司南技术π·第8期 挖机引导系统架构及关键技术分享

核心导读

数字施工主要是为工程机械提供精准的作业引导和服务定位，以提高工程效率、作业安全。随着基建行业的不断发展，数字智能的持续提升，为了提升挖掘机工作装置控制智能化程度，特此分析挖掘机工作装置的几何结构关系。依据北东地(前右下)导航坐标系，约定建立挖掘机工作装置坐标系模型。

本期「司南技术π」聚焦于挖机引导系统架构及关键技术，通过建立模型，分析计算油缸位移长度到 D-H 参数的变换关系，确定运动链关节变化，最后绘制工作的作业图，让挖掘机的动臂、斗杆、伸缩臂、铲斗精准运作。

司南导航挖掘机引导系统现场作业

Part 1 

硬件结构

挖掘机引导系统硬件结构

Part 2

系统架构原理

2.1工作装置的结构及坐标系的建立

挖掘机工作装置结构，由动臂、斗杆、伸缩臂、 铲斗组成，步履式挖掘机工装置是典型的机械操作臂， 可以运用机械运动学理论方法进行建模和分析。 

这里将工作装置结构进行简化处理，并依据 D-H 约束方法建相应坐标系。

工作装置的坐标系

坐标系建立过程中，为了方便计算坐标系变换关系， 直接对坐标系O做平运动。在 D-H 方法建模中四个参数分别定义： 

ai — 连杆长度，是沿 zi-1 和轴 zi 之间沿轴线 xi 测得的距离； 

αi — 连杆扭曲，垂直于 xi 的平面内测得的轴线 zi-1 和 zi 之间的夹角，正向 zi-1 旋转到 zi ；

di — 连杆偏置 ，为从原点 Oi-1 到轴线沿轴 xi 与 Zi-1 交点之间的距离，沿轴线 Zi-1 测得；

 θi — 关节角度， 垂直于 Zi-1 的平面内测得的从 xi-1 到 xi 的角度。

2.2 关节变量参数范围计算

回转运动范围的计算

为使建模计算方便，从坐标系O1到坐标系O0变换时，变换关系如下

A1= Rotz TransV

挖掘机采用全回转，旋转变量 θ1 取值范围

动臂运动范围计算

从工作装置结构图，可得动臂关节角计算公式为： 

求得取值范围：

斗杆回转运动范围的计算

从工作装置结构图，动臂关节角计算公式为：

求得取值范围：

 伸缩臂关节运动范围计算

伸缩臂关节是移动关节，关节变量的运动范围与伸缩 

臂油缸的行程范围相同，所以0+1.9068 ≤ d5 ≤ 1.500+1.9068， 单位 m。

铲斗关节运动范围计算

从工作装置结构图，动臂关节角计算公式为：

在△ EHJ 和△ EFJ 中：

EF 为铲斗油缸安装距离：500 ≤ AB ≤ 500+825

在△ HO5J 中：

图中可以看出：

∠FJO5 = ∠HJO5-∠EJH-∠EJ

在△ FJO5 中 

在△ FO5G 中： 

在△ GO5O6 中：

最后求得取值范围：

Part 3

结语

正运动学通过机械关节变量的取值确定工作装置末端的位置和姿态，是机械控制与作业引导的重要基础。为实现数字施工的智能化与精确化，需要对挖掘机工作装置进行运动学分析，并建立基于右前下坐标系的参数化模型，准确刻画各部件的几何与运动关系。

该模型不仅为挖机引导系统的姿态解算、动作协调和轨迹规划提供支撑，也为施工过程的实时控制、效率提升和安全保障奠定基础。未来，结合多传感器融合与自适应控制策略，可进一步推动工程机械作业的自动化与智能化升级，实现更高效、更安全的施工目标。