Par 01 2016

PAR P O M I A RY • A U T O M AT Y K A • R O B O T Y K A

kwartalnik naukowo-techniczny

1/2016 ISSN 1427-9126 Indeks 339512

Cena 25,00 zł w tym 5% VAT

www.par.pl

W numerze:

3 5 17 25

Od Redakcji Marcin Witczak, Marcin Pazera

Fault Tolerant-Control: Solutions and Challenges

Badanie zjawiska kawitacji w pompach wyporowych

Application for the Automatic Pitch Detection and Correction of Detuned Singing

31

37

!

Potential of Multi-Agent Systems for Operation of Transportation Systems

Robot humanoidalny ROMAN

" # Informacje dla Autorów – 83 | POLSPAR – Stowarzyszenie Pomiarów, Automatyki i Robotyki – 87 | Wydarzenia – Profesor Janusz Kacprzyk w EURO-ACAD – 93 |

94 |

! " ! # $

% $

Waldemar Wróblewski – 97 |

& '

'$ ( $

) "

( &

)"

* !" $

"

98 | Kalendarium – 99 |

++ !

. / 0 1

2345$ 6 " .

/ 7

" "

100

Rada Naukowa & ' (

? ! " @K Rok 20 (2016) Nr 1(219) ISSN 1427-9126, Indeks 339512

& ) * Y Z [ \' ]

Redaktor naczelny

& + ,

H B H " ^ _

/8 ;

#

/8 *

! /8 ! * & 8 < ) = & 8

/8 * = > ? @ = A & 8 ( = & 8 $ * = ;

$ %

& . /& 0

E ( Y Z ? \) ] 1 2. .

Y Z ! \E ] & $ 3

" H ? " K "H?" < & 4 (& 3 % .

E Y % Z \Y ] & 2 5& 3

" * < / ' ` A & '& + ) % " H " \" ]

B

& ' ) % Y Z \' ]

Druk

& ( )

< H / " " <

) C ( D '&8 8 8 E FGG 8

Wydawca

& + )

" H ? " K "H?" <

" H ? J" K "H?" ? 8 LGL GLOQTF <

Kontakt D O " ? D ; ? 8 LGL GLOQTF < 8 LL TUQ GV QF X& 8& 8& 8&

/

6& )

Y Z " \) ] &

)

" < H b & '

7

< _ " ! & $ % 5 % f%Z Z " g E Y Z \Y ] &

8

< _ < / ' B _ J< & ' $

$ Y Z \ ]

Pomiary Automatyka Robotyka & O ; O VllU 8 " VT A A 8 ? & _ J& & & O; ; 8

O " ?

D ; J; !? (B$j ) ' HEpBq $ "BDEH$Y' \H$v F wT] / J ; ; / & & ?DH?E(?8 " E '< & ; T & \& 8 VLQQ]8 " _ _ A E A& ; & & ; J O " ? D ; 8 < _ & _ \ _] & & 8 Y A& / & A "?D pH)H(?% = A _ & ` 8

& 8 $ %

$ h Y Z \< ! ] & $ < H / " % " & * $

?(! = H ?&& ' ( ! ) ;j \E ] &

9 ;

< ( " ^ _ & 5 <. ' Z ? ' \' ] & 3

+ % ; H H ? D ; " < & %

D H( Y Z ; \? ] & +& / f Z " g E Y Z \Y ]

" ? D ; D8 LG E V>LGVF

3

Od Redakcji

5

Marcin Witczak, Marcin Pazera Fault Tolerant-Control: Solutions and Challenges ' _ # _

17

25

31

37

Badanie zjawiska kawitacji w pompach wyporowych ( ' $ Z B " Z p & " &

Application for the Automatic Pitch Detection and Correction of Detuned Singing ?& `&

Potential of Multi-Agent Systems for Operation of Transportation Systems " K & &

!

Robot humanoidalny ROMAN D ; D = j Bx& B

47

( B E O; $ $ Z D $ p '

57

$ % & Koncepcja budowy prototypu mobilnej platform inspekcyjnej dedykowanej do pracy w kopalniach ( $ & ! " & ; H & " p Y $

65

" ' ( Realizacja mechanizmu lokalnej wymiany informacji w ramach platformy komunikacyjnej w rozproszonych systemach stertowania H & % Bx H $ " p ; $ '

69

" ) * '

? ?&& ; Bx& ' ? D H ? ' &&

75

!

referencyjnej GNSS B ( & & p " )E'' D '

1

'"H' (DB^$H

83

Informacje dla Autorรณw

87

POLSPAR โ Polskie Stowarzyszenie Pomiarรณw, Automatyki i Robotyki

93

< Profesor Janusz Kacprzyk w EURO-ACAD

94

< & Profesor Tadeusz Missala

97

" _/ "

# $ $ % & ' % Waldemar Wrรณblewski

98

" _/ Intelligent Monitoring, Control, and Security of Critical Infrastructure Systems โ Elias Kyriakides, Marios Polycarpou

99

Kalendarium

100 y &

automation 2016

L

P

O

M

I

A

R

Y

โ ข

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

โ ข

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

p DBp? $ H

& O O " ? D ; 8 & ` _ & A ` E ' < / ` & & 8 E & ;A & K & ; K A LGVÂ&#x20AC; 8 _ T & K 8 < LGVF 8 & & A _ ;A & K ; / 8 & ` _ / Vl LGVF 8 Tl K " H ? " K & 8 8 /8 ( 8 A & A _ " / & _ ; / 8 " K / A " ' " K ? D ; " %'"?D = & ; / _ & K; K A & _ & & 8 ( " A = ` / * A 8 < < = " H ? " K "H?" = & ; /_ & ; K 8

Redaktor naczelny kwartalnika Pomiary Automatyka Robotyka /8 ;

3

4

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 20, Nr 1/2016, 5â&#x20AC;&#x201C;15, DOI: 10.14313/PAR_219/5

/ 0 8 : ) Marcin Witczak, Marcin Pazera " ; <= > ; ! ? ) ) $ )= -% .-8+@. <=

Abstract: Fault-Tolerant Control (FTC) systems are intensively investigated both from the theoretical and practical viewpoints. It is reflected in a large number of publications and research teams dealing with this emerging area. FTC is perceived as a technique integrating advanced fault diagnosis techniques and modern control methods that makes it possible a system to continue its mission under a faulty situation. It can be also observed that the fault diagnosis theory is well developed for linear systems. There are also approaches that can be efficiently used to minimize the uncertainty effect of the model of the system being controlled and diagnosed as well as noise and disturbances. This means that the development of analogous strategies for non-linear systems is fully justified. One of the main difficulties in the current development of FTC is the fact that most works presented in the literature treat fault diagnosis and FTC problems separately. Unfortunately, perfect fault diagnosis, and in particular fault identification, is impossible to attain. This justifies the necessity of developing integrated fault diagnosis and FTC, which takes into account such an unappealing phenomenon, both for linear and non-linear systems. As indicates the state-of-the-art regarding FTC, the integration issue is treated cursorily while the lack of suitable solution is replaced with a chain of (possibly conservative) assumptions related to fault diagnosis. Taking into account the above difficulties, the paper focuses on the presentation of modern FTC with analytical and soft computing approaches. An effective FTC methods are discussed along with the integration process of fault diagnosis and FTC. 3 U ; ) ; 8 ; ; A

V& 2

An instant growth in the complexity, efficiency, and reliability of modern industrial systems necessitates new development in control and Fault Diagnosis (FD) [1â&#x2C6;&#x2019;6] theory and practice. A fusion of these two strategies is intensively studied under the name Fault-Tolerant Control (FTC) [7â&#x2C6;&#x2019;11] and reduces to a moderate integration of advanced fault diagnosis [5, 12, 6] and control [1] techniques. A general FTC scheme is depicted in Figure 1 [13, 6].

It is an evident fact that the controlled system is the core part of the scheme. It can be divided into actu-

Fig. 1. Modern control system Rys. 1. Nowoczesny ukĹ&#x201A;ad sterowania

( U & ' &$' ( $ $ ) $ (

+,$,+$+%,- $ ,-$%,$+%,. $

!! " #$%

ators, process dynamics and sensors. Each of these parts is affected by the so-called unknown inputs, which consists of process and measurement noise as well as external disturbances acting on the system. When model-based control and analytical redundancy-based fault diagnosis are utilised [1, 2, 5, 7â&#x2C6;&#x2019;10, 6], then the unknown input can also be extended by model uncertainty, i.e., the mismatch between the model and the system being considered.

5

Fault Tolerant-Control: Solutions and Challenges

Fig. 2. Regions of system performance Rys. 2. Obszary wydajnoĹ&#x203A;ci systemu

Fig. 3. Passive fault-tolerant controller Rys. 3. Pasywny regulator tolerujÄ&#x2026;cy uszkodzenia

The system can also be affected by faults. This unappealing phenomenon can be defined as an unpermitted deviation of at least one characteristic property or parameter of the system from the normal condition, e.g., an actuator malfunction. On the other hand, the term failure pertains a complete breakdown of the system. Thus, the term fault stands for a malfunction rather than a catastrophe. Indeed, failure is a permanent interruption in the system ability of performing a required mission under specified operating conditions. Figure 2 presents possible system behaviours along with suitable FTC recovery actions that can bring the system performance back into the required performance.

Since the system can be split into three parts (Fig. 1), i.e., actuators, the process, and sensors, such a decomposition leads directly to three classes of faults [2, 11]: â&#x2C6;&#x2019; Actuator faults, which can be viewed as any malfunction of the equipment that actuates the system. â&#x2C6;&#x2019; Sensor faults, which can be viewed as serious measurements variations. â&#x2C6;&#x2019; Process faults (or component faults), which occur when some changes in the system make the dynamic relation invalid, e.g., a leak in a tank.

In the light of the above discussion, the main objective of the paper is to give an outline concerning the FTC solutions as well as to indicate challenges in this emerging research area. The paper is organized as follows. Section 2 gives a general overview of the existing approaches. Starting from passive FTC up to advanced virtual actuators and sensors, all approaches are briefly discussed.

Subsequently, the original FTC research achievements of the authors are reviewed and detailed in Section 3 and 4, respectively.

As a result of the undertaken discussion, the challenges concerning modern FTC are formulated and exhibited in Section 5.

designed to be robust against a set of predefined faults, therefore there is no need for fault diagnosis. Therefore, the fault are treated in a similar fashion as disturbances. An obvious drawback of such an approach is the fact that a limited number of faults can be tolerated. Further, such a controller works sub-optimally for the nominal plant because its parameters are prearranged so as to get a trade-off between the performance and fault tolerance. It should be noted that the passive fault-tolerant controller is similar to the robust approach when uncertain systems are considered. Although the difference lies not only in the size and interpretation of faults versus uncertainties but also in the structure of the constraints resulting from the faults [1]. An overall structure of passive FTC is depicted in Fig. 3.

X&X& ( . Y+6U 8 . & 8

( % In contrast to passive ones, active FTC schemes react to the faults actively by reconfiguring control actions. This is realised in such a way as the system stability and acceptable performance is maintained. An active FTC, in the literature is sometimes also referred to as self-repairing, reconfigurable, restructurable, or self-healing control systems. To achieve fault tolerance, the control system relies heavily on fault diagnosis [5, 20, 6]. Hence, the main goal of the FTC system is to design the controller with an appropriate architecture, which enables stability and satisfactory performance, not only when all control components are healthy, but also in cases when there are faults in sensors, actuators, or other system components.

Usually, as depicted in Fig. 4, the FTC system can be divided into four sub-systems [15]: â&#x2C6;&#x2019; a reconfigurable controller, â&#x2C6;&#x2019; an FDD scheme, â&#x2C6;&#x2019; a controller reconfiguration scheme, â&#x2C6;&#x2019; a command/reference governor.

It should be noted that the inclusion of both fault diagnosis and a reconfigurable controller within the system structure is the main difference between the active and the passive FTC

X& 1. .

Y+6 $ % X&V& 5 . Y+6 FTC systems can be divided two distinct classes [15, 11] â&#x2C6;&#x2019; passive and active ones. In passive FTC [16â&#x2C6;&#x2019;19], controllers are

6

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Marcin Witczak, Marcin Pazera

system. Hence, the key issue of a successful FTC scheme is to design a controller which can be easily reconfigured. Lastly, a reconfiguration mechanism must be able to recover as much as possible the pre-fault system performance taking into account all uncertainties and constraints present in the system.

As shown in Fig. 4, fault diagnosis must provide information about all detected faults in real time. Based on this information, the reconfiguration block must take into consideration the current system behavior, as well as to construct an appropriate post-fault system model. Afterwards, the reconfiguration data for the controller should be designed, in such a way that a currently faulty system is stabilized and fault propagation is stopped. The second objective is to recover as much of the nominal performance as possible. At the same time, the actuator saturation and other system constraints should be taken into consideration and the system trajectories adjusted if necessary.

Such an FTC system is often classified as a reconfigurable one, though some authors call it an accommodation scheme [1].

However, in some cases reconfiguration of the controller is not enough to stabilize the faulty system. In such cases, the structure of the new controller must be changed. This restructuring also uses an alternative input and output signals in the new controller configuration. Afterwards, a new control law has to be designed on-line. Such an FTC controller is called a restructurable fault-tolerant controller, and is depicted in Fig. 5. This type of FTC is also sometimes called reconfiguration [1], but to avoid confusion the former terms will be used, i.e., reconfigurable versus restructurable.

X&Z& / $ ( Besides of the known problems related to fault diagnosis and FTC, study on the following topics is needed for establishing an efficient and effective framework of FTC technology [11]: â&#x2C6;&#x2019; advanced methods of system and/or controller reconfiguration, â&#x2C6;&#x2019; advanced fault diagnosis and control methods for nonlinear and uncertain systems, â&#x2C6;&#x2019; integrated design of fault diagnosis and reconfiguration mechanisms, â&#x2C6;&#x2019; analysis of switched behavior between two different configurations and development of switching schemes, â&#x2C6;&#x2019; implementation of reconfiguration mechanism under real time condition.

The above defined problems can partially be solved with the application of the so-called virtual sensors and actuators [21â&#x2C6;&#x2019;23]. In the case of actuators, the approach rely on the idea of keeping the nominal controller in the loop and avoiding the complete controller redesign by placing a block between the controller output and the input of all available actuators (Fig. 6). The goal of this block is to provide a signal, which has the same effect as the broken actuator would have in the nominal system, therefore masking the fault. This is, of course, achieved by appropriate fault compensation and/or modifying suitably the nominal control strategy of fault-free actuators.

That is why the approach can be perceived as a kind of virtual actuator [22, 24â&#x2C6;&#x2019;27].

Fig. 4. Reconfigurable fault-tolerant controller Rys. 4. Rekonfigurowalny regulator tolerujÄ&#x2026;cy uszkodzenia

Fig. 5. Restructurable fault-tolerant controller Rys. 5. Restrukturyzowalny regulator tolerujÄ&#x2026;cy uszkodzenia

7

Fault Tolerant-Control: Solutions and Challenges

Fig. 6. Virtual actuator-based FTC Rys. 6. FTC bazujÄ&#x2026;ce na wirtualnym urzÄ&#x2026;dzeniu wykonawczym

Fig. 7. Virtual sensor-based FTC Rys. 7. FTC bazujÄ&#x2026;ce na wirtualnym czujniku pomiarowym

The main drawback of the approaches presented in the literature is that a perfect information about the faults is required (no fault estimation uncertainty). Another issue is the fact that they are designed for linear deterministic systems without taking into account modelling uncertainty, disturbances and system and control constraints that inevitable in real control systems. This can be realized with the so called virtual sensors [21, 28, 11]. After a sensor fault is detected and isolated, the FTC system is reconfigured to use all but corrupted sensor readings, while the output of the virtual sensor replaces the output of the faulty sensor (Fig. 7). After the sensor is repaired or replaced, the use of all sensors can be safely resumed. That is why the proposed strategy is called a virtual sensor.

In both cases (virtual sensors and actuator), their performance is strongly related with fault diagnosis quality. Thus, the better the fault estimation the better results provided by virtual sensors and actuator. In the light of this comment, the objective of the subsequent section is to discuss recent advances in this emerging area.

algorithms. For example, [36] proposed a unified framework based on a model reference approach for non-linear systems that can be represented by means of Takagi-Sugeno models. In [37], a fault estimation scheme for linear parameter-varying systems is presented. In [38], an observer scheme that estimates simultaneously the state and the fault is proposed. For non-linear systems, the observer-based FDI approaches have gained a lot of interest [39, 40] and FDI formulations for some classes of nonlinear systems have been derived. In [41], state affine nonlinear systems have been handled, and in [41, 42], the class of input-affine systems has been considered, among others. The work [43] presents a detailed geometric description of how to tackle the residual generation problem for non-linear systems.

On the other hand, [44] presents a procedure to design a bank of extended Hâ&#x2C6;&#x17E; observers for sensor FDI for a certain class of non-linear systems. There are also approaches that employ soft computing techniques, e.g., neural networks [45].

Taking into account the above discussion, let us consider a non-linear discrete-time system (1)

Z& Y

Fault estimation has been addressed using various strategies, e.g.: augmenting the state vector by an unknown input, two-stage Kalman filter [29], minimum variance input and state estimator [30, 31], adaptive estimation [32], sliding mode high-gain observers [33] and finally, an Hâ&#x2C6;&#x17E; approach [34]. The fault estimation can also be formulated as a parameter estimation problem [35] leading to the application of parameter estimation

8

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

(2) where xk â&#x2C6;&#x2C6;X â&#x160;&#x201A; Rn is the state, uk â&#x2C6;&#x2C6;U â&#x160;&#x201A; Rr stands for the input, yk â&#x2C6;&#x2C6; Rm denotes the output, fa,k â&#x2C6;&#x2C6; Rr stands for the actuator fault fs,k â&#x2C6;&#x2C6; Rm denotes the sensor fault, dk â&#x2C6;&#x2C6; Rq is the unknown input disturbance, wk is an exogenous disturbance vector. Considering A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Marcin Witczak, Marcin Pazera

the system model (1)â&#x2C6;&#x2019;(2), the problem is to design an observer that will be able to estimate simultaneously the state xk and the faults fa,k and fs,k, as well as decouple the effect of the unknown input dk while minimizing the influence of wk.

As it was already mentioned, FTC, and in particular, virtual sensor and actuator strategies are based on information about faults. Thus, the solution to the above problem constitutes the preliminary step towards an efficient FTC. On the other hand, the problem is not trivial and its solution for the actuator fault case was provided recently by Witczak et al. [46]. For that purpose, the following structure was proposed along with a suitable computational algorithm:

with C = [0 I].

It can be observed that the problem of estimating xk , fa,k and fs,k was reduced to estimating xk and fk described by (10)â&#x2C6;&#x2019; (11), respectively. This allows direct application of the scheme (3)â&#x2C6;&#x2019;(5). As a result, the proposed approach is able simultaneously estimate sensor and actuator faults but it cannot be applied for the process fault. Indeed, the process fault can be described as follows:

(12) (3) ,

(13)

(4)

(5) where xË&#x2020;k and fË&#x2020;k are the state and fault estimates, respectively.

Note that the sensor fault can also be estimated with the above approach but it requires suitable technical manipulations.

For the purpose of simplicity, the scheme for simultaneous sensor and actuator fault is presented for linear systems of the form: x k +1 = A x k + B uk + B fa ,k + W1wk

(6)

yk = C xk + C f fs,k + W2wk

(7)

where: x k â&#x2C6;&#x2C6; Rn, uk â&#x2C6;&#x2C6; Rr, y k â&#x2C6;&#x2C6; Rm, denote the state, input and output, respectively.

The objective of further deliberations is to design a scheme that will be able to simultaneously estimate the system state along with the sensor and actuator fault, respectively. To settle this problem, let us consider a filter of the form: sk +1 = D (y k â&#x2C6;&#x2019; sk )

(8)

where D â&#x2C6;&#x2C6; RmĂ&#x2014;m is a matrix with eigenvalues lying within a unit circle. Substituting (7) into (8) gives: (9) Thus, an extended state vector can be defines as:

where fp,i stands for the i-th process fault. An immediate observation of the above system description leads to the conclusion that, even for linear system, the process fault estimation problem is a nonlinear one. Indeed, the multiplication between fault and state in (12), i.e., fp,i xk clearly justifies this conclusion.

A research on multiplicative fault detection and estimation was realized using sliding mode observers [47], adaptive observers for linear and nonlinear systems [48, 32, 49] as well as for linear parameter-varying ones [50].

Unfortunately, up to the authors knowledge, there is no solution present in the literature that is able to clearly identify the source of a fault and to provide its accurate estimate. Irrespective of the above unappealing phenomenon, the objective of the subsequent part is to discuss recent developments in the area of fault compensation and accommodation.

[& Y 6 (

Recently, a number of books was published in the last decade on the emerging problem of the FTC. In particular, the book [7] is mainly devoted to fault diagnosis while providing some general rules for the hardware-redundancy-based FTC. On the contrary, the work [8] introduces the concepts of the active and passive FTC. It also investigates the problem of performance and stability of the FTC under imperfect (delayed and imprecise) fault diagnosis. In particular, the authors consider (under a chain of some, not necessarily easy to satisfy assumptions) the effect of a delayed fault detection and an imperfect fault identification but the fault diagnosis scheme is treated separately during the design and no real integration of the fault diagnosis and the FTC is proposed. The FTC is also treated in a very interesting

(10)

where:

While the corresponding output equation is: yk = Cxk,

(11)

Fig. 8. Virtual actuator-based fault compensation Rys. 8. Kompensacja uszkodzeĹ&#x201E; bazujÄ&#x2026;ca na wirtualnym urzÄ&#x2026;dzeniu wykonawczym

9

Fault Tolerant-Control: Solutions and Challenges

Fig. 9. Virtual actuator-based fault compensation and accommodation Rys. 9. Kompensacja i akomodacja uszkodzeń bazująca na wirtualnym uszkodzeniu wykonawczym

Fig. 10. Multi-tank system Rys. 10. Układ wielu zbiorników

work [9] where the number of practical case studies of FTC is presented, i.e., a winding machine, a three-tank system, and an active suspension system. Unfortunately, in spite of the incontestable appeal of the proposed approaches the FTC integrated with the fault diagnosis is not studied.

As it was the case in the preceding section, let us start with the actuator faults. The idea of integrating fault estimation, compensation and control for the nonlinear system (1)−(2) was introduced in [51]. The approach is depicted in Fig. 8.

The control strategy is given as follows:

belong to the robust invariant set, then a suitable predictive control actions are performed in order to enhance the invariant set. This appealing phenomenon makes it possible to enlarge the domain of attraction, which makes the proposed approach an efficient solution. The crucial issue is to maintain the state of the system inside the robust invariant feasible set, which is a set of states guaranteeing the stability of the proposed control strategy. The overall scheme of the approach is given in Fig. 9.

The proposed control scheme, which is a combination of the fault-compensation [51] and predictive control [53] schemes is as follows:

(

[

)

( )]

u f ,k = − fˆk + K 1 xk − xˆ f ,k + K 2 g (xk ) − g xˆ f ,k + uk

(14)

where xk and uk are the reference state and input, respectively.

While xˆf ,k , fˆk are the state and fault estimates of the faulty system. The design strategy boils down to compensating the effect of a fault in such a way as the faulty state follows the reference one. The strategy is composed of the nominal nonlinear controller (with gains K1 and K2) and the fault compensator − fˆk . Thus, in the light of the above discussion, it can be perceived as a virtual actuator. However, if fault compensation cannot be realized within the required range then the proposed approach will lead to the divergence from the reference state.

The approach proposed in [52], tackles the above-mentioned difficulties by providing an elegant way of incorporating actuator fault diagnosis (particularly the fault identification) into the fault-tolerant control framework. The proposed approach is based on a triple stage procedure. It starts from actuator fault estimation, then the fault is compensated with a robust controller. Finally, if the fault compensation does not provide satisfactory results, which means that the current state does not

10

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

Fig. 11. Incipient fault estimated with linear and robust UIO Rys. 11. Uszkodzenie powoli narastające estymowane przy użyciu liniowego obserwatora i odpornego obserwatora o nieznanym wejściu

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Marcin Witczak, Marcin Pazera

(15)

while the predicted future input corresponds to the finite horizon optimization that has to be activated when the input constraints are close to be violated by the fault compensation mechanism. This means that the remaining actuators should be suitably activated in order to compensate the effect of a faulty actuator. In particular it is described by:

(16)

where: â&#x2C6;&#x2019; nc is the prediction horizon, â&#x2C6;&#x2019; K is the Hâ&#x2C6;&#x17E; controller designed to achieve robustness with respect to exogenous disturbances and fault estimation uncertainty, â&#x2C6;&#x2019; fË&#x2020;k â&#x2C6;&#x2019;1 is the fault estimate, which compensates the effect of a fault, â&#x2C6;&#x2019; cj is a vector introducing additional design freedom, which should be exploited when the fault compensation along with robust control do not provide expected results indicated by going outside an invariant set.

Thus, the presented scheme enhances the abilities of the approach [51] by enabling appropriate control actions ck when the fault compensation does not provide required results. This scheme can also be perceived as a virtual actuator with K being a nominal controller and fË&#x2020;k and ck provide appropriate fault compensation and accommodation actions. It should be also pointed out that the proposed approach was extended to cope with nonlinear systems described in the Takagi-Sugeno framework [54].

As it was already mention, the design of virtual sensors rely on replacing measurements provided by faulty system with their estimates. This means that the fault of a sensor cannot lead to the loss of observability property of the entire system, which means that a suitably moderated hardware must be ensured.

The implementation of on-line observability tests for linear systems is very easy and straightforward while for nonlinear sys-

4

x 10

tem it constitutes a significant challenge. To summarize, the virtual actuator can be realized by a simple output feedback controller of the form: u f ,k = â&#x2C6;&#x2019;K xË&#x2020;k .

(17)

Finally, it is an obvious fact that process faults can be accommodated in a similar fashion as those of actuators. However, fault compensation depends on the type of the fault and cannot be written in an universal fashion.

[&Z& 2 . \ ] Y

In order to show the effectiveness of the presented fault estimation approach the multi-tank system presented in Fig. 10 is chosen. Such a system is designed for simulating the real industrial multi-tank systems in the laboratory conditions [59]. It consists of three separate tanks placed each above other and equipped with drain valves and level sensors based on a hydraulic pressure measurement. Each of them has a different cross-section in order to reflect system nonlinearities. The lower bottom tank is a water reservoir for the system. A variable speed water pump is used to fill the upper tank. The water outflows the tanks due to gravity. The considered multi-tank system has been designed to operate with an external, PC-based digital controller. The control computer communicates with the level sensors, valves and a pump by a dedicated I/O board and the power interface. The I/O board is controlled by the real-time software, which operates in a MATLAB/Simulink environment.

For further information the reader is referred to the INTECO manufacturer documentation.

Let us consider the following fault scenario, which can be perceived as a decrease of the pump efficiency: â&#x20AC;&#x201C; incipient fault:

(18)

All of experiments were performed with real system exclusively.

Figure 11 presents the result of the incipient fault estimation obtained with robust UIO and linear observer. It is easy to

-5

2

H H@

x 10

-4

Z @ Z

3

1

5VCVG GUVKOCVKQP GTTQT

(CWNV GUVKOCVKQP GTTQT

2

1

0

-1

-2

0

-1

-3

-4 0

5000

&KUETGVG 6KOG

Fig. 12. Fault estimation error Rys. 12. BĹ&#x201A;Ä&#x2026;d estymacji uszkodzenia

10000

15000

-2 0

5000

&KUETGVG 6KOG

10000

15000

Fig. 13. State estimation error â&#x20AC;&#x201C; first tank Rys. 13. BĹ&#x201A;Ä&#x2026;d estymacji stanu â&#x20AC;&#x201C; pierwszy zbiornik

11

Fault Tolerant-Control: Solutions and Challenges

20

x 10

-3

2

Z @ Z

x 10

-3

Z @ Z

1.5 15

5VCVG GUVKOCVKQP GTTQT

5VCVG GUVKOCVKQP GTTQT

1

10

5

0.5

0

-0.5

-1 0 -1.5

-5 0

5000

&KUETGVG 6KOG

10000

-2 0

15000

Fig. 14. State estimation error â&#x20AC;&#x201C; second tank Rys. 14. BĹ&#x201A;Ä&#x2026;d estymacji stanu â&#x20AC;&#x201C; drugi zbiornik

5000

&KUETGVG 6KOG

10000

15000

Fig. 15. State estimation error â&#x20AC;&#x201C; third tank Rys. 15. BĹ&#x201A;Ä&#x2026;d estymacji stanu â&#x20AC;&#x201C; trzeci zbiornik

Fig. 16. Cooperative virtual sensors and actuators Rys. 16. KooperujÄ&#x2026;ce wirtualne czujniki i urzÄ&#x2026;dzenia wykonawcze

the virtual sensors-actuators arrays only in terms of collocation of sensors in the middleware [55, 57], does not consider process faults, similarly as in [58]. This observations leads to the novelty of proposed research direction that can be reflected in a cooperative virtual sensors and actuator schemes. Such an approach can also be employed to exclude sensor/actuator fault and to realize process fault estimation and accommodation in an efficient way. Taking into account the discussion provided in the preceding part of this paper, it can be concluded that both virtual sensors and virtual actuators strategies can be used independently. However, the cooperative scheme has to be introduced in order to detect and accommodate the process faults and to enhance the overall effectiveness of the Fault Detection and Isolation (FDI) and FTC. Indeed, most of the works present in the literature are devoted to either virtual sensor or virtual actuator design, respectively. This is of course under the assumption that either all sensors or actuators are fault-free. The situation is even worst when process faults are taken into account. Thus, the cooperative scheme joining advantages of virtual sensors and actuators should be perceived as a good remedy to this problem (Fig. 16).

Due to the fact that all industrial systems grow rapidly, FTC systems are commonly studied nowadays, both from theoretical and practical viewpoints [11, 15]. Vast publication

observe that the fault is estimated with relatively small error, which is depicted in Fig. 12.

The robust UIO estimates the incipient fault much better than the linear one.

Figures 13â&#x20AC;&#x201C;15 present the state estimation errors in the first, second and third tank, respectively.

The presented results clearly indicated that high quality fault and state estimation can be achieved in real conditions with the presented approach. This recommends to apply the proposed approach in industrial conditions. Moreover, it can be further integrated with the approaches proposed in [52, 53]. Due to the lack of space, the preliminary results regarding virtual actuator design exposed in [52, 53] are not presented in this paper and, for further details, the reader is referred to these references.

^& 6% U 6 . / $ ( As it was already mentioned, several recent works threats the virtual sensing or actuation separately [55, 56], even if they work simultaneously. Moreover, the possible process faults are usually neglected and the approaches are dedicated to either sensor or actuator faults, respectively. In particular [56], uses

12

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Marcin Witczak, Marcin Pazera

record witnesses growing demands and expectations for the FTC and FDI. Despite the above facts, there are still many unsolved mathematical issues and a wide area of multidisciplinary engineering application on the cross-section of control, computing and signal processing. In the light of the stateof-the art, the integrated FTC and FDI working within an uncertain environment is still a meaningful and open problem. The integration should incorporate the constraints of the system and control variables, the cost function describing quality of control, and also restrain the effects of disturbances and noises. All the above, severely increase the complexity of the problem stated while making the solutions more universal and reliable. The cooperative scheme of virtual actuators and virtual sensors has not been yet investigated. Thus, the pioneering nature of the research can be justified by the fact that such an approach can also be employed to exclude sensor/actuator fault and to realize process fault estimation and accommodation in an efficient way. Such an approach has never been treated in the literature. Due to this fact, its novelty becomes evident. Its realization requires an application of the new approaches taking advantages of an advanced analysis of stability, observability and controllability. The proposed research framework is based on few main objectives. Firstly, new theoretical approaches will be developed using the general virtual sensor and actuator approach, which constitute the base for the realization of the second part devoted to cooperative scheme. Finally, the above approaches will be used to estimate the actuator, sensor and process faults simultaneously and then to accommodate their impact with an appropriate control action. The proposed solutions constitute an answer for the unsolved problems that can be summarized as follows: â&#x2C6;&#x2019; Modelling and robust estimation of lost of effectiveness due to actuator malfunctions (faulty situations) and the design of virtual actuators adapting the control strategy to new conditions within the uncertain environment. â&#x2C6;&#x2019; Virtual sensor design for the validation of inconsistent sensor data: minimize the risk with the inconsistent measurement that may have serious consequences for the system performance. â&#x2C6;&#x2019; Integration of virtual actuator and sensor-based FTC with the fusion of analytical modeling techniques account the constraints related with the non-linear system and its control variables. â&#x2C6;&#x2019; Development of process faults estimation technique along with sensor and actuator fault estimation and compensation.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

_& 6

15.

The main objective of this paper was to review recent advances in the area of fault-tolerant control. In particular, starting from essentials of fault diagnosis, the reader is introduced to robust FTC. Subsequently, more advanced active FTC schemes are introduced and their advantages and drawback are discussed. The preliminary part ends with the advanced virtual sensors and actuators schemes. The remaining part of the paper is devoted to the presentation of the recent results achieved by the authors in the emerging area of FTC. In particular, the advanced fault estimation scheme is described and then virtual actuators schemes are discussed. The paper ends with a discussion regarding the future of FTC, which is related to the cooperative virtual sensors and actuators capable of handling simultaneous actuator, sensor and process faults.

8 1.

Blanke M., Kinnaert M., Lunze J., Staroswiecki M., Diagnosis and Fault-Tolerant Control, Springer-Verlag, New York 2006, DOI: 10.1007/978-3-540-35653-0.

16.

17.

18.

19.

Chen J., Patton R.J., Robust Model-Based Fault Diagnosis for Dynamic Systems, Kluwer Academic Publishers, London 1999, DOI: 10.1007/978-1-4615-5149-2.

Isermann R., Fault-Diagnosis Systems. An Introduction from Fault Detection to Fault Tolerance, Springer-Verlag, New York 2006, DOI: 10.1007/3-540-30368-5.

Ko cielny J., Diagnostics of Automatic Industrial Processes, Academic Publishing Office EXIT, Warsaw 2001.

Korbicz J., Ko cielny J.M., Kowalczuk Z., Cholewa W. (Eds.), Fault Diagnosis. Models, Artificial Intelligence, Applications, Springer-Verlag, Berlin 2004, DOI: 10.1007/978-3-642-18615-8.

Witczak M., Modelling and Estimation Strategies for Fault Diagnosis of Non-linear Systems, Springer-Verlag, Berlin 2007, DOI: 10.1007/978-3-540-71116-2.

Isermann R., Fault-Diagnosis Applications: Model-Based Condition Monitoring, Actuators, Drives, Machinery, Plants, Sensors, and Fault-tolerant Systems, Springer-Verlag, Berlin 2011, DOI: 10.1007/978-3-642-12767-0.

Mahmoud M., Jiang J., Zhang Y., Active Fault Tolerant Control Systems. Stochastic Analysis and Synthesis, Springer-Verlag, Berlin 2003, DOI: 10.1007/3-54036283-5.

Noura H., Theilliol D., Ponsart J., Chamseddine A., Fault-tolerant Control Systems. Design and Practical Applications, Springer-Verlag, Berlin 2009, DOI: 10.1007/978-1-84882-653-3.

Ducard G., Fault-tolerant Flight Control and Guidance Systems: Practical Methods for Small Unmanned Aerial Vehicles, Springer-Verlag, Berlin 2009, DOI: 10.1007/9781-84882-561-1.

Witczak M., Fault Diagnosis and Fault-Tolerant Control Strategies for Non-Linear Systems. Analytical and Soft Computing Approaches, Springer International Publishing, Heidelberg 2014, DOI: 10.1007/978-3-319-03014-2.

Korbicz J., Ko cielny J.M. (Eds.), Modeling, Diagnostics and Process Control. Implementation in the DiaSter System, Springer-Verlag, Berlin 2011, DOI: 10.1007/9783-642-16653-2.

Witczak M., Advances in model-based fault diagnosis with evolutionary algorithms and neural networks, â&#x20AC;&#x153;International Journal of Applied Mathematics and Computer Scienceâ&#x20AC;?, Vol. 16, No. 1, 2006, 85â&#x2C6;&#x2019;99.

Blanke M., Bøgh S., Jørgensen R.B., Patton R.J., Fault detection for diesel engine actuator. A benchmark for FDI, â&#x20AC;&#x153;Control Engineering Practiceâ&#x20AC;?, Vol. 3, No. 12, 1995, 1731â&#x2C6;&#x2019;1740, DOI: 10.1016/0967-0661(95)96891-R. Zhang Y., Jiang J., Bibliographical review on reconfigurable fault-tolerant control systems, â&#x20AC;&#x153;Annual Reviews in Controlâ&#x20AC;?, Vol. 32, No. 2, 2008, 229â&#x2C6;&#x2019;252, DOI: 10.1016/j. arcontrol.2008.03.008.

Zhang Y., Jiang J., Bibliographical review on reconfigurable fault-tolerant control systems, [in:] Proceedings of the 5th IFAC Symposium Fault Detection Supervision and Safety of Technical Processes, SAFEPROCESS, Washington, D.C., USA 2003, 265â&#x2C6;&#x2019;276.

Liang Y., Liaw D., Lee T., Reliable control of nonlinear systems, â&#x20AC;&#x153;IEEE Transactions on Automatic Controlâ&#x20AC;?, Vol. 45, No. 4, 2000, 706â&#x2C6;&#x2019;710, DOI: 10.1109/9.847106.

Liao F., Wang J., Yang G., Reliable robust flight tracking control: an LMI approach, â&#x20AC;&#x153;IEEE Transactions on Control Systems Technologyâ&#x20AC;?, Vol. 10, No. 1, 2000, 76â&#x2C6;&#x2019;89, DOI: 10.1109/87.974340.

Qu Z., Ihlefeld C., Yufang J., Saengdeejing A., Robust fault-tolerant self-recovering control of nonlinear uncertain systems, â&#x20AC;&#x153;Automaticaâ&#x20AC;?, Vol. 39, No. 10, 2003, 1763â&#x2C6;&#x2019;1771, DOI: 10.1016/S0005-1098(03)00181-X.

13

Fault Tolerant-Control: Solutions and Challenges

20. Li H., Zhao Q., Yang Z., Reliability modeling of fault tolerant control systems, “International Journal of Applied Mathematics and Computer Science”, Vol. 17, No. 4, 2007, 491−504, DOI: 10.2478/v10006-007-0041-0.

21. Blanke M., Kinnaert M., Lunze J., Staroswiecki M., Diagnosis and Fault-Tolerant Control. Second Edition. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2006, DOI: 10.1007/978-3-540-35653-0.

22. Dziekan L., Witczak M., Korbicz J., Active fault-tolerant control design for Takagi-Sugeno fuzzy systems, “Bulletin of the Polish Academy of Sciences: Technical Sciences”, Vol. 59, No. 1, 2011, 93−102.

23. Madria S., Kumar V., Dalvi R., Sensor cloud: A cloud of virtual sensors, “IEEE Software”, Vol. 31, No. 2, 2014, 70−77.

24. Seron M.M., De Dona J.A., Fault tolerant control using virtual actuators and invariant-set based fault detection and identification, [in:] Decision and Control, 2009 held jointly with the 2009 28th Chinese Control Conference. CDC/CCC 2009. Proceedings of the 48th IEEE Conference on. IEEE, 2009, 7801−7806, DOI: 10.1109/ CDC.2009.5399909.

25. Rotondo D., Puig V., Nejjari F., Romera J., A fault-hiding approach for the switching quasi-LPV fault tolerant control of a four-wheeled omnidirectional mobile robot, “IEEE Transactions on Industrial Electronics”, Vol. 62, No. 6, 2015, 3932−3944, DOI: 10.1109/TIE.2014.2367002.

26. Pratt J., Torres A., Dilworth P., Pratt G., Virtual actuator control, [in:] Proceedings of the 1996 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems’ 96, IROS 96, Vol. 3. IEEE, 1996, 1219−1226, DOI: 10.1109/ IROS.1996.568974.

27. Pawlowski A., Cervin A., Guzman J.L., Berenguel M., Generalized predictive control with actuator deadband for event-based approaches, “IEEE Transactions on Industrial Informatics”, Vol. 10, No. 1, 523−537, 2014, DOI: 10.1109/ TII.2013.2270570.

28. Shin J., Kurdahi F., Dutt N., Cooperative on-chip temperature estimation using multiple virtual sensors, “IEEE Embedded Systems Letters”, Vol. 7, No. 2, 2015, DOI: 10.1109/LES.2015.2400992.

29. Keller J.Y., Darouach M., Two-stage Kalman estimator with unknown exogenous inputs, “Automatica”, Vol. 35, No. 2, 1999, 339−342, DOI: 10.1016/S0005-1098(98)00194-0.

30. Gillijns S., De Moor B., Unbiased minimum-variance input and state estimation for linear discrete-time systems, “Automatica”, Vol. 43, No. 1, 2007, 111−116, DOI: 10.1016/j.automatica.2006.08.002.

31. Khémiri K., Ben Hmida F., Ragot J., Gossa M., Novel optimal recursive filter for state and fault estimation of linear systems with unknown disturbances, “International Journal of Applied Mathematics and Computer Science”, Vol. 21, No. 4, 629−637, 2011, DOI: 10.2478/v10006-0110049-3.

32. Zhang X., Polycarpou M., Parisini T., Fault diagnosis of a class of nonlinear uncertain systems with Lipschitz nonlinearities using adaptive estimation, “Automatica”, Vol. 46, No. 2, 2010, 290−299, DOI: 10.1016/j.automatica.2009.11.014.

33. Veluvolu K.C., Kim M.Y., Lee D., Nonlinear sliding mode high-gain observers for fault estimation, “International Journal of Systems Science”, Vol. 42, No. 7, 2011, 1065−1074, DOI: 10.1080/00207721.2011.573102.

34. Nobrega E.G., Abdalla M.O., Grigoriadis K.M., Robust fault estimation of uncertain systems using an LMI-based approach, “International Journal of Robust and Nonli-

14

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

35.

36.

37.

38.

39.

40.

41.

42.

43.

44.

45.

46.

47.

48.

49.

50.

A

T

near Control”, Vol. 18, No. 18, 2008, 1657−1680, DOI: 10.1002/rnc.1313.

Rotondo D., Nejjari F., Puig V., A virtual actuator and sensor approach for fault tolerant control of LPV systems, “Journal of Process Control”, Vol. 24, No. 3, 2014, 203−222, DOI: 10.1016/j.jprocont.2013.12.016.

Ichalal D., Marx B., Ragot J., Maquin D., Fault detection, isolation and estimation for Takagi-Sugeno nonlinear systems, “Journal of the Franklin Institute”, Vol. 351, No. 7, 2014, 3651−3676, DOI: 10.1016/j.jfranklin.2013.04.012.

Seron M.M., De Doná J.A., Robust fault estimation and compensation for LPV systems under actuator and sensor faults, “Automatica”, Vol. 52, 2015, 294–301, DOI: 10.1016/j.automatica.2014.12.003.

Tabatabaeipour S.M., Bak T., Robust observer-based fault estimation and accommodation of discrete-time piecewise linear systems, “Journal of the Franklin Institute”, Vol. 351, No. 1, 2014, 277–295, 10.1016/j.jfranklin.2013.08.021.

De Persis C., De Santis R., Isidori A., Nonlinear actuator fault detection and isolation for a VTOL aircraft, [in:] Proceedings of the 2001 American Control Conference, 2001, 4449–4454, DOI: 10.1109/ACC.2001.945679.

Amato F., Cosentino C., Mattei M., Paviglianiti G., A mixed direct/functional redundancy scheme for the FDI on a small commercial aircraft, [in:] Proceedings of the SAFEPROCESS03, IFAC Symposium, 2003, 167−172.

Hammouri H., Kinnaert M., El Yaagoubi E.H., Observer-based approach to fault detection and isolation for nonlinear systems, “IEEE Trans. on Automatic Control”, Vol. 44, No. 10, 1999, 1879−1884, DOI: 10.1109/9.793728.

De Persis C., Isidori A., An H_infty-suboptimal fault detection filter for bilinear systems, [in:] Proceedings of the Nonlinear Control in the Year 2000, 331−339, 2000, DOI: 10.1007/BFb0110224.

De Persis C., A. Isidori, A geometric approach to nonlinear fault detection and isolation, “IEEE Transactions on Automatic Control”, Vol. 46, No. 6, 853−865, 2001, DOI: 10.1109/9.928586.

Mattei M., Paviglianiti G., Scordamaglia V., Nonlinear observers with H_infty performace for sensor fault detection and isolation: a linear matrix inequality design procedure, “Control Engineering Practice”, Vol. 13, No. 10, 2006, 1271−1281, DOI: 10.1016/j.conengprac.2004.11.012.

Mrugalski M., An unscented Kalman filter in designing dynamic GMDH neural networks for robust fault detection, “International Journal of Applied Mathematics and Computer Science”, Vol. 23, No. 1, 2013, 157−169, DOI: 10.2478/amcs-2013-0013.

Witczak M., Buciakowski M., Puig V., Rotondo D., Nejjari F., An LMI approach to robust fault estimation for a class of nonlinear systems, “International Journal of Robust and Nonlinear Control”, 2015, DOI: 10.1002/rnc.3365.

Tan C., Edwards C., Multiplicative fault reconstruction using sliding mode observers, [in:] Asian Control Conference, Vol. 2, 2004, 957−962.

Chunyan G., Qing Z., Guang-Ren D., Multiplicative fault estimation for a type of nonlinear uncertain system, [in:] 30th Chinese Control Conference, IEEE, 2011, 4355−4360.

Gao C., Duan G., Robust adaptive fault estimation for a class of nonlinear systems subject to multiplicative faults, “Circuits, Systems, and Signal Processing”, Vol. 31, No. 6, 2012, 2035−2046, 10.1007/s00034-012-9434-x.

Shi F., Patton R., A robust adaptive approach to wind turbine pitch actuator component fault estimation, [in:] 2014 UKACC International Conference on Control, IEEE, 468−473, DOI: 10.1109/CONTROL.2014.6915185.

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Marcin Witczak, Marcin Pazera

51. Witczak M., Puig V., de Oca S., A fault-tolerant control strategy for non-linear discrete-time systems: application to the twin-rotor system, â&#x20AC;&#x153;International Journal of Controlâ&#x20AC;?, Vol. 86, No. 10, 2013, 1788â&#x2C6;&#x2019;1799, DOI: 10.1080/00207179.2013.796592.

52. Witczak M., Buciakowski M., Aubrun C., Predictive actuator fault-tolerant control under ellipsoidal bounding, â&#x20AC;&#x153;International Journal of Adaptive Control and Signal Processingâ&#x20AC;?, 2015, DOI: 10.1002/acs.2567.

53. Kouvaritakis B., Rossiter J.A., Schuurmans J., Efficient robust predictive control, â&#x20AC;&#x153;IEEE Transactions on Automatic Controlâ&#x20AC;?, Vol. 45, No. 8, 2000, 1545â&#x2C6;&#x2019;1549, DOI: 10.1109/9.871769.

54. Witczak P., Witczak M., Korbicz J., Aubrun Ch., A robust predictive actuator fault-tolerant control scheme for Takagi-Sugeno fuzzy systems, â&#x20AC;&#x153;Bulletin of the Polish Academy of Sciences: Technical Sciencesâ&#x20AC;?, Vol. 63, No. 4, 977â&#x2C6;&#x2019;987, 2015.

55. Odgaard P.F., Stoustrup J., A benchmark evaluation of fault tolerant wind turbine control concepts, â&#x20AC;&#x153;IEEE Transactions on Control Systems Technologyâ&#x20AC;?, Vol. 23, No. 3, 1221â&#x2C6;&#x2019;1228, 2015, DOI: 10.1109/TCST.2014.2361291.

56. Zhang H., Krogh B., Moura J.M., Zhang W., Estimation in virtual sensor-actuator arrays using reduced-order physical models, [in:] 43rd IEEE Conference on Decision and Control, Vol. 4, 2004, 3792â&#x2C6;&#x2019;3797, DOI: 10.1109/ CDC.2004.1429329.

57. Modirnia R., Boulet B., Model-based virtual sensors and core-temperature observers in thermoforming applications, â&#x20AC;&#x153;IEEE Transactions on Industry Applicationsâ&#x20AC;?, Vol. 49, No. 2, 721â&#x2C6;&#x2019;730, 2013, DOI: 10.1109/TIA.2013.2244544.

58. Gosiewski Z., Kulesza Z., Virtual collocation of sensors and actuators for a flexible rotor supported by active magnetic bearings, [in:] 14th International Carpathian Control Conference (ICCC), 2013, 94â&#x2C6;&#x2019;99, DOI: 10.1109/CarpathianCC.2013.6560518.

59. [www.inteco.com.pl] INTECO. Multitank System â&#x20AC;&#x201C; Userâ&#x20AC;&#x2122;s manual, 2013.

B : B Streszczenie: Systemy sterowania tolerujÄ&#x2026;cego uszkodzenia FTC (ang. Fault-Tolerant Control) sÄ&#x2026; obecnie intensywnie badane, zarĂłwno z teoretycznego, jak i praktycznego punktu widzenia.

Znajduje to odzwierciedlenie w wielu publikacjach naukowych oraz w liczbie miÄ&#x2122;dzynarodowych zespoĹ&#x201A;Ăłw zaangaĹźowanych w badania nad tym zagadnieniem. FTC jest postrzegane jako technika integrujÄ&#x2026;ca zaawansowane strategie diagnostyki uszkodzeĹ&#x201E; z nowoczesnymi metodami sterowania, umoĹźliwiajÄ&#x2026;ca dalsze funkcjonowanie systemu w warunkach uszkodzeĹ&#x201E;. Teoria diagnostyki uszkodzeĹ&#x201E; i sterowania jest dobrze rozwiniÄ&#x2122;ta i udokumentowana dla systemĂłw liniowych. IstniejÄ&#x2026; rĂłwnieĹź rozwiÄ&#x2026;zania zmniejszajÄ&#x2026;ce zaleĹźnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; miÄ&#x2122;dzy jakoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; funkcjonowania powyĹźszych metod, a niepewnoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; modelu opisujÄ&#x2026;cego sterowany i diagnozowany, ktĂłra moĹźe byÄ&#x2021; spowodowana takimi czynnikami jak: róşnice miÄ&#x2122;dzy kopiami uĹźytych elementĂłw konstrukcyjnych, niestacjonarnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; systemu, zewnÄ&#x2122;trzne zakĹ&#x201A;Ăłcenia, szumy pomiarowe, itd. Oznacza to, Ĺźe opracowywanie analogicznych rozwiÄ&#x2026;zaĹ&#x201E; dla systemĂłw nieliniowych jest w peĹ&#x201A;ni uzasadnione.

JednÄ&#x2026; z gĹ&#x201A;Ăłwnych trudnoĹ&#x203A;ci w obecnym rozwoje FTC jest fakt, Ĺźe wiÄ&#x2122;kszoĹ&#x203A;Ä&#x2021; prac prezentowanych w literaturze traktuje problemy diagnostyki uszkodzeĹ&#x201E; i FTC niezaleĹźnie. Niestety, idealna diagnostyka uszkodzeĹ&#x201E;, a w szczegĂłlnoĹ&#x203A;ci ich identyfikacja (okreĹ&#x203A;lenie rozmiaru uszkodzeĹ&#x201E;) jest niemoĹźliwa do uzyskania. Uzasadnia to koniecznoĹ&#x203A;Ä&#x2021; projektowania zintegrowanych ukĹ&#x201A;adĂłw diagnostyki i FTC uwzglÄ&#x2122;dniajÄ&#x2026;cych tÄ&#x2026; niepoĹźÄ&#x2026;danÄ&#x2026; wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwoĹ&#x203A;Ä&#x2021;, zarĂłwno dla ukĹ&#x201A;adĂłw liniowych, jak i nieliniowych. Jak wskazuje przeglÄ&#x2026;d licznych prac w zakresie FTC oraz monografii zwiÄ&#x2026;zanych z tÄ&#x2026; tematykÄ&#x2026;, problem integracji jest traktowany bardzo pobieĹźnie, a jego rozwiÄ&#x2026;zanie zastÄ&#x2122;puje siÄ&#x2122; szeregiem (zazwyczaj restrykcyjnych) zaĹ&#x201A;oĹźeĹ&#x201E;, jakie musi speĹ&#x201A;niaÄ&#x2021; ukĹ&#x201A;ad diagnostyczny stanowiÄ&#x2026;cy jeden z elementĂłw FTC. BiorÄ&#x2026;c pod uwagÄ&#x2122; powyĹźsze uwarunkowania, referat koncentruje siÄ&#x2122; na prezentacji nowoczesnych rozwiÄ&#x2026;zaĹ&#x201E; w zakresie FTC z zastosowaniem technik analitycznych i metod obliczeĹ&#x201E; inteligentnych.

Omawia siÄ&#x2122; rĂłwnieĹź efektywne metody sterowania tolerujÄ&#x2026;cego uszkodzenia wraz z procesem integracji ukĹ&#x201A;adĂłw sterownia i diagnostyki uszkodzeĹ&#x201E;. ( U ) B C

15

Fault Tolerant-Control: Solutions and Challenges

Marcin Witczak, Ph.D., D.Sc.

Marcin Pazera, M.Sc., Eng.

&$' ( $ $ ) $

&$ ( $ $ ) $

& ' A ,DE# &$ $ ) ) 8 ) ; ! " ; <= F G $ $ ) ! 8 A ; ! ' " 8 ; 0 ) F G $ $ ) ) ) ; ! " ; <= ,DDH +%%+ +%%E $ > +%,- ; ; $ & ' A ; ; !

A > ; ! ? ) ) " 8 ; <= +%%H$ I ! ) ; F/ >G ; 8 8 F/0 G J ! ) $ & ' A ! ,@% 8 ; ) $ I ; @ ! ) ,D A $ +%,- ! !A ; ? ) ) K A !! ; L ! ; $

& A ,DD%$ I &$ $ ) ? ) ) K A ; ! " 8 ; <= F G +%,-$ I $ $ > ; ! ? ) ) " 8 ; <= $ I 8 ; F/ >G ; 8 F/0 G J ! ) $

16

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 20, Nr 1/2016, 17â&#x20AC;&#x201C;23, DOI: 10.14313/PAR_219/17

O !

9"' ! ; ' ' 0 8> P $ L ! M EH -H8#%+ ' A

< '

"0 $ $ $ $ O ) ,+ E,8E%#

)

"

. .

1 " " 1=

.

. = > #

. .? .

. = %

" .

" ' " '

. .

1

# .

? .= $ U !

V&

Podstawowa tendencja wspĂłĹ&#x201A;czesnej techniki to optymalizacja gabarytowa i wagowa maszyn i urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E;. Ten sam kierunek dziaĹ&#x201A;ania zauwaĹźa siÄ&#x2122; w rozwoju napÄ&#x2122;dĂłw hydrostatycznych.

