Studenci projektują autonomiczny segway

Przemieszczanie się pracowników w zakładach przemysłowych wiąże się nieraz z pokonywaniem dużych odległości. W wielu miejscach stosowane są różne środki transportu – w pełni mechaniczne (bazujące na pracy mięśni) lub wyposażone w niezależny napęd. Z uwagi na specyfikę rozpatrywanego otoczenia w przypadku tych ostatnich wybierane są najczęściej akumulatorowe układy elektryczne. Obecnie jednymi z najpopularniejszych są pojazdy dwukołowe typu segway. Charakteryzują się wysoką manewrowością, mobilnością, kompaktową budową i łatwością obsługi. Urządzenie może jednak nie być dostępne zawsze, kiedy jest potrzebne z uwagi na konieczność okresowego uzupełniania energii (np. przez podłączenie do sieci lub wymianę baterii) bądź pozostawienie go w odległym miejscu przez poprzedniego użytkownika. Jako rozwiązanie tych problemów zespół SKN proponuje opracowanie pojazdu typu segway o rozszerzonej w stosunku do znanej obecnie funkcjonalności. Podstawowym trybem działania ma być klasyczne sterowanie ręczne przez kierującego, z wszystkimi cechami standardowej obsługi. Natomiast gdy pojazd nie jest używany do przewozu pracownika uaktywnia się jego autonomiczność. Może on wtedy przemieścić się do strefy ładowania lub dotrzeć tam, gdzie jest w danej chwili potrzebny. Skuteczną i bezpieczną realizację takiego sposobu działania można uzyskać dzięki technikom znanym z urządzeń typu AGV bądź robotów mobilnych. Implementacja nowoczesnych środków bezstykowego transferu energii do pojazdu na bazie indukcji elektromagnetycznej eliminowałaby konieczność ingerencji człowieka w cały proces.

Układ autonomicznej jazdy

Autonomiczny tryb jazdy wymaga złożonych i zaawansowanych rozwiązań technicznych. W zależności od wymagań odbiorcy oraz docelowego obszaru poruszania się pojazdów istnieją różne rozwiązania problemu.

Przyjmując założenia projektowe miejsca docelowego:

pojazd nie będzie opuszczał zamkniętych pomieszczeń zakładu pracy,
całkowita powierzchnia zakładu będzie oscylować w wartości 100000 m²,
pojazd będzie poruszał się w dynamicznie zmieniającym się otoczeniu – poruszający się pracownicy zakładu,
zostaną wytyczone specjalne szlaki transportowe pojazdów,

można zaproponować następujący koncept infrastruktury układu.

System jest hybrydowym połączeniem rozwiązań technicznych stosowanych w przemyśle jak i innych dziedzinach życia. Podstawą działania układu jest wymiana informacji w czasie rzeczywistym pomiędzy pojazdami oraz stacjami bazowymi zlokalizowanymi na obszarze zakładu pracy. Optymalnym rozwiązaniem jest zastosowanie bezprzewodowej łączności szerokopasmowej.

Dwukołowce będą wyposażone w wiele rodzajów czujników wspomagających określenie aktualnej pozycji oraz odległości od przeszkód. Podczas pracy w trybie autonomicznym konieczne jest aby pojazd znał swoją dokładną lokalizację względem poszczególnych stanowisk pracy na hali, stacji bazowych oraz innych dwukołowców. Praca w obiektach zamkniętych uniemożliwia zastosowanie systemu GPS, z tego powodu lokalizacja odbywać się będzie za pośrednictwem sieci WiFi oraz znaczników w postaci kodów QR, emiterów podczerwieni lub odbiorników RFID.

Wyszczególnić należy kamery wizyjne umieszczone po jednej na każdą ze stron pojazdu, zwłaszcza przednią, wysokiej rozdzielczości, która będzie odczytywać rozmieszczone w zakładzie pracy unikalne kody QR, pozwalające na jednoznaczne określenie pozycji pojazdu. Znaki QR będą umieszczone na słupach lub ścianach na wysokości kierownicy pojazdu. Nie będą one znacząco ingerować w wygląd hali, a zapewnią odpowiedni poziom lokalizacji dwukołowców. Dodatkowo tego typu rozwiązanie nie generuje dużych kosztów obsługi, ponieważ tablice są wydrukowane i nie wymagają podświetlenia do poprawnego odczytu. Dodatkowo dzięki połączeniu pojazdów z serwerem monitorującym pracę oraz zarządzającym ich ruchem istnieje możliwość ogólnej lokalizacji pojazdu na podstawie siły sygnału do poszczególnych routerów znajdujących się na terenie zakładu.

Aby móc rozwijać autonomiczność systemów odpowiednim rozwiązaniem jest implementacja sztucznej inteligencji, która na podstawie zbierania danych o ruchu pojazdów i elementów otoczenia pozwoli na uniknięcie kolizji z przechodniem czy zaplanowanie optymalnej trasy dojazdu do stacji ładowania. Pojazd będzie rozpoznawał otoczenie przy pomocy skanera laserowego. W krótkim czasie będzie wysyłać wiązki lasera, przy pomocy których określać będzie rozmieszczenie, kształt, rozmiar oraz odległość ewentualnych przeszkód. Dodatkowym systemem rozpoznawania otoczenia, a zarazem systemem bezpieczeństwa będzie kamera termowizyjna. W przypadku pojawienia się człowieka na trasie przejazdu, system odróżni go od reszty otoczenia dzięki wykryciu ciepłoty ciała. Nastąpi zatrzymanie pojazdu a następnie powolne ominięcie przeszkody.

Zastosowanie powyższych propozycji rozwiązań z zakresu nawigacji pojazdu oraz wykrywania przeszkód i odpowiedniego reagowania, spełnia wymagania postawione projektowi autonomicznego pojazdu do poruszania się na terenie zakładu pracy. W przypadku konieczności przejazdu na zewnątrz hali, tryb autonomiczny będzie niedostępny, aż do ponownego zlokalizowania pojazdu w punkcie będącym granicą obszaru autonomicznego działania.

Charakterystyka trybów pracy

Pojazd jest w stanie pracować w różnych stanach aktywności w zależności od potrzeb. Standardowym stanem układu zasilającego jest poruszanie się wraz z osobą na pokładzie. Podczas tego trybu pracy akumulatory stopniowo rozładowują się ze względu na pobór prądu przez silniki oraz brak ładowania. Wynika to z założenia, że pojazd może poruszać nie tylko w ściśle określonych trasach (gdzie zainstalowane są pętle indukcyjne do ładowania akumulatorów).

Kolejnym stanem pracy jest powrót pojazdu do punktu parkingowego. Pojazd porusza się całkowicie autonomicznie, obierając optymalną drogę dojazdu do miejsca docelowego. Pojazd porusza się po wcześniej zdefiniowanych ścieżkach wyposażonych w zintegrowany układ ładowania indukcyjnego pod powierzchnią podłoża. Dwukołowiec poruszając się jest ładowany za pośrednictwem wspomnianej pętli indukcyjnej wykorzystującej technologię szybkiego ładowania superkondensatrów, co umożliwia mu powrót do „bazy” nawet, gdy akumulatory są głęboko rozładowane.

Następny tryb pracy układu zasilającego, to ładowanie w stacji dokującej. Pojazdu znajduje się w stacji dokującej, która odpowiada przede wszystkim za naładowanie dwukołowca do odpowiedniego poziomu oraz jej podtrzymanie. Pojazd nie pobiera znaczącej ilości energii, ze względu na zaawansowane oprogramowanie układu zasilającego umożliwiające ograniczenie poboru energii do minimum.

