Optimale Trajektorienplanung für das autonome Ein- und Ausfalten eines Holzkrans

Abstract

Holzverladekräne des Typ Z werden nach dem Einsatz in eine kompakte, eingefaltete Position gebracht. Kräne dieser Art müssen für die Faltbewegung eine singuläre Konfiguration in ihrem Knickarm überwinden. Für einen autonomen Betrieb muss diese Bewegung aufgrund der Singularität gesondert behandelt werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Bewegungsplanung für das Ein- und Ausfalten eines autonomen Holzverladekran des Typ Z. Dabei werden zwei Lösungsstrategien zur Problemlösung vorgestellt. Einerseits wird der Kran ohne Bodenkontakt in der Luft ein- und ausgefaltet und andererseits werden Bodenkräfte zur Überwindung der Singularität genutzt. Die Grundlage stellt ein mathematisches Modell des Krans dar. Darauf basierend werden Optimalsteuerprobleme unter Berücksichtigung kinematischer und dynamischer Eigenschaften des Krans formuliert. Diese Optimalsteuerprobleme werden durch eine Volldiskretisierung in nichtlineare statische Optimalsteuerprobleme umgewandelt und unter Anwendung eines Trust-Region Interior Point Verfahrens gelöst. Die Ergebnisse zeigen, dass unter Berücksichtigung der Dynamik gültige Lösungen gefunden werden können. Für das Ausfalten liefert die Variante ohne Bodenkontakt Ergebnisse in kurzer Rechenzeit, während für das Einfalten die Variante mit Bodenkontakt vorzuziehen ist.

After operation, type Z knuckle boom forestry cranes are maneuvered into a compact, folded configuration. During folding and unfolding, forestry cranes of this type must traverse singularities in the knuckle boom joint. For autonomous operation, traversing singularites requires special consideration. This thesis is concerned with the Motion planning for unfolding and folding an autonomous type Z knuckle boom forestry crane. Two strategies are presented. The first strategy solves the problem without contact forces, while the second strategy utilizes contact forces to traverse the singularity. A mathematical model of the crane forms the foundation of the project. Based on this model, optimal control problems are formulated, which take kinematic and dynamic characteristics of the crane into account. The optimal Control problems are fully discretized and transformed into a nonlinear static optimal control problems, which are solved using a trust-Region interior-point algorithm. Considering the dynamic characteristics of the crane, feasible solutions can be obtained. For unfolding, the solution without contact forces Delivers reliable results with less computation time, whereas for folding, the solutions with contact forces are preferred.