DziaĹ&#x201A;ania rozwojowe idÄ&#x2026;, miÄ&#x2122;dzy innymi, w kierunku minimalizacji masy elementĂłw hydraulicznych oraz strat energetycznych i zwiÄ&#x2122;kszenia przenoszonej mocy. NaleĹźy zaznaczyÄ&#x2021;, Ĺźe elementy hydrostatycznego ukĹ&#x201A;adu napÄ&#x2122;dowego majÄ&#x2026; zatem, nieosiÄ&#x2026;galnÄ&#x2026; dla innych rodzajĂłw napÄ&#x2122;du, zwartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; konstrukcji, tzn. maĹ&#x201A;Ä&#x2026; masÄ&#x2122; na jednostkÄ&#x2122; generowanej lub przekazywanej mocy. PrzykĹ&#x201A;adowo, gÄ&#x2122;stoĹ&#x203A;Ä&#x2021; mocy dla pomp i silnikĂłw hydraulicznych moĹźe dochodziÄ&#x2021; nawet do 10 kW/kg, podczas gdy gÄ&#x2122;stoĹ&#x203A;Ä&#x2021; mocy przeciÄ&#x2122;tnych silnikĂłw elektrycznych wynosi od 0,1 kW/kg do 0,15 kW/kg [2, 3]. Jednym z podstawowych ograniczeĹ&#x201E; parametrĂłw eksploatacyjnych ukĹ&#x201A;adĂłw hydraulicznych takich jak: maksymalne prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;ci obrotowe waĹ&#x201A;Ăłw pomp wyporowych, maksymalne wartoĹ&#x203A;ci natÄ&#x2122;Ĺźenia przepĹ&#x201A;ywu czynnika roboczego przy danej Ĺ&#x203A;rednicy hydraulicznej, czyli dalszego zwiÄ&#x2122;kszenia wspĂłĹ&#x201A;czynnika gÄ&#x2122;stoĹ&#x203A;ci mocy â&#x20AC;&#x201C; jest zjawisko kawitacji. Objawia siÄ&#x2122; ono powstawaniem w cieczy obszarĂłw nieciÄ&#x2026;gĹ&#x201A;oĹ&#x203A;ci wypeĹ&#x201A;nionych gazem lub parÄ&#x2026; cieczy [9]. Zjawisko kawitacji w ukĹ&#x201A;adach hydraulicznych polegajÄ&#x2026;ce w pierwszej fazie na uwalnianiu i wydzielaniu siÄ&#x2122; powietrza w postaci pÄ&#x2122;cherzy rozpuszczonego w oleju hydraulicznym [3, 4], okreĹ&#x203A;lane jest mianem aeracji, jednakĹźe na podobne skutki tego zjawiska jak dla kawitacji parowej powszechnie stosuje siÄ&#x2122; termin kawitacja gazowa.

W artykule podjÄ&#x2122;to prĂłbÄ&#x2122; ustalenia warunkĂłw powstawania kawitacji oraz akustycznego sygnaĹ&#x201A;u diagnostycznego

( U )! M N! )! $ ! ( $ $ (

.$%,$+%,. $ +.$%,$+%,. $

!! " #$%

pozwalajÄ&#x2026;cego w prosty sposĂłb okreĹ&#x203A;liÄ&#x2021; poczÄ&#x2026;tek powstawania i rozwoju tego zjawiska w pompach wyporowych instalowanych powszechnie w hydrostatycznych ukĹ&#x201A;adach napÄ&#x2122;dowych.

Badano pompÄ&#x2122; wielotĹ&#x201A;oczkowÄ&#x2026; osiowÄ&#x2026; i zÄ&#x2122;batÄ&#x2026;.

X&

W zakresie ciĹ&#x203A;nieĹ&#x201E; powszechnie stosowanych w ukĹ&#x201A;adach napÄ&#x2122;dowych hydrostatycznych (do 30 MPa) obowiÄ&#x2026;zuje prawo Henryâ&#x20AC;&#x2122;ego mĂłwiÄ&#x2026;ce, Ĺźe iloĹ&#x203A;Ä&#x2021; powietrza rozpuszczonego w oleju jest proporcjonalna do ciĹ&#x203A;nienia [4]: Vgazu = aV â&#x2039;&#x2026; Vol â&#x2039;&#x2026; p

(1)

gdzie: Vgazu â&#x20AC;&#x201C; objÄ&#x2122;toĹ&#x203A;Ä&#x2021; gazu rozpuszczonego w oleju, p â&#x20AC;&#x201C; wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; ciĹ&#x203A;nienia, av â&#x20AC;&#x201C; wspĂłĹ&#x201A;czynnik absorbcji Bunsena dla olejĂłw waha siÄ&#x2122; w granicach 0,7â&#x20AC;&#x201C;1,2 (dla ciĹ&#x203A;nienia wyraĹźonego w MPa), Vol â&#x20AC;&#x201C; objÄ&#x2122;toĹ&#x203A;Ä&#x2021; oleju.

Na podstawie zaleĹźnoĹ&#x203A;ci (1) moĹźna twierdziÄ&#x2021;, Ĺźe najwiÄ&#x2122;kszy wpĹ&#x201A;yw na iloĹ&#x203A;Ä&#x2021; rozpuszczonego powietrza ma ciĹ&#x203A;nienie, przy ktĂłrym zachodzi absorbcja. Wynika z tego, Ĺźe np. przy ciĹ&#x203A;nieniu p = 20Â MPa, iloĹ&#x203A;Ä&#x2021; rozpuszczonego powietrza w oleju przekracza okoĹ&#x201A;o 20-krotnie objÄ&#x2122;toĹ&#x203A;Ä&#x2021; oleju, w ktĂłrym nastÄ&#x2026;piĹ&#x201A;a absorbcja.

Kawitacja pojawia siÄ&#x2122; wtedy, gdy wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; ciĹ&#x203A;nienia w dowolnym punkcie obwodu hydraulicznego znajdzie siÄ&#x2122; poniĹźej poziomu nasycenia rozpuszczonrgo powietrza w oleju dla danej temperatury. W celu okreĹ&#x203A;lenia wartoĹ&#x203A;ci ciĹ&#x203A;nienia na poczÄ&#x2026;tku kawitacji pkaw przeprowadzono, za pomocÄ&#x2026; urzÄ&#x2026;dzenia przedstawionego na rys. 1, obserwacjÄ&#x2122; pojawienia siÄ&#x2122; pÄ&#x2122;cherzykĂłw powietrza w obszarze zajÄ&#x2122;tym przez badany olej w trakcie obniĹźania ciĹ&#x203A;nienia w naczyniu pomiarowym. Badany olej znajduje siÄ&#x2122; w zbiorniku pomiarowym 1 (gĂłrnym, zaciemniony).

Po zamkniÄ&#x2122;ciu gĂłrnego zaworu 2 i szczelnym odciÄ&#x2122;ciu objÄ&#x2122;toĹ&#x203A;ci pomiarowej od otoczenia obniĹźa siÄ&#x2122; ciĹ&#x203A;nienia w przestrzeni pomiarowej przez opuszczanie zbiorniczka z rtÄ&#x2122;ciÄ&#x2026; 4. OpuszczajÄ&#x2026;c powoli zbiorniczek z rtÄ&#x2122;ciÄ&#x2026; 4, obserwuje siÄ&#x2122; pojawienie siÄ&#x2122; bardzo maĹ&#x201A;ych pÄ&#x2122;cherzykĂłw o Ĺ&#x203A;rednicy dp = 0,2â&#x20AC;&#x201C;0,3 mm wokĂłĹ&#x201A; Ĺ&#x203A;cianek objÄ&#x2122;toĹ&#x203A;ci pomiarowej. W miarÄ&#x2122; dalszego niewielkiego obniĹźania ciĹ&#x203A;nienia pÄ&#x2122;cherzyki rozszerzajÄ&#x2026; siÄ&#x2122; i uno-

17

Badanie zjawiska kawitacji w pompach wyporowych

Rys. 1. UrzÄ&#x2026;dzenie do wyznaczania wartoĹ&#x203A;ci ciĹ&#x203A;nienia wydzielania siÄ&#x2122; powietrza z oleju (schemat); 1 â&#x20AC;&#x201C; zbiornik pomiarowy z olejem, 2 â&#x20AC;&#x201C; zawĂłr odcinajacy, 3 â&#x20AC;&#x201C; lampa grzejna, 4 â&#x20AC;&#x201C; zbiornik z rtÄ&#x2122;ciÄ&#x2026;, 5 â&#x20AC;&#x201C; termos z topniejÄ&#x2026;cym lodem, 6 â&#x20AC;&#x201C; ogniwo termoelektryczne, 7 â&#x20AC;&#x201C; miliwoltomierz Fig. 1. Device for determination of pressure of air evolve from oil (scheme); 1 â&#x20AC;&#x201C; measuring tank with oil, 2 â&#x20AC;&#x201C; shut-off valve, 3 â&#x20AC;&#x201C; heating lamp, 4 â&#x20AC;&#x201C; tank with mercury, 5 â&#x20AC;&#x201C; a thermos of melting ice, 6 â&#x20AC;&#x201C; thermocouple, 7 â&#x20AC;&#x201C; millivoltmeter

Rys. 3. Fotografia naczynia próşniowego z widocznymi pÄ&#x2122;cherzykami powietrza w oleju; temperatura oleju t = 40 °C (pkaw = â&#x20AC;&#x201C;0,77 bara â&#x20AC;&#x201C; skala wzglÄ&#x2122;dna, pkaw = 0,23 bara â&#x20AC;&#x201C; skala bezwzglÄ&#x2122;dna) Fig. 3. A photo of vaccum box with air bubbles in oil. Oil temperature t = 40 °C, (pkaw = â&#x20AC;&#x201C;0.77 bara â&#x20AC;&#x201C; absolute scale, pkaw = 0.23 bara â&#x20AC;&#x201C; relative scale)

pkaw = 0,0044 t + 0,049

(2)

gdzie: t [°C], pkaw [bar] w skali bezwzglÄ&#x2122;dnej.

Z& $

ZnajÄ&#x2026;c wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; ciĹ&#x203A;nienia pkaw, w praktyce trudno jest okreĹ&#x203A;liÄ&#x2021; poczÄ&#x2026;tek powstawania kawitacji w konkretnym miejscu i konkretnym ukĹ&#x201A;adzie napÄ&#x2122;dowym bez przeprowadzenia pomiarĂłw ciĹ&#x203A;nienia w punkcie, w ktĂłrym zachodzi podejrzenie wystÄ&#x2026;pienia zjawiska wydzielania siÄ&#x2122; powietrza z oleju z negatywnymi skutkami (jak erozja kawitacyjna, zwiÄ&#x2122;kszona pulsacja ciĹ&#x203A;nienia i zwiÄ&#x2026;zany z tym wzmoĹźony haĹ&#x201A;as i drgania). DokĹ&#x201A;adnie te skutki przedstawiono w literaturze [4, 8â&#x20AC;&#x201C;11]. Newralgicznym miejscem w obwodzie hydraulicznym, ze wzglÄ&#x2122;du na moĹźliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; wystÄ&#x2026;pienia zjawiska kawitacji, jest ukĹ&#x201A;ad zasilania pomp wyporowych. Ustalenie warunkĂłw powstawania kawitacji w pompie wyporowej wymagaĹ&#x201A;o badaĹ&#x201E; akustycznych i hydraulicznych. Badania hydrauliczne polegaĹ&#x201A;y na pomiarze spadku wydajnoĹ&#x203A;ci pompy wyporowej w zaleĹźnoĹ&#x203A;ci od wartoĹ&#x203A;ci ciĹ&#x203A;nienia w krĂłÄ&#x2021;cu ssÄ&#x2026;cym. W badaniach akustycznych mierzono haĹ&#x201A;as w zaleĹźnoĹ&#x203A;ci od ciĹ&#x203A;nienia na ssaniu pomp wyporowych przy wykorzystaniu komory akustycznej. Badania hydrauliczne i akustyczne powstawania kawitacji w pompie wyporowej przeprowadzono na stanowisku pokazanym na rys. 4. Komora pogĹ&#x201A;osowa do badaĹ&#x201E; wibroakustycznych speĹ&#x201A;nia wymogi normy ANSI S1.21-1972 i PN-85/N-01334, co pozwalaĹ&#x201A;o na atestowanie maszyn i urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; pod wzglÄ&#x2122;dem drgaĹ&#x201E; oraz haĹ&#x201A;asu.

IzolacyjnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; akustyczna komory od zakĹ&#x201A;ĂłceĹ&#x201E; zewnÄ&#x2122;trznych w zakresie czÄ&#x2122;stotliwoĹ&#x203A;ci od 20 Hz do 20 kHz wynosi 50 dB. Taka izolacyjnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; zapewnia eliminacjÄ&#x2122; zakĹ&#x201A;ĂłceĹ&#x201E; pochodzÄ&#x2026;cych od ukĹ&#x201A;adu napÄ&#x2122;dowego oraz hydraulicznego ukĹ&#x201A;adu zasilajÄ&#x2026;cego badanÄ&#x2026; pompÄ&#x2122;. Zestaw aparatury do pomiaru haĹ&#x201A;asu badanych elementĂłw umieszczonej w dyfuzyjnej komorze akustycznej pokazano na rys. 4. W oĹ&#x203A;miu punktach rozstawiono mikrofony pomiarowe umoĹźliwiajÄ&#x2026;ce odczytywanie, a nastÄ&#x2122;pnie wyliczenie Ĺ&#x203A;redniego poziomu ciĹ&#x203A;nienia akustycznego.

Mikrofony pomiarowe wybierano podczas odczytywania danych za pomocÄ&#x2026; multipleksera, a poziom ciĹ&#x203A;nienia z widmem zapisywano w pamiÄ&#x2122;ci analizatora dwukanaĹ&#x201A;owego. Edy-

Rys. 2. WpĹ&#x201A;yw temperatury na wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; ciĹ&#x203A;nienia wydzielania siÄ&#x2122; powietrza z oleju HL46 Fig. 2. Influence of the temperature on the value of pressure air evolve from oil HL46

szÄ&#x2026; siÄ&#x2122;, zbierajÄ&#x2026;c siÄ&#x2122; w jeden niewielki pÄ&#x2122;cherz w gĂłrnej czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci rurki pomiarowej. Po upĹ&#x201A;ywie czasu okoĹ&#x201A;o 3â&#x20AC;&#x201C;5 minut wiÄ&#x2122;cej pÄ&#x2122;cherzykĂłw nie pojawia siÄ&#x2122;. Przy dalszym obniĹźaniu ciĹ&#x203A;nienia zaczynajÄ&#x2026; siÄ&#x2122; pojawiaÄ&#x2021; pojedyncze, wzglÄ&#x2122;dnie duĹźe (dp = 1â&#x20AC;&#x201C;1,5 mm) pÄ&#x2122;cherzyki powietrza, w dolnej czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci obszaru zajmowanego przez badany olej, ktĂłre powoli przemieszczajÄ&#x2026; siÄ&#x2122; do gĂłrnej czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci. WĂłwczas moĹźna uwaĹźaÄ&#x2021;, Ĺźe nastÄ&#x2122;puje wydzielanie siÄ&#x2122; powietrza rozpuszczonego w oleju. CiĹ&#x203A;nienie panujÄ&#x2026;ce w przestrzeni zajmowanej przez badany olej moĹźna wĂłwczas uznaÄ&#x2021; za ciĹ&#x203A;nienie wydzielania siÄ&#x2122; powietrza z oleju. OgrzewajÄ&#x2026;c olej znajdujÄ&#x2026;cy siÄ&#x2122; w urzÄ&#x2026;dzeniu, za pomocÄ&#x2026; lamp grzejnych 3, moĹźna okreĹ&#x203A;liÄ&#x2021; ciĹ&#x203A;nienie wydzielania siÄ&#x2122; powietrza z oleju dla róşnych temperatur odczytywanych na miliwoltomierzu 7.

Do pomiaru temperatury oleju zastosowano ogniwo termoelektryczne 6, ktĂłrego sondÄ&#x2122; wprowadzono do wnÄ&#x2122;trza zbiornika pomiarowego z badanym olejem.

Na rys. 2 przedstawiono, okreĹ&#x203A;lonÄ&#x2026; doĹ&#x203A;wiadczalnie, zaleĹźnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; wartoĹ&#x203A;ci ciĹ&#x203A;nienia pkaw (dla oleju hydraulicznego HL46), przy ktĂłrej nastÄ&#x2122;puje wydzielanie siÄ&#x2122; powietrza w postaci pÄ&#x2122;cherzykĂłw z oleju hydraulicznego w funkcji temperatury.

Po aproksymacji punktĂłw pomiarowych otrzymujemy zaleĹźnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; (w zakresie temperatury t = 20â&#x20AC;&#x201C;70 °C):

18

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Rys. 4. Schemat stanowiska do badania zjawiska kawitacji w pompach wyporowych; 1 â&#x20AC;&#x201C; pompa wyporowa, 2 â&#x20AC;&#x201C; silnik elektryczny prÄ&#x2026;du staĹ&#x201A;ego, 3 â&#x20AC;&#x201C; zawĂłr dĹ&#x201A;awiÄ&#x2026;cy nastawialny, 4 â&#x20AC;&#x201C; zawĂłr maksymalny, 5 â&#x20AC;&#x201C; U-rurka, 6 â&#x20AC;&#x201C; przepĹ&#x201A;ywomierz, 7 â&#x20AC;&#x201C; zbiornik, 8 â&#x20AC;&#x201C; zawĂłr maksymalny, 9 â&#x20AC;&#x201C; silnik elektryczny prÄ&#x2026;du zmiennego, 10 â&#x20AC;&#x201C; filtr ssawny, 11 â&#x20AC;&#x201C; zawĂłr odcinajÄ&#x2026;cy, 12 â&#x20AC;&#x201C; pompa doĹ&#x201A;adowujÄ&#x2026;ca, 13 â&#x20AC;&#x201C; zawĂłr dĹ&#x201A;awiÄ&#x2026;cy, 14 â&#x20AC;&#x201C; manowakuometr, 15 â&#x20AC;&#x201C; czujnik pulsacji ciĹ&#x203A;nienia, 16 â&#x20AC;&#x201C; manometr, MC â&#x20AC;&#x201C; osiem mikrofonĂłw pola swobodnego, MU â&#x20AC;&#x201C; multiplekser, WP â&#x20AC;&#x201C; wzmacniacz pomiarowy, AF â&#x20AC;&#x201C; dwukanaĹ&#x201A;owy analizator czÄ&#x2122;stotliwoĹ&#x203A;ci, PC â&#x20AC;&#x201C; komputer, KA â&#x20AC;&#x201C; komora akustyczna Fig. 4. Scheme of test stand for cavitation effect tests in positive displacement pumps; 1 â&#x20AC;&#x201C; positive displacement pump, 2 â&#x20AC;&#x201C; DC electric motor, 3 â&#x20AC;&#x201C; adjustable throttle valve, 4 â&#x20AC;&#x201C; maximal valve, 5 â&#x20AC;&#x201C; U-pipe, 6 â&#x20AC;&#x201C; flowmeter, 7 â&#x20AC;&#x201C; tank, 8 â&#x20AC;&#x201C; maximal valve, 9 â&#x20AC;&#x201C; AC electric motor, 10 â&#x20AC;&#x201C; suction filter, 11 â&#x20AC;&#x201C; cut-off valve, 12 â&#x20AC;&#x201C; precharge pump, 13 â&#x20AC;&#x201C; throttle valve, 14 â&#x20AC;&#x201C; absolute pressure gauge, 15 â&#x20AC;&#x201C; pressure fluctuation sensor, 16 â&#x20AC;&#x201C; pressure gauge, MC â&#x20AC;&#x201C; eight mocrophones of free acoustic field, MU â&#x20AC;&#x201C; multiplexer, WP â&#x20AC;&#x201C; amplifier, AF â&#x20AC;&#x201C; two-channel frequency analyzer, PC â&#x20AC;&#x201C; computer, KA â&#x20AC;&#x201C; acoustic chamber

cji danych dokonywano w komputerze klasy PC za pomocÄ&#x2026; oprogramowania firmy B&K typ 5306.

Pompa 1 napÄ&#x2122;dzana jest silnikiem 2 prÄ&#x2026;du staĹ&#x201A;ego. UkĹ&#x201A;ad przed przeciÄ&#x2026;Ĺźeniem zabezpieczony jest zaworem maksymalnym 4. Ciecz przez filtr 10 zasysana jest przez pompÄ&#x2122; doĹ&#x201A;adowujÄ&#x2026;cÄ&#x2026; 12 i podawana do ukĹ&#x201A;adu. Nastawny zawĂłr dĹ&#x201A;awiÄ&#x2026;cy 13 ustala ciĹ&#x203A;nienie ssania pompy 1. Za pomocÄ&#x2026; manowakuometru 14 kontrolowano wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; ciĹ&#x203A;nienia w krĂłÄ&#x2021;cu ssawnym pompy 1, tak aby byĹ&#x201A;o ono zgodne z przyjÄ&#x2122;tym wczeĹ&#x203A;niej programem badaĹ&#x201E;. Nastawny zawĂłr dĹ&#x201A;awiÄ&#x2026;cy 3 ustala ciĹ&#x203A;nienie tĹ&#x201A;oczenia pompy 1. Manometr 8 wskazuje ciĹ&#x203A;nienie tĹ&#x201A;oczenia pompy 1, ktĂłre ustalono na 10 MPa. Przed nadmiernym wzrostem ciĹ&#x203A;nienia po stronie tĹ&#x201A;ocznej ukĹ&#x201A;ad chroni zawĂłr maksymalny 4. U-rurka 5 wskazywaĹ&#x201A;a z duĹźÄ&#x2026; dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; straty przepĹ&#x201A;ywu na rurze stalowej dĹ&#x201A;ugoĹ&#x203A;ci 1 m i Ĺ&#x203A;rednicy wewnÄ&#x2122;trznej dw = 0,014 m, bÄ&#x2122;dÄ&#x2026;ce miarÄ&#x2026; spadku wydajnoĹ&#x203A;ci pompy. Ĺ&#x161;rednicÄ&#x2122; odcinka pomiarowego AB (rys. 4) przyjÄ&#x2122;to kierujÄ&#x2026;c siÄ&#x2122; warunkiem przepĹ&#x201A;ywu laminarnego na tej drodze. Przy maksymalnej wydajnoĹ&#x203A;ci badanych pomp i lepkoĹ&#x203A;ci czynnika roboczego (Q = 32 l/min i lepkoĹ&#x203A;Ä&#x2021; kinematyczna v = 46 cSt), liczba Reynoldsa Re, w kaĹźdym przypadku speĹ&#x201A;niaĹ&#x201A;a warunek: Re < 1000, gwarantujÄ&#x2026;c przepĹ&#x201A;yw laminarny. W zwiÄ&#x2026;zku z wystÄ&#x2122;powaniem przepĹ&#x201A;ywu uwarstwionego waĹźnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; zachowuje rĂłwnanie Hagena-Poiseuilleâ&#x20AC;&#x2122;a [1, 3, 6]:

Î&#x201D;p =

128 â&#x2039;&#x2026; Q â&#x2039;&#x2026; Îź â&#x2039;&#x2026; l Ď&#x20AC; â&#x2039;&#x2026;d4

(3)

gdzie: Q â&#x20AC;&#x201C; objÄ&#x2122;toĹ&#x203A;ciowe natÄ&#x2122;Ĺźenie przepĹ&#x201A;ywu [m3/s], m â&#x20AC;&#x201C; lepkoĹ&#x203A;Ä&#x2021; dynamiczna [Ns/m2], l â&#x20AC;&#x201C; dĹ&#x201A;ugoĹ&#x203A;Ä&#x2021; odcinka pomiarowego [m], d â&#x20AC;&#x201C; Ĺ&#x203A;rednica hydrauliczna przewodu [m].

JeĹźeli przyjmiemy, Ĺźe: d4 â&#x2039;&#x2026; Ď&#x20AC; = K = const , 128 â&#x2039;&#x2026; Îź â&#x2039;&#x2026; l to rĂłwnanie (3) moĹźna zapisaÄ&#x2021;:

(4)

Q = K â&#x2039;&#x2026; Î&#x201D;p

(5)

Reprezentuje ono zaleĹźnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; liniowÄ&#x2026; miÄ&#x2122;dzy Q a Î&#x201D;p.

[&

; Na podstawie przeprowadzonych pomiarĂłw pompy wielotĹ&#x201A;oczkowej osiowej typu PNZ-25 budowano wykres zaleĹźnoĹ&#x203A;ci strat ciĹ&#x203A;nienia Î&#x201D;p [mmHg], na odcinku pomiarowym Aâ&#x20AC;&#x201C; B, od ciĹ&#x203A;nienia ssania ps [MPa] pompy 1. Jako hydrauliczne kryterium poczÄ&#x2026;tku powstawania kawitacji, zgodnie z zaleceniami literatury [5â&#x20AC;&#x201C;8] i moĹźliwego technicznie pomiaru, przyjÄ&#x2122;to spadek wydajnoĹ&#x203A;ci Î&#x201D;Q = 2%Qn, gdzie Qn jest wydajnoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; nominalnÄ&#x2026;.

Przebieg zaleĹźnoĹ&#x203A;ci Î&#x201D;p od wartoĹ&#x203A;ci ciĹ&#x203A;nienia ssania pokazano na rys. 5.

Schemat konstrukcyjny pompy wielotĹ&#x201A;oczkowej osiowej typu PNZ-25 pokazano na rys. 6. Na schemacie tym zaznaczono miejsce pomiaru ciĹ&#x203A;nienia i pulsacji ciĹ&#x203A;nienia w krĂłÄ&#x2021;cu ssawnym i tĹ&#x201A;ocznym, a takĹźe zaznaczono obszar powstawania kawitacji (pod denkiem tĹ&#x201A;oczka). NaleĹźy zaznaczyÄ&#x2021;, Ĺźe pomiÄ&#x2122;dzy pomiarem ciĹ&#x203A;nienia w krĂłÄ&#x2021;cu ssawnym (pkt 3 na rys. 6), a miejscem powstawania kawitacji (punkt 1 na rys. 6) znajduje siÄ&#x2122; okno wlotowe, ktĂłre dla pompy PNZ-25 ma wymiary: Ĺ&#x203A;rednica okna wlotowego d = 8 mm, dĹ&#x201A;ugoĹ&#x203A;Ä&#x2021; l = 8 mm. Spadkiem ciĹ&#x203A;nienia na tym elemencie oporowym naleĹźy tĹ&#x201A;umaczyÄ&#x2021; róşne wartoĹ&#x203A;ci poczÄ&#x2026;tku powstawania kawitacji (rys. 2 i rys. 5).

Pomiar ciĹ&#x203A;nienia poczÄ&#x2026;tku powstawania kawitacji zostaĹ&#x201A; dokonany w krĂłÄ&#x2021;cu ssawnym (punkt 3 na rys. 6), natomiast powstawanie kawitacji w pompie wielotĹ&#x201A;oczkowej osiowej zaczyna siÄ&#x2122; pod denkiem tĹ&#x201A;oka (punkt 1 na rys. 6). Obrazuje to fotografia (rys. 7) uzyskana z pracy KudĹşma Z., Mackiewicz J. 1996 [5]. W pracy tej przedstawionow model symulacyjny, w ktĂłrym zastosowano tĹ&#x201A;oczek od pompy PNZ-25, napÄ&#x2122;dzany przez mechanizm korbowy, a umieszczony w cylindrze wykonanym ze szkĹ&#x201A;a organicznego (plexi). Okno wlotowe ma takie same wymiary jak w pompie rzeczywistej, a ukĹ&#x201A;ad hydrauliczny zasilajÄ&#x2026;cy model zapewniaĹ&#x201A; warunki przepĹ&#x201A;ywu, jak w pompie rzeczywistej.UmoĹźliwiaĹ&#x201A;o to obserwacjÄ&#x2122; kawitacji w przestrzeni

19

Badanie zjawiska kawitacji w pompach wyporowych

cylindra modelu, przy oświetleniu lampą stroboskopową oraz wykonanie zdjęć obrazujących kawitację podczas fazy ssania.

W czasie pomiarów rejestrowano przebiegi zmian ciśnienia w cylindrze modelu za pomocą oscylografu, oraz jednocześnie filmowano proces za pomocą specjalnej kamery filmowej Pentazet 16 z szybkością 2000 klatek filmu w ciągu sekundy.

Gdy ciśnienie w przestrzeni podtłokowej spadło do wartości ciśnienia wydzielania się powietrza z oleju, (którą to wartość można wyznaczyć za pomocą naczynia próżniowego) wówczas warunki pracy pompy można uznać za warunki kawitacyjne.

W celu całkowitego scharakteryzowania pracy pompy wyznaczono doświadczalnie pulsacje ciśnienia w króćcu ssawnym i tłocznym w zależności od wartości ciśnienia ssania. Wyniki pomiarów pokazano na rys. 8. Jak wynika z przedstawionych oscylogramów, amplituda pulsacji ciśnienia w przewodzie tłocznym rośnie w miarę obniżania się wydajności pompy. Natomiast maleje w tych samych warunkach amplituda pulsacji w króćcu ssawnym. Można to wytłumaczyć jako wynik wzrostu ściśliwości cieczy spowodowany pojawieniem się powietrza w oleju.

Badania polegały na jednoczesnym pomiarze wartości ciśnienia w króćcu ssawnym pompy, spadku ciśnienia na odcinku pomiarowym A–B oraz poziomu ciśnienia akustycz-

Rys. 5. Zależność strat przepływu Δp (będących miarą spadku wydajności) od ciśnienia ssania ps pompy wielotłoczkowej osiowej typ PNZ-25 przy 1500 obr./min i ciśnieniu tłoczenia pt = 10 MPa; 1 – maksymalna wydajność pompy (kąt α = 25° pochylenia bloku cylindrowego), 2 – wydajność pompy 50 % wydajności maksymalnej. (kąty α = 12,5° pochylenia bloku cylindrowego), prędkość obrotowa wału pompy np = 1500 obr./min, ciśnienie tłoczenia pt = 10 MPa, olej hydrauliczny HL 46, temperatura T = 40 ±2 °C Fig. 5. Relationship between pressure drop Dp and suction pressure inline multipiston pump PNZ-25 at 1500 rpm and pt = 10 MPa; 1 – maxmimal pump flow rate (angle α = 25° of cylinder block deflection), 2 – pump flow rate equal to 50 % maximal pump flow rate (angle α = 12.5° of cylinder block deflection), np = 1500 rpm, pt = 10 MPa, hydraulic oil HL46, temperature T = 40 ±2 °C

Rys. 6. Schemat konstrukcyjny pompy wielotłoczkowewj osiowej typ PNZ- 25; 1 – denko tłoczka miejsce powstawania kawitacji, 2 – okno wlotowe do cylindra pompy, 3 – miejsce pomiaru ciśnienia w króćcu ssawnym, 4 – tłoczek, 5 – manowakuometr, 6 – czujniki pulsacji ciśnienia, 7 – manometr Fig. 6. Constructional scheme of inline multipiston pump type PNZ-25; 1 – piston bottom, area of cavitation arise, 2 – inlet window to pump cylinder, 3 – pressure measurement point in suction stub pipe, 4 – piston, 5 – absolut pressure gauge, 6 – pressure fluctuation sensor, 7 – pressure gauge

Rys. 7. a) Wydzielanie się powietrza w cylindrze modelu symulacyjnego pompy; b) Wykres – przebieg zmian ciśnienia w cylindrze w trakcie suwu ssania [5] Fig. 7. a) Air exude in cylinder of simulation pump model; b) Diagram – pressure changes run during suction phase in cylinder [5]

Rys. 8 .Przebieg pulsacji ciśnienia po stronie tłocznej 1 i ssawnej 2 pompy PNZ -25 przy ciśnieniu ssania a) ps = 0,1 MPa (brak kawitacji) b) ps = 0,005 MPa (rozwinięta kawitacja) Fig. 8. Pressure fluctuation run at high pressure pump area 1 and suction area 2 for PNZ-25 pump at suction pressure a) ps = 0.1 MPa (without cavitation) b) ps = 0.005 MPa (with developed cavitation)

20

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

nego. Jako poczÄ&#x2026;tek powstawania kawitacji przyjÄ&#x2122;to kryterium hydrauliczne odpowiadajÄ&#x2026;ce 2% spadkowi wydajnoĹ&#x203A;ci. CiĹ&#x203A;nienie ssania w tym momencie przyjÄ&#x2122;to jako pskaw. RejestrujÄ&#x2026;c jednoczeĹ&#x203A;nie poziom ciĹ&#x203A;nienia akustycznego uzyskano sygnaĹ&#x201A; akustyczny (objawiajÄ&#x2026;cy siÄ&#x2122; nagĹ&#x201A;ym wzrostem jego wartoĹ&#x203A;ci) przy poczÄ&#x2026;tku powstawania kawitacji. Dodatkowym wskaĹşnikiem jest analiza widmowa haĹ&#x201A;asu w zakresie kawitacyjnym obrazujÄ&#x2026;ca dominacjÄ&#x2122; wyĹźszych skĹ&#x201A;adowych nad podstawowÄ&#x2026;, ktĂłra jest najwyĹźsza w obszarze bezkawitacyjnym. ZaleĹźnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; poziomu ciĹ&#x203A;nienia akustycznego Lm od ciĹ&#x203A;nienia ssania ps dla badanej pompy wielotĹ&#x201A;oczkowej PNZ-25 zamieszczono na rys. 9, gdzie zaznaczono teĹź wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; ciĹ&#x203A;nienia odpowiadajÄ&#x2026;cÄ&#x2026; poczÄ&#x2026;tkowi powstawania kawitacji, wyznaczonÄ&#x2026; w badaniach hydraulicznych korzystajÄ&#x2026;c z kryterium spadku 2% wydajnoĹ&#x203A;ci pompy.

Na bazie przeprowadzonej analizy wÄ&#x2026;skopasmowej poziomu ciĹ&#x203A;nienia akustycznego, wyodrÄ&#x2122;bniono trzy podstawowe harmoniczne w funkcji ciĹ&#x203A;nienia ssania. Do dalszych analiz wyznaczono czÄ&#x2122;stotliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; dominujÄ&#x2026;cÄ&#x2026; wg wzoru: (6)

woju tego zjawiska w pompach wyporowych. Badano pompÄ&#x2122; wielotĹ&#x201A;oczkowÄ&#x2026; typu PNZ-25 oraz pompÄ&#x2122; zÄ&#x2122;batÄ&#x2026; PZ3-32.

W badaniach wstÄ&#x2122;pnych, za pomocÄ&#x2026; naczynia próşniowego, wyznaczono wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; ciĹ&#x203A;nienia wydzielania siÄ&#x2122; pÄ&#x2122;cherzy powietrza z oleju HL46 w funkcji temperatury czynnika roboczego. W badaniach hydraulicznych jako kryterium poczÄ&#x2026;tku powstawania kawitacji w pompach przyjÄ&#x2122;to spadek wydajnoĹ&#x203A;ci Î&#x201D;Q = 2%Qn, gdzie Qn jest wydajnoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; nominalnÄ&#x2026;.

Z przedstawionych rezultatĂłw badaĹ&#x201E; widaÄ&#x2021; istotny zwiÄ&#x2026;zek miÄ&#x2122;dzy kawitacjÄ&#x2026; a efektem akustycznym, co obrazuje wzrost poziomu ciĹ&#x203A;nienia akustycznego Lm wraz z postÄ&#x2122;pujÄ&#x2026;cym rozwojem kawitacji (rys. 9, 10, 12, 13). ZauwaĹźamy, iĹź w miarÄ&#x2122; spadku ciĹ&#x203A;nienia w przewodzie ssawnym pompy (mierzonym w krĂłÄ&#x2021;cu ssawnym) aĹź do wartoĹ&#x203A;ci podciĹ&#x203A;nieĹ&#x201E;, emitowany poziom ciĹ&#x203A;nienia akustycznego wzrasta w duĹźym zakresie rzÄ&#x2122;du 15 dB w przypadku pompy wielotĹ&#x201A;oczkowej i 10 dB dla pompy zÄ&#x2122;batej, co pozwala stwierdziÄ&#x2021; istnienie wyraĹşnego sygnaĹ&#x201A;u diagnostycznego sygnalizujÄ&#x2026;cego pracÄ&#x2122; kawitacyjnÄ&#x2026; pompy.

Ponadto z analiz widmowych ciĹ&#x203A;nienia akustycznego, zamieszczonych w pracy, widaÄ&#x2021;, Ĺźe podczas pracy pompy w zakresie kawitacyjnym, dominujÄ&#x2026;ce sÄ&#x2026; wyĹźsze skĹ&#x201A;adowe harmoniczne

gdzie: n â&#x2C6;&#x2019; prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;Ä&#x2021; obrotowa waĹ&#x201A;ka silnika [obr./min], z â&#x2C6;&#x2019; liczba tĹ&#x201A;oczkĂłw.

WartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;ci obrotowej byĹ&#x201A;a ustalona i wynosiĹ&#x201A;a n = 1500 obr./min, liczba tĹ&#x201A;oczkĂłw dla badanej pompy wielotĹ&#x201A;oczkowej PNZ-25 wynosiĹ&#x201A;a z = 7. Zatem czÄ&#x2122;stotliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; dominujÄ&#x2026;ca wynosi f1 â&#x2030;&#x2C6; 175Â Hz. Konstruowany wykres, przedstawiajÄ&#x2026;cy poziom ciĹ&#x203A;nienia akustycznego Lm w zaleĹźnoĹ&#x203A;ci od ciĹ&#x203A;nienia ssania pompy, uwzglÄ&#x2122;dniajÄ&#x2026;c pierwsze trzy skĹ&#x201A;adowe harmoniczne widma wÄ&#x2026;skopasmowego, pokazano na rys. 10.

Obok pompy wielotĹ&#x201A;oczkowej PNZ-25 w podobnym cyklu przebadano pompÄ&#x2122; zÄ&#x2122;batÄ&#x2026; typu PZ3-32, przyjmujÄ&#x2026;c takie samo kryterium poczÄ&#x2026;tku powstawania kawitacji jak dla pompy wielotĹ&#x201A;oczkowej. Wyniki pomiarĂłw zamieszczona na rys. 11â&#x20AC;&#x201C;13.

^& 5

W artykule podjÄ&#x2122;to prĂłbÄ&#x2122; ustalenia warunkĂłw powstawania kawitacji oraz akustycznego sygnaĹ&#x201A;u diagnostycznego pozwalajÄ&#x2026;cego w prosty sposĂłb okreĹ&#x203A;liÄ&#x2021; poczÄ&#x2026;tek powstawania i rozRys. 10. WartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; poziomu ciĹ&#x203A;nienia akustycznego Lm w zaleĹźnoĹ&#x203A;ci od ciĹ&#x203A;nienia ssania pompy wielotĹ&#x201A;oczkowej osiowej typu PNZ-25 przy 1500 obr./min i ciĹ&#x203A;nieniu tĹ&#x201A;oczenia pt = 10 MPa; trzy skĹ&#x201A;adowe harmoniczne widma wÄ&#x2026;skopasmowego Fig. 10. Value of acoustic pressure level Lm in relation to suction pressure multipiston pump PNZ-25 at 1500 rpm and pt = 10 MPa; three harmonics components of bandpass spectrum

Rys. 9. ZaleĹźnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; poziomu ciĹ&#x203A;nienia akustycznego Lm od ciĹ&#x203A;nienia ssania ps pompy wielotĹ&#x201A;oczkowej PNZ-25 przy 1500 obr./min i ciĹ&#x203A;nieniu tĹ&#x201A;oczenia pt = 10 MPa Fig. 9. Relationship between level of acoustic pressure Lm and suction pressure multipiston pump PNZ-25 at 1500 rpm and pt = 10 MPa

Rys. 11. ZaleĹźnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; strat ciĹ&#x203A;nienia Î&#x201D;p (bÄ&#x2122;dÄ&#x2026;cych miarÄ&#x2026; spadku wydajnoĹ&#x203A;ci) od ciĹ&#x203A;nienia ssania ps pompy zÄ&#x2122;batej PZ3-32 przy 1500 obr./min i ciĹ&#x203A;nieniu tĹ&#x201A;oczenia pt = 10 MPa Fig. 11. Relationship between pressure drop Dp and suction pressure ps gear pump PZ3-32 at 1500 rpm and pt = 10 MPa.

21

Badanie zjawiska kawitacji w pompach wyporowych

Rys. 14. Schemat zestawu pomiarowego natężenia dźwięku; KA – kalibrator natężenia B&K typ 3541, SA – sonda akustyczna B&K, typ ZB0017, AF – analizator dwukanałowy częstotliwości B&K typ 2144, KO – komputer, DR – drukarka Fig. 14. Scheme of testing set of sound intensity: KA – B&K pistofon, type 3541, SA – B&K sound probe, type ZB0017, AF – B&K two-channel frequency analyzer, type 2144, KO – computer, DR – printer

Rys. 12. Zależność poziomu ciśnienia akustycznego Lm od ciśnienia ssania ps pompy zębatej PZ3-32 przy 1500 obr./min i ciśnieniu tłoczenia pt = 10 MPa Fig. 12. Relationship between acoustic pressure level Lm and suction pressure ps gear pump PZ3-32 at 1500 rpm and pt = 10 MPa

tems, „Archive of Mechanical Enginering”, Vol. 57, No. 3, 2010, 293−308, DOI: 10.2478/v10180-010-0016-9.

3. Kudźma Z., Tłumienie pulsacji ciśnienia i hałasu w układach hydraulicznych w stanach przejściowych i ustalonych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2012.

4. Kleinbrener W., Werkstoffzerstörung durch Kavitation in hydraulischen Systemen, „Industrie Anzeiger“, Vol. 61, 1976.

5. Kudźma Z., Mackiewicz J., Wpływ parametrów pracy pompy wielotłoczkowej w warunkach kawitacji na jej hałaśliwość. Konferencja Naukowo-Techniczna Napędy i Sterowania Hydrauliczne ’96. Szklarska Poręba, Polska 1996.

6. Kudźma Z., Mackiewicz J., Warunki powstawania kawitacji w układach hydraulicznych, Konferencja Naukowo-Techniczna Napędy i Sterowania Hydrauliczne 1999.

Polanica 1999.

7. Kollek W., Kudźma Z., Stosiak M., Mackiewicz J., Possibilities of diagonsting cavitation in hydraulic systems, „Archives of Civil and Mechanical Engineering”, Vol. 7, No. 1, 2007, 61−73.

8. Bachert R., Ludwig G., Stoffel B., Frobenius M., Schilling R., Three-dimensional unsteady cavitation effects on a single hydrofoil and in a radial pump – measurements and numerical simulations, 5th International Symposium on Cavitation (CAV2003), Osaka, Japonia 2003.

9. Bugała R., Szkoda M., Zależność przebiegu krzywych niszczenia kawitacyjnego od Frakcyjnego Rozkładu Obciążeń Kawitacyjnych, Krajowa Konferencja Dobór i Eksploatacja Materiałów Inżynierskich, Politechnika Gdańska, Jurata, Polska 1997.

10. Lecoffre Y., Archer A. A method to evaluate cavitation erosion in valves, 3rd International symposium on Cavitation, Grenoble, France 1998.

11. Koivula T., On cavitation in fluid power, Proc. of 1st FPNI-PhD Symp., Hamburg, Germeny 2000.

12. Kollek W., Kudźma Z., Osiński P., Rutański J., Lokalizacja i próby redukcji hałasu w zasilaczu hydraulicznym, XIV Konferencja Naukowa Problemy Rozwoju Maszyn Roboczych, Zakopane 2001.

Rys. 13. Widmo tercjowe poziomu ciśnienia akustycznego pompy zębatej PZ3-32; n = 1500 min-1; ciśnienie tłoczenia pt = 10 MPa; dla różnych wartości ciśnienia ssania Fig. 13. 1/3 octave spectrum of acoustic pressure level for gear pump PZ3-32 at 1500 rpm, pt = 10 MPa for several values of suction pressure

widma hałasu wynikające z prędkości wału pompy i ilości elementów wyporowych, rys. 10 i 13. Analizując zamieszczone wykresy zauważyć można, iż wraz z postępującym rozwojem kawitacji maleje pulsacja ciśnienia po stronie ssawnej pompy, a znacząco rośnie po stronie tłocznej (rys. 8). Przeprowadzając prezentowane badania autorzy dysponowali komorą akustyczną, która jest w warunkach krajowych urządzeniem unikalnym.W warunkach przemysłowych wykorzystując kryterium akustyczne zastosowanie może znaleźć sonda akustyczna, której zestaw pomiarowy pokazano na rys. 14, jako przyrząd łatwy w obsłudze i dający wyniki z satysfakcjonującą dokładnością, co zostało potwierdzone pracą autorów [12].

`

1. Martin H.R., Noise analysis and control in fluid power systems, „Hydraulics & Pneumatics”, January 1985, 119−121.

2. Kollek W., Kudźma Z., Rutański J., Stosiak M., Acoustic problems relating to microhydraulic components and sys-

22

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

0 ; ?Q ! !

6 In the paper main attention was focused on cavitation effect in positive displacement pumps. Cavitation conditions and areas of its arising were defined. Authorâ&#x20AC;&#x2122;s own studies and literature review were helpful for cavitation visualization. An acoustic effect accompanied with cavitation development in pumps (multipiston pump, gear pump) was identified.

KeywordsU ! !

1 = = 9"' ! ;

' = < '

)! $ ! ( $ $

8! ( $

8 8 ' ' > P 8 R 0 ) ' A $ LA 8 ' O & S = $ A > M ? & ' $ I A 8 ' & ! 8 ' $ SA

A ! ) B = = 8 : ! A = 8 A 8 =P ) ! B $ M A 8

=P ) ! = ; = $ O

! = $

! ; ! "0 " B 0

S T ! 8 $ LA +%%% =P ! P ! 8 $ M ! 8 A ) A ! = 8 P ) B ) ! ) ) ! ) ! A = 8 ! ! U ! ) $ K B B B ! ! )

B ! = B) $

23

24

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 20, Nr 1/2016, 25â&#x20AC;&#x201C;30, DOI: 10.14313/PAR_219/25

L ; L !

; ) ) #' 1 V W /X X Y

6 This

'

' '=

It

1

@ 1

1

1

$

$ $

@

' 1 = &

B

1

B

1

= F "$

1 1 @

@

' 1

1

@

B

1

= 3 U Z ) ) ! ) ! ) )

V& 2

It is not very surprising that technology influences more and more aspects of human lives and social activities. It impacts the marketing and improves the quality of any product to be sold. Pitch correction is not an exception at all. With current techniques is it possible to find and remove even slight detuning in singing and apply various effects to improve the quality of the recording [1, 6]. The authorâ&#x20AC;&#x2122;s application described in this paper makes also an effort to automatically detect and correct detuning in singing, however its concept and destination are different comparing to the software currently available for various platforms. It is in fact a personal singing trainer, where the emphasis is put on educational and entertainment aspect.

The problem that has to be solved in both cases is not trivial at all. First, in order to narrow the framework of exploration and maximize the usability of the application, it is necessary to make some assumptions. With that being done, appropriate signal processing algorithms must be chosen and implemented.

Their obvious limitation is the complexity that most likely disables real-time execution. Finally, all previous steps, even the strictly technical ones have to be performed with regards to musical aspects. Good knowledge and analysis of basic properties of singing, such as common mistakes (tempo changes, fluctuation, skipping the tone, immediate changes of key), features of human vocal tract or some elements of music theory (key and its transformation into frequencies) are necessary to handle the stated problem [14, 16, 22]. These aspects all together form an approach that has been rarely explored and documented so far.

The paper is structured in the following way: first, in Section 2. the challenges related to pitch detection as well as

( U & ) & ! ) $! ( ; $ (

.$%,$+%,. $ ,$%+$+%,. $

!! " #$%

currently existing tools for pitch detection and correction are shortly described. They are compared with the assumptions applied to the application. Section 3. handles the application principles in a more detailed way and describes the algorithms that have been used at different stages of analysis. Next, the experiments, tests, results and authorâ&#x20AC;&#x2122;s observations are described in Section 4. In Section 5. the observations are presented from another perspective, namely they focus on problems that might have arisen from necessary simplifications and the opportunities of improvement. Finally, Section 6. summarizes the experiments performed and the attention is driven to more interdisciplinary research in the future.

X& 8 X&V& 5 % * 6% The analysis of audio content as such can cover multiple aspects [11]. One of the problems broadly investigated in literature is an (automatic) singing quality evaluation with the most common context related to Query-by-Humming systems [20] or vocal training [17, 25]. Systems of that kind must rely on the pitch detection which is a well-established problem in the audio-processing field with several effective methods proposed in literature, operating in both: time- and frequency domain [7, 8]. An important challenge for such applications is to efficiently model the common errors made by people at singing [13] and also make a clear distinction, what is an error and what acts as a grace, especially for the purpose of automatic evaluation. There are several operations that can be troublesome to handle by automatic systems, for example glissando (a continuous slide between two sounds), vibrato effect (fluctuation of a sound frequency) or octave errors by frequency detection. These issues contribute to the complexity of note segmentation problem which is an essential element of any pitch detection system [3].

X&X& 6 (. $ 2.2.1. Auto-Tune According to the producer, Auto-Tune is used daily by thousands of audio professionals around the world. It is often referred as a holy grail of recording and has been adopted

25

Application for The Automatic Pitch Detection and Correction of Detuned Singing

worldwide as the largest-selling audio plug-in of all time. Its features include correction of intonation and timing in vocals or solo instruments, preservation of the natural properties of the input, advanced features like formant modelling and many others. The program can work in automatic and graphical modes [1, 2].

is not readable for the majority of society, the notes are represented as blocks whose vertical alignment denotes the frequency. The notion of time is represented by the horizontal alignment and for the case of playing back the pattern melody is also represented with colours. It is assumed that the melody is sung using syllable na instead of actual lyrics or any other vocalization. It is mainly due to the fact that some sounds do not carry any frequency and will be simply classified as noise.

Such sounds might be also very difficult to transpose without a significant distortion. Finally, the n at the beginning of each note helps the user split the consecutive notes correctly, what is of highest importance for transforming the sequence of sung frames into a sequence of notes.

2.2.2. Celemony Melodyne In 2008 the German magazine Der Spiegel described Celemony Melodyne as a photoshop for sound. The innovative approach to visualise music in Celemony involves representing single sounds as graphical objects. Parameters of an object (length, width, position) reflect some properties of sound, such as duration, volume and pitch. Unlike Auto-Tune, Celemony is able to process polyphonic sound [4, 5].

Z&X& 5 ( % The very first operation that has to be performed on each frame of signal is to determine whether it contains a sound or silence. It is achieved by calculating the variance of the signal inside each frame. The frames are classified based on this value: if variance is too small, the frame is detected as silence and omitted in the analysis. The discrimination level has been tuned during the experiments with users and took into consideration the sources of noise, such as: microphone, environment or improper voice emission. It has been observed that the tuning of variance level is critical for the purpose of further processing.

Pitch detection is performed using the autocorrelation method which can be explained in the simplest way as a cross-correlation of a signal with itself [23]. The first maximum for a non-zero argument is the length of the period given in samples which can be easily transformed into frequency.

The operation is performed on frames consisting of 2048 samples (rectangular window) that overlap in 50%. This length has been established experimentally in order to conform with the frequency range it has to deal with and with the sampling rate equal to 44.1 kHz used for all test recordings. Processed frames are then grouped into notes according to the averaged values and possible shifts of frequency in consecutive frames.

The alignment of a sung sequence and a MIDI pattern is performed using Levenshtein distance, also referred as L-distance, edit-distance or minimum edit-distance, which is widely used in bioinformatics to match two sequences of DNA locally or globally. The algorithm aims at estimating the minimal cost that is necessary to transform one sequence into another one, where the transformation can be performed using three different operations: changing the symbol for another one, skipping or adding the symbol. This method completely disregards the time dependencies in the sequence. Since the time dependencies (i.e., rhythm) are likely to be incorrect or distorted in a singing of an average person, it can be considered as a huge advantage.

Pitch correction is performed using the PSOLA algorithm (Pitch Synchronous Overlap And Add). This algorithm consists of particular phases, which are: splitting the signal into segments, pitch marks determination, centring the segments at the pitch marks, stretching or squeezing (according to the transposition up or down) and finally overlapping and adding [14]. The factor of operation depends on the detected detuning expressed in cents, as defined previously.

2.2.3. Serato Pitchâ&#x20AC;&#x2122;Nâ&#x20AC;&#x2122;Time Pro Serato Pitchâ&#x20AC;&#x2122;Nâ&#x20AC;&#x2122;Time Pro is a pitch-shifting and time-stretching plug-in for the Pro Tools platform intended to be used by professionals. Pitchâ&#x20AC;&#x2122;Nâ&#x20AC;&#x2122;Time provides a good quality of pitch shifting and tempo correction which do not affect the timbre of the recording. It was achieved by using some properties of human perception in the sound processing instead of mathematical operations only. The program is currently widely used in the UK to correct pitch in the films before they are to be transferred into a video version [10, 19].

X&Z& (

5 Since the concept behind the approach described in this paper is not market-oriented, the purpose of the proposed application it to make the user aware of errors and not to mask them.

Moreover it targets at possibly simple algorithm implementations to provide efficiency. However, instead of making an attempt of real-time processing, which is a highly complicated task, it provides visualization in real-time to achieve the desired educational effect [21]. For training purposes, the level of detection has been set to the so-called â&#x20AC;?mercilessâ&#x20AC;?. Correction is used here as another means of learning. Due to possible changes of key (or tuning other than the MIDI standard of 440Â Hz), the analysis of singing within the application is being performed by intervals (frequency ratio of two consecutive notes) instead of absolute values. Application has been designed as a desktop one, written in C++ using Qt 4.8.4 platform and Windows 7 as an operating system. However, thanks to the environment it could be easily transferred into other systems.

Z& q + % v Z&V& * 5

The analysis of singing is performed according to the pattern provided in the MIDI format. An appropriate database of sample melodies to be tested has been prepared. Without the pattern file, the sung sequence can be evaluated only in terms of keeping up with the tones of a scale. The application enables uploading a WAVE PCM file containing a singing or recording it directly using a microphone. Detuning of each note is calculated in cents. Cent is a conventional unit expressing the distance between two sounds and the size of a relevant interval.

It corresponds to 1/100 of a semitone and 1/1200 of an octave.

The frequency ratio between the sounds 1 cent away is equal 1200 2 â&#x2030;&#x2C6; 1.00058 [15]. Such a measure provides extremely preto cise evaluation and puts an emphasis on tones sung in between compared to the scale what very often results from the incorrect intonation of a sound.

The main priority is given to the visual aspect of the application. Instead of the standard musical representation which

26

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

[& \

Tests of the application with users of different levels of singing or musical proficiency were the essential part of the research. Performed regularly during the development process, they enabled a design feedback, where constant modifications

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Fig. 1. Use case and stages of analysis Rys. 1. PrzykĹ&#x201A;ad uĹźycia i etapy analizy

Fig. 2. Percentages of sung notes for different groups of testers Rys. 2. Procentowy udziaĹ&#x201A; nut dla róşnych grup uĹźytkownikĂłw

Fig. 3. Musical representation of a popular folk melody â&#x20AC;&#x153;Hej sokoĹ&#x201A;yâ&#x20AC;?

Rys. 3. Muzyczna reprezentacja popularnej melodii ludowej â&#x20AC;&#x153;Hej sokoĹ&#x201A;yâ&#x20AC;?

and tuning of some application parameters were applied. The whole group of testers consisted of 34 persons, males and females. They could be split into 3 groups: amateurs, amateurs that enjoy singing and take part in some musical activities and the so-called semi-professionals, members of a university choir.

Such a spectrum of users enabled validation, evaluation and

brought many thoughts and observations as well as suggestions coming directly from the testers.

Each test was performed according to the same pattern.

A detailed use case and stages of analysis are summarized in Figure 1. Each user chose 2 songs from the provided database, however, one song (considered as an easy one) was sung by all persons, while the second one was optional and could be chosen freely. Each song was played back along with the visualization and the user could train as long as one wanted before the actual attempt of recording a singing.

Once the recording was made, it was played back and its graphical representation was displayed on the screen. Detuning was indicated with colours, starting from green (correct note) ending at red (detuning bigger than one semitone). Such a representation pointed out extremely precisely a lot of mistakes that were made very often by users at different levels of proficiency. Surprisingly, even in the most proficient group only around 40% of notes were green (correct). Figure 2 shows the percentages of each note colour within 3 groups. The ranges of particular colours are the following: green â&#x20AC;&#x201C; detuning less than 20 cents, yellow â&#x20AC;&#x201C; between 20 and 50 cents, orange â&#x20AC;&#x201C; between 50 and 100 cents, red â&#x20AC;&#x201C; more than 100 cents. Pink notes are those which could not be aligned by the algorithm.

At this point, the application was also analysed for the occurrence of octave errors during the pitch detection stage.

This kind of errors are a very common side effect of simple pitch detection algorithms, such as, used here, autocorrelation.

Contrary to the literature [7], not a single octave error has been observed in the singing of the tested group of users. It was not the case, when the application was tested, for example, using the melody played by the violin.

