6. ANALIZA SYMULACYJNA DZIAŁANIA INTERAKTYWNEGO REGULATORA W
6.3. STE ROWANIE INTERAK TYWNE
Rys. 6.28. Ścieżka ruchu ciągnika wzdłuż referencyjnej ścieżki typu „ósemka”
Podczas symulacji uwzględniono zjawisko poślizgu kół. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że ciągnik systematycznie zmierza do ścieżki referencyjnej, jednak zauważalne są duże odchyłki jazdy. Jest to skutkiem nastaw parametrów układu regulacji automatycznej, a poprzez ich zmianę można by wpływać na dokładności odwzorowania wymaganych ścieżek.
6.3. Sterowanie interaktywne
Dotychczas opracowywane układy sterowania rolniczymi pojazdami autonomicznymi dobrze realizują swoje zadania podczas jazdy równoległej na polu. Uzyskiwane dokładności jazdy są wystarczające dla niewymagających procesów technologicznych typu opryskiwanie, koszenie, zbiory plonów. Część z tych układów umożliwia sterowanie maszynami autonomicznymi w czasie rzeczywistym w zależności od informacji otrzymywanych z kamer i czujników. Dla wielu procesów technologicznych wymagane jest wprowadzenie mapy jazdy
przed rozpoczęciem prac polowych. Mapa jazdy wgrywana zostaje do podsystemu definiowania trajektorii w układzie sterowania, co nie stanowi dużego problemu, w przeciwieństwie do samego procesu przygotowania wymaganej mapy. Już przygotowanie zbioru punktów referencyjnych staje się dużym wyzwaniem dla operatorów maszyn rolniczych, szczególnie dla tych niewykwalifikowanych. Wymagane jest, aby każdy proces technologiczny miał swoją oddzielną mapę jazdy ze względu na różne szerokości robocze agregowanych z ciągnikiem maszyn. Przygotowanie maszyny do jazdy autonomicznej jest nie tylko problematyczne, ale przede wszystkim czasochłonne. Należy zaznaczyć, że pełna jazda autonomiczna wyklucza uczestnictwo człowieka w prowadzeniu pojazdu i wówczas operator traci możliwość kontroli ruchu podczas trwania procesu w czasie rzeczywistym. Jest to duże ograniczenie, gdyż proces jazdy autonomicznej może odbywać się tylko w obrębie pola, w obszarach, gdzie nie są obecni ludzie.
Zachowanie pełnej kontroli nad realizowaną ścieżką ruchu maszyn i agregatów rolniczych jest niezwykle ważne. Zatem, w ramach niniejszej rozprawy, wobec wspomnianych problemów ze stosowaniem w rolnictwie układów sterowania autonomicznego, proponuje się rozwiązanie zwane sterowaniem interaktywnym. W tym podejściu (rozwiązaniu interaktywnym), w odróżnieniu od układów w pełni autonomicznych, kierowca będzie miał możliwość ciągłej (przede wszystkim łatwej) parametryzacji i korekty toru ruchu w czasie rzeczywistym (rys. 6.29). Zastosowanie proponowanego systemu da możliwość użytkowania maszyn wspomagających prowadzenie wzdłuż wymaganej ścieżki także poza polami, np. podczas dojazdu do pól lub podczas transportu płodów rolnych pomiędzy polami a miejscami ich składowania. Tego rodzaju układ sterowania przystosowany będzie nie tylko do realizacji jazdy równoległej ale przede wszystkim do jazdy krzywoliniowej, która pojawia się szczególnie podczas przejazdów transportowych.
