Modelling and Control of a Knuckle Boom Crane

Cranes come in various sizes and designs to perform different tasks. Depending on their dynamic properties, they can be classified as gantry cranes and rotary cranes. In this paper we will focus on the so called 'knuckle boom' cranes which are among the most common types of rotary cranes. Compared with the other kinds of cranes (e.g. boom cranes, tower cranes, overhead cranes, etc), the study of knuckle cranes is still at an early stage and very few control strategies for this kind of crane have been proposed in the literature. Although fairly simple mechanically, from the control viewpoint the knuckle cranes present several challenges. A first result of this paper is to present for the first time a complete mathematical model for this kind of crane where it is possible to control the three rotations of the crane (known as luff, slew, and jib movement), and the cable length. The only simplifying assumption of the model is that the cable is considered rigid. On the basis of this model, we propose a nonlinear control law based on energy considerations which is able to perform position control of the crane while actively damping the oscillations of the load. The corresponding stability and convergence analysis is carefully proved using the LaSalle's invariance principle. The effectiveness of the proposed control approach has been tested in simulation with realistic physical parameters and in the presence of model mismatch.Comment: This paper has been accepted to International Journal of Control on March 29th 2021. arXiv admin note: text overlap with arXiv:2103.0250

Adaptive output-based command shaping for sway control of a 3D overhead crane with payload hoisting and wind disturbance

Payload hoisting and wind disturbance during crane operations are among the challenging factors that affect a payload sway and thus, affect the crane's performance. This paper proposes a new online adaptive output-based command shaping (AOCS) technique for an effective payload sway reduction of an overhead crane under the influence of those effects. This technique enhances the previously developed output-based command shaping (OCS) which was effective only for a fixed system and without external disturbances. Unlike the conventional input shaping design technique which requires the system's natural frequency and damping ratio, the proposed technique is designed by using the output signal and thus, an online adaptive algorithm can be formulated. To test the effectiveness of the AOCS, experiments are carried out using a laboratory overhead crane with a payload hoisting in the presence of wind, and with different payloads. The superiority of the method is confirmed by 82% and 29% reductions in the overall sway and the maximum transient sway respectively, when compared to the OCS, and two robust input shapers namely Zero Vibration Derivative-Derivative and Extra-Insensitive shapers. Furthermore, the method demonstrates a uniform crane's performance under all conditions. It is envisaged that the proposed method can be very useful in designing an effective controller for a crane system with an unknown payload and under the influence of external disturbances

Kuljettajaa avustavat toiminnot manipulaattoreissa

Tämän tutkimuksen tarkoituksena on tarkastella, minkälaisilla menetelmillä kuljettajaa avustavia toimintoja on toteutettu manipulaattoreihin. Manipulaattori on käsittelylaite, jota ohjaamalla kuljettaja voi suorittaa erilaisia työtehtäviä. Tässä työssä tarkastellaan erityisesti raskaina työkoneina käytettäviä manipulaattoreita, joita ovat esimerkiksi nosturit, metsäkoneet ja kaivinkoneet. Kuljettajaa avustavat toiminnot ovat järjestelmiä ja laitteita, jotka helpottavat työkoneen hallintaa. Avustavien toimintojen avulla pystytään muun muassa parantamaan tuottavuutta, lisäämään turvallisuutta ja auttamaan kuljettajaa jaksamaan paremmin työtehtävissään. Tutkimus toteutettiin kirjallisuuskatsauksena. Työn alussa tarkastellaan työkoneiden turvallisuusvaatimuksia, ja siinä lähteinä on käytetty erityisesti työkoneisiin liittyviä standardeja. Selvitettäessä menetelmiä, joilla kuljettajaa avustavat toiminnot ovat toteutettu, lähteinä on käytetty tieteellisiä julkaisuja. Lisäksi on tarkasteltu kaupallisissa sovelluksissa käytössä olevia avustavia toimintoja. Kuljettajaa avustavien järjestelmien toiminta perustuu ohjausjärjestelmään, jossa toimilaitteita ohjataan säätimellä anturitiedon perusteella. Toiminnon toteutuksessa voidaan käyttää myötäkytkentää, takaisinkytkentää tai molempia näistä. Myötäkytkentä on näistä toteutukseltaan yksinkertaisin, koska se voidaan toteuttaa ilman anturointia. Pelkästään myötäkytkentää käyttämällä ei kuitenkaan päästä yleensä kovin tarkkaan lopputulokseen. Yhdessä takaisinkytkennän kanssa käytettynä myötäkytkennällä pystytään parantamaan lopputulosta ja yksinkertaistamaan tarvittavan takaisinkytkentäsäätimen rakennetta. Säätimen rakenne voidaan suunnitella monen eri menetelmän avulla, ja näistä menetelmistä yleisimpiä on esitelty tässä työssä. Työssä tarkastellaan myös erilaisia antureita, joita manipulaattoreissa voidaan käyttää. Säätimen ja anturoinnin valintoihin vaikuttavat muun muassa järjestelmän vaatimukset. Tässä työssä kuljettajaa avustavista järjestelmistä tarkastellaan erityisesti nostureiden kuormanvakautusjärjestelmiä ja työkoneiden ohjaamoiden vaimennusjärjestelmiä. Lisäksi esitellään manipulaattorin liikkeiden ohjausta avustavia järjestelmiä ja erilaisiin kartoitusteknologioihin perustuvia toimintoja. Kaikkia näitä avustavia järjestelmiä kehitetään jatkuvasti. Tulevaisuudessa myös täysin autonomisten työkoneiden määrä tulee lisääntymään. Etenkin vaarallisissa työympäristöissä kuljettaja pyritään saamaan pois koneen ohjaamosta. Tällöin koneen ohjaaminen ja valvominen voidaan suorittaa etävalvomossa. Työkoneissa, joissa kuljettajaa tarvitaan, pyritään uusilla liikkeiden ohjausta avustavilla toiminnoilla ja kartoituslaitteilla helpottamaan kuljettajan työtä ja päätöksentekoa entisestään. Avustavien toimintojen kehityksen mahdollistaa etenkin anturiteknologian kehitys. Teknologian kehittyessä antureiden hinnat laskevat, jolloin niiden asentaminen yhä useampiin laitteisiin tulee kannattavaksi