Although it was possible to sing with a metronome, very often the tempo, as well as rhythmic dependencies were affected. Thus, it confirmed the legitimacy of disregarding the time dependencies and focusing on the alignment of relative intervals. When the subjects were asked to point the mistakes in singing that the application showed and they agreed with, most common ones were singing slightly below/above the desired pitch, floating voice that changes the pitch when it is supposed to sing one note only or changing the key in the middle. The authorâ&#x20AC;&#x2122;s observation is that sometimes these mistakes resulted from stress caused by producing a recording. Nevertheless, over 95% of tested subjects confirmed, that they agree with the mistakes found by the program. Some of them emphasized that they had been aware of these imperfections even before and the program simply confirmed their vocal problems. On the other hand, some commented that the evaluation by a program is merciless and that the accuracy of detuning detection is much higher than the sensitivity of a human ear. Around 5% did not agree with the errors marked

Fig. 4. Representation of the same melody stored in a MIDI file (current position of the playing back denoted with a colour) Rys. 4. Reprezentacja tej samej melodii zapisanej w pliku MIDI (obecna pozycja odtwarzania oznaczona kolorem)

27

Application for The Automatic Pitch Detection and Correction of Detuned Singing

Fig. 5. Visualisation of the melody sung by a user Rys. 5. Wizualizacja melodii zaĹ&#x203A;piewanej przez uĹźytkownika

ate colour. Figure 6 shows a sample input melody processed by the detuning detector and for a comparison Figure 7 presents the same sequence after correction. The melody used here is a fragment of Imperial March from Star Wars soundtrack. It must be emphasised that the correctness of each note represented with its colour is evaluated first of all with regards to the interval it produces with the preceding note and not to its expected absolute value. Therefore the correction may apply two types of modification. The first type is shifting the note by one or more semitone to obtain the correct interval, what happened for sounds B4 and G4 (although G4 was originally marked as correct it must have been shifted due to the change of its predecessor). The second type is smoothing the less significantly detuned notes (most likely resulting from incorrect intonation), as applied to those with detuning above 20 cents.

Fig. 6. Example of a sung sequence before correction Rys. 6. PrzykĹ&#x201A;ad zaĹ&#x203A;piewanej sekwencji przed korekcjÄ&#x2026;

^& *

Working with people at different levels of musical proficiency leads to some interesting thoughts on the target user group of this application and its usability. For sure, there must be a limit of detuning that can be automatically analysed and corrected.

When the number of completely wrong sung notes exceeds the number of more or less correct ones, there is no chance that all modules (detection, alignment, correction) would go smoothly and produce a reasonable output. To use a personal singing trainer the user should have at least basic ear for music.

Without feeling at least a little bit of control over oneâ&#x20AC;&#x2122;s voice, no educational effect in this field can be achieved. Comparing the results from different subjects, it can be concluded that persons with at least some musical awareness produced the best material for analysis.

Another problem related to musical proficiency of the users is the level of voice in the input signal. According to Love [12] the power of human vocal tract has been barely explored by people. Remarkably many of us do not use it correctly and at its full power. In effect the emission of the voice is affected and distorted what introduces much more noise in the produced sound.

In this application, such noise very often eliminated a frame of sound from further processing during the very first stage of analysis. To get rid of this limitation a more advanced method for voice activity detection should be applied [18].

It can be also debated if the alignment method that relies on the sequence of intervals and disregards the time dependencies is the optimal solution to the problem. On contrary to its advantage which is the immunity to unintentional changes of key by the user, it can be questioned whether the equal-tempered scale is an appropriate choice for the analysis of relative intervals.

An alternative approach could be to use Dynamic Time Warping [20], so that the rhythm and timing errors are also covered.

Fig. 7. Example of a sung sequence after correction. Remarkable shifts applied to: B4 (transformed to Bflat 4) and G4 (transformed to Fsharp 4) Rys. 7. PrzykĹ&#x201A;ad zaĹ&#x203A;piewanej sekwencji po korekcji. WyraĹşna korekcja dla dĹşwiÄ&#x2122;kĂłw B4/H4 (obniĹźony do Bflat4/B4) oraz G4 (obniĹźony do Fsharp4/Fis4)

by the application, but an interesting point is, that all of them were amateurs and had problems to define what off tune actually means. Probably an appropriate conclusion to this would be to define a strong correlation between the vocal experience and awareness of ones detuning [11]. In terms of usability, over 90% of users claimed that the application is fully usable and intuitive. Among the other 10% there were some suggestions for improvement like integrating the block representation with musical notes or preparing the mobile version of the application to be used portably during, for example, a choir rehearsal.

Figures 3â&#x20AC;&#x201C;5 show different representations of the same melody. Figure 3 presents the scores that were not part of an interface, however, they let compare the musical and non-musical way of drawing a melody. Figure 4 depicts the block representation of the MIDI pattern in the middle of playing back along with the elements of the GUI. Finally, Figure 5 is an example of the analysis performed. In the window on the right, a detailed information about the note the mouse is currently over is shown.

Pitch correction was performed according to the detuning established in the analysis phase and marked with an appropri-

28

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

The biggest disadvantage of the program is the quality of sound that gets worse after the transposition. Considering the fact that most home-made recordings are being performed with a simple equipment, an effort has been made to filter the files using one of some popular audio processing software tools. However, it did not contribute a lot. The only difference was in the slight noise reduction, but some clicks or other undefined sounds could be heard even though. It is possible that they are artefacts produced by the transposition itself and some other more advanced signal processing algorithms are necessary for their removal. On the other hand, some other pitch shifting algorithms, such as phase vocoder might be worth considering [9].

Applying pitch correction raises also the issue of naturalness. Even a non-musical ear would probably experience that if multiple sounds in a row are transposed exactly according to the given pitch, the timbre becomes a little bit robot-like.

For this reason the quality of transposition cannot be measured only in terms of precise pitch shifts and exact frequency alignment. Keeping and preserving the natural features of the human voice is another critical aspect. However, this property is extremely hard to measure based on the technical approach only. Exploring which sounds human ear perceives as natural and which not belongs, however, rather to the psychoacoustics area.

Further improvement that apart from the technical approach would require knowledge in other fields is related to the non-pattern correction case which in this application was handled very simply. Tuning sounds according to the scale is an extremely simplified approach, especially for the sounds sung right in between. Determining the key according to which the sequence should be corrected would be, however, a technical and musicological challenge at the same time.

_& 6

The application for automatic pitch detection and correction presented in this paper differs from the currently available software. Within the application framework a combination of some simple processing algorithms has been delivered in order to provide a more complex solution. An attempt has been made also to extend the technical approach to voice processing by non-technical aspects, such as properties of human voice and singing as a whole. The initial expectations and assumptions have been verified and well tested with people at different levels of singing proficiency. Although the application has its imperfections, it constitutes a very good starting point for further exploration at the borders of Music Informatics.

( The author would like to thank Prof. BoĹźena Kostek for her supervision, help and precious feedback.

8 1. Antares Audio Technologies Auto-Tune â&#x20AC;&#x201C; official website, http://www.antarestech.com/ (accessed 20 Oct. 12).

2. Bellis M., Who Invented AutoTune?, http://inventors.about. com/od/astartinventions/a/Who-Invented-Auto-Tune.htm (accessed 18 Feb. 13).

3. Boersma P., Accurate short-term analysis of the fundamental frequency and the harmonics-to-noise ratio of a sampled sound, Institute of Phonetic Sciences, University of Amsterdam, Proceedings 17, 1993, 97â&#x20AC;&#x201C;110.

4. Celemony Melodyne â&#x20AC;&#x201C; official website, http://www.celemony. com (accessed 20 Oct. 12).

5. Celemony Melodyne promoting videos, http://www.celemony. com/cms/index.php?id=videos (accessed 20 Feb. 13).

6. Daley D., Vocal Fixes: Modern Vocal Processing in Practise, â&#x20AC;&#x153;Sound on Soundâ&#x20AC;?, 2003â&#x20AC;&#x201C;2010.

7. DziubiĹ&#x201E;ski M., Kostek B., Octave error immune an instantaneous pitch detection algorithm, â&#x20AC;&#x153;Journal of New Music Researchâ&#x20AC;?, Vol. 34, No. 3, 2005, 273-292, DOI: 10.1080/09298210500235301.

8. Gerhard D., Pitch extraction and fundamental frequency: History and current techniques, Tech. Report, Dept. of Computer Science, Univ. of Regina, 2003.

9. Laroche J., Dolson M., New phase-vocoder techniques for pitch-shifting, harmonizing and other exotic effects, IEEE Conf. on Applications of Sign. Proc. for Audio and Acoustics, New York, 1999, DOI: 10.1109/ASPAA.1999.810857.

10. Lech M., Application for Automatic Detection and Correction of Detuned Singing, Master Thesis at Multimedia Department, Faculty of Electronics, Telecommunications and Informatics, GdaĹ&#x201E;sk University of Technology, 2007 (in Polish).

11. Lerch A., An Introduction to Audio Content Analysis: Applications in Signal Processing and Music Informatics, WileyIEEE Press, 2012.

12. Love R., Set Your Voice Free: How To Get The Singing Or Speaking Voice You Want, Little, Brown and Company/ Hachette Book Group, New York, 1999.

13. Meek C., Birmingham W., Johnny canâ&#x20AC;&#x2122;t sing: a comprehensive error model for sung music queries, Proc. of International Symposium on Music Information Retrieval, 2002, 124â&#x20AC;&#x201C;132.

14. Pardo B., Finding Structure in Audio for Music Information Retrieval, â&#x20AC;&#x153;IEEE Signal Processing Magazineâ&#x20AC;?, Vol. 23, No. 3, 2006, 126â&#x20AC;&#x201C;132, DOI: 10.1109/MSP.2006.1628889.

15. Pilch M., Toporowski M., Dawne temperacje. Podstawy akustyczne i praktyczne wykorzystanie. Akademia Muzyczna im. Karola Szymanowskiego w Katowicach, Katowice, 2014 (in Polish).

16. Pechelt L., Typke R., An interface for melody input, â&#x20AC;&#x153;ACM Transactions on Computer-Human Interactionâ&#x20AC;?, Vol. 8, No. 2, 2001, 133â&#x2C6;&#x2019;149, DOI: 10.1145/376929.376978.

17. PĂłĹ&#x201A;rolniczak E., Ĺ azoryszczak M., Quality assessment of intonation of choir singers using F0 and trend lines for singing sequence, â&#x20AC;&#x153;Metody Informatyki Stosowanejâ&#x20AC;?, PAN, Nr 4, 2011, 259â&#x20AC;&#x201C;268.

18. Ramirez J., Segura J., Benitez C., de la Torre A., Rubio A., Efficient voice activity detection algorithms using longterm speech information, Speech Communication, Vol. 42, No. 3â&#x20AC;&#x201C;4, 2004, 271â&#x20AC;&#x201C;287, DOI: 10.1016/j.specom.2003.10.002.

19. Serato Pitch â&#x20AC;&#x2122;Nâ&#x20AC;&#x2122; Time Pro â&#x20AC;&#x201C; official website, http://www. serato.com/products/pnt/ (accessed 20 Oct. 12).

20. Stasiak B., Follow That Tune â&#x20AC;&#x201C; Adaptive Approach to DTWbased Query-by-Humming System, â&#x20AC;&#x153;Archives of Acousticsâ&#x20AC;?, Vol. 39, No. 4, 2014, 467â&#x20AC;&#x201C;476, DOI: 10.2478/aoa-2014-0050.

21. Wiszniewska M., Realization of a computer application automatically correcting detuned singing, Master Thesis at Multimedia Department, Faculty of Electronics, Telecommunications and Informatics, GdaĹ&#x201E;sk University of Technology, 2013.

22. Yu H.-M., Tsai W.-H., Wang H.-M., A Query-By-Singing System for Retrieving Karaoke Music, â&#x20AC;&#x153;IEEE Transactions on Multimediaâ&#x20AC;?, Vol. 10, No. 8, 2008, 1626â&#x20AC;&#x201C;1637, DOI: 10.1109/TMM.2008.2007345.

23. ZieliĹ&#x201E;ski T., Cyfrowe przetwarzanie sygnaĹ&#x201A;Ăłw. Od teorii do zastosowaĹ&#x201E;, WKiĹ , Warszawa 2009 (in Polish).

24. ZĂślzer U., DAFX. Digital Audio Effects, Wiley, New York 2005.

25. Ĺťwan P., Automatic singing quality recognition employing artificial neural networks, â&#x20AC;&#x153;Archives of Acousticsâ&#x20AC;?, Vol. 33, No. 1, 2008, 65â&#x20AC;&#x201C;71.

29

Application for The Automatic Pitch Detection and Correction of Detuned Singing

L ! ;

)

ArtykuĹ&#x201A; opisuje aplikacjÄ&#x2122; sĹ&#x201A;uĹźÄ&#x2026;cÄ&#x2026; do automatycznej detekcji i korekcji faĹ&#x201A;szu w Ĺ&#x203A;piewie. W kolejnych krokach przedstawione sÄ&#x2026; obserwacje stanowiÄ&#x2026;ce podstawÄ&#x2122; pracy, zaĹ&#x201A;oĹźenia, ograniczenia, perspektywy oraz wykorzystane algorytmy. SzczegĂłĹ&#x201A;owy opis dotyczy przeprowadzonych eksperymentĂłw i uzyskanych wynikĂłw. Ostatnia czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;Ä&#x2021; poĹ&#x203A;wiÄ&#x2122;cona jest dyskusji na temat nowych moĹźliwoĹ&#x203A;ci odkrytych podczas badaĹ&#x201E; oraz kierunkĂłw dalszych prac. ( U ; ; N !

#' 1 $ ) ! ) $! ( ; $ A O ) ?

0 !! F+%,+G & ! F+%,#G < " ; 0 ) A $

? ? ) ) ; V W /X X Y $ I ! ! ) ; ! ! A ; ) !! ) $ I !A ; ) ! ; ) )$

30

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 20, Nr 1/2016, 31â&#x20AC;&#x201C;36, DOI: 10.14313/PAR_219/31

; & 8L) ! ; S ; 0 !

Janusz Madejski T B ' & 0 ) > & = > P O ! $ M ) ,H @@8,%% <

Abstract: The article discusses the possibility of implementation of the currently available solutions with software agents in transport, focusing on applications for planning transport systems, control, monitoring and analysis of the state of the superstructure and potential applications to the planning of the maintenance tasks.

3 U Z ) ! 8 ) ! ! )

V& 2

Transportation systems are composed of a multitude of interrelated entities which may be assigned to many various classes (means of transportation, passengers, elements of the permanent way, maintenance tasks and many others). All of them interact with a dynamically changing environment. Controlling such systems has been done, to date, by human staff. However, more and more often, automation replaces humans with their experience, knowledge, ability to react to the unexpected events â&#x20AC;&#x201C; yet also being prone to getting tired, sleepy, ill, intoxicated, to mention only but a few of their weak points.

Agent-based systems are particularly suited to take over tasks like decentralized decision making, monitoring, localglobal interactions, self-organization, emergence and consequences of heterogeneity in their environment.

An agentâ&#x20AC;&#x2122;s complexity can range from a simple sensing agent that reacts to its environment only but has no memory and no model of other agents, all the way up to full human capabilities. Actual implementations add at least memory to sensing capability, making it possible to the agent to maintain its local state. The next level of sophistication is self-consciousness, in which each agent knows of the existence of other agents distinct from itself, and thus can carry on simple communication.

A social agent goes a step further and models other agentsâ&#x20AC;&#x2122; states, goals, and plans. Even higher capabilities include such functions as making commitments to one another, planning tasks and learning from experience. In industry, more complex functions are usually provided by using artificial agents as an interface for a human operator, to whom they furnish information and from whom they take commands.

The real life heterogeneous environment is composed of agents which may be either humans or software agents. In

( U \ & $! ( $ (

,,$%,$+%,. $ ,D$%+$+%,. $

!! " #$%

some cases the software agent may represent a physical object, e.g., a passenger deciding whether to take a bus or go by car or else a locomotive scheduled for maintenance which intervenes with the maintenance centre to have its overhaul date and scope confirmed. Agent systems may be used either in the transportation system design, to decide its topology and types of connections, and for running the real life systems, in which human and software agents carry out their tasks fully interacting with each other.

Many contemporary industrial or business applications, designed as centralized software systems are not as efficient as distributed societies of relatively simpler software agents.

For example, to compete effectively in todayâ&#x20AC;&#x2122;s rapidly changing environment, companies must be able to design, implement, reconfigure, resize, and maintain their resources without delay and inexpensively.

As mentioned above, the multi-agent systems may consist of both human and software agents. Therefore, solving the communication problem between these two types of agents is the key issue. Nowadays, such interactions are still a weak point as regards the scope of topics and vocabulary involved. Even in the case of tasks which may be delegated either to a human agent or the software one, e.g., checking the completeness of the railway car suspension overhaul, humans still outshine their eventual software counterparts.

Therefore, the more efficient human â&#x20AC;&#x201C; software agent communication would let the software agents ask humans for advice. This way, the software agents may be simpler, easier to develop and debug, which would make them more reliable.

Thanks to such approach, even a small human intervention may completely change the way the software agent deals with its problem, enabling the software agent or an automated system to cope with the situation too complicated for it. In the predictable environment, like metro systems, the driverless trains have appeared long ago â&#x20AC;&#x201C; London Undergroundâ&#x20AC;&#x2122;s Victoria line was opened in 1967 yet with the driver in the cab, taking care of door closing, obstacle detection in front of the train and handling the emergency situations. In a stateof-the-art system like the Barcelona Metro line 10 (Grade of Automation 4), trains are capable of operating automatically, and the on-board staff are not required for safe operation [17].

Such human support or backup has made the development of the self-driving cars and mot probably they will be intro-

31

Potential of Multi-Agent Systems for Operation of Transportation Systems

duced to the consumer market by 2020. Googleâ&#x20AC;&#x2122;s self-driving cars have now driven nearly two million miles with only 11 minor accidents, most of them caused by human error, while making 10,000â&#x20AC;&#x201C;15,000 autonomous miles per week on public streets [6]. The self-driving cars may significantly reduce the number of cars on the road. Singaporeâ&#x20AC;&#x2122;s Land Transportation Authority predicted that fleets of self-driving cars could reduce the number of cars on the road by around 80 percent [13]. Introduction of the mass transit systems is considered, composed of two layers: â&#x2C6;&#x2019; network of big vehicles, like trains or buses for the long-distance trips, â&#x2C6;&#x2019; and the fleet of the self-driving cars for short, individually requested rides or picking passengers from hubs [1, 4].

We will discuss below agents which may be either simple devices for acquiring huge amounts of data, software agents, multi-agent systems and the issue of humans â&#x20AC;&#x201C; agents cooperation.

â&#x2C6;&#x2019; Goal: the agent can seek goals, compare results and modify their behaviors in the future.

While the agents programmed by humans have behavioral rules and algorithms programmed by a researcher, independent agents are governed by rules generated by computers, bringing results of greater magnitude and often unexpected [1â&#x20AC;&#x201C;3, 14].

As an ideal, we would like to build our models around agents whose rationality is limited in the same way that human rationality and whose decision-making behavior to replicate or move closer to the behavior human decision making.

Meeting the real-time reaction requirement calls for a twolevel approach. The need to reach a solution in real time does not allow lengthy deliberation process which calls for pre-compiled procedures and contingency plans to be carried out whenever required. There are two different approaches to agent design, depending on their types. There are the physical and functional decomposition approaches. The physical decomposition is used for development of agents, representing the physical entities, like workers, machine tools, tools, fixtures, or products, etc. The functional decomposition approach is used when agents are assigned to some functions, like product distribution, transport management, order acquisition, scheduling, material handling, etc. Development of the multi-agent systems requires taking into account the particular features of the two above mentioned approaches.

Each agent is close to the real world, so the overall system behavior is controlled by local decisions, the system reacts to environmental noise, removal or addition of agents. The software for each agent is much shorter and simpler than would be required for a centralised approach and resultingly is easier to write, debug, and maintain.

The main point of the MAS is to augment, rather than replace, the human operator. In some cases, humans function as peer agents, rather than just as operators. That is, other agents do not distinguish between interactions with humans and interactions with artificial agents.

Computer-supported collaborative work (CSCW) uses computer technology to integrate communities of humans and adding artificial agents. Either artificial agents can be made so intelligent that people come to view them as peers, or people can be represented in the network by artificial agents that make them look to other agents like computers.

X& ( $ Development of any agents requires adopting their behavioral structure. Agents can be described as having the following characteristics [3, 5, 15]: â&#x2C6;&#x2019; Perception: the agent perceives the environment and is aware of presence of other agents in the vicinity; â&#x2C6;&#x2019; Performance: the agent has a set of behaviors and can act accordingly communicating with other agents and performing actions; â&#x2C6;&#x2019; Memory: the agents have memory with results of actions and former states; â&#x2C6;&#x2019; Rules: the agents must have a set of rules (designed by their developers or generated automatically), heuristics and strategies, determining their behaviors which may be dependent on their past actions and their characteristics.

Development of the relevant systems calls for collecting the experience gathered to date in the system operated by human â&#x20AC;&#x2DC;agentsâ&#x20AC;&#x2122;. Such knowledge base may be used to replicate the behavior of the system controlled by such operators. The event-oriented fuzzy models developed that way, represent single agents which â&#x20AC;&#x201C; when needed â&#x20AC;&#x201C; should be able to solve problems jointly, should they exceed the capacity of a single agent. Therefore, negotiation skills are needed which lead either to a delegation of a task to a single agent or to setting up an ad-hoc task group to handle the problem.

X&X& ) x( $ {)($| * 5

Transportation systems are composed of a big number of objects. Therefore, development of the multi-agent systems should ensure implementation of the following principles [5, 9, 11], to name but a few: â&#x2C6;&#x2019; Functional heterogeneity: the agent architecture must respect the heterogeneity of capabilities found in the physical system with which they have to interact, be they stochastic or deterministic processes; â&#x2C6;&#x2019; Interaction: the agent architecture must be capable of carrying out agent to agent communication; â&#x2C6;&#x2019; Scope of physical agents: the agentsâ&#x20AC;&#x2122; scope and boundaries should be aligned with their corresponding physical resources if any; â&#x2C6;&#x2019; Temporal scope of execution agent: the characteristic frequencies in the physical system model must be controlled by a dedicated execution agent which has to be able to make decisions much faster than the fastest characteristic frequency; â&#x2C6;&#x2019; Temporal scope of coordination agent: a dedicated coordination agent may not take decisions faster than about an

X&V& ( ` % .

The key features of the agentsâ&#x20AC;&#x2122; behavior which can range from simple rules to, e.g., neural networks, genetic programming, and other AI methods [12, 14â&#x20AC;&#x201C;16]: â&#x2C6;&#x2019; Modularity: the agent must be easily identifiable; â&#x2C6;&#x2019; Autonomy: an agent should be autonomous and self-directed, should work independently of the environment and have behaviors influenced by their perceptions also by information obtained through interaction with other agents; â&#x2C6;&#x2019; State: the agent has a state that varies with time and represents the main variables associated with the temporary situation; â&#x2C6;&#x2019; Sociability: the agent is social, with dynamic interaction between the other agents being capable of influencing their behavior and recognizing and distinguish their features; â&#x2C6;&#x2019; Adaptivity: the agent should have rules or mechanisms modifying their behavior. Such approach may lead to selection of the fittest and elimination of less useful agents;

32

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Janusz Madejski

order of magnitude slower than the slowest characteristic frequency in the physical system model â&#x20AC;&#x201C; to maintain the system stability.

The programming model required for simulation of the agent based systems may take various forms. The most direct way is to use a programming language, object-oriented generally, such Java, C++ or Visual Basic. One can also use libraries like Swarm, Repast, Mason or NetLogo [1, 2].

The modeling of the decisions associated with transportation is not limited to the choice of the possible transportation means (car or bus for example) but may also include a variety of choices. These include whether or not to make the trip, where and when one would travel and which route to take.

The choice can take into account possession or not of a private vehicle, place of residence, place of work, or parking locations.

Z& (

The continuous increase o the number of vehicles resulting in the significant growth of the traffic flows volume results in economic losses caused by the traffic congestions. In consequence, urban road traffic management has become an increasingly important task. Therefore, strategies to guide traffic flows are essential to avoid losses for the local economy. For a variety of reasons, qualitatively new situation emerges in urban areas, encompassing: â&#x2C6;&#x2019; Huge volume of unstructured data arriving continuously within short time periods that has to be processed, in most cases, in real time. â&#x2C6;&#x2019; The number and complexity of control devices that can be acted upon increases constantly, some of their types are mentioned below. â&#x2C6;&#x2019; The number of simultaneous traffic problems increases while the time frame for working out the signalling features changes is getting shorter.

The tasks which could be delegated to software agents include processing of the continuous and voluminous stream of data coming from a number of sources. The same pertains to taking decisions regarding traffic control and generating messages for drivers. Some possible examples include: â&#x2C6;&#x2019; Routine control of certain problematic areas using TV cameras. They are especially useful to assess automatically any unusual and emergency situations. â&#x2C6;&#x2019; Sensors are installed in strategic parts of the transportation network and generate a continuous flow of numerical data about traffic conditions at a certain point. There are different types of sensors with different costs and capabilities. One of the classical sensors type is a loop detector that usually provides information about speed (mean velocity of the vehicles detected by the sensor), flow (average number of vehicles that pass through a certain road section per time unit) and occupancy (the average duration when the vehicles are spotted by the sensor). â&#x2C6;&#x2019; Variable message signs (VMS) â&#x20AC;&#x201C; VMS allow influencing traffic behavior by dynamically setting, modifying or deleting traffic signals. The most advanced VMS are panels that are installed on the road allow displaying arbitrary messages that inform drivers about the network situation downstream. In addition to this, they can show pictograms and traffic signs, thereby announcing warnings, speed limits, prohibitions to overtake, etc. Older types of VMS support just a small collection of different traffic signs or constrain the set of messages that can be displayed due to technical limitations. â&#x2C6;&#x2019; Traffic lights control access of vehicles to certain parts of a road network, especially to road crossings. The traffic light signaling features can be controlled: e.g., the relative amount of green time may be increased or decreased, the overall length of a cycle can be changed. Traffic lights that may be positioned on the entry ramps of highways enable the traffic controller to regulate the amount of vehicles entering the highway. These decisions can be taken by agents and advised to the drivers.

Z&V& + 5 )

The study of the demand for transport is a multidisciplinary field of study that it involves sectors of the social sciences as well as of engineering. Urban mobility is a recurring theme in political discussions and often it is included among the greatest challenges of urban planning. Application of computational agent-based models may help to circumvent the constant inefficiency of the traditional approach to the study of this problem. Planning of transport infrastructure calls for determining how it would be used, depending on prices and operational policies.

A simple approach might use agents having, e.g., two choices, either car or bus, and two departure times. The test results of a multi-agent model showed convergence to equilibrium after a few rounds of interaction [1]. Such model may, therefore, identify how, from the variables chosen, the consumer decides between one or the other alternative trip. The modelling of the decisions associated with transportation is not limited to the choice between either modal (car or bus for example) but may include a variety choices. Among the other choices traditionally found in the literature are the choice of whether or not to make the trip, where and when to travel and which route to take.

The aim of the simulation-based agents is to enrich understanding of important processes that repeatedly appear in social studies, and not necessarily seeks to obtain an accurate representation of some empirical evidence.

Assessing whether a project is feasible, it is necessary to have a measure of benefits it produces. Such estimates are best made by modelling the planned transport system as the multi-agent system. All passengers, vehicles, are represented by agents while nodes of the connection graph refer to the particular bus/metro stops/stations which may have varying importance depending on points of interest in the vicinity. As for the demand study, three objectives of transport planning have to be satisfied [1, 3, 12]: â&#x2C6;&#x2019; Fine adjustment of taxes and tariffs of urban transport, like toll, bus fare, parking, etc. within budget constraints, and also to maximize the social benefit; â&#x2C6;&#x2019; Estimation of the benefits of alternative designs of urban transport; â&#x2C6;&#x2019; Simulation of the urban economy and prediction of the future transportation needs.

Such analysis, possible with a simulation of the MAS representing the planned transportation system should take into account such features like transportation meansâ&#x20AC;&#x2122; frequency, destination, travel time or ticket price, and also or its consumers description (e.g., sex, income, preferences). The total transportation demand in a city can be related to its geographical features (e.g., as a proportion of hilly areas, rivers), the amount of industry and households, the average cost of bus fare, costs alternative models of transport, quality of service.

Z&X& + 6

33

Potential of Multi-Agent Systems for Operation of Transportation Systems

[& 5 6

)

way a number of units carried on board of the in-service vehicles provide automatically valuable diagnostic data which can be analysed by the diagnostic software agents continuously browsing the diagnostic results database.

Standard inspections of the main railway lines in the main tracks, in good condition of the superstructure and substructure, should be carried out not less than twice a week and of the others once a week. The track inspection for the visual control of the infrastructure elements â&#x20AC;&#x201C; no more than 16 km â&#x20AC;&#x201C; should be performed, with few exceptions, during the statutory nominal work time.

In the case of tracks, one must pay attention to the permanent way defects and track deformations. It should be observed in particular that there are no broken rails or fish plates if welds have no visible damages (scratches, cracks).

Also, one should check that there is no dangerous development of a defect in the areas marked during the NDT examination, scheduled for observation and whether the condition of rails fixing elements are not missing and are in good condition.

The mentioned requirements arising out of the relevant provisions result that the inspection is very labor intensive and can be carried out only with the good visibility.

It is for this reason that in recent years more and more railway infrastructure operators decide to implement the state-of-the-art video inspection systems. This is due mainly to the increasing railway or metro infrastructure load and, therefore, to the significant deterioration of the safety of staff on tracks and carrying out their standard inspections. Another important reason is the striving to reduce the infrastructure maintenance cost.

The video systems inspection allow to record the infrastructure condition during the passage of a train and then to carry out inspections of the track in the office. Such an approach is equivalent to the standard inspections, except that the train can record data at high speeds, without disturbing the typical traffic of trains and without affecting the railway line safety systems. Collecting the results by the inspection train and subsequent image processing in the office makes the inspection much more efficient and eliminates the need to maintain a significant amount of staff in the infrastructure.

Most of the inspection data, be it track and turnout geometry readings, and video inspection information can be analysed automatically by the dedicated agents. The goal is to focus the diagnostic engineersâ&#x20AC;&#x2122; attention on the detected problems, relieving them from the tedious task of sifting through voluminous data. Examples of problems that may be detected by such agents include, among others: â&#x2C6;&#x2019; Exceedings of values of the track and turnout geometrical parameters; â&#x2C6;&#x2019; Potentially hazardous occurrences of apparently unharmful values of parameters, yet which together may reduce safety of operation; â&#x2C6;&#x2019; Determining locations in the track network where its geometrical parameters deterioration trend is either bigger than in other similar locations, or has just begun growing; â&#x2C6;&#x2019; Generation of reviews of staff annotations to track defects made during the selected period, e.g., last shift; â&#x2C6;&#x2019; Image processing to detect problems with rail fixtures, e.g., missing elements; â&#x2C6;&#x2019; Image processing to detect rail head defects.

Sometimes one may use agents being the hardware/software units providing useful diagnostic data. A good example is the Macminder system that makes the unattended monitoring possible of vehicle ride performance and track conditions on board of the in-service trains, eliminating the need for track possession [7]. Special annotation overlays and reporting procedures can be applied to provide instantaneous results. This

34

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

^& 5 5 )

8

Development of the agents for each of the tasks/devices begins with understanding the requirements regarding the permanent way maintenance and repair tasks. This can be done by interviewing the operators to understand what aspects were important to carry out their jobs and control the quality.

Working out a list of requirements with their importance ranks makes it possible to come up with the proposed solutions. Only now assigning functionality to planned agents in the system is possible. The next step is to modify the behaviors of the agents so that the overall behavior of the whole system would be as desired. At the early stage of adoption of the agent-based systems, it is recommended that they do not control any devices directly, but recommend certain actions to the human operator. Such approach minimises the risk of possible damage to the equipment and should be taken because of the general safety concerns.

Let us limit our considerations to maintenance and repairs of the permanent way only here. The standard maintenance static scheduling may solve the problem and provide the suboptimal schedule, yet the impractical one, because of the mostly unrealistic assumptions. This is because the real systems are complex and dynamic with a big number of events and processes, with many organisational levels, and subject to random disturbances [8]. One may name some of these disturbances like new orders which may come based on permanent way inspection on a previous night, those queued already may be cancelled; some jobs may become more or less important with time, according to the dynamic priority rules. Moreover, some resources may temporarily become unavailable as deliveries may be delayed, raw materials may be depleted, tools may not be available for some reasons, to name but a few of them: staff may be absent, equipment service life may be reduced due to poor quality or misuse, and many others.

Therefore, the real-time control is needed, as all decisions have to be made based on the current state of the available resources. The artificial software agents may take over the maintenance process scheduling which consists of allocating and timing the manufacturing system resources to complete the queued jobs within the timeframe allowed using the desired criteria [10].

_& 6

Nowadays, the greatest challenges faced by any potential user of the multi-agent technologies are mostly social and organizational, and not technical. The main issues include: â&#x2C6;&#x2019; Dramatic changes of the role and importance of staff carrying out scheduling and working with the Management Information Systems. Staff in these areas may treat the new technology as a direct threat to their jobs unless their reservations are discussed openly. â&#x2C6;&#x2019; Machine operators tend to treat their equipment as tools rather than â&#x20AC;&#x2DC;partnersâ&#x20AC;&#x2122;. Direct cooperation with agents may require careful implementation planning of such work organization, taking into account customs of the staff. â&#x2C6;&#x2019; The problem of responsibility of the agent malfunctioning should be analyzed, as usually the programmer is to blame,

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Janusz Madejski

yet in certain systems, he or she may not be aware what rules would be generated by the system, controlling the agentsâ&#x20AC;&#x2122; behaviors. This problem may become even more complex in multi-agent systems which negotiate independently which one would accept the tasks, and how it would sometimes be done with a group of agents, in many cases created ad-hoc at some location. â&#x2C6;&#x2019; One should bear in mind that adoption of agents may not yield systems reliable enough in many areas, which will require their close supervision and analysis â&#x20AC;&#x201C; maybe by other agents. â&#x2C6;&#x2019; Implementation of the agents always calls for combining them with the legacy control systems to eliminate the need for extra expenditures and development of hardware and communication network. â&#x2C6;&#x2019; Creating and maintaining agent systems easier benefits significantly from the introduction of an agent framework and development environment.

The technology to develop and implement the agent- based systems is available to-date, meeting all requirements â&#x20AC;&#x201C; from traffic planning, through its control, diagnostics, and maintenance. The issue remains how this technology, potentially reducing the number of jobs will be perceived by the society.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

`

% 12.

1.

2.

3.

4.

5.

Avancini D.P., da Silveira J.J., Demanda por transporte rodoviĂĄrio urbano: um modelo computacional baseado em agentes, Paper published at Universidade Federal de Santa Catarina, Centro SĂłcio-EconĂ´mico, Departamento de Ciencias EconĂ´micas, FlorianĂłpolis, 2013, [http://www.anp ec.org.br/sul/2013/submissao/ files_I/i3-89c87c96b985313f1e62eb2ef25625f3.pdf].

Axelrod R., Advancing the art of simulation in the social sciences. â&#x20AC;&#x153;Journal of the Japanese Society for Management Information Systemsâ&#x20AC;?, Vol. 12, December 2005 [http://www-personal.umich.edu/Ë&#x153;axe/research/ AdvancingArtofSim.pdf].

Bandini S., Manzoni S., Vizzari G., Agent Based Modeling and Simulation: An Informatics Perspective. â&#x20AC;&#x153;Journal of Artificial Societies and Social Simulationâ&#x20AC;?, 12(4)4, 2009, [http://jasss.soc.surrey.ac.uk/12/4/4.html].

Brynjolfsson E., McAfe A., Will Humans Go the Way of Horses?, â&#x20AC;&#x153;Foreign Afairsâ&#x20AC;?, July/August 2015, 8â&#x20AC;&#x201C;14.

Farid A.M., Designing Multi-agent Systems for Resilient Engineering Systems, 7th International Conference,

13.

14.

15.

16.

17.

HoloMAS 2015 Valencia, Spain, September 2-3, 2015, [in:] Marik V., Schirrmann A., Trentesaux D., Vrba P. (Eds.) Industrial Applications of Holonic and Multi-Agent Systems, Proceedings, Springer, 2015, 3â&#x20AC;&#x201C;10.

Google Self-Driving Car Project, Monthly Report â&#x20AC;&#x201C; September 2015, [https://static.googleusercontent.com/ media/www.google.com/en//selfdrivingcar/files/reports/ report-0915.pdf].

Macminder â&#x20AC;&#x201C; Donfabs & Consillia Limited, [http://www. trackgeometry.co.uk/vehicle_monitoring.htm].

Madejski J., Dynamic scheduling for agent based manufacturing systems, Proceedings of the 15 th International Scientific Conference AMME 2010, GliwiceZakopane, June 2010.

Madejski J., Persistent Agents Behaviour in Diverse Situations, AMME 2013, KrakĂłw, June 2013, Ed. by L.A. DobrzaĹ&#x201E;ski. Gliwice: International OCSCO World Press, 2013, 126â&#x20AC;&#x201C;127.

Marik V., Vrba P., Hall K.H., Maturana F., Rockwell Automation Agents for Manufacturing, Proceedings of AAMAS 05 â&#x20AC;&#x201C; 4th International Joint Conference on Autonomous Agents and Multiagent Systems, Utrecht University, 25-29 July, 2005, 107â&#x20AC;&#x201C;113.

MČ&#x2022;ller J., The Design of Intelligent Agents, Springer, 1996.

Ossowski S., Coordination in Artificial Agent Societies Structure and Its Implications for Autonomous ProblemSolving Agents, Springer, 1999.

Rus D., The Robots Are Coming, â&#x20AC;&#x153;Foreign Affairsâ&#x20AC;?, July/ August 2015, 2â&#x20AC;&#x201C;7.

Shu-Heng Chen, Varieties of agents in agentbased computational economics: A historical and an interdisciplinary perspective, Elsevier, â&#x20AC;&#x153;Journal of Economic Dynamics and Controlâ&#x20AC;?, Vol. 36. Issue 1.

January 2012, 1â&#x20AC;&#x201C;25.

Tecuci G., Building Intelligent Agents, Academic Press, San Diego, 1998.

Telles do Carmo B.B., Eddine M.J., Bandeira de Melo P., The collaboration strategy to improve the quality of a public transportation system: an application using the agent-based simulation with Netlogo, Proceedings of ANPET â&#x20AC;&#x201C; 28th Congresso de Pesquisa e Ensino em Transportes, Curitiba (Brazil) 24â&#x20AC;&#x201C;28 November 2014. [https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_automated_ urban_metro_subway_systems].

!= ) ! ) Streszczenie: W artykule omĂłwiono moĹźliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; zastosowania dostÄ&#x2122;pnych obecnie rozwiÄ&#x2026;zaĹ&#x201E; z agentami programowymi w transporcie, koncentrujÄ&#x2026;c siÄ&#x2122; na zastosowaniach do planowania systemĂłw transportowych, sterowania nimi, monitorowania i analizy stanu nawierzchni kolejowej, a takĹźe moĹźliwymi zastosowaniami do planowania prac utrzymaniowych. ( U ) ) ! ! ) !

35

Potential of Multi-Agent Systems for Operation of Transportation Systems

Janusz Madejski, PhD $! ( $ < ,DE@ " 8 ; 0 ) < R ! ) & 0 0 & ? ) 8 )] ; ? ) ) R J L ! K A ; > 8 0 ) " 8 < ,DH+$ L ; / ; & ? ) ) 8 0 ) " < ]

; ? ) ) 0 ) <KL' R Y & ! ! $ $ $ < 8 ] / ] & !A ; > L ! ; !! ; ?0KL ; $ & !A ; > ; ? 8 ? ? ) L ; & ? ) 0 F ; ?J ^ 8 ; 0 8 O ,DH.R,DHD ,DHHG L ; 0 F ; O A ,DDDR+%%-G M ; ? ) 8 $ L ; ,% ! ] ; ,@% A $

36

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 20, Nr 1/2016, 37â&#x20AC;&#x201C;46, DOI: 10.14313/PAR_219/37

K A ! KS&LU Krzysztof Mianowski ' ' & ? ) Y > 0 Y & $ U +@ %%8..- '

Karsten Berns 0 " M / A > ; ! L< K A !

Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki badaĹ&#x201E; i efekty prac nad prototypem robota humanoidalnego ROMAN, ktĂłre sÄ&#x2026; prowadzone w ostatnich latach na Uniwersytecie Technicznym w Kaiserslautern w Niemczech. Zaprojektowano, skonstruowano i wykonano prototyp kompaktowego, lekkiego i taniego robota humanoidalnego. Robot moĹźe wyraĹźaÄ&#x2021; emocje w sposĂłb werbalny jak i niewerbalny gestykulujÄ&#x2026;c rÄ&#x2122;kami, wykonujÄ&#x2026;c ruchy gĹ&#x201A;owÄ&#x2026; i zmieniajÄ&#x2026;c wyraz twarzy. PoniewaĹź robot zostaĹ&#x201A; zbudowany w sposĂłb wiernie naĹ&#x203A;ladujÄ&#x2026;cy czĹ&#x201A;owieka i wyposaĹźony w czujniki odpowiadajÄ&#x2026;ce naturalnym zmysĹ&#x201A;om czĹ&#x201A;owieka, wiÄ&#x2122;c sterowany komputerowo z zastosowaniem systemu pozwalajÄ&#x2026;cego na wyraĹźanie emocji, ma sĹ&#x201A;uĹźyÄ&#x2021; do badaĹ&#x201E; weryfikacyjnych dotyczÄ&#x2026;cych akceptacji dziaĹ&#x201A;ania robota w otoczeniu czĹ&#x201A;owieka. $ U A ! A A 8

1. Wprowadzenie Od pewnego czasu Ĺ&#x203A;wiat zachwyca siÄ&#x2122; nowymi zabawkami mechatronicznymi, jak japoĹ&#x201E;skie roboty HONDA i ASIMO jak teĹź wieloma innymi podobnymi do nich, ktĂłre zbudowano na ksztaĹ&#x201A;t czĹ&#x201A;owieka. W wielu oĹ&#x203A;rodkach badawczych na Ĺ&#x203A;wiecie prowadzi siÄ&#x2122; intensywne badania nad robotami humanoidalnymi przeznaczonymi m.in. do asystowania czĹ&#x201A;owiekowi w sytuacjach, w ktĂłrych zadaniem robota jest zastÄ&#x2026;pienie/ wyrÄ&#x2122;czenie go w pracy fizycznej ale teĹź pomoc w pracy intelektualnej. RozwĂłj ukĹ&#x201A;adĂłw mechanicznych, napÄ&#x2122;dowych i sterujÄ&#x2026;cych, opracowanie nowych materiaĹ&#x201A;Ăłw, oraz rozwĂłj ukĹ&#x201A;adĂłw elektronicznych, sensorycznych i komputerĂłw, w powiÄ&#x2026;zaniu z nowymi technologiami informatycznymi, pozwoliĹ&#x201A;y na realizacjÄ&#x2122; starego, skrywanego marzenia zwiÄ&#x2026;zanego z chÄ&#x2122;ciÄ&#x2026; poprawy bytu czĹ&#x201A;owieka, jakim moĹźe byÄ&#x2021; robot â&#x20AC;&#x201C; towarzysz pracy i zabawy. NiemÄ&#x2122;czÄ&#x2026;cy siÄ&#x2122; fizycznie i cierpliwy we wspomaganiu czĹ&#x201A;owieka w róşnych, nawet bardzo nietypowych sytuacjach, robot moĹźe staÄ&#x2021; siÄ&#x2122; niezastÄ&#x2026;pionym towarzyszem. Robotâ&#x20AC;&#x201C;asystent zwany teĹź robotem osobistym, jak najbardziej podobny do czĹ&#x201A;owieka, najlepiej humanoidalny, wiernie sĹ&#x201A;uĹźÄ&#x2026;cy swemu panu powinien reagowaÄ&#x2021; na swoje otoczenie i polecenia wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciciela w sposĂłb intuicyjny, mĂłc wyraĹźaÄ&#x2021; emocje i z radoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; podejmowaÄ&#x2021; zadania pomocy i towarzyszenia w zabawie. OczywiĹ&#x203A;cie wszelka dziaĹ&#x201A;alnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; takiego robota bÄ&#x2122;dzie ograniczona

( U M ; & ! (! $ $ $ (

,H$%,$+%,. $ ,%$%+$+%,. $

!! " #$%

a)

b)

Rys. 1. Robot Honda P3: a) widok ogĂłlny, b) w trakcie chodu prostego Fig. 1. Robot Honda P3: a) general view, b) walking mode

jego konstrukcjÄ&#x2026;, strukturÄ&#x2026; ukĹ&#x201A;adu kinematycznego, rodzajem uĹźytych komponentĂłw sensorycznych i ukĹ&#x201A;adĂłw wykonawczych oraz komputerĂłw i oprogramowania uĹźytego do analizy otoczenia i kontroli nad ukĹ&#x201A;adami sterowania, jednak efekt ich wspĂłĹ&#x201A;pracy obserwowany przez uĹźytkownika powinien byÄ&#x2021; odbierany i interpretowany jako podobny do efektĂłw typowej dziaĹ&#x201A;alnoĹ&#x203A;ci czĹ&#x201A;owieka w róşnych sytuacjach.

WĹ&#x203A;rĂłd aktualnie dostÄ&#x2122;pnych na rynku robotĂłw humanoidalnych najbardziej rozwiniÄ&#x2122;tymi, zdolnymi do pracy w Ĺ&#x203A;rodowisku czĹ&#x201A;owieka i do komunikacji z otoczeniem sÄ&#x2026; japoĹ&#x201E;skie roboty Honda i Asimo. Na rys. 1a pokazany jest

37

Robot humanoidalny ROMAN

kacji z małymi dziećmi). W takiej sytuacji problem komunikacji robot–człowiek nabiera szczególnego znaczenia. Dla osób starszych i chorych oraz dzieci przebywających z powodu choroby w odosobnieniu/zamknięciu, a także dzieci autystycznych, odpowiednio skonstruowany robot może skutecznie zmienić warunki ich bytu i w określonej perspektywie pomóc przełamać zaistniałe bariery komunikacji z otoczeniem. W tej sytuacji wzory komunikacji międzyludzkiej mogą stanowić dobry punkt wyjścia do prac nad polepszeniem komunikacji człowiek–robot.

Psychologowie uważają, że większość interakcji w komunikacji międzyludzkiej jest realizowana niewerbalnie. Z tego też powodu badacze–konstruktorzy robotów próbują implementować robotom humanoidalnym zarówno mechanizmy komunikacji werbalnej jak i niewerbalnej. Aplikacje takie w porównaniu z założeniami formułowanymi dla robotów typowo przemysłowych wymagają zupełnie nowych wymagań projektowo-konstrukcyjnych, np. dla robota–asystenta osobistego. Roboty takie wymagają implementacji zdolności wzajemnego oddziaływania i realizacji zachowań społecznych. Ponadto powinny mieć zaimplementowane mechanizmy rozumienia ludzkiego zachowania i pewnego rodzaju empatii pozwalające na wyrażanie w odpowiedni sposób swoich zachowań. Obecnie obserwuje się na świecie bardzo duże zainteresowanie tzw. robotami osobistymi. Roboty takie można wykorzystać w codziennym życiu przy wykonywaniu ciężkich prac lub do pomocy osobom starszym, nie w pełni sprawnym. Oba zastosowania wymagają robotów zdolnych do komunikacji z ludźmi w sposób naturalny, bez narzucania ograniczeń jedynie do komunikacji słownej i pisemnej (instruktażowej). Należy podkreślić, że dodatkowe aspekty jak gesty, mimika i ruch pełnią tutaj również bardzo istotną rolę. Aktualnie roboty nie mają możliwości komunikacji z człowiekiem w sposób naturalny. Ważną rolę komunikacji pozawerbalnej spełnia ruch szyi, oczu i górnej części ciała. Należy tu podkreślić, że bardzo trudno jest wykonać lekką, kompaktną konstrukcję np. mechanizmu oczu naturalnej wielkości z kamerami wewnątrz gałek o porównywalnych możliwościach ruchowych i odpowiedniej dynamice jak jest to u człowieka. Napędy linkowe są zazwyczaj mało precyzyjne, natomiast układy napędzane bezpośrednio lub z zastosowaniem przekładni nie osiągają niezbędnych, zakładanych parametrów, jak wysokie niezbędne przyśpieszenia, duże prędkości w przegubach i zwarta kompaktowa konstrukcja. Dotychczas stosowane tanie miniaturowe układy zawierające małe kamery internetowe o niskiej rozdzielczości generują sygnały, które nie mogą być wykorzystane w skomplikowanych algorytmach roz-

robot Honda P3 w widoku ogólnym, na rys. 1b widzimy go w trakcie typowego chodu prostego po płaskiej powierzchni.

Badania doświadczalne wykazały, że robot ten jest duży i ciężki i przy pracy na akumulatorach pokładowych nie jest w stanie pracować dłużej niż ok. 30 minut. Konstruktorzy kolejnych wersji odpowiednio zmniejszyli wymiary otrzymując w efekcie mniejszą wersję nazwaną Asimo na cześć twórcy książek science-fiction o tematyce robotowej, Izaaka Asimowa.

Na rys. 2a przedstawiono robota Asimo w widoku ogólnym [14]. Jak pokazano na rys. 2b i 2c, robot ten jest zdolny do współpracy z człowiekiem w typowym otoczeniu i do właściwych interakcji środowiskowych. Ma też wbudowane urządzenia do generowania mowy i wydawania innych dźwięków, jest więc zdolny do bezpośredniej komunikacji z człowiekiem. Natomiast głowy tych robotów są sztywnymi, pozbawionymi wyrazu pudłami z tworzywa sztucznego w których wnętrzu są ukryte kamery i inne czujniki. Roboty są wykonane z elementów metalowych pokrytych odpowiednimi estetycznymi powłokami z tworzywa sztucznego. Uwagę zwraca jednak fakt, że jest to chłodny, nieprzyjemny w dotyku plastik a wygląd zewnętrzny budzi skojarzenia z czymś sztucznym i nieprzyjaznym. Obecnie istnieje wiele podobnych rozwiązań robotów humanoidalnych opracowanych i wykonanych w warunkach laboratoryjnych, jednak Honda i Asimo są najbardziej zaawansowanymi rozwiązaniami wdrożonymi do produkcji na skalę przemysłową i istniejącymi na rynku.

Jednym z trendów związanych z projektowaniem i budową robotów do pracy w środowisku człowieka jest rozszerzanie ich możliwości komunikacji z otoczeniem o różnego rodzaju interakcje, w tym możliwość wyrażania emocji niewerbalnych.

Komunikacja międzyludzka jest oparta z jednej strony na komunikacji werbalnej, tj. na prowadzeniu rozmów, jednak w wielu sytuacjach odbywa się ona z wykorzystaniem innych środków wyrazu, jak przede wszystkim gesty wyrażane rękoma, zmiany pozycji ciała, mimika statyczna oraz mimiczna, dynamiczna zmiana wyrazu twarzy. W wypadku robotów prace nad próbami generowania emocji wyrażanych przez zmianę wyrazu “twarzy” są prowadzone przede wszystkim w Japonii, jednak najczęściej wykorzystuje się do tego celu zbiory sztucznych markerów, za pomocą których przez zmianę ich geometrii generuje się syntetyczne obrazy mające znaczenie symboliczne.

W związku z tym jakość realizowanego przekazu jest znacznie ograniczona, a w niektórych wypadkach może być krytykowana (np. przez osoby w podeszłym wieku) lub wywoływać konsternację, przerażenie lub oznaki zawodu (np. w komuni-

a)

b)

c)

Rys. 2. Robot humanoidalny ASIMO: a) widok ogólny, b) współpraca z człowiekiem, c) interakcja z otoczeniem Fig. 2. Humanoid robot ASIMO: a) general view, b) robot-human cooperation, c) interaction with environment

38

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Krzysztof Mianowski, Karsten Berns

a) b) c) d) e) f) Rys. 3. Metodyka projektowania robota ROMAN: a) oryginał, b) obraz anatomiczny z atlasu, c) schemat kinematyczny, d) projekt 3D, e) fragment prototypu, f) maska twarzy robota Fig. 3. Design methodology of the robot ROMAN: a) original, b) anatomical view from the book of anatomy, c) kinematic scheme, d) 3D design, e) the part of the prototype, f) the mask of the robot face

poznających, do wykorzystania we wspomaganiu komunikacji w sposób naturalny. Ważna jest też możliwość precyzyjnego ogniskowania układu sensorycznego w różnych wybranych, istotnych punktach wykrywanych automatycznie przez system. Głowa robota zawiera złożony system wizyjny w postaci mechanizmu oczu z kamerami i dodatkowe elementy służące do uproszczenia reakcji emocjonalnych wyrażanych przez mimikę, ruchy oczu i pozycję ciała. Zintegrowanie zarówno specjalnych sztucznych układów sensorycznych jak i komponentów tworzenia wyrazu twarzy jest problemem bardzo złożonym. Odrębną ważną cechą procesu komunikacji człowiek–robot jest prawidłowa interpretacja odruchów i wyrażanych zmianą pozycji ciała stanów emocjonalnych człowieka. Konieczna jest identyfikacja ruchów tułowia, szyi, oczu i w szczególności skóry twarzy. Prawidłowe rozpoznanie, identyfikacja i interpretacja takich ruchów z zastosowaniem układów sensorycznych jest trudnym problemem badawczym.

Oprócz konstrukcji układów mechanicznych robota, które powinny zapewnić czytelną komunikację człowiek–robot i robot–człowiek i odpowiedniego układu sensorycznego do zbierania informacji o otoczeniu, robot potrzebuje wydajnego i efektywnego układu sterowania, zapewniającego adekwatną do warunków realizowanego zadania dynamikę – jest to kolejny istotny problem naukowy. W celu realizacji naturalnych interakcji behawioralnych między człowiekiem i robotem niezbędny jest dynamiczny generator wyrażania emocji werbalno-pozawerbalnych. Do tego celu został opracowany system sterowania pozwalający na wyrażanie emocji.

X& )

Aktualnie najczęstszym sposobem zadawania sygnałów sterujących dla robota posiadającego komputer jest klawiatura i mysz. Podstawową barierą w nawiązywaniu kontaktów i realizacji interakcji człowiek-robot jest stan rozwoju i zastosowań czujników pomiarowych odbioru odpowiednich sygnałów z otoczenia robota. Przewidywane w przyszłości i planowane już obecnie nowe zastosowania robotów wymagają opracowania bardziej przemawiających do człowieka sposobów komunikacji z robotem, w sposób podobny jak w kontaktach człowiek-człowiek, tj. z wykorzystaniem podobnych mechanizmów komunikacji. Na przykład tzw. roboty osobiste powinny być zdolne do pomocy w pracach domowych i wykonywania/obsługiwania typowych prac/czynności typowych dla człowieka z wykorzy-

staniem/zastosowaniem tych samych narzędzi pomocniczych.

Niezbędne jest sterowanie/zadawanie ruchu i możliwość realizacji określonych zadań w sposób autonomiczny przez robota bez dodatkowej niezbędnej wiedzy czy specjalnych umiejętności technicznych ze strony użytkownika. Należy podkreślić, że w szczególności w stosunku do osób starszych i nie w pełni sprawnych, komunikacja z robotem powinna odbywać się w sposób wygodny i przyjazny. Dotyczy to również robotów-zabawek dla dzieci, które mogą spełniać również rolę opiekunów.

Dla komunikacji robota z człowiekiem, robot powinien dysponować możliwością odbioru i interpretacji właściwych sygnałów od partnera (człowieka lub robota) oraz możliwością reakcji na nie w odpowiedni sposób np. z wykorzystaniem mimiki twarzy, języka gestów, głosu (mowy), i pozycji ciała (mowy ciała). Pełnia tych możliwości w istotny sposób zależy od koncepcji i konstrukcji układu mechanicznego. Bardzo ważnym jest, aby robot dysponował odpowiednimi podukładami mechanicznymi, jak tułów, głowa, ręce, ale też, aby sztuczna skóra o odpowiedniej podatności, pokrywająca twarz poruszała się w odpowiedni sposób we właściwych kierunkach w celu wyrażenia zamierzonej emocji. Z drugiej strony dla właściwego sterowania robotem niezbędny jest szczegółowy model sytuacji uwzględniający sposób komunikacji z partnerem. Zagadnienie to jest aktualnie w robotyce nadal otwartym problemem badawczym.

