rezumat teza razvan luca ro

Upload: jiname

Post on 20-Jul-2015

135 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

UNIVERSITATEA LUCIAN BLAGA DIN SIBIU FACULTATEA DE INGINERIE

TEZ DE DOCTORAT -REZUMATCONTRIBUII PRIVIND SISTEMELE DE NAVIGAIE A VEHICULELOR AUTONOME

CONDUCTOR TIINIFIC, Prof. Dr. -Ing. Carmen SIMION

DOCTORAND, Dipl. -Ing. Rzvan LUCA

Sibiu, 2011

Universitatea Lucian Blaga Sibiu

Investete n oameni! PROIECT FINANAT DIN FONDUL SOCIAL EUROPEAN ID proiect: 7706 Titlul proiectului: Creterea rolului studiilor doctorale i a competitivitii doctoranzilor ntr-o Europ unit UniversitateaLucian Blaga din Sibiu B-dul Victoriei, nr. 10. Sibiu

TEZ DE DOCTORAT -REZUMATCONTRIBUII PRIVIND SISTEMELE DE NAVIGAIE A VEHICULELOR AUTONOME

Conductor tiinific: Prof. Dr. -Ing. Carmen SIMION

Doctorand: Dipl. -Ing. Rzvan LUCA

Sibiu, 2011

Ministerul Educaiei, Cercetrii i Tineretului Universitatea Lucian Blaga din Sibiu Rectoratul Universitii B-dul Victoriei Nr. 10, 555024 Sibiu, Romnia

COMPETENA Comisiei de doctorat, numit prin Ordinul Rectoratului Universitii Lucian Blaga din Sibiu Nr. 102 din 30 septembrie 2011

PREEDINTE: CONDUCTOR TIINIFIC: REFERENI:

Prof. Dr. -Ing. Ioan Bandrea Universitatea Lucian Blaga din Sibiu Prof. Dr. -Ing. Carmen Simion Universitatea Lucian Blaga din Sibiu Prof. Dr. Rer. Nat. Fritz Trster Heilbronn University / Germania Prof. Dr. -Ing. Noura Barbu Lupulescu Universitatea Transilvania Braov Prof. Dr. -Ing. Laurean Bogdan Universitatea Lucian Blaga din Sibiu

Eventualele aprecieri sau observaii v rugm s le trimitei pe adresa Universitii Lucian Blaga din Sibiu.

PREFA

Formarea profesional i personal depinde de aprecierea celor din jur i a voinei proprii a fiecrei persoane. Fie c este vorba de un cuvnt care s ajute la dezvoltarea unei idei sau a unei idei n sine care urmeaz a fi dezvoltat, oamenii interacioneaz i i confirm statutul unul altuia prin comunicare, prin munc, prin colegialitate. Existm practic prin cei care ne confirm acest lucru. Cercetarea tiinific, realizarea conceptului i elaborarea prezentei teze de doctorat nu ar fi fost posibile fr sprijin din partea oamenilor implicai n mod direct sau indirect, care s critice productiv sau s aprecieze rezultatele. Mulumesc pe aceast cale conductorului tiinific Prof. Dr. -Ing. Carmen Simion pentru sprijinul, experiena din domeniul ingineriei mprtit i rbdarea duse n limitele profesionalismului pe ntreaga perioad a activitii mele de cercetare. Pentru sfaturile creative bazate pe experiena profesional care m-au ajutat pe ntreg parcursul cercetrii doresc s i mulumesc domnului Prof. Dr. -Ing Ioan Bondrea. M adresez de asemenea cu deosebit recunotin i mulumiri domnului Prof. Dr. Rer. Nat. Fritz Trster de la Heilbronn University, Germania , mentorul care a contribuit att la formarea mea profesional, ct i la cea personal. Cadrelor didactice din catedra de Tehnologia Construciilor de Maini a Facultii de Inginerie din Sibiu, ct i membrilor din comisiile de evaluare i examinare le mulumesc pentru recomandrile privind creterea calitii activitii mele de cercetare. Colegului Dipl. -Ing. Robert Gall doresc s i mulumesc pentru posibilitatea de a avea pe parcursul cercetrilor un partener de discuii n ceea ce privete abordarea tiinific a diferitelor tematici din cadrul proiectului i nu numai. Membrilor familiei i prietenilor le mulumesc pentru nelegerea, dragostea i sprijinul moral acordat pe perioada cercetrilor, oferindu-mi motivaia i condiiile necesare pentru realizarea i finalizarea tezei de doctorat.

