end of the tape measure to the working point of the working body (the most important part of the working body, the coordinates of which must be calculated for the automation of the work), recording the values of the rotation angles of the moving parts of the construction equipment simultaneously with the readings of the digital tape measure, after which a system of nonlinear equations is solved to find such lengths of the moving parts and offset angles of the sensor installation, at which the system of equations converges with a minimum root-mean-square error. Thus, to calibrate the lengths of the moving parts and the offset angles of the sensors, it is sufficient to install a digital tape measure in an arbitrary place in the working area of the calibrated construction equipment, connect its other end to the working point on the working body (bucket), record the current data of the tilt angles and tape measure readings, and then calculate all the necessary parameters for calibration. This calibration can be carried out without special training of personnel, does not require technical training and time.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
В качестве примера строительной техники возьмем экскаватор как достаточно сложный в управлении и калибровке. У типового экскаватора есть поворотная башня, стрела, рукоять и ковш. Для измерения углов наклона и поворота необходимо установить 3 инклинометра и датчик поворота башни, что показано на фигуре 3 - структуре подвижных звеньев экскаватора. Точность установки датчиков заранее неизвестна, и значение, вычитываемое с инклинометра, помимо случайной ошибки содержит постоянное смещение.As an example of construction equipment, we will take an excavator as it is quite complex to operate and calibrate. A typical excavator has a rotating tower, boom, handle and bucket. To measure the tilt and rotation angles, it is necessary to install 3 inclinometers and a tower rotation sensor, which is shown in Figure 3 - the structure of the excavator's moving links. The accuracy of the sensor installation is not known in advance, and the value read from the inclinometer, in addition to the random error, contains a constant offset.
Известны две задачи позиционирования подвижных звеньев экскаватора: прямая, в которой по известным значениям длин подвижных частей и их углов поворота определяется положение рабочего органа (ковша), и обратная, в которой по заданному положению рабочего органа (ковша) необходимо определить положения подвижных звеньев.There are two known problems of positioning the moving links of an excavator: a direct problem, in which the position of the working element (bucket) is determined by the known values of the lengths of the moving parts and their rotation angles, and a reverse problem, in which the positions of the moving links must be determined by the given position of the working element (bucket).
Для калибровки строится математическая модель решения прямой задачи, собираются данные положения ковша и сигналов с датчиков наклона, после чего проводится решение обратной задачи, в результате которой вычисляются поправочные значения к длинам звеньев и поправки углов поворота с датчиков. Для решения задачи поворота и переноса системы координат звена (i-1) в (i) систему координат может быть использована матрица переноса, представленная в следующем виде [1], формула (1):For calibration, a mathematical model of the solution of the direct problem is constructed, data on the bucket position and signals from the tilt sensors are collected, after which the inverse problem is solved, as a result of which correction values for the lengths of the links and corrections for the rotation angles from the sensors are calculated. To solve the problem of rotation and transfer of the coordinate system of the link (i-1) to the (i) coordinate system, a transfer matrix can be used, presented in the following form [1], formula (1):
где Where
θ - угол поворота вокруг оси zi-1 такой, чтобы ось xi-1 стала параллельной оси xi;θ is the angle of rotation around the z i-1 axis such that the x i-1 axis becomes parallel to the x i axis;
di - величина сдвига вдоль оси xi до полного совмещения осей xi и xi-1; d i - the magnitude of the shift along the x i axis until the x i and x i-1 axes are completely aligned;
ai - расстояние между началами координат;a i - distance between the origins of coordinates;
αi - такой угол поворота вокруг оси xi, в результате которого достигается совпадение систем координат (i) и (i-1). α i is the angle of rotation around the x i axis that results in the coincidence of the coordinate systems (i) and (i-1).
Необходимые для решения прямой задачи параметры систем координат подвижных частей экскаватора приведены в таблице 1.The parameters of the coordinate systems of the moving parts of the excavator required to solve the direct problem are given in Table 1.