Efektywne wprowadzenie robotów do środowiska człowieka w jego życiu codziennym w istotny sposób zależeć będzie od rozwoju takich systemów robotycznych, które w sposób kompleksowy będą zapewniały pewność działania, bezpieczeństwo i prostotę użytkowania. Planuje się, że już w najbliższej przyszłości roboty będą pomagać człowiekowi w pracy i życiu codziennym poprzez: − zastępowanie człowieka w pracy, np. przez samodzielną pracę robota w zastępstwie człowieka (większość robotów przemysłowych), − współpracę z człowiekiem, np. przez skoordynowane działanie nadążania za czynnościami człowieka, − asystowanie w wykonywaniu pracy wymagającej wspomagania, np. trzymanie lampy oświetlającej pole pracy lub kamery operacyjnej, − telemanipulację, tj. „przedłużenie rąk człowieka”, również na odległość jako urządzenia do pracy, np. przy wykonywaniu operacji chirurgicznych przez Internet.

39

Robot humanoidalny ROMAN

Wymaga to poszukiwania/rozwoju nowych koncepcji paradygmatów projektowych pozwalających na kompleksowe uwzględnienie w projekcie robota różnorodnych wymagań i warunków uwzględniających obsługiwanie przez robot zadań i problemów typowych dla człowieka. Do takich paradygmatów należy projektowanie mechatroniczne, w sposób kompleksowy wiążące ze sobą nowoczesne koncepcje rozwiązań np. wzorowanych na przyrodzie z uwzględnieniem nowoczesnych rozwiązań układów mechanicznych, napędowych, przekładniowych, przeniesienia napędu, jak też sensorycznych i w szczególności systemów i układów sterowania oraz realizowanych przez nie algorytmów sterowania, łączonych ze sobą w sposób zapewniający wysoki stopień integracji i racjonalnego przenikania się elementów składowych. Pod pojęciem przenikania się należy tutaj rozumieć nie tylko ścisłe dopasowanie geometryczne w przestrzeni ale też wszechstronne możliwe przenikanie i uzupełnianie się funkcji i zadań zarówno w zakresie pracy układu mechanicznego jak i czynności sensorycznych i funkcji sterujących, często zwielokratniające możliwości i funkcje sieci powiązań (połączeń) wewnętrznych systemu. Tworzone w ten sposób relacje wewnętrzne systemu, usytuowane często na niskim i średnim poziomie hierarchii ważności czy ogólności obsługiwanych zadań i procesów, pozwalają na racjonalizację i optymalizację sposobów pracy systemu zwiększając bezpieczeństwo i pewność jego działania a jednocześnie dzięki uproszczeniu schematów (koncepcji) połączeń wewnętrznych polepszają prostotę jego użytkowania.

Według psychologów [2] szacuje się, że ponad 50% interakcji w kontaktach międzyludzkich zachodzi niewerbalnie. Ogólny schemat postępowania przy projektowaniu i budowie robota wzorowanego na obiektach naturalnych można łatwo wytłumaczyć na podstawie przykładu konstrukcji robota ROMAN (RObot huMan interAction machiNe) [2] opracowanego i budowanego w ostatnich latach na Uniwersytecie Technicznym w Kaiserslautern (Niemcy). Schemat ten zilustrowano na rys.

3. Wzorując się na oryginale – organizmie żywym (obiekcie naturalnym) traktowanym jako wzór biologiczny (rys. 3a) oraz jego przybliżonym opisie w postaci np. szkicu z atlasu anatomicznego traktowanego jako zbiór jego podstawowych elementów składowych (funkcjonalnych) (rys. 3b), do analizy funkcji ruchowych można zastosować metodę modelowania polegającą na stworzeniu schematu kinematycznego zgodnie z procedurą schematyzacji układów kinematycznych z użyciem symboli graficznych członów i par kinematycznych. Schemat ten można przedstawić poglądowo w ten sposób, aby obrazował przybliżony kształt oryginału (rys. 3c). Taki sposób reprezentacji graficznej ułatwia identyfikację przynależności schematu do oryginału a w trakcie analizy pomaga w interpretacji wyników cząstkowych dotyczących poszczególnych fragmentów funkcjonal-

nych, co poprawia zrozumienie działania obiektu naturalnego traktowanego jako biomechanizm i stanowi punkt wyjścia do projektu robota humanoidalnego. Po podziale schematu kinematycznego na fragmenty odpowiadające podstawowym organom (ręka, noga, kręgosłup), odpowiadające im schematy analizuje się w celu dokonania niezbędnych uproszczeń a następnie projektuje się mechanizmy o uproszczonych schematach kinematycznych (modele oryginału) o właściwościach odpowiadających założeniom funkcjonalnym przyjętym w projekcie robota.

Mechanizmy te w postaci członów o odpowiednich kształtach wyposażone w układy łożyskujące, napędowe z przekładniami i układami przeniesienia napędu wraz z wbudowanymi sensorami a także układami zasilającymi i sterującymi, projektuje się aktualnie metodami 3D CAD jako zintegrowaną konstrukcję mechatroniczną o wysokich, z góry założonych właściwościach funkcjonalnych i estetycznych.

Projekt – model 3D mechanizmów robota ROMAN opracowano w systemie ProEngineer (rys. 3d). Wykonany na podstawie tego projektu fragment robota przedstawiono na rys. 3e.

Korpus robota jest zamocowany do podstawy na mechanizmie sferycznym odtwarzającym trzy stopnie swobody obrotów kręgosłupa lędźwiowego – obrót względem osi pionowej, pochylenie przód/tył i zgięcie boczne prawo/lewo. W celu skompensowania wpływu sił grawitacji na układy napędowe zastosowano tu odciążenie w postaci odpowiednich zespołów sprężyn. W blachownicowej konstrukcji korpusu wbudowano płytę główną komputera sterującego oraz stabilizowane napięciowo układy zasilające i sterowniki napędów. Głowa jest zamocowana na korpusie z zastosowaniem mechanizmu podobnego do mechanizmu zastosowanego w kręgosłupie lędźwiowym, jednak u jej nasady dodano jeden dodatkowy obrotowy stopień swobody w celu wizualnie bardziej naturalnego odtwarzania ruchów pochylania głowy do przodu/ do tyłu. Głowę robota pokryto sztuczną skórą w postaci maski z elastycznego silikonu (rys. 3f), wiernie odtworzonej z modelu naturalnego. Jako ciekawostkę należy podać, że w procesie technologicznym odtwarzania maski twarzy odpowiednio przygotowane nitki z tworzywa sztucznego – włosy rzęs ulokowano w formie w ten sposób, że imitują naturalny wygląd a jednocześnie zostały wklejone w maskę w podobny sposób, jak naturalne włosy są zagnieżdżone w skórze ludzkiej. Maska jest przymocowana do elementów czaszki i żuchwy oraz do dodatkowych ruchomych suwaków na powierzchni czaszki na tzw. rzepy w ten sposób, że podczas ruchów suwaków wymuszanych silnikami wewnątrz głowy skóra porusza się imitując zmiany wyrazu twarzy wiernie imitując wyrażanie emocji. Na rys. 4 zilustrowano przykładowe emocje generowane przez system i odtwarzane przez elastyczną skórę: a – gniew, b – wstręt, c – obawa, d – radość, e – smutek, f – podziw.

a)

d)

b)

c)

e)

f)

Rys. 4. Przykładowe emocje generowane przez system i odtwarzane przez elastyczną skórę: a – gniew, b – wstręt, c – obawa, d – radość, e – smutek, f – podziw Fig. 4. Examples of emotions generated by computer system of control and mimic by elastic, artificial skin: a – anger, b – hate, c – apprehension, d – joy, e – sadness, f – admiration

40

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Krzysztof Mianowski, Karsten Berns

Z&V& q %

a)

b)

Rys. 5. a) Rzut ogĂłlny robota androidalnego ROMAN z szyjÄ&#x2026;, oczami i czaszkÄ&#x2026;, b) sztuczna skĂłra silikonowa wyraĹźajÄ&#x2026;ca emocje (np. radoĹ&#x203A;Ä&#x2021;) Fig. 5. a) General view of android robot ROMAN with the neck, eyes and skull, b) artificial silicon skin for expression emotions (eg. the joy)

a)

b)

Rys. 6. Sztuczne oczy robota z kamerami Dragonfly i silnikami skokowymi Faulhaber Fig. 6. Artificial eyes of the robot with Dragonfly cameras and stepper motors Faulhaber

Opracowane rozwiÄ&#x2026;zanie stanowi model robota humanoidalnego pozwalajÄ&#x2026;cego na wysoce powtarzalne interakcyjne badania behawioralne kontaktĂłw robotâ&#x20AC;&#x201C;czĹ&#x201A;owiek z zakresu wyraĹźania emocji. W tym celu algorytmy sterowania robotem sÄ&#x2026; skomunikowane z programami sztucznej inteligencji.

Z& 3 %

!

GĹ&#x201A;owa humanoidalnego robota ROMAN (RObot-huMan interAction machiNe) zostaĹ&#x201A;a opracowana jako urzÄ&#x2026;dzenie testowe do badaĹ&#x201E; nad interakcjami komunikacji czĹ&#x201A;owiek-robot. Dla osiÄ&#x2026;gniÄ&#x2122;cia wysokich walorĂłw komunikacji pozawerbalnej robota, opracowano specjalne mechatroniczne zespoĹ&#x201A;y systemu, jak: tuĹ&#x201A;Ăłw, szyja, gĹ&#x201A;owa, ukĹ&#x201A;ad oczu i sztuczna skĂłra. Ponadto opracowano odpowiednie systemy sensoryczne i ukĹ&#x201A;ady sztucznej percepcji majÄ&#x2026;ce sĹ&#x201A;uĹźyÄ&#x2021; do obserwacji i identyfikacji stanĂłw emocjonalnych i intencji partnera komunikujÄ&#x2026;cego siÄ&#x2122; z robotem. W ukĹ&#x201A;adzie sterowania robotem zaimplementowano inteligentny system komunikacji werbalnej i pozawerbalnej. Robot ROMAN zbudowany jest z szeregu podukĹ&#x201A;adĂłw.

ZespĂłĹ&#x201A; gĹ&#x201A;owy skĹ&#x201A;ada siÄ&#x2122; z wielu podzespoĹ&#x201A;Ăłw (odpowiadajÄ&#x2026;cych koĹ&#x203A;ciom czaszki) i zawiera obudowÄ&#x2122; czaszki, szczÄ&#x2122;kÄ&#x2122; dolnÄ&#x2026;, szyjÄ&#x2122;, ukĹ&#x201A;ady napÄ&#x2122;dowe i mechanizm sztucznych oczu a takĹźe silikonowÄ&#x2026; maskÄ&#x2122; elastycznÄ&#x2026; imitujÄ&#x2026;cÄ&#x2026; naturalnÄ&#x2026; skĂłrÄ&#x2122;.

Na powierzchni wewnÄ&#x2122;trznej skĂłry, w odpowiednich miejscach okreĹ&#x203A;lonych przez Ekmana doklejono 8 pĹ&#x201A;ytek metalowych o odpowiednim ksztaĹ&#x201A;cie z uchwytami dla linek napÄ&#x2122;dzajÄ&#x2026;cych, co pozwala poruszaÄ&#x2021; skĂłrÄ&#x2026; dla wyraĹźania emocji twarzy.

Do realizacji napÄ&#x2122;du zastosowano 10 miniaturowych serwomechanizmĂłw napinajÄ&#x2026;cych lub luzujÄ&#x2026;cych stalowe linki/ciÄ&#x2122;gĹ&#x201A;a. RĂłwnieĹź do napÄ&#x2122;du otwierania/zamykania szczÄ&#x2122;ki dolnej zastosowano serwomechanizm elektryczny.

Na rys. 6 przedstawiono prototyp mechanizmu oczu, ktĂłry jest wykonany w caĹ&#x201A;oĹ&#x203A;ci z tworzyw sztucznych zapewniajÄ&#x2026;cych maĹ&#x201A;Ä&#x2026; masÄ&#x2122;. KompaktowoĹ&#x203A;Ä&#x2021; rozwiÄ&#x2026;zania pozwala na bezpoĹ&#x203A;rednie zintegrowanie podzespoĹ&#x201A;u z konstrukcjÄ&#x2026; gĹ&#x201A;owy w ograniczonym obszarze przestrzeni wewnÄ&#x2026;trz gĹ&#x201A;owy robota. GaĹ&#x201A;ki oczne mogÄ&#x2026; poruszaÄ&#x2021; siÄ&#x2122; niezaleĹźnie gĂłra/dĂłĹ&#x201A; i prawo/lewo.

Plastikowy szkielet powieki gĂłrnej moĹźe siÄ&#x2122; rĂłwnieĹź poruszaÄ&#x2021;, przy czym napinajÄ&#x2026;c/luzujÄ&#x2026;c doklejonÄ&#x2026; skĂłrÄ&#x2122; pokrycia twarzy stwarza wraĹźenie zamykania/otwierania oka w sposĂłb naturalny. Jest to niezbÄ&#x2122;dne do wyraĹźania niektĂłrych specyficznych emocji. W porĂłwnaniu z gaĹ&#x201A;kami ocznymi czĹ&#x201A;owieka, ktĂłrych Ĺ&#x203A;rednica wynosi od ok. 23 mm do 29 mm, gaĹ&#x201A;ki oczne robota majÄ&#x2026; Ĺ&#x203A;rednicÄ&#x2122; 46 mm. Takie zwiÄ&#x2122;kszenie Ĺ&#x203A;rednicy wynika z koniecznoĹ&#x203A;ci umieszczenia wewnÄ&#x2026;trz gaĹ&#x201A;ek miniaturowych kamer typu Dragonfly. UkĹ&#x201A;ad ramki pojedynczego oka wraz z przekĹ&#x201A;adniami i silnikami ma masÄ&#x2122; ok. 150 g. Podstawowym materiaĹ&#x201A;em konstrukcyjnym mechanizmu jest tworzywo sztuczne POM (PolyOxyMetylen). Minimalna odlegĹ&#x201A;oĹ&#x203A;Ä&#x2021; osi optycznych kamer umieszczonych w gaĹ&#x201A;kach wynosi 65 mm, podobnie jak u czĹ&#x201A;owieka. Oczy mogÄ&#x2026; obracaÄ&#x2021; siÄ&#x2122; horyzontalnie, tj. wzglÄ&#x2122;dem osi pionowej o kÄ&#x2026;t Âą40° oraz wertykalnie w ruchu sferycznym wzglÄ&#x2122;dem drugiej osi poziomej prostopadĹ&#x201A;ej do pierwszej o kÄ&#x2026;t Âą30°. Czas przestawienia oka z jednej pozycji skrajnej do drugiej pozycji skrajnej wynosi 0,5 s.

Powieka gĂłrna moĹźe obracaÄ&#x2021; siÄ&#x2122; o 70° w dĂłĹ&#x201A; i 10° ku gĂłrze wzglÄ&#x2122;dem poczÄ&#x2026;tkowego poĹ&#x201A;oĹźenia horyzontalnego. Mruganie oczami moĹźna zrealizowaÄ&#x2021; w czasie 0,4 s, tj. z czÄ&#x2122;stotliwoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; 2,5 Hz. Mechanizm szyi robota ma cztery stopnie swobody (rys.

7a). Podczas projektowania szyi starano siÄ&#x2122; jak najwierniej odtworzyÄ&#x2021; geometriÄ&#x2122; oraz podstawowe charakterystyki kinematyczne i dynamiczne naturalnej szyi czĹ&#x201A;owieka. Na podstawie analizy ruchĂłw gĹ&#x201A;owy czĹ&#x201A;owieka, ktĂłre w podstawowych kierunkach wykazujÄ&#x2026; ruch sferyczny, naturalnym dla ruchowego podparcia gĹ&#x201A;owy wzglÄ&#x2122;dem tuĹ&#x201A;owia, wydawaĹ&#x201A;o siÄ&#x2122; zastosowanie przegubu kulistego o trzech stopniach swobody. Niestety, w takim wypadku bardzo trudno jest zrealizowaÄ&#x2021; odpowiedni ukĹ&#x201A;ad napÄ&#x2122;dowy mechanizmu. W opracowanym rozwiÄ&#x2026;zaniu zastosowano kinematyczny Ĺ&#x201A;aĹ&#x201E;cuch szeregowy podobny do konstrukcji tzw. kiĹ&#x203A;ci sferycznej manipulatora robota przemysĹ&#x201A;owego o trzech osiach kolejno do siebie prostopadĹ&#x201A;ych. UkĹ&#x201A;ad skĹ&#x201A;ada siÄ&#x2122; z trzech przegubĂłw obrotowych o osiach: pierwszej pionowej, zamocowanej do gĂłrnej pĹ&#x201A;aszczyzny skrzynki tuĹ&#x201A;owia, zakres obrotu tej osi wynosi Âą60°, druga oĹ&#x203A; jest pozioma i prostopadĹ&#x201A;a do pierwszej i pozwala na pochylanie gĹ&#x201A;owy w kierunku do przodu/tyĹ&#x201A;u w zakresie kÄ&#x2026;towym Âą30°, trzecia oĹ&#x203A; jest prostopadĹ&#x201A;a do drugiej, w poĹ&#x201A;oĹźeniu neutralnym leĹźy w pĹ&#x201A;aszczyĹşnie poziomej i pozwala na zginanie szyi poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czone z pochylaniem gĹ&#x201A;owy na boki w zakresie kÄ&#x2026;towym Âą30°.

Dla zapewnienia realizacji bardziej naturalnych ruchĂłw gĹ&#x201A;owy, u nasady czaszki zamocowano dodatkowy przegub obrotowy pochylania gĹ&#x201A;owy do przodu/tyĹ&#x201A;u w zakresie kÄ&#x2026;towym Âą40°.

Mechanizm zawiera ukĹ&#x201A;ad sprÄ&#x2122;Ĺźyn kompensujÄ&#x2026;cych wpĹ&#x201A;yw momentĂłw mechanicznych od siĹ&#x201A; grawitacji przy pochyleniu

41

Robot humanoidalny ROMAN

a)

b)

c)

Rys. 7. a) mechanizm sztucznej szyi robota ROMAN z przekładniami i układami sprężyn kompensujących momenty od sił grawitacji, b) tułów robota z zamontowaną szyją i głową., c) mechanizm kręgosłupa lędźwiowego Fig. 7. a) the mechanism of artificial neck of the robot ROMAN with gears and springs for gravity compensation, b) the body of the robot with the neck and head, c) the mechanism of lumbar spine

głowy do przodu/tyłu i odchylaniu głowy na boki. Pozwolił on zmniejszyć moc silników napędowych ok. pięciokrotnie w stosunku do niezbędnej mocy silników w układzie bez odciążenia sprężynami.

Tułów robota (rys. 7b) ma konstrukcję skrzynkową i zawiera odpowiednio osłonięte powierzchnie przednią i tylną dla zamocowania płyt głównych komputerów sterujących typu PC i elementów dodatkowych jak głośnik, mikrofony itp. oraz w części górnej gniazdo mocowania mechanizmu szyi, w części dolnej płytę oporową przyłączeniową do mechanizmu kręgosłupa lędźwiowego, zaś w części górnej dwie symetrycznie rozmieszczone skrzynki układów napędowych z gniazdami mocowania sztucznych rąk – manipulatorów antropomorficznych, manipulatory nie zostały jeszcze opracowane. Tułów jest podparty na mechanizmie powielającym funkcje ruchowe kręgosłupa lędźwiowego, który zrealizowano podobnie jak mechanizm szyi. Jest on pokazany w rzucie ogólnym na rys. 7c. Mechanizm zapewnia następujące zakresy ruchów: obrót wokół osi pionowej ±30°, zgięcie przód/tył +40°, –30°, zgięcie lewo/prawo ±30°. Do napędu zastosowano silniki prądu stałego Faulhaber z przekładniami oraz dodatkową przekładnią zębatą (rys. 7c). Na rysunku widoczne są ponadto układy sprężyn odciążających, które służą do kompensacji wpływu momentów mechanicz-

Rys. 8. System sterowania głową robota ROMAN Fig. 8. Control system for the robot ROMAN head

a)

b)

c)

Rys. 9. Rezultaty wstępne sterowania mimiką twarzy robota ROMAN: a) poczucie szczęścia, b) wyrażanie smutku, c) wyrażanie obawy Fig. 9. Initial results of the facial expressions control of the robot ROMAN face: a) happiness, b) sadness, c) apprehension

42

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Krzysztof Mianowski, Karsten Berns

nych pochodzÄ&#x2026;cych od siĹ&#x201A; grawitacji pochylajÄ&#x2026;cego siÄ&#x2122; tuĹ&#x201A;owia i poprawy jakoĹ&#x203A;ci sterowania oraz pracy ukĹ&#x201A;adĂłw napÄ&#x2122;dowych.

PozwoliĹ&#x201A;y one na zmniejszenie mocy silnikĂłw napÄ&#x2122;dowych do okoĹ&#x201A;o 1/5 oraz zapewniajÄ&#x2026; znacznie lepszÄ&#x2026; jakoĹ&#x203A;Ä&#x2021; sterowania serwomechanizmami z wyeliminowanymi narastajÄ&#x2026;cymi ze wzrostem kÄ&#x2026;ta pochylenia obciÄ&#x2026;Ĺźeniami.

Z&X& q

Silniki elektryczne sÄ&#x2026; wyposaĹźone w przetworniki obrotowo-impulsowe pomiaru kÄ&#x2026;ta obrotu waĹ&#x201A;u, co zapewnia odpowiedniÄ&#x2026; dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; sterowania wzglÄ&#x2122;dnymi poĹ&#x201A;oĹźeniami czĹ&#x201A;onĂłw ukĹ&#x201A;adu mechanicznego. SÄ&#x2026; one bezpoĹ&#x203A;rednio zintegrowane z konstrukcjÄ&#x2026; jednostek napÄ&#x2122;dowych. W konstrukcji robota zastosowano rĂłwnieĹź czujniki pomiaru poĹ&#x201A;oĹźenia kÄ&#x2026;towego w przegubach szyi, przegubach krÄ&#x2122;gosĹ&#x201A;upa lÄ&#x2122;dĹşwiowego, na osiach ruchĂłw obrotu oczu, kamery w ukĹ&#x201A;adzie stereowizyjnym, mikrofony, czujniki podczerwieni do pomiaru odlegĹ&#x201A;oĹ&#x203A;ci, czujniki inercyjne do pomiaru przyĹ&#x203A;pieszeĹ&#x201E;. Czujniki te zostaĹ&#x201A;y odpowiednio zintegrowane z konstrukcjÄ&#x2026; w celu osiÄ&#x2026;gniÄ&#x2122;cia jak najlepszych efektĂłw ich dziaĹ&#x201A;ania, w szczegĂłlnoĹ&#x203A;ci ze wzglÄ&#x2122;du na wspĂłĹ&#x201A;dziaĹ&#x201A;anie z ukĹ&#x201A;adem sterowania robotem. Na przykĹ&#x201A;ad rozwiÄ&#x2026;zanie konstrukcyjne mechanizmu oczu zawiera kamerÄ&#x2122; i trzy jednostki napÄ&#x2122;dowe ruchĂłw obrotu trzech stopni swobody. Natomiast ukĹ&#x201A;ad bezwĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;ciowy pomiaru przyĹ&#x203A;pieszeĹ&#x201E; i czuciowy zapachĂłw zostanie wbudowany w niedalekiej przyszĹ&#x201A;oĹ&#x203A;ci, przy czym twĂłrcy liczÄ&#x2026; na to, Ĺźe w przyszĹ&#x201A;oĹ&#x203A;ci czujniki te bÄ&#x2122;dÄ&#x2026; lepsze i taĹ&#x201E;sze niĹź obecnie. Czujniki podczerwieni sÄ&#x2026; wbudowane na czole w celu pomiaru odlegĹ&#x201A;oĹ&#x203A;ci od obiektu.

Mikrofony majÄ&#x2026; wykrywaÄ&#x2021; kierunek, z ktĂłrego odbierany jest dĹşwiÄ&#x2122;k i bÄ&#x2122;dÄ&#x2026; bezpoĹ&#x203A;rednio podĹ&#x201A;Ä&#x2026;czone do karty dĹşwiÄ&#x2122;kowej pokĹ&#x201A;adowego komputera PC. Na rys. 8 pokazano schemat systemu pomiarowo-sterujÄ&#x2026;cego z uwzglÄ&#x2122;dnieniem podstawowych jego komponentĂłw skĹ&#x201A;adowych oraz poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czeĹ&#x201E; z sensorami i ukĹ&#x201A;adami wykonawczymi (napÄ&#x2122;dowymi).

Z&Z& $

Sterowanie ukĹ&#x201A;adami serwo odpowiedzialnymi za ruchy skĂłry, a takĹźe bezpoĹ&#x203A;rednio silnikami prÄ&#x2026;du staĹ&#x201A;ego ruchĂłw robota w stawach oraz okreĹ&#x203A;lanie pozycji robota na podstawie sygnaĹ&#x201A;Ăłw z czujnikĂłw bezwĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;ciowych jest realizowane za pomocÄ&#x2026; ukĹ&#x201A;adĂłw DSP (Motorola 56F803) poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czonych z jednostkÄ&#x2026; centralnÄ&#x2026; CPLD (Altera EPM 70 128). Do sterowania gĹ&#x201A;owÄ&#x2026; uĹźyto 5 takich ukĹ&#x201A;adĂłw: jeden dla czujnikĂłw bezwĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;ciowych, jeden dla silnikĂłw krokowych oczu, dwa dla 4 silnikĂłw szyi i jeden dla 11 serw poruszajÄ&#x2026;cych skĂłrÄ&#x2026;. UkĹ&#x201A;ady te sÄ&#x2026; poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czone przez szynÄ&#x2122; CAN-BUS z komputerem pokĹ&#x201A;adowym typu PC. Dwa mikrofony kierunkowe i gĹ&#x201A;oĹ&#x203A;nik sÄ&#x2026; podĹ&#x201A;Ä&#x2026;czone do karty dĹşwiÄ&#x2122;kowej komputera PC.

Kamery zamontowane wewnÄ&#x2026;trz gaĹ&#x201A;ek ocznych wykorzystujÄ&#x2026; wejĹ&#x203A;cie Ĺ&#x201A;Ä&#x2026;cza szeregowego FireWire IEEE 1394 zamontowane w komputerze PC. Aktualny stan projektu pozwala na wyraĹźanie emocji i realizacjÄ&#x2122; prostych ruchĂłw jak kĹ&#x201A;anianie siÄ&#x2122;. Natomiast, poniewaĹź wyraĹźanie emocji w kontaktach z partnerem w sposĂłb pozawerbalny jest zĹ&#x201A;oĹźonÄ&#x2026; kombinacjÄ&#x2026; róşnych ruchĂłw, wymagane jest dalsze rozwijanie dotychczasowego projektu, aby w przyszĹ&#x201A;oĹ&#x203A;ci robot mĂłgĹ&#x201A; dysponowaÄ&#x2021; moĹźliwoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; wyraĹźania gestĂłw i mimiki oraz pĂłz w znacznie szerszym asortymencie.

Z&[& ` # ~

Stan aktualny budowy gĹ&#x201A;owy oraz ukĹ&#x201A;adu sterowania pozwala na wyraĹźanie emocji przez ruchy gaĹ&#x201A;ek ocznych, szczÄ&#x2122;ki dolnej, ruchy gĹ&#x201A;owy na szyi oraz w szczegĂłlnoĹ&#x203A;ci zmiany wyrazu twarzy. Rezultaty wstÄ&#x2122;pne zaprezentowano na rys. 9. Stany zachowaĹ&#x201E; behawioralnych sÄ&#x2026; okreĹ&#x203A;lane z rĂłwnoczesnym wyznaczaniem wyrazu twarzy i aktywacjÄ&#x2026; silnikĂłw poruszajÄ&#x2026;cych sztucznÄ&#x2026; skĂłrÄ&#x2122;.

Na rys. 10. pokazano wyniki prĂłb komunikacji werbalnej czĹ&#x201A;owieka z robotem. Podczas seansu robot kĹ&#x201A;ania siÄ&#x2122;, krÄ&#x2122;ci gĹ&#x201A;owÄ&#x2026;, ruchami gaĹ&#x201A;ek ocznych wyraĹźa zdziwienie. Przy poĹźegnaniu robot rĂłwnieĹź siÄ&#x2122; kĹ&#x201A;ania, wymawiajÄ&#x2026;c sĹ&#x201A;owa z nutÄ&#x2026; zawodu, gdyĹź nie podtrzymano jego propozycji pomocy.

Projekt konstrukcji mechanicznej rÄ&#x2122;ki charakteryzuje siÄ&#x2122; bardzo wysokim stopniem integracji elementĂłw mechanicznych, elektrycznych i elektronicznych i stanowi bardzo dobry przykĹ&#x201A;ad z jednej strony wykorzystania integracji systemĂłw projektowych CAD/CAM/CAE a z drugiej strony wysokiej integracji konstrukcji. W prototypie zastosowano lekkie i wytrzymaĹ&#x201A;e materiaĹ&#x201A;y konstrukcyjne, jak duraluminium i kompozyt wÄ&#x2122;glowy. Warto podkreĹ&#x203A;liÄ&#x2021;, Ĺźe dziÄ&#x2122;ki przyjÄ&#x2122;tej metodzie zintegrowanego projektowania niektĂłre ukĹ&#x201A;ady napÄ&#x2122;dowe, pomiarowe i sterujÄ&#x2026;ce zostaĹ&#x201A;y wbudowane w elementy konstrukcyjne a projektowane czĹ&#x201A;ony dokĹ&#x201A;adnie do nich dopasowane, dziÄ&#x2122;ki czemu uzyskano rozwiÄ&#x2026;zanie wysoce zintegrowane, tzw. skompaktowane. Ponadto uzyskano rozwiÄ&#x2026;zanie wysoce funkcjonalne o wymiarach i osiÄ&#x2026;gach zbliĹźonych do wymiarĂłw i osiÄ&#x2026;gĂłw ramienia/rÄ&#x2122;ki czĹ&#x201A;owieka.

W opracowaniu konstrukcji dĹ&#x201A;oni robota bardzo istotne okazaĹ&#x201A;y siÄ&#x2122; ich takie cechy jak wysoka funkcjonalnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; i estetyka ogĂłlna. MajÄ&#x2026; one umoĹźliwiÄ&#x2021; robotowi moĹźliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; realizacji manipulacji i gestykulacji w jak najszerszym zakresie. Wobec tego w projekcie i konstrukcji dĹ&#x201A;oni wykorzystano nadajÄ&#x2026;ce siÄ&#x2122; do tego nowoczesne technologie jak szybkie prototypowanie metodÄ&#x2026; material accreation manufacturing nakĹ&#x201A;adania warstw.

a) b) c) Rys. 10. Rozmowa robota ROMAN z partnerem: a) powitanie robota, b) robot wyraĹźa chÄ&#x2122;Ä&#x2021; pomocy, c) robot Ĺźegna siÄ&#x2122; Fig. 10. Conversation of Robot ROMAN with human partner: a) welcome, b) desire to help, c) farewell

43

Robot humanoidalny ROMAN

a)

b)

Rys. 11. Mechatroniczna ręka robota humanoidalnego Roman w postaci wydruku 3D: a) podstawowe elementy, b) właściwości adaptacyjne do typowego obiektu Fig. 11. 3D printed mechatronic hand of humanoid robot Roman: a) basic parts, b) adaptive properties with typical object

Na rys. 11 pokazano prototyp dłoni wykonany na maszynie Stratasys z materiału ABS plus. Opracowując nowe rozwiązanie konstrukcyjne chwytaka sformułowano założenia co do klas kształtu chwytanych obiektów, ich wielkości, masy, twardości i podatności powierzchni zewnętrznej, wytrzymałości (odporności na zgniecenie siłami niezbędnymi do uchwycenia), stanu powierzchni, możliwości chwytania w określony sposób itp. Założenia te odpowiadają możliwościom pracy żywej dłoni ludzkiej ale wymagały obszernych analiz dotyczących technicznych możliwości realizacji równoważnych zadań modelowych z koniecznością zastosowania nieożywionej materii technicznej. Zgodnie ze sformułowanymi założeniami dokładnie przeanalizowano problem od strony technicznej, tzn. możliwości rozwiązania układu kinematycznego, napędu, ulokowania niezbędnych czujników i sensorów, doprowadzenia energii i sterowania w sposób jak najbardziej zintegrowany i kompaktowy, aby zapewnić wysokie właściwości funkcjonalne chwytaka. Dodatkowym czynnikiem, który warto było uwzględnić była chęć stworzenia rozwiązania, z użyciem którego pewne zadania chwytania obiektów, robot z chwytakiem mógłby rozwiązywać w sposób „maszynowo intuicyjny”, tzn. na podstawie bardzo ogólnie sformułowanych założeń działania, podczas gdy sam proces chwytania byłby wynikiem „rozmytego” uwzględnienia wielu różnych czynników o różnym charakterze. Dotyczy to takich obiektów jak sztywna

a)

Rys. 12. System połączeń robota ROMAN Fig. 12. The network of connections between basic robot ROMAN functional systems and functional parts

44

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

b)

Rys. 13. Możliwości gestykulacyjne robota ROMAN: a –gest przyźni, b – rozczarow Fig. 13. Gesticulation properties of the robot ROMAN: a) a gesture of friendship, b) dissa

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Krzysztof Mianowski, Karsten Berns

szklana butelka, plastikowa miÄ&#x2122;kka butelka wypeĹ&#x201A;niona pĹ&#x201A;ynem o zmiennej zawartoĹ&#x203A;ci, sztywne pĹ&#x201A;ytki i kostki, piĹ&#x201A;ka do golfa, piĹ&#x201A;ka do tenisa lub do ping-ponga, jajko itp. Wobec tego w rozwiÄ&#x2026;zaniu konstrukcyjnym jak teĹź i w sterowaniu naleĹźaĹ&#x201A;o uwzglÄ&#x2122;dniÄ&#x2021; wpĹ&#x201A;yw pewnych dodatkowych czynnikĂłw niezdeterminowanych, wpĹ&#x201A;ywajÄ&#x2026;cych na proces chwytania/ manipulacji jak i na obiekty, ktĂłrymi robot z chwytakiem bÄ&#x2122;dzie musiaĹ&#x201A; efektywnie manipulowaÄ&#x2021;. CzÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;Ä&#x2021; elementĂłw transmisyjnych wykonano z duraluminium W konstrukcji mechanizmĂłw napÄ&#x2122;dowych zastosowano specjalne sprzÄ&#x2122;gi podatne, sĹ&#x201A;uĹźÄ&#x2026;ce dodatkowo jako ukĹ&#x201A;ady pomiarowe siĹ&#x201A; reakcji paliczkĂłw z obiektem.

NaleĹźy podkreĹ&#x203A;liÄ&#x2021;, Ĺźe zarĂłwno ukĹ&#x201A;ady napÄ&#x2122;dowe, jak i transmisyjne a takĹźe pomiarowe i sensoryczne w peĹ&#x201A;ni wbudowano w czĹ&#x201A;ony noĹ&#x203A;ne, tworzÄ&#x2026;c dziÄ&#x2122;ki temu w peĹ&#x201A;ni zintegrowanÄ&#x2026; konstrukcjÄ&#x2122; tzw. mechatronicznÄ&#x2026;. PodatnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; do palcĂłw wprowadzono przez specjalnÄ&#x2026; konstrukcjÄ&#x2122; Ĺ&#x201A;Ä&#x2026;cznika przenoszÄ&#x2026;cego napÄ&#x2122;d z serwonapÄ&#x2122;du na paliczek pierwszy i zastosowanie elementu podatnego w postaci sprÄ&#x2122;Ĺźyny spiralnej dwustronnego dziaĹ&#x201A;ania. PozwoliĹ&#x201A;o to na uelastycznienie mechanizmu kaĹźdego palca a jednoczeĹ&#x203A;nie na bezpoĹ&#x203A;redni pomiar siĹ&#x201A;y w kaĹźdym palcu. W tym celu u nasady palca wbudowano dodatkowy czujnik pomiaru kÄ&#x2026;ta. Rysunek 11a ilustruje rozlokowanie serwomotorĂłw, Ĺ&#x201A;Ä&#x2026;cznikĂłw podatnych, czujnikĂłw taktylnych i czujnikĂłw magnetycznych pomiaru kÄ&#x2026;tĂłw. Na rys 11b pokazano wstÄ&#x2122;pnie badane moĹźliwoĹ&#x203A;ci chwytne sztucznej dĹ&#x201A;oni. Zostanie ona dodatkowo pokryta elastycznÄ&#x2026; powĹ&#x201A;okÄ&#x2026; z gumy silikonowej, tzw. sztucznÄ&#x2026; skĂłrÄ&#x2026; zawierajÄ&#x2026;cÄ&#x2026; mikroelektroniczne czujniki taktylne do pomiaru pĂłl naciskĂłw powierzchniowych na styku z manipulowanym obiektem. Na rys. 12 pokazano schemat poglÄ&#x2026;dowy systemu poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czeĹ&#x201E; funkcjonalnych elementĂłw skĹ&#x201A;adowych ukĹ&#x201A;adu sterowania robota Roman.

^& 5

Laboratoryjne badania stanowiskowe wykazaĹ&#x201A;y wysokie walory funkcjonalne, uĹźytkowe i estetyczne opracowanego rozwiÄ&#x2026;zania robota. Projekt charakteryzuje siÄ&#x2122; bardzo wysokim stopniem integracji elementĂłw mechanicznych, elektrycznych i elektronicznych i stanowi bardzo dobry przykĹ&#x201A;ad z jednej strony wykorzystania integracji systemĂłw projektowych CAD/CAM/CAE a z drugiej strony wysokiej integracji konstrukcji. DziÄ&#x2122;ki przyjÄ&#x2122;tej metodzie zintegrowanego projektowania uzyskano rozwiÄ&#x2026;zanie o wysokim poziomie integracji zespoĹ&#x201A;Ăłw konstrukcji, tzw. skompaktowane. Aktualnie robot jest poddawany intensywnym badaniom uĹźytkowym. Opracowane rozwiÄ&#x2026;zanie stanowi model robota humanoidalnego pozwalajÄ&#x2026;cego na wysoce powtarzalne interakcyjne badania behawioralne kontaktĂłw robot-czĹ&#x201A;owiek z zakresu wspĂłĹ&#x201A;pracy robota z czĹ&#x201A;owiekiem.

`

1.

2.

3.

4.

5.

6.

[& `

7.

Na rys. 13 zaprezentowano moĹźliwoĹ&#x203A;ci gestykulacyjne robota Roman. Jak widaÄ&#x2021;, robot moĹźe wyraĹźaÄ&#x2021; gesty przyjaĹşni, rozczarowania, pewnoĹ&#x203A;ci siebie i zakĹ&#x201A;opotania. NiezaleĹźnie od tego robot moĹźe chwytaÄ&#x2021; rÄ&#x2122;kami typowe narzÄ&#x2122;dzia pracy czĹ&#x201A;owieka i moĹźe wykonywaÄ&#x2021; typowe prace. Badania wstÄ&#x2122;pne wykazaĹ&#x201A;y jednak, Ĺźe zaĹ&#x201A;oĹźone wstÄ&#x2122;pnie zakresy ruchĂłw ramion w gĂłrÄ&#x2122; okazaĹ&#x201A;y siÄ&#x2122; niewystarczajÄ&#x2026;ce. W zwiÄ&#x2026;zku z tym planowane sÄ&#x2026; dalsze modernizacje opracowanego rozwiÄ&#x2026;zania.

c)

8.

Tapus A., MatariÄ&#x2021; M.J., Scassellati B., The grand challenges in socially assistive robotics, â&#x20AC;&#x153;Robotics and Automation Magazineâ&#x20AC;?, Vol. 14, No. 1, 2007, 35â&#x20AC;&#x201C;42.

Birdwhistell R.L., Kinesics and Context: Essays in Body Motion Communication, Philadelphia, USA: University of Pennsylvania Press, 1970.

Mehrabian A., Wiener M., Decoding of inconsistent communications, â&#x20AC;&#x153;Journal of Personality and Social Psychologyâ&#x20AC;?, Vol. 6, No. 1, 1967, 109â&#x20AC;&#x201C;114.

Engleberg I.N., Wynn D.R., Working in Groups: Communication Principles and Strategies. Allyn & Bacon, 2006.

Ekman P., Friesen W., Hager J., Facial Action Coding System. A Human Face, 2002.

McNeill D., Hand and Mind, The University Press of Chicago, 1992.

Kagami S., Mochimaru M., Ehara Y., Miyata N., Nishiwaki K., Kanade T., Inoue H., Measurement and comparison of human and humanoid walking, [in:] Proceedings of IEEE International Symposium on Computational Intelligence in Robotics and Automation, Vol. 2, 2003, 918â&#x20AC;&#x201C;922, DOI: 10.1109/CIRA.2003.1222302.

Asfour T., Regenstein K., Azad P., SchrĂśder J., Bierbaum A., Vahrenkamp N., Dillmann R., Armar-III: An integrated humanoid platform for sensory-motor control, [in:]

d)

e)

anie, c â&#x20AC;&#x201C; gest pewnoĹ&#x203A;ci siebie, d â&#x20AC;&#x201C; zakĹ&#x201A;opotanie, e) ubrany w T-shirt i wyposaĹźony w nowÄ&#x2026; maskÄ&#x2122; â&#x20AC;&#x201C; widok ogĂłlny pointment, c) confinence, d) embrassment, e) robot dressed with t-shirt with new mask â&#x20AC;&#x201C; general view

45

Robot humanoidalny ROMAN

Proceedings of IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (Humanoids), Genoa, Italy, December 2006, 169â&#x20AC;&#x201C;175, DOI: 10.1109/ICHR.2006.321380 9. Ishida T., Kuroki Y., Yamaguchi J., Mechanical system of a small biped entertainment robot, [in:] Proceedings of the 2004 IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (Humanoids), Los Angeles, California, USA, November 10â&#x20AC;&#x201C;12, 2004, 235â&#x20AC;&#x201C;252.

10. Mianowski K., Schmitz N., Berns K., Mechanics of the humanoid Robot ROMAN, [in:]in Sixth International Workshop on robot Motion and Control (RoMoCo), Bukowy Dworek, Poland, June 11â&#x20AC;&#x201C;13, 2007, 341â&#x20AC;&#x201C;348.

11. Hamill J., Knutzen K.M., Derrick T.R., Biomechanical Basis of Human Movement, 2nd ed. Lippincott Williams & Wilkins, 2003.

12. Tittel K., Beschreibende und funktionelle Anatomie des Menschen. Urban & Fischer, 2003.

13. Morecki A., Ekiel J., Fidelus K., Cybernetic Systems of Limb Movements in Man, Animals, and Robots. Polish Scientific Publishers, Warsaw, Ellis Horwood Limited Publishers, Chinchester, 1984.

14. [http://asimo.honda.com]

K A K ! R I ! ; ?J ?!

Abstract: This paper presents the design of humanoid robot Roman, which is able to generate of gestures as nonverbal interaction signals for communication with people. The geometry of basic links and ranges of motions have been investigated to obtain solution very similar to the human body. Mechanical design and the prototype of the robot Roman â&#x20AC;&#x201C; artificial body, hands and the head was designed with using fully integrated CAD/CAM/CAE system Pro Engineer v.4.0.

The methodology of very modern mechatronic design, which allow to highly integrated mechanical/electric/electronic parts of the prototype is described in the paper in details. It has been shown, that it is possible to create basic functional characteristics of the solution in the phase of the virtual design. Robot can be apply as a guiding principle for the construction of humanoid robot for expression emotions.

KeywordsU humanoids, behavioral control, robot-human interaction

= ! "

= = !

>

! (! $ $ $

A ( ; ! $ 8 $

L 0 & K A = > 0 Y & ' = ) A !$ \ ) B = ! ! 8 A = )= A = ! ! = = ) P ) = ! ! ! ) A ! ) KS&LU ) " 0 ! M 8 U ! $

S +%%# $ ; ! " 0 ! M U ! $ \ ) A B 8

= ! 8 != A = ! $ < = !

A ! A ;;8 8 B ! 8 A = 8 ! = ! P = !A A $ ;$ O ! ! ! = ! ; A $ \ ! >??? < ; ;_ > ; ! F<>G YL'LK$ \ ! M ! ' ) K A F <KG U 8 ! B ! ! ) ` != A 8 <>$ P ; ' > ; ! " 8 M F+%%ER+%,%G$

46

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 20, Nr 1/2016, 47â&#x20AC;&#x201C;55, DOI: 10.14313/PAR_219/47

? !

) ; Jacek Korytkowski ! > L ! ! = >L L $ \ ! +%+ %+8@H. '

Streszczenie: W artykule przedstawiono elektryczne schematy ukĹ&#x201A;adĂłw konwersji pojedynczej rezystancji i pojedynczej konduktancji na sygnaĹ&#x201A; cyfrowy, moĹźliwe do realizacji przy wykorzystaniu wzmacniaczy monolitycznych oraz przetwornikĂłw analogowo-cyfrowych. Zaproponowano symbole elementĂłw elektrycznych sterowanych ĹşrĂłdeĹ&#x201A; napiÄ&#x2122;cia i sterowanych ĹşrĂłdeĹ&#x201A; prÄ&#x2026;du, a takĹźe sterowanego napiÄ&#x2122;ciowo przetwornika analogowo-cyfrowego. SÄ&#x2026; to niezbÄ&#x2122;dne elementy elektryczne do tworzenia peĹ&#x201A;nych koĹ&#x201E;cowych schematĂłw konwerterĂłw rezystancji na sygnaĹ&#x201A; cyfrowy i konwerterĂłw konduktancji na sygnaĹ&#x201A; cyfrowy. Wykazano, Ĺźe sÄ&#x2026; tylko cztery proste podstawowe schematy tych konwerterĂłw. OmĂłwiono kilka przykĹ&#x201A;adowych schematĂłw elektronicznych ukĹ&#x201A;adĂłw realizujÄ&#x2026;cych funkcje sterowanych ĹşrĂłdeĹ&#x201A; napiÄ&#x2122;cia i sterowanego ĹşrĂłdĹ&#x201A;a prÄ&#x2026;du umoĹźliwiajÄ&#x2026;cych tworzenie peĹ&#x201A;nych koĹ&#x201E;cowych schematĂłw elektronicznych konwerterĂłw pojedynczej rezystancji na sygnaĹ&#x201A; cyfrowy i konwerterĂłw pojedynczej konduktancji na sygnaĹ&#x201A; cyfrowy. $ U N = N = B ! ! ! ) 8 ; ) ; ) ;

V&

Zastosowania konwerterĂłw rezystancji i konduktancji na sygnaĹ&#x201A; cyfrowy wynikajÄ&#x2026; z potrzeb wspĂłĹ&#x201A;czesnych mikroprocesorowych i komputerowych technik pomiarowych oraz technik kontroli wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwoĹ&#x203A;ci metrologicznych urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; automatyki przemysĹ&#x201A;owej oraz aparatury do pomiarĂłw przemysĹ&#x201A;owych.

Takie konwertery rezystancji i konduktancji mogÄ&#x2026; stanowiÄ&#x2021; niezbÄ&#x2122;dne wyposaĹźenie testerĂłw mikroprocesorowych oraz komputerowych stanowisk przeznaczonych dla producentĂłw sprzÄ&#x2122;tu, jak i dla uĹźytkownikĂłw sprzÄ&#x2122;tu na obiekcie rzeczywistym i w laboratoriach.

RozwiÄ&#x2026;zania ukĹ&#x201A;adowe konwerterĂłw rezystancji i konduktancji na sygnaĹ&#x201A; cyfrowy sÄ&#x2026; rzadko opisywane w polskiej literaturze technicznej. RozwiÄ&#x2026;zania tych konwerterĂłw odbiegajÄ&#x2026; od klasycznych ukĹ&#x201A;adĂłw pomiaru rezystancji i konduktancji, w ktĂłrych stosuje siÄ&#x2122; stabilizacjÄ&#x2122; prÄ&#x2026;du i pomiar napiÄ&#x2122;cia lub stabilizacjÄ&#x2122; napiÄ&#x2122;cia i pomiar prÄ&#x2026;du [1, 2].

( U \ M ( $ (

,,$%,$+%,. $ ,%$%+$+%,. $

!! " #$%

W praktyce przemysĹ&#x201A;owej duĹźÄ&#x2026; grupÄ&#x2122; ukĹ&#x201A;adĂłw pomiarowych i ukĹ&#x201A;adĂłw automatyki stanowiÄ&#x2026; ukĹ&#x201A;ady z rezystancyjnymi czujnikami temperatury [3]. GĹ&#x201A;Ăłwnie stosuje siÄ&#x2122; platynowe rezystancyjne czujniki temperatury Pt 100, Pt 500, Pt 1000, gdyĹź charakteryzujÄ&#x2026; siÄ&#x2122; dobrÄ&#x2026; liniowoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; i staĹ&#x201A;oĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; charakterystyki w czasie. SÄ&#x2026; teĹź stosowane rezystancyjne czujniki niklowe Ni oraz czujniki miedziowe Cu o gorszych wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwoĹ&#x203A;ciach metrologicznych. ToteĹź wspĂłĹ&#x201A;czesne testery i stanowiska pomiarowe do kontroli wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwoĹ&#x203A;ci metrologicznych urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; pomiarowych temperatury i ciepĹ&#x201A;a mogÄ&#x2026; bazowaÄ&#x2021; na dokĹ&#x201A;adnych konwerterach rezystancji o wyjĹ&#x203A;ciowym sygnale cyfrowym umoĹźliwiajÄ&#x2026;cym wyĹ&#x203A;wietlanie wynikĂłw pomiarĂłw.

WaĹźnÄ&#x2026; grupÄ&#x2122; ukĹ&#x201A;adĂłw pomiarowych, w ktĂłrych omawiane ukĹ&#x201A;ady przetwarzania mogÄ&#x2026; znaleĹşÄ&#x2021; zastosowanie sÄ&#x2026; przyrzÄ&#x2026;dy pomiarowe duĹźych rezystancji, zwane megaomomierzami.

SĹ&#x201A;uĹźÄ&#x2026; one do oceny stanu izolacji, parametru bardzo istotnego z punktu widzenia stanu bezpieczeĹ&#x201E;stwa wszystkich urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; elektrycznych i elektronicznych. W ukĹ&#x201A;adach megaomomierzy z wyĹ&#x203A;wietlaniem cyfrowym mogÄ&#x2026; byÄ&#x2021; stosowane konwertery rezystancji lub konduktancji o wyjĹ&#x203A;ciowym sygnale cyfrowym.

Istnieje grupa ukĹ&#x201A;adĂłw pomiarowych do wspĂłĹ&#x201A;pracy z czujnikami elektrolityczno-rezystancyjnymi zwanymi czujnikami konduktometrycznymi [4]. Czujniki te sÄ&#x2026; stosowane do badania stÄ&#x2122;Ĺźenia elektrolitu wynikajÄ&#x2026;cego z zawartoĹ&#x203A;ci rozpuszczonego w nim zwiÄ&#x2026;zku chemicznego. Konduktancja czujnika charakteryzuje siÄ&#x2122; w przybliĹźeniu liniowÄ&#x2026; zaleĹźnoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; od stÄ&#x2122;Ĺźenia zwiÄ&#x2026;zku chemicznego w roztworze. RĂłwnieĹź w tego typu ukĹ&#x201A;adach pomiarowych stÄ&#x2122;Ĺźenia skĹ&#x201A;adnika w roztworze, szczegĂłlnie w ukĹ&#x201A;adach z obrĂłbkÄ&#x2122; mikroprocesorowÄ&#x2026; znajdÄ&#x2026; zastosowanie konwertery konduktancji na sygnaĹ&#x201A; cyfrowy.

47

B &

X& !

MoĹźna wymieniÄ&#x2021; wiele róşnych urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; przeznaczonych do wspĂłĹ&#x201A;pracy z czujnikami rezystancyjnymi i konduktancyjnymi. SÄ&#x2026; to mierniki i przetworniki cyfrowe oraz inne mikroprocesorowe urzÄ&#x2026;dzenia sterowania i pomiarĂłw.

W praktyce pomiarowej stosuje siÄ&#x2122; róşne ukĹ&#x201A;ady z czujnikami rezystancyjnymi i konduktancyjnymi. Pomiary bywajÄ&#x2026; realizowane metodami klasycznymi przy stabilizowaniu napiÄ&#x2122;cia czy prÄ&#x2026;du zasilania, lub metodami mostkowymi, ale takĹźe przez jednoczesny pomiar napiÄ&#x2122;cia i prÄ&#x2026;du oraz przy stosowaniu odpowiedniego ukĹ&#x201A;adu dzielÄ&#x2026;cego. Pomiary mostkowe charakteryzujÄ&#x2026; siÄ&#x2122; czÄ&#x2122;sto zaleĹźnoĹ&#x203A;ciami nieliniowymi. Jest dostÄ&#x2122;pna bogata literatura na temat ukĹ&#x201A;adĂłw mostkowych [5â&#x20AC;&#x201C;7]. Autor nie zajmuje siÄ&#x2122; tu ukĹ&#x201A;adami klasycznymi ani mostkowymi.

Celem artykuĹ&#x201A;u jest przedstawienie wszystkich moĹźliwych konfiguracji elektronicznych ukĹ&#x201A;adĂłw konwerterĂłw pojedynczej rezystancji i pojedynczej konduktancji o uziemionym jednym z zaciskĂłw na sygnaĹ&#x201A; cyfrowy. Wykazano, Ĺźe istniejÄ&#x2026; tylko cztery podstawowe konfiguracje takich konwerterĂłw.

Konfiguracje te przedstawiono w postaci schematĂłw elektrycznych zawierajÄ&#x2026;cych oprĂłcz typowych elementĂłw elektrycznych i przetwornika analogowo-cyfrowego takĹźe odpowiednie sterowane ĹşrĂłdĹ&#x201A;a napiÄ&#x2122;cia i sterowane ĹşrĂłdĹ&#x201A;a prÄ&#x2026;du.

Obecnie sÄ&#x2026; powszechnie dostÄ&#x2122;pne monolityczne przetworniki analogowo-cyfrowe oraz monolityczne wzmacniacze pozwalajÄ&#x2026;ce formowaÄ&#x2021; w odpowiednich ukĹ&#x201A;adach sterowane ĹşrĂłdĹ&#x201A;a napiÄ&#x2122;cia i sterowane ĹşrĂłdĹ&#x201A;a prÄ&#x2026;du niezbÄ&#x2122;dne do realizacji konwersji rezystancji i konduktancji na sygnaĹ&#x201A; cyfrowy.

W punkcie 2 zostaĹ&#x201A;y przedstawione i opisane uproszczone symbole wybranych sterowanych ĹşrĂłdeĹ&#x201A; napiÄ&#x2122;cia i sterowanych ĹşrĂłdeĹ&#x201A; prÄ&#x2026;du oraz przetwornika analogowo-cyfrowego â&#x20AC;&#x201C; niezbÄ&#x2122;dne do realizacji czterech podstawowych ukĹ&#x201A;adĂłw konwerterĂłw rezystancji i konduktancji na sygnaĹ&#x201A; cyfrowy.