Dipl. -Ing. Rzvan Luca

I

CUPRINS* / **1

Introducere ........................................................................................................................... 1 Obiectivele tezei .................................................................................................................. 2 Structura tezei ..................................................................................................................... 4 Capitolul 1: Stadiul actual ............................................................................................. 61.1. Studiu de pia, importana i aplicabilitatea vehiculelor inteligente autonome n industrie...................................................................................................................... 6 1.2. Evoluia vehiculelor autonome ................................................................................ 11 1.3. Principii de funcionare a celor mai semnificative vehicule specifice ghidate automat.......................................................................................................................... 13 1.3.1. Sisteme de ghidare cu reea de fire ................................................................. 15 1.3.2. Sisteme de ghidare cu magnei ................................................................. 16 1.3.3. Sisteme de ghidare cu Laser ..................................................................... 17 1.3.4. Sisteme hibrid.......................................................................................... 18 1.4. Domenii de aplicaie ale vehiculelor autonome........................................................ 18 1.5. Strategii de operare a AGV-urilor industriale........................................................... 22 1.6. Concluzii ................................................................................................................ 25

1 2 4 6 6 7 8 . . . 8 9 9 9 11 11 . 11 . . . . . 12 14 15 17 17 18 . 19 20 21 22 23 23 23 23 24 25 . . . .

Capitolul 2: Infrastructura vehiculelor inteligente autonome realizarea prototipului .................................................................................................... 262.1. Vehicul inteligent autonom non-holonomic .............................................................. 29 2.2. Realizarea prototipului ............................................................................................. 30 2.2.1. Platforma de rulare cu senzori de odometrie .............................................. 30 2.2.2. Senzori de detecie i ghidare .................................................................... 31 2.2.2.1. Senzori LASER ......................................................................... 31 2.2.2.2. Senzori ultrasonici ..................................................................... 32 2.2.3. Senzori odometrici.................................................................................... 34 2.2.4. Senzor video ............................................................................................. 35 2.2.5. Sistemul de achiziie de date, comand i control ...................................... 36 2.2.5.1. Comunicaia vehiculului pe principiul target-host ...................... 37 2.3. Concluzii ................................................................................................................. 42

Capitolul 3: Cartografierea i localizarea proprie ca procese simultane ale vehiculelor autonome .............................................................................................. 433.1. Conceptul de cartografiere i localizare simultan (SLAM) ..................................... 43 3.2. Extragerea trsturilor particulare din mediul de navigaie ....................................... 45 3.3. Asocierea de date ..................................................................................................... 46 3.3.1 Asocierea utiliznd cea mai apropiat vecintate (Nearest Neighbour) ...... 47 3.4. Localizarea vehiculului autonom ............................................................................. 50 3.5. Cartografierea mediului de navigaie n timp real ..................................................... 51 3.6. Construcia grafic a hrii virtuale. Realizarea simulrii .......................................... 53 3.6.1. Modulul vehiculului Vehicle ................................................................. 55 3.6.2. Modulul de control Vehicle control ....................................................... 56 3.6.3. Modulul senzorului Scanner .................................................................. 56 3.6.4. Transformarea global World coordinates.............................................. 57 3.6.5. Modulul de generare a hrii Map generation ......................................... 59 3.6.5.1. Algoritmi de calcul n procesul de cartografiere ......................... 62 3.6.6. Algoritmul mparte i mbin (split and merge) ...................................... 63 3.6.7. Regresie liniar ......................................................................................... 63 3.6.8. Algoritmul RANSAC ............................................................................... 64 3.6.9. Transformarea Hough ............................................................................... 641

