СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МАШИНОЙ
METHOD OF MACHINE CONTROL

Изобретение относится к транспортно-технологическим и грузоподъемным машинам и может использоваться в управлении, например, различными лесными машинами, погрузчиками, экскаваторами, грузоподъемными кранами, строительными машинами.
Известна валочно-пакетирующая машина ЛП - 19 (Кругов B.C., Барман М.А., Ермольев В.П., Королев В.Е., Попов Б.В. - М.: Лесная промышленность, 1982 г., 288 с.) Технологический процесс машины ЛП - 19 складывается из переездов по лесосеке, спиливании и пакетировании деревьев. Совершив переезд, машина останавливается таким образом, чтобы очередная группа деревьев находилась в пределах рабочей зоны стрелы. Следующей операцией является наводка захватно-срезающего устройства (рабочего органа) на дерево, которая осуществляется непосредственно оператором посредством управляющих рычагов и педалей. Движениями стрелы и поворотом платформы ЗСУ прижимают призмами к стволу так, чтобы пильный механизм располагался у комля дерева. Затем производят зажим ствола рычагами захвата, его натяг вверх движением стрелы и спиливание. Операция пакетирования начинается после отделения ствола от корня. Она складывается из подъема ствола, подтягивания его к машине, поворота платформы к пачке и укладки ствола в пачку (стр.11). Оператор должен обеспечить плавный, без рывков, резких разгонов и торможений пуск и остановку всех движений платформы и манипулятора.
Недостатком данного способа наведения и управления рабочим органом лесной машины является то, что всеми движениями машины оператор управляет при помощи кнопок, ручек и педалей управления, что требует наработанных навыков и постоянного внимания. Монотонность работы и однообразные движения приводят к неточности выполнения движений и быстрой утомляемости оператора.
Данным изобретением решается вопрос оптимизаций действий оператора и машины за счет частичной автоматизации процесса наведения рабочего органа машины на объект, с последующей компьютерной обработкой данных и выдачей соответствующих команд на исполнительные механизмы машины и ее подвижных частей, что дает снижение трудозатрат и более высокую производительность.
Это достигается тем, что в предложенном способе управления машиной оператором, особенностью является то, что перед началом выполнения работ устанавливают значения параметров для управления машиной, далее оператор указывает направление на объект, с одновременным измерением, по меньшей мере, одного угла направления на объект относительно базового направления, с последующим автоматизированным управлением движениями машины и/или ее подвижных частей, при этом значения параметров заносят в систему управления машиной на предприятии изготовителе и/или при настройке машины к условиям эксплуатации и/или перед обработкой нескольких однотипных объектов, с возможностью корректировки некоторых параметров оператором и значения параметров заносят исходя из особенностей окружающей среды, объекта обработки, технологии, выполняемых работ и техническими данными машины.
Причем базовое направление задают относительно: магнитного поля земли и/или оси гироскопа, и/или текущего или базового положения машины, и/или ее подвижных частей, и/или местоположения окружающих неподвижных объектов, и/или относительно положения машины, определяемого, например, посредством спутниковой системы навигации.
Одновременно с измерением угла направления на объект измеряют расстояние до объекта, для использования совместно с ранее введенными данными при автоматизированном управлении машиной и/или ее подвижными частями, а одновременно с указанием угла направления на объект задают угол поворота объекта, например, дополнительным поворотом целеуказателя вокруг его оси, для использования совместно с ранее введенными данными при автоматизированном управлении машиной и/или ее подвижными частями.
Движение машиной и/или ее подвижными частями по указанному направлению прекращают в момент достижения машиной и/или ее подвижными частями заданного расстояния до объекта, который определяется при помощи соответствующего датчика, реагирующего на приближение к объекту или на касание объекта, и/или при помощи видеокамеры, а при достижении объекта автоматически производят дополнительное перемещение машины и/или ее подвижных частей, и/или выполнение заданной в этом положении операции.
Оператор может указывать направление при помощи пятна луча дальномера, например, лазерного или целеуказателя или прицельного устройства, которое может быть выполнено в виде визира, например, указание направления осуществляют через визир, который выполнен в виде соответственно расположенной видеокамеры и экрана монитора и через визир с функцией увеличения изображения.
Измерение расстояния до места обработки объекта осуществляют дальномером, а измерение углов осуществляют при помощи встроенных в дальномер датчиков угла поворота и/или внешних датчиков угла поворота, связанных с дальномером или с другим устройством указания.
