Kształtowanie układu komunikacji operator-maszyna dla zdalnie sterowanych maszyn roboczych

Transkrypt

1 TYPIAK Andrzej 1 Kształtowanie układu komunikacji operator-maszyna dla zdalnie sterowanych maszyn roboczych WSTĘP Problem komunikowania się operatora z maszyną jest szczególnie istotny zarówno z punktu widzenia ergonomii jak i stosowanych rozwiązań technicznych. W przypadku zdalnie sterowanej maszyny roboczej mamy do czynienia ze zdalną komunikacją ze stanowiska operatora lub za pośrednictwem przenośnego pulpitu. Zakres komunikacji zależy od poziomu automatyzacji maszyny. Ponieważ operator stanowi nadrzędny system decyzyjny, to komunikacja z maszyną powinna mu zapewnić odpowiedni poziom sprzężenia zwrotnego ułatwiającego podejmowanie decyzji. Jest to szczególnie istotne w przypadku maszyn roboczych, gdy operator musi podejmować decyzje natychmiast, przy braku czasu na konsultowanie decyzji. Rozważania zawarte w niniejszym artykule zostały zawężone do maszyn roboczych, które charakteryzują się mobilnością i należą do systemów probabilistycznych. Założenie to jest istotne, gdyż wyklucza możliwość traktowania tych maszyn, jako pewnej odmiany robotów. 1. ZAŁOŻENIA DO BUDOWY UKŁADÓW KOMUNIKACJI OPERATOR MOBILNA MASZYNA ROBOCZA Maszyna robocza określana jest często, jako klasyczny serwooperator, w którym następuje bezpośrednie przedłużenie efektorów człowieka (jego organów wykonawczych) wzmacniając również parametry lokomocyjne i manipulacyjne. W ocenie ergonomicznej układu sterowania maszyną, istotnym elementem jest tzw. wyczuwalność maszyny [5, 6]. Problem ten, aczkolwiek niezwiązany bezpośrednio z problematyką sterowania, ma istotne znaczenie w ocenie współpracy operatora z maszyną. W ergonomii, kontakt operatora z maszyną jest przedstawiany w postaci układu człowiek - maszyna połączonych wzajemnymi relacjami, z których najistotniejsza jest relacja sprzężenia zwrotnego stanowiącego podstawę korekcyjnego działania operatora. Takie podejście w rozpatrywaniu sterownia maszyną roboczą, nie może być stosowane, bo ogranicza proces sterowania wyłącznie do relacji pomiędzy operatorem i maszyną, pomijając istotny fakt bezpośredniego powiązania maszyny z realizowanym przez nią procesem i otoczeniem. Analiza struktury maszyn roboczych, w których sterowanie maszynami przedstawiano w szerszym, systemowym ujęciu była podstawą budowy modeli tych maszyn, uwzgledniających powiązania w układzie Maszyna - Operator Środowisko (MOS)(rys. 1). Powyższy schemat uwzględnia nie tylko oddziaływania w relacji operator-maszyna, maszyna-otoczenie ale także oddziaływania środowiska (podłoża, urabianego ośrodka i otoczenia atmosferycznego) na operatora [1,11]. Projektowane stanowiska kierowania maszynami roboczymi powinny spełniać zasady ergonomii, w celu zmniejszenia obciążenia psychicznego i fizycznego oraz wysiłku operatora. Zasady te należy wziąć pod uwagę podczas podziału zadań pomiędzy układy kierowania na stanowisku operatora i na maszynie. Wszystkie elementy sterownicze, sygnalizacyjne lub informacyjne powinny być łatwo zrozumiałe (intuicyjne) oraz umożliwiać pełne i jednoznaczne współdziałanie człowieka z maszyną. Szczególna uwaga w ocenie ergonomii stanowiska powinna być skierowana na: unikanie uciążliwych pozycji ciała i zakresu ruchów operatora podczas kierowania maszyną; elementy sterujące zwłaszcza 1 Wojskowa Akademia Techniczna im. J. Dąbrowskiego, Warszawa, ul. gen. S. Kaliskiego 2 tel andrzej.typiak@wat.edu.pl 6329