*nr. pag. n teza; ** nr. pag. n rezumat

II

* / **2 3.6.10. Algoritmul de extracie a liniilor bazat pe tehnica DCE (Discrete curve evolution) extDCE ..................................................................... 65 3.6.10.1. Reducerea datelor prin fuzionarea liniilor cu proprieti comune ................................................................................................. 68 3.6.11. Extragerea reperelor din mediul de navigaie pentru localizarea vehiculului ......................................................................................................... 70 3.6.12. Modelul filtrului Kalman utilizat pentru corecia odometriei.................... 70 3.6.13. Utilizarea Filtrului Kalman Extins (EKF) pentru poziionare cu ajutorul reperelor............................................................................................................. 75 3.6.14. Modulul de planificare a traiectoriei Trajectory planning ..................... 77 3.6.15. Modulul de evitare a obstacolelor Track deviation" ............................... 80 3.6.15.1. Evitarea obiectelor prin stabilirea traiectoriei cu ajutorul curbelor specifice............................................................................................................. 81 3.6.15.1.1. Clotoide.................................................................... 81 3.6.15.1.2. Curbe Bezier............................................................. 82 3.7 Cartografierea probabilistic ca metod alternativ de navigaie ................................ 84 3.7.1. Metoda Bayes. Generaliti ....................................................................... 85 3.7.2. Derivarea cu metoda Bayes ....................................................................... 85 3.8. Concluzii ................................................................................................................. 90 Capitolul 4: Teste i aplicaii de navigaie ale vehiculului autonom ........... 91

26 27 28 . 29 29 30 31 . . 32 . 32 33 35

4.1. Modelul infrastructurii de comunicaie utilizat pentru realizarea testelor................... 91 35 4.2. Compararea datelor celor dou sisteme separate de odometrie .................................. 92 36 4.3. Cartografierea mediului .......................................................................................... 94 36 4.4. Implementarea filtrului Kalman pentru mbuntirea odometriei vehiculului autonom n procesul de cartografiere ................................................................................................ 95 37 4.4.1. Cartografierea unui mediu prin extragerea de particulariti..................... 100 39 4.4.2. Manevra de schimbare a perspectivei de scanare ..................................... 102 41 4.5 Reprezentarea vizual a mediului de navigaie ........................................................ 107 42 4.5.1. Identificarea marcajelor de ghidare n spaii dedicate............................... 107 42 4.5.2. Transformarea n spaiul Hough a liniilor extrase .................................... 107 . 4.5.3. Transformarea muchiilor extrase i limitarea domeniului identificat prin atribute de linie ................................................................................................ 108 43 4.5.4. Transformarea perspectivei cu ajutorul principiului camerei obscure ....... 110 . 4.5.5. Reprezentarea marcajelor transformate.................................................... 110 43 4.6. Analiza persoanelor i a obiectelor din mediul de navigaie .................................... 111 44 4.7. Concluzii ............................................................................................................... 117 46

Capitolul 5: Aplicaii n sistemul flexibil de fabricaie din industria auto ........................................................................................................................................ 1185.1. Modelarea i simularea mediului de navigaie ntr-un sistem flexibil de fabricaie cu ase celule de lucru active ........................................................................ 123 5.1.1. Modelarea i simularea aplicaiei cu ajutorul grilelor de ocupare ............. 133 5.2. Concluzii ............................................................................................................... 137 Capitolul 6: Concluzii i direcii viitoare de cercetare ................................... 138 47 48 51 53 54 58 62 .

Bibliografie ........................................................................................................................ 140 Index de abrevieri ........................................................................................................... 149 Anexe .................................................................................................................................... 1502

*nr. pag. n teza; ** nr. pag. n rezumat

III

INTRODUCERE

Conceptele de fabricaie flexibil Flexible Manufacturing i depozitare ecologic Green Warehousing se refer la aplicarea metodelor de fabricaie, stocare i manipulare cu consumuri minime n vederea proteciei mediului. n acest sens automatizarea manipulrii resurselor i a produciei reprezint un factor important care implic att strategii ct i vehicule inteligente. Prin automatizarea acestui proces se obin spaii de stocare eficiente, reduceri ale cheltuielilor privind energia utilizat pentru manevre n spaiile dedicate, ct i cheltuieli reduse privind utilizarea ntreinerii sistemului. n cazul operrii automatizate, datorit sistemelor inteligente de ghidare a vehiculelor, se reduc cheltuieli administrative importante. De asemenea, n cazul utilizrii vehiculelor cu propulsie provenind din surse de energie alternative i electrice, spaiul rmne unul nepoluat cu influene directe asupra mediului de stocare, ct i asupra mediului nconjurtor. Sistemele de ventilaie forat nu reprezint o necesitate n acest sens, reducnd astfel prin fenomenul de automatizare consumul general de energie utilizat cu pn la 40%. Din punctul de vedere al strategiei de producie al firmei, se impune extinderea componentelor flexibilitii pe care firma le posed. O structur organizatoric modern i conducerea asistat de calculator a produciei fac posibil aceast extindere cerut de condiiile actuale, adic, pia n continu schimbare i nesiguran pe termen scurt dar i pe termen lung. n acest context flexibilitatea poate fi caracterizat de trei atribute de timp: la timp dup un timp peste timp Astfel, flexibilitatea mainilor i a fluxurilor sunt flexibiliti la "timp", flexibilitatea n produs, proces i operaii sunt flexibiliti "dup un timp", iar flexibilitatea n producie, dezvoltare i volum sunt flexibiliti "peste timp". Se poate spune c n sistemele flexibile de producie flexibilitatea total este determinat decisiv de flexibilitatea sistemelor de transportare care asist sistemul de prelucrare propriu-zis, de posibilitile de mentenan, control i diagnoz ale acestora. Responsabilitatea dezvoltrii de astfel de sisteme automate reprezint, pe lng ali factori influeni, o premis care trebuie s ia n calcul att factorul de impact social, ct i cel al posibilitii de dezvoltare durabil a sistemelor de producie din cadrul fabricilor viitorului.

1

Obiectivele tezei

OBIECTIVELE TEZEITotul ar trebui fcut ct de simplu posibil, dar nu mai simplu dect att. (Albert Einstein)

Doctoratul cu finalitate practic reprezint un avantaj att n industrie, ct i n mediul academic i din perspectiva specialitilor. Bernhard Frey, eful departamentului de resurse umane de la firma MAN GmbH, intervievat cu privire la acest lucru, afirm c o materializare a conceptului teoretic este de dorit atunci cnd se promoveaz ntr-un domeniu tehnic, conform actualelor cereri de pe piaa de for de munc. Realizarea practic a conceptelor cercetate i dezvoltate n cadrul acestei lucrri au un factor semnificativ n motivaia i satisfacia personal realiznd pas cu pas integrarea teoriei ntr-un prototip existent fizic. Un simplu calcul statistic arat c doar 1.000 de absolveni din aproximativ 20.000 se decid anual pentru continuarea studiului doctoral i aprofundarea domeniului tehnic. A fi unul din cei care reuesc acest lucru reprezint o prim motivaie personal. Dei cariera ncepe puin mai trziu pentru cei care aleg un studiu doctoral, aceasta reprezint o premis pentru a continua n domeniul tiinelor ca profesor. Lund n calcul evoluia personal, doctoratul a reuit s-mi ascut simurile tehnice, nvnd totodat cum se abordeaz o tem din punct de vedere analitic. Posibilitatea de a fi doctorand n cadrul unui proiect naional de cercetare m-a motivat n vederea atingerii rezultatelor i publicrii acestora n lucrri tiinifice care s contribuie att din punct de vedere cantitativ, ct i calitativ la baza de date tiinific naional i a Universitii Lucian Blaga din Sibiu. n cadrul Universitii din Heilbronn, instituie partener pentru proiectul de cercetare, mi-a fost oferit posibilitatea dezvoltrii aptitudinilor de implementare practic, i totodat ansa de a-mi dezvolta aptitudini de tutore avnd pe lng sarcina studiului doctoral i ndrumarea studenilor n realizarea lucrrilor de studiu. Vehiculele autonome cu utilizri industriale, domeniul cercetat, reprezint un avantaj n flexibilitatea manipulrii materiei prime n cadrul produciei i n domeniul logistic. n acest sens, dezvoltarea sistemelor de transport sau transfer poate reduce continuu costurile produciei conform studiilor avnd la baz concepte de fabricaie precum just-in-time i contextul actual global de dezvoltare a produciei bazat pe continua adaptare la cererea clienilor. Costurile manipulrii materialului reprezint o proporie semnificativ n costurile de producie. Eynan i Rosenblatt [30] indic n studiile lor faptul c aceste costuri pot atinge 30% din costul total al produciei. n acest sens, tematica abordat devine important n scopul maximizrii flexibilitii ca o caracteristic a sistemelor de producie ale fabricilor viitorului i a minimizrii costurilor de producie. Nivelul de automatizare permite stabilirea gradului de flexibilitate ct i a complexitii n ceea ce privete organizarea produciei. Redefinirea fluxului de material necesit implicit recalcularea traseelor pe care trebuie s le parcurg materia prim. n cazul sistemelor rigide de transport precum conveioare sau AGVuri ghidate prezentate critic n seciunea viitoare, reconfigurarea fluxului este greoaie i implic o serie de costuri suplimentare. Lucrarea de fa reprezint un concept evolutiv al mijloacelor de transport n direcia simplificrii procesului de design i re-design a fabricaiei prin dezvoltarea funciilor de navigaie a vehiculelor autonome inteligente. Cercetrile cuprind contribuii privind2

Obiectivele tezei

sistemele de navigaie a vehiculelor autonome. n acest sens un vehicul se deplaseaz complet autonom ntr-un mediu specific, interior i/sau exterior realiznd o hart virtual n timp real cu ajutorul senzorilor, hart n care apoi se localizeaz i opereaz, un trend vizionar foarte dezbtut n prezent. n literatura de specialitate conceptul de Cartografiere i Localizare Simultan (SLAM) reprezint o tematic deschis privind navigarea optim a vehiculelor autonome. Comunicaia dintre sistemul central de comand i vehiculele autonome este bazat pe un schimb de informaii n scopul procesrii n timp real a sarcinilor i totodat permite utilizarea multipl a datelor existente, reprezentnd un avantaj major i pentru sistemul de planificare sau gestiune i o parte component n dezvoltarea obiectivului acestei lucrri. Latura de siguran n operare privind conducerea fr coliziuni, evitarea obstacolelor i a celorlalte componente de manipulare, respectiv a oamenilor i obiectelor aflate n micare, reprezint un aspect important i este tratat ca parte component a evoluiei mijloacelor de transport fr operator uman. Pentru realizarea scopului tezei au fost stabilite urmtoarele obiective teoretice si practice: 1. studierea stadiului actual n domeniul de cercetare a vehiculelor de transfer urmrind posibilitatea mbuntirii flexibilitii ntr-un sistem de fabricaie prin dezvoltarea funciilor de navigaie a vehiculelor specifice; 2. conceperea unei simulri software pentru integrarea cercetrilor informaional realiznd o platform de studiu bazat pe modelarea senzorial, a vehiculelor operand ct i a reprezentrii scenelor mediului de operare; 3. realizarea unui prototip cu platform de implementare rapid i independent pentru testarea de algoritmi dedicai domeniului de navigaie a vehiculelor inteligente specifice; 4. studiul i evaluarea senzorilor i a resurselor disponibile pentru implementarea sistemelor de navigaie la vehiculele autonome; 5. dezvoltarea i implementarea software a unor algoritmi de navigaie care s permit navigarea unui vehicul autonom n timp real avnd la baza conceptul de cartografiere i localizare simultan (SLAM); 6. realizarea unei hri virtuale de navigaie prin extragerea de particulariti relevante din mediul de operare care s permit o navigare bazat doar pe extragerea informaiei de la senzorii vehiculului; 7. realizarea unei interfee grafice care s permit vizualizarea, monitorizarea i analiza comportamentului vehiculului care opereaz ntr-un mediu specific; 8. minimizarea volumului de date utilizate pentru navigaie prin programare efectiv; 9. studierea posibilitilor de implementare a vehiculelor prin realizarea aplicaiilor simulate; 10. implementarea i testarea algoritmilor i a conceptului de navigaie dezvoltai ntr-un model de vehicul inteligent la scar. Finalitatea tezei o reprezint realizarea unui prototip pentru dezvoltarea permanent a vehiculelor inteligente autonome prin realizarea unei platforme de studiu integrnd tehnici de msur, comand i control, sisteme informatice dedicate, dezvoltare de algoritmi, dar i concepte noi de logistic i design al sistemelor de manipulare al fabricilor viitorului.3

Structura tezei

STRUCTURA TEZEIAvnd obiectivul de a studia sistemele de navigaie ale vehiculelor autonome care opereaz n medii specifice, lucrarea de fa prezint n ase capitole contribuii i metode dezvoltate i aplicate n scopul mbuntirii navigaiei autonome. Primul capitol al tezei prezint un stadiu actual al tehnologiei utilizate n domeniul de navigaie a vehiculelor autonome din industrie. Un studiu de pia este realizat n scopul de a evidenia importana i aplicabilitatea vehiculelor autonome n industria de fabricaie a componentelor auto. Un top al produselor actuale puncteaz importana dezvoltrii produselor inteligente, categorie din care fac parte i vehiculele autonome. Cteva date statistice evideniaz evoluia crescnd a produselor de acest gen. n ceea ce privete direcia de cercetare i dezvoltare a domeniului de inginerie industrial i a vehiculelor de manipulare n sistemele de fabricaie i nu numai, a fost realizat paralel cu studiul bibliografic un conspect al literaturii din domeniu i al publicaiilor de specialitate, urmrind n special perioada ianuarie 2010 iunie 2011. n acestea sunt prezentate diferite concepte, prototipuri i trenduri n domeniu confirmnd abordarea unei tematici de top n ceea ce privete actualitatea direciei de cercetare. n al doilea subcapitol este realizat o prezentare a evoluiei istorice a mijloacelor de transport din industrie. Cele mai importante sisteme de vehicule automate sunt prezentate ntrun studiu critic descriind principiile lor de funcionare i limitarea domeniilor de aplicaie, ct i a strategiilor de operare. Capitolul doi conine informaii despre infrastructura vehiculelor autonome nonholonomice cu traciune integral. Un prototip al unui vehicul la scar (1:8) este realizat n scopul de a integra tehnologia necesar cercetrii, dezvoltrii i testrii algoritmilor de navigaie. Infrastructura integreaz senzori de proximitate diferii n scopul acoperirii unui domeniu larg de detecie i al maximizrii eficienei n implementare prin eliminarea senzorilor din infrastructura unui sistem de fabricaie, oferind independen i robustee n operare. Un concept de comunicaie paralel a dou uniti de procesare i de comand i control, ct i de monitorizare a activitii vehiculului este dezvoltat n scopul unei utilizri optime a resurselor, care s ofere posibilitatea testrii aplicailor n timp real. n capitolul trei este analizat conceptul de cartografiere i localizare simultan a vehiculelor autonome (SLAM). Conform cercettorilor, acest concept reprezint problema oului i a ginii n domeniul tehnicii de navigaie. Prin realizarea unei simulri software n care sunt modelate att funciile senzorilor i dezvoltai algoritmi de navigaie se obin date relevante pentru implementarea descris n capitolul de aplicaii. O limitare a sistemului este realizat prin utilizarea platformei de programare Matlab Embedded. Capitolul prezint modular fiecare component a simulrii cu informaii despre algoritmii implementai. O abordare a realizrii unei hri virtuale prin extragerea de particulariti (featurebased) asemntoare celor descrise n [21] este realizat cu ajutorul unui algoritm propriu de reducere a datelor avnd la baz algoritmul de evoluie discret a contururilor DCE [53]. O serie de fenomene specifice cum sunt, de exemplu, cel de ocluzionare a obiectelor n timpul scanrii mediului sau a comparaiei traiectoriei de deplasare de parcurs i parcurs sunt particularizate i analizate, iar ulterior este prezentat o soluie implementat a acestora. Stabilirea traiectoriei vehiculului reprezint o problema tratat la nivel macro. n acest sens4

Structura tezei

focalizarea merge pe pregtirea datelor necesare pentru generarea traiectoriei de deplasare, mai concret, pe abordarea n detaliu a conceptului de (SLAM). Traiectoria vehiculului este generat prin metoda cmpurilor poteniale. Un mecanism de detecie i evitare a obstacolelor este prezentat n continuarea capitolului bazat pe integrarea matricial a curbelor specifice (clotoide i curbe Bezier). Pentru localizarea vehiculului n harta generat, considerat un proces simultan de navigaie, este prezentat un model implementat de extragere a reperelor rezultnd n urma informaiilor extrase din mediu n timpul procesului de cartografiere. O transformare ntr-un cvasi spaiu Hough a parametrilor unei linii este realizat pentru extragerea datelor relevante i reducerea acestora la un minim necesar. Cu ajutorul unui filtru Kalman extins (EKF) [41] modelat, reperele sunt nregistrate i adugate datelor de odometrie ale vehiculului pentru realizarea unei localizri ct mai exacte i predicia urmtoarelor date relevante necesare pentru susinerea vehiculului n timpul navigaiei. Ultimul subcapitol analizeaz o abordare alternativ n navigaie. Utiliznd metoda de segmentare i mprire a spaiului de lucru n celule, se realizeaz un calcul probabilistic de ocupare a celulelor de navigare. Capitolul patru conine aplicaii realizate n scopul de a analiza comportamentul algoritmilor dezvoltai i al implementrii conceptelor studiate. Aplicaiile privind comportamentul filtrului Kalman modelat n capitolul trei ofer o vedere de ansamblu asupra parametrilor de navigaie. n continuare este prezentat implementarea unui concept de captur i evaluare video n scopul de a identifica obiectele dinamice n mediul de operare i marcajele care definesc spaiile specifice n sectoarele de navigare a vehiculelor. Capitolul cinci descrie o aplicaie special cu date de intrare dintr-un sistem flexibil de fabricaie simulat i care este realizat n scopul de a evidenia principalele sarcini pe care le are un vehicul autonom n timpul navigaiei n mediile specifice. Fie c este vorba de un transfer inter-operaional sau de o manipulare ntr-un depozit logistic, comportamentul vehiculului autonom este evaluat pe baza datelor de ieire ale algoritmilor implementai. n capitolul ase sunt prezentate rezultatele obinute, n care un accent deosebit a fost pus pe evidenierea noutii tiinifice, a postulatelor teoretice i a rezultatelor experimentale obinute. Sunt prezentate metodele de cercetare utilizate i argumentele care stau la baza credibilitii rezultatelor. De asemenea sunt propuse direciile viitoare de cercetare n domeniu. Cercetrile teoretice i experimentale efectuate pe parcursul elaborrii i finalizrii programului de cercetare precum i rezultatele acestora au fost valorificate prin publicare, susinere i discutare cu ocazia unor manifestri tiinifice naionale i internaionale. Titlurile acestor lucrri sunt cuprinse n bibliografie. Cercetrile au fost realizate n cadrul colii doctorale de la Universitatea Lucian Blaga din Sibiu, proiectul POSDRU/6/1.5/S/26/7706 cu titlul Creterea rolului studiilor doctorale i a competitivitii doctoranzilor ntr-o Europ unit, cofinanat din Fondul Social European prin Programul Operaional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013.

5

Stadiul actual

CAPITOLUL 1: STADIUL ACTUALIndustria de fabricaie este important pentru Europa (Manuel Barroso, 2009)

1.1.

Studiu de pia, importana i aplicabilitatea vehiculelor inteligente autonome n industrie

Domeniile strategice de cercetare n producie se refer la consolidarea punctelor forte ale unei organizaii i definirea activitilor orientate pe aplicaii. Competitivitatea prin reducerea costurilor i adugarea de valoare produselor finale asigur un proces calitativinovativ permanent. Uniunea European a lansat agenda strategic pentru fabricile viitorului prin programul EFFRA- Factory of the Future cu un buget de 1,2 mld. Euro. Acest program conine att un sector de dezvoltare naional, ct i unul regional pentru grupuri industriale. Ca parte a planului european de redresare economic, comisia a lansat trei parteneriate publicprivate (PPP). Acestea reprezint un mijloc puternic de a stimula eforturile de cercetare n sectoarele industriale mari, construcii de automobile i de fabricaie, care au fost deosebit de afectate de ncetinirea creterii economice. Conform statisticii federaiei internaionale de robotic, 76.600 de uniti de roboi n valoare total de 13,2 miliarde dolari, care acoper domeniul serviciilor n industrie au fost comercializai pn n anul 2009. Din acest total 5% reprezint domeniul logistic, i 6% platforme mobile de uz general n domeniul fabricaiei. Se observ un trend crescnd al utilizrii acestora pentru perioada urmtoare.

Figura 1.1: Valori statistice ale vnzrilor de roboi pentru servicii n domeniul industrial i profesional n anul 2009

6

Stadiul actual

1.2.

Evoluia vehiculelor autonome

Un grafic al evoluiei vehiculelor utilizate n industrie din anul 1959 pn n anul 2000 este reprezentat mai jos avnd la baz cercetrile institutului Frauenhofer din Stuttgart/Germania. De menionat sunt cele trei mari categorii relevante n dezvoltare de-a lungul anilor.

Figura 1.2: Evoluia vehiculelor autonome [116]

7

Stadiul actual

1.3.

Principii de funcionare a celor mai semnificative vehicule specifice ghidate automat

n cazul depozitrii n containere a semifabricatelor/pieselor se pot utiliza, pentru transferul inter-operaional al acestora, sisteme de robocare. n acest caz se cere o preocupare special referitor la cile de acces i traseele urmate de ctre acestea, de aceea acest sistem este mai puin uzual n seciile de producie propriu-zis, ntlnindu-se mai des n magaziile mari sau depozite. O prezentare sumar a principiului de funcionare a actualelor soluii disponibile din industrie este realizat utiliznd ca surs firma Egemin automation, specializat n domeniul vehiculelor ghidate din industrie de tip AGV. 1.3.1. Sisteme de ghidare cu reea de fire 1.3.2. Sisteme de ghidare cu magnei 1.3.3. Sisteme de ghidare cu Laser 1.3.4. Sisteme hibrid Sistemele hibrid reprezint vehicule multifuncionale care permit att operarea automat, ct i intervenia operatorului uman n manipulare. n cazul automat, un scaner laser ghideaz vehiculul ntr-o zon de producie, depozit sau medii de distribuie. Figura de mai jos indic un stivuitor dotat cu sistemele adiionale necesare pentru manipulare automat.

Figura1.3: Sistem hibrid de manipulare a materialului [109]

1- senzor de siguran, 2- unitate de navigare Laser, 3- senzori laterali pentru detectarea obstacolelor, 4- buton pornire/oprire, 5- camera video 3D (opional), 6- cititor RFID8

Stadiul actual

1.4.

Domenii de aplicaie ale vehiculelor autonome

Trendul n robotic este acoperirea i automatizarea a ctor mai multe domenii n sperana simplificrii sarcinilor oamenilor, a siguranei i preciziei produciei, a asistenei rutiere, respectiv a dezvoltrii zonei de servicii n general. n toate aceste domenii roboii mobili au cunoscut o dezvoltare generoas n ultimii ani. Deosebirea de aplicaii este definit de criteriile de operare n mediile specifice: mediul intern structurat mediul extern nestructurat. 1.5. Strategii de operare a AGV-urilor industriale

Pe baza regulilor de expediie este realizat navigarea vehiculelor ghidate automat n vederea ndeplinirii de sarcini. Performana modelelor analitice depinde de regula de expediie adoptat. O distribuie paralel a sarcinilor reprezint un avantaj n procesarea acestora fiind o tematic relativ nou i n acest domeniu. Practic, un vehicul autonom devine responsabil pentru ndeplinirea altor sarcini n drum spre sarcina primit de la sistemul de comand central. Avantajele i dezavantajele sistemelor de ghidare sunt descrise conform tabelului de mai jos cu extinderea criteriilor de navigaie cu ghidare video i GPS, dou componente introduse ca evoluie n ceea ce privete sistemele de navigaie a vehiculelor specifice.Tabelul 1.1: Prezentarea criteriilor calitative a sistemelor de ghidare

Sistem/Criteriu intern/extern Pentru suprafee murdare Nivel de ncredere Costuri de instalaie Flexibilitate Precizie n mm

Ghidare cu fir int.&ext. ++ ++ ~2

Ghidare cu magnei int.&ext. ++ + / / 3-20

Ghidare cu Laser int. + ++ ++ ~10

Ghidare video int.&ext. / + ++ ++