STEROWANIE W PEŁNI AUTONOMICZNE
METODY STEROWANIA
POJAZDEM
STEROWANIE INTERAKTYWNE
KONIECZNOŚĆ CYFROWEGO ZADANIA CAŁEJ
ŚCIEŻKI RUCHU
SYSTEMATYCZNE PODAWANIE
PUNKTÓW DOCELOWYCH PODCZAS JAZDY
∞
Rys. 6.29. Porównanie sterowania interaktywnego ze sterowaniem w pełni autonomicznym
Sterowanie interaktywne (z regulatorem o działaniu interaktywnym, rys. 6.30), w zaproponowanej postaci, polega na zastosowaniu zmodyfikowanych nieco układów sterowania automatycznego jako urządzeń tylko wspomagających pracę kierowcy, a nie ją zastępujących. W rozwiązaniu tym przewiduje się, że główną rolę w sterowaniu (kierowaniu) pojazdem rolniczym będzie pełnił kierowca. Będzie on wyznaczał doraźne, lokalne cele wspomagającemu go systemowi sterowania. Cele te będą realizowane właśnie przez ten system. Kierowca zachowa przy tym ogólną kontrolę nad wykonywanymi manewrami i w razie potrzeby może podjąć interwencję, np. za pomocą kierownicy. Przyjmuje się przy tym, że jakość pracy sterownika automatycznego będzie nie gorsza niż jakość pracy zmęczonego kierowcy. Taki tryb pracy nie będzie wymagał od kierowcy tak dużego skupienia jak w sytuacji działania samodzielnego, bez wspomagania ze strony interaktywnego układu wspomagającego.
Wybór przez kierowcę pozycji docelowej lub jego
oddziaływanie na koło kierownicze
Agregat rolniczy Prawo regulacji
automatycznej REGULATOR
∞
Blok wyboru punktów docelowych przez kierowcę
V Θk
Uwzględnienie zakłóceń (poślizgi)
VFs
Vy
Vx Blok sterowania ruchem
Blok kontroli pozycji pojazdu
Kontrola pozycji pojazdu
Osiągnięto pozycję docelową?
TAK NIE
[xD, yD, ΘD]T
Rys. 6.30. Schemat ogólny układu sterowania z regulatorem o działaniu interaktywnym
Sterowanie z regulatorem o działaniu interaktywnym działającym w myśl zasady
„interakcja kierowca-regulator-maszyna” stanowi połączenie człowieka z systemem, który będzie go wspomagał. Zgodnie z rys. 6.31, w pierwszym etapie (1) kierowca maszyny lub agregatu rolniczego obiera punkt docelowy (referencyjny), np. za pomocą wskazania palcem na wyświetlaczu, na którym wyświetlony jest rzeczywisty obraz otoczenia z kamery.
Wskazanie zostaje przetworzone na współrzędne, które zostają wykorzystane przez układ regulacji automatycznej. Kierowca dokonując wskazania punktu docelowego oddziałuje na regulator, a z kolei układ kontroli ruchu (regulator) oddziałuje na ruch maszyny (2). Interakcja
kierowca-regulator- maszyna zapewnia ruch wzdłuż wymaganej ścieżki ruchu (3), co będzie przekładać się na poprawę jakości realizacji ścieżki podczas wykonywania czynności agrotechnicznych.
Opracowanie systemu obierania punktów docelowych przez kierowcę oraz sposób przetwarzania wskazań na współrzędne nie mieści się w ramach niniejszej rozprawy.
Układ kontroli ruchu
Ruch wzdłuż wymaganej
ścieżki
Zasada interakcji kierowca-regulator-maszyna
1
3
2
Rys. 6.31. Zasada interakcji kierowca-regulator-maszyna
Układ sterowania z regulatorem o działaniu interaktywnym przedstawiony na rys. 6.32 opracowany został zgodnie ze schematem ogólnym zobrazowanym na rys. 6.30, działającym w pętli sprzężenia zwrotnego. Na podstawie współrzędnych punktów referencyjnych obranych przez kierowcę określane są błędy regulacji automatycznej, które wykorzystywane są przez regulator do określenia kąta skrętu kół, po czym następuje przesterowanie agregatu rolniczego. W bloku kontroli osiągnięcia punktu docelowego następuje sprawdzenie, czy agregat rolniczy osiągnął obraną przez kierowcę pozycję docelową. Dane z tego bloku są wysyłane do regulatora aż do momentu osiągnięcia wymaganej pozycji przez maszynę.