W punkcie 3 przedstawiono i omĂłwiono cztery schematy podstawowych konfiguracji ukĹ&#x201A;adĂłw konwerterĂłw rezystancji i konduktancji na sygnaĹ&#x201A; cyfrowy. W punkcie 4 podano kilka przykĹ&#x201A;adowych schematĂłw elektronicznych ukĹ&#x201A;adĂłw realizujÄ&#x2026;cych funkcje sterowanych ĹşrĂłdeĹ&#x201A; napiÄ&#x2122;cia i prÄ&#x2026;du umoĹźliwiajÄ&#x2026;cych tworzenie schematĂłw elektronicznych konwerterĂłw pojedynczej rezystancji na sygnaĹ&#x201A; cyfrowy i konwerterĂłw konduktancji na sygnaĹ&#x201A; cyfrowy.

a

U1

Symbol ĹşrĂłdĹ&#x201A;a napiÄ&#x2122;cia sterowanego róşnicowym sygnaĹ&#x201A;em napiÄ&#x2122;ciowym zostaĹ&#x201A; podany na rys. 1. ĹšrĂłdĹ&#x201A;o to ma dwa bieguny wyjĹ&#x203A;ciowe â&#x20AC;&#x17E;wy+â&#x20AC;? oraz â&#x20AC;&#x17E;wyâ&#x2C6;&#x2019;â&#x20AC;?, rezystancja wewnÄ&#x2122;trzna ĹşrĂłdĹ&#x201A;a jest pomijalna (ĹşrĂłdĹ&#x201A;o napiÄ&#x2122;ciowe idealne), jego biegun â&#x20AC;&#x17E;wyâ&#x2C6;&#x2019;â&#x20AC;? jest bezpoĹ&#x203A;rednio poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czony do wspĂłlnego punktu sygnaĹ&#x201A;owego ukĹ&#x201A;adu elektrycznego (zwanego w jÄ&#x2122;zyku angielskim â&#x20AC;&#x17E;commonâ&#x20AC;?, a w niezbyt trafnej polskiej gwarze technicznej zwanego â&#x20AC;&#x17E;masaâ&#x20AC;? lub â&#x20AC;&#x17E;ziemiaâ&#x20AC;?).

NapiÄ&#x2122;cie wyjĹ&#x203A;ciowe ĹşrĂłdĹ&#x201A;a opisane jest symbolem Uwy. ĹšrĂłdĹ&#x201A;o to ma wejĹ&#x203A;cie róşnicowe o biegunach â&#x20AC;&#x17E;+weâ&#x20AC;? oraz â&#x20AC;&#x17E;â&#x2C6;&#x2019;weâ&#x20AC;?, do ktĂłrych jest doprowadzone napiÄ&#x2122;cie sterujÄ&#x2026;ce Uwe. Charakterystyka sterowania jest proporcjonalna, zostaĹ&#x201A;a opisana wzorem: Uwy = kUUwe,

gdzie: kU â&#x20AC;&#x201C; wspĂłĹ&#x201A;czynnik wzmocnienie napiÄ&#x2122;ciowego wyraĹźony w jednostkach V/V. WejĹ&#x203A;cie róşnicowe o biegunach sterujÄ&#x2026;cych oznaczonych â&#x20AC;&#x17E;+weâ&#x20AC;? i â&#x20AC;&#x17E;â&#x2C6;&#x2019;weâ&#x20AC;? charakteryzuje siÄ&#x2122; pomijalnÄ&#x2026; konduktancjÄ&#x2026; wejĹ&#x203A;ciowÄ&#x2026; (Rwe â&#x2020;&#x2019; â&#x2C6;&#x17E;), a do wejĹ&#x203A;cia doprowadzone sÄ&#x2026; napiÄ&#x2122;cia U1 oraz U2, ktĂłrych róşnica stanowi sygnaĹ&#x201A; sterujÄ&#x2026;cy Uwe: Uwe = U1 â&#x2C6;&#x2019; U2.

(2)

WartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; Ĺ&#x203A;rednia napiÄ&#x2122;cia zwanego napiÄ&#x2122;ciem wspĂłlnym wejĹ&#x203A;cia róşnicowego: Uws = ½(U1 + U2)

(3)

nie ma wpĹ&#x201A;ywu na wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; wspĂłĹ&#x201A;czynnika wzmocnienia napiÄ&#x2122;ciowego kU sterowanego ĹşrĂłdĹ&#x201A;a napiÄ&#x2122;ciowego.

Konduktancja wejĹ&#x203A;ciowa dla napiÄ&#x2122;cia wspĂłlnego Gwews tego ĹşrĂłdĹ&#x201A;a sterowanego ma wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; pomijalnie maĹ&#x201A;Ä&#x2026; (Rwews â&#x2020;&#x2019; â&#x2C6;&#x17E;).

wy +

+

+

Uwe

U2

we â&#x2C6;&#x2019;

â&#x2C6;&#x2019;

wy â&#x2C6;&#x2019;

â&#x2C6;&#x2019;

Rys. 1. ĹšrĂłdĹ&#x201A;o napiÄ&#x2122;cia sterowane róşnicowym sygnaĹ&#x201A;em napiÄ&#x2122;ciowym; a) symbol z opisem napiÄ&#x2122;Ä&#x2021;, b) symbol uproszczony Fig. 1. The voltage source controlled by voltage signal; a) the symbol with voltages description, b) the simple symbol

48

(1)

b

Uwy we +

X&V& ! # !~

#

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

Rys. 2. ĹšrĂłdĹ&#x201A;o napiÄ&#x2122;cia sterowane sygnaĹ&#x201A;em napiÄ&#x2122;ciowym o wejĹ&#x203A;ciu nieróşnicowym; a) symbol z opisem napiÄ&#x2122;Ä&#x2021;, b) symbol uproszczony Fig. 2. The voltage source controlled by voltage signal having nondifferential input; a) the symbol with voltages description, b) the simple symbol

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Jacek Korytkowski

X&X& ! #

#

!~

Symbol ĹşrĂłdĹ&#x201A;a napiÄ&#x2122;cia sterowanego sygnaĹ&#x201A;em napiÄ&#x2122;ciowym o wejĹ&#x203A;ciu nieróşnicowym zostaĹ&#x201A; podany na rys. 2. ĹšrĂłdĹ&#x201A;o napiÄ&#x2122;cia sterowane sygnaĹ&#x201A;em napiÄ&#x2122;ciowym o wejĹ&#x203A;ciu nieróşnicowym jest odmianÄ&#x2026; poprzednio opisanego ĹşrĂłdĹ&#x201A;a, a charakteryzuje siÄ&#x2122; tym, Ĺźe biegun sygnaĹ&#x201A;u wejĹ&#x203A;ciowego â&#x20AC;&#x17E;weâ&#x2C6;&#x2019;â&#x20AC;? oraz biegun sygnaĹ&#x201A;u wyjĹ&#x203A;ciowego â&#x20AC;&#x17E;wyâ&#x2C6;&#x2019;â&#x20AC;? sÄ&#x2026; wewnÄ&#x2122;trznie zwarte do wspĂłlnego punktu sygnaĹ&#x201A;owego. To powoduje, Ĺźe napiÄ&#x2122;ciowy sygnaĹ&#x201A; wejĹ&#x203A;ciowy Uwe oraz napiÄ&#x2122;ciowy sygnaĹ&#x201A; wyjĹ&#x203A;ciowy Uwy odnoszone sÄ&#x2026; do wspĂłlnego punktu sygnaĹ&#x201A;owego.

NapiÄ&#x2122;cie wyjĹ&#x203A;ciowe opisane jest wzorem: Uwy = kU Uwe.

(4)

PozostaĹ&#x201A;e parametry opisywanego ĹşrĂłdĹ&#x201A;a sÄ&#x2026; takie same jak poprzedniego ĹşrĂłdĹ&#x201A;a sterowanego róşnicowym sygnaĹ&#x201A;em napiÄ&#x2122;ciowym. WystÄ&#x2122;puje tu pomijalna wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; rezystancji wyjĹ&#x203A;ciowej, oraz pomijalna wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; konduktancji wejĹ&#x203A;ciowej, przy czym konduktancja wejĹ&#x203A;ciowa dla napiÄ&#x2122;cia wspĂłlnego staje siÄ&#x2122; konduktancjÄ&#x2026; wejĹ&#x203A;ciowÄ&#x2026;, a wiÄ&#x2122;c wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; jej jest pomijalna.

X&Z& !

#

!~

Symbol ĹşrĂłdĹ&#x201A;a prÄ&#x2026;du sterowanego sygnaĹ&#x201A;em napiÄ&#x2122;ciowym o wejĹ&#x203A;ciu nieróşnicowym przedstawiono na rys. 3. ĹšrĂłdĹ&#x201A;o to ma dwa bieguny wyjĹ&#x203A;ciowe â&#x20AC;&#x17E;wy+â&#x20AC;? oraz â&#x20AC;&#x17E;wyâ&#x2C6;&#x2019;â&#x20AC;?, kondunktancja wewnÄ&#x2122;trzna tego ĹşrĂłdĹ&#x201A;a prÄ&#x2026;du jest pomijalna (ĹşrĂłdĹ&#x201A;o prÄ&#x2026;du idealne Rwew â&#x2020;&#x2019; â&#x2C6;&#x17E;), biegun â&#x20AC;?wyâ&#x2C6;&#x2019;â&#x20AC;? jest bezpoĹ&#x203A;rednio poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czony do wspĂłlnego punktu sygnaĹ&#x201A;owego ukĹ&#x201A;adu.

PrÄ&#x2026;d wyjĹ&#x203A;ciowy ĹşrĂłdĹ&#x201A;a opisany jest symbolem Iwy. ĹšrĂłdĹ&#x201A;o ma wejĹ&#x203A;cie o biegunach â&#x20AC;&#x17E;we+â&#x20AC;? oraz â&#x20AC;&#x17E;weâ&#x2C6;&#x2019;â&#x20AC;?, przy czym biegun â&#x20AC;&#x17E;weâ&#x2C6;&#x2019;â&#x20AC;? jest wewnÄ&#x2122;trznie poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czony z biegunem â&#x20AC;&#x17E;wyâ&#x2C6;&#x2019;â&#x20AC;? ĹşrĂłdĹ&#x201A;a prÄ&#x2026;du Ĺ&#x201A;Ä&#x2026;czonym do wspĂłlnego punktu sygnaĹ&#x201A;owego ukĹ&#x201A;adu. Do bieguna sterujÄ&#x2026;cego â&#x20AC;&#x17E;we+â&#x20AC;? oraz do wspĂłlnego punktu sygnaĹ&#x201A;owego doprowadzone jest napiÄ&#x2122;cie sterujÄ&#x2026;ce Uwe. Charakterystyka sterowania jest proporcjonalna i jest opisana wzorem: Iwy = gI Uwe,

(5)

gdzie: gI â&#x20AC;&#x201C; wspĂłĹ&#x201A;czynnik przetwarzania napiÄ&#x2122;cia wejĹ&#x203A;ciowego na prÄ&#x2026;d wyjĹ&#x203A;ciowy wyraĹźany jednostkach A/V = S (simens).

Konduktancja wejĹ&#x203A;ciowa omawianego ĹşrĂłdĹ&#x201A;a sterowanego sygnaĹ&#x201A;em napiÄ&#x2122;ciowym w zastosowaniach opisanych w dalszej czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci artykuĹ&#x201A;u nie musi mieÄ&#x2021; wartoĹ&#x203A;ci zerowej. Rezystancja wejĹ&#x203A;ciowa moĹźe przyjmowaÄ&#x2021; skoĹ&#x201E;czone wartoĹ&#x203A;ci odpowiednio do wymagaĹ&#x201E; ze strony ukĹ&#x201A;adu, w ktĂłrym jest stosowane sterowane ĹşrĂłdĹ&#x201A;o prÄ&#x2026;du.

X&[& 5

x

# % %

Symbol przetwornika analogowo-cyfrowego o napiÄ&#x2122;ciowych sygnaĹ&#x201A;ach sterujÄ&#x2026;cym i referencyjnym zostaĹ&#x201A; przedstawiony na rys. 4.

Schemat przedstawia typowÄ&#x2026; wersjÄ&#x2122; przetwornika analogowo-cyfrowego z napiÄ&#x2122;ciem wejĹ&#x203A;ciowym Uwe oraz z zewnÄ&#x2122;trznym napiÄ&#x2122;ciem referencyjnym UREF. W monolitycznych przetwornikach analogowo-cyfrowych rezystancja wejĹ&#x203A;ciowa dla napiÄ&#x2122;cia referencyjnego UREF przyjmuje niezbyt duĹźe wartoĹ&#x203A;ci od kilku do kilkudziesiÄ&#x2122;ciu kΊ. Rezystancja wejĹ&#x203A;ciowa dla napiÄ&#x2122;cia wejĹ&#x203A;ciowego Uwe bywa znacznie wiÄ&#x2122;ksza i wyraĹźa siÄ&#x2122; wielokrotnoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; MΊ. ĹšrĂłdĹ&#x201A;a wejĹ&#x203A;ciowego sygnaĹ&#x201A;u napiÄ&#x2122;ciowego Uwe oraz zewnÄ&#x2122;trznego napiÄ&#x2122;cia referencyjnego UREF majÄ&#x2026; swoje ujemne bieguny Ĺ&#x201A;Ä&#x2026;czone z analogowym wspĂłlnym punktem ukĹ&#x201A;adu AGND (ang. analogue common). SygnaĹ&#x201A;y cyfrowe sÄ&#x2026; odnoszone do cyfrowego wspĂłlnego punktu ukĹ&#x201A;adu DGND (ang. digital common), przy czym w monolitycznych przetwornikach analogowo-cyfrowych wymagane jest, by róşnica miÄ&#x2122;dzy wspĂłlnym analogowym punktem sygnaĹ&#x201A;owym AGND oraz cyfrowym punktem sygnaĹ&#x201A;owym DGND byĹ&#x201A;a mniejsza od 1 V. CharakterystykÄ&#x2122; typowego przetwornika analogowo-cyfrowego opisuje rĂłwnanie: (6)

gdzie: XC jest sygnaĹ&#x201A;em cyfrowym.

We wspĂłĹ&#x201A;czesnych ukĹ&#x201A;adach mikroprocesorowych przekazywanie sygnaĹ&#x201A;Ăłw cyfrowych odbywa siÄ&#x2122; za poĹ&#x203A;rednictwem

a

b +UREF

+REF

+REF

+Uwe

AGND

Rys. 3. ĹšrĂłdĹ&#x201A;o prÄ&#x2026;du sterowane sygnaĹ&#x201A;em napiÄ&#x2122;ciowym o wejĹ&#x203A;ciu nieróşnicowym; a) symbol z opisem napiÄ&#x2122;cia i prÄ&#x2026;du, b) symbol uproszczony Fig. 3. The current source controlled by voltage signal having nondifferential input; a) the symbol with voltage and current description, b) the simple symbol

XC

+

XC

DGND

Rys. 4. Przetwornik analogowo-cyfrowy z wejĹ&#x203A;ciowym sygnaĹ&#x201A;em napiÄ&#x2122;ciowym oraz z zewnÄ&#x2122;trznym napiÄ&#x2122;ciem referencyjnym; a) symbol z opisem napiÄ&#x2122;Ä&#x2021; analogowych, b) symbol uproszczony Fig. 4. The analogue-digital converter having voltage input signal and voltage external reference signal; a) the symbol with voltages description, b) the simple symbol

49

B &

Z& 5 ! !

interfejsĂłw. Stosuje siÄ&#x2122; wiele odmian interfejsĂłw, najczÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ciej spotykane opisane sÄ&#x2026; w literaturze [8].

W przypadku stosowania interfejsu rĂłwnolegĹ&#x201A;ego w kodzie uĹ&#x201A;amkowym naturalnym dwĂłjkowym charakterystyka przetwornika bÄ&#x2122;dzie opisana rĂłwnaniem: U we = ( b n-1 2 -1 + b n-2 2 -2 + ........ + b 0 2 -n ) U REF

Z&V& 3

8 Â&#x20AC;6

" !

(7)

Na rys. 5 podany zostaĹ&#x201A; schemat elektryczny konwertera rezystancji na sygnaĹ&#x201A; cyfrowy z zasilaniem obwodu rezystancji ze ĹşrĂłdĹ&#x201A;a prÄ&#x2026;dowego. WystÄ&#x2122;pujÄ&#x2026; tu nastÄ&#x2122;pujÄ&#x2026;ce elementy: Râ&#x20AC;&#x201C; rezystancja przetwarzana na sygnaĹ&#x201A; cyfrowy, US â&#x20AC;&#x201C; ĹşrĂłdĹ&#x201A;o napiÄ&#x2122;cia sterowane sygnaĹ&#x201A;em napiÄ&#x2122;ciowym U z rezystancji R, ĹşrĂłdĹ&#x201A;o to charakteryzuje wspĂłĹ&#x201A;czynnik wzmocnienia kU = US/U = 1 V/V, ĹşrĂłdĹ&#x201A;o ma pomijalnÄ&#x2026; wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; konduktancji napiÄ&#x2122;ciowego wejĹ&#x203A;cia sterujÄ&#x2026;cego, Iâ&#x20AC;&#x201C; ĹşrĂłdĹ&#x201A;o prÄ&#x2026;du sterowane sygnaĹ&#x201A;em napiÄ&#x2122;ciowym UREF o wspĂłĹ&#x201A;czynniku przetwarzania gI = I/UREF wyraĹźonym w S (simens), UREF â&#x20AC;&#x201C; niestabilizowane ĹşrĂłdĹ&#x201A;o napiÄ&#x2122;cia o szeregowej rezystancji Rsz do ograniczenia prÄ&#x2026;du w obwodzie,

gdzie: bn-1, bn-2, â&#x20AC;Ś, b0 â&#x20AC;&#x201C; wspĂłĹ&#x201A;czynniki dwuwartoĹ&#x203A;ciowe, zwane stanami poszczegĂłlnych bitĂłw, ktĂłre mogÄ&#x2026; przyjmowaÄ&#x2021; tylko dwie wartoĹ&#x203A;ci albo 0 lub 1.

Przetwornik analogowo-cyfrowy wykonuje operacjÄ&#x2122; dzielenia dwu sygnaĹ&#x201A;Ăłw analogowych: napiÄ&#x2122;cia wejĹ&#x203A;ciowego Uwe i napiÄ&#x2122;cia referencyjnego UREF, co umoĹźliwia realizacjÄ&#x2122; konwerterĂłw rezystancji i konwerterĂłw konduktancji na sygnaĹ&#x201A; cyfrowy. WĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; ta byĹ&#x201A;a od dawna wykorzystywana [9] w mostkowych ukĹ&#x201A;adach pomiarowych rezystancji w celu eliminowania wpĹ&#x201A;ywu zmian napiÄ&#x2122;cia zasilania mostka na wynik cyfrowy pomiaru.

I=g U +

UREF

+

Rsz +REF

â&#x2C6;&#x2019; â&#x2C6;&#x2019;

+

X

+ U =U

U

=

U U REF

XC

UZ

+ R

C

=

Rys. 5. Konwerter rezystancji na sygnaĹ&#x201A; cyfrowy z zasilaniem rezystancji ze sterowanego ĹşrĂłdĹ&#x201A;a prÄ&#x2026;du Fig. 5. The resistance to digital converter with feed the converted resistance from controlled current source

+ R

U

+

R I

R

+

X

k

+

I +

U + R

REF

U =U

U

k =

Rys. 6. Konwerter rezystancji na sygnaĹ&#x201A; cyfrowy z zasilaniem rezystancji z niestabilizowanego ĹşrĂłdĹ&#x201A;a napiÄ&#x2122;cia Fig. 6. The resistance to digital converter with feed the converted resistance from not-stabilized voltage source

50

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Jacek Korytkowski

A/C â&#x20AC;&#x201C; przetwornik analogowo-cyfrowy o sygnale wejĹ&#x203A;ciowym napiÄ&#x2122;ciowym U oraz o sygnale zewnÄ&#x2122;trznym napiÄ&#x2122;cia referencyjnego UREF i o wyjĹ&#x203A;ciowym sygnale cyfrowym XC. SygnaĹ&#x201A; wyjĹ&#x203A;ciowy przetwornika A/C opisuje rĂłwnanie:

referencyjnego UREF i o wyjĹ&#x203A;ciowym sygnale cyfrowym XC = U/UREF. SygnaĹ&#x201A; wyjĹ&#x203A;ciowy przetwornika A/C opisuje rĂłwnanie: =

=

.

(8)

.

(11)

REF

REF

CharakterystykÄ&#x2122; sterowanego ĹşrĂłdĹ&#x201A;a prÄ&#x2026;du opisuje rĂłwnanie: I = gI UREF,

(9)

wtedy wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; przetwarzanej rezystancji dana jest wzorem:

R=

=

=

REF

.

CharakterystykÄ&#x2122; sterowanego ĹşrĂłdĹ&#x201A;a napiÄ&#x2122;cia UREF opisuje rĂłwnanie: UREF = kU2 RB I,

(12)

wĂłwczas wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; przetwarzanej rezystancji dana jest wzorem:

(10)

,

(13)

REF

Z&X& 3

8 Â&#x20AC;6

" ! #

Na rys. 6 przedstawiono schemat elektryczny konwertera rezystancji na sygnaĹ&#x201A; cyfrowy z zasilaniem obwodu rezystancji z niestabilizowanego ĹşrĂłdĹ&#x201A;a napiÄ&#x2122;cia. Na rysunku wystÄ&#x2122;pujÄ&#x2026; nastÄ&#x2122;pujÄ&#x2026;ce elementy: Râ&#x20AC;&#x201C; rezystancja przetwarzana na sygnaĹ&#x201A; cyfrowy, UZ â&#x20AC;&#x201C; niestabilizowane napiÄ&#x2122;cie zasilania ukĹ&#x201A;adu przetwarzania rezystancji R z rezystancjÄ&#x2026; RSZ do ograniczenia prÄ&#x2026;du, RB â&#x20AC;&#x201C; rezystor pomiaru prÄ&#x2026;du I w przetwarzanej rezystancji, US â&#x20AC;&#x201C; ĹşrĂłdĹ&#x201A;o napiÄ&#x2122;cia sterowane sygnaĹ&#x201A;em napiÄ&#x2122;ciowym U z rezystancji R, ĹşrĂłdĹ&#x201A;o to charakteryzuje wspĂłĹ&#x201A;czynnik wzmocnienia kU1 = US/U = 1 V/V, ĹşrĂłdĹ&#x201A;o ma pomijalnÄ&#x2026; wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; konduktancji dla napiÄ&#x2122;ciowego wejĹ&#x203A;cia sterujÄ&#x2026;cego, UREF â&#x20AC;&#x201C; ĹşrĂłdĹ&#x201A;o napiÄ&#x2122;cia sterowane napiÄ&#x2122;ciem RBI o wejĹ&#x203A;ciach róşnicowych â&#x20AC;&#x17E;+â&#x20AC;? oraz â&#x20AC;&#x17E;â&#x2C6;&#x2019;â&#x20AC;? o wspĂłĹ&#x201A;czynniku wzmocnienia napiÄ&#x2122;ciowego kU2 = UREF/RBI wyraĹźonym w V/V, A/C â&#x20AC;&#x201C; przetwornik analogowo-cyfrowy o sygnale wejĹ&#x203A;ciowym napiÄ&#x2122;ciowym U oraz o sygnale zewnÄ&#x2122;trznym napiÄ&#x2122;cia

wspĂłĹ&#x201A;czynnik przetwarzania kU2RB ma wymiar: Ί.

UkĹ&#x201A;ad konwertera z rys. 6 moĹźe mieÄ&#x2021; odmianÄ&#x2122;, w ktĂłrej szeregowy rezystor pomiaru prÄ&#x2026;du RB moĹźe zostaÄ&#x2021; przeniesiony do analogowego wspĂłlnego punktu AGND poniĹźej szeregowego rezystora przetwarzanego R. Odmiana ta jest jednak bardzo niekorzystna, gdyĹź w takiej konfiguracji Ĺźadna koĹ&#x201E;cĂłwka przetwarzanej rezystancji R nie ma bezpoĹ&#x203A;redniego poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czenia ze wspĂłlnym analogowym punktem sygnaĹ&#x201A;owym ukĹ&#x201A;adu konwertera AGND. Jak wykazano w literaturze [8], w takiej konfiguracji pojawiÄ&#x2026; siÄ&#x2122; zakĹ&#x201A;Ăłcenia od prÄ&#x2026;du pojemnoĹ&#x203A;ciowego o czÄ&#x2122;stotliwoĹ&#x203A;ci sieci zasilajÄ&#x2026;cej (50 Hz, 60 Hz). W omawianej odmianie konwertera wzmacnianie sygnaĹ&#x201A;Ăłw zakĹ&#x201A;ĂłcajÄ&#x2026;cych nastÄ&#x2026;pi przez wewnÄ&#x2122;trzne wzmacniacze sterowanego ĹşrĂłdĹ&#x201A;a napiÄ&#x2122;ciowego UREF. Przedstawiony na rys. 6 ukĹ&#x201A;ad konwertera jest odporny na zakĹ&#x201A;ĂłcajÄ&#x2026;ce prÄ&#x2026;dy pojemnoĹ&#x203A;ciowe o czÄ&#x2122;stotliwoĹ&#x203A;ci sieci zasilajÄ&#x2026;cej.

Przedstawiony na rys. 6 ukĹ&#x201A;ad konwertera ma ograniczony zakres zmiennoĹ&#x203A;ci sygnaĹ&#x201A;u wyjĹ&#x203A;ciowego wynikajÄ&#x2026;cy z faktu, Ĺźe przetworniki analogowo-cyfrowe charakteryzuje ograniczony zakres dopuszczalnej zmiennoĹ&#x203A;ci zewnÄ&#x2122;trznego napiÄ&#x2122;cia referencyjnego UREF. Tylko nieliczne wykonania przetwornikĂłw analogowo-cyfrowych (np. AD7798) [10] dopuszczajÄ&#x2026; zmiennoĹ&#x203A;Ä&#x2021; napiÄ&#x2122;cia referencyjnego UREF w zakresie od 0,1 V do 2,5 V. Dla ukĹ&#x201A;adu konwertera rezystancji z rys. 6 przy maĹ&#x201A;ej wartoĹ&#x203A;ci

Rys. 7. Konwerter konduktancji na sygnaĹ&#x201A; cyfrowy z zasilaniem tej konduktancji ze ĹşrĂłdĹ&#x201A;a napiÄ&#x2122;cia Fig. 7. The conductance to digital converter with feed the converted conductance from voltage source

51

B &

rezystancji Rsz wystÄ&#x2026;pi ograniczenie zmiennoĹ&#x203A;ci napiÄ&#x2122;cia wejĹ&#x203A;ciowego U znacznie poniĹźej wartoĹ&#x203A;ci nominalnej przewidzianej dla przetwornika A/C. Wady tej nie ma ukĹ&#x201A;ad konwertera przedstawiony na rys. 5, gdyĹź wykorzystuje on peĹ&#x201A;ny zakres zmiennoĹ&#x203A;ci napiÄ&#x2122;cia wejĹ&#x203A;ciowego przetwornika analogowo-cyfrowego U od 0% do 100% wartoĹ&#x203A;ci nominalnej, co zapewnia przetwarzanie rezystancji R teĹź w peĹ&#x201A;nym zakresie.

WartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; przetwarzanej konduktancji opisuje wzĂłr: (15)

wspĂłĹ&#x201A;czynnik przetwarzania 1/kU2RC ma wymiar: S (simens).

Przedstawiony na rys. 7 ukĹ&#x201A;ad konwertera jest odporny na zakĹ&#x201A;ĂłcajÄ&#x2026;ce prÄ&#x2026;dy pojemnoĹ&#x203A;ciowe o czÄ&#x2122;stotliwoĹ&#x203A;ci sieci zasilajÄ&#x2026;cej, gdyĹź jedna koĹ&#x201E;cĂłwka przetwarzanej konduktancji G ma bezpoĹ&#x203A;rednie poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czenie ze wspĂłlnym analogowym punktem sygnaĹ&#x201A;owym AGND. Z tego powodu odmiana schematu ukĹ&#x201A;adu, w ktĂłrej rezystor pomiaru prÄ&#x2026;du RC zostaĹ&#x201A;by przeniesiony w poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czeniu szeregowym w dĂłĹ&#x201A; poniĹźej przetwarzanej konduktancji G i doĹ&#x201A;Ä&#x2026;czony do wspĂłlnego punktu sygnaĹ&#x201A;owego AGND jest niekorzystna.

Dla ukĹ&#x201A;adu z rys. 7 moĹźliwy zakres zmiennoĹ&#x203A;ci przetwarzanej konduktancji mieĹ&#x203A;ci siÄ&#x2122; w przedziale od 0% do 100%.

Z&Z& 3

, Â&#x20AC;6

" ! #

Na rys. 7 podany zostaĹ&#x201A; schemat elektryczny konwertera konduktancji na sygnaĹ&#x201A; cyfrowy z zasilaniem obwodu konduktancji z niestabilizowanego ĹşrĂłdĹ&#x201A;a napiÄ&#x2122;cia. Na rysunku wystÄ&#x2122;pujÄ&#x2026; nastÄ&#x2122;pujÄ&#x2026;ce elementy: Gâ&#x20AC;&#x201C; konduktancja przetwarzana na sygnaĹ&#x201A; cyfrowy, UZ â&#x20AC;&#x201C; niestabilizowane napiÄ&#x2122;cie zasilania ukĹ&#x201A;adu przetwarzania konduktancji G z rezystancjÄ&#x2026; RSZ w celu ograniczenia prÄ&#x2026;du, RC â&#x20AC;&#x201C; rezystor pomiaru prÄ&#x2026;du I w przetwarzanej konduktancji, UREF â&#x20AC;&#x201C; ĹşrĂłdĹ&#x201A;o napiÄ&#x2122;cia o wejĹ&#x203A;ciu nieróşnicowym sterowane sygnaĹ&#x201A;em napiÄ&#x2122;ciowym U z konduktancji G, ĹşrĂłdĹ&#x201A;o to charakteryzuje wspĂłĹ&#x201A;czynnik kU1 = UREF/U = 1 V/V, ĹşrĂłdĹ&#x201A;o ma pomijalnÄ&#x2026; wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; konduktancji napiÄ&#x2122;ciowego wejĹ&#x203A;cia sterujÄ&#x2026;cego, US â&#x20AC;&#x201C; ĹşrĂłdĹ&#x201A;o napiÄ&#x2122;cia sterowane napiÄ&#x2122;ciem RCI o wejĹ&#x203A;ciach róşnicowych â&#x20AC;&#x17E;+â&#x20AC;? oraz â&#x20AC;&#x17E;â&#x2C6;&#x2019;â&#x20AC;? o wspĂłĹ&#x201A;czynniku wzmocnienia napiÄ&#x2122;ciowego kU2 = US/RCI wyraĹźonym w V/V, A/C â&#x20AC;&#x201C; przetwornik analogowo-cyfrowy o sygnale wejĹ&#x203A;ciowym napiÄ&#x2122;ciowym US=kU2RCI oraz o sygnale zewnÄ&#x2122;trznym napiÄ&#x2122;cia referencyjnego UREF = U i o wyjĹ&#x203A;ciowym sygnale cyfrowym XC = kU2RCI/U. SygnaĹ&#x201A; wyjĹ&#x203A;ciowy przetwornika A/C opisuje rĂłwnanie:

Z&[& 3

, Â&#x20AC;6

" !

Na rys. 8 podany zostaĹ&#x201A; schemat elektryczny konwertera konduktancji na sygnaĹ&#x201A; cyfrowy w ukĹ&#x201A;adzie z zasilaniem przetwarzanej konduktancji ze sterowanego ĹşrĂłdĹ&#x201A;a prÄ&#x2026;du. Na rysunku wystÄ&#x2122;pujÄ&#x2026; nastÄ&#x2122;pujÄ&#x2026;ce elementy: Gâ&#x20AC;&#x201C; konduktancja przetwarzana na sygnaĹ&#x201A; cyfrowy, UZ â&#x20AC;&#x201C; niestabilizowane napiÄ&#x2122;cie zasilania ukĹ&#x201A;adu przetwarzania konduktancji G z rezystancjÄ&#x2026; RSZ ograniczajÄ&#x2026;cÄ&#x2026; prÄ&#x2026;d, UREF â&#x20AC;&#x201C; ĹşrĂłdĹ&#x201A;o napiÄ&#x2122;cia o wejĹ&#x203A;ciu nie róşnicowym sterowane sygnaĹ&#x201A;em napiÄ&#x2122;ciowym U z konduktancji G, ĹşrĂłdĹ&#x201A;o to charakteryzuje wspĂłĹ&#x201A;czynnik kU1 = UREF/U = 1 V/V, ĹşrĂłdĹ&#x201A;o ma pomijalnÄ&#x2026; wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; konduktancji napiÄ&#x2122;ciowego wejĹ&#x203A;cia sterujÄ&#x2026;cego, Iâ&#x20AC;&#x201C; ĹşrĂłdĹ&#x201A;o prÄ&#x2026;du sterowane napiÄ&#x2122;ciem UWE o wejĹ&#x203A;ciu nieróşnicowym oraz o wspĂłĹ&#x201A;czynniku przetwarzania napiÄ&#x2122;cia UWE na prÄ&#x2026;d I rĂłwnym gD = I/UWE wyraĹźonym w S (simens), A/C â&#x20AC;&#x201C; przetwornik analogowo-cyfrowy o sygnale wejĹ&#x203A;ciowym napiÄ&#x2122;ciowym UWE oraz o sygnale zewnÄ&#x2122;trznym napiÄ&#x2122;cia referencyjnego UREF = U i o wyjĹ&#x203A;ciowym sygnale cyfrowym XC.

(14)

I=gDU

E

+ U

+

+REF

+ U

+ U

U

U X

E

C

=

XC

E

U

R

=U

+ U

=

Rys. 8. Konwerter konduktancji na sygnaĹ&#x201A; cyfrowy z zasilaniem tej konduktancji ze sterowanego ĹşrĂłdĹ&#x201A;a prÄ&#x2026;du Fig. 8. The conductance to digital converter with feed the converted conductance from controlled current source

52

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Jacek Korytkowski

SygnaĹ&#x201A; wyjĹ&#x203A;ciowy przetwornika A/C opisuje rĂłwnanie:

doĹ&#x201A;Ä&#x2026;czenia dodatkowego rezystora RG, ktĂłrym moĹźna nieliniowo zwiÄ&#x2122;kszaÄ&#x2021; wzmocnienie, nie naruszajÄ&#x2026;c wymaganej idealnej rĂłwnoĹ&#x203A;ci wartoĹ&#x203A;ci rezystancji par rezystorĂłw 2Ă&#x2014;R1 oraz 2Ă&#x2014;R2.

W zastosowaniach wspĂłĹ&#x201A;czesnych ukĹ&#x201A;ad dwu monolitycznych wzmacniaczy i piÄ&#x2122;ciu dokĹ&#x201A;adnych rezystorĂłw jest zastÄ&#x2122;powany jednym rezystorem i pojedynczym monolitycznym wzmacniaczem specjalizowanym np. typu LT1168 zawierajÄ&#x2026;cym w swojej wewnÄ&#x2122;trznej strukturze trzy wzmacniacze operacyjne oraz laserowo strojone rezystory dokĹ&#x201A;adne. ZaletÄ&#x2026; tego wzmacniacza specjalizowanego jest to, Ĺźe wzmocnienie róşnicy napiÄ&#x2122;Ä&#x2021; sygnaĹ&#x201A;Ăłw wejĹ&#x203A;ciowych jest ustalane tylko jednym zewnÄ&#x2122;trznym rezystorem dokĹ&#x201A;adnym RkU w szerokim zakresie od 1 V/V do 1000 V/V, a przy wymaganym wzmocnieniu 1 V/V rezystora tego nie ma (przerwa). Rezystory 4,7 kΊ sÄ&#x2026; tanimi rezystorami dla zabezpieczenia wejĹ&#x203A;cia.

Na rys. 9b podano schemat tego wzmacniacza specjalizowanego typu LT1168 opisanego w literaturze [12, 13]. Tego typu wzmacniacze specjalizowane majÄ&#x2026; bardzo dobre wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwoĹ&#x203A;ci charakterystyczne dla wzmacniaczy precyzyjnych w zakresie bardzo maĹ&#x201A;ych wartoĹ&#x203A;ci napiÄ&#x2122;Ä&#x2021; niezrĂłwnowaĹźenia, bardzo maĹ&#x201A;ych dryftĂłw temperaturowych napiÄ&#x2122;Ä&#x2021; niezrĂłwnowaĹźenia, bardzo maĹ&#x201A;ych wartoĹ&#x203A;ci prÄ&#x2026;dĂłw polaryzacji wejĹ&#x203A;Ä&#x2021;, bardzo duĹźych wartoĹ&#x203A;ci rezystancji wejĹ&#x203A;ciowych (>200 GΊ) oraz zapewniajÄ&#x2026; bardzo dobrÄ&#x2026; linowoĹ&#x203A;Ä&#x2021; charakterystyki. Wzmacniacze typu LT1168 sÄ&#x2026; przystosowane do pracy przy napiÄ&#x2122;ciach zasilania UZ do Âą20 V, i mogÄ&#x2026; pracowaÄ&#x2021; w ukĹ&#x201A;adach przetwarzania rezystancji przy napiÄ&#x2122;ciach do 15 V. Wzory opisujÄ&#x2026;ce charakterystyki sterowania ukĹ&#x201A;adĂłw (rys.

9a, rys. 10a, rys. 10b) sÄ&#x2026; przybliĹźone, publikacja [14] zawiera szczegĂłĹ&#x201A;owÄ&#x2026; analizÄ&#x2122; tych ukĹ&#x201A;adĂłw, ktĂłra umoĹźliwia uzyskanie dokĹ&#x201A;adnych opisĂłw matematycznych charakterystyk uwzglÄ&#x2122;dniajÄ&#x2026;cych szczegĂłĹ&#x201A;owe parametry wzmacniaczy monolitycznych, takich jak wejĹ&#x203A;ciowe napiÄ&#x2122;cia niezrĂłwnowaĹźenia i wejĹ&#x203A;ciowe prÄ&#x2026;dy polaryzacji wejĹ&#x203A;Ä&#x2021; wzmacniaczy.

(16)

WartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; przetwarzanej konduktancji opisuje wzĂłr: (17) Przedstawiony na rys. 8 ukĹ&#x201A;ad konwertera ma ograniczenie zmiennoĹ&#x203A;ci sygnaĹ&#x201A;u wyjĹ&#x203A;ciowego wynikajÄ&#x2026;ce z faktu, Ĺźe przetworniki analogowo-cyfrowe charakteryzuje ograniczony zakres dopuszczalnej zmiennoĹ&#x203A;ci zewnÄ&#x2122;trznego napiÄ&#x2122;cia referencyjnego UREF. Tylko nieliczne wykonania przetwornikĂłw analogowo-cyfrowych dopuszczajÄ&#x2026; zmiennoĹ&#x203A;Ä&#x2021; napiÄ&#x2122;cia referencyjnego UREF, (np. w zakresie od 0,1 V do 2,5 V [10]), co dla przestawionego ukĹ&#x201A;adu konwertera zapewnia zmiennoĹ&#x203A;Ä&#x2021; przetwarzania wartoĹ&#x203A;ci konduktancji G od 4% do 100% wartoĹ&#x203A;ci nominalnej zakresu.

[& 5 % !

% % " !

#

[&V& ! #

!~

#

Znany jest ukĹ&#x201A;ad wzmacniacza róşnicowego [8, 11] z dwoma wzmacniaczami operacyjnymi nieodwracajÄ&#x2026;cymi, wykorzystujÄ&#x2026;cy dwie pary dokĹ&#x201A;adnych rezystorĂłw 2Ă&#x2014;R1 oraz 2Ă&#x2014;R2 umoĹźliwiajÄ&#x2026;cych zmianÄ&#x2122; wzmocnienia w szerokich granicach. Jego schemat zostaĹ&#x201A; podany na rys. 9a. Ze schematu tego i opisu napiÄ&#x2122;Ä&#x2021; widaÄ&#x2021;, Ĺźe moĹźe on peĹ&#x201A;niÄ&#x2021; rolÄ&#x2122; ĹşrĂłdĹ&#x201A;a napiÄ&#x2122;cia Uwy o wejĹ&#x203A;ciu róşnicowym sterowanego sygnaĹ&#x201A;em napiÄ&#x2122;ciowym Uwe. Jak wynika ze schematĂłw (rys. 6 i 7) sterowane ĹşrĂłdĹ&#x201A;o napiÄ&#x2122;cia na swoim wejĹ&#x203A;ciu wspĂłĹ&#x201A;pracuje ze zmieniajÄ&#x2026;cÄ&#x2026; siÄ&#x2122; rezystancjÄ&#x2026; zastÄ&#x2122;pczÄ&#x2026; â&#x20AC;&#x17E;widzianÄ&#x2026;â&#x20AC;? z biegunĂłw wejĹ&#x203A;ciowych (zmieniajÄ&#x2026;ce siÄ&#x2122; R lub G).

Z tego powodu naleĹźy stosowaÄ&#x2021; wzmacniacze monolityczne o bardzo maĹ&#x201A;ym prÄ&#x2026;dzie polaryzacji wejĹ&#x203A;Ä&#x2021; i bardzo duĹźej rezystancji wejĹ&#x203A;ciowej. LiniÄ&#x2026; przerywanÄ&#x2026; zasygnalizowano moĹźliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; [11]

[&X& ! #

!~

#

PrzykĹ&#x201A;adowe ĹşrĂłdĹ&#x201A;a o wejĹ&#x203A;ciu nieróşnicowym sterowane sygnaĹ&#x201A;em napiÄ&#x2122;ciowym przedstawiono na rys. 10. SÄ&#x2026; to powszechnie znane, stosujÄ&#x2026;ce jeden wzmacniacz operacyjny, ukĹ&#x201A;ady wzmacniacza nieodwracajÄ&#x2026;cego oraz wtĂłrnika napiÄ&#x2122;cia [11, 14].

a + Uwe U

U

R

R R

U -U +U

+

G

U

+ U

U

U =

U â&#x20AC;&#x201C;U

U

ÄŹ(

R

1

U

Rys. 9. PrzykĹ&#x201A;adowe ĹşrĂłdĹ&#x201A;a napiÄ&#x2122;cia o wejĹ&#x203A;ciu róşnicowym sterowane sygnaĹ&#x201A;em napiÄ&#x2122;ciowym; a) wzmacniacz róşnicowy, b) monolityczny wzmacniacz specjalizowany LT1168 Fig. 9. The exemplar voltage sources with differential inputs controlled by the voltage signal; a) the differential amplifier, b) the monolithic instrumentation amplifier LT1168

53

B &

[&Z& !

#

!~

rĂłw konduktancji na sygnaĹ&#x201A; cyfrowy. Stwierdzono, Ĺźe sÄ&#x2026; tylko cztery podstawowe schematy najprostszych realizacji tych konwerterĂłw oraz przedstawiono i opisano te schematy. Podano kilka przykĹ&#x201A;adowych schematĂłw elektronicznych ukĹ&#x201A;adĂłw realizujÄ&#x2026;cych funkcje sterowanych ĹşrĂłdeĹ&#x201A; napiÄ&#x2122;cia i sterowanego ĹşrĂłdĹ&#x201A;a prÄ&#x2026;du umoĹźliwiajÄ&#x2026;cych realizacjÄ&#x2122; praktycznÄ&#x2026; elektronicznych konwerterĂłw rezystancji na sygnaĹ&#x201A; cyfrowy i konwerterĂłw konduktancji na sygnaĹ&#x201A; cyfrowy.

Na rys. 11 zostaĹ&#x201A;o przedstawione przykĹ&#x201A;adowe ĹşrĂłdĹ&#x201A;o prÄ&#x2026;du sterowane sygnaĹ&#x201A;em napiÄ&#x2122;ciowym. Podano schemat przetwornika napiÄ&#x2122;cie-prÄ&#x2026;d z zastosowaniem dwu wzmacniaczy odwracajÄ&#x2026;cych i kilku rezystorĂłw dokĹ&#x201A;adnych [14]. Znane z literatury przetworniki napiÄ&#x2122;cie-prÄ&#x2026;d o ukĹ&#x201A;adzie jednego wzmacniacza stosujÄ&#x2026;ce jednoczesne sprzÄ&#x2122;Ĺźenia zwrotne, zarĂłwno ujemne jak i dodatnie, charakteryzuje moĹźliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; pojawiania siÄ&#x2122; niestabilnej pracy (wzbudzenia, generacja drgaĹ&#x201E;) przy indukcyjnych lub pojemnoĹ&#x203A;ciowych obciÄ&#x2026;Ĺźeniach na wyjĹ&#x203A;ciu. Jest to powodem nie zalecania ich w omawianych ukĹ&#x201A;adach konwerterĂłw.

Dla ukĹ&#x201A;adu podanego na rys. 11, po speĹ&#x201A;nieniu warunku R1 = R2 + R3, prÄ&#x2026;d wyjĹ&#x203A;ciowy Iwy sterowany sygnaĹ&#x201A;em napiÄ&#x2122;ciowym Uwe niezaleĹźnie od rezystancji R czy konduktancji G obciÄ&#x2026;Ĺźenia, ale w zakresie liniowej pracy wzmacniacza wyjĹ&#x203A;ciowego (bez wchodzenia w stan nasycenia) speĹ&#x201A;nia zaleĹźnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; opisujÄ&#x2026;cÄ&#x2026; idealne ĹşrĂłdĹ&#x201A;o prÄ&#x2026;du sterowane napiÄ&#x2122;ciowo.

`

1. Keithley, Low Level Measurements Handbook. Precision DC Current, Voltage, and Resistance Measurements.

7th Edition. Keithley, A Tektronix Company. Printed in USA 2013.

2. Lisowski M., Metody wzorcowania cyfrowych miernikĂłw bardzo duĹźych rezystancji. â&#x20AC;&#x17E;Pomiary Automatyka Kontrolaâ&#x20AC;?. Vol. 51, Nr 10, 5â&#x20AC;&#x201C;7, 2005.

3. Michalski L., Eckersdorf K., Pomiary temperatury. Wydanie trzecie zmienione. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne.

Warszawa 1986.

4. MoroĹ&#x201E; Z., Pomiary przewodnoĹ&#x203A;ci elektrycznej cieczy przy maĹ&#x201A;ych czÄ&#x2122;stotliwoĹ&#x203A;ciach. Oficyna Wydawnicza Politechniki WrocĹ&#x201A;awskiej. WrocĹ&#x201A;aw, 2003.

5. Podsumowanie W artykule opisano wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwoĹ&#x203A;ci sterowanych ĹşrĂłdeĹ&#x201A; napiÄ&#x2122;cia i prÄ&#x2026;du oraz przetwornika analogowo-cyfrowego niezbÄ&#x2122;dnych do utworzenia schematĂłw konwerterĂłw rezystancji i konwerte-

a +

R

R

R

U

R

Uwe

R R

U

R +

R =R -

U

R R R

R

R

U

U

R

Rys. 10. PrzykĹ&#x201A;adowe ĹşrĂłdĹ&#x201A;a napiÄ&#x2122;cia o wejĹ&#x203A;ciu nie róşnicowym sterowane sygnaĹ&#x201A;em napiÄ&#x2122;ciowym; a) wzmacniacz nieodwracajÄ&#x2026;cy, b) wtĂłrnik napiÄ&#x2122;cia Fig. 10. The exemplar voltage sources with not differential inputs controlled by the voltage signal; a) the non-inverting amplifier, b) the voltage follower

I wy â&#x2030;&#x2C6;

R

R

U we U wy + (R - R - R ) R3 R2 R3 1 2 3

R

R R

U

R

+

U

+

po speĹ&#x201A;nieniu warunku: R =R +R

I

R R

R

I wy â&#x2030;&#x2C6;

U we R3

Rys. 11. PrzykĹ&#x201A;adowe ĹşrĂłdĹ&#x201A;o prÄ&#x2026;du o wejĹ&#x203A;ciu nieróşnicowym sterowane sygnaĹ&#x201A;em napiÄ&#x2122;ciowym Fig. 11. The exemplar current source with not-differential inputs controlled by the voltage signal

54

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Jacek Korytkowski

5. Warsza Z.L., Immitancyjne ukĹ&#x201A;ady czterobiegunowe (4-T) w pomiarach wieloparametrowych. Monografia, PrzemysĹ&#x201A;owy Instytut Automatyki i PomiarĂłw, Warszawa 2004.

6. Warsza Z.L., Miary dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;ci transmitancji mostka rezystancyjnego w przypadkach szczegĂłlnych. Pomiary Automatyka Kontrola, nr 10/2007.

7. Warsza Z.L., Nowe ujÄ&#x2122;cie opisu dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;ci mostka z przemysĹ&#x201A;owymi czujnikami Pt. MateriaĹ&#x201A;y konferencji PPMâ&#x20AC;&#x2122;08 â&#x20AC;&#x17E;Podstawowe Problemy Metrologii w Suchej Beskidzkiej, 11â&#x20AC;&#x201C;14 maja 2008. Prace Komisji Metrologii OddziaĹ&#x201A;u PAN w Katowicach, Konferencje, nr 8.

8. Korytkowski J., Elektroniczne symulatory rezystancji i konduktancji w ukĹ&#x201A;adach pomiarowych. Oficyna Wydawnicza PIAP. Warszawa 2014.

9. Kester W., Przetworniki A/C i C/A. Teoria i praktyka. (tĹ&#x201A;umaczenie: Nadachowski M., KrÄ&#x2122;ciejewski M., oryginaĹ&#x201A;: Analog-Digital Conversion, 2004 Analog Devices Inc.).

Wydanie I. Wydawnictwo BTC Korporacja, 2012.

10. Analog Devices, 3-Channel, Low Noise, Low Power, 16-/24-Bit, ÎŁ-Î&#x201D; ADC with On-Chip In-Amp AD7798/ AD7799. MA 02062-9106. Analog Devices, Inc. U.S.A. 2005-2007, http://www.analog.com/static/imported-files/ data_sheets/AD7798_7799.pdf.

11. Nawrocki Z., Wzmacniacze operacyjne i przetworniki pomiarowe. Oficyna Wydawnicza Politechniki WrocĹ&#x201A;awskiej. WrocĹ&#x201A;aw 2008.

12. Linear Technology, LT1168 Low Power, Single Resistor Gain Programmable, Precision Instrumentation Amplifier.

LT/LWI0906 REV A. Linear Technology Corporation 2000, http://www.linear.com/product/LT1168.

13. Korytkowski J., UkĹ&#x201A;ad elektroniczny cyfrowego syntezatora konduktancji do symulacji duĹźych rezystancji. Pomiary Automatyka Robotyka, kwartalnik nr III /2015.

14. Korytkowski J., Wzmacniacze monolityczne i metoda analizy elektronicznych ukĹ&#x201A;adĂłw z tymi wzmacniaczami. PrzemysĹ&#x201A;owy Instytut Automatyki i PomiarĂłw. Warszawa 2000.

0 ? U 8A ) ; K

) ) Abstract: The object of paper is description the electronic circuit for conversion the resistance and the conductance to digital signal with using the monolithic amplifies and the monolithic analogue-digital converter. There are shown the electric element symbols of the signal controlled voltage sources and the signal controlled current sources and also the voltage controlled analogue-digital converter, the basic electric elements for construction the schemes of the resistance to digital signal converters and the conductance to digital signal converters. There are only four basic schemes of that converters shown on figures. The paper describes the examples of realization the signal controlled voltage sources and signal controlled current source as the basic elements for construction electronic schemes of the resistance to digital converters and schemes of the conductance to digital converters.

KeywordsU ) ! ! a ! ) 8 ) ) ) ) )

= H

! " $ = &6

( $ " ' ? ' ,D-. $ ,DE+ $ ,DEH $ ;$ $ +%,% $ M 8 > ? 8 ,D.+RE%$ M ! ! > L ! ! = ,DE%R+%%E$ ' ,DE#R,DH+ ' ? ! ' 8 $ \ ! ) = P ! ! 8 U ) +$ ,DE. $ & ! A = A ! : D 8 BP ! A = ! .@ A ,@ = $ \ B ! $

55

56

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 20, Nr 1/2016, 57â&#x20AC;&#x201C;63, DOI: 10.14313/PAR_219/57

M A ! A ; !

Maciej Cader ! > L ! ! = >L L $ \ ! +%+ %+8@H. '

Leszek Kasprzyczak > 0 > ?&L< $ Y #, @%8,HD M

Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki prac projektu badawczego, ktĂłrego celem byĹ&#x201A;o zrealizowanie mobilnej platformy inspekcyjnej (MPI). Zadaniem MPI jest monitoring stref zagroĹźonych wybuchem w kopalniach wÄ&#x2122;gla kamiennego. W artykule opisano koncepcjÄ&#x2122; budowy platformy bazujÄ&#x2026;cÄ&#x2026; na normach zharmonizowanych z dyrektywÄ&#x2026; ATEX. $ U & A ; ! > L0?b A ) ! )

V&

Liczba powstajÄ&#x2026;cych konstrukcji robotĂłw gĂłrniczych Ĺ&#x203A;wiadczy o tym, Ĺźe istnieje na rynku zapotrzebowanie na tego typu produkty [2â&#x20AC;&#x201C;5]. LicencjÄ&#x2122; robota Gemini-Scout zakupiĹ&#x201A;a firma Black-I Robotics z Bostonu z intencjÄ&#x2026; uruchomienia produkcji.

Natomiast chiĹ&#x201E;ska firma Tangshan Kaicheng Electronic szacuje swoje moĹźliwoĹ&#x203A;ci produkcyjne na 1800 robotĂłw rocznie. PodstawowÄ&#x2026; funkcjonalnoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; robotĂłw gĂłrniczych jest pomiar stÄ&#x2122;ĹźeĹ&#x201E; niebezpiecznych gazĂłw i warunkĂłw klimatycznych. Wzrost Ĺ&#x203A;wiadomoĹ&#x203A;ci dotyczÄ&#x2026;cej bezpieczeĹ&#x201E;stwa, a takĹźe odpowiedzialnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; prowadzÄ&#x2026;cych akcjÄ&#x2122; powodujÄ&#x2026;, Ĺźe sztab wolaĹ&#x201A;by uĹźyÄ&#x2021; robota inspekcyjnego niĹź naraĹźaÄ&#x2021; czĹ&#x201A;owieka (podobnie jak ma to miejsce w dziaĹ&#x201A;aniach saperskich i pirotechnicznych). Przewiduje siÄ&#x2122;, Ĺźe analogiczne rozwiÄ&#x2026;zania mogÄ&#x2026; byÄ&#x2021; obligatoryjne w gĂłrnictwie.

Mobilna Platforma Inspekcyjna (MPI) jest pojazdem koĹ&#x201A;owym. KoĹ&#x201A;a MPI sÄ&#x2026; napÄ&#x2122;dzane silnikami elektrycznymi sprzÄ&#x2122;gniÄ&#x2122;tymi z przekĹ&#x201A;adniÄ&#x2026; i luzownikiem. Wszystkie te komponenty (Ĺ&#x201A;Ä&#x2026;cznie z oponami) sÄ&#x2026; wykonane wedĹ&#x201A;ug wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwych norm zharmonizowanych z dyrektywÄ&#x2026; ATEX lub komponentĂłw posiadajÄ&#x2026;cych certyfikaty lub opinie techniczne dot. zapewnienia odpowiedniego zabezpieczenia przeciwwybuchowego.

Przeznaczeniem docelowego prototypu Mobilnej Platformy Inspekcyjnej w wersji komercyjnej sÄ&#x2026; strefy wybuchowe i zagroĹźone wybuchem grupy I. Z tego wzglÄ&#x2122;du konstrukcja komercyjna powinna speĹ&#x201A;niaÄ&#x2021; wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwe wymagania dyrektywy 94/9/WE

( U & ! ( $ (

+%$,,$+%,- $ ,$%+$+%,. $

!! " #$%

(ATEX), 2004/108/WE (EMC) i 2006/42/WE (MD). SpeĹ&#x201A;nienie wymagaĹ&#x201E; odpowiednich norm zharmonizowanych z tymi dyrektywami powinno wykazaÄ&#x2021; przez domniemanie zgodnoĹ&#x203A;ci, speĹ&#x201A;nienie wymagaĹ&#x201E; przedmiotowych dyrektyw.