2 trzymane ręcznie, powinny być dostosowane do budowy anatomicznej a ich obsługiwanie nie powinno sprawiać wzmożonego wysiłku operatora. Rys. 1.Schemat powiązań systemu Maszyna Operator - Środowisko [11] Specyfika pracy maszyn roboczych powoduje, że projektowanie stanowiska zdalnego sterowania powinno uwzględniać nie tylko powyższe prawidłowości i wymagania, lecz także zapewnić operatorowi zobrazowanie otoczenia maszyny, jej położenie i orientację, oraz konfigurację osprzętów roboczych. Na rysunku 2 przedstawiono obszary rozmieszczenia głównych dźwigni i przełączników sterowniczych,oraz wskaźników na stanowisku kierowania uwzględniających zasady ergonomii. a) b) Rys. 2.Obszary rozmieszczenia na stanowisku operatora: a - dźwigni i przełączników sterowniczych, b wskaźników Istotnym problemem w zdalnym sterowaniu maszyną roboczą jest zapewnienie operatorowi możliwości sterowania maszyną i osprzętem roboczym na poziomie porównywalnym ze sterowaniem z kabiny [3, 4, 7, 9]. Realizowane jest to poprzez: dobór wielkości dźwigni i przycisków sterujących i ich rozmieszczenie zgodnie z zasadami ergonomii, w celu zapewnienia operatorowi możliwości generowania sygnałów sterujących w zaistniałych, często niesprzyjających warunkach; 6330

3 kształtowanie sygnałów sterujących w celu zmniejszenia wpływu opóźnień wnoszonych przez łącze transmisyjne. Percepcja operatora zdalnie sterowanej maszyny jest niepełna ponieważ jest on oddalony od środowiska jej działania (rys. 3). Dlatego istotnym zagadnieniem jest zapewnienie operatorowi świadomości sytuacyjnej poprzez: możliwość obserwacji położenia i orientacji maszyny, konfiguracji osprzętu roboczego oraz otoczenia maszyny; dostarczenie informacji o parametrach pracy układu napędowego maszyny; zmniejszenie zmęczenia operatora, poprzez zmniejszenie stopnia jego zaangażowania; zwiększenie wydajności sterowanej maszyny. Rys. 3.Sterowanie maszyną przez operatora za pomocą układu zdalnego sterowania 2. OPRACOWANIE PULPITU ZDALNEGO STEROWANIA MOBILNĄ MASZYNĄ ROBOCZĄ Analizując możliwości opracowania pulpitu zdalnego sterowania maszyną roboczą, przeanalizowano opracowania opisane w literaturze [2, 3, 8, 11], oraz wyniki badań zrealizowanych rozwiązań własnych [11]. Pierwsze rozwiązania wzorowane były na pulpitach zdalnie sterowanych robotów i manipulatorów. Stosowano dźwignie przechylne i włączniki działające na zasadzie włącz wyłącz i przełączniki wielopołożeniowe o ruchu obrotowym lub postępowym. Przeznaczone one były do sterowania elementami dwustanowymi. Sterując maszyną operator prowadził bezpośrednią obserwacjęmaszyny oraz otoczenia. Brak też było informacji o parametrach układów maszyny (prędkość obrotowa silnika napędowego, temperatura w układzie chłodzenia).pulpit z wyświetlaczem umożliwiał odbiór podstawowych danych o maszynie (rys. 4). a) b) Rys. 4.Pulpity zdalnego sterowania maszyną roboczą: a wyposażony w przyciski i dźwignie przechylne; b wyposażony w przełączniki, joysticki i wyświetlacz alfanumeryczny 6331