Таблица 1. Параметры систем координат подвижных частей экскаватораTable 1. Parameters of coordinate systems of moving parts of the excavator
Матрица связывает координаты произвольной точки Pi (в системе координат i) с соответствующими координатами этой же точки в системе координат (i-1), формула (2) [4]:The matrix connects the coordinates of an arbitrary point Pi (in the coordinate system i) with the corresponding coordinates of the same point in the coordinate system (i-1), formula (2) [4]:
Следовательно, если точка О4 - точка в системе координат ковша, то для пересчета относительных координат системы кooрдинaт (4) в систему координат базовой части экскаватора необходимо выполнить следующую операцию по формуле (3) [4]:Therefore, if point O 4 is a point in the bucket coordinate system, then to recalculate the relative coordinates of the coordinate system (4) into the coordinate system of the base part of the excavator, it is necessary to perform the following operation according to formula (3) [4]:
Но для решения прямой задачи необходимо знать заранее значения L1, L2, L3, L4 и с высокой точностью знать углы наклона звеньев. Как уже было сказано, технически измерить длины звеньев между центрами осей поворота с заданной точностью оказывается либо невозможно, либо требует использования сложного дополнительного оборудования, аналогично с сопоставлением осей датчиков наклона и осями звеньев.But to solve the direct problem, it is necessary to know in advance the values of L 1 , L 2 , L 3 , L 4 and to know the angles of inclination of the links with high accuracy. As has already been said, it is technically either impossible to measure the lengths of the links between the centers of the rotation axes with a given accuracy, or it requires the use of complex additional equipment, similar to the comparison of the axes of the inclination sensors and the axes of the links.
Пример ошибок установки датчиков на подвижных звеньях экскаватора показан на фигуре 4.An example of errors in installing sensors on the moving links of an excavator is shown in Figure 4.
Таким образом, если представить длины стрелы, рукояти и ковша через L1, L2, L3, углы (с учетом неизвестных смещений) θ0+φ0, θ1+φ1, θ2+φ2, θ3+φ3, θ4+φ4, то для описания положения ковша необходимо найти значения L1, L2, L3, φ1, φ2, φ3, φ4. Данная задача может быть решена аналитически решением системы из N уравнений для нахождения N неизвестных, но каждое измерение положения ковша содержит случайную ошибку, что приводит к наличию ошибок при определении значений длин и углов. Поэтому для уменьшения ошибки измерения положения ковша и ошибок измерения углов воспользуемся накоплением результатов, считая, что дисперсия оценки среднего значения случайной величины уменьшается пропорционально квадрату числа опытов. Для калибровки необходимо провести существенно больше измерений, чем количество неизвестных, и для вычисления значений неизвестных параметров используем метод наименьших квадратов [2,3]. Данный метод предполагает, что при нахождении параметров модели (коэффициентов L1, L2, L3, φ1, φ2, φ3, φ4) закон распределения ошибки был близок к нормальному (центральная предельная теорема в большинстве задач позволяет использовать данное допущение [4]). Thus, if we represent the lengths of the boom, handle and bucket through L 1 , L 2 , L 3 , angles (taking into account unknown displacements) θ 0 + φ 0 , θ 1 + φ 1 , θ 2 + φ 2 , θ 3 + φ 3 , θ 4 + φ 4 , then to describe the position of the bucket it is necessary to find the values of L 1 , L 2 , L 3 , φ 1 , φ 2 , φ 3 , φ 4 . This problem can be solved analytically by solving a system of N equations to find N unknowns, but each measurement of the bucket position contains a random error, which leads to the presence of errors in determining the values of the lengths and angles. Therefore, to reduce the measurement error of the bucket position and the measurement errors of angles, we will use the accumulation of results, assuming that the variance of the estimate of the average value of a random variable decreases proportionally to the square of the number of experiments. For calibration, it is necessary to carry out significantly more measurements than the number of unknowns, and to calculate the values of the unknown parameters, we use the least squares method [2,3]. This method assumes that when finding the model parameters (coefficients L 1 , L 2 , L 3 , φ 1 , φ 2 , φ 3 , φ 4 ) the error distribution law was close to normal (the central limit theorem in most problems allows using this assumption [4]).
Критерий данного метода состоит в нахождении таких параметров L1, L2, L3, φ1, φ2, φ3, φ4 функции F(x), при котором квадрат ошибки позиционирования минимален, формула (4)The criterion of this method consists in finding such parameters L 1 , L 2 , L 3 , φ 1 , φ 2 , φ 3 , φ 4 of the function F(x), at which the square of the positioning error is minimal, formula (4)
где y i - измеренные значения координат, F(x) - вычисленные значения.where y i are the measured values of the coordinates, F(x) are the calculated values.
Необходимым условием существования минимума функции ошибки является равенство нулю ее частных производных по неизвестным переменным [3]. В результате получим следующую систему уравнений, формула (5):A necessary condition for the existence of a minimum of the error function is that its partial derivatives with respect to unknown variables are equal to zero [3]. As a result, we obtain the following system of equations, formula (5):
В нашем случае функция F(x) содержит как степени, так и тригонометрические функции, поэтому получение аналитического выражения для решения системы уравнений затруднительно. Целесообразно использовать численные методы нахождения корней нелинейных уравнений.In our case, the function F(x) contains both powers and trigonometric functions, so obtaining an analytical expression for solving the system of equations is difficult. It is advisable to use numerical methods for finding the roots of nonlinear equations.
