PAR 4/2015 by Redakcja PAR

4/2015

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

Jan Kotlarz, Natalia Zalewska

Krzysztof Mianowski, Wojciech Kaczmarek, Grzegorz Kamiński, Rafał Rosołek, Marcin Stańczak

Kamil Krasuski, Damian Wierzbicki

Przemysław Strzelczyk, Krystyna Macek-Kamińska

75 79

Algorytmika wyznaczania względnej pozycji łazików marsjańskich

Stanowisko do rehabilitacji kręgosłupa metodą dynamiczną

Wyznaczenie kursu bezzałogowego statku powietrznego na podstawie danych GPS i INS

Kontroler lotu dla bezzałogowych obiektów latających

PAR POMIARY • AUTOMATYKA • ROBOTYKA 4/2015 (218)

PAR kwartalnik naukowo-techniczny

3 5

w tym 5% VAT

www.par.pl

Od Redakcji Marta Zagórowska

Optymalizacja parametryczna regulatora niecałkowitego rzędu typu PDa

Andrzej Wojtulewicz, Patryk Chaber, Maciej Ławryńczuk

Maria Wrzuszczak, Volodymyr Khoma, Roman Baran

Michael Scopchanov, Krzysztof Pietrusewicz, Hristo Hristoskov

Zdzisław Kowalczuk, Michał Czubenko

Joanna Kulik, Łukasz Wojtczak

Światowe trendy robotyki a wyzwania technologiczne polskich MŚP

Cena 25,00 zł

W numerze:

Maciej Sadowski

Pomiary emisji elektromagnetycznej na stanowisku cięcia plazmowego

ISSN 1427-9126 Indeks 339512

Stanowisko laboratoryjne do badania wielowymiarowych algorytmów regulacji

Przetwornik funkcyjny impulsowo-kodowy o wybieralnej rozdzielczości i charakterystyce opisanej funkcją pierwiastka kwadratowego

Meta-Modeling and Automatic Code Generation for Computer Aided Development of Logic Control Systems

Przegląd robotów humanoidalnych

Ponadto: Informacje dla Autorów – 87 | International Measurement Confederation IMEKO – 91 | Sylwetki – 110 rocznica urodzin Profesora Mieczysława Sąsiadka – 97 | Sylwetki – Absolwenci Politechniki Wrocławskiej we władzach opolskiej uczelni technicznej – 100 | Informatyka kwantowa. Wybrane obwody i algorytmy – Marek Sawerwain, Joanna Wiśniewska – 101 | Automatyzacja przemysłu spożywczego. Seria: Casebook – 102 | Kalendarium – 103 | Diagnostyka Procesów i Systemów DPS 2015 – 104 | NI Days 2015 – 106 | 3rd Conference on Aerospace Robotics – 107 | Sumo Challenge 2015 – 108

Rada Naukowa

Rok 19 (2015) Nr 4(218) ISSN 1427-9126, Indeks 339512

Redaktor naczelny

prof. Jan Awrejcewicz Katedra Automatyki, Biomechaniki i Mechatroniki, Politechnika Łódzka prof. Milan Dado University of Žilina (Słowacja)

dr inż. Jan Jabłkowski

prof. Tadeusz Glinka Instytut Elektrotechniki i Informatyki, Politechnika Śląska

Zastępca redaktora naczelnego

prof. Evangelos V. Hristoforou National Technical University of Athens (Grecja)

dr inż. Małgorzata Kaliczyńska

Zespół redakcyjny dr inż. Jerzy Borzymiński prof. Wojciech Grega – automatyka prof. Krzysztof Janiszowski dr inż. Małgorzata Kaliczyńska – redaktor merytoryczny/statystyczny mgr Anna Ładan – redaktor językowy prof. Mateusz Turkowski – metrologia prof. Cezary Zieliński – robotyka

Skład i redakcja techniczna Ewa Markowska

dr Oleg Ivlev University of Bremen (Niemcy) prof. Stanisław Kaczanowski Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP, Warszawa prof. Larysa A. Koshevaja Narodowy Uniwersytet Lotnictwa, Kiev (Ukraina) prof. Igor P. Kurytnik Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Oświęcimiu prof. J. Tenreiro Machado Polytechnic Institute of Porto (Portugalia) prof. Jacek Malec Lund University (Szwecja)

Druk Zakłady Graficzne Taurus Roszkowscy Sp. z o.o. Nakład 500 egz.