Osiągnięcie pozycji skutkuje wysłaniem informacji zwrotnej do kierowcy, który obiera kolejną pozycję referencyjną.
Rys. 6.32. Układ sterowania z regulatorem o działaniu interaktywnym (oprac. własne)
Do badań symulacyjnych wykorzystano model ciągnika rolniczego marki Ursus 4512 o rozstawie osi 2,223 m. Celem badań było zweryfikowanie poprawności działania opracowanego układu sterowania z regulatorem o działaniu interaktywnym podczas jazdy po torze referencyjnym typu „ósemka” (rys. 6.33). Ścieżka referencyjna jest zgodna ze ścieżką, która była wzorcem dla kierowcy ciągnika rolniczego z opryskiwaczem sadowniczym podczas eksperymentalnych badań terenowych opisanych w rozdziale 5. Na rys. 6.33 zielone punkty przedstawiają pozycje referencyjne obierane przez kierowcę, przy czym odległości pomiędzy nimi są różne. Na podstawie przeprowadzonych symulacji stwierdzono, że układ sterowania o działaniu interaktywnym prawidłowo realizuje funkcje sterowania maszyną rolniczą wzdłuż wymaganej ścieżki ruchu. Dokładność realizacji ścieżki ruchu jest uzależniona przede wszystkim od odległości obranego punktu przez kierowcę od pozycji aktualnej maszyny. Im częstsze są wskazania punktów, tym tor jazdy jest bliższy wymaganego. W przedziale współrzędnych od -20 do 20 m względem osi x, błąd realizacji trajektorii wynosił aż 1,2 m ze względu na dużą odległość obranego punktu referencyjnego, wynoszącą ponad 40 m. Przy tak dużej odległości regulator prowadził ciągnik wzdłuż odcinka prostego, co skutkowało brakiem odzwierciedlenia krzywizny toru wzorcowego. K ierowca w znacznym stopniu jest odpowiedzialny za osiągane dokładności jazdy poprzez swoje wskazania.
Błąd realizacji trajektorii: ok. 1,2 m
Błąd realizacji trajektorii: ok. 0,2 m
Rys. 6.33. Symulacyjna ścieżka ruchu ciągnika rolniczego ze sterowaniem interaktywnym odniesiona do
ścieżki referencyjnej. Punkty zielone przedstawiają punkty referencyjne obierane przez kierowcę
Na rys. 6.34 przedstawiono symulacyjną ścieżkę ruchu ciągnika rolniczego ze sterowaniem interaktywnym odniesioną do ścieżki referencyjnej i ścieżki ruchu ciągnika
zakreślonej podczas eksperymentalnych badań terenowych, natomiast na rys. 6.35 ścieżkę z symulacyjnej jazdy interaktywnej skonfrontowano ze ścieżką uzyskaną podczas symulacji układu w pełni autonomicznego z rozdziału 6.2.4.6.
Szybkie nadążanie ciągnika ze sterowaniem interaktywnym do
ścieżki referencyjnej
Błąd realizacji trajektorii bez wspomagania interaktywnego:
ok. 4 m
Rys. 6.34. Symulacyjna ścieżka ruchu ciągnika rolniczego ze sterowaniem interaktywnym odniesiona do ścieżki referencyjnej i ścieżki ruchu ciągnika podczas badań terenowych. Punkty zielone przedstawiają
punkty referencyjne obierane przez kierowcę
`
Błąd realizacji trajektorii: ok. 3,5 m
Rys. 6.35. Symulacyjna ścieżka ruchu ciągnika rolniczego ze sterowaniem interaktywnym odniesiona do ścieżki referencyjnej i symulacyjnej ścieżki ruchu ciągnika ze sterowaniem w pełni autonomicznym.