Оператор может указывать направление на объект выбором этого объекта на экране монитора, который отображает простое или объемное изображение, по меньшей мере, с одной видеокамеры, причем, оператор указывает направление на объект выбором этого объекта на экране монитора, посредством компьютерной мыши и/или джойстика и/или указкой и/или клавиатурой и/или касанием сенсорного экрана пальцем или рукой и/или стилусом, с автоматическим измерением угла направления на объект, при этом, с одновременным измерением угла направления на объект, определяют расстояние до объекта способом автофокусировки видеокамеры на указанный оператором объект.
Оператор может указывать направление на объект выбором этого объекта на изображении, которое проецируется на стекло кабины или выбором этого объекта на экране монитора, который может отображать изображение окружающей среды и дополненную реальность.
При необходимости, в систему управления машины вносят техническое задание на обработку объекта или объектов, с указанием их расположения, например, в виде технологической карты работы машины, с последующим использованием этих данных для автоматизированного управления движениями машины и/или ее подвижными частями.
Оператор может указать несколько объектов, не ожидая начала операции или окончания текущей, с последующей автоматизированной обработкой всех указанных объектов, при этом, последовательность обработки указанных объектов повторяет последовательность указаний объектов оператором или может быть автоматически изменена для оптимизации процесса обработки и выполнение рабочих действий машиной после указания объекта, осуществляют автоматически, используя информацию о фактическом положении, скоростях, ускорениях и усилиях с соответствующих датчиков, связанных с машиной и/или ее подвижными частями.
Оператор может указывать положение объекта с дистанционного устройства управления, находясь вне машины.
Указывая направление на объект, оператор, указывает часть объекта или место обработки объекта или одну или несколько границ объекта.
При перемещении машины, указанные ранее направления и/или запомненные координаты положения машины и/или ее подвижных частей автоматически корректируются с учетом величины и направления смещения машины.
Способ осуществляется следующим образом.
Оператор перед выполнением работ осуществляет проверку на предмет наличия в системе управления движениями машины установленных параметров и данные по выполняемой работе с прошлого периода и корректирует их, занося новые данные по выполнению намеченного задания по выполнению работ. Основные параметры заносят в систему управления машиной на предприятии изготовителе или при настройке машины к условиям эксплуатации или перед обработкой нескольких однотипных объектов, с возможностью корректировки некоторых параметров оператором. В некоторых случаях постоянные параметры корректируют, исходя из особенностей, связанных с окружающей средой, объекта обработки и технологических особенностей, связанных с выполняемыми работами и техническими данными машины.
Оператор устанавливает машину в положение, наиболее удобное для проведения запланированных технологических операций и переводит ее в рабочий режим. Далее оператор указывает направление на объект и одновременно с этим проводится измерение направления угла на объект относительно базового направления. Оператор выполняет эти операции необходимое количество раз, если требуется обработать несколько объектов. Данные автоматически заносятся в электронную память системы управления машиной для последующего автоматизированного управления движениями машины и ее подвижными частями.
Существует несколько вариантов привязки базового направления при измерении указанных углов направления, например, относительно магнитного поля земли (электронный компас) или встроенного гироскопа (широко используется в авиации и ракетной технике) или самой машины или кабины (продольной, вертикальной или поперечной оси) или местоположения неподвижных объектов (выбор которых может производиться оператором или автоматически - привязка на местности), или посредством спутниковой системы навигации. Наиболее востребованным будет вариант, когда базовое на правление задают относительно самой машины, т.к. во время выполнения большинства технологических операций она будет неподвижна.
Современные технологии позволяют применять несколько различных способов наведения подвижной части машины, например рабочего органа, на цель, которые обуславливаются применяемыми технологиями или устройствами. Оператор может указывать направление на объект в ручном (оператор указывает на объект и нажимает кнопку «запомнить») или автоматическом режиме измерения, используя, например, систему распознавания образов. Если это необходимо, то с одновременным измерением угла направления на объект измеряют расстояние до объекта и задают угол поворота объекта, для использования совместно с ранее введенными данными при автоматизированном управлении машиной и/или ее подвижными частями.