Wydawca Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP Al. Jerozolimskie 202, 02-486 Warszawa

Kontakt Redakcja kwartalnika naukowo-technicznego Pomiary Automatyka Robotyka Al. Jerozolimskie 202, 02-486 Warszawa tel. 22 874 01 46 nauka@par.pl www.par.pl

prof. Andrzej Masłowski Wydział Inżynierii Produkcji, Politechnika Warszawska prof. Tadeusz Missala Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP, Warszawa dr Vassilis C. Moulianitis University of Patras (Grecja) prof. Zdzisław Mrugalski Instytut Mechanizacji, Budownictwa i Górnictwa Skalnego, Warszawa prof. Joanicjusz Nazarko Wydział Zarządzania, Politechnika Białostocka prof. Serhiy Prokhorenko „Lviv Polytechnic” National University (Ukraina) prof. Eugeniusz Ratajczyk Wydział Zarządzania, Wyższa Szkoła Ekologii i Zarządzania w Warszawie prof. Jerzy Sąsiadek Carleton University (Kanada)

Pomiary Automatyka Robotyka jest czasopismem naukowo-technicznym obecnym na rynku od 1997 r. Przez 18 lat ukazywało się jako miesięcznik. Aktualnie wydawany kwartalnik zawiera artykuły recenzowane, prezentujące wyniki teoretyczne i praktyczne prowadzonych prac naukowo-badawczych w zakresie szeroko rozumianej automatyki, robotyki i metrologii.

Kwartalnik naukowo-techniczny Pomiary Automatyka Robotyka jest indeksowany w bazach BAZTECH, Google Scholar oraz INDEX COPERNICUS (ICV 6,38), a także w bazie naukowych i branżowych polskich czasopism elektronicznych ARIANTA. Punktacja MNiSW za publikacje naukowe wynosi 4 pkt (poz. 1618). Przyłączając się do realizacji idei Otwartej Nauki, udostępniamy bezpłatnie wszystkie artykuły naukowe publikowane w kwartalniku naukowo-technicznym Pomiary Automatyka Robotyka. Wersją pierwotną (referencyjną) jest wersja papierowa. Udostępniamy też aplikację PAR DIGITAL – wersję kwartalnika na urządzenia przenośne.

prof. Rossi Setchi Cardiff University (Wielka Brytania) prof. Waldemar Skomudek Wydział Inżynierii Produkcji i Logistyki, Politechnika Opolska dr Dragan Stokic ATB – Institute for Applied Systems Technology Bremen GmbH (Niemcy) prof. Eugeniusz Świtoński Wydział Mechaniczny Technologiczny, Politechnika Śląska prof. Peter Švec Slovak Academy of Sciences (Słowacja) prof. Krzysztof Tchoń Instytut Informatyki, Automatyki i Robotyki, Politechnika Wrocławska prof. Wojciech Włodarski RMIT University, Melbourne (Australia) prof. Eugenij T. Volodarsky „Kyiv Polytechnic” National University (Ukraina)

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 19, Nr 4/2015

Spis treści

Od Redakcji

Marta Zagórowska Optymalizacja parametryczna regulatora niecałkowitego rzędu typu PDa Parametric optimization of non-integer order controller PDa

Andrzej Wojtulewicz, Patryk Chaber, Maciej Ławryńczuk Stanowisko laboratoryjne do badania wielowymiarowych algorytmów regulacji Laboratory stand for the study of multivariable control algorithms