Таким образом, способ измерения геометрических параметров подвижных частей рабочего органа (процедура калибровки) заключается в том, что на всех подвижных частях рабочего органа строительной техники устанавливают датчики угла наклона и поворота (инклинометры, энкодеры, транспортиры), а также систему позиционирования; датчики наклона и поворота необходимы для расчета положения рабочего органа, но для этого необходимо предварительное измерение длин всех подвижных частей и смещение углов установки датчиков наклона и поворота от осей подвижных частей; подключают цифровую рулетку одним концом к рабочей точке рабочего органа техники и к произвольной точке в ее рабочей зоне работы так, чтобы при движении подвижных исполнительных частей техники цифровая рулетка позволяла измерять расстояния (не зацеплялась за подвижные части и не рвалась), как показано на Фиг. 3; для увеличения точности калибровки точку закрепления в рабочей зоне необходимо выбирать в центральной части этой зоны; подключают управляющий компьютер, собирающий данные от системы позиционирования, датчиков наклона и поворота, а также значения цифровой рулетки; включают периодическую запись текущих значений, обеспечивают движение всеми подвижными частями экскаватора с различной скоростью движения и амплитудой, выключают запись; по полученным данным запускают процедуру калибровки длин подвижных частей и угловых смещений положения датчиков техники (численными методами подобрать такие значения геометрических параметров подвижных частей, при которых расчетное и измеренное значение цифровой рулетки имеют минимальное среднеквадратическое отклонение); записывают полученные результаты в модель системы трехмерного позиционирования техники для последующего расчета положения рабочей точки во время работы.Thus, the method for measuring the geometric parameters of the moving parts of the working element (calibration procedure) consists in the fact that tilt and rotation angle sensors (inclinometers, encoders, protractors), as well as a positioning system, are installed on all moving parts of the working element of construction equipment; tilt and rotation sensors are necessary for calculating the position of the working element, but this requires preliminary measurement of the lengths of all moving parts and an offset of the installation angles of the tilt and rotation sensors from the axes of the moving parts; a digital tape measure is connected with one end to the working point of the working element of the equipment and to an arbitrary point in its working area of operation so that when the moving actuator parts of the equipment move, the digital tape measure allows measuring distances (does not catch on the moving parts and does not tear), as shown in Fig. 3; to increase the accuracy of calibration, the fixing point in the working area must be selected in the central part of this area; a control computer is connected that collects data from the positioning system, tilt and rotation sensors, as well as the values of the digital tape measure; turn on periodic recording of current values, ensure movement of all moving parts of the excavator with different speeds of movement and amplitudes, turn off recording; based on the data obtained, start the procedure for calibrating the lengths of the moving parts and angular displacements of the position of the equipment sensors (using numerical methods, select such values of the geometric parameters of the moving parts at which the calculated and measured values of the digital tape measure have a minimum standard deviation); record the obtained results in the model of the three-dimensional positioning system of the equipment for subsequent calculation of the position of the working point during operation.