Proceedings of the 3rd Annual Conference on Aerospace Computational Control, volume 1

Conference topics included definition of tool requirements, advanced multibody component representation descriptions, model reduction, parallel computation, real time simulation, control design and analysis software, user interface issues, testing and verification, and applications to spacecraft, robotics, and aircraft

Human adaptive mechatronics methods for mobile working machines

Despite the trend of increasing automation degree in control systems, human operators are still needed in applications such as aviation and surgery, or machines used in remote mining, forestry, construction, and agriculture, just to name a few. Although there are research results showing that the performance between the operators of working machines differ significantly, there are currently no means to improve the performance of the human-machine system automatically based on the skill and working differences of the operators. Traditionally the human-machine systems are designed so that the machine is "constant" for every operator. On the contrary, the Human Adaptive Mechatronics (HAM) approach focuses on individual design, taking into account the skill differences and preferences of the operators. This thesis proposes a new type of a HAM system for mobile working machines called Human Adaptive Mechatronics and Coaching (HAMC) system that is designed to account for the challenges regarding to the measurement capability and the work complexity in the real-life machines. Moreover, the related subproblems including intent recognition, skill evaluation, human operator modeling, intelligent coaching and skill adaptivity are described. The intent recognition is solved using a Hidden Markov model (HMM) based work cycle modeling method, which is a basis for the skill evaluation. The methods are implemented in three industrial applications. The human operator modeling problem is studied from the structural models' perspective. The structural models can be used to describe a continuum of human operator models with respect to the operating points of the controlled machine. Several extensions and new approaches which enable more efficient parameter estimation using the experimental data are described for the conventional Modified Optimal Control Model (MOCM) of human operator. The human operator modeling methods are implemented to model a human operator controlling a trolley crane simulator. Finally, the concept of human adaptive Human-Machine Interface (HMI) is described. The analytic and knowledge-based approaches for realizing the HMI adaptation are presented and implemented for trolley crane simulator control

The Second Conference on Lunar Bases and Space Activities of the 21st Century, volume 1

These papers comprise a peer-review selection of presentations by authors from NASA, LPI industry, and academia at the Second Conference (April 1988) on Lunar Bases and Space Activities of the 21st Century, sponsored by the NASA Office of Exploration and the Lunar Planetary Institute. These papers go into more technical depth than did those published from the first NASA-sponsored symposium on the topic, held in 1984. Session topics covered by this volume include (1) design and operation of transportation systems to, in orbit around, and on the Moon, (2) lunar base site selection, (3) design, architecture, construction, and operation of lunar bases and human habitats, and (4) lunar-based scientific research and experimentation in astronomy, exobiology, and lunar geology