Указание угла направления на объект можно осуществлять при помощи пятна луча дальномера, например, лазерного или целеуказателя или прицельного устройства, которое может быть выполнено в виде визира, который, в свою очередь, может быть выполнен в виде соответственно расположенной видеокамеры с дисплеем и с функцией увеличения изображения. Измерение расстояния до места обработки объекта осуществляют дальномером, а измерение углов направления на объект и/или поворота объекта можно осуществлять при помощи встроенных в дальномер датчиков угла поворота и/или внешних датчиков углов поворота, связанных с дальномером или с другим измерительным или указывающим устройством. При указании угла поворота объекта используется пятно лазерного дальномера в виде линии, стрелки или другого геометрического обозначения, поворачивая которые, однозначно можно показать положение объекта при повернутом состоянии. Это может быть полезно при погрузке неровно лежащих бревен - знание угла поворота позволит более эффективно автоматически захватить бревно.
Считывание сигнала с датчиков может производиться различными, широко применяемыми в современной технике способами, которые зависят от типа датчика и протокола передачи данных. Очень распространенным способом автоматического передачи информации по проводам является RS-485 протокол. Возможны и другие способы автоматической передачи информации: через инфракрасный порт, по радиоканалу и др. Датчиков может быть один, два и более, их расположение не существенно, главное, чтобы они дали в компьютерную систему значения угла(ов) поворота при указании цели/объекта.
Типов датчиков углов поворота известно несколько: фотоимпульсный, емкостный, электромагнитный, гироскопический и т.д. с десятками видов. Какие именно датчики будут использоваться некритично, они должны обеспечить заданную точность и ресурс работы.
В заявляемом нами способе, например, при управлении погрузчиком-манипулятором, система управления машины запоминает указанное оператором направление на объект и поворачивает подвижную часть машины в запомненном направлении. Следующим действием происходит выдвижение подвижной части, например, манипулятора вперед до касания открытым захватным устройством бревна, которое определяется по срабатыванию соответствующего датчика или по изображению с видеокамеры. В случае измерения и расстояния до объекта происходит выдвижение захвата манипулятором на это расстояние с контролем касания или без такового. Знание расстояния позволяет в частности оптимизировать траекторию перемещения и увеличить скорость, вплоть до самого объекта. В некоторых случаях требуется дополнительное движение после достижения объекта, например, к месту захвата (середине бревна).
При указании или расчете всех координат объекта система управления начинает движение машины и ее подвижных частей к нему по оптимальной траектории, в частности, для повышения производительности. В простейшем случае указания только направления, система включает привод, например, поворота подвижной части машины в сторону уменьшения рассогласования текущего положения подвижной части и запомненного направления на объект. В момент их совпадения подвижная часть, например манипулятор, окажется направленным на объект. Далее может быть автоматически включено движение манипулятора вперед до объекта.
Все компьютерные расчеты, в простейшем случае, сводятся к тому, чтобы сравнивать текущее положение подвижной части машины с заданным и выдавать управляющий сигнал на движение этой подвижной части, а при совпадении выдать сигнал на технологическую операцию, например, захвата объекта и его обработку. Для промышленных роботов пересчет координат указанной точки в положение звеньев называется «обратная задача кинематики». Движение подвижной части машины по указанному направлению прекращают в момент достижения объекта или при появлении помехи
Удобен вариант, когда оператор указывает положение места обработки на экране монитора, который отображает простое или объемное изображение с видеокамеры. Этот вариант можно использовать, например, при дистанционном управлении, Здесь можно использовать несколько вариантов указания на объект, это использование компьютерной мыши, джойстика, специальной указки, клавиатуры или касание экрана пальцем, рукой или стилусом, если экран сенсорный. Все эти варианты широко применяются в компьютерных технологиях и не требуют специальных разработок для их реализации. Определение расстояния до места обработки объекта, при этом, определяют способом автофокусировки видеокамеры на указанное оператором место обработки с одновременным измерением угла направления на объект.
Для наглядности и более точного выполнения работ оператор указывает положение места обработки на экране монитора, который отображает изображение с двух или более установленных видеокамер, в частности, получая 3D изображение. При использовании в работе изображения, проецируемого на стекло кабины, оператор может следить за процессом через стекло и видеть дополненную реальность (дополнение реальности любыми виртуальными элементами) окружающей обстановки.