OgĂłlnie MPI speĹ&#x201A;nia nastÄ&#x2122;pujÄ&#x2026;ce wymagania funkcjonalne i konstrukcyjne: a) wykonanie zewnÄ&#x2122;trznych czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci platformy, obudowy i mechanicznych podzespoĹ&#x201A;Ăłw MPI z materiaĹ&#x201A;Ăłw o ograniczonej zawartoĹ&#x203A;ci stopĂłw metali lekkich i cyrkonu, a takĹźe tworzyw sztucznych, b) zapewnienie stopnia ochrony obudowy â&#x20AC;&#x201C; co najmniej IP54, c) zastosowanie napÄ&#x2122;dĂłw elektrycznych i ich odpowiednie zabezpieczenie dwoma niezaleĹźnymi Ĺ&#x203A;rodkami ochrony w celu uzyskania kategorii M1, d) zasiÄ&#x2122;g platformy do 1 km w gĹ&#x201A;Ä&#x2026;b wyrobiska, e) moĹźliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; pokonywania: pochyĹ&#x201A;oĹ&#x203A;ci co najmniej 30°, progĂłw o wysokoĹ&#x203A;ci co najmniej 20 cm, miejsc zawodnionych o gĹ&#x201A;Ä&#x2122;bokoĹ&#x203A;ci co najmniej 40 cm, f) praca w temperaturze do +60 °C i wilgotnoĹ&#x203A;ci wzglÄ&#x2122;dnej bliskiej 100% dla urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; elektronicznych i 100% dla czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci mechanicznych zwiÄ&#x2026;zanych z podwoziem i napÄ&#x2122;dami, g) obserwacja trasy przejazdu kamerÄ&#x2026; z transmisjÄ&#x2026; obrazu do stanowiska operatora. Kamery i oĹ&#x203A;wietlenie majÄ&#x2026; funkcjÄ&#x2122; zdalnego wyĹ&#x201A;Ä&#x2026;czania w celu oszczÄ&#x2122;dzania energii elektrycznej, h) moĹźliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; dokonywania pomiaru ciÄ&#x2026;gĹ&#x201A;ego i/lub na ĹźÄ&#x2026;danie stÄ&#x2122;ĹźeĹ&#x201E;: â&#x2C6;&#x2019; CH4 â&#x20AC;&#x201C; w zakresie: 0â&#x20AC;Ś100%, â&#x2C6;&#x2019; CO â&#x20AC;&#x201C; w zakresie 0â&#x20AC;Ś1000 ppm, â&#x2C6;&#x2019; CO2 â&#x20AC;&#x201C; w zakresie 0â&#x20AC;Ś5%, â&#x2C6;&#x2019; O2 â&#x20AC;&#x201C; w zakresie 0â&#x20AC;Ś25%, â&#x2C6;&#x2019; temperatura â&#x20AC;&#x201C; w zakresie 10 °Câ&#x20AC;Ś+60 °C, â&#x2C6;&#x2019; wilgotnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; wzglÄ&#x2122;dna â&#x20AC;&#x201C; minimum do 95%, i) pomiar metanu na wysokoĹ&#x203A;ci przynajmniej ok. 1,7 m, j) wykonywanie cyklicznych pomiarĂłw (z miejsca docelowego) i przesyĹ&#x201A;anie ich do konsoli operatora permanentnie lub na ĹźÄ&#x2026;danie operatora,

57

Koncepcja budowy prototypu mobilnej platformy inspekcyjnej dedykowanej do pracy w kopalniach a)

b)

c)

Rys. 1. Podstawowe, całkowite wymiary MPI: a) wysokość, b) długość, c) szerokość Rys. 1. The basic, MPI dimensions : a) height, b) length, c) width

Rys. 2. Widok poglądowy Mobilnej Platformy Inspekcyjnej z opisanymi podzespołami Rys. 2. A pictorial view of the Inspection Mobile Platform with components description

Rys. 3. Schemat blokowy układów elektronicznych i programowalnych elektronicznych Mobilnej Platformy Inspekcyjnej Rys. 3. The block diagram of electronic circuits and programmable electronic of Mobile Inspection Platform

58

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Maciej Cader, Leszek Kasprzyczak

k) moĹźliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; archiwizowania obrazĂłw i wynikĂłw pomiarĂłw na polecenie operatora.

MPI M1 jest demonstratorem technologii opracowanym w ramach projektu badawczego. Celem projektu realizowanego w konsorcjum Instytut Technik Innowacyjnych EMAG â&#x20AC;&#x201C; PrzemysĹ&#x201A;owy Instytut Automatyki i PomiarĂłw PIAP jest opracowanie demonstratora technologii Mobilnej Platformy Inspekcyjnej MPI z napÄ&#x2122;dem elektrycznym do stref zagroĹźonych wybuchem w kopalniach wÄ&#x2122;gla. Projekt pt. â&#x20AC;&#x17E;Badanie i studium wykonalnoĹ&#x203A;ci modelu mobilnej platformy inspekcyjnej kategorii M1 z napÄ&#x2122;dami elektrycznymi do stref zagroĹźonych wybuchemâ&#x20AC;? finansowany jest przez Narodowe Centrum BadaĹ&#x201E; i Rozwoju w ramach Programu BadaĹ&#x201E; Stosowanych. RolÄ&#x2026; PIAP jest opracowanie mobilnej platformy mechanicznej z uwzglÄ&#x2122;dnieniem wszystkich wymaganych zabezpieczeĹ&#x201E; przeciwwybuchowych.

Zadaniem Instytutu EMAG jest opracowanie wyposaĹźenia elektronicznego i programowalnego mobilnej platformy wraz z oprogramowaniem sterujÄ&#x2026;cym.

MPI M1 na obecnym etapie prac nie jest produktem sprzedaĹźnym.

Kluczowe podzespoĹ&#x201A;y mechaniczne MPI majÄ&#x2026; juĹź certyfikaty ATEX, certyfikaty producentĂłw gotowych podzespoĹ&#x201A;Ăłw na zgodnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; wykonania z dyrektywÄ&#x2026; ATEX lub opinie techniczne z jednostek notyfikowanych na dyrektywÄ&#x2122; ATEX.

Drugi typ zabezpieczenia â&#x20AC;&#x201C; osĹ&#x201A;ona ognioszczelna

Pierwszy typ zabezpieczenia â&#x20AC;&#x201C; odpowiednia konstrukcja silnika i przekĹ&#x201A;adni oraz zabezpieczenie hermetyczne sterownika silnika

Elementy dedykowane do bezpoĹ&#x203A;redniego kontaktu ze strefÄ&#x2026; wybuchowÄ&#x2026;: - bÄ&#x2122;ben, - Ĺ&#x203A;wiatĹ&#x201A;owĂłd, - mocowanie ukĹ&#x201A;adarki

OsĹ&#x201A;ona ognioszczelna (korpus ukĹ&#x201A;adarki) wykonana wg normy: PN-EN 60079-1:2010 Atmosfery wybuchowe -- CzÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;Ä&#x2021; 1: Zabezpieczenie urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; za pomocÄ&#x2026; osĹ&#x201A;on ognioszczelnych "d" (certyďŹ kat ATEX) Blok napÄ&#x2122;dowy ukĹ&#x201A;adarki: â&#x20AC;&#x201C; silnik wykonany zgodnie z normÄ&#x2026;: PN-EN 60079-7:2010 Atmosfery wybuchowe â&#x20AC;&#x201C; CzÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;Ä&#x2021; 7: Zabezpieczenie urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; za pomocÄ&#x2026; budowy wzmocnionej "e" â&#x20AC;&#x201C; przekĹ&#x201A;adnia planetarna wykonana w taki sposĂłb aby moĹźliwe byĹ&#x201A;o jej caĹ&#x201A;kowite zalanie olejem czyli wykonanie pierwszego typu zabezpieczenia zgodnie z normÄ&#x2026;: PN-EN 60079-6:2010 Atmosfery wybuchowe â&#x20AC;&#x201C; CzÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;Ä&#x2021; 6: Zabezpieczenie urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; za pomocÄ&#x2026; osĹ&#x201A;ony olejowej "o" (certyďŹ kat ATEX) Przepust ognioszczelny waĹ&#x201A;u osadczego na bÄ&#x2122;ben ukĹ&#x201A;adarki wykonany zgodnie z normÄ&#x2026;: PN-EN 60079-1:2010 Atmosfery wybuchowe -- CzÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;Ä&#x2021; 1: Zabezpieczenie urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; za pomocÄ&#x2026; osĹ&#x201A;on ognioszczelnych "d"; Przepust ognioszczelny dedykowany dla kabli wchodzÄ&#x2026;cych do wnÄ&#x2122;trz korpusu: Cable Gland Size 20S (certyďŹ kat ATEX) 1. BÄ&#x2122;ben na Ĺ&#x203A;wiatĹ&#x201A;owĂłd wykonany ze stali kwasowej 2. Ĺ&#x161;wiatĹ&#x201A;owĂłd dedykowany do prac w strefach zagroĹźonych wybuchem o indeksie tlenowym wiÄ&#x2122;kszym od 29 (Raport z badania nr 106 1857 2 61 12-ZLK/05/2014 â&#x20AC;&#x201C; badanie palnoĹ&#x203A;ci kabla Ĺ&#x203A;wiatĹ&#x201A;owodowego, Laboratorium BadaĹ&#x201E; Kabli i BadaĹ&#x201E; Ĺ&#x161;rodowiskowych Centrum BadaĹ&#x201E; i CertyďŹ kacji Instytutu Technik Innowacyjnych EMAG, Katowice, maj 2014)

Rys. 4. Schemat zabezpieczeĹ&#x201E; ATEX dot. korpusu ukĹ&#x201A;adarki Rys. 4. The ATEX regarding security scheme of paver body

Elementy dedykowane do bezpoĹ&#x203A;redniego kontaktu ze strefÄ&#x2026; wybuchowÄ&#x2026;: - koĹ&#x201A;o oponowe z felgÄ&#x2026; stalowe, - stalowe waĹ&#x201A;y i piasty

Mobilna Platforma Inspekcyjna (MPI) opracowana w ramach projektu jest konstrukcjÄ&#x2026; stalowÄ&#x2026; poruszajÄ&#x2026;cÄ&#x2026; siÄ&#x2122; na koĹ&#x201A;ach oponowych o odpowiedniej rezystancji. CaĹ&#x201A;kowita masa MPI wynosi 1100 kg. Jej wymiary ogĂłlne zostaĹ&#x201A;y przedstawione na rys. 1.

Drugi typ zabezpieczenia â&#x20AC;&#x201C; osĹ&#x201A;ona ognioszczelna gĹ&#x201A;Ăłwna Pierwszy typ zabezpieczenia â&#x20AC;&#x201C; odpowiednia konstrukcja silnika i przekĹ&#x201A;adni oraz zabezpieczenie hermetyczne sterownika silnika. UkĹ&#x201A;ady elektroniczne speĹ&#x201A;niajÄ&#x2026;ce normy ATEX

OsĹ&#x201A;ona ognioszczelna (korpus gĹ&#x201A;Ăłwny) wykonana wg normy: PN-EN 60079-1:2010 Atmosfery wybuchowe â&#x20AC;&#x201C; CzÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;Ä&#x2021; 1: Zabezpieczenie urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; za pomocÄ&#x2026; osĹ&#x201A;on ognioszczelnych "d" (certyďŹ kat ATEX) Blok napÄ&#x2122;dowy gĹ&#x201A;Ăłwny MPI: â&#x20AC;&#x201C; silnik wykonany wg. normy: PN-EN 60079-7:2010 Atmosfery wybuchowe -- CzÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;Ä&#x2021; 7: Zabezpieczenie urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; za pomocÄ&#x2026; budowy wzmocnionej "e" â&#x20AC;&#x201C; przekĹ&#x201A;adnia walcowa zostaĹ&#x201A;a wykonana w taki sposĂłb aby moĹźliwe byĹ&#x201A;o jej caĹ&#x201A;kowite zalanie olejem czyli wykonanie pierwszego typu zabezpieczenia zgodnie z normÄ&#x2026;: PN-EN 60079-6:2010 Atmosfery wybuchowe -- CzÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;Ä&#x2021; 6: Zabezpieczenie urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; za pomocÄ&#x2026; osĹ&#x201A;ony olejowej "o" â&#x20AC;&#x201C; akumulatory i komponenty elektroniczne wykonane przez ITI EMAG wg norm zharmonizowanych z dyrektywÄ&#x2026; ATEX, (opinie techniczne i certyďŹ katy producenta) Przepust ognioszczelny waĹ&#x201A;u gĹ&#x201A;Ăłwnego wykonany wg normy: PN-EN 60079-1:2010 Atmosfery wybuchowe -- CzÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;Ä&#x2021; 1: Zabezpieczenie urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; za pomocÄ&#x2026; osĹ&#x201A;on ognioszczelnych "d" (certyďŹ kat ATEX) WaĹ&#x201A; gĹ&#x201A;Ăłwny i piasta â&#x20AC;&#x201C; stal kwasowa KoĹ&#x201A;o oponowe osadzone na stalowej feldze. Guma, z ktĂłrej wykonana jest opona charakteryzuje siÄ&#x2122; rezystancjÄ&#x2026; mniejszÄ&#x2026; niĹź 1 GOhm (certyďŹ kat producenta)

Rys. 5. Schemat zabezpieczeĹ&#x201E; ATEX dot. korpusĂłw gĹ&#x201A;Ăłwnych Rys. 5. The ATEX regarding security scheme of main body

X& 1

; %

% KoncepcjÄ&#x2122; rozwiÄ&#x2026;zania technicznego obudĂłw gĹ&#x201A;Ăłwnych i obudĂłw ukĹ&#x201A;adarki Ĺ&#x203A;wiatĹ&#x201A;owodu MPI, opracowano na podstawie wytycznych dyrektywy ATEX i norm z niÄ&#x2026; zharmonizowanych. Dlatego w procesie konstruowania MPI przyjÄ&#x2122;to nastÄ&#x2122;pujÄ&#x2026;ce schematy zabezpieczenia zobrazowane na schematach.

Opracowanie opinii technicznej zlecono jednostce certyfikujÄ&#x2026;cej na caĹ&#x201A;oĹ&#x203A;ciowÄ&#x2026; konstrukcjÄ&#x2122; MPI celem sprawdzenia zgodnoĹ&#x203A;ci dla urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; grupy I kategorii M1 wg PNâ&#x20AC;&#x201C;EN 50303 przez model Mobilnej Platformy Inspekcyjnej. Przedmiotowa opinia zawiera nastÄ&#x2122;pujÄ&#x2026;ce konkluzje: â&#x20AC;&#x17E;OĹ&#x203A;rodek BadaĹ&#x201E;, Atestacji i Certyfikacji OBAC Sp. z o.o. potwierdza, Ĺźe zapisy zawarte w dokumentacji wymienionej w punkcie 1 bÄ&#x2122;dÄ&#x2026;cym przedmiotem niniejszej opinii sÄ&#x2026; zgodne

59

Koncepcja budowy prototypu mobilnej platformy inspekcyjnej dedykowanej do pracy w kopalniach

Rys. 6. Badanie odporności MPI na promieniowane pole elektromagnetyczne o częstotliwości radiowej Rys. 6. The radiated electromagnetic field of radio frequency test

z wymaganiami dla urządzeń grupy I kategorii M1 wg PN-EN 50303:2004 w takim zakresie, w jakim ocenione zostały podzespoły wchodzące w skład Mobilnej Platformy Inspekcyjnej MPI. W celu potwierdzenia zgodności Mobilnej Platformy Inspekcyjnej MPI z wymaganiami dla urządzeń grupy I kategorii M1 wszystkie podzespoły wchodzące w skład MPI muszą być ocenione i przebadane w pełnym zakresie norm, pod które podlegają. Zastosowanie dwóch niezależnych środków budowy przeciwwybuchowej potwierdzonych badaniami laboratoryjnymi i przeprowadzoną pełną ocenę techniczną, pozwoli na spełnienie przez Mobilną Platformę Inspekcyjną MPI wymagań, jakie stawiane są dla urządzeń grupy I kategorii M1 wg PN-EN 50303:2004.”

W trakcie realizacji projektu prowadzono prace związane z przystosowaniem konstrukcji Mobilnej Platformy Inspekcyjnej do spełnienia wymagań dyrektywy 2004/108/WE (EMC) i norm z nią zharmonizowanych oraz przeprowadzono badania w akredytowanym Laboratorium Badań Kompatybilności Elektromagnetycznej Instytutu Technik Innowacyjnych EMAG. Przeprowadzono badania odporności na wyładowania elektrostatyczne ESD: − kontaktowe do powierzchni przewodzących ±4 kV, − w powietrzu do powierzchni izolacyjnych ±2 kV, ±4 kV, ±8 kV.

Rys. 7. Ustawienie robota MPI w komorze bezodbiciowej podczas pomiaru elektromagnetycznych zaburzeń promieniowanych Rys. 7. Orientation of MPI in anechoic chamber during the measurement of radiated electromagnetic disturbances

80

70

Level in dBμV/m

60

PN-EN 61000-6-4 Electric Field Strength 3 m QP

50

40

30

20

10

0 30M

50

60

80 100M

200

300

400

500

800

1G

Frequency in Hz Preview Result 2-AVG Preview Result 1-PK+ PN-EN 61000-6-4 Electric Field Strength 3 m QP Final_Result QPK

Rys. 8. Wykresy uzyskane podczas pomiaru elektromagnetycznych zaburzeń promieniowanych z MPI potwierdzające emisję poniżej dopuszczalnego limitu wyznaczonego przez normę PN-EN 61000-6-4 Rys. 8. Graphs obtained after the measurement of electromagnetic disturbances radiated from the MPI confirming emissions below the permissible limit set by the PN-EN 61000-6-4

60

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

Rys. 9. Kadr z filmu obrazujący zjazd MPI do korytarza kopalni, po równi pochyłej Rys. 9. MPI entry to the mine passage across the slippery slope

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Maciej Cader, Leszek Kasprzyczak

Rys. 10. MPI po zjeĹşdzie do korytarza kopalnianego, przed wykonaniem testĂłw Rys. 10. MPI in excavation before performing tests

Rys. 11. MPI podczas postojowego testu kamer â&#x20AC;&#x201C; â&#x20AC;&#x17E;oĹ&#x203A;lepianieâ&#x20AC;? kamery â&#x20AC;&#x201C; test reakcji kamer na rozbĹ&#x201A;yski Rys. 11. MPI during the parking test cameras â&#x20AC;&#x201C; â&#x20AC;&#x17E;dazzlingâ&#x20AC;? camera â&#x20AC;&#x201C; a reaction test to flashes of cameras

EUT speĹ&#x201A;niĹ&#x201A; kryterium oceny dziaĹ&#x201A;ania A, a wiÄ&#x2122;c brak pogorszenia funkcjonowania w trakcie naraĹźania.

NastÄ&#x2122;pnie przeprowadzono badania odpornoĹ&#x203A;ci na promieniowane pole elektromagnetyczne (rys. 6) o czÄ&#x2122;stotliwoĹ&#x203A;ci radiowej: â&#x2C6;&#x2019; 80â&#x20AC;&#x201C;1000 MHz: 10 V/m, â&#x2C6;&#x2019; 1,4â&#x20AC;&#x201C;2,0 GHz: +3 V/m, â&#x2C6;&#x2019; 2,0â&#x20AC;&#x201C;2,7 GHz: +1 V/m.

EUT speĹ&#x201A;niĹ&#x201A; kryterium oceny dziaĹ&#x201A;ania A. W celu stwierdzenia, czy MPI emituje pole elektromagnetyczne o niedopuszczalnych wartoĹ&#x203A;ciach, dokonano pomiaru elektromagnetycznych zaburzeĹ&#x201E; promieniowanych (rys. 7) i osiÄ&#x2026;gniÄ&#x2122;to dopuszczalne wartoĹ&#x203A;ci przedstawione na wykresie (rys. 8).

Podczas naraĹźania EUT na pole elektromagnetyczne stwierdzono, Ĺźe organy wykonawcze robota nie wykonujÄ&#x2026; Ĺźadnych niekontrolowanych ruchĂłw. PrawidĹ&#x201A;owo pracuje rĂłwnieĹź wyposaĹźenie osĹ&#x201A;ony nadciĹ&#x203A;nieniowej, ktĂłra stanowi zabezpieczenie dla urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; bÄ&#x2122;dÄ&#x2026;cych czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ciÄ&#x2026; wyposaĹźenia dodatkowego MPI (kamery RGB i termowizyjnÄ&#x2026;). Nie stwierdzono jakichkolwiek problemĂłw z transmisyjnych pomiÄ&#x2122;dzy konsolÄ&#x2026; operatora a czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ciÄ&#x2026; mobilnÄ&#x2026; robota.

Z uwagi na to, Ĺźe MPI jest maszynÄ&#x2026; mobilnÄ&#x2026; zaistniaĹ&#x201A;a koniecznoĹ&#x203A;Ä&#x2021; zastosowania wymagaĹ&#x201E; dyrektywy maszynowej 2006/42/WE i norm z niÄ&#x2026; zharmonizowanych. Na podstawie normy PN-EN ISO 12100 przeprowadzono proces oceny ryzyka, na ktĂłry skĹ&#x201A;adajÄ&#x2026; analiza ryzyka i ewaluacja ryzyka. W zakresie analizy ryzyka wyodrÄ&#x2122;bniono ograniczenia maszyny, zidentyfikowano zagroĹźenia i oszacowano ryzyko.

W przypadku maĹ&#x201A;o prawdopodobnej awarii polegajÄ&#x2026;cej na niekontrolowanej jeĹşdzie pojazdu zagraĹźajÄ&#x2026;cemu zdrowiu otaczajÄ&#x2026;cych go osĂłb naleĹźy zastosowaÄ&#x2021; funkcjÄ&#x2122; zatrzymania awaryjnego opartÄ&#x2026; o ukĹ&#x201A;ad sterowania zwiÄ&#x2026;zany z bezpieczeĹ&#x201E;stwem opisanÄ&#x2026; w artykule [1].

Podczas testĂłw dokonano weryfikacji pokonania wszystkich zaĹ&#x201A;oĹźonych w projekcie przeszkĂłd, z wyjÄ&#x2026;tkiem przejazdu przez teren zawodniony. Weryfikacji przejazdu przez tÄ&#x2026; przeszkodÄ&#x2122; ze wzglÄ&#x2122;du na brak przeszkody tego typu dokonano w innym terminie. PrĂłba zakoĹ&#x201E;czyĹ&#x201A;a siÄ&#x2122; sukcesem.

Wyniki testu przeprowadzonego przez CSRG opisano w raporcie: â&#x20AC;&#x17E;Raport z badaĹ&#x201E; trakcyjnych Mobilnej Platformy Inspekcyjnej MPI, Centralna Stacja Ratownictwa GĂłrniczego SA, Laboratorium Badania i Opiniowania SprzÄ&#x2122;tu, Bytom, czerwiec 2015â&#x20AC;?

GĹ&#x201A;Ăłwne wnioski z raportu CSRG zacytowano poniĹźej: â&#x20AC;&#x17E;5. Ocena koĹ&#x201E;cowa wynikĂłw badaĹ&#x201E; Przeprowadzone badania trakcyjne Mobilnej Platformy Inspekcyjnej MPI pozwalajÄ&#x2026; stwierdziÄ&#x2021;, z uwzglÄ&#x2122;dnieniem uwag przywoĹ&#x201A;anych w treĹ&#x203A;ci niniejszego raportu, iĹź: 1) zaĹ&#x201A;oĹźone wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwoĹ&#x203A;ci i cechy mogÄ&#x2026; w zidentyfikowanych sytuacjach pozwoliÄ&#x2021; na zastÄ&#x2026;pienia czĹ&#x201A;owieka â&#x20AC;&#x201C; ratownika platformÄ&#x2026; MPI podczas wykonywania inspekcji poziomych podziemnych wyrobisk i pomiarĂłw parametrĂłw Ĺ&#x203A;rodowiska, szczegĂłlnie w warunkach utrudnionego poruszania siÄ&#x2122; z uwagi na wystÄ&#x2122;pujÄ&#x2026;ce niewielkie przeszkody na trasie inspekcji.

2) wykonanie czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci mobilnej speĹ&#x201A;nia w sposĂłb wystarczajÄ&#x2026;cy zaĹ&#x201A;oĹźone wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwoĹ&#x203A;ci i cechy, ktĂłre opisane zostaĹ&#x201A;y w pkt. 1.

Przeszkody napotykane na trasie byĹ&#x201A;y sprawnie omijane lub przekraczane, co jednakĹźe powodowaĹ&#x201A;o istotne wydĹ&#x201A;uĹźenie czasu przejazdu wzglÄ&#x2122;dem maksymalnych moĹźliwoĹ&#x203A;ci platformy. PrÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;Ä&#x2021;, z jakÄ&#x2026; pokonywany byĹ&#x201A; podjazd pod wzniesienie o duĹźym nachyleniu wskazuje na posiadanie znacznych rezerw mocy urzÄ&#x2026;dzenia.

3) funkcjonowanie stacji operatora (konsoli i zasilania) byĹ&#x201A;o poprawne. Komunikacja drogÄ&#x2026; bezprzewodowÄ&#x2026; (na odcinku ok. 25 m) w aplikacji kierowania urzÄ&#x2026;dzeniem dziaĹ&#x201A;aĹ&#x201A;a niezawodnie. UĹźyte w prototypowej wersji sterowanie platformÄ&#x2026; MPI przez operatora przy pomocy joysticka pozwalaĹ&#x201A;o na sprawne sterowanie kierunkiem ruchu platformy oraz zamontowanÄ&#x2026; na niej kamerÄ&#x2026; kolorowÄ&#x2026;.â&#x20AC;?

Z& +

~ ; Mobilna Platforma Inspekcyjna w ramach jednego z zadaĹ&#x201E; w projekcie zostaĹ&#x201A;a powierzona specjalistom z Centralnej Stacji Ratownictwa GĂłwniczego w celu realizacji badaĹ&#x201E; funkcjonalnych i trakcyjnych MPI w kopalni KrĂłlowa Luiza (rys. 12).

Testy trakcyjne polegaĹ&#x201A;y na przejechaniu zadanego odcinka wyrobiska gĂłrniczego oraz na pokonaniu rĂłwni pochyĹ&#x201A;ej o kÄ&#x2026;cie nachylenia ok. 30°, ktĂłra stanowiĹ&#x201A;a zjazd/wyjazd z korytarzy testowych wyrobiska kopalni.

[&

Roboty gĂłrnicze oprĂłcz wymagaĹ&#x201E; funkcjonalnych muszÄ&#x2026; speĹ&#x201A;niaÄ&#x2021; wymagania dyrektyw europejskich â&#x20AC;&#x201C; ATEX, EMC i MD. Niestety osĹ&#x201A;ony ognioszczelne, osĹ&#x201A;ony z nadciĹ&#x203A;nieniem i hermetyzacja powodujÄ&#x2026; wzrost masy i gabarytĂłw, a co za tym idzie pogorszenie funkcjonalnoĹ&#x203A;ci. W trakcie trwa-

61

Koncepcja budowy prototypu mobilnej platformy inspekcyjnej dedykowanej do pracy w kopalniach

Rys. 12. Plan wyrobiska górniczego z zaznaczoną trasą przejazdu MPI (ok. 400 m) na czerwono oraz z zaznaczoną kolorem zielonym równią pochyłą Rys. 12. Mine working plan with the selected route passing MPI (approx. 400 m) in red and with a marked of slippery slope

62

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Maciej Cader, Leszek Kasprzyczak

nia projektu rozwiÄ&#x2026;zano szereg problemĂłw konstrukcyjnych godzÄ&#x2026;c funkcjonalnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; robota z wymaganiami norm przeciwwybuchowych, kompatybilnoĹ&#x203A;ci elektromagnetycznej oraz bezpieczeĹ&#x201E;stwa maszyn. W efekcie twĂłrcy demonstratora Mobilnej Platformy Inspekcyjnej otrzymali wyróşnienia na krajowych i Ĺ&#x203A;wiatowych wystawach: â&#x2C6;&#x2019; 17 kwietnia 2015 r. w Genewie w Szwajcarii â&#x20AC;&#x201C; srebrny medal, â&#x2C6;&#x2019; 21â&#x20AC;&#x201C;23 maja 2015 r. w Kuala Lumpur w Malezji â&#x20AC;&#x201C; srebrny medal, â&#x2C6;&#x2019; 26 czerwca 2015 r. w Krakowie â&#x20AC;&#x201C; zĹ&#x201A;oty medal, â&#x2C6;&#x2019; XVIII Moskiewski MiÄ&#x2122;dzynarodowy Salon Archimedes 2015, Rosja â&#x20AC;&#x201C; zĹ&#x201A;oty medal, â&#x2C6;&#x2019; 12â&#x20AC;&#x201C;14 paĹşdziernika 2015 r. â&#x20AC;&#x201C; 9. MiÄ&#x2122;dzynarodowa Warszawska Wystawa WynalazkĂłw, IWIS 2015 â&#x20AC;&#x201C; brÄ&#x2026;zowy medal.

Dalszy rozwĂłj MPI powinien iĹ&#x203A;Ä&#x2021; w kierunku minimalizacji gabarytĂłw i masy, poprzez optymalne wykorzystanie przestrzeni wewnÄ&#x2026;trz osĹ&#x201A;on i zastosowanie nowych, lĹźejszych materiaĹ&#x201A;Ăłw na osĹ&#x201A;ony ognioszczelne, Ĺ&#x201A;atwy demontaĹź i montaĹź podzespoĹ&#x201A;Ăłw robota, np. kĂłĹ&#x201A; celem przesuniÄ&#x2122;cia MPI przez lutniÄ&#x2122; w tamie o Ĺ&#x203A;rednicy 80 cm, montaĹź ukĹ&#x201A;adarki Ĺ&#x203A;wiatĹ&#x201A;owodu na Ĺ&#x203A;rodku pojazdu celem zachowania rĂłwnowagi Ĺ&#x203A;rodka ciÄ&#x2122;ĹźkoĹ&#x203A;ci masy przy pokonywaniu wzniesieĹ&#x201E;, zintegrowanie kilku mikrokontrolerĂłw w jeden o wiÄ&#x2122;kszej mocy obliczeniowej i przez to zredukowanie liczby obwodĂłw izolowanych, nadanie wiÄ&#x2122;kszej autonomii przez zastosowanie skanerĂłw laserowych i tworzenie przestrzennych map korytarzy.

5

#

Projekt finansowany ze Ĺ&#x203A;rodkĂłw Narodowego Centrum BadaĹ&#x201E; i Rozwoju w ramach Programu BadaĹ&#x201E; Stosowanych, realizowany przez konsorcjum naukowe: Instytut Technik Innowacyjnych EMAG i PrzemysĹ&#x201A;owy Instytut Automatyki i PomiarĂłw PIAP. Nr umowy: PBS1/A2/12/2012; czas realizacji: 1 XI 2012 â&#x20AC;&#x201C; 31 VIII 2015.

`

1. Kasprzyczak L., Szwejkowski P., Nowak D., Cader M., Analiza funkcji bezpieczeĹ&#x201E;stwa i dobĂłr napÄ&#x2122;dĂłw dla gĂłrniczej Mobilnej Platformy Inspekcyjnej, â&#x20AC;&#x17E;Maszyny Elektryczne â&#x20AC;&#x201C; Zeszyty Problemoweâ&#x20AC;?, Nr 2/2015 (106), Katowice, 99â&#x20AC;&#x201C;106.

2. Kasprzyczak L., Nowak D., GoĹ&#x201A;Ä&#x2026;bek A., PrzeglÄ&#x2026;d inspekcyjnych robotĂłw gĂłrniczych, â&#x20AC;&#x17E;Mechanizacja i Automatyzacja GĂłrnictwaâ&#x20AC;?, 9(511)/2013, 31â&#x20AC;&#x201C;36.

3. Green J., Mine rescue robots requirements. Outcomes from an industry workshop, 6th Robotics and Mechatronics Conference (RobMech), 2013, 111â&#x20AC;&#x201C;116, DOI: 10.1109/RoboMech.2013.6685501.

4. Kasprzyczak L., Trenczek S., Cader M., Robot for monitoring hazardous environments as a mechatronic product, â&#x20AC;&#x153;Journal of Automation, Mobile Robotics & Intelligent Systems JAMRISâ&#x20AC;?, Vol. 6, No. 4, 2012, 57â&#x20AC;&#x201C;64.

5. Murphy R., Kravitz J., Stover S., Shoureshi R., Mobile robots in mine rescue and recovery, IEEE Robotics & Automation Magazine, Vol. 16, No. 2, 2009, 91â&#x20AC;&#x201C;103, DOI: 10.1109/ MRA.2009.932521.

0 ; O ) ; & A > ; ! ; " & Abstract: The article presents the results of a research project whose aim was to realize mobile platform inspection (MPI). MPI task is to monitor hazardous areas in underground coal mines. The article describes the concept of building a platform based on harmonized standards with the ATEX Directive.

KeywordsU ! A ; ! L0?b ; A ) !

' =

. (

= N

! "

! ( $

$ ( A ! )$

LA ' & ) ? 8 ) Y ' 8 $ SA ! ) > L ! ! = >L $ 8 ! ! 8 ! ! ! ! ! 8 ) ! ! $ ' = 8 A ! B A B ! A B$

LA T B < 8 L ! K A S

O ? & $ ! A ; 8 ! ) ! L Y A^>?'$

63

64

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 20, Nr 1/2016, 65â&#x20AC;&#x201C;68, DOI: 10.14313/PAR_219/65

K ! ! ! ; ! ! ; ! ! !

" # ) " $ ! "

S ' ? L ! > ; ! $ = E. FA $ ,G @-8E-H S

)

W artykule przedstawiono sposĂłb realizacji lokalnego mechanizmu komunikacji w generycznej platformie programowej realizujÄ&#x2026;cej wymianÄ&#x2122; danych, przystosowanej do pracy w rozproszonych systemach sterowania. W pracy omĂłwiono strukturÄ&#x2122; warstw oprogramowania odpowiedzialnÄ&#x2026; za transport pakietĂłw wewnÄ&#x2026;trz pojedynczej instancji platformy. Zaprezentowano przykĹ&#x201A;adowe scenariusze uĹźycia mechanizmĂłw komunikacji lokalnej. $ U ! ; ! ! !

V&

Jednym z podstawowych zagadnieĹ&#x201E; koniecznych do realizacji w rozproszonych systemach sterowania jest zapewnienie szybkiej i poprawnej komunikacji miÄ&#x2122;dzy jej wÄ&#x2122;zĹ&#x201A;ami. W pracy zaprezentowana zostaĹ&#x201A;a platforma informatyczna przystosowana do realizacji tego celu. UmoĹźliwia ona uzyskanie wysokiej wydajnoĹ&#x203A;ci przez udostÄ&#x2122;pnienie mechanizmĂłw pozwalajÄ&#x2026;cych na przesyĹ&#x201A;anie informacji zarĂłwno lokalnie â&#x20AC;&#x201C; w obrÄ&#x2122;bie pojedynczego wÄ&#x2122;zĹ&#x201A;a, jak i w caĹ&#x201A;ej sieci miÄ&#x2122;dzy jej wÄ&#x2122;zĹ&#x201A;ami. W artykule przedstawiono mechanizm lokalnej wymiany informacji.

Wydzielenie komunikacji lokalnej w obrÄ&#x2122;bie pojedynczej struktury sprzÄ&#x2122;towej z ogĂłlnego systemu wymiany informacji powoduje odciÄ&#x2026;Ĺźenie Ĺ&#x201A;Ä&#x2026;cz komunikacyjnych i umoĹźliwia budowÄ&#x2122; ukĹ&#x201A;adĂłw o wiÄ&#x2122;kszej liczbie wÄ&#x2122;zĹ&#x201A;Ăłw. Oprogramowanie platformy zostaĹ&#x201A;o przystosowane do pracy i uruchomione z systemem operacyjnym Linux Debian.

GĹ&#x201A;Ăłwnym celem projektu jest opracowanie oprogramowania peĹ&#x201A;niÄ&#x2026;cego rolÄ&#x2122; poĹ&#x203A;rednika miÄ&#x2122;dzy systemem operacyjnym a aplikacjami sterujÄ&#x2026;cymi. KaĹźda z aplikacji uruchomionych na platformie moĹźe wykorzystywaÄ&#x2021; jej funkcjonalnoĹ&#x203A;ci przez odwoĹ&#x201A;ywanie siÄ&#x2122; do funkcji API. Program opracowany do wspĂłĹ&#x201A;pracy z platformÄ&#x2026; komunikacyjnÄ&#x2026; nie wymaga wiÄ&#x2122;kszych zmian w celu przystosowania do wspĂłĹ&#x201A;pracy z innym systemem operacyjnym oraz z innÄ&#x2026; platformÄ&#x2026; sprzÄ&#x2122;towÄ&#x2026;. KaĹźda aplikacja moĹźe realizowaÄ&#x2021; dedykowane dla niej zadania, jednoczeĹ&#x203A;nie umoĹźliwiajÄ&#x2026;c wymianÄ&#x2122; informacji z innymi programami uruchomionymi na platformie w obrÄ&#x2122;bie danego wÄ&#x2122;zĹ&#x201A;a, jak i z aplikacjami uruchomionymi w innych wÄ&#x2122;zĹ&#x201A;ach systemu. Zadaniem platformy

jest peĹ&#x201A;nienie roli poĹ&#x203A;rednika miÄ&#x2122;dzy aplikacjami a systemem operacyjnym, przy zapewnieniu generycznoĹ&#x203A;ci kodu programĂłw bazujÄ&#x2026;cych na niej. Zastosowanie platformy pozwala na opracowanie oprogramowania dedykowanego dla rozproszonych systemĂłw sterowania. NajwaĹźniejszym atutem tego rozwiÄ&#x2026;zania jest moĹźliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; wykreowania Ĺ&#x203A;rodowiska, ktĂłre pozwala na przyĹ&#x201A;Ä&#x2026;czenie duĹźej liczby moduĹ&#x201A;Ăłw i udostÄ&#x2122;pnienie mechanizmĂłw komunikacyjnych bez podziaĹ&#x201A;u na wymianÄ&#x2122; globalnÄ&#x2026; i lokalnÄ&#x2026;.

Oznacza to, Ĺźe projektujÄ&#x2026;c aplikacjÄ&#x2122;, stosuje siÄ&#x2122; te same funkcje API zarĂłwno w przypadku przesĹ&#x201A;ania informacji miÄ&#x2122;dzy aplikacjami uruchomionymi w tym samym wÄ&#x2122;Ĺşle, jak i w wÄ&#x2122;zĹ&#x201A;ach znajdujÄ&#x2026;cych siÄ&#x2122; w innych punktach ukĹ&#x201A;adu sterowania. Program wykorzystujÄ&#x2026;cy udostÄ&#x2122;pnionÄ&#x2026; przez platformÄ&#x2122; bibliotekÄ&#x2122; traktuje aplikacje uruchomione w róşnych wÄ&#x2122;zĹ&#x201A;ach tak, jakby byĹ&#x201A;y one uruchomione lokalnie w tym samym wÄ&#x2122;Ĺşle ukĹ&#x201A;adu sterowania.

Jednym z najbardziej popularnych juĹź istniejÄ&#x2026;cych rozwiÄ&#x2026;zaĹ&#x201E;, umoĹźliwiajÄ&#x2026;cych lokalnÄ&#x2026;, jak i globalnÄ&#x2026; komunikacjÄ&#x2122; w systemach sterowania, jest biblioteka OpenRTM, bazujÄ&#x2026;ca na wyspecyfikowanych standardach RT-middleware (ang. Robotics Technology Middleware). [7] GĹ&#x201A;ĂłwnÄ&#x2026; róşnicÄ&#x2026; miÄ&#x2122;dzy opisywanym rozwiÄ&#x2026;zaniem a istniejÄ&#x2026;cym oprogramowaniem OpenRTM jest to, Ĺźe prezentowana platforma umoĹźliwia Ĺ&#x201A;atwiejszÄ&#x2026; integracjÄ&#x2122; juĹź istniejÄ&#x2026;cych systemĂłw â&#x20AC;&#x201C; brak tu ustalonych reguĹ&#x201A; odnoszÄ&#x2026;cych siÄ&#x2122; do struktury programu. Proponowana platforma komunikacyjna zostaĹ&#x201A;a pozbawiona wszelkich zbÄ&#x2122;dnych elementĂłw umoĹźliwiajÄ&#x2026;cych blokowe tworzenie oprogramowania ze wzglÄ&#x2122;du na czas wykonywania oraz kompilacji projektu. Nie zawiera ona Ĺźadnych reguĹ&#x201A; dotyczÄ&#x2026;cych procesu sterowania. ReguĹ&#x201A;y te definiuje dopiero programista tworzÄ&#x2026;cy koĹ&#x201E;cowÄ&#x2026; aplikacjÄ&#x2122;.

X& ) %

% ( U ! ! ()! $ ! (

D$,%$+%,- #$%+$+%,.

!! " #$%

Zadaniem platformy programowej jest udostÄ&#x2122;pnienie mechanizmĂłw umoĹźliwiajÄ&#x2026;cych twĂłrcom aplikacji sterujÄ&#x2026;cych realizacjÄ&#x2122; mechanizmĂłw wymiany danych w systemach sterowania o strukturze rozproszonej.

Funkcje udostÄ&#x2122;pniane przez gĹ&#x201A;ĂłwnÄ&#x2026; bibliotekÄ&#x2122; prezentowanej platformy NodeAPI oparte sÄ&#x2026; Ĺ&#x203A;ciĹ&#x203A;le na wykorzystaniu systemowych mechanizmĂłw wymiany danych. Ĺ&#x161;rodowisko to moĹźe

65

Realizacja mechanizmu lokalnej wymiany informacji w ramach platformy komunikacyjnej w rozproszonych systemach ...

Rys. 1. Budowa adresu transportowego (ang. Transport ID) Fig. 1. Transport ID structure

Rys. 2. Routing danych miÄ&#x2122;dzy wÄ&#x2122;zĹ&#x201A;ami platformy Fig. 2. Data flow between platform nodes

zostaÄ&#x2021; zainstalowane na dowolnej platformie sprzÄ&#x2122;towej, po doĹ&#x201A;Ä&#x2026;czeniu odpowiednich bibliotek. Do przeprowadzenia testĂłw wybrano system Linux Debian wraz z niezbÄ&#x2122;dnymi narzÄ&#x2122;dziami sĹ&#x201A;uĹźÄ&#x2026;cymi do kompilacji kodu platformy, jednak po dostosowaniu moĹźe ona wspĂłĹ&#x201A;pracowaÄ&#x2021; z dowolnym systemem operacyjnym.

Kod platformy zawiera elementy jÄ&#x2122;zyka C++ wykorzystujÄ&#x2026;ce funkcjonalnoĹ&#x203A;ci wersji C++11. Z tego powodu wymagana jest kompilacja z udziaĹ&#x201A;em kompilatora gcc, ktĂłry wspiera tÄ&#x2122; wersjÄ&#x2122;.

Preferowana wersja to 5.11 ze wzglÄ&#x2122;du na peĹ&#x201A;ne wsparcie nowego standardu jÄ&#x2122;zyka. Pliki konfigurujÄ&#x2026;ce poprawnÄ&#x2026; kompilacjÄ&#x2122; (ang. makefiles) sÄ&#x2026; generowane za pomocÄ&#x2026; CMake w wersji 2.8.10 [1].

System Linux Debian dostarcza szereg mechanizmĂłw komunikacji wewnÄ&#x2026;trzsystemowej: Ĺ&#x201A;Ä&#x2026;cza (potoki) nazwane i nienazwane, pamiÄ&#x2122;Ä&#x2021; wspĂłĹ&#x201A;dzielonÄ&#x2026;, kolejki itp. Do realizacji mechanizmĂłw wymiany danych wewnÄ&#x2026;trz pojedynczej platformy sprzÄ&#x2122;towej wybrano gniazda dziedziny Linuxa (ang. Linux domain sockets). Gniazda te wymieniajÄ&#x2026; informacje za pomocÄ&#x2026; pamiÄ&#x2122;ci wspĂłĹ&#x201A;dzielonej. ZaletÄ&#x2026; wykorzystania takiego rozwiÄ&#x2026;zania jest prostota implementacji. Interfejs funkcyjny odpowiada stosowanemu w przypadku normalnych gniazd, jakie sÄ&#x2026; tworzone dla pakietĂłw TCP/IP lub UDP. UmoĹźliwia on tworzenie funkcjonalnoĹ&#x203A;ci lokalnej wymiany danych [2].

wspomnianego adresu odbywa siÄ&#x2122; przez uĹźycie funkcji RegisterTransportAddress. Poprawne wykonanie funkcji powoduje, Ĺźe system przydziela 32-bitowy adres transportowy o strukturze przedstawionej na rys. 1.

Pierwsze przesyĹ&#x201A;ane 16 bitĂłw TID (ang. Transport ID) okreĹ&#x203A;la adres wÄ&#x2122;zĹ&#x201A;a platformy (moduĹ&#x201A;u sprzÄ&#x2122;towego), pozostaĹ&#x201A;ych 16 oznacza adres aplikacji. W ramach komunikacji lokalnej adres wÄ&#x2122;zĹ&#x201A;a platformy nie ma znaczenia. MoĹźe zostaÄ&#x2021; uzupeĹ&#x201A;niony zerami, jeĹ&#x203A;li aplikacje komunikujÄ&#x2026; siÄ&#x2122; w obrÄ&#x2122;bie jednego wÄ&#x2122;zĹ&#x201A;a sprzÄ&#x2122;towego. LNCL zareaguje tylko wĂłwczas, gdy ta czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;Ä&#x2021; adresu bÄ&#x2122;dzie róşna od zera. W takim przypadku warstwa ta sprawdzi, czy adresowany wÄ&#x2122;zeĹ&#x201A; istnieje w systemie, wykorzystujÄ&#x2026;c w tym celu odpowiednie zapytanie do warstwy NDL (ang. Nodes Detection Layer). Warstwa NDL udostÄ&#x2122;pnia funkcjonalnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; umoĹźliwiajÄ&#x2026;cÄ&#x2026; pozyskanie listy wÄ&#x2122;zĹ&#x201A;Ăłw dostÄ&#x2122;pnych w ramach caĹ&#x201A;ego rozproszonego systemu sterowania. JeĹ&#x203A;li dany wÄ&#x2122;zeĹ&#x201A; istnieje, to warstwa LNCL przekaĹźe dane do warstwy GNCL (ang. Global Node Communication Layer) w celu wysĹ&#x201A;ania ich do innego moduĹ&#x201A;u sprzÄ&#x2122;towego.

W zwiÄ&#x2026;zku z tym, Ĺźe nie ma Ĺźadnych ograniczeĹ&#x201E; co do wielkoĹ&#x203A;ci pakietĂłw przesyĹ&#x201A;anych za poĹ&#x203A;rednictwem warstwy LNCL, przesyĹ&#x201A;anie danych zostaĹ&#x201A;o podzielone na dwie czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci. W chwili, gdy jedna aplikacja, po poprawnej rejestracji adresu transportowego, zamierza wysĹ&#x201A;aÄ&#x2021; dane do drugiej juĹź zarejestrowanej aplikacji, programista powinien wywoĹ&#x201A;aÄ&#x2021; funkcjÄ&#x2122; CreateMessage.

Funkcja ta umoĹźliwia przygotowanie nagĹ&#x201A;Ăłwka wiadomoĹ&#x203A;ci docelowej z danymi do wysyĹ&#x201A;ki oraz wysĹ&#x201A;anie go do warstwy LNCL. NagĹ&#x201A;Ăłwek informuje warstwÄ&#x2122;, Ĺźe mechanizmy w niej zaimplementowane powinny oczekiwaÄ&#x2021; nadejĹ&#x203A;cia pakietu o podanych w nagĹ&#x201A;Ăłwku rozmiarach. Po wysĹ&#x201A;aniu nagĹ&#x201A;Ăłwek trafia do czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci LNCL odpowiedzialnej za obsĹ&#x201A;ugÄ&#x2122; ruchu sieciowego, ktĂłra w trybie ciÄ&#x2026;gĹ&#x201A;ym odbiera struktury nagĹ&#x201A;ĂłwkĂłw przekazane do tej warstwy. PrzesĹ&#x201A;ana czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;Ä&#x2021; zostaje sprawdzona pod kÄ&#x2026;tem poprawnoĹ&#x203A;ci, a wydobyte dane zostajÄ&#x2026; przekazane do elementu zarzÄ&#x2026;dzajÄ&#x2026;cego obsĹ&#x201A;ugÄ&#x2026; wiadomoĹ&#x203A;ci (ang. Message Dispatcher).

Taka organizacja komunikacji sprawia, Ĺźe opracowana warstwa poĹ&#x203A;redniczÄ&#x2026;ca umoĹźliwia wymianÄ&#x2122; danych o dowolnej strukturze i wielkoĹ&#x203A;ci, dziÄ&#x2122;ki czemu w systemie funkcjonowaÄ&#x2021; mogÄ&#x2026; jednoczeĹ&#x203A;nie aplikacje sterujÄ&#x2026;ce i monitorujÄ&#x2026;ce, wykorzystujÄ&#x2026;ce dane zapisane w róşnych formatach. Implementacja tego elementu warstwy zostaĹ&#x201A;a usytuowana w klasie Dispatcher. LNCL wykorzystuje tÄ&#x2122; klasÄ&#x2122; przez utworzenie jej obiektu, a nastÄ&#x2122;pnie wywoĹ&#x201A;anie metody handleMessage. Metoda ta przejmuje informacje wydobyte z nagĹ&#x201A;Ăłwka wiadomoĹ&#x203A;ci, jako swoje parametry wejĹ&#x203A;ciowe, a nastÄ&#x2122;pnie wyszukuje odpowiedniÄ&#x2026; metodÄ&#x2122; obsĹ&#x201A;ugi danego zdarzenia (ang. event handler). Obiekty tej klasy, zawierajÄ&#x2026;ce metody obsĹ&#x201A;ugi zdarzenia, mogÄ&#x2026; zostaÄ&#x2021; dodane do elementu przez wywoĹ&#x201A;anie funkcji addHandler. Obiekt taki powinien byÄ&#x2021; utworzony za poĹ&#x203A;rednictwem klasy, ktĂłra dziedziczy po klasie abstrakcyjnej IHandler. Dziedziczenie jest wymogiem

Z& 4 7 6

4 NajwaĹźniejszym elementem mechanizmu wymiany informacji jest warstwa LNCL (ang. Local Node Communication Layer).

Warstwa ta poĹ&#x203A;redniczy podczas prĂłby przesyĹ&#x201A;ania danych w obrÄ&#x2122;bie jednej platformy sprzÄ&#x2122;towej. Do gĹ&#x201A;Ăłwnych zadaĹ&#x201E; tej warstwy naleĹźÄ&#x2026;: â&#x2C6;&#x2019; routing danych w zakresie lokalnym, â&#x2C6;&#x2019; poĹ&#x203A;rednictwo w globalnym routingu danych, â&#x2C6;&#x2019; rejestracja, przydzielanie i derejestracja adresĂłw transportowych, â&#x2C6;&#x2019; gromadzenie informacji na temat aplikacji korzystajÄ&#x2026;cych z usĹ&#x201A;ug przesyĹ&#x201A;u danych.

W takcie sekwencji uruchomieniowej warstwa LNCL ma najwyĹźszy priorytet. Oznacza to, Ĺźe jest ona pierwszÄ&#x2026; warstwÄ&#x2026; programowÄ&#x2026;, ktĂłra zostanie uruchomiona. KolejnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; uruchamiania oprogramowania jest istotna, poniewaĹź dziaĹ&#x201A;anie niektĂłrych elementĂłw jest niezbÄ&#x2122;dne do zaĹ&#x201A;Ä&#x2026;czenia kolejnych. Sekwencja uruchomieniowa realizowana jest za pomocÄ&#x2026; klasy z wbudowanÄ&#x2026; funkcjonalnoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; pozwalajÄ&#x2026;cÄ&#x2026; na zapis kolejnoĹ&#x203A;ci uruchomieniowej w postaci drzewa zaleĹźnoĹ&#x203A;ci. [3] FunkcjonalnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; ta umoĹźliwia szybkÄ&#x2026; modyfikacjÄ&#x2122; oraz odczyt utworzonej Ĺ&#x203A;cieĹźki.

GĹ&#x201A;Ăłwnym zaĹ&#x201A;oĹźeniem mechanizmu transportowego platformy jest udostÄ&#x2122;pnianie uruchomionym aplikacjom sterujÄ&#x2026;cym i monitorujÄ&#x2026;cym rejestracji wĹ&#x201A;asnego adresu transportowego. DziÄ&#x2122;ki pozyskanemu adresowi aplikacja otrzymuje unikalny identyfikator, zarĂłwno w obrÄ&#x2122;bie lokalnym, jak i globalnym. Rejestracja

66

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

" ' (

Rys. 3. Budowa nagĹ&#x201A;Ăłwka wiadomoĹ&#x203A;ci LNCL Fig. 3. LNCL message header structure

Rys. 4. Budowa ramki wiadomoĹ&#x203A;ci Fig. 4. Message frame structure

elementu zarzÄ&#x2026;dzajÄ&#x2026;cego obsĹ&#x201A;ugÄ&#x2026; wiadomoĹ&#x203A;ci, poniewaĹź umoĹźliwia to zaĹ&#x201A;oĹźenie, Ĺźe klasa na podstawie ktĂłrej zostaĹ&#x201A; utworzony obiekt, zawiera zaimplementowanÄ&#x2026; metodÄ&#x2122; obsĹ&#x201A;ugi zdarzenia.

Zaimplementowanie metody jest wymuszane zastosowaniem czysto wirtualnych metod (ang. pure virtual metods) wewnÄ&#x2026;trz abstrakcyjnej klasy bazowej IHandler. [4] Na obecnym etapie realizacji Ĺ&#x203A;rodowiska, element Message Dispatcher jest odpowiedzialny za rozpoznawanie nastÄ&#x2122;pujÄ&#x2026;cych typĂłw wiadomoĹ&#x203A;ci: â&#x2C6;&#x2019; typ: 0x1FF â&#x20AC;&#x201C; rejestracja w systemie adresu transportowego, â&#x2C6;&#x2019; typ: 0x3FF â&#x20AC;&#x201C; usuniÄ&#x2122;cie z systemu adresu transportowego.

Przed rozpoczÄ&#x2122;ciem procesu wyszukiwania metod obsĹ&#x201A;ugi nastÄ&#x2122;puje sprawdzenie, czy przesĹ&#x201A;anÄ&#x2026; strukturÄ&#x2122; oznaczono jako jeden z dwĂłch wymienionych typĂłw. JeĹ&#x203A;li struktura nie zostaĹ&#x201A;a oznaczona, to Message Dispatcher sprawdza, czy nadawca wiadomoĹ&#x203A;ci istnieje, a nastÄ&#x2122;pnie stosuje metodÄ&#x2122; obsĹ&#x201A;ugujÄ&#x2026;cÄ&#x2026; przekazywanie wiadomoĹ&#x203A;ci do odbiorcy (ang. forward message event handler).

Po analizie i poprawnej weryfikacji nagĹ&#x201A;Ăłwka, wiadomoĹ&#x203A;Ä&#x2021; zostaje przekazana do odbiorcy, przy czym przyjÄ&#x2122;to zaĹ&#x201A;oĹźenie, Ĺźe odbiorca wiadomoĹ&#x203A;ci zna rozmiar przychodzÄ&#x2026;cych do niego wiadomoĹ&#x203A;ci.

^& 5

[& 5

1. Wojtczyk M., Knoll A, A Cross Platform Development Workflow for C/C++ Applications, The Third International Conference on Software Engineering Advances (ICSEA2008), 224â&#x20AC;&#x201C;229, DOI: 10.1109/ICSEA.2008.41.

2. Shapley Gray J., Interprocess Communications in Linux, ISBN: 0-13-046042-7, Prentice Hall Professional 2003.

3. Cormen H.T., Leiserson E.C., Rivest L.R, Stein C., Introduction to Algorithms, ISBN: 0-262-03384-4, Prentice Hall Professional 2009.