На примере экскаватора, как вида строительной техники, предлагаемый способ измерения геометрических параметров подвижных частей рабочего органа (процесс калибровки) работает при выполнении следующих действий: Using the example of an excavator as a type of construction equipment, the proposed method for measuring the geometric parameters of the moving parts of the working element (calibration process) works when performing the following actions:
1. Предварительно оснащают все подвижные части экскаватора датчиками углов наклона и поворота и размещают систему позиционирования; 1. All moving parts of the excavator are pre-equipped with tilt and rotation angle sensors and a positioning system is installed;
2. Определяют местоположение рабочей точки на рабочем органе экскаватора, в нашем примере зуб ковша экскаватора;2. Determine the location of the working point on the working element of the excavator, in our example the excavator bucket tooth;
3. Подключают цифровую рулетку одним концом к рабочей точке - зубу ковша и к произвольной точке в рабочей зоне работы экскаватора так, чтобы при движении исполнительные части экскаватора не мешали производить измерения, как показано на Фиг. 3. Для увеличения точности калибровки точку закрепления необходимо выбирать в центральной части рабочей зоны; 3. Connect one end of the digital tape measure to the working point - the bucket tooth and to an arbitrary point in the working area of the excavator so that during movement the executive parts of the excavator do not interfere with the measurements, as shown in Fig. 3. To increase the accuracy of the calibration, the fixing point must be selected in the central part of the working area;
3. Подключают управляющий компьютер, на который поступают данные от системы позиционирования, датчиков наклона и поворота, а также значения цифровой рулетки;3. Connect the control computer, which receives data from the positioning system, tilt and rotation sensors, as well as the values of the digital tape measure;
4. Затем включают периодическую запись текущих значений, при которой обеспечивают движение всеми подвижными частями экскаватора с различной скоростью движения и амплитудой, выключают запись; 4. Then they turn on the periodic recording of current values, during which they ensure the movement of all moving parts of the excavator at different speeds and amplitudes, and turn off the recording;
5. По полученным данным запускают процедуру программной калибровки длин подвижных частей и угловых смещений положения датчиков экскаватора, при которой численными методами подбирают такие значения геометрических параметров подвижных частей, при которых расчетное и измеренное значение цифровой рулетки имеют минимальное среднеквадратическое отклонение; 5. Based on the data obtained, a procedure is launched for software calibration of the lengths of the moving parts and angular displacements of the excavator sensor positions, in which numerical methods are used to select such values of the geometric parameters of the moving parts that the calculated and measured values of the digital tape measure have a minimum standard deviation;
6. После чего записывают полученные результаты в модель системы трехмерного позиционирования экскаватора и сохраняют для последующего расчета положения рабочей точки во время работы.6. After which, the obtained results are recorded in the model of the excavator’s three-dimensional positioning system and saved for subsequent calculation of the position of the working point during operation.
Результатом способа калибровки является набор значений L1, L2, L3, φ1, φ2, φ3, φ4, необходимых для функционирования модели экскаватора и последующего управления рабочим органом, т.е. ковшом экскаватора. The result of the calibration method is a set of values L 1 , L 2 , L 3 , φ 1 , φ 2 , φ 3 , φ 4 , necessary for the operation of the excavator model and subsequent control of the working element, i.e. the excavator bucket.
Калибровка может проводиться также и по абсолютным и относительным координатам. Calibration can also be carried out using absolute and relative coordinates.
Так, при использовании системы спутникового позиционирования и пересчете длин и углов с привязкой к земным координатам получается абсолютное позиционирование, и калибровка позволяет по любым текущим координатам приемника вычислить координаты рабочей точки.Thus, when using a satellite positioning system and recalculating lengths and angles with reference to earth coordinates, absolute positioning is obtained, and calibration allows one to calculate the coordinates of the working point using any current coordinates of the receiver.
При отсутствии системы спутникового позиционирования калибровка возможна относительно шасси или произвольной точки на строительной технике, что позволяет получить относительное позиционирование рабочей точки. In the absence of a satellite positioning system, calibration is possible relative to the chassis or an arbitrary point on the construction equipment, which allows obtaining relative positioning of the working point.
Изобретение может быть использовано для калибровки геометрических параметров подвижных частей строительной техники с любой системой автоматического управления, увеличивая точность, надежность и достоверность полученных результатов, а также не требуя для выполнения калибровки высокой квалификации персонала и сложного оборудования.The invention can be used to calibrate the geometric parameters of moving parts of construction equipment with any automatic control system, increasing the accuracy, reliability and validity of the results obtained, and also not requiring highly qualified personnel and complex equipment to perform the calibration.
Список использованной литературыList of references
1. Guanglong Du and Ping Zhang. Research ArticleIMU-Based Online Kinematic Calibration of Robot Manipulator // Hindawi Publishing Corporation. 2013. 1. Guanglong Du and Ping Zhang. Research ArticleIMU-Based Online Kinematic Calibration of Robot Manipulator // Hindawi Publishing Corporation. 2013.
2. Р. Хук, Т. А. Дживс «Прямой поиск решения для числовых и статических проблем», 212-219 с., 1961. 2. R. Hook, T. A. Jeeves "Direct search for solutions to numerical and statistical problems", 212-219 p., 1961.
3. Линник Ю. В. Метод наименьших квадратов и основы математико-статистической теории обработки наблюдений. - 2-е изд. - М., 1962. 312 c. 3. Linnik Yu. V. The method of least squares and the basics of the mathematical-statistical theory of observation processing. - 2nd ed. - M., 1962. 312 p.