Maria Wrzuszczak, Volodymyr Khoma, Roman Baran Przetwornik funkcyjny impulsowo-kodowy o wybieralnej rozdzielczości i charakterystyce opisanej funkcją pierwiastka kwadratowego Impulse-Code Converter with Selected Resolution and Square-Root Transform Function

Michael Scopchanov, Krzysztof Pietrusewicz, Hristo Hristoskov Meta-Modeling and Automatic Code Generation for Computer Aided Development of Logic Control Systems Meta-modelowanie oraz automatyczne generowanie kodu w projektowaniu komputerowym logicznych systemów sterowania

Zdzisław Kowalczuk, Michał Czubenko Przegląd robotów humanoidalnych A review of humanoid robots

Jan Kotlarz, Natalia Zalewska Algorytmika wyznaczania względnej pozycji łazików marsjańskich Mars Rovers Localisation Algorithms

Krzysztof Mianowski, Wojciech Kaczmarek, Grzegorz Kamiński, Rafał Rosołek, Marcin Stańczak Stanowisko do rehabilitacji kręgosłupa metodą dynamiczną The Stand for Rehabilitation of the Human Spine

Kamil Krasuski, Damian Wierzbicki Wyznaczenie kursu bezzałogowego statku powietrznego na podstawie danych GPS i INS Estimation course angle for UAV based on GPS and INS data

Przemysław Strzelczyk, Krystyna Macek-Kamińska Kontroler lotu dla bezzałogowych obiektów latających Flight controller dedicated for unmanned flying objects

Maciej Sadowski Pomiary emisji elektromagnetycznej na stanowisku cięcia plazmowego Measurements of electromagnetic emission on the Plasma Arc Cutting stand’s

Joanna Kulik, Łukasz Wojtczak Światowe trendy robotyki a wyzwania technologiczne polskich MŚP World Trends in Robotics and Technical Challenges of Polish SME’s

Informacje dla Autorów

Organizacje i stowarzyszenia International Measurement Confederation

Sylwetki 110 rocznica urodzin Profesora Mieczysława Sąsiadka

SPIS TREŚCI

100 Sylwetki Absolwenci Politechniki Wrocławskiej we władzach opolskiej uczelni technicznej 101

Polecane książki Informatyka kwantowa. Wybrane obwody i algorytmy – Marek Sawerwain, Joanna Wiśniewska

102

Polecane książki Automatyzacja przemysłu spożywczego. Seria: Casebook

103

Kalendarium

104 Konferencje | Relacja Diagnostyka Procesów i Systemów DPS 2015 106 Konferencje | Relacja NI Days 2015 107

Konferencje | Relacja 3rd Conference on Aerospace Robotics

108 Wydarzenia | Konkursy Sumo Challenge 2015

•

NR 4/ 20 1 5

OD REDAKCJI

Drodzy Państwo, Oddajemy w Państwa ręce czwarty już numer pisma Pomiary Automatyka Robotyka, wydawanego w formule kwartalnika. Tematyka pisma jest różnorodna, zgodnie z jego trzyczłonowym tytułem. Polecamy artykuły poruszające problematykę budowy systemów pomiarowych, układów automatyki (regulatorów PI niecałkowitego rzędu – rozważania teoretyczne; wielowymiarowych algorytmów regulacji – podejście praktyczne) oraz układów logicznych (rozwiązania automatycznego generowania kodów). Jednak główną część (60%) stanowią artykuły z zakresu robotyki, w tym mobilnej i rehabilitacyjnej oraz bezzałogowych obiektów latających. Podobnie jak w poprzednich numerach, kilkanaście stron poświęcamy na artykuły inne niż naukowe, ale ściśle powiązane ze światem nauki. W tym numerze przybliżamy strukturę i misję kolejnej międzynarodowej organizacji – IMEKO, wspominamy prof. Mieczysława Sąsiadka – twórcę Szkoły Naukowej Miernictwa Parametrów Cieplnych, polecamy wartościowe książki, zdajemy relacje z konferencji naukowych i technicznych oraz zamieszczamy zestawienie wybranych wydarzeń w nadchodzącym roku. W imieniu Wydawcy – Przemysłowego Instytutu Automatyki i Pomiarów PIAP w Warszawie – serdecznie zapraszam do lektury bieżącego numeru. Korzystając z okazji, życzę wszystkim wielu sukcesów i radości w nadchodzącym 2016 roku.

