Model-based semi-autonomous operation of a truck-mounted concrete pump

Abstract

Die vorliegende Arbeit behandelt den halbautonomen Betrieb einer Autobetonpumpe. Der Fokus liegt auf dem Aufbauprozess der Maschine nach Ankunft an der Baustelle. Der Aufbau beinhaltet das Abstützen der Maschine mittels Stützfüßen, um maximale Stabilität zu gewährleisten, sowie das Ausklappen des Auslegers mit den Betonförderleitungen in eine Arbeitskonfiguration. Für diese Teilaufgaben, werden Assistenzsysteme entwickelt, um den Bediener der Autobetonpumpe bei der Durchführung zu unterstützen. Der Schwerpunkt der entwickelten Algorithmen liegt dabei auf praktischer Anwendbarkeit. Die präsentierten Systeme basieren dabei auf mathematischen Modellen, welche aus physikalischen Prinzipien abgeleitet sind. Die resultierenden mathematischen Modelle wurden wohlüberlegt vereinfacht, um die Rechenkomplexität zu reduzieren, ohne jedoch die Anforderungen an die Genauigkeit zu verletzen. Das komplexe mathematische Modell des Auslegers wurde durch Messungen an einer realen Maschine kalibriert, was zu einer äußerst realistischen Repräsentation der Bewegungen mittels Simulation führt. Die entwickelten Modelle werden schließlich genutzt, um maßgeschneiderte Planungsalgorithmen für gewünschte Bewegungen der Maschine zu entwickeln. Unter Verwendung etablierter Techniken aus der Regelungstechnik werden die geplanten Bewegungen ausgeführt und stabilisiert.Das Problem der autonomen Abstützung für die Maschine wird anhand umfassender simulativer Analysen mithilfe mathematischer Optimierung diskutiert. Dabei wird zunächst die Frage, wie maximale Stabilität erreicht werden kann, geklärt. Die gewonnenen Erkenntnisse werden genutzt, um einen recheneffizienten Planungs- und Regelungsalgorithmus zu entwerfen, der speziell für praktische Anwendungen zugeschnitten ist.Für die Ausführung von Ausfalt- und Einfaltbewegungen des Betonverteilungsarms wird ein auf mathematischer Optimierung basierendes System zur Bewegungsplanung entwickelt. Dieses System berücksichtigt eine Reihe von Beschränkungen und Limitierungen, welche sich aus technischen und rechtlichen Anforderungen ergeben. Insbesondere die Vermeidung von Kollisionen zwischen dem Ausleger und Hindernissen im Arbeitsbereich ist eine wesentliche Einschränkung. Diese komplexe Aufgabe wird mit Schwerpunkt auf Robustheit und Recheneffizienz gelöst. Ein auf die betrachtete Anwendung zugeschnittener Algorithmus, basierend auf etablierten Methoden für ähnliche Probleme, wird präsentiert. Die geometrischen Eigenschaften des Systems werden dabei strategisch genutzt, um die Rechenkomplexität zu reduzieren. Für Bewegungen während dem Fördern von Beton wird eine wesentlich vereinfachte Bewegungsplanung basierend auf kartesischen Pfaden entwickelt.Die vorgeschlagenen Konzepte werden gründlich mittels umfangreicher Simulationsstudien untersucht und diskutiert. Der Planungs- und Stabilisierungsalgorithmus für das Ausklappen des Auslegers wird mithilfe von Messungen an der realen Maschine validiert.

This work discusses the semi-autonomous operation of a truck-mounted concrete pump. Specifically, the focus lies on the setup process of the machine upon arrival at a construction site. The setup involves stabilizing the machine using support feet to ensure maximum stability and unfolding the concrete distribution boom into a working configuration.To address these sub-problems, assistance systems are developed to aid operators in fulfilling the tasks, focusing on practical usability. The presented semi-autonomous assistance systems are based on mathematical models derived from physical principles. The resulting mathematical models are deliberately simplified to reduce computational complexity while maintaining the required accuracy. The complex mathematical model of the boom has been calibrated through real-world machine measurements, resulting in a highly realistic motion representation via simulation. These mathematical models are then leveraged to create customized planning tools for the desired motions of the machine. Employing well-established techniques from automation and control, the desired motions are executed and stabilized.To develop an assistance system for the support of the machine, an exhaustive simulation analysis is conducted using mathematical optimization. Thereby, first, the question of how maximal stable support can be achieved is resolved. The gained insights are employed to design a computationally efficient planning and control algorithm explicitly tailored for practical applications.For executing unfolding and folding motions of the concrete distribution boom, an optimization-based motion planning system is developed. This system takes into account a range of constraints and limitations arising from technical and legal considerations. Notably, the avoidance of collisions between the boom and obstacles within the workspace, including the truck, is a critical restriction. This complex challenge is addressed with a strong emphasis on both robustness and computational efficiency. An efficient algorithm is presented, which applies established methods adapted to the considered application. The geometric properties and relationships of the system are strategically leveraged to simplify computational complexity. Based on desired Cartesian paths, an alternative and strongly simplified motion planning strategy has been developed regarding the concrete distribution task. Extensive simulation studies and discussions thoroughly examine and validate the proposed concepts. The planning and stabilization algorithm for boom unfolding is validated using real-world measurements.