Инженеры научили автопилот действовать с сантиметровой точностью
Швейцарские инженеры разработали систему автоматического управления для экскаваторов, которая контролирует ковш и стрелу с сантиметровой точностью и может даже открыть бутылку, не повредив ее. Алгоритм учитывает особенности работы конкретной гидравлической системы и благодаря быстрой процедуре калибровки может переноситься на экскаваторы разных производителей. В испытаниях на 25-тонном экскаваторе контроллер превзошел в точности коммерческое решение более чем в 2 раза. Препринт работы опубликован на сайте arXiv.org.
Инженеры из Швейцарии уже несколько лет работают над созданием беспилотных экскаваторов. Один из них, построенный на базе 12-тонного серийного швейцарского экскаватора Menzi Muck M545, может автономно передвигаться по неровной поверхности, копать траншеи, делать насыпи без вмешательства человека, а также самостоятельно возводить стены из каменных глыб, валунов и кусков бетона.
На этот раз команда разработчиков под руководством Марко Хуттера (Marco Hutter) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха взялась за решение проблемы точности и универсальности землеройного автопилота. Дело в том, что уже существующие на сегодняшний день коммерческие полуавтоматические системы неплохо справляются со снятием небольших слоев почвы, но при глубоком копании — когда ковш полностью погружается в плотный грунт — быстро теряют точность и могут прерывать процесс еще до достижения предела мощности гидравлики. Из-за этого робоэкскаватору приходится делать множество дополнительных проходов для создания заданного профиля и выравнивания поверхности. Чтобы преодолеть эту проблему, инженеры разработали контроллер для экскаваторов, который может автоматически копать и выравнивать поверхность с высокой точностью даже при глубоком погружении ковша в грунт. При этом алгоритм легко переносится на экскаваторы с различными типами гидравлических систем.
Система разделена на две части. Верхний уровень на основе прогнозирующей модели рассчитывает необходимые скорости сочленений экскаватора для построения траектории ковша. При этом учитываются инерция и запаздывание сигналов, чтобы не промахиваться мимо заданной плоскости. Низкоуровневая часть преобразует рассчитанные скорости в команды для клапанов гидравлики. Кроме того, разработчики построили математические модели для двух популярных типов гидрвлических архитектур — чувствительной к нагрузке (Load Sensing) и с отрицательным управлением потока (Negative Flow Control).
Для адаптации программы к конкретной машине достаточно выполнить быструю калибровку, которая занимает около двадцати минут. Во время настройки экскаватор выполняет серию движений стрелой и ковшом для сбора данных о реакции на нагрузку. При этом система при установке и калибровке не требует специального доступа к закрытым системам и может быть добавлена в качестве стороннего модуля.
Алгоритм протестировали на одиннадцатитонном колесном экскаваторе Menzi Muck M445 с чувствительной к нагрузке гидравлической системой и 25-тонном гусеничном экскаваторе CASE250 с гидравликой с отрицательным управлением потока. Роботы должны были снять слой уплотненного песка на глубину от двух до сорока сантиметров и сформировать ровную площадку без участия человека. Точность получившейся поверхности оценивалась с помощью лазерного сканера.
Разработчики сравнили работу своего контроллера с результатами коммерческой системы, установленной на CASE250. Среднеквадратичная ошибка отклонения от заданной плоскости у предложенного алгоритма составила 1,8 сантиметра при работе на тяжелом экскаваторе. В то время как коммерческая система на той же машине допускала среднюю ошибку в 4,7 сантиметра с максимальным отклонением до 17 сантиметров. Лучший результат по точности достигнут на легком экскаваторе Menzi Muck M445. Для него алгоритм показал среднеквадратичную ошибку отклонения кромки ковша от целевой поверхности всего 1,4 сантиметра и максимальное отклонение четыре сантиметра. При действиях без нагрузки ошибка была еще меньше — экскаватор, например, смог открыть с помощью ковша бутылку, не повредив ее.
На данный момент система управления может работать только с горизонтальными и наклонными поверхностями. В будущем инженеры планируют обучить ее работать с поверхностями более сложной формы.
Ранее разработчики из той же группы создали алгоритм, который позволяет экскаваторам бросать предметы в заданную точку с помощью свободно подвешенного грейферного захвата. Благодаря этому маневру строительные роботы смогут перемещать объекты за пределы рабочей области стрелы.