Metsäkoneen puomin kärkiohjauksen kehitys

Abstract

Metsäkoneiden operoinnin tehokkuudella on suora vaikutus polttoaineen kulutukseen. Tämän myötä metsäkoneiden ohjausjärjestelmiin on kehitetty uusia ohjausalgoritmeja, mikä yksinkertaistaa puomin ohjausta. Kärkiohjauksen myötä koneen ohjaussauvan yhdellä komennolla on mahdollista hallita kolmea eri sylinteriä samanaikaisesti. Yksinkertaisemman ohjauksen myötä erityisesti kokemattomien kuljettajien työn tehokuutta on mahdollista parantaa. Tämän pohjalta tässä työssä kehitettiin metsäkoneen puomin kärkiohjaus. Tarkoituksena oli kehittää kärkiohjaus prototyyppiharvesteriin, joka toimi testi- ja kehitysalustana koko projektin ajan. Kärkiohjauksen toimintaperiaatteeseen perehdyttiin ensin teorian kautta, minkä perusteella kehitettiin prototyyppiharvesterin ohjausjärjestelmään sopiva ohjausalgoritmi. Kehitystyössä käytettiin käytössä olevaa ohjausjärjestelmän suunnittelutyökalua. Ohjausalgoritmiin luotiin kinemaattinen malli, jolla puomin kärkipisteen sijainti saatiin laskettua. Algoritmin kehityksessä tuli huomioida parametrisointi, jotta algoritmia voitaisiin hyödyntää tulevaisuudessa eri puomien kanssa. Kärkipisteen sijainnin sekä ohjaussauvojen asennon kautta määriteltiin ohjauskomennot puomin hydrauliikkasylintereille. Sylinterien ohjaus tapahtui PID-säätimien avulla, jotka toimivat takaisinkytketyssä järjestelmässä puomin antureilta saadun mittausdatan perusteella. Kehitystyön pohjalta ohjausalgoritmin toimintaa testattiin prototyyppiharvesterilla, jossa arvioitiin kärkipisteen liikettä x- ja z-suunnassa. Lopputuloksena kärkipisteen liike toteutti ohjaus-komennot kiitettävästi. Jatkokehityksen kohteeksi nousi esille jatkopuomin toiminnan kehitys sekä kokonaisvirheen vähentäminen. Erityisesti liikenopeuden kasvulla oli suora vaikutus virheen kokonaismäärään sekä muutosnopeuteen.

The overall efficiency of forest machines has a direct impact on reducing fuel consumption. As a result, new control algorithms have been developed for forest machine control systems to simplify boom operation. With boom tip control, a single joystick command can simultaneously control three different hydraulic cylinders. Simplified control improves work efficiency, especially among inexperienced operators. This thesis focused on the development of boom tip control for a forest machine. The goal was to design a tip control system for a prototype harvester, which served as a testing and development platform. The operating principle of tip control was first studied theoretically, which formed the basis for the development of a prototype harvester control algorithm. In the development process, a control system design tool was utilized. A kinematic model was created for the control algorithm to calculate the position of the boom tip. Parameterization had to be considered during algorithm development to enable future use with different boom configurations. Control commands for the hydraulic cylinders were defined based on the kinematics and joystick inputs. Cylinder control was implemented using PID controllers operating in a closed loop, utilizing feedback from the boom sensors. Based on the development work, testing was conducted with the prototype harvester, evaluating tip point movement in the x and z directions. As a result, the tip point followed the control commands successfully. Further development will focus on improving the operation of the extension boom and reducing the overall control error. In particular, increasing the movement speed had a direct im-pact on the total error and its rate of change.