Hard object detection inside soil with haptic sensing in excavator control
Priha, Teemu (2017)
Diplomityö
2017
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201710058905
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201710058905
Tiivistelmä
The problem with currently available remote-control systems for excavators is the completely non-existent operator feedback of forces affecting the excavator bucket during digging operations. This leads to problems in detecting underground obstacles like wires or water pipes, which could lead to costly damages. One possible solution for this problem is examined in this thesis by developing and studying a haptic control system for a simulation model of a remote-controlled excavator.
First, a literature review was conducted to establish a picture of previous research on the subject. The simulation model was created and run in real-time using Mevea Simulation software. A method based on calculating the torques on the joints of the excavator arm was used to determine the forces affecting the excavator bucket, with a finite impulse response filter utilized to screen out the dynamic forces in the system. The resulting force signal was then used to actuate an electric vibration motor embedded into a general-purpose mobile working machine joystick.
As a result of this work, a picture of haptic system research for earth moving machines was established. In addition, a control system for testing the haptic feedback was created and studied utilising real-time simulation. This system can be used for further studies on the subject, and the object detection system could be implemented to a real-world excavator. Nykyisten kauko-ohjattavien maansiirtokoneiden ongelmana on täydellinen fyysisen palautteen puute, jota koneen kuljettaja normaalisti hyödyntäisi työskennellessään koneen ohjaamosta käsin. Tämä voi johtaa ongelmiin ja aiheuttaa niin konkreettista kuin taloudellista vahinkoa kauhan osuessa maaperässä mahdollisesti oleviin kiinteisiin esteisiin, kuten lohkareisiin, putkiin tai sähköjohtoihin. Tämän työn tarkoituksena on tutkia yhtä mahdollista ratkaisua kyseiseen ongelmaan kehittämällä ohjausjärjestelmä, joka ensin tunnistaa kauhan osuman maaperässä piilossa olevaan esteeseen, sekä antaa kuljettajalle välittömästi haptisen palautteen tärisevän ohjaussauvan avulla. Ohjausjärjestelmän toimivuutta testataan reaaliaikaisessa simulaatioympäristössä.
Työ on jaettu kahteen osioon siten, että olemassa olevaa tutkimustietoa kerätään kirjallisuuskatsauksen avulla, jonka jälkeen haptinen ohjausjärjestelmä kehitetään toimimaan yhteistyössä Mevean tuottamalla reaaliaikaiseen simulaatioon perustuvalla alustalla. Esteentunnistus perustuu laskennalliseen menetelmään, jossa kaivurin puomin niveliin kohdistuvan väännön perusteella kyetään havaitsemaan epänormaalin suuret kaivurin kauhaan kohdistuvat voimat. Havaitessaan osuman, järjestelmä tuottaa tärinäsignaalin, joka lähetetään ohjaussauvaan integroituun tärinämoottoriin tuottaen kuljettajalle tiedon esteeseen osumisesta.
Työn tuloksena syntyi katsaus olemassa olevaan tutkimustietoon liittyen työkoneiden kauko-ohjaukseen sekä haptisen palautteen käyttämiseen vastaavissa sovelluksissa. Sen lisäksi haptisen palautteen tutkintaan kehitettiin kokeellinen järjestelmä reaaliaikaiseen simulaatiomalliin luodussa ympäristössä. Järjestelmä mahdollistaa jatkossa lisäkehityksen ja tutkimuksen simulaatioympäristössä, sekä vastaavan ohjausjärjestelmän implementoinnin tosimaailmaan.
First, a literature review was conducted to establish a picture of previous research on the subject. The simulation model was created and run in real-time using Mevea Simulation software. A method based on calculating the torques on the joints of the excavator arm was used to determine the forces affecting the excavator bucket, with a finite impulse response filter utilized to screen out the dynamic forces in the system. The resulting force signal was then used to actuate an electric vibration motor embedded into a general-purpose mobile working machine joystick.
As a result of this work, a picture of haptic system research for earth moving machines was established. In addition, a control system for testing the haptic feedback was created and studied utilising real-time simulation. This system can be used for further studies on the subject, and the object detection system could be implemented to a real-world excavator.
Työ on jaettu kahteen osioon siten, että olemassa olevaa tutkimustietoa kerätään kirjallisuuskatsauksen avulla, jonka jälkeen haptinen ohjausjärjestelmä kehitetään toimimaan yhteistyössä Mevean tuottamalla reaaliaikaiseen simulaatioon perustuvalla alustalla. Esteentunnistus perustuu laskennalliseen menetelmään, jossa kaivurin puomin niveliin kohdistuvan väännön perusteella kyetään havaitsemaan epänormaalin suuret kaivurin kauhaan kohdistuvat voimat. Havaitessaan osuman, järjestelmä tuottaa tärinäsignaalin, joka lähetetään ohjaussauvaan integroituun tärinämoottoriin tuottaen kuljettajalle tiedon esteeseen osumisesta.
Työn tuloksena syntyi katsaus olemassa olevaan tutkimustietoon liittyen työkoneiden kauko-ohjaukseen sekä haptisen palautteen käyttämiseen vastaavissa sovelluksissa. Sen lisäksi haptisen palautteen tutkintaan kehitettiin kokeellinen järjestelmä reaaliaikaiseen simulaatiomalliin luodussa ympäristössä. Järjestelmä mahdollistaa jatkossa lisäkehityksen ja tutkimuksen simulaatioympäristössä, sekä vastaavan ohjausjärjestelmän implementoinnin tosimaailmaan.