4 Poszukując rozwiązania pulpitu zdalnego sterowania, testowano komercyjne elementy sterujące i rozwiązania pulpitów zdalnego sterowania z uwzględnieniem podziału funkcji sterujących. W wyniku przeprowadzonych analiz i testów, zarówno na stanowisku badawczym [1] jak i na obiekcie rzeczywistym [10], opracowano nowatorskie rozwiązanie pulpitu zdalnego sterowania maszyną roboczą. Zapewnia on operatorowi realizację wszystkich funkcji roboczych maszyny, przy jednocześnie minimalnym obciążeniu operatora, co jest bardzo istotne z punktu widzenia precyzji realizowanych zadań. Programowalność pulpitu umożliwia łatwe tworzenie indywidualnego, czytelnego interfejsu użytkownika, który pozwala intuicyjnie sterować wybraną maszyną. Ciekłokrystaliczny, kolorowy wyświetlacz pozwala umieszczać na ekranie opracowane symbole graficzne realizowanych funkcji i wartości parametrów roboczych maszyny (rys. 5). Przekroczenie wartości dopuszczalnych wielkości istotnych z punktu widzenia poprawności działania zarówno układu napędowego jak i układu sterowania, sygnalizowane są na pulpicie odpowiednimi symbolami graficznymi i sygnałem dźwiękowym, przy jednoczesnym uruchomieniu procedur awaryjnych. Rys. 5.Przykładowe opracowane ikony wyświetlane na pulpicie operatora Z poziomu pulpitu możliwe jest sterowanie następującymi podzespołami lub funkcjami maszyny: prędkością i kierunkiem jazdy, osprzętami roboczymi, zawieszeniem maszyny, kamerami zainstalowanymi na pokładzie, zdalnym uruchamianiemmaszyny. Włączanie poszczególnych funkcji odbywa się z menu głównego pulpitu zdalnego sterowania. Po nawiązaniu połączenia radiowego pomiędzy pulpitem operatora a maszyną, klawisze funkcyjne udostępniają sterowanie wybranym podzespołem maszyny: układem zawieszenia maszyny (wykorzystywane między innymi podczas podejmowania ładunków o dużych masach); prędkością obrotową silnika napędowego i doborem charakterystyki sterowania; układem jazdy maszyny; kamerami zainstalowanymi na maszynie. Sterowanie jazdą maszyny i osprzętem roboczym realizowane jest z wykorzystaniem dwóch joysticków J1 (joystick prawy) i J2 (joystick lewy). Przełączanie pomiędzy trybem sterowania jazdą, a manipulacją osprzętem roboczym realizowane jest za pomocą prawego przycisku na joysticku J2 (1-rys. 6). Lewy przycisk (2-rys. 6) umożliwia wybór rodzaju skrętu maszyną (skręt konwencjonalny lub burtowy), a proporcjonalny przełącznik 3(rys. 6) steruje wychyleniem przepustnicy (prędkością obrotową silnika spalinowego). Menu główne posiada graficzną interpretację sygnałów sprzężenia zwrotnego od sterownika maszyny, informującą o kierunku prędkości obrotowej kół maszyny (5-rys. 6). 6332

5 Rys. 6.Przyporządkowanie komend sterujących dla elementów pulpitu zdalnego sterowania (opis w tekście) Menu sterowania zawieszeniem maszyny (rys. 7a) umożliwia wybranie następujących konfiguracji: pojedyncze koło, grupa kół (przód, środek, tył), burta maszyny (wszystkie koła z lewej, bądź prawej strony maszyny). W ten sposób operator może sterować niezależnie zawieszeniem poszczególnych kół lub wybranymi grupami. a) b) c) d) Rys. 7.Widok pulpitu operatora przy sterowaniu wybranymi podzespołami maszyny: a - menu sterowania zawieszeniem maszyny; b - menu sterowania kamerami systemu wizyjnego; c - menu sterowania orientacją oraz ogniskową kamer zamontowanych na maszynie; d -menu sterowania silnikiem napędowym maszyny Ponadto możliwe jest zadanie polecenia ładowania akumulatorów hydraulicznych (przycisk nr 1), otwarcie zaworów przelewowych komór siłowników zawieszenia (przycisk nr 3), bądź zablokowanie 6333