При выполнении некоторых работ бывает необходимость предварительно оценить весь объем и сложность представляемых работ, снизить требования к квалификации исполнителя при выполнении работ. В систему управления вносят техническое задание на обработку объекта, с указанием расположения мест обработки объекта, техническое задание может разрабатываться более квалифицированным работником и позволяет повысить производительность работы машины. Для этого можно использовать переносное измерительное устройство, служащее для планирования работ и составления технологической карты работы машины, данные с которой можно переносить в систему управления машины, с последующим использованием этих данных для автоматизированного управления движениями машины и ее подвижных частей.
В ходе работ оператор может указать несколько мест обработки, не ожидая начала операции или при выполнении текущей, с последующей автоматизированной обработкой всех указанных действий. Выполнение рабочих действий машиной после указания мест обработки, осуществляют автоматически, используя информацию о фактическом положении, скоростях и ускорениях с соответствующих датчиков, связанных со всеми подвижными частями машины.
Для повышения безопасности работы можно прервать или приостановить выполнение автоматического цикла и перевести на ручное управление воздействием на рычаги или педали, или нажатием кнопки «стоп» или снятием руки или ноги с кнопки, рычага или педали «автоматический цикл».
В некоторых случаях оператору удобнее или безопаснее указать положение объекта с дистанционного устройства управления, находясь вне машины.
Для удобства работы часть действий машины, сопровождают звуковой и/или визуальной информацией, предупреждая оператора соответствующим сигналом, например, при перегрузке машины и/или при изменении окружающей обстановки или подтверждая правильность выполнения выбранных операций.
Указывая направление на объект, оператор для повышения точности работ может указать только часть объекта или само место обработки объекта или границы объекта. Особенно целесообразно такое указание при задании экскаватору границ выемки грунта.
Рассмотрим реализацию предлагаемого способа при управлении работой валочно-пакетирующей машины или харвестера при валке деревьев. Оператор устанавливает лесосечную машину в положение, наиболее удобное для проведения запланированных технологических операций. Рассмотрим применение оператором для указания мест обработки объекта такое устройство, как лазерный дальномер. Взяв в руку дальномер, который закреплен в кабине с возможностью поворота, оператор поворачивает его так, чтобы пятно луча оказалось на дереве в месте будущего спила. Нажав на кнопку, оператор инициирует процедуру фиксации направления на объект, т.е. измеряется угол направления на место обработки объекта относительно базового направления. Система управления считывает с соответствующих датчиков углы поворота дальномера и, если это необходимо, значение измеренного дальномером расстояния. Угол поворота до дерева, расстояние до него и высота спила, однозначно определяют точку захвата и спила дерева.
Возможен вариант следящей системы управления по расстоянию захватно-срезающего устройства или харвестерной головки от поверхности земли. Тогда высота спила дерева может быть введена заранее и автоматически выдерживаться без участия оператора.
Возможен вариант без измерения расстояния до дерева. Т.е. для выполнения операции захвата и срезания дерева в зоне доступности достаточно задать направление на дерево и выдвигать манипулятор вперед, до касания с ним и автоматически отслеживать высоту рабочего органа.
Дальнейшие операции происходят в автоматическом режиме. Для осуществления захвата система управления производит необходимые расчеты. Если машина может дотянуться до указанной точки, то следующим шагом производится расчет оптимальной траектории перемещения захвата из текущего положения в указанную точку. Далее система управления управляет движениями машины, поворотной платформы, звеньев манипулятора, захватного устройства, срезающего устройства и т.д., вплоть до осуществления спила дерева. На время этих операций оператор только наблюдает за движениями лесосечной машины, что позволяет уменьшить утомляемость оператора и более точно выполнять перемещения рабочего органа.
Данный способ может применяться для машин с такими подвижными частями, как: поворотная платформа, захват манипулятора, крюк и стрела крана, стрела, захватно-срезающее устройство или харвестерная головка лесосечной машины, отвал бульдозера, ковш экскаватора, манипуляторы на автомобилях и др.
Для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.
Перед началом выполнения работ устанавливают значения параметров для управления машиной, в частности, высоту срезания дерева, далее оператор указывает направление на объект (дерево), при этом измеряется угол направления на объект относительно установленного базового направления, и при помощи этих данных осуществляется последующее автоматизированное перемещение машины и/или ее подвижных частей в указанном направлении до достижения подвижной частью машины, например, харвестерной головки указанного дерева, его захвата и спиливания.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».
Предложенный способ позволит снизить затраты при работе на машинах, имеющих рабочий орган и повысить производительность труда путем более рационального осуществления технологических операций машиной.