Inertial Measurement Network Design and Prototyping for Intelligent Hydraulic Machines

Abstract

Robotisation of heavy machinery requires extensive sensing of the working environment and the motion state of the machine in relation to its environment. Inertial measurements provide a cost effective way of acquiring the pose of the machine and its parts. There are multiple earlier inertial measurement device designs that have been used in the context of heavy machinery automation research. A new, more modular design was proposed and developed as part of this thesis. The new design leverages modern communication features and enables experimenting with different sensors with relatively low effort.

A concept for the new device was first drawn up. After some critical components had been selected, the concept could be turned into an actual design. The design was refined and finalised, after which prototypes could be manufactured. When the functional prototypes proved the design to be working, they could be tested on a hydraulic manipulator, similar to the use case.

The sensor network formed with the new devices proved to perform better than the previously used system. The modularity of the devices enables further hardware development and future improvements. They also provide a platform for developing more sophisticated software with additional features.

Raskaiden työkoneiden robotisointi vaatii sekä laajamittaista ympäristön aistimista, että työkoneen oman tai sisäisen liiketilan aistimista ympäristöön nähden. Inertiamittaus on kustannustehokas tapa saada koneen ja sen osien asento mitatuksi. Useita erilaisia työkoneiden automatisoinnin tutkimukseen tarkoitettuja inertiamittauslaitteita on kehitetty aiemmin. Uutta, modulaarisempaa laitetta ehdotettiin ja se kehitettiin osana tätä diplomityötä. Uusi laite hyödyntää moderneja tiedonsiirto-ominaisuuksia ja mahdollistaa erilaisten anturien kokeilemisen suhteellisen vähällä vaivalla.

Uudesta laitteesta luotiin ensin konsepti. Joidenkin kriittisten komponenttivalintojen jälkeen konsepti saatettiin muuttaa varsinaiseksi laitesuunnitelmaksi. Suunnitelman hiomisen ja viimeistelyn jälkeen voitiin valmistaa prototyypit. Kun toiminnalliset prototyypit osoittivat laitesuunnitelman toimivan, voitiin siirtyä niiden koestamiseen hydraulipuomissa, joka vastaa käyttökohdetta.

Uusien laitteiden muodostama anturiverkko osoittautui paremmin toimivaksi, kuin aiemmin käytössä ollut järjestelmä. Laitteiden modulaarisuus mahdollistaa laitteiston jatkokehittämisen sekä parannukset tulevaisuudessa. Ne tarjoavat myös alustan monimutkaisempien, lisätoiminnallisuuksia sisältävien ohjelmistojen kehittämiselle.