6 przepływu oleju hydraulicznego pomiędzy komorami (przycisk nr 2). Przycisk numer 8 powoduje powrót do menu głównego. Sterowania kamerami systemu wizyjnego odbywa się z wykorzystaniem menu kamer (rys. 7b).Operator może sterować orientacją oraz ogniskową trzech kamer obrotowych (na rys. 7c zaznaczono trzy sterowalne kamery). Przyciski 4 i 8 służą do wyboru sterowanej kamery. Wciśnięcie przycisku nr 1 powoduje, że dla wybranej kamery zwiększa się jej ogniskowa. Wciśnięcie przycisku nr 2 powoduje zatrzymanie zmiany ogniskowej kamery, a wciśnięcie przycisku nr 3 - zmniejszenie ogniskowej. Wciśnięcie przycisku nr 7 umożliwia powrót do menu głównego. Do sterowania kątem obrotu kamer służą przyciski funkcyjne: lewo, prawo, góra, dół, esc, znajdujące się w dolnej części pulpitu (rys. 7c). Realizują one odpowiednio funkcje: obrotu kamery w lewo, prawo, w górę, w dół, przemieszczenie kamery do zapamiętanej pozycji wyjściowej. Komendy sterujące kamerami wysyłane są do podsieci znajdującej się na maszynie, do sterowników głowic pracujących w systemie CAN. Interpretują one informacje z magistrali, rozpoznają adresata i przesyłają informację sterującą do odpowiedniej głowicy. Każda głowica sterowana jest z wykorzystaniem indywidualnego sterownika. Podstawową funkcją realizowaną z pulpitu zdalnego sterowania jest funkcja sterowania rozruchem silnika napędowego. Rozruch realizowany jest z poziomu menu sterowania silnikiem napędowym (rys. 7d). Rozpoczęcie procesu zdalnego rozruchu następuje po jednoczesnym przyciśnięciu przycisków 1 i 5. Procedura unieruchomienia silnika realizowane jest po powtórnym, jednoczesnym przyciśnięciu przycisków 1 i 5. Konieczność jednoczesnego wciśnięcia dwóch przycisków zdecydowanie zmniejsza możliwość przypadkowego uruchomienia bądź zatrzymania silnika napędowego. Na ekranie wyświetlacza wyświetlana jest graficzna informacja aktualnego stanu silnika, szczególnie istotna w warunkach braku dźwiękowego sprzężenia zwrotnego operatora ze sterowanąmaszyną, przy sterowaniu w funkcji teleoperacji (rys. 8). Rys. 8.Sterowanie maszyną roboczą za pomocą opracowanego pulpitu w układzie teleoperacji System sterowania silnikiem spalinowym poza podstawowymi funkcjami rozruchowymi, zapobiega przeciążeniu silnika, realizując funkcje rozbudowanego regulatora, który dobiera parametry pracy jednostki napędowej w zależności od obciążenia. Zmiana prędkości obrotowej silnika i wartości momentu obrotowego dostosowywana jest do obciążenia pochodzącego zarówno od układu jezdnego maszyny jak i osprzętu roboczego tak, aby nie doszło do unieruchomienia silnika w czasie wykonywania zadania 6334

