Liikkuvien työkoneiden etäohjaus verkon yli

Abstract

Etäohjattavia työkoneita hyödynnetään useissa teollisissa sovelluksissa, joissa etäoperointi mahdollistaa työskentelyn turvallisemmissa ja ergonomisemmissa olosuhteissa, kuten valvomoissa. Internet-pohjaisissa etäoperaatiojärjestelmissä ohjauksen suorituskykyyn vaikuttavat kuitenkin tiedonsiirtoon liittyvät ilmiöt, kuten verkkoviive, jitter sekä pakettihäviöt. Nämä tekijät voivat heikentää koneen ohjattavuutta ja lisätä virheitä liikkeen hallinnassa, mikä tekee niiden vaikutusten ymmärtämisestä tärkeää etäohjattavien järjestelmien kehityksessä.

Tässä työssä tarkastellaan verkkoviiveen, jitterin ja pakettihäviöiden vaikutusta etäohjatun hydraulisen puomijärjestelmän liikkeen hallintaan ja radanseurantaan. Lisäksi analysoidaan, kuinka mallipohjainen ennakointikompensaatio ja ohjaussignaalin skaalaus voivat vähentää verkon aiheuttamien häiriöiden vaikutuksia sekä parantaa järjestelmän ohjattavuutta.

Työssä toteutettiin Simulink-ympäristössä simulointimalli etäoperaatiojärjestelmälle, joka hyödyntää aiemmin toteutettua hydraulisen ja mekaanisen 4-DOF-puomin simulointimallia. Mallin yhteyteen suunniteltiin verkkoviive- ja häiriömalli sekä kompensointimenetelmän sisältävä säätöarkkitehtuuri. Analyysissä hyödynnetään muun muassa TCP-radanseurannan virheitä, nivelnopeuksien tarkastelua sekä ohjaussignaalin skaalauskertoimen vaikutusta järjestelmän vasteeseen.

Tulokset osoittavat, että järjestelmän suorituskykyä rajoittaa ensisijaisesti verkkoviive, kun taas pakettihäviöiden vaikutus on tarkastelluilla arvoilla vähäisempi. Mallipohjainen ennakointikompensaatio parantaa radanseurantaa erityisesti pienillä ja keskisuurilla viiveillä, ja sopivalla ohjaussignaalin skaalauskertoimella voidaan saavuttaa tasapaino nopean vasteen, hallittujen nivelnopeuksien ja vakaan ohjauksen välillä. Lisäksi tuloksista voidaan havaita, että verkon aiheuttamia vaikutuksia voidaan vähentää ohjausarkkitehtuurin ja kompensointimenetelmien avulla.

Remotely operated work machines are used in various industrial applications where teleoperation enables work to be performed in safer and more ergonomic conditions, such as in control rooms. However, the performance of Internet-based teleoperation systems is affected by network-related phenomena, including delay, jitter, and packet loss. These factors may degrade machine controllability and introduce errors in motion control, making it important to understand their effects in the development of remotely operated systems.

This thesis investigates the effects of network delay, jitter, and packet loss on the motion control and trajectory tracking of a remotely operated hydraulic boom system. In addition, the study analyzes how model-based predictive compensation and control input scaling can mitigate the disturbances caused by the communication network and improve the controllability of the system.

A Simulink-based teleoperation simulation environment was implemented, utilizing a previously developed hydraulic and mechanical 4-DOF boom model. The simulation includes a network disturbance model and a control architecture with integrated compensation methods. The analysis focused on TCP trajectory tracking errors, joint velocity behavior, and the influence of the control input scaling factor on system response.

The results indicate that system performance is primarily limited by network delay, while the influence of packet loss is less significant within the studied range. Model-based predictive compensation improves trajectory tracking, especially under low to moderate delays. In addition, appropriate selection of the control input scaling factor allows a balance between fast system response, controlled joint velocities, and stable operation. The results also demonstrate that the negative effects of network-induced disturbances can be mitigated through suitable control architecture and compensation methods.