4. Stroustrup B., JÄ&#x2122;zyk C++. Kompedium wiedzy, ISBN: 97883-246-8530-1, Helion 2014.

5. Itami Y., Ishigooka T, Yokoyama T., A Distributed Computing Environment for Embedded Control Systems with Time-Triggered and Event-Triggered Processing, 14th IEEE International Conference on Embedded and Real-Time Computing Systems and Applications, 2008, 45â&#x20AC;&#x201C;54, http:// doi.ieeecomputersociety.org/10.1109/RTCSA.2008.38.

6. Wittenmark B., Nilsson J., Torngren M., Timing problems in real-time control systems, ISBN: 0-7803-2445-5, American Control Conference 1995, DOI: 10.1109/ACC.1995.531240.

7. Noriaki A., Takashi S., Kosei K., Tetsuo K, Woo-Keun Y., RT Middleware: Distrbiuted Component Middleware for RT (Robot Technology), 2005 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems 2005, 10.1109/ ACC.1995.531240.

8. Implementation of a Local Exchange Information Mechanism within the Communication Platform for Distributed Control Systems.

Po zrealizowaniu wszystkich opisanych zaĹ&#x201A;oĹźeĹ&#x201E; i opracowaniu oprogramowania, skonfigurowano platformÄ&#x2122; testowÄ&#x2026; skĹ&#x201A;adajÄ&#x2026;cÄ&#x2026; siÄ&#x2122; z dwĂłch moduĹ&#x201A;Ăłw Raspberry PI w wersji 2, poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czonych ze sobÄ&#x2026; przewodowo, z wykorzystaniem routera firmy Mikrotik 750G. W obu moduĹ&#x201A;ach zainstalowano system Linux Debian. NastÄ&#x2122;pnie skonfigurowano ustawienia elementu systemu operacyjnego systemd odpowiadajÄ&#x2026;cego za uruchamianie jego funkcjonalnoĹ&#x203A;ci, biorÄ&#x2026;c pod uwagÄ&#x2122; elementy niezbÄ&#x2122;dne do uruchomienia platformy. Jednym z kluczowych elementĂłw, ktĂłry powinien zostaÄ&#x2021; obsĹ&#x201A;uĹźony i poprawnie uruchomiony przez system przed uruchomieniem oprogramowania platformy, jest element obsĹ&#x201A;ugi sieci przewodowej. DziaĹ&#x201A;anie Ĺ&#x203A;rodowiska bez funkcjonalnoĹ&#x203A;ci wymiany informacji w sieci ograniczaĹ&#x201A;oby siÄ&#x2122; jedynie do wymiany informacji lokalnej za poĹ&#x203A;rednictwem LNCL. RozwiÄ&#x2026;zanie przewodowe zapewnia krĂłtszy czas wymiany danych. Docelowo oprogramowanie platformy bÄ&#x2122;dzie umoĹźliwiaĹ&#x201A;o wymianÄ&#x2122; informacji, zarĂłwno za poĹ&#x203A;rednictwem sieci przewodowej jak i bezprzewodowej. PoprawnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; komunikacji lokalnej zostaĹ&#x201A;a sprawdzona przez uruchomienie dwĂłch programĂłw wykorzystujÄ&#x2026;cych bibliotekÄ&#x2122; platformy NodeAPI. Jeden z nich miaĹ&#x201A; zaimplementowany mechanizm wysyĹ&#x201A;ania danych a drugi ich odbierania. Test zostaĹ&#x201A; przeprowadzony dla danych o róşnych rozmiarach. Program wysyĹ&#x201A;ajÄ&#x2026;cy dane w kaĹźdym pakiecie przesyĹ&#x201A;aĹ&#x201A; informacjÄ&#x2122; o rozmiarze kolejnego pakietu. DziÄ&#x2122;ki temu program odbierajÄ&#x2026;cy pakiety mĂłgĹ&#x201A; odbieraÄ&#x2021; pakiety o zmiennej dĹ&#x201A;ugoĹ&#x203A;ci.

Przedstawiony sposĂłb implementacji lokalnej wymiany danych w obrÄ&#x2122;bie pojedynczego wÄ&#x2122;zĹ&#x201A;a sprzÄ&#x2122;towego platformy komunikacyjnej cechuje siÄ&#x2122; prostotÄ&#x2026; uĹźycia i krĂłtkim czasem przesyĹ&#x201A;ania danych. UmoĹźliwiĹ&#x201A;o to wykorzystanie pamiÄ&#x2122;ci wspĂłĹ&#x201A;dzielonej. Konstrukcja warstwy LNCL pozwala na rozszerzenie oferowanych funkcjonalnoĹ&#x203A;ci o kolejne, dziÄ&#x2122;ki zaimplementowanemu mechanizmowi generycznej obsĹ&#x201A;ugi zadaĹ&#x201E; (Message Dispatcher), bez zmiany juĹź zaimplementowanych algorytmĂłw. Prezentowana platforma komunikacyjna w wersji docelowej powinna umoĹźliwiÄ&#x2021; m.in. realizacjÄ&#x2122; systemĂłw typu SCADA (ang. Supervisory Control And Data Acquisition) oraz innych zajmujÄ&#x2026;cych siÄ&#x2122; kolekcjonowaniem i przetwarzaniem zgromadzonych danych z odlegĹ&#x201A;ych od siebie wÄ&#x2122;zĹ&#x201A;Ăłw sieci. Opisane rozwiÄ&#x2026;zanie w szczegĂłlnoĹ&#x203A;ci nadaje siÄ&#x2122; do zastosowania w rozbudowanych systemach robotyki mobilnej, np. do sterowania rojem robotĂłw, gdzie szybka i stabilna komunikacja w obrÄ&#x2122;bie wszystkich jednostek i miÄ&#x2122;dzy nimi jest bardzo istotna.

`

67

Realizacja mechanizmu lokalnej wymiany informacji w ramach platformy komunikacyjnej w rozproszonych systemach ...

>! ! ; Y ?J ) > ; ! & ! !! ; ! ; A !

6 The article shows the way of implementation of a local exchange information mechanism in generic software platform for data exchange, adapted for use in distributed control systems. The paper shows software layers structure responsible for packages transport in scope of single platform instance. Exemplary usage scenarios for local communication mechanisms have been described.

KeywordsU !! A ! !! ; ! J ) ! !

' =

" # ) "

1 = = ! "

$ = <

! ()! $ !

$ ! ( $ $

= ? L ! > ; !

S R L ! 8 K A $ $ ) ! ! Kc

U U $

S ' ? 8 L ! > ; ! > " = ? ! ? 8 ! M U ? ) ) ? 8 ! $

68

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 20, Nr 1/2016, 69â&#x20AC;&#x201C;73, DOI: 10.14313/PAR_219/69

) ! ) B B A ) )

Q T $

)

> 0 ' Y $ M O . %,8@D@ '

)

ArtykuĹ&#x201A; dotyczy problematyki wspomagania procesu obsĹ&#x201A;ugi i diagnostyki statkĂłw powietrznych. Przedstawiono w nim moĹźliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; zastosowania nowoczesnych technologii uĹ&#x201A;atwiajÄ&#x2026;cych i zwiÄ&#x2122;kszajÄ&#x2026;cych bezpieczeĹ&#x201E;stwo ich obsĹ&#x201A;ugi. Do realizacji tego celu zaproponowano mobilne urzÄ&#x2026;dzenie doradcze z zaimplementowanym systemem ekspertowym, wyposaĹźonym w interfejs uĹźytkownika oparty na technologii rozszerzonej rzeczywistoĹ&#x203A;ci. OmĂłwiono budowÄ&#x2122; systemu oraz sposĂłb jego wykorzystania na przykĹ&#x201A;adzie symulatora diagnostycznego samolotu M-28. $ U A ) ) ! ! ! A C

1. Wprowadzenie

mniane wyĹźej rozwiÄ&#x2026;zania oraz sposĂłb jego implementacji oraz przykĹ&#x201A;ad dziaĹ&#x201A;ania.

ObsĹ&#x201A;uga statku powietrznego jest zagadnieniem zĹ&#x201A;oĹźonym i bardzo istotnym z punktu widzenia bezpieczeĹ&#x201E;stwa lotu, dlatego czynnoĹ&#x203A;ci obsĹ&#x201A;ugowe powinny byÄ&#x2021; wykonane z najwyĹźszÄ&#x2026; starannoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026;. Niestety, ze wzglÄ&#x2122;du na ich duĹźÄ&#x2026; zĹ&#x201A;oĹźonoĹ&#x203A;Ä&#x2021;, istnieje moĹźliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; pomyĹ&#x201A;kowego lub bĹ&#x201A;Ä&#x2122;dnego ich wykonania przez osobÄ&#x2122; wykonujÄ&#x2026;cÄ&#x2026; sprawdzenie.

InteresujÄ&#x2026;cym rozwiÄ&#x2026;zaniem, pozwalajÄ&#x2026;cym na usprawnienie i zwiÄ&#x2122;kszenie bezpieczeĹ&#x201E;stwa obsĹ&#x201A;ugi statku powietrznego, jest zastosowanie mobilnego systemu komputerowego, ktĂłry byĹ&#x201A;by ekspertowym systemem doradczym. Zastosowanie systemĂłw ekspertowych do wspomagania takich czynnoĹ&#x203A;ci obsĹ&#x201A;ugowych, jak diagnostyka obiektĂłw technicznych, jest znanym i stosowanym rozwiÄ&#x2026;zaniem [1, 7, 9].

Innym rozwiÄ&#x2026;zaniem, spotykanym juĹź od ponad 20 lat â&#x20AC;&#x201C; takĹźe w urzÄ&#x2026;dzeniach wspomagajÄ&#x2026;cych pracÄ&#x2122; personelu technicznego, w obsĹ&#x201A;udze i diagnostyce zĹ&#x201A;oĹźonych obiektĂłw technicznych, w tym samolotĂłw â&#x20AC;&#x201C; jest technologia rozszerzonej rzeczywistoĹ&#x203A;ci AR (ang. Augmented Reality). UmoĹźliwia ona dostarczenie operatorowi danych o otoczeniu w poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czeniu z danymi otrzymywanymi z systemu komputerowego. PrzykĹ&#x201A;ady jej zastosowania w tej dziedzinie moĹźna znaleĹşÄ&#x2021; w literaturze [4â&#x20AC;&#x201C;6, 8].

W prezentowanym przypadku zaproponowano poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czenie obydwu rozwiÄ&#x2026;zaĹ&#x201E;. W dalszej czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci artykuĹ&#x201A;u zostanie omĂłwione ogĂłlna koncepcja systemu wykorzystujÄ&#x2026;cego wspo-

X& 1 !

( U < $) ( $ (

+D$%D$+%,- $ +#$%,$+%,. $

!! " #$%

Systemy ekspertowe sÄ&#x2026; metodÄ&#x2026; reprezentacji wiedzy z danej dziedziny przedmiotowej i rozwiÄ&#x2026;zujÄ&#x2026; problemy przez zastosowanie tej wiedzy. System ekspertowy skĹ&#x201A;ada siÄ&#x2122; z czterech zasadniczych czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci: bazy wiedzy, maszyny wnioskujÄ&#x2026;cej, pamiÄ&#x2122;ci roboczej i interfejsu uĹźytkownika. Architektura typowego systemu zostaĹ&#x201A;a przedstawiona na rys. 1.

W celu rozwiÄ&#x2026;zania problemu uĹźytkownik prowadzi dialog z maszynÄ&#x2026; przez interfejs uĹźytkownika. W tym dialogu uĹźytkownik dostarcza informacje o problemie, ktĂłry ma byÄ&#x2021; rozwiÄ&#x2026;zany. Na podstawie tych informacji maszyna wnioskujÄ&#x2026;ca, w oparciu o reguĹ&#x201A;y zawarte w bazie wiedzy oraz fakty dotyczÄ&#x2026;ce problemu zawarte w pamiÄ&#x2122;ci roboczej, wyznacza polecenia i przekazuje je do uĹźytkownika za pomocÄ&#x2026; interfejsu uĹźytkownika.

Dla zwiÄ&#x2122;kszenia moĹźliwoĹ&#x203A;ci systemu, interfejs uĹźytkownika wykorzystuje mechanizmy rzeczywistoĹ&#x203A;ci rozszerzonej. Zastosowanie takiego rozwiÄ&#x2026;zania wspomaga dodatkowo operatora w szybkiej identyfikacji miejsc i elementĂłw aktualnie podlegajÄ&#x2026;cych obsĹ&#x201A;udze. W celu zapewnienia mobilnoĹ&#x203A;ci systemu zaproponowano zastosowanie lekkich i przenoĹ&#x203A;nych urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; pracujÄ&#x2026;cych pod kontrolÄ&#x2026; systemu Android.

Z& 2 Do implementacji maszyny wnioskujÄ&#x2026;cej oraz bazy wiedzy wykorzystano jÄ&#x2122;zyk programowania obiektowego CLIPS (C Language Integrated Production System), ktĂłre jest narzÄ&#x2122;dziem do tworzenia systemĂłw ekspertowych, opracowanym i rozwijanym w NASA â&#x20AC;&#x201C; agencji rzÄ&#x2026;du StanĂłw Zjednoczonych, odpowiedzialna za narodowy program lotĂłw kosmicznych.

CLIPS znalazĹ&#x201A; szerokie zastosowanie przy realizacji systemĂłw ekspertowych zwiÄ&#x2026;zanych z diagnostykÄ&#x2026; [1, 7, 9]. Oprogramowanie systemu ekspertowego bazuje na niekomercyjnej wersji

69

& ` & ` _ _ ; &

[& *

powĹ&#x201A;oki systemĂłw ekspertowych CLIPS [2]. PowĹ&#x201A;oka ta jest udostÄ&#x2122;pniona w postaci biblioteki otwartych ĹşrĂłdeĹ&#x201A;, z moĹźliwoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; ich kompilacji w systemie Windows i Android.

WykorzystujÄ&#x2026;c biblioteki CLIPS zaimplementowano podstawowe elementy systemu ekspertowego â&#x20AC;&#x201C; maszynÄ&#x2122; wnioskujÄ&#x2026;cÄ&#x2026; z bazÄ&#x2026; wiedzy i pamiÄ&#x2122;ciÄ&#x2026; roboczÄ&#x2026;. Elementy te tworzÄ&#x2026; moduĹ&#x201A; Interpretera CLIPS (rys. 2).

DziaĹ&#x201A;anie Interpretera CLIPS polega na wykorzystaniu mechanizmĂłw wnioskowania zawartych w jego maszynie wnioskujÄ&#x2026;cej oraz zbioru faktĂłw i reguĹ&#x201A; zapisanych w pliku tekstowym m-28.clp. Fakty opisujÄ&#x2026; stan obiektu (np. rodzaj wĹ&#x201A;Ä&#x2026;czonego zasilania lotniskowego, stan wyĹ&#x201A;Ä&#x2026;cznikĂłw, lampek itp.) oraz stan procesu obsĹ&#x201A;ugi obiektu. Interpreter CLIPS stanowi zasadniczy moduĹ&#x201A; aplikacji Serwera CLIPS. Do komunikacji z otoczeniem aplikacja wykorzystuje moduĹ&#x201A; Komunikacja.

Podobny moduĹ&#x201A; zostaĹ&#x201A; zaimplementowany w aplikacji Klient CLIPS. Obydwa moduĹ&#x201A;y umoĹźliwiajÄ&#x2026; realizacjÄ&#x2122; komunikacji bezprzewodowej.

Aplikacja Klient CLIPS jest zainstalowana na przenoĹ&#x203A;nym urzÄ&#x2026;dzeniu pracujÄ&#x2026;cym pod kontrolÄ&#x2026; systemu Android. Zasadniczym moduĹ&#x201A;em tej aplikacji jest moduĹ&#x201A; Interfejs AR. Do budowy interfejsu uĹźytkownika zastosowano technologiÄ&#x2122; rzeczywistoĹ&#x203A;ci rozszerzonej oraz syntezatory mowy. W tym celu wykorzystano nastÄ&#x2122;pujÄ&#x2026;ce narzÄ&#x2122;dzia: â&#x2C6;&#x2019; Unity 3D â&#x20AC;&#x201C; wieloplatformowy system tworzenia gier rozwijany przez Unity Technologies, zawierajÄ&#x2026;cy silnik gier i zintegrowane Ĺ&#x203A;rodowisko uruchomieniowe [3, 12], â&#x2C6;&#x2019; Vuforia â&#x20AC;&#x201C; zestaw bibliotek SDK dla urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; mobilnych pozwalajÄ&#x2026;cych budowaÄ&#x2021; aplikacje rozszerzonej rzeczywistoĹ&#x203A;ci [11], â&#x2C6;&#x2019; syntezatory mowy dostÄ&#x2122;pne w systemie Android (np.

IVONA).

Wykorzystanie rozszerzonej rzeczywistoĹ&#x203A;ci do obsĹ&#x201A;ugi urzÄ&#x2026;dzenia wpĹ&#x201A;ywa na caĹ&#x201A;oĹ&#x203A;Ä&#x2021; i specyfikÄ&#x2122; jego dziaĹ&#x201A;ania z punktu widzenia operatora i dlatego nastÄ&#x2122;pny punkt bÄ&#x2122;dzie poĹ&#x203A;wiÄ&#x2122;cony temu wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;nie zagadnieniu.

Oprogramowanie interfejsu jest zainstalowane na urzÄ&#x2026;dzeniu przenoĹ&#x203A;nym typu tablet lub smartfon, wyposaĹźonym w kamerÄ&#x2122;.

Operator moĹźe komunikowaÄ&#x2021; siÄ&#x2122; z urzÄ&#x2026;dzeniem, posĹ&#x201A;ugujÄ&#x2026;c siÄ&#x2122; wirtualnymi przyciskami wyĹ&#x203A;wietlanymi na dotykowym ekranie urzÄ&#x2026;dzenia mobilnego. OprĂłcz standardowych elementĂłw graficznych, na monitorze urzÄ&#x2026;dzenia sÄ&#x2026; wizualizowane rzeczywiste obiekty widziane przez kamerÄ&#x2122;. Z niektĂłrymi obiektami rzeczywistymi mogÄ&#x2026; byÄ&#x2021; zwiÄ&#x2026;zane wirtualne obiekty 2D i 3D. SÄ&#x2026; one automatycznie wizualizowane jako podpowiedzi, gdy kamera skierowana jest na odpowiadajÄ&#x2026;ce im obiekty rzeczywiste.

Na rys. 4 przedstawiono przykĹ&#x201A;adowy widok ekranu prototypowej aplikacji majÄ&#x2026;cej za zadanie wspomaganie operatora podczas wykonywania czynnoĹ&#x203A;ci obsĹ&#x201A;ugowych na statku powietrznym M-28 â&#x20AC;&#x17E;Bryzaâ&#x20AC;?. W gĂłrnej czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci ekranu na szarym tle widoczny jest tekst informujÄ&#x2026;cy operatora o koniecznoĹ&#x203A;ci wykonania czynnoĹ&#x203A;ci obsĹ&#x201A;ugowej. Przyciski wirtualne umiejscowione w prawym dolnym rogu umoĹźliwiajÄ&#x2026; operatorowi potwierdzenie wykonanej czynnoĹ&#x203A;ci (przyciski â&#x20AC;&#x17E;Takâ&#x20AC;? i â&#x20AC;&#x17E;Nieâ&#x20AC;?).

NaciĹ&#x203A;niÄ&#x2122;cie przyciskĂłw wirtualnych powoduje wysĹ&#x201A;anie komunikatu do Serwera CLIPS. Ten komunikat powoduje wygenerowanie nowego faktu, ktĂłry jest dodawany do pamiÄ&#x2122;ci roboczej Serwera CLIPS. NastÄ&#x2122;pnie maszyna wnioskujÄ&#x2026;ca wybiera z bazy wiedzy reguĹ&#x201A;y, ktĂłrych poprzedniki pasujÄ&#x2026; do faktĂłw w pamiÄ&#x2122;ci roboczej, a nastÄ&#x2122;pnie wykonuje dziaĹ&#x201A;ania okreĹ&#x203A;lone w nastÄ&#x2122;pnikach tych reguĹ&#x201A;. Wykonanie niektĂłrych z tych dziaĹ&#x201A;aĹ&#x201E; polega na wysĹ&#x201A;aniu do operatora informacji o koniecznoĹ&#x203A;ci wykonania okreĹ&#x203A;lonego sprawdzenia. WiadomoĹ&#x203A;Ä&#x2021; taka jest wysyĹ&#x201A;ana w formie tekstu na monitorze oraz fonicznie w postaci komunikatu gĹ&#x201A;osowego. NastÄ&#x2122;pnie program oczekuje na odpowiedĹş operatora.

OprĂłcz tekstu czynnoĹ&#x203A;ci wyĹ&#x203A;wietlanego na tle szarego prostokÄ&#x2026;ta na ekranie urzÄ&#x2026;dzenia, w zaleĹźnoĹ&#x203A;ci od wykonywanego zadania, operator ma moĹźliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; obserwowaÄ&#x2021; elementy majÄ&#x2026;ce za zadanie wspomagaÄ&#x2021; go przy wykonywaniu czynno-

Rys. 1. OgĂłlna struktura systemu ekspertowego Fig. 1. General structure of an expert system

70

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

" ) * '

Ĺ&#x203A;ci obsĹ&#x201A;ugowych. BiaĹ&#x201A;a strzaĹ&#x201A;ka wraz z opisem (kolor zielony) dynamicznie zmienia swoje poĹ&#x201A;oĹźenie w zaleĹźnoĹ&#x203A;ci od poĹ&#x201A;oĹźenia kamery, pokazujÄ&#x2026;c miejsce weryfikowanego stanu przeĹ&#x201A;Ä&#x2026;cznika. Ponadto, w celu szybkiego zorientowania siÄ&#x2122;, gdzie szukany przeĹ&#x201A;Ä&#x2026;cznik jest umiejscowiony w kabinie, w lewym dolnym rogu zostaĹ&#x201A; wyĹ&#x203A;wietlony caĹ&#x201A;y pulpit z zaznaczonym poĹ&#x201A;oĹźeniem poszukiwanego przeĹ&#x201A;Ä&#x2026;cznika. W lewym gĂłrnym rogu wyĹ&#x203A;wietlono panel przeĹ&#x201A;Ä&#x2026;cznikĂłw zawierajÄ&#x2026;cy ww. przeĹ&#x201A;Ä&#x2026;cznik w postaci obiektu 3D. Operator moĹźe zakoĹ&#x201E;czyÄ&#x2021; interakcjÄ&#x2122; z serwerem, naciskajÄ&#x2026;c przycisk â&#x20AC;&#x17E;Przerwijâ&#x20AC;?. Powoduje to natychmiastowe przerwanie wykonywanego scenariusza i powrĂłt do sceny wyboru scenariusza.

5. Wnioski W artykule przedstawiono prototyp urzÄ&#x2026;dzenia do wspomagania operatorĂłw sprzÄ&#x2122;tu lotniczego w zakresie wykonywania prostych czynnoĹ&#x203A;ci obsĹ&#x201A;ugowych i naprawczych oraz w procesie ich uczenia. BudowÄ&#x2122; i zasadÄ&#x2122; dziaĹ&#x201A;ania systemu oparto na powĹ&#x201A;oce systemĂłw ekspertowych CLIPS. UmoĹźliwia to rozszerzanie moĹźliwoĹ&#x203A;ci funkcjonalnych urzÄ&#x2026;dzenia przez dodawanie procedur diagnostycznych wykorzystujÄ&#x2026;cych mechanizmy wnioskowania tej powĹ&#x201A;oki.

Do realizacji interfejsu urzÄ&#x2026;dzenia wykorzystano technologiÄ&#x2122; rzeczywistoĹ&#x203A;ci rozszerzonej. Zastosowana technologia umoĹźliwia wprowadzenie do Ĺ&#x203A;wiata rzeczywistego aktywnych obiektĂłw 2D, interaktywnych modeli 3D oraz multimediĂłw. Wyniki przeprowadzonych w laboratorium doĹ&#x203A;wiadczeĹ&#x201E; [10] potwierdzajÄ&#x2026; wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwy kierunek prowadzonych prac, a takĹźe ogromne zainteresowanie personelu technicznego nowoczesnymi metodami wspomagania procesĂłw szkoleniowych i obsĹ&#x201A;ugowych.

Przedstawiona technologia nie jest pozbawiona wad i ograniczeĹ&#x201E;, ktĂłre w wielu wypadkach mogÄ&#x2026; drastycznie ograniczaÄ&#x2021; moĹźliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; jej uĹźywania. Do nich naleĹźÄ&#x2026; m.in.:

1) Ograniczenia technologiczne zwiÄ&#x2026;zane z wizualizacjÄ&#x2026; obiektĂłw wirtualnych â&#x20AC;&#x201C; Mimo Ĺźe akceleratory grafiki 3D stosowane w urzÄ&#x2026;dzeniach audiowizualnych umoĹźliwiajÄ&#x2026; renderowanie nawet bardzo drobnych detali obiektĂłw 3D, to jednak wprowadzenie ich do Ĺ&#x203A;wiata rzeczywistego nie jest takie oczywiste i proste ze wzglÄ&#x2122;du na zmienne warunki oĹ&#x203A;wietlenia, kolejnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; poprawnego wyĹ&#x203A;wietlania oraz przysĹ&#x201A;aniania elementĂłw wirtualnych w Ĺ&#x203A;wiecie rzeczywistym.

2) Ograniczenia wykrywania i Ĺ&#x203A;ledzenia znacznikĂłw â&#x20AC;&#x201C; PodstawowÄ&#x2026; funkcjÄ&#x2026; kaĹźdego rodzaju znacznika jest moĹźliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; szybkiego ich wykrycia oraz Ĺ&#x203A;ledzenia w celu weryfikacji poĹ&#x201A;oĹźenia wszystkich obiektĂłw wirtualnych doĹ&#x201A;oĹźonych do Ĺ&#x203A;wiata rzeczywistego. W przypadku rĂłwnoczesnej weryfikacji duĹźej liczby znacznikĂłw moĹźe dojĹ&#x203A;Ä&#x2021; do zmniejszenia liczby analizowanych klatek przechwytywanych przez kamerÄ&#x2122;. NiezaleĹźnie od zastosowanej metody detekcji, zawsze istnieje niebezpieczeĹ&#x201E;stwo bĹ&#x201A;Ä&#x2122;dnej klasyfikacji przez algorytm innych obiektĂłw sceny, ktĂłre nie peĹ&#x201A;niÄ&#x2026; roli znacznikĂłw.

3) Ograniczenia ergonomiczne â&#x20AC;&#x201C; KoniecznoĹ&#x203A;Ä&#x2021; ciÄ&#x2026;gĹ&#x201A;ego trzymania w rÄ&#x2122;ce urzÄ&#x2026;dzenia mobilnego jest bardzo problematyczne w przypadku prĂłb wykonywania czynnoĹ&#x203A;ci obsĹ&#x201A;ugowych, w trakcie ktĂłrych naleĹźy zaangaĹźowaÄ&#x2021; dwie rÄ&#x2122;ce (np. podczas wykonywania regulacji czy teĹź uĹźywania narzÄ&#x2122;dzi).

W takiej sytuacji operator musiaĹ&#x201A;by odkĹ&#x201A;adaÄ&#x2021; urzÄ&#x2026;dzenie, tracÄ&#x2026;c tym samym moĹźliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; oddziaĹ&#x201A;ywania na wyĹ&#x203A;wietlane treĹ&#x203A;ci.

Mimo wymienionych wad i ograniczeĹ&#x201E;, postÄ&#x2122;p technologiczny jednak jest tak wielki, Ĺźe prawdopodobnie juĹź w najbliĹźszym czasie wiÄ&#x2122;kszoĹ&#x203A;Ä&#x2021; z nich zostanie wyeliminowana. Poza tym wszystkie zaĹ&#x201A;oĹźone ograniczenia przy wyborze urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; zostaĹ&#x201A;y zasadniczo speĹ&#x201A;nione. MaĹ&#x201A;e gabaryty testowanych urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; oraz niewielka masa umoĹźliwiajÄ&#x2026; przenoszenie ich nawet w kieszeni, a zastosowanie komunikacji bezprzewodowej toruje drogÄ&#x2122; do zupeĹ&#x201A;nego pozbycia siÄ&#x2122; uciÄ&#x2026;Ĺźliwych poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czeĹ&#x201E; przewodowych.

Rys. 2. Struktura systemu ekspertowego z przenoĹ&#x203A;nym interfejsem uĹźytkownika wykorzystujÄ&#x2026;cym rzeczywistoĹ&#x203A;Ä&#x2021; rozszerzonÄ&#x2026; Fig. 2. The structure of the Expert System, with mobile Augmented Reality User Interface

71

& ` & ` _ _ ; &

Biorąc pod uwagę ograniczenia ergonomiczne, uwzględniono możliwość zastosowania wyświetlacza przeziernego z kamerą, zakładanego na głowę operatora do wyświetlenia danych oraz zastosowanie komunikacji głosowej człowiek-maszyna. Wstępne prace przeprowadzone w tym zakresie, takie jak foniczne komunikaty urządzenia, potwierdziły, że jest to właściwy kierunek działań.

Konieczne jest przeprowadzenie badań, których celem będzie potwierdzenie przydatności zaproponowanych metod stosowania technologii Rozszerzonej Rzeczywistości, intuicyjności stworzonego oprogramowania, wzrostu satysfakcji personelu, a także analizy zmienionych zachowań operatów, ich uwag na temat ergonomii używanego sprzętu, ograniczeń motorycznych związanych z jego użyciem, oraz zmęczeniem w funkcji użycia zestawu.

5. Henderson S., Feiner S., Exploring the Benefits of Augmented Reality Documentation for Maintenance and Repair. “IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics”, Vol. 17, No. 10, 2011, 1355–1368, DOI: 10.1109/TVCG.2010.245.

6. Knöpfle C., Weidenhausen J., Chauvigne L., Stock I., Template Based Authoring for AR Based Service Scenarios, Proc. IEEE Virtual Reality, 2005, 237–240, DOI: 10.1109/ VR.2005.1492779.

7. Long H., Wang X., Aircraft fuel system diagnostic fault detection through expert system, Proc. IEEE Sixth World Congress on Intelligent Control and Automation, 2008, 7104–7107, DOI: 10.1109/WCICA.2008.4594020.

8. Wójcicki T., Supporting the diagnostics and maintenance of technical devices with augmented reality, “DIAGNOSTYKA”, Vol. 15, No. 1, 2014, 43–47.

9. Yan C., Ma S., Zhou G., Fang J., Fault Diagnostic Expert System of Rolling Element Bearing Based on CLIPS, “Journal of Information and Computational Science”, Vol. 10, No. 10, 2013, 3053–3062, DOI: 10.12733/jics20101806.

10. Sprawozdanie z pracy: Badanie możliwości wykorzystania urządzeń mobilnych i ich systemów operacyjnych jako sterowników dla aplikacji szkoleniowych z wykorzystaniem poszerzonej rzeczywistości (Augmented Reality), Biblioteka ITWL 8038/50, Warszawa 2014.

11. Vuforia Developer Portal – [https://developer.vuforia.com].

12. Unity – Game Engine – [http://unity3d.com].

`

1. Dapeng T., Li Peiyu L., Pan Xiaohong P., Embedded Fault Diagnosis Expert System Based on CLIPS and ANN, Computational Science – ICCS 2007 Lecture Notes in Computer Science, Volume 4490, 2007, 957–960.

2. Giarratano J.C., CLIPS – User’s Guide, 2002.

3. Goldstone W., Projektowanie gier w środowisku Unity 3.x, Helion, 2013.

4. Haller M., Billinghurst M., Thomas B., Emerging technologies of augmented reality – interfaces and design, Idea Group Inc., 2007, DOI: 10.4018/978-1-59904-066-0.

Rys. 3. Przykładowy widok interfejsu AR podczas wykonywania czynności obsługowych na statku powietrznym M-28 „Bryza” Fig. 3. An example of the view of the AR interface during the performance of service activities on M-28 aircraft

72

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

" ) * '

L L ; & A ?J ! L )! K > ; ; L Z & 6 The paper concerns on the problem of the supporting airplane diagnostic and maintenance processes. It presents the possibility of the using the modern technologies that can be used to facilitate and augment safety of the airplane maintenance operations. For this goal, it proposed a mobile device including expert system and equipped with user interface based on the augmented technologies. It discussed system structure and the way of his utilization for the M-28 diagnostic simulator.

KeywordsU ! J ! ! A ! )!

Q T

)

$) ( $

! $ ( $

LA > > ; ! ' ? ' 8 $ != > 0 ) ' Y $ < = ! A ! ) ! ) ! = A = $

LA ' & ) ' 8 L ! 0 S ! = ! ) = $ SA ) = != > 0 ) ' Y $ ' ! ! ! ! B ! ) )

! $

73

74

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 20, Nr 1/2016, 75â&#x20AC;&#x201C;82, DOI: 10.14313/PAR_219/75

' ! = =N ; ) ; <U Kamil Krasuski = 0 $ ) ,. %H8-#% A

Streszczenie: W artykule przedstawiono rezultaty badaĹ&#x201E; dotyczÄ&#x2026;cych wyznaczenia parametrĂłw opóźnienia troposferycznego dla stacji referencyjnej Ryki. Parametry opóźnienia troposferycznego (ZHD, ZWD, ZTD, IPWV) zostaĹ&#x201A;y wyznaczone za pomocÄ&#x2026; modeli Hopfield, Simple, Saastamoinena i MOPS. W pracy wyznaczono rĂłwnieĹź parametry meteorologiczne (temperaturÄ&#x2122;, ciĹ&#x203A;nienie i wilgotnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; wzglÄ&#x2122;dnÄ&#x2026;) dla modelu standardowej atmosfery i MOPS. W pracy porĂłwnano rĂłwnieĹź wartoĹ&#x203A;ci parametrĂłw opóźnienia troposferycznego dla modeli empirycznych z wynikami z programu GAPS. $ U <U ; ' I 0 >'^

1. Wprowadzenie Na potrzeby nawigacji satelitarnej GNSS, atmosfera ziemska dzieli siÄ&#x2122; na dwie czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci: dyspersyjnÄ&#x2026; (zwanÄ&#x2026; potocznie jonosferÄ&#x2026;) oraz niedyspersyjnÄ&#x2026; (zwanÄ&#x2026; potocznie troposferÄ&#x2026;).

W przypadku jonosfery, sygnaĹ&#x201A;y GNSS ulegajÄ&#x2026; opóźnieniu dla pomiarĂłw kodowych oraz przyspieszeniu dla pomiarĂłw fazowych. Warto zauwaĹźyÄ&#x2021;, iĹź pomiary kodowe rozchodzÄ&#x2026; siÄ&#x2122; z prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; grupowa, zaĹ&#x203A; pomiary fazowe odpowiednio z prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; fazowÄ&#x2026;. WspĂłĹ&#x201A;czynnik refrakcji jonosferycznej dla prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;ci grupowej jest zawsze wiÄ&#x2122;kszy od jednoĹ&#x203A;ci (Ngr > 1), zaĹ&#x203A; dla prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;ci fazowej mniejszy od jednoĹ&#x203A;ci (Nph < 1) [12].

W przypadku przechodzenia sygnaĹ&#x201A;u GNSS przez warstwÄ&#x2122; niedyspersyjnÄ&#x2026; (neutralnÄ&#x2026;), wspĂłĹ&#x201A;czynnik zaĹ&#x201A;amania oĹ&#x203A;rodka jest zawsze wiÄ&#x2122;kszy od jednoĹ&#x203A;ci (Ntrop > 1), w zwiÄ&#x2026;zku z tym wartoĹ&#x203A;ci opóźnienia troposferycznego sÄ&#x2026; zawsze dodatnie.

NiedyspersyjnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; oĹ&#x203A;rodka troposfery powoduje dodatkowo, iĹź wspĂłĹ&#x201A;czynnik refrakcji troposferycznej jest niezaleĹźny od czÄ&#x2122;stotliwoĹ&#x203A;ci fali noĹ&#x203A;nej, a zatem niemoĹźliwe jest sformuĹ&#x201A;owanie wyraĹźenia matematycznego (tj. kombinacji liniowej) redukujÄ&#x2026;cego efekt opóźnienia troposferycznego [1].

W pomiarach GNSS opóźnienie troposferyczne wyznacza siÄ&#x2122; na podstawie trzech podstawowych parametrĂłw atmosferycznych â&#x20AC;&#x201C; ciĹ&#x203A;nienia (P), temperatury (T) i wilgotnoĹ&#x203A;ci wzglÄ&#x2122;dnej (Hu) â&#x20AC;&#x201C; wyznaczonych na powierzchni Ziemi. OkoĹ&#x201A;o 90% opóźnienia troposferycznego zaleĹźy od ciĹ&#x203A;nienia atmosferycz-

( U M ! M d A ( $ (

,D$%,$+%,- $ ,-$%+$+%,. $

!! " #$%

nego, zaĹ&#x203A; okoĹ&#x201A;o 10% od koncentracji pary wodnej. CzÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;Ä&#x2021; opóźnienia troposferycznego zaleĹźnÄ&#x2026; od ciĹ&#x203A;nienia atmosferycznego przyjÄ&#x2122;to nazywaÄ&#x2021; ZHD (ang. Zenith Hydrostatic Delay), zaĹ&#x203A; czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;Ä&#x2021; opóźnienia troposferycznego funkcyjnie zwiÄ&#x2026;zanÄ&#x2026; z temperaturÄ&#x2026; i wilgotnoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; powietrzna nazywa siÄ&#x2122; ZWD (ang.

Zenith Wet Delay) [13]. Standardowa wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; parametru ZHD na kierunku zenitu wynosi 2,3 m, zaĹ&#x203A; odpowiednio parametru ZWD okoĹ&#x201A;o 0,1 m [8].

Do okreĹ&#x203A;lenia parametrĂłw ZHD i ZWD w nawigacji satelitarnej GNSS stosuje siÄ&#x2122; dwa podejĹ&#x203A;cia, tj. zastosowanie modeli empirycznych (rozwiÄ&#x2026;zanie I) lub wykorzystanie danych meteorologicznych z urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; pomiarowych na stacjach GNSS (rozwiÄ&#x2026;zanie II). RozwiÄ&#x2026;zanie bazujÄ&#x2026;ce na modelach empirycznych zakĹ&#x201A;ada zastosowanie atmosfery standardowej lub wyznaczenie parametrĂłw atmosferycznych (P, T, Hu) na podstawie uĹ&#x203A;rednionych wartoĹ&#x203A;ci z lat poprzednich. W przypadku wykonania pomiaru meteorologicznego in situ (rozwiÄ&#x2026;zanie II) wymagany jest zakup sensorĂłw meteorologicznych oraz ich odpowiednia kalibracja w terenie [4]. Dla sieci odbiornikĂłw GNSS zaleca siÄ&#x2122; rĂłwnieĹź wykorzystanie zewnÄ&#x2122;trznych ĹşrĂłdeĹ&#x201A; danych o stanie atmosfery, tzn. danych radarowych, zdjÄ&#x2122;Ä&#x2021; satelitarnych METEOSAT, depesz meteorologicznych (np. SYNOP lub METAR).

W ramach opisywanej pracy wykonano eksperyment badawczy, w ktĂłrym okreĹ&#x203A;lono parametry opóźnienia troposferycznego dla stacji referencyjnej Ryki. Parametry opóźnienia troposferycznego wyznaczono dla modelu deterministycznego Hopfield, Saastamoinena, Simple i MOPS (ang. Minimum Operational Performance Requirements). WartoĹ&#x203A;ci parametrĂłw meteorologicznych okreĹ&#x203A;lono na podstawie modeli empirycznych stanu atmosfery (model Berga i model RTCA-MOPS).

Ponadto wyznaczono wartoĹ&#x203A;ci parametru IWV (ang. Integrated Water Vapour) skumulowanej pary wodnej. Wszystkie obliczenia numeryczne zrealizowano w programie Scilab 5.4.1. W koĹ&#x201E;cowej czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci artykuĹ&#x201A;u porĂłwnano uzyskane wartoĹ&#x203A;ci opóźnienia troposferycznego dla modeli empirycznych z wynikami otrzymanymi w programie GAPS.

75

< & K &K & )E''

Rys. 1. WartoĹ&#x203A;ci temperatury dla stacji referencyjnej Ryki w 2014 r.

Fig. 1. The temperature values for Ryki reference station in year 2014

Rys. 2. WartoĹ&#x203A;ci ciĹ&#x203A;nienia dla stacji referencyjnej Ryki w 2014 r.

Fig. 2. The pressure values for Ryki reference station in year 2014

model MOPS [1]:

X& )

!"

!

GNSS

g

â&#x17D;&#x203A; β â&#x2039;&#x2026; h â&#x17D;&#x17E; Rd â&#x2039;&#x2026;β â&#x17D;&#x; = ZHD 0 â&#x2039;&#x2026; â&#x17D;&#x153;â&#x17D;&#x153; 1 â&#x2C6;&#x2019; TK â&#x17D;&#x;â&#x17D; â&#x17D;?

ZHDMOPS

CaĹ&#x201A;kowita wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; opóźnienia troposferycznego dla pomiarĂłw GNSS jest wyznaczana na podstawie zaleĹźnoĹ&#x203A;ci [2]: ZTD = ZHD +ZWD

gdzie: ZHD0 â&#x20AC;&#x201C; opóźnienie hydrostatyczne na kierunku zenitu zredukowane do poziomu morza, b â&#x20AC;&#x201C; zmiana temperatury, g â&#x20AC;&#x201C; przyspieszenie ziemskie, g = 9,80665 m/s2, Rd = 287,054 J/kgĂ&#x2014;K. Model empiryczny wyznaczenia skĹ&#x201A;adowej mokrej ZWD moĹźe byÄ&#x2021; wyraĹźony za pomocÄ&#x2026;:

(1)

gdzie: ZTD â&#x20AC;&#x201C; caĹ&#x201A;kowite opóźnienie troposferyczne na kierunku zenitu (ang. Zenith Total Delay), ZHD â&#x20AC;&#x201C; czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;Ä&#x2021; hydrostatyczna opóźnienia troposferycznego na kierunku zenitu (ang. Zenith Hydrostatic Delay), ZWD â&#x20AC;&#x201C; czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;Ä&#x2021; mokra opóźnienia troposferycznego na kierunku zenitu (ang. Zenith Wet Delay).

Parametr ZHD moĹźe zostaÄ&#x2021; wyznaczony na podstawie modeli deterministycznych, jak poniĹźej:

) * [13]: ZHDHop = 2Ă&#x2014;10â&#x20AC;&#x201C;7Ă&#x2014;NwetĂ&#x2014;Hw

) * [13]:

gdzie: N wet = k'3 â&#x2039;&#x2026;

ZHDHop = 2Ă&#x2014;10â&#x20AC;&#x201C;7Ă&#x2014;NhydĂ&#x2014;Hd gdzie: N hyd = k1 â&#x2039;&#x2026;

(5)

(2)

e , kâ&#x20AC;&#x2122;3 = 370 100 K2/hPa â&#x20AC;&#x201C; wspĂłĹ&#x201A;czynnik TK2

refrakcji dla parametru ZWD, e â&#x20AC;&#x201C; ciĹ&#x203A;nienie pary wodnej na wysokoĹ&#x203A;ci stacji referencyjnej, Hw = 11Â 000 m, wysokoĹ&#x203A;Ä&#x2021; warstwy mokrej.

P , k1 = 77,6 K/hPa â&#x20AC;&#x201C; wspĂłĹ&#x201A;czynnik refrak TK

modelu Saastamoinena [5]:

cji dla parametru ZHD, P â&#x20AC;&#x201C; ciĹ&#x203A;nienie atmosferyczne pomierzone na wysokoĹ&#x203A;ci stacji referencyjnej, TK â&#x20AC;&#x201C; temperatura pomierzona na wysokoĹ&#x203A;ci stacji referencyjnej, wyraĹźona w stopniach Kelwina, Hd = 40Â 136 + 148,72Ă&#x2014;TC, TC â&#x20AC;&#x201C; temperatura zmierzona na wysokoĹ&#x203A;ci stacji referencyjnej, wyraĹźona w stopniach Celsjusza;

(7) modelu Simple [11]:

model Saastamoinena [5]: ZHDSaas =

(6)

ZWDSim = 0,1 m

0,00227768 â&#x2039;&#x2026; P f (B , hel )

(8)

(3) modelu MOPS [1]:

gdzie: f(B, hel) = 1 â&#x20AC;&#x201C; 0,0026Ă&#x2014;cos2B â&#x20AC;&#x201C; 0,00000028Ă&#x2014;h, B â&#x20AC;&#x201C; szerokoĹ&#x203A;Ä&#x2021; geodezyjna miejsca obserwacji, h â&#x20AC;&#x201C; wysokoĹ&#x203A;Ä&#x2021; elipsoidalna stacji referencyjnej;

ZWDMOPS

model Simple [11]: ZHDSim = Îą â&#x2039;&#x2026; exp â&#x2C6;&#x2019; β0 â&#x2039;&#x2026;h

â&#x17D;&#x203A; β â&#x2039;&#x2026;h â&#x17D;&#x17E; â&#x17D;&#x; = ZWD0 â&#x2039;&#x2026; â&#x17D;&#x153;â&#x17D;&#x153; 1 â&#x2C6;&#x2019; TK â&#x17D;&#x;â&#x17D; â&#x17D;?

(Îť +1)g Rd â&#x2039;&#x2026;β

â&#x2C6;&#x2019;1

(9)

gdzie: ZWD0 â&#x20AC;&#x201C; opóźnienie mokre na kierunku zenitu zredukowane do poziomu morza, l â&#x20AC;&#x201C; zmiennoĹ&#x203A;Ä&#x2021; pary wodnej.

Warto zauwaĹźyÄ&#x2021;, iĹź parametr ZWD jest bardzo trudny do zamodelowania, stÄ&#x2026;d w precyzyjnym pozycjonowaniu satelitar-

(4)

gdzie: a = 2,3 m, b0 = 0,116Ă&#x2014;10â&#x20AC;&#x201C;3;

76

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Rys. 3. WartoĹ&#x203A;ci wilgotnoĹ&#x203A;ci wzglÄ&#x2122;dnej dla stacji referencyjnej Ryki w 2014 r.

Fig. 3. The relative humidity values for Ryki reference station in year 2014

Rys. 4. WartoĹ&#x203A;ci ZHD dla stacji referencyjnej Ryki w 2014 r.

Fig. 4. The ZHD values for Ryki reference station in year 2014

nym (np. metodÄ&#x2026; PPP) zaleca siÄ&#x2122; wyznaczenie tego parametru w procesie wyrĂłwnawczym za pomocÄ&#x2026; filtru Kalmana lub metody najmniejszych kwadratĂłw w procesie sekwencyjnym.

Ponadto wprowadza siÄ&#x2122; zaĹ&#x201A;oĹźenie, iĹź wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; gÄ&#x2122;stoĹ&#x203A;ci spektralnej parametru ZWD zmienia siÄ&#x2122; okoĹ&#x201A;o 1 cm2 w ciÄ&#x2026;gu godziny [7].

Wiarygodna wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; parametru ZWD jest silnie zwiÄ&#x2026;zana z zawartoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; w powietrzu pary wodnej. Relacja miÄ&#x2122;dzy parametrem ZWD a skumulowanÄ&#x2026; zawartoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; pary wodnej w powietrzu jest nastÄ&#x2122;pujÄ&#x2026;ca [6]:

Tabela 1. WspĂłĹ&#x201A;rzÄ&#x2122;dne stacji referencyjnej Ryki [14] Table 1. The coordinates of Ryki reference station

(10)

gdzie: kâ&#x20AC;&#x2122;2 = 24 K/hPa â&#x20AC;&#x201C; staĹ&#x201A;a refrakcji, k3 = 3,75Ă&#x2014;105 K2/hPa â&#x20AC;&#x201C; staĹ&#x201A;a refrakcji, RW = 461,525 J/kgĂ&#x2014;K, staĹ&#x201A;a gazowa dla pary wodnej, Tm â&#x20AC;&#x201C; Ĺ&#x203A;rednia temperatura w atmosferze.

Parametr IWV okreĹ&#x203A;la masÄ&#x2122; pary wodnej (wyraĹźonÄ&#x2026; w kilogramach) przypadajÄ&#x2026;cÄ&#x2026; na 1 m2 powierzchni przekroju sĹ&#x201A;upa powietrza. Ponadto parametr IWV moĹźna wyraziÄ&#x2021; za pomocÄ&#x2026; skraplanej pary wodnej (wyraĹźona w milimetrach): IPWV =

IWV

Ď H 2O

Parametr

WartoĹ&#x203A;Ä&#x2021;

WspĂłĹ&#x201A;rzÄ&#x2122;dna X

3 680 883,3390 m

WspĂłĹ&#x201A;rzÄ&#x2122;dna Y

1 481 736,3934 m

WspĂłĹ&#x201A;rzÄ&#x2122;dna Z

4 977 132,2883 m

SzerokoĹ&#x203A;Ä&#x2021; geodezyjna B

51° 37â&#x20AC;&#x2122; 28,132166â&#x20AC;&#x2122;â&#x20AC;&#x2122;

DĹ&#x201A;ugoĹ&#x203A;Ä&#x2021; geodezyjna L

21° 55â&#x20AC;&#x2122; 37,947957â&#x20AC;&#x2122;â&#x20AC;&#x2122;

WysokoĹ&#x203A;Ä&#x2021; elipsoidalna h

204,094 m

W pierwszym etapie obliczeĹ&#x201E; dokonano wyznaczenia parametrĂłw meteorologicznych na podstawie modeli empirycznych stanu atmosfery (model atmosfery standardowej wg Berga i model RTCA-MOPS) dla stacji referencyjnej Ryki. Na podstawie modelu Berga, parametry meteorologiczne moĹźna zapisaÄ&#x2021; w postaci [3]:

(12) (11)

gdzie: Ď H 2O = 998 kg/m3, gÄ&#x2122;stoĹ&#x203A;Ä&#x2021; wody.

Parametry IWV i IPWV sÄ&#x2026; toĹźsame i liczbowo sobie rĂłwne, w literaturze naukowej sÄ&#x2026; bardzo czÄ&#x2122;sto stosowane zamiennie [8].

gdzie: tr = 18 °C, hr = 0 m, Pr = 1013,25 hPa, Hr = 50%.

W przypadku modelu atmosfery MOPS, parametry meteorologiczne sÄ&#x2026; wyznaczane z wielomianu interpolacyjnego [10]:

Z&

W ramach eksperymentu badawczego dokonano wyznaczenia podstawowych parametrĂłw opóźnienia troposferycznego (tj. ZWD, ZHD, ZTD, IPWV) dla stacji referencyjnej Ryki (powiat rycki, wojewĂłdztwo lubelskie, poĹ&#x201A;udniowo-wschodnia Polska). Stacja referencyjna Ryki wchodzi w skĹ&#x201A;ad systemu ASG-EUPOS na obszarze Polski. Dla stacji referencyjnej Ryki zostaĹ&#x201A;y precyzyjnie wyznaczone wspĂłĹ&#x201A;rzÄ&#x2122;dne w ukĹ&#x201A;adzie odniesienia ETRF2000 (na epokÄ&#x2122; odniesienia 2011.0). W tabeli 1 przedstawiono wspĂłĹ&#x201A;rzÄ&#x2122;dne geocentryczne XYZ i wspĂłĹ&#x201A;rzÄ&#x2122;dne geodezyjne BLh dla stacji Ryki.

(13)

gdzie: x â&#x20AC;&#x201C; wybrany parametr meteorologiczny (tab. 2 i 3), Doy â&#x20AC;&#x201C; wybrany dzieĹ&#x201E; roku, Doy0 = 28 dla pĂłĹ&#x201A;kuli pĂłĹ&#x201A;nocnej (211 dla poĹ&#x201A;udniowej), dzieĹ&#x201E; maksymalnej zimy.

77

< & K &K & )E''

Rys. 5. Wartości ZWD dla stacji referencyjnej Ryki w 2014 r.

Fig. 5. The ZWD values for Ryki reference station in year 2014

Rys. 6. Wartości ZTD dla stacji referencyjnej Ryki w 2014 r.

Fig. 6. The ZTD values for Ryki reference station in year 2014

Tabela 2. Średnie wartości parametrów meteorologicznych w modelu MOPS [10] Table 2. The average values of meteorological parameters in MOPS model

tyczny stan atmosfery rzeczywistej, co z kolei wpływa na wyznaczenie wiarygodnej wartości opóźnienia troposferycznego. Dla modelu Berga temperatura wynosi 289,82 K, ciśnienie jest równe 989,07 hPa, zaś wilgotność względna odpowiednio 43,88%. Dla modelu MOPS parametry temperatury, ciśnienia i wilgotności względnej powietrza są zmienne w czasie. Dla modelu MOPS średnia wartość temperatury dla roku 2014 wyniosła 278,30 K, dla dyspersji wyników z przedziału od 265,52 K (w okresie zimowym) do 291,06 K (w okresie letnim). Z kolei średnia wartość ciśnienia wynosi 1013,98 hPa dla rezultatów z przedziału od 1011,95 hPa do 1016,01 hPa. Należy zauważyć, iż ciśnienie w modelu MOPS wzrasta w okresie zimowym i maleje w okresie letnim. Średnia wartość wilgotności względnej wynosi 96,30%, dla dyspersji wyników z przedziału od 77,22% do 112,84%.

W przypadku parametru Hu mamy do czynienia z dwoma okresami ekstremum (tzn. minimum i maksimum) w modelu MOPS. Wilgotność względna rośnie w okresie wiosennym (marzec/kwiecień) oraz w okresie później jesieni (koniec listopada i początek grudnia). Minimum wartości względnej przypada na okres zimowy (styczeń i luty) oraz w okresie letnim (lipiec i sierpień).

Na rys. 4 zostały przedstawione wartości parametru ZHD dla modelu deterministycznego Hopfield, Simple, Saastamoinena i MOPS. W przypadku modeli Hopfield, Simple i Saastamoinena, parametr ZHD wyznaczono w oparciu o dane meteorologiczne dla atmosfery standardowej. Wartość parametru ZHD z modelu Hopfield wynosi 2,257 m, z modelu Simple wynosi 2,246 m, zaś z modelu Saastamoinena odpowiednio 2,256 m. Różnica wartości ZHD z modelu Hopfield i Saastamoinena wynosi 0,001 m, natomiast wartość ZHD z modelu Simple jest przesunięta o około 0,010–0,011 m względem wyników z modelu Saastamoinena i Hopfield. Średnia wartość parametru ZHD z modelu MOPS wynosi 2,251 m, dla dyspersji wyników od 2,249 m do 2,253 m.

Różnica wartości parametru ZHD z modelu MOPS oraz modelu Hopfield, Simple i Saastamoinena wynosi około 0,005–0,006 m.

Na rys. 5 zostały przedstawione wartości parametru ZWD dla modelu deterministycznego Hopfield, Simple, Saastamoinena i MOPS. Wartości parametru ZWD dla modelu Hopfield, Simple i Saastamoinena wyznaczono w oparciu o standardowy rozkład atmosfery (model Berga). Wartość parametru ZWD z modelu Hopfield wynosi 0,082 m, z modelu Simple wynosi 0,1 m, zaś z modelu Saastamoinena odpowiednio 0,084 m. Różnica wartości ZWD z modelu Hopfield i Saastamoinena wynosi 0,002 m, natomiast wartość ZWD z modelu Simple jest przesunięta o około 0,016–0,018 m względem wyników z modelu Saastamoinena

Bi [°]

P0 [hPa]

T0 [K]

e0 [hPa]

Β0 [K/m]

K0 [–]

<= 15

1013,25

299,65

26,31

0,00630

2,77

30

1017,25

294,15

21,79

0,00605

3,15

45

1015,75

283,15

11,66

0,00558

2,57

60

1011,75

272,15

6,78

0,00539

1,81

>= 75

1013,10

263,15

4,11

0,00453

1,55

Tabela 3. Zmiany sezonowe parametrów meteorologicznych w modelu MOPS [10] Table 3. The seasonal variations of meteorological parameters in MOPS model Bi [°]

ΔP0 [hPa]

ΔT0 [K]

Δe0 [hPa] ΔΒ0 [K/m]

ΔK0 [–]

<= 15

0.00

0,00

0,00

0,00000

0,00

30

–3,75

7,00

8,85

0,00025

0,33

45

–2,25

11,00

7,24

0,00032

0,46

60

–1,75

15,00

5,36

0,00081

0,74

>= 75

–0,50

14,50

3,39

0,00062

0,30

Uśrednione wartości parametrów meteorologicznych (ciśnienie P0, temperatura T0, prężność pary wodnej e0, zmienność temperatury B0 oraz zmienność pary wodnej K0) wraz ze zmianami sezonowymi zostały zaprezentowane w tabelach 2 i 3. W modelu MOPS wartości parametrów meteorologicznych są funkcją szerokości geodezyjnej (B) oraz pory roku (Doy) i podlegają wyznaczaniu w oparciu o zależności z równania (13).