Punkty zielone przedstawiają punkty referencyjne obierane przez kierowcę
Odnosząc się do badań symulacyjnych ruchu ciągnika rolniczego ze sterowaniem działającym w myśl zasady „interakcja kierowca-regulator-maszyna” stwierdzono, że regulator o działaniu interaktywnym znacząco wpływa na prawidłowe zachowanie wymaganej ścieżki ruchu. Odmiennie było podczas eksperymentalnych badań tereno wych, gdzie kierowca poruszał się agregatem rolniczym bez wspomagania interaktywnego.
Wówczas pojawił się duży błąd realizacji trajektorii wynoszący ok. 4 m (rys. 6.34). Wynika z tego, że kierowcy maszyn rolniczych niekiedy zbyt swobodnie traktują tor, wzdłuż którego się poruszają, co niekorzystnie wpływa na dokładność jazdy. Z kolei, analizując wyniki badań symulacyjnych ruchu ciągnika przedstawione na rys. 6.35 widać jak duże są błędy jazdy maszyny całkowicie zautomatyzowanej. Zakłada się, że znajomość dynamiki procesu sterowania umożliwi skuteczne zmniejszenie tych błędów poprzez odpowiednie dostosowanie parametrów nastaw regulatora (układu sterowania). Mimo polepszenia dokładności jazdy, nadal problematyczna będzie parametryzacja całej ścieżki referencyjnej (rys. 6.29).
W aspekcie układu wspomagającego kierowcę z regulatorem o działaniu interaktywnym stwierdzono, że dokładność realizacji wymaganej ścieżki ruchu jest zależna przede wszystkim od częstości wskazań punktów referencyjnych przez kierowcę a także od ich lokalizacji na planowanej ścieżce. Szczególnie jest to istotne dla trajektorii nieregularnej, z mocno zmieniającą się krzywizną. Jednak problemy odpowiedniego doboru punktów referencyjnych pozostają poza zakresem niniejszej rozprawy. Przeprowadzona analiza jazdy po torze typu „ósemka” dotyczy przede wszystkim przejazdów transportowych, gdzie ruc hy są bardziej złożone, a otrzymany błąd realizacji trajektorii wynoszący 0,2 m jest akceptowalny (rys. 6.33). Należy zaznaczyć, że zwiększenie dokładności realizacji zamierzonej ścieżki ruchu dla potrzeb realizacji bardziej precyzyjnych manewrów może zostać osiągnięte poprzez częstsze wprowadzanie punktów docelowych przez kierowcę, szczególnie dla zaplanowanych torów krzywoliniowych (im mniejszy początkowy błąd regulacji automatycznej, tym korzystniej). Z kolei, w przypadku jazdy równoległej podczas realizacji zabiegów agrotechnicznych wystarczające jest zdefiniowanie punktu docelowego znajdującego się kilkadziesiąt metrów od pozycji aktualnej; wówczas ruch maszyny będzie odbywał się wzdłuż linii prostej przy założeniu zgodności orientacji początkowej z docelową.
Kolejną metodą zwiększania dokładności realizacji zamierzonej ścieżki ruchu jest umożliwienie oddziaływania kierowcy na regulator poprzez wprowadzanie korekty. Kierowca chcąc bezpośrednio oddziaływać na „szybkość” (zakres) zmian wyjścia regulatora przyczyniając się do zmniejszenia lub zwiększenia odchyleń pojazdu od ścieżki referencyjnej
w zależności od potrzeb, mógłby dokonywać korekty parametru istotnego. Wymaga to poznania dynamiki procesu sterowania regulatora, celem wytypowania jego parametrów istotnych (parametrów, zmiennych mających istotny wpływ na jego odpowiedź). Proces identyfikacji parametrów lub zmiennych z wykorzystaniem analizy wrażliwości zostanie przedstawiony w kolejnym rozdziale niniejszej rozprawy.