7 Komendy z pulpitu zdalnego sterowania przekazywane są w standardzie CAN do sterownika znajdującego się na maszynie, gdzie są odpowiednio interpretowane, przetwarzane i wpuszczane do magistrali pokładowej, jako sygnały wykonawcze sterowania maszyną. WNIOSKI Problematyka kształtowania układ komunikacji operator maszyna robocza jest zagadnieniem, wymagającym znajomości nie tylko zagadnień technicznych, lecz również ergonomii i (nie w pełni zdefiniowanych) potrzeb użytkownika. Przedstawione w tym artykule rozwiązanie badawczego układu komunikacji operator maszyna stanowi podstawę do prowadzenia dalszych prac zarówno eksperymentalnych jak i koncepcyjnych. W przeprowadzonych rozważaniach wskazano na główny problem, który warunkuje realizację proponowanego układu zdalnego sterowania tj. opracowanie systemu wizualizacji pola pracy maszyny, który umożliwi sterowanie pracą maszyny w czasie rzeczywistym przez przeciętnie wyszkolonego operatora. Przenośny pulpit zdalnego sterowania dedykowany jest głównie do krótkotrwałego sterowania maszynami roboczymi. Stanowi on podstawę prowadzenia prac związanych z miniaturyzacją interfejsu operatora oraz testowaniem opracowywanych procedur sterujących. Bardzo istotnym zadaniem badawczym jest integrację części sprzętowej interfejsu z procedurami sterującymi w celu zwiększenia intuicyjności systemów sterujących. Ważnym zagadnieniem będącym być może przyszłościowym kierunkiem rozwoju interfejsów - jest integracja wizualizacji i automatyzacji pracy wybranych układów maszyny roboczej zapewniająca sprawniejszą realizację zadań przez operatora. Streszczenie Efektywna realizacja zadań przez zdalnie sterowaną maszynę roboczą zależna jest od zdolności do działania oddalonego od maszyny operatora. Możliwe jest to przez opracowanie interfejsu umożliwiającego zdalną manipulację i obserwację otoczenia maszyny. Projektowane stanowiska kierowania maszynami roboczymi powinny spełniać zasady ergonomii, w celu zmniejszenia obciążenia psychicznego i fizycznego oraz wysiłku operatora. W artykule przedstawiono wyniki prac nad opracowaniem przenośnego pulpitu do sterowania maszyną przy realizacji zadań wymagających precyzyjnego sterowania maszyną roboczą i jej osprzętem. Programowalność pulpitu umożliwia łatwe tworzenie indywidualnego, czytelnego interfejsu użytkownika, który pozwala intuicyjnie sterować wybraną maszyną. Opracowany pulpit stanowi podstawę prowadzenia prac związanych z miniaturyzacją interfejsu operatora oraz testowaniem opracowywanych procedur sterujących. Słowa kluczowe:zdalnie sterowana maszyna robocza, interfejs operator maszyna, pulpit zdalnego sterowania Shaping human - machineinterfacefor remote controlledworkingmachines Abstract Effective execution of tasks by a remote controlled working machines is dependent on the ability to work away from the operator. This is possible through the development of interface for remote manipulation and surrounding of machine. The proposed management positions working machines should meet the ergonomic principles in order to reduce the burden of mental and physical well operator effort. The article presents the results of the work on the development of a portable machine control panel to the tasks requiring precision control of the driven machine and its accessories. Programmability ofdesktop lets you easily create individual, clear user interface, which allows you to intuitively control the selected machine. Developed panel is the basis for all activities connected with the miniaturization of the operator interface and control testing developed procedures. Keywords: remote controlled working machine, interface human - machine, remote control panel BIBLIOGRAFIA 1. Bartnicki A., Łopatka M.J., Typiak A.: Problemy teleoperacji w sterowaniu bezzałogowymi platformami lądowymi, Technologie podwójnego zastosowania, WAT, Warszawa

8 2. Będkowski J., Majek K., Musialik P., Adamek A., Andrzejewski D, Czekaj D.: Towards terrestrial 3D data registration improved by parallel programming and evaluated with geodetic precision. Automation in Construction Volume 47, November 2014, Pages Dąbrowska A., Typiak R.: Universal Robotic Control Station for a grouping of unmanned engineering machines, Proceedings of 8th International Conference ITELMS Gnatowski M., Szklarski J., Typiak A.: Remotelycontrolledmilitaryvehicle map building, Prace naukowe Politechniki Warszawskiej seria Elektronika, z.182, p , Masłowski A., Ulatowski W.: Sterowanie i współpraca pojazdów AGV, Pomiary Automatyka Robotyka 2/2007 (10 str. płyta CD). 6. Murphy K iinni: Intelligent control for unmanned vehicles, World Automation Congress Conference (WAC 2000), Maui, HI, June 11-16, Muszyński T.: Research into drive systems of EOD robot, Journal of Kones Powertrain and transport, vol. 18, no 1, pp Skrzypczyński P.: Metody analizy i redukcji niepewności percepcji w systemie nawigacji robota mobilnego. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej. Poznań Trojnacki M., Szynkarczyk P., Andrzejuk A.: Tendencje rozwoju mobilnych robotów lądowych. Przegląd robotów mobilnych do zastosowań specjalnych. Pomiary Automatyka Robotyka 6/ Typiak A. i inni: Sprawozdanie z realizacji projektu rozwojowego pn.: Bezzałogowy pojazd do wykonywania zadań specjalnych w strefach zagrożenia. WAT Warszawa Typiak A: Sterowanie mobilnymi maszynami inżynieryjnymi w układzie teleoperacji. WAT, Warszawa 2013, ss