Na rys. 1, 2 i 3 zostały zaprezentowane wartości parametrów meteorologicznych na podstawie modelu Berga oraz MOPS dla stacji referencyjnej Ryki w 2014 r. Model Berga zakłada standardowy rozkład warstw atmosfery, a tym samym stałość parametrów meteorologicznych podczas wykonywania pomiarów GNSS. Atmosfera standardowa w niewielkim procencie oddaje fak-

78

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

simum i minimum parametru IPWV w modelu MOPS wynosi okoĹ&#x201A;o 17,2 mm. Róşnica wartoĹ&#x203A;ci parametru IPWV z modelu MOPS oraz modelu Hopfield, Simple i Saastamoinena wynosi od 1 mm do okoĹ&#x201A;o 4 mm.

[& *

Rys. 7. WartoĹ&#x203A;ci IPWV dla stacji referencyjnej Ryki w 2014 r.

Fig. 7. The IPWV values for Ryki reference station in year 2014

i Hopfield. Ĺ&#x161;rednia wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; parametru ZWD z modelu MOPS wynosi 0,109 m, dla dyspersji wynikĂłw od 0,048 m do 0,154 m.

Na rys. 6 zostaĹ&#x201A;y przedstawione wartoĹ&#x203A;ci caĹ&#x201A;kowitego opóźnienia troposferycznego ZTD dla stacji Ryki. WartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; parametru ZTD z modelu Hopfield wynosi 2,339 m, z modelu Simple wynosi 2,346 m, zaĹ&#x203A; z modelu Saastamoinena odpowiednio 2,341 m. Róşnica wartoĹ&#x203A;ci ZTD z modelu Hopfield i Saastamoinena wynosi 0,002 m, natomiast wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; ZTD z modelu Simple jest przesuniÄ&#x2122;ta o okoĹ&#x201A;o 0,005â&#x20AC;&#x201C;0,007 m wzglÄ&#x2122;dem rezultatĂłw z modelu Saastamoinena i Hopfield. Ĺ&#x161;rednia wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; parametru ZTD z modelu MOPS wynosi 2,360 m, dla dyspersji wynikĂłw od 2,302 m do 2,404 m. Róşnica miÄ&#x2122;dzy wartoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; maksimum i minimum parametru ZTD w modelu MOPS wynosi okoĹ&#x201A;o 0,102 m.

Na rys. 7 zostaĹ&#x201A;y przedstawione wartoĹ&#x203A;ci skraplanej pary wodnej IPWV dla stacji Ryki. WartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; parametru IPWV z modelu Hopfield wynosi 12,9 mm, z modelu Simple wynosi 15,8 mm, zaĹ&#x203A; z modelu Saastamoinena odpowiednio 13,3 mm.

Róşnica wartoĹ&#x203A;ci IPWV z modelu Hopfield i Saastamoinena wynosi 0,4 mm, natomiast wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; IPWV z modelu Simple jest przesuniÄ&#x2122;ta o okoĹ&#x201A;o 2,5â&#x20AC;&#x201C;2,9 mm wzglÄ&#x2122;dem rezultatĂłw z modelu Hopfield i Saastamoinena. Ĺ&#x161;rednia wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; parametru IPWV z modelu MOPS wynosi 16,8 mm, dla wynikĂłw z przedziaĹ&#x201A;u liczbowego od 7,3 mm do 24,5 mm. Róşnica miÄ&#x2122;dzy wartoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; mak-

PoniĹźej przedstawiono wyniki porĂłwnania uzyskanych parametrĂłw opóźnienia troposferycznego (tj. ZTD, ZWD) z wynikami otrzymanymi z programu GAPS (GPS Analysis and Positioning Software). Program GAPS zostaĹ&#x201A; opracowany przez naukowcĂłw z UNB w Kanadzie w celu zastosowania metody PPP (ang. Precise Point Positioning) w pozycjonowaniu GNSS. Produktami finalnymi programu GAPS sÄ&#x2026; m.in. wspĂłĹ&#x201A;rzÄ&#x2122;dne odbiornika, poprawka chodu zegara odbiornika, parametry opóźnienia troposferycznego i jonosferycznego [9].

W pracy zastosowano program GAPS do wyznaczenia parametrĂłw opóźnienia troposferycznego dla stacji referencyjnej Ryki. AnalizÄ&#x2122; porĂłwnawczÄ&#x2026; wykonano dla trzy dni pomiarowych z 2014 r., tj. 73., 74. i 75. dzieĹ&#x201E;. Dni roku zostaĹ&#x201A;y tak dobrane by odzwierciedlaĹ&#x201A;y zmianÄ&#x2122; stanu troposfery, tzn. od stanu wyĹźowego po przejĹ&#x203A;cie frontu atmosferycznego z opadami deszczu. Na rys. 8 zaprezentowano mapy synoptyczne w dniach od 14 do 16 marca 2014 r. Mapy synoptyczne zostaĹ&#x201A;y pobrane ze strony internetowej: www.pogodynka.pl [15]. Na podstawie rys. 8 moĹźna zaobserwowaÄ&#x2021; kierunek przemieszczenia siÄ&#x2122; frontu niĹźowego znad Islandii i pĂłĹ&#x201A;nocnej Skandynawii w kierunku Ĺ&#x161;rodkowej Europy. W dniu 14 marca nad obszarem Polski nie odnotowano jeszcze opadĂłw, prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;Ä&#x2021; wiatru dochodzi do 4 m/s, zaĹ&#x203A; ciĹ&#x203A;nienie wynosi okoĹ&#x201A;o 1025 hPa. W dniu 15 marca widoczny jest napĹ&#x201A;yw powietrza polarno-morskiego nad EuropÄ&#x2122; Ĺ&#x161;rodkowÄ&#x2026;, z centrum niĹźu w Ĺ&#x203A;rodkowej czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci Skandynawii. Ponadto w porĂłwnaniu z dniem poprzednim (14 marca) nastÄ&#x2122;puje gwaĹ&#x201A;towana zmiana ciĹ&#x203A;nienia atmosferycznego o okoĹ&#x201A;o 15â&#x20AC;&#x201C;20 hPa dla obszaru Polski. Warto rĂłwnieĹź zauwaĹźyÄ&#x2021;, iĹź w pĂłĹ&#x201A;nocnej czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci obszaru Polski stykajÄ&#x2026; siÄ&#x2122; dwie masy powietrza niĹźowego- frontu ciepĹ&#x201A;ego i chĹ&#x201A;odnego. W dniu 16 marca front atmosferyczny przesuwa siÄ&#x2122; nad WschodniÄ&#x2026; EuropÄ&#x2122; z centrum niĹźu nad obszarem Rosji.

Nad obszarem Polski pozostajÄ&#x2026; resztki frontu atmosferycznego, a ciĹ&#x203A;nienie powietrza wynosi okoĹ&#x201A;o 1000 hPa. Dla tak zmiennego stanu troposfery dokonano porĂłwnania parametrĂłw opóźnienia troposferycznego dla stacji Ryki z uĹźyciem modeli deterministycznych oraz programu GAPS. W analizie porĂłwnawczej wykorzystano parametry ZTD i ZWD z programu GAPS oraz na podstawie modeli deterministycznych.

Rys. 8. Mapa synoptyczna dla Polski w dniach 14â&#x20AC;&#x201C;16.03.2014 r. [15] Fig. 8. The synoptic map for Poland in days between 14â&#x20AC;&#x201C;16.03.2014

79

< & K &K & )E''

Rys. 9. Wartości ZWD i ZTD w dniu 14.03.2014 r.

Fig. 9. The ZWD and ZTD values in day 14.03.2014

Rys. 10. Wartości ZWD i ZTD w dniu 15.03.2014 r.

Fig. 10. The ZWD and ZTD values in day 15.03.2014

Rys. 11. Wartości ZWD i ZTD w dniu 16.03.2014 r.

Fig. 11. The ZWD and ZTD values in day 16.03.2014

Na rys. 9 zaprezentowano porównanie wartości parametrów ZWD i ZTD w dniu 14 marca 2014 r., tj. dzień przed nadejściem frontu niżowego nad Polskę. Wartość średnia parametru ZWD z programu GAPS wynosi 0,084 m, przy rozpiętości wyników od 0,049 m do 0,152 m. Porównując rezultaty ZWD z programu GAPS i modeli deterministycznych można zaobserwować, iż: − średnia różnica wartości ZWD z programu GAPS i modelu Saastamoinena wynosi 0 m, przy rozpiętości wyników od –0,035 m do 0,068 m;

80

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

− średnia różnica wartości ZWD z programu GAPS i modelu Simple wynosi –0,016 m, przy rozpiętości wyników od –0,051 m do 0,052 m; − średnia różnica wartości ZWD z programu GAPS i modelu Hopfield wynosi 0,003 m, przy rozpiętości wyników od –0,032 m do 0,071 m; − średnia różnica wartości ZWD z programu GAPS i modelu MOPS wynosi 0,012 m, przy rozpiętości wyników od –0,022 m do 0,080 m.

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Wartość średnia parametru ZTD z programu GAPS wynosi 2,336 m, przy rozpiętości wyników od 2,300 m do 2,404 m.

Porównując rezultaty ZTD z programu GAPS i modeli deterministycznych można zaobserwować, iż: − średnia różnica wartości ZTD z programu GAPS i modelu Saastamoinena wynosi –0,005 m, przy rozpiętości wyników od –0,040 m do 0,063 m; − średnia różnica wartości ZTD z programu GAPS i modelu Simple wynosi –0,011 m, przy rozpiętości wyników od –0,046 m do 0,058 m; − średnia różnica wartości ZTD z programu GAPS i modelu Hopfield wynosi –0,003 m, przy rozpiętości wyników od –0,038 m do 0,065 m; − średnia różnica wartości ZTD z programu GAPS i modelu MOPS wynosi 0,011 m, przy rozpiętości wyników od –0,024 m do 0,078 m.

Na rys. 10 zaprezentowano porównanie wartości parametrów ZWD i ZTD w dniu 15 marca 2014 r., tj. w czasie przejścia frontu niżowego nad Polskę. Wartość średnia parametru ZWD z programu GAPS wynosi 0,043 m, przy rozpiętości wyników od 0,015 m do 0,132 m. Porównując rezultaty ZWD z programu GAPS i modeli deterministycznych można zaobserwować, iż: − średnia różnica wartości ZWD z programu GAPS i modelu Saastamoinena wynosi –0,041 m, przy rozpiętości wyników od –0,069 m do 0,048 m; − średnia różnica wartości ZWD z programu GAPS i modelu Simple wynosi –0,057 m, przy rozpiętości wyników od –0,085 m do 0,032 m; − średnia różnica wartości ZWD z programu GAPS i modelu Hopfield wynosi –0,039 m, przy rozpiętości wyników od –0,067 m do 0.051 m; − średnia różnica wartości ZWD z programu GAPS i modelu MOPS wynosi –0,030 m, przy rozpiętości wyników od –0,058 m do 0,059 m.

Wartość średnia parametru ZTD z programu GAPS wynosi 2,295 m, przy rozpiętości wyników od 2,266 m do 2,384 m.

Porównując rezultaty ZTD z programu GAPS i modeli deterministycznych można zaobserwować, iż: − średnia różnica wartości ZTD z programu GAPS i modelu Saastamoinena wynosi –0,046 m, przy rozpiętości wyników od –0,074 m do 0,043 m; − średnia różnica wartości ZTD z programu GAPS i modelu Simple wynosi –0,052 m, przy rozpiętości wyników od –0,080 m do 0,038 m; − średnia różnica wartości ZTD z programu GAPS i modelu Hopfield wynosi –0,044 m, przy rozpiętości wyników od –0,072 m do 0,045 m; − średnia różnica wartości ZTD z programu GAPS i modelu MOPS wynosi –0,031 m, przy rozpiętości wyników od –0,059 m do 0,058 m.

Na rys. 11 zaprezentowano porównanie wartości parametrów ZWD i ZTD w dniu 16 marca 2014 r., tj. dzień po przejściu frontu niżowego nad Polskę. Wartość średnia parametru ZWD z programu GAPS wynosi 0,037 m, przy rozpiętości wyników od –0,001 m do 0,106 m. Porównując rezultaty ZWD z programu GAPS i modeli deterministycznych można zaobserwować, iż: − średnia różnica wartości ZWD z programu GAPS i modelu Saastamoinena wynosi –0.047 m, przy rozpiętości wyników od –0.085 m do 0,022 m; − średnia różnica wartości ZWD z programu GAPS i modelu Simple wynosi –0,063 m, przy rozpiętości wyników od –0,101 m do 0.006 m; − średnia różnica wartości ZWD z programu GAPS i modelu Hopfield wynosi –0,045 m, przy rozpiętości wyników od –0,083 m do 0,025 m;

− średnia różnica wartości ZWD z programu GAPS i modelu MOPS wynosi –0,037 m, przy rozpiętości wyników od –0,075 m do 0,032 m.

Wartość średnia parametru ZTD z programu GAPS wynosi 2,288 m, przy rozpiętości wyników od 2,250 m do 2,358 m.

Porównując rezultaty ZTD z programu GAPS i modeli deterministycznych można zaobserwować, iż: − średnia różnica wartości ZTD z programu GAPS i modelu Saastamoinena wynosi –0,052 m, przy rozpiętości wyników od –0,091 m do 0,017 m; − średnia różnica wartości ZTD z programu GAPS i modelu Simple wynosi –0,058 m, przy rozpiętości wyników od –0,096 m do 0,012 m; − średnia różnica wartości ZTD z programu GAPS i modelu Hopfield wynosi –0,051 m, przy rozpiętości wyników od –0,089 m do 0,019 m; − średnia różnica wartości ZTD z programu GAPS i modelu MOPS wynosi –0,038 m, przy rozpiętości wyników od –0,076 m do 0,031 m.

5. Wnioski W artykule przedstawiono i omówiono rezultaty wyznaczenia parametrów opóźnienia troposferycznego dla stacji referencyjnej Ryki w województwie lubelskim (powiat rycki). Na wstępnym etapie pracy określono formuły matematyczne dla wyznaczenia parametrów meteorologicznych (tj. temperatura, ciśnienie i wilgotność względna) z zastosowaniem modeli empirycznych (Berga i MOPS). Następnie wyznaczono parametry opóźnienia troposferycznego, tzn. wartości ZHD, ZWD, ZTD oraz dodatkowo IPWV. Wyniki dla poszczególnych parametrów zaprezentowano na wykresach graficznych dla całego 2014 roku. Wyznaczone parametry opóźnienia troposferycznego z modeli empirycznych, głównie ZTD i ZWD, zostały porównane z rezultatami otrzymanymi z programu GAPS. Analiza porównawcza została przeprowadzona dla 3 dni pomiarowych tak, by odzwierciedlała zmianę opóźnienia troposferycznego w nawiązaniu do panujących rzeczywistych warunków meteorologicznych. Badania przeprowadzono od 14 do 16 marca 2014 r. przy zmieniającej się aurze pogodowej, tj. podczas przejścia frontu niżowego nad obszarem Polski. Na podstawie przeprowadzonych badań ustalono: − w dniu poprzedzającym nadejście frontu atmosferycznego (14 marca) średnia różnica parametru ZWD między rozwiązaniem z programu GAPS a modelami empirycznymi wynosiła ±0,016 m; − w dniu poprzedzającym nadejście frontu atmosferycznego (14 marca) średnia różnica parametru ZTD między rozwiązaniem z programu GAPS a modelami empirycznymi wynosiła ±0,011 m; − w dniu nadejścia frontu atmosferycznego (15 marca) średnia różnica parametru ZWD między rozwiązaniem z programu GAPS a modelami empirycznymi wynosiła ±0,057 m; − w dniu nadejścia frontu atmosferycznego (15 marca) średnia różnica parametru ZTD między rozwiązaniem z programu GAPS a modelami empirycznymi wynosiła ±0,052 m; − dzień po przejściu frontu niżowego (16 marca) średnia różnica parametru ZWD między rozwiązaniem z programu GAPS a modelami empirycznymi wynosiła ±0,063 m; − dzień po przejściu frontu niżowego (marzec) średnia różnica parametru ZTD między rozwiązaniem z programu GAPS a modelami empirycznymi wynosiła ±0,058 m; − porównując wartości ZWD z programu GAPS dla 3 dni pomiarowych warto zauważyć, iż nadejście frontu atmosferycznego nad Polskę spowodowało zmniejszenie się ponad dwukrotne wartości ZWD;

81

< & K &K & )E''

6. Kleijer F., Troposphere modeling and filtering for precise GPS leveling, Ph.D. thesis, Delft University of Technology, ISBN 90-6132-284-7, 2004.

7. KroszczyĹ&#x201E;ski K., Mezoskalowe funkcje odwzorowujÄ&#x2026;ce opóźnienia troposferycznego sygnaĹ&#x201A;Ăłw GNSS, Redakcja Wydawnictw WAT, ISBN 978-83-62954-99-5, 2013.

8. Kruczyk M., Opóźnienie troposferyczne GNSS i jego zastosowanie do badaĹ&#x201E; stanu atmosfery, â&#x20AC;&#x17E;Prace Naukowe Geodezjaâ&#x20AC;?, z. 54, ISBN 978-83-7814-151-8, 2013.

9. Leandro R., Santos M., Langley R., Analyzing GNSS data in precise point positioning software, â&#x20AC;&#x153;GPS Solutionsâ&#x20AC;?, Vol. 15, Issue 1, 2011, 1â&#x20AC;&#x201C;13, DOI 10.1007/s10291-010-0173-9.

10. RTCA-MOPS, Minimum Operational Performance Standards for Global Positioning System/Wide Area Augmentation System Airborne Equipment.rtca document 229-C, 2006.

11. Sanz Subirana J., Juan Zornoza J. M., HernĂĄndez-Pajares M., GNSS Data Processing, Volume I: Fundamentals and Algorithms, Publisher: ESA Communications, ESTEC, Noordwijk, Netherlands, ISBN 978-92-9221-886-7, 2013.

12. Schaer S., Mapping and predicting the earthâ&#x20AC;&#x2122;s ionosphere using global positioning system, Ph.D. thesis, Astronomy Institute, University Bern, Switzerland, ISBN 3-908440-01â&#x20AC;&#x201C;7, 1999.

13. SchĂźler T., On Ground-based GPS tropospheric delay estimation, Ph.D. thesis, Institute of Geodesy and Navigation University FAF Munich, Germany, 2001.

14. [www.asgeupos.pl], strony systemu ASG-EUPOS. 15. [www.pogodynka.pl], serwis pogodowy IMGW-PIB.

â&#x2C6;&#x2019; porĂłwnujÄ&#x2026;c Ĺ&#x203A;redniÄ&#x2026; róşnicÄ&#x2122; wartoĹ&#x203A;ci ZWD z programu GAPS oraz modeli empirycznych warto zauwaĹźyÄ&#x2021;, iĹź nadejĹ&#x203A;cie frontu atmosferycznego nad PolskÄ&#x2122; (15 marca) spowodowaĹ&#x201A;o prawie szeĹ&#x203A;ciokrotne zwiÄ&#x2122;kszenie siÄ&#x2122; Ĺ&#x203A;redniej róşnicy ZWD w nawiÄ&#x2026;zaniu do wynikĂłw z dnia 14 marca; â&#x2C6;&#x2019; porĂłwnujÄ&#x2026;c Ĺ&#x203A;redniÄ&#x2026; róşnicÄ&#x2122; wartoĹ&#x203A;ci ZTD z programu GAPS oraz modeli empirycznych warto zauwaĹźyÄ&#x2021;, iĹź nadejĹ&#x203A;cie frontu atmosferycznego nad PolskÄ&#x2122; (15 marca) spowodowaĹ&#x201A;o ponad piÄ&#x2122;ciokrotne zwiÄ&#x2122;kszenie siÄ&#x2122; Ĺ&#x203A;redniej róşnicy ZTD w nawiÄ&#x2026;zaniu do wynikĂłw z dnia 14 marca.

`

1. Bosy J., Precyzyjne opracowanie satelitarnych obserwacji GPS w lokalnych sieciach poĹ&#x201A;oĹźonych w ternach gĂłrskich, Wydawnictwo Akademii Rolniczej we WrocĹ&#x201A;awiu, Nr 522, ISSN 0867â&#x20AC;&#x201C;7964, 2005.

2. Bosy J., Rohm W., Sierny J., The concept of the Near Real Time atmosphere model based on the GNSS data and the meteorological data from the ASG-EUPOS reference stations, â&#x20AC;&#x153;Acta Geodynamica et Geomaterialiaâ&#x20AC;?, Vol. 7, No. 3 (159), 2010, 253â&#x20AC;&#x201C;261.

3. Dach R., Hugentobler U., Fridez P., Meindl M., Bernese GPS software version 5.0, Astronomical Institute, University of Bern, 2011.

4. HadaĹ&#x203A; T., Bosy J., KapĹ&#x201A;on J., Rohm W., Sierny J., Wilgan K., Modelowanie stanu troposfery z wykorzystaniem obserwacji GNSS i meteorologicznych, GEODETA, 1(224), 44â&#x20AC;&#x201C;48, 2014.

5. Isioye O. A., Combrinck L., Botai J., Performance evaluation of Blind Tropospheric delay correction models over Africa, South African Journal of Geomatics, Vol. 4, No. 4, 2015.

? ! 0 ! ; <U K ;

Abstract: Article presents research results concerning to determination parameters of troposphere delay for Ryki reference station. The troposphere delay parameters (ZHD, ZWD, ZTD, IPWV) were estimated using Hopfield, Simple, Saastamoinena and MOPS models. In the paper, meteorological parameters (temperature, pressure, relative humidity) for standard atmosphere and MOPS model were also obtained. In the paper, the troposphere delay from empirical models were compared with results from GAPS software also.

KeywordsU < ' I 0 >'^

' = ! !

d A ( $ LA ' L ! 0 8 ' $ L ) ! 0?

0 A J ,$%$% F A ,$-$%G$ SA : ) ) ) 8 ; ) ! ! ! $ S +%,@: = 0 $ S +%,-: K R ' < M ) ; M U 8 ! $

82

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

" ? D ; D8 LG E V>LGVF

Informacje dla Autorรณw =

E ' < / Ll LGVw 8 & K ; & = / ย & _ ; * & ; _ & ; K C _ & _ ; A ; * & ; & ; & \; ; CA]8 p K A / & ; & & C & ; & _ K / ; & 8

Wskazรณwki dla Autorรณw

%

? & ; O Pomiary Automatyka Robotyka & & ย A& _ # = \ & _ TG K ] A &

= A ? >? K O C \ & ; & ] = \ ; A ` Vย G=LGG K ] A &

= \ย =T ] A & A

= A`ย = A & \ ; 8 ] = & & & A & A = ; A & A = > C > A ; & 8 & 8 8 & ; 8 h ` 8 wGG & 8 VGGG & ` & _ C ` 8

? & ย ; A `ย K _ G F & & ย ; A ` V \QG GGG K & ; wGGG L K ] 8 T / 8 < & & K & _ A ; A `ย & A` 8 Nie drukujemy komunikatรณw! p _ ; ย _ ; C ? K \ A ] ; A ` ย GG=Uย G K C 8 D ; & K K A

8 " & ; _ & _ * _ & ย 8

$

5(8 8

ย

%

%ย !

ย 8 ? & _ _ & `ย `ย 8 ? K & ; _ & & & 8 K `ย & A ; _ ย ; ? & _ ; ย & & A

K 8 1

( !

8 ! $ 8

K A 8 & K ` & 8 " _ / _ย _ & = ? K C A ; C 8 p & & & & & D K

& A 8 < & & / & ; K & D _8

Kwartalnik naukowotechniczny Pomiary Automatyka Robotyka jest indeksowany w bazach BAZTECH, Google Scholar oraz INDEX COPERNICUS (ICV 6,38), P A A P !

ARIANTA. Punktacja MNiSW A H F $ ,++@G$ B B S U !

A A w kwartalniku naukowotechnicznym Pomiary Automatyka Robotyka.

Tw

HEb D ?$ B p%? ?Y( DÂ&#x2014;<

1

%

% #

D O Pomiary Automatyka Robotyka / _ & A E ' < / _ _ A ? K ? >? K K & & & & A

` _ # 1. #

~ wymieniowego Autora

= & & K 8 f &g 8 & ? K & ; K; K & & ; ; ; K 8 2. # #

% ! Â&#x201A; !

jej powstanie = # = & / ; _ & & A ; &K ; ; K > A _ & & & & ; = & / A& & & f g 8 A& K ; _ & &K

& A & & ; K & & ; Â&#x2013;

TQ

P

O

M

I

A

D & & _ A& _ _ / _ & & ; 8

3. # " ! % Â&#x192; ;Â&#x201A; ! %

= & & C & ; & O; ; & &

K ` K & A/ 8 fC g = ;

* & ; ; & A C ; *8

! " & ; K / _ ; ; & / & = / Â&#x2022; Â&#x2022; ` 8 & > & ` _/ 8

q

przeniesienie praw % !

66x`Â&#x201E; _ & A & ; A& & _ & A8 Y & & & & 8 < & &

_ 8

Redakcja kwartalnika Pomiary Automatyka Robotyka ( $

" K & ; O " ? D ; & & K & _ A & p H &8#

Witczak M., Pazera M., Fault tolerant-control: solutions and chal ) Â&#x2014; ! L ! K A Â&#x2DC; K$ +% U ,`+%,. -R,.

S>: ,%$,@#,#` LKd+,D`-$

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

czasopisma

pomiary

www sprawdzian

miara

POLSPAR

eksperyment

automatyka PIAP

seminarium

kalendarium

szkolenie

kwartalnik

federacja

nauka

publikacje

automatyka

stowarzyszenie

HORIZON 2020 _/ innowacje organizacja projekt konkurs

konferencje

relacja

POLSPAR

POLSA

publikacje

AutoCAD streszczenie

agencja kosmiczna

dr h.c.

Top500 innowacje

IFAC

ZPSA

&

profesura

recenzje

relacja

szkolenie

doktorat

robotyka seminarium

sterowanie

B

esa

szkolenie

86

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

D)?EH ?$ B H '( <?D ย ' BEH?

POLSPAR โ Polskie Stowarzyszenie Pomiarรณw, Automatyki i Robotyki POLSPAR prezentujemy w dwรณch perspektywach. Przedstawiamy

#" 1 "

'

=

1 # ?

'

) "

# "

"

" 1

#

' . =

( / ; _ ; / ; ; * & _ / 8 < / K ` ; A ; & A & & & & & ย & & Aย _ _ 8 E _ _ A `ย A K ; & 8 E A & & = A " K H B \H $ ] A b ? Hb?$ \H b ? $ ] A b D ; HbD \H b D ; ]8 < & K & K K ; ` * _ A ; 8 ( & A K / & " 8

Historia 1. Polski Komitet Pomiarรณw i Automatyki & _ & _ _ /;_ & & O ; " * b ; _ K ? $ \ VlLG 8] ` \ Vlย w 8]8 < & Aย _ & / K & 8 < ' H / K K " 'H " & ' " K _ ` _ ; A K / & ; A ย & ; 8 VV>ย L f" _ ( g & ` A ; & 8

8 8 K & C ?' ?EH? K _ & / ; K & 8 < & Vlย ย 8 & / A & A f" ? g & < $ & ( E (8 p K `ย & / & _ & ; 8 * O E ( & "?E & Vlย U 8 E ( " ? " ?8 ' & ; 8 <

wU K; K Lย & & _ ) K E ( & "?E ` VL & &

8 p ย / / A `ย & / 8

8 < & & 8 < Vlย T 8 & A `ย K ; ' * ( ? 8 D _ A ` " ? & ;A ' " K " 8 & Vlย l 8 p & A; & _ ) K E ( / A ` " ? & ; A & K 8 p & Vlย l 8 & & " " K ? " " ?8 " / " " ? wG K * O & &

& ` 8 < Ll VlFG 8 ; A & & ' % ; ; " " ? K 8 p & LG ; & K & K 8 ' " " ? ; " = ? " K K 8 < & -

TU

D)?EH ?$ B H '( <?D ย ' BEH?

* ( ? * B ' ( H " & < = " < &K & $ _ _ " K 'B" H < \ &K " ? ] ( ' < &K & H B ' ` " K B 8 < VlFG=VlTL & Aย " " ?8 & ; # ( ย \VlFG=VlFw] j ( ; \VlFw= VlFF] / \VlFU=VlUG] ( " K \VlUG=VlUU VlUU=VlTL]8 < VlTL 8 " " ? & A "

E O( E ( 8 " K ? \" EO( E ( 8 " ?]8 & VlTL= VlTU ; _ ( " K 8 " ; K A K " " K ?

K ; & ; 8 " ` A K / & / O ` K & & K _

E O( 8 " K ? D K < K E (8 <` K / * " " ? " EO( E ( 8 " ? & & & K & ; =

? \ HHH Hq] _ VlFQ VlFU VlUV VlUQ VlUU VlTG VlTย

& _ & K ; A VlFG VlFw VlFF VlFl VlUL VlUl VlTF8 H K / ; & & A& _ A K & & K Hb?$ \VlFG VlFw VlFF VlFl] H B \VlFV=VlTย ] 8 DK / " " ? _ A & & K = Hv H B \< VlFU] Hb?$ \< VlFl]8 " " K ? " K ; K VlFG= VlTU# " ? = / \VlFG=VlFF] j )K \VlFU=VlTL] j % ` \VlTL=VlTU]ย " " K = B < \VlFG=VlFw] ; \VlFw= VlFF] < ) \VlFU=VlUG] <

\VlUG=VlUU] ? ' * \VlUU=VlTL] ! \VlTL=VlTU]8 < A & f" ? g _ Vlย l=VlFG " ? ' " 'H " & & " ? " " ? _ " " ? & ` / & ย A A & ; \ VlFT 8] $ ! \VlFl=VlTT]8 p / _ Aย " " ? " EO( E ( 8 " ? VlFG=VlTU / ย ; & Hb?$ H B 8

TT

P

O

M

I

A

R

Y

โ ข

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

; E \E ; ] & _ \ & & Hb?$] ; & _ \H B ] A 8 " " & _ K ; & _ ; & Hb?$ & & " 8 E VlFF=VlFl8 < K; K & ` Hb?$ H B \ &8 $ ] & _ K & K ( 8 ย ; K / / K

K & K ; 8 < VlTF 8 & A b D ; HbD K / ; " 8 " E O( E ( 8 " K ? & _ A \E ] HbD8 2. Polski Komitet Naukowo-Techniczny NOT ds. Pomiarรณw, Automatyki i Robotyki PKPA i R < VlTT 8 & _ ) K E ( " EO( E ( 8 " ? & _ A Polski Komitet Naukowo-Techniczny NOT ds. Pomiarรณw, Automatyki i Robotyki8 & VlTT=VllV _ & ( " K 8 " _ VlTT 8 " "? D " = Podkomitet Robotyki K / ; ย " _ ? 8 < " & = " ( D ; ^ K ( D ; * D ; D ; 8 < VlTย VlTT VllG

D ;

D K ` 8 $ " "? D ` _ & ; K

D8 " " \? D ; ] & _ & & / _ & A K & 8 ย / 8 8 &

? \VlTT VllV]8 " _ f" ? g & ` $ ! ! \ VlTT 8]8

+/ &

Polskiego Stowarzyszenia Pomiarรณw, Automatyki i Robotyki POLSPAR < VG VllV 8 _ E Vย < p K ' * E O( 'E( & ย "

E O( E ( 8 " K ?

A

โ ข

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

" ? D ; D8 LG E V>LGVF

D ; _ & &

; O ; _ _ ` _ K A 8 " ' " K ?

D ; POLSPAR & & &A / _ & '_ < K < VL VllV 8 " < VF VllL 8 " K = " K ?

D ; 8 ; A K / A` ; _ ' / & 8 _ D < VF & VllL 8 " ' " %'"?D ; ! ` & _ K ; A # " K = ? b

? = K % D ; = ? 8 _ ` VÂ&#x20AC; K;8 ' K ; ; A; ` " K " "? D8 < & ` / " %'"?D & ; Â&#x2022; " " ? " "? D8 ) K " ' " K ? D ; " %'"?D Â&#x203A; VL 8 < LQ VllL 8 < p K E( & A A & & A " %'"?D b ' * E O( b'E( ` & Vllw 8 K / & Â&#x2022; " %'"?D & Hb?$ HbD H B _ ) K & VllQ 8 < VllL=VllU " %'"?D & = qHH

? \VllQ 8] vHHH

\VllÂ&#x20AC; 8]8 " Vllw VllF Hv v

D ; 8 < & A A `Â&#x2022; & K ` " K D ; _ ; `Â&#x2022; A 8 " _ K " K D ; & ; & ? b ? VllU 8 & _ ? ; D D 8 b A A f" ? g VllU 8 & ! 8

Stan obecny (do 1999 r.)

7/ ; % % ? \ & Vlll 8] " %'"?D & LGG K K & _ 8 < / & / ` ' & K 8 ' & =

" K ?

D ; 8 < K _

K & ; ; * _ & ; _ ` _ & K 8 ! /_ & _ ; A; K & 8 < VL VllT 8 < p K " %'"?D ; & ' & VQ K _ 8 < & " %'"?D VllT=LGGV ( " 8 " _ A A& _ # ( " \& ' ] & = ? b \ ` & _ " K ] ? \ ` & _ D ; ] D D \ ` & _ ? ] ?

K \ ' ] ? * \ ; ' ]8

A D _ ; # $

( ? < 8 </ &=>(&?@ #

Q

V

IFAC â&#x20AC;&#x201C; International Federation of Automatic Control8 " / ` VlÂ&#x20AC;U 8 & K VT & * & _ 8 < Vlll 8 Ql K = 8 ) K _# K = ) ? ; \)?] = / D = $ \$] D ( = ( ! \(!] D < = Bx Z ! \B!]8 ; ; " " B K < & K Y A& _ " ' ; 8 < Hb?$ l K K _ & A QÂ&#x20AC; K & & 8 < A & Hb?$8 " %'"?D & VllT 8 & _ A & 8 Hb?$8 IMEKO â&#x20AC;&#x201C; International Measurement Confederation8 A _ _ / _ VlÂ&#x20AC;T 8 & _ _ ww 8 ) K _# D ) = ) $ \)$] = / D ( = ( ! \(!] D E = ? Z ! \?!] ' = ' \']8 ; _ " Y A& _ " " B < & \ / & A ] Y A& _ " ' ; ' ) 8 " A K K VU8 H B

K K ; _ A & _ VlÂ&#x20AC;T 8 " %'"?D & H B K K K K & _ _ & & K 8 &K 8 p " %'"?D D ) H B \VllT=] D 8 8

Tl

D)?EH ?$ B H '( <?D Â&#x2122;' BEH?

90

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;¢

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;¢

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

D)?EH ?$ B H '( <?D Â&#x2122;' BEH?

IFR â&#x20AC;&#x201C; International Federation of Robotics8 E A K Vlll 8 ; " %'"?D8 " VlTF 8 Lw 8 ) K _ _ = ) Z ! \)!] = / K _ ; V=L & K K < = Bx Z $ \B$]8 < / _ & _ ; _ _ A & & HbD H ' & D ; \H'D] H'HD & & VlFl 8 ? " %'"?D & HbD & ; ? 8 Y$7+ 71+ ] Y $

; 7 -Technicznych NOT8 " %'"?D VllL 8 b _ VlQF 8 _ wÂ&#x20AC; K \'E(]8 E b'E( E ( _ D

_ ) K ) K D 8 " %'"?D & & & / b'E( E ( _ D 8 +/ & %

%

) K & _# V8 < &K O K ` # 8 Y & b'E( &K & ;8 < &K & ? D ; "?E ?& E "?E8 L8 Y & Hb?$ HbD H B K " %'"?D 8 8# 8 Y & ;8 Y &

8 " & & & Hb?$ HbD H B 8 w8 p & &K & ; A & ; &K & A & O ; / & & " %'"?D8 Q8 " ` & ; # 8 ` &K & _ A " ? " %'"?D ;8 " A & ; " %'"?D8 Â&#x20AC;8 " ` & & & ; K/ K 8 F8 " ` U8 " ` & 8 8 & ; K & _ K 8

E / _ & ` " %'"?D VllT=LGGV & _ LL VllT 8 & ; A f" ?

g E VG>VllT 8 ; ' _ 8 ; K ; K Â&#x2022; & _ A ` / Â&#x2022; `Â&#x2022; & A * ; _ * C A A K " %'"?D 8 <` K * K _ ' / Â&#x2022; / # V8 H A ; K & A & & K & _ Â&#x2013; L8 " Hb?$ _ & A &K & Hb?$=" %'"?D ; Â&#x2013; w8 ; A &K & & # H

\ * VllT 8] ?Y( ?(H E Â&#x153;ll \ Vlll 8] / qHHH

? & \ * Vlll 8]Â&#x2013; Q8 " A & & & ; K ; / _ A K A K Â&#x2013; Â&#x20AC;8 Y K K &K & _ A " ?

" %'"?D K VllU 8 ' ' 8 E _ & & & K & ; A * ; /_ A 8 " %'"?D / &K 8 ' _ & A & & ' 8 p & & _ A = / ` K ; K K ' & " %'"?D ` C O O & 8

P 8 B C ) 8 ! = L ! K A SY LK ,DDD $ ! F ! ! ! G A ) ! ; b>>> M M ; L ! +,R+@ ,DDD $ 0$ SY LK R A $ -,R--

91

D)?EH ?$ B H '( <?D ' BEH?

&=>(&?@

& _ qqH 8 ' ; # ?

D ; " K 8 & 8 LGVG 8 ' " ' " K ? D ; " %'"?D \ VL] & _ ' K A "?DH( \ 8 ; A & & & K ; K / ; H(]8 " < ' K ; A VF LGVV 8 & =

( C ( " 8 ' &K & A A & & Hb?$ H B _ & K &K _ A & K ; A & & Hb?$ H B 8 " Hb?$ LGVQ K ; A $ & ( \? " ] Hb?$ ` & K ` & 8 <` K A & " E 8 ' " %'"?D & K / _ ` _ & & ` A f" ? g "?

K A ' A & ; A f ? g ? & # f" ? D ; g "?D f ? ; D ; H ' g ? DH' K / "?

O'H "DB'' "<E(8 < ' & _ " %'"?D A & & & K # VllL=VllT = 8 /8 ! VllT= LGGQ = & 8 ;8 /8 ( " LGGQ=LGVV = & 8 ;8 /8 < < LGVV = & 8 ;8 /8 8 % ; K ' ` LGG K 8 p _ " ; & K ; \ ` " %'"?D VL= Vw "?DH(] & K; &K " H ? " K "H?" K

92

P

O

M

I

A

R

;$ ! U ! ! >/L ,D..R,D.D

/ K _ _ & _ _ " %'"?D8 " %'"?D / & ( K " ( " ) * 8 & & &K & "?E K / ` C 8 K / K & &K & O& / * ` 8 p * Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

; _ & ` / & & ; & & / 8

U ; SY LK :`` $ )$) $ ` ` P$ & ) M B SY LK

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 20, Nr 1/2016

Prof. Janusz Kacprzyk w EURO-ACAD

H ! " # " "

*

6 "

)

6

.

.

. ? " 1 '

. 1

$

. .

# 4Z33 $

" 22 = H "

. .

.

= 1 # !

$ "#"

6/=

=

1 = =

Janusz Kacprzyk LU ) I M = L ! U ? ! / ?

L ! ; L / >??? U ) = >??? ! > ) >???

M ! U ) = & M ;! $ O > / ! L F>/ LG ) 0 O S ! $ \ A ! ' ? ' F,DE%G$ B A ,DEE $ > O !

LU$ 0 !P A ,DD% $ ! =N ; ) $ O ; ! B ! " L ' ' O & $ \ ! @%% A !

H% ! $ ; ; $

93

1926–2016

" ? D ; D8 LG E V>LGVF

Profesor Tadeusz Missala 9 '#?

".? 7 " 7[$

4\ " 2345 = #$

]\ $

" # ' & " 6 "

&6

= =

=

( A U & VlLF 8 @ 8 b ; & & 8 ) j ; & Y @K 8 ' A ` _ ( * < VlQQ 8 E A& < B " @K 8 ' / * Â&#x20AC; & VlQl 8 _ / 8 VlQT 8 &

" @K 8 V VlÂ&#x20AC;G 8 wV & VlÂ&#x20AC;G 8 ; H B < ' \ & & ]8 V & VlÂ&#x20AC;G 8 & /; & " $ A/ < K '& A <' 8 ( & A B < / ' K A& ' " 8 " & /; VF & VlÂ&#x20AC;w 8 & <'

) K < & _ ' " A& ) K 8 V VlÂ&#x20AC;T 8 & ) K H / K < K B K ? " f?Z g < _ & & C & ; K ) K <' ) K 8 " & ` _ A & _ _ K )OVÂ&#x20AC; & A 8 $ _ & ` A Â&#x2022; A & V VlFG 8 & _ & A H " H" < 8 " _ " " K ? 8 E & ; O; & VlÂ&#x20AC;G=VlFV V VlFw 8 ' " E O! H " 8 < F VlFw 8 & * & D A < B " < & & Teoria i obliczanie X 8 " & ; & K 8

VV VlFQ 8 & A B K ? < ? ( 8 " A " H ? " K & _ V ` VlFU 8 ? B ? & _ A & & & _ * K 8 < & A; _ & A _ A C & & _8 < F & VlFU 8 ( & ' " E O! " H ? " K 8 " " H ? " K ; _ _ & K ; K & 8 8 & / _ * & HE(B%B (D?EO \VlUV= VlUQ] / HE(B%B (D?EO' \VlUU=VlUl]8 & K ; &K & " H ? " K ` ! OD BD?OB% ?( < / $ BD?OB%<D 8 ' HE(B%B (D?EO' & K ; K LGG < ; K wFG < ' C ' 8

/ "H?" & HE(B%B (D?EO' A& _ C ' 8 UG8 * TG8 " _ ; K LGG < wFG < K _ & A 8 ; K ; LGG < wFG < &K & _ _ HE(B%B (D?E8 ! &K _ * K HE(B%B (D?E HE(B%pH)H(O"H / & ` & 8 & VlUT 8 & ` ? B " H ? " K 8 < / & & & 8 ( A ; #

lÂ&#x20AC;

WSPOMNIENIA

= HE(B%pH)H(O"H / p "H?" ?" K < &8 *Â&#x2013; = ; K HD; HD&Â&#x2013; = HE(B%pH)H(O"D <?Â&#x2122; _ K 8 < _ A " H ? " K & Â&#x20AC; ` VlTG 8 E' ' `Â&#x2022; & `Â&#x2022; ; & 8 &_ _ _ Analiza i Prognoza K ; & & K H 8 " 8 ( & K & ; ; & C & !E E$! D & " H ? " K 8 & & )D?"j(DH!8 VllÂ&#x20AC; 8 K ` \ & !'H "$!$] / "H?" ' & ` "EOBE H' lGGV ' ` $ C _ < ; \ Vlll 8]8 _ $ C < ;K C _ YB8 < VllÂ&#x20AC;= VllU ; & K

" ! Sie

Q / " HB$ '$FÂ&#x20AC;? ; & HB$ FVÂ&#x20AC;GT HB$ FVÂ&#x20AC;VV _ ; & * 8 " _ ( Â&#x20AC;G " E & / ; "E8 ! ! & * b & " ( ! & * E ` _ ; & * 8 Y & D E # " H ? " K \ A& & _ ] !D %Y B% )K \ VllV 8] H & ' K ? " K < \ VllV 8] $ H " < \ ]8 < VlUT=LGGF & " < & 8 ! & K VUÂ&#x20AC; K K Â&#x20AC; _/ C LG & & _ K/ Vl & T & ; LG ; 8 < & F K 8 & VllQ 8 ( -

Â&#x20AC;G \ E _ _ " ; _] " E 8 ? D ; " 8 ! & " Â&#x20AC; HB$8 ! * O 8 VllT 8 _ " ' " K ? D ; " %'"?D = D & _ K / A & _ 8 * & K 8 8

/ 8 < ` ; _ ; _8 $ A ` K K &K 8 E & ; K ; A $ < ; / & D A / K 8

" ( A & & _ _ 8 <K ; ` ? B " H ? " K "H?" < 8 " / ; / & ; " ( & _ & _ & / A8 < & * A A &K & H 8

" ( ; ; / ; _ 8 ` ` / _ K A ? 8 & * & A _ ; _ 8 & & ; " & * & ` _Â&#x17E;

" ( _ &K & QQ = VlUL 8 ! & 8 A & _ & ; K 88

P

O

M

I

A

R

U ! = K ' = = K ! L ! K A

/8 ' * " H ? " K "H?"

' !

A ; / ?Y( ?(Â&#x2122; ?

" 8

" H ? " K "H?"

96

$ `Â&#x2022; & A 8

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

" %B$?EB 'HÂ Â&#x161; H

Modelowanie i sterowanie robotĂłw Monografia Modelowanie i sterowanie robotĂłw # $

#

'

1 ! " ! # $

%

$ "

" /

/$ # '

* .

/ .

)

233^ =

#" $

.

'

$

. .

?

' 7

'

' "

# =

Â&#x2014;M BP ! ! B = A

! A $Â&#x2DC;

M ; M

' ! ' =A Modelowanie i sterowanie robotĂłw ' 'U +%%#$ > OU DEH8H8#%,8,@%H,8.$

" _/ = C & A = & ; & ; K & ; & ; / K &K & _ ;_ ; K 8 < & A & & & * & K _ A & K ` _ _ 8 K & ; = & = & & &K & _ ; K 8 < & & & K; & & / K * _ & ; & 8 " & & ; K 8 " ; * & ` ?(%?!> ' & & ; K & 8 K _ & ; & 8 & ` " " * ; = ; & '$?D? & ; ; ' ; ; HD&OF8 ) K _/ A # = & & = & = ; & & / = ? = / * K = " =

= " & K = p ;K % & & ; & K = ' & ; K 8

_/ & ; * K K / ; K = K 8 % _ & _ A; 8 $ _ _/ # = " & & A & = < ; = A & = ' ; `Â&#x2022; K = C ; ` % & ; ; ` O K 8 E A / `Â&#x2022; ; ` 8 $ `Â&#x2022; & ; / *8 _/ _ ;A K ; K O K 8 " ; & K K ; _ / & / K & K _ A 8 ' K & / K K ; K & 8

S ;$ M ; 0 ;$ ) )

97

" %B$?EB 'HÂ Â&#x161; H

> ) & ) ; > ; !

1

1

1

'

'$ $

"

" =

&

1

1

*

)

F (<) 6

& '

'$ (

) "

( &

)" = *

"

'

B

1

* !"

" $ !&<)

_

1 (

& '

)"

/ $ %

*

(

* '

'$ ` @ "

(" $ / $ (" =

( ; ; & 8 j && & O O & x ÂĄ < & ÂĄ ( ; & Z Z & Â&#x153; & & 8 H ; O O O & \ 8 8 ; ¢ ] & 8 ( ; & Z & ; & Z & ; h

> & Z O & > & 8 ( & & ; ÂŁ C & & Z ; LGÂ&#x20AC;G UG¤ Â&#x153; & & x& Z 8 ( ; & ; & &

8 ' Z && & 8 ?&& & O O O ; ;

Â&#x2014;0 J ; !

A A +@ E ! ! A ! ) ;;

$Â&#x2DC;

? M & F G Intelligent Monitoring, Control, and Security of Critical Infrastructure Systems ! > ) ^ $ -.- ) +%,-$ > OU DEH8#8..+8@@,-D8.$

S> ,%$,%%E`DEH8#8..+8@@,.%8+$

98

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

& ÂĽ 8 ( ; # = $ H ' # ! " & $ ' = B " ' = ( E = < p ; E = ( & ' # $ ' = ? ( H $ H = ? ( H $ $ H ' \ ?8 ! ] = ? ( D >H & BZ $ H = H H & # ? = b p b ( $ $ H ' = < ' E ! ( $ H ' = ' O O' ?&& 8 b ; ; x& Z & Z &

8

& ) M

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 20, Nr 1/2016

Kalendarium wybranych imprez Nazwa konferencji

Data

Miejsce

IEEE International Conference on Robotics and Automation ICRA 2016

16–21 / 05 2016

Sztokholm Szwecja

www: http://www.icra2016.org/

Systems, Controls and Information Technologies

20–21 / 05 2016

Warszawa Polska

www: http://www.scit.piap.pl

4th IFAC Conference on Intelligent Control and Automation Sciences ICONS 2016

1–3 / 06 2016

Reims Francja

www: http://icons2016.univ-reims.fr/ mail: icons2016@univ-reims.fr

XII Konferencja NaukowoTechniczna Podstawowe Problemy Metrologii PPM ’16

5–8 / 06 2016

Szczyrk Polska

www: http://www.pak.info.pl/konferencje mail: ppm@pak.info.pl

Systemy Pomiarowe w Badaniach Naukowych " ` SP 2016

12–15 / 06 2016

@ K % ; Polska

www: http://www.sp2016.ime.uz.zgora.pl/

47th International Symposium on Robotics ISR 2016

21–24 / 06 2016

Monachium Niemcy

www: http://www.ifr.org/events/isr/

13th International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics

29–31 / 07 2016

% ; Portugalia

www: http://www.icinco.org/

29 / 08–01 / 09 2016

A Polska

14. Krajowa Konferencja Robotyki

14–18 / 09 2016

Polska

International Conference on Computer Vision and Graphics ICCVG 2016

19–21 / 09 2016

Warszawa Polska

www: http://iccvg.wzim.sggw.pl/

14th European Conference on Computer Vision ECCV 2016

11–14 / 10 2016

Amsterdam Holandia

www: http://www.eccv2016.org/

7–9 / 11 2016

% Wielka Brytania

IEEE 21st International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics MMAR 2016

13th International Symposium on Distributed Autonomous Robotic Systems DARS 2016

Informacje dodatkowe

www: http://mmar.edu.pl/

www: http://kkr13.pwr.wroc.pl/

www: http://dars2016.org/

99

EbBDBE$ B y ?" <HBpÂŹ

Tegoroczna konferencja automation ;A A / & 8 & " H ? " K "H?" ; _ K/ _ _ A & A & ; ; & 8 < K/ -

" automation ; A VllU 8 K FQ VUV K 8 < ; K & `Â&#x2022; TG=VVG ; K A & VTG=LGG8

" automation gro LÂ&#x20AC; ; & & 8 < VllU=LGVV & & 8 ;8 /8 ? LGVL 8 & _ & 8 ;8 /8 & 8 "

& & 8 8 /8 ' ; _ & /8

& 8 = & K & ; ; & & _ & A; & " H ? " K "H?" A& A O Pomiary Automatyka Robotyka "?D8 & A & ; _ Advances in Intelligent Systems and Computing \?H'$] $ " $ H x \H'H " ]8 " -

W dniach 2â&#x20AC;&#x201C;4 marca 2016 r.

A ' bb M ; U 8 0 L ! R U $

& * automation 8 " A ( ? " K ?Y( ?(H$ E K / &K & "H?"8 & _ & _ AÂ&#x2022; A ` * & * ` K ; 8

A & ; _ & ` "?D8 E / K Â&#x2022; A / konferencji automation _ & & & = / K/ )

2 8

/ ` & " H ? " K "H?" _ * ; ; & K 8

;$ M B M ! S ) )

D O nego Pomiary Automatyka Robotyka automation / K ; & & ; ; 8

PAR P O M I A RY â&#x20AC;˘ A U T O M AT Y K A â&#x20AC;˘ R O B O T Y K A

kwartalnik naukowo-techniczny

4/2015 ISSN 1427-9126 Indeks 339512

Cena 25,00 zĹ&#x201A; w tym 5% VAT

www.par.pl

W numerze:

3 5

Od Redakcji Marta ZagĂłrowska

1

# typu PDÎą

15

? < " $ ; @ *

21

Maria Wrzuszczak, Volodymyr Khoma, Roman Baran

27

Michael Scopchanov, Krzysztof Pietrusewicz, Hristo Hristoskov

33

$ ;

$

% !

5

x

%

) x) ( 6 , 6 ( * . 4 6 $

5 ! % %

Ponadto: Informacje dla AutorĂłw â&#x20AC;&#x201C; 87 | International Measurement Confederation IMEKO â&#x20AC;&#x201C; 91 |

)"

443

" # )

97 |

)"

6

1 # .

# 1

.

1 .

100 | Informatyka kwantowa. Wybrane obwody i algorytmy

) $ H 7

101 |

6 " .

" # " ' = )

(

102 | Kalendarium â&#x20AC;&#x201C; 103 | Diagnostyka ProcesĂłw )"

% ) 234q

104 |

/& % " 234q

106 | 3rd (

6

_

107 |

) (1 '

234q

108

A = ; = ) > ; ! ,DDE

VGG

P

O

M

I

A

& ; ) & ; ) ) ! B L ! B > ) ! ! ) FL> G ! L ! K A LK

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 1 / 20 1 6

1/2016

P O M I A RY • A U T O M AT Y K A • R O B O T Y K A

57

Jacek Korytkowski

Elektroniczne niemostkowe układy przetwarzania rezystancji i konduktancji na sygnał cyfrowy Maciej Cader, Leszek Kasprzyczak

Koncepcja budowy prototypu mobilnej platform inspekcyjnej dedykowanej do pracy w kopalniach

65

Przemysław Strzelczyk, Krzysztof Tomczewski

69

Piotr Golański, Maciej Szczekała

75

Realizacja mechanizmu lokalnej wymiany informacji w ramach platformy komunikacyjnej w rozproszonych systemach stertowania

PAR POMIARY •A UTOMATYKA • ROBOTYKA 1/2016 (219)

47

PAR kwartalnik naukowo-techniczny

Cena 25,00 zł w tym 5% VAT

www.par.pl

W numerze:

3 5 17 25

Od Redakcji Marcin Witczak, Marcin Pazera

Fault Tolerant-Control: Solutions and Challenges Zygmunt Kudźma, Olgierd Mackiewicz

Badanie zjawiska kawitacji w pompach wyporowych Małgorzata Michalska

Application for the Automatic Pitch Detection and Correction of Detuned Singing

Zastosowanie przenośnego systemu ekspertowego z rzeczywistością rozszerzoną do obsługi statku powietrznego

31

Janusz Madejski

Kamil Krasuski

37

Krzysztof Mianowski, Karsten Berns

Wyznaczenie parametrów opóźnienia troposferycznego dla stacji referencyjnej GNSS

ISSN 1427-9126 Indeks 339512

Potential of Multi-Agent Systems for Operation of Transportation Systems

Robot humanoidalny ROMAN

Ponadto: Informacje dla Autorów – 83 | POLSPAR – Stowarzyszenie Pomiarów, Automatyki i Robotyki – 87 | Wydarzenia – Profesor Janusz Kacprzyk w EURO-ACAD – 93 | Wspomnienia – Profesor Tadeusz Missala – 94 | Polecane książki: Modelowanie i sterowanie robotów – Krzysztof Kozłowski, Piotr Dutkiewicz, Waldemar Wróblewski – 97 | Polecane książki: Intelligent Monitoring, Control, and Security of Critical Infrastructure Systems – Elias Kyriakides, Marios Polycarpou – 98 | Kalendarium – 99 | XX Konferencja Naukowo-Techniczna automation 2016, Automatyzacja – Nowości i Perspektywy – 100