Ostatnim trybem pracy układu zasilającego, to tzw. „tryb czuwania”. Pojazd przechodzi w ten tryb będąc w stacji dokującej lub „czekając” na powrót kierowcy. W takim stanie układ nie pobiera dużej ilości energii ze względu na inteligentny tryb oszczędzania energii. Znajdując się w stacji dokującej, naładowanie akumulatorów utrzymywane jest na poziomie 80-100%.

Nowoczesne układy sterowania i zasilania

Pojazd dwukołowy o budowie typu segway, który utrzymuje równowagę podczas jazdy regulując prędkość. Pojazd będzie przystosowany do poruszania się w pomieszczeniach zamkniętych, o równej nawierzchni oraz przyzakładowych terenach na zewnątrz budynku, przy założeniu, że teren nie będzie posiadał nierówności powyżej 3 cm.

Minimalny zasięg pojazdu na jednym pełnym ładowaniu to 10 km. Pojazd będzie poruszał się w pobliżu innych osób, dlatego prędkość jazdy z kierowcą zostanie ograniczona do 20 km/h, a w trybie autonomicznym do 8 km/h. Pozwoli to na zachowanie bezpieczeństwa, a za razem sprawne przemieszczanie się po zakładach wielkopowierzchniowych. Razem z dwukołowcem zestaw będzie tworzyć stacja dokująca lub sieć stacji, wyposażonych w bezprzewodowy system ładowania indukcyjnego. System ten będzie pozwalał na bezobsługowe doładowanie pojazdu. Dzięki zastosowaniu trybu autonomicznego, gdy dwukołowiec będzie bliski rozładowaniu, samodzielnie skieruje się z miejsca zaparkowania do stacji ładowania.

Układ zasilania tworzyć będzie zespół superkondensatorów oraz akumulatorów. Superkondensatory będą odpowiadać za szybkie doładowanie pojazdu w momencie gdy istnieje potrzeba szybkiego naładowania akumulatorów. Będzie to trwało około dwóch minut, po których możliwym będzie przejazd około kilometra, co pozwoli na dojechanie do miejsca pracy oraz przejazd do najbliżej stacji ładowania. Głównym magazynem energii będzie zespół akumulatorów których pełne naładowanie trwać będzie około 15 minut. Układ ładowania będzie działał w taki sposób że pierwsze ładowane będą superkondensatory, z których następnie ładowane będą akumulatory. Układ zasilania wyposażony będzie w przetwornicę utrzymującą napięcie na stałym poziomie, moduł ładowania zabezpieczający akumulatory i superkondensatory przed nadmiernym naładowaniem oraz moduł umożliwiający ładowanie indukcyjne.

Pojazd w warunkach przemysłowych

Projekt dotyczy nowatorskiego rozwiązania, jakim jest częściowo zautonomizowany środek transportu wewnątrzzakładowego. Pojazd dwukołowy ma przemieszczać się w trybie automatycznym lub półautomatycznym w hali przemysłowej. Prowadzi to do wyeliminowania kolizji i wypadków oraz przyśpieszenia transportu osób. Cały system ma być zintegrowany z innymi maszynami w otoczeniu, co zapewni bezpieczeństwo. Takie rozwiązania znajdują zastosowanie we wszystkich zautomatyzowanych zakładach przemysłowych, gdzie występują roboty mobilne. Pojazdy komunikują się ze sobą i dzięki temu optymalizują trasę.

Opracowano przez studentów SKN Mechatroniki Napędów SEW-Eurodrive

Adam Gorola,
Piotra Hałacza,
Jakuba Nowickiego
i Jakuba Starostę

pod opieką

mgra inż. Juliana Malaki (Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.)

w ramach projektu „Opracowanie założeń konstrukcyjnych dotyczących dwukołowego pojazdu elektrycznego do wewnątrzzakładowego przemieszczania się pracowników, sterowanego manualnie z możliwością jazdy autonomicznej” finansowanego w ramach Programu Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza.