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Enhancing the degree of machine autonomy in construction machines

Lee, Hyung Joo^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Hyung Joo Lee, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak02

Hauptberichter/Gutachter
Brell-Cokcan, Sigrid (Thesis advisor)^RWTH* ; Beetz, Jakob (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-10-09

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-10047
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/995660/files/995660.pdf

Einrichtungen

1. Lehrstuhl für Individualisierte Bauproduktion (211510)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 720

Kurzfassung
Die Hersteller von Baumaschinen haben sich traditionell darauf konzentriert, Mängel, Komfort und Sicherheit zu verbessern, um zu ermöglichen, verschiedene Bautätigkeiten unter unterschiedlichen Bedingungen auszuführen. Allerdings werden diese Maschinen immer noch hauptsächlich von menschlichen Bedienern direkt oder aus der Ferne gesteuert, wobei sich der Bediener oft in der Nähe der Maschine befindet und damit den Risiken und Gefahren ausgesetzt ist, die mit dem Betrieb von schweren Maschinen auf der Baustelle verbunden sind. Diese Arbeit untersucht die Idee, den Grad der Maschinenautomatisierung in verschiedenen Stufen zu erhöhen, von assistierten bis hin zu halbautomatischen Systemen. Unterschiedliche Methoden werden anhand des Beispiels der 3-Tonnen-Kompaktbaumaschine BROKK 170 implementiert. Im Bereich des Assistenzsystems präsentiert diese Arbeit einen neuartigen datengesteuerten Ansatz zur direkten Fernsteuerung im Arbeitsraum und zur Steuerung auf Basis virtueller Vorrichtungen. Das Ziel ist es, die Effizienz zu steigern und die kognitive Belastung des Bedieners zu verringern. Dies wird durch eine effektive datengesteuerte Modellierungstechnik ermöglicht, die die inhärente Nichtlinearität der hydraulischen Baumaschine erfasst. Darüber hinaus integrieren die vorgeschlagenen Methoden ein fortschrittliches Simulationswerkzeug in die Steuerungs-Pipeline, um die häufig damit verbundenen Einschränkungen von datengesteuerten Ansätzen anzugehen. Diese Einschränkungen umfassen die Bewältigung des unberechenbaren Verhaltens des Systems während seiner anfänglichen Trainingsphase und die Bewältigung des Bedarfs an einer beträchtlichen Menge an Trainingsdaten. Im Kontext des halbautomatischen Systems führt diese Arbeit eine Steuermethodik ein, die den menschlichen Bediener in den Steuerprozess einbezieht. Dieser Ansatz dient dazu, die kognitiven Anforderungen an automatisierte Systeme zu verringern. Gleichzeitig profitieren menschliche Bediener von der Fähigkeit automatisierter Systeme zur präzisen Steuerung und Koordination mehrerer Gelenke, was die Sicherheit und Effizienz gewährleistet. In dieser Arbeit wird die Wirksamkeit des entwickelten Ansatzes anhand seiner Anwendung im Abbauprozess dargestellt. Es wird ein Vergleich zwischen dem herkömmlichen ferngesteuerten Ansatz und der neu entwickelten Methode gezogen. Darüber hinaus untersucht diese Arbeit eingehend die Implementierung und Leistung von Kommunikationstechnologien wie 5G in anspruchsvollen Umgebungen wie Baustellen. Dabei liegt der Fokus auf den spezifischen Designanforderungen und einem Vergleich der Fähigkeiten von 5G mit herkömmlichen Kommunikationstechnologien im Zusammenhang mit automatisierten Baumaschinen. Diese Gegenüberstellung erfolgt im Kontext der operativen Dynamik automatisierter Baumaschinen und bietet eine umfassende Bewertung ihres Zusammenspiels in diesen anspruchsvollen Umfeldern. Die Arbeit stellt Schlüsseltechnologien vor, die die Automatisierung von Baumaschinen vorantreiben. Der Autor ist der Meinung, dass die Erkundung der skizzierten Wege bald automatisierte Baumaschinen zu wertvollen Hilfsmitteln in verschiedenen Anwendungen machen wird.

Construction machine manufacturers have traditionally focused on improving deficiencies, comfort, and safety to enable machine actuators to perform various tasks under different conditions. However, human operators still predominantly control these machines directly or remotely, with the operator positioned near the machine exposing the human operators to risks and hazards associated with operating heavy machinery on a construction site. This thesis investigates the idea of increasing the degree of machine automation in various stages, ranging from assisted to semi-automated systems. Different methods are implemented using the example of the 3-ton compact construction machine BROKK 170. Regarding the assistance system, this thesis presents a novel data-driven approach for task space control and virtual fixture-based control within the realm of teleoperation. The goal is to enhance efficiency and alleviate the cognitive load on the operator. This achievement is facilitated by an effective data-driven modeling technique that captures the hydraulic construction machine's inherent nonlinearity. Furthermore, the proposed methods incorporate an advanced simulation tool into the control pipeline, aiming to tackle the prevalent limitations often linked with data-driven approaches. These limitations encompass managing the unpredictable behavior of the system during its initial training phase and addressing the need for a substantial amount of training data.In the context of the semi-automated system, this thesis introduces a shared control methodology that involves the human operator in the control process, enabling an interactive definition of abstract task goals. This approach serves to mitigate the cognitive demands placed on automated systems. Concurrently, human operators benefit from the automated systems' capacity for precise control and coordination of multiple joints, ensuring operational safety and efficiency. In this thesis, the effectiveness of the developed approach is showcased through its application in the deconstruction process. A comparison is drawn between the off-the-shelf teleoperated approach and the newly developed method. Furthermore, this thesis rigorously examines the implementation and performance of cutting-edge communication technologies, notably 5G, within the intricate landscape of challenging environments like construction sites. It particularly accentuates the essential design requirements, drawing a comparative analysis between the expansive capabilities of 5G and the conventional communication technologies. This comparison is carried out in association with the operational dynamics of automated construction machinery, providing a comprehensive evaluation of their interplay within these demanding contexts. The thesis introduces key technologies that advance construction machine automation. The author believes that exploring the outlined paths will soon make automated construction machines valuable aids in various applications.

OpenAccess:
PDF
(additional files)

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT030892496

Interne Identnummern
RWTH-2024-10047
Datensatz-ID: 995660

Beteiligte Länder
Germany