4. Jorge Santolaria, Ana C. Majarena, David Samper, Agustín Brau, and Jesús Velázquez. Research Article Articulated Arm Coordinate Measuring Machine Calibration by Laser Tracker Multilateration. Hindawi Publishing Corporation. 2014.4. Jorge Santolaria, Ana C. Majarena, David Samper, Agustín Brau, and Jesús Velázquez. Research Article Articulated Arm Coordinate Measuring Machine Calibration by Laser Tracker Multilateration. Hindawi Publishing Corporation. 2014.
Claims (3)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2830703C1 true RU2830703C1 (en) | 2024-11-25 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2556095C1 (en) * | 2011-05-07 | 2015-07-10 | Абб Аг | Method for recognition and tracking of position of moving pick-and-place device/loading device of wheel-blade excavator or multibucket chain excavator |
| US9428885B2 (en) * | 2014-09-15 | 2016-08-30 | Trimble Navigation Limited | Guidance system for earthmoving machinery |
| US9644346B2 (en) * | 2014-05-14 | 2017-05-09 | Komatsu Ltd. | Calibration system and calibration method for excavator |
| RU2650857C1 (en) * | 2017-04-06 | 2018-04-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") | System for determining geometric parameters of three-dimensional objects |
| JP2018184815A (en) * | 2017-04-27 | 2018-11-22 | 株式会社小松製作所 | Calibration device of imaging device, work machine and calibration method |
| US20230250617A1 (en) * | 2020-06-19 | 2023-08-10 | Komatsu Ltd. | Calibration device and calibration method |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2556095C1 (en) * | 2011-05-07 | 2015-07-10 | Абб Аг | Method for recognition and tracking of position of moving pick-and-place device/loading device of wheel-blade excavator or multibucket chain excavator |
| US9644346B2 (en) * | 2014-05-14 | 2017-05-09 | Komatsu Ltd. | Calibration system and calibration method for excavator |
| US9428885B2 (en) * | 2014-09-15 | 2016-08-30 | Trimble Navigation Limited | Guidance system for earthmoving machinery |
| RU2650857C1 (en) * | 2017-04-06 | 2018-04-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") | System for determining geometric parameters of three-dimensional objects |
| JP2018184815A (en) * | 2017-04-27 | 2018-11-22 | 株式会社小松製作所 | Calibration device of imaging device, work machine and calibration method |
| US20230250617A1 (en) * | 2020-06-19 | 2023-08-10 | Komatsu Ltd. | Calibration device and calibration method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106715800B (en) | Guidance system for earth-moving plant | |
| EP3951076B1 (en) | Work machine | |
| US9310482B2 (en) | Methods for locating and sensing the position, orientation, and contour of a work object in a robotic system | |
| AU2012282360B2 (en) | Method and arrangement for calibrating sensors in drilling equipment | |
| US20120029870A1 (en) | Method and system for automatically performing a study of a multi-dimensional space | |
| US9481984B2 (en) | Calibration device for work machine and calibration method of working equipment parameter for work machine | |
| WO1997012202A1 (en) | Structure measuring system | |
| CN109614743A (en) | Excavator and bucket positioning method, electronic equipment, storage medium | |
| CA2719953A1 (en) | A method for position-calibration of a digging assembly for electric mining shovels | |
| JP2001264062A (en) | Method and device for calibrating contactless gauging sensor to external coordinate system | |
| JP6918524B2 (en) | Inclination sensor correction amount acquisition method for construction work machines | |
| CN104236466A (en) | Measuring system for detecting repeated positioning accuracy of manipulators | |
| JP7341632B2 (en) | reflective target | |
| RU2830703C1 (en) | Calibration system and method of determining geometrical parameters of working elements for automation of construction equipment operation | |
| CN111851634B (en) | Measuring arrangement for measuring the three-dimensional position and orientation of the central axis of a first shaft relative to the central axis of a second shaft | |
| JP2002181538A (en) | Construction edge position detection device using GPS | |
| WO2018164078A1 (en) | Method for acquiring center of rotation of rotating member in construction work machinery | |
| JP5046218B2 (en) | Position detection method and apparatus using GPS in construction machine for civil engineering | |
| JP6905137B2 (en) | Inclination sensor correction amount acquisition method for construction work machines | |
| JP7684234B2 (en) | Calibration value calculation method | |
| KR100982300B1 (en) | Indoor Positioning System and Indoor Positioning Method Using a Portable Device | |
| KR200191599Y1 (en) | Dredging system using differential global positioning system | |
| JPH07113640A (en) | Method and equipment for measuring attitude of excavator by laser distance measurement | |
| JP7277398B2 (en) | Orientation measurement method for heavy machinery | |
| CN115855044B (en) | Robot positioning method and system |