Redaktor naczelny kwartalnika Pomiary Automatyka Robotyka dr inż. Jan Jabłkowski

•

NR 4/ 20 1 5

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 19, Nr 4/2015, 5–14, DOI: 10.14313/PAR_218/5

Optymalizacja parametryczna regulatora niecałkowitego rzędu typu PDa Marta Zagórowska

AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Streszczenie: W artykule przeanalizowano zachowanie układu całkowitego rzędu ze sprzężeniem zwrotnym niecałkowitego rzędu. Przedstawiono nową metodę doboru optymalnych parametrów dla regulatorów typu PDα we wspomnianych układach z nieskończonym horyzontem. Zaprezentowano wykorzystaną metodę aproksymacji układów niecałkowitego rzędu z wykorzystaniem funkcji Laguerre’a oraz sformułowano problem w postaci zagadnienia minmax. Pokazano również przykładowy przebieg optymalizacji ze względu na parametry związane z typem aproksymacji. Słowa kluczowe: układ niecałkowitego rzędu, sterowanie niecałkowitego rzędu, sprzężenie zwrotne, optymalizacja, PDa, funkcje Laguerre’a

1. Wstęp Układy niecałkowitego rzędu są jedną z nowych gałęzi teorii sterowania. Ich analiza ma na celu nie tyle wyparcie klasycznych teorii, co pewne ich rozszerzenie i uzupełnienie. W artykule przeanalizowano metodę optymalizacji parametrów regulatora PDα. Głównym zadaniem było znalezienie sposobu doboru parametrów, który pozwoli zminimalizować normę w L2[0, +∞) odpowiedzi impulsowej układu zamkniętego. W tym celu zastosowano aproksymację normy za pomocą funkcji Laguerre’a, ilustrując wyniki za pomocą 4 systemów niecałkowitego rzędu o różnej dynamice. Przykładami prac zajmujących się tematyką układów niecałkowitego rzędu, są na przykład [1–4]. Większość publikacji skupia się na właściwościach, np. [5] oraz zastosowaniach, np. [6–8]. Wcześniejsze informacje nt. optymalizacji parametrycznej, zarówno pod kątem symulacji, jak i eksperymentów, można znaleźć m.in. w [1, 8–11]. Ciekawe podejście zaproponowano w [12–14], gdzie autorzy analizowali ideę odpornego regulatora niecałkowitego rzędu. Głównym elementem artykułu jest zastosowanie metody aproksymacji, opisanej w [15, 5, 16], do opracowania nowego sposobu strojenia regulatorów niecałkowitego rzędu. Artykuł stanowi wstęp do badań nad optymalizacją układów niecałkowitego rzędu. Został podzielony na kilka części. Najpierw przedstawiono zarys problemu i propozycję eksperymentów do przeprowadzenia. Następnie zaprezentowano wybraną metodę aproksymacji z uwzględnieniem przyjętego wskaźnika jakości. Kolejna część jest poświęcona algorytmowi optymalizacji – przed-

stawiono wyniki symulacyjne oraz częściową analizę zbieżności. Na zakończenie przedstawiono wnioski i zarys dalszych prac.

2. Opis problemu 2.1. Analizowany układ

Przeanalizowano układ z rys. 1, gdzie

Rys. 1. Zamknięty układ regulacji Fig. 1. Closed-loop system

G0 (s ) =

Artykuł recenzowany nadesłany 5.06.2015 r., przyjęty do druku 30.10.2015 r. Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

(1)

z regulatorem niecałkowitego rzędu typu PDα GR (s ) = K P + K Ds a

(2)

Transmitancja układu zamkniętego ma postać G (s ) =

Autor korespondujący: Marta Zagórowska, zagor@agh.edu.pl

1 s 4 + bs 3 + cs 2 + ds + e

1 s 4 + bs 3 + cs 2 + ds + K Ds a + e + K P

(3)

W przypadku zerowej wartości zadanej umiejscowienie regulatora w torze sprzężenia zwrotnego jest równoważne umieszczeniu w torze głównym. Wybrano cztery typy układów (1), których zachowanie determinują bieguny z tabeli 1.

Optymalizacja parametryczna regulatora niecałkowitego rzędu typu PDa

Wybór takiego układu pozwala np. zaobserwować destabilizację układu ze wzrostem wzmocnienia (niemożliwe w układzie rzędu 2). Efekt wrażliwości osiągnięto również dla układów z opóźnieniem (zob. [17]).

Tabela 2. Wyniki dla ustalonego α Table 2. Results for fixed α

Tabela 1. Cztery typy zachowań układu (1) Table 1. Four types of system (1)

wskaźnik jakości

ID wielomianu

0,5

10,601

152,38

1,7547

1,6164

0,6

–3,1367

157,44

1,8281

0,7516

Bieguny (1)

ID wielomianu

0,7

34,555

249,15

1,4391

0,29579

–1, –2, –3, –4

0,8

47,138

307,78

3,9306

0,10515

–1

0,9

64,501

390,14

3,4072

0,035171

1,1

373,39

225,66

0,017421

–2–i, –2+i, –1–i, –1+i

1,2

592,3

356,88

1,7884

0,014513

–2, –1, –1–i, 1+i

1,3

887,05

286,58

1,7894

0,01641

1,4

3794,8

342,67

3,8473

0,0028629

1,5

4311,7

291,9

3,8693

0,002199

0,5

–4,3727

17,078

0,95104

24,605

0,6

–2,0258

13,995

0,95303

10,037

0,7

–30,52

91,364

2,7187

1,7253

0,8

0,27642

13,98

1,4922

1,5157

0,9

1,5166

19,058

1,2956

0,58241

1,1

506,31

2313,4

4,1255

0,00011033

1,2

117,63

148,79

3,4084

0,0094293

1,4

112,49

104,44

0,012071

1,5

120,11

74,376

1,145

0,019376

0,5

–9,5579

66,916

0,99571

3,4021

0,6

–6,7391

57,279

0,93829

1,7691

0,7

–5,0591

40,414

1,4347

0,86502

0,8

–5,8715

93,316

1,1451

0,30837

0,9

0,35245

78,326

1,2546

0,14081

1,1

288,16

475,46

2,1471

0,0048739

1,2

125,87

155,15

0,024456

1,3

977,79

248,05

2,0518

0,01098

1,4

258,86

79,355

0,032846

1,5

295,84

84,453

0,0163

0,5

71,287

21,833

2,9241

16,426

0,6

20,005

25,392

1,9548

3,9668

0,7

0,71273

29,175

0,7794

1,5688

0,8

3,9467

25,824

1,902

0,62471

0,9

–5,3143

73,452

2,0709

0,19688

1,1

24,498

27,853

4,0727

0,18316

1,2

38,406

28,62

4,1612

0,18331

1,3

124,79

109,05

0,021496

1,4

125,06

98,213

0,01964

1,5

51,857

22,898

3,583

0,14819

2.2. Optymalizacja

Głównym celem prowadzonych badań było znalezienie optymalnych wartości parametrów: α, KD oraz KP. W tym celu wybrano następującą funkcję celu ∞

J (a,K D ,K P ) = ∫ g 2 (t ) dt

(4)

gdzie g(t) oznacza odpowiedź impulsową układu (3).

3. Metoda aproksymacji Metoda aproksymacji odpowiedzi impulsowej może zostać zastosowana do równań typu (opisanego np. w [1]):

n −1  σ x (t ) +  ∑ pn − j C0 D n − jt x (t )  + p0x (t ) =  j =1  m −1   γ qm C0 D γ mt u (t ) +  ∑ qm − j C0 D m − jt u (t )  + q 0u (t )  j =1  C σn 0D t

(5)

gdzie j ≤ σj ≤ j+1, j = 1, 2, …, n, j ≤ gj ≤ j+1, j = 1, 2, …, m, pj, qj ∈R. Warunki początkowe są zerowe. Zakłada się również, że |u(t)| ≤ umax dla t ≥ 0 oraz u(t) = 0 dla t < 0 [5]. Z uwagi na przyjęte wartości warunków początkowych, operator różniczkowania może być zarówno typu Caputo, jak i Riemanna-Liouville’a. Można zauważyć, że przy powyższych założeniach rozważa się układy rzędu co najmniej 1. Transmitancja równania (5) ma postać

q s γ m + q m −1 s γ m − 1 +  + q 0 ˆg (s ) = m σ s n + p n −1s σn −1 +  + p0

(6)

którego rozwiązanie jest dane splotem t

x (t ) = u ∗ g = ∫ u (t − θ) g (θ) dθ

(7)

•

NR 4/ 20 1 5

Marta Zagórowska

Można pokazać, że rozwiązanie (7) równania (5) może zostać aproksymowane układem n liniowych równań różniczkowych zwyczajnych [5]. Twierdzenie 1 (zob. [5]) podaje warunki, jakie muszą być spełnione aby znaleźć aproksymację o minimalnym błędzie.

Celem doboru regulatora jest minimalizacja normy odpowiedzi impulsowej g(t). Korzystając z wybranej metody aproksymacji oraz właściwości szeregów ortonormalnych można znaleźć analityczną postać wskaźnika jakości. Bezpośrednio ze wzoru (10) można zauważyć, że

Twierdzenie 1. Jeśli g ∈L1(0, ∞) ∪ L2(0, ∞) oraz |u(t)| ≤ umax wtedy: 1. Rozwiązanie równania (5) może być aproksymowane przez

(15)

(8)

Biorąc pod uwagę, że ek(θ, m) są ortonormalne w L 2[0, +∞)

gdzie funkcje ξk(t) : [0, ∞) → R są rozwiązaniem układu (9)

ei , e j = 0,

i ≠ j

ei , e j = 1,

i = j

(16)

gdzie (17)

ξk(0) = 0, k = 0, 1, 2, …, n oraz

Można zauważyć, że (10)

2. Dla każdego ε > 0 istnieje n0 zależna od g, ε oraz umax taka, że błąd aproksymacji n(t) = x(t) − xn(t) spełnia nierówność | n(t)|< ε

(11) Łatwo zauważyć, że

dla każdego n ≥ n0 oraz t ≥ 0. Dowód. Dowód znajduje się np. w [5].

(19)

□

Funkcje ek(θ, m) tworzą ortonormalny zbiór funkcji Laguerre’a parametryzowany przez m > 0, określony wzorem: (12) gdzie Lk są wielomianami Lagerre’a, oraz k = 0, 1, 2, …. Dodatkowo, zob. [5], wykorzystując fakt, że g ∈L2(0, ∞) oraz na podstawie przemienności operacji splotu dostaje się zależność między ξk oraz ek (13) Wzór (10) nie nadaje się do implementacji numerycznej. W [5] autorzy zaprezentowali formułę rekurencyjną, która pozwala efektywnie obliczyć wartości współczynników. Została ona także zastosowana w niniejszym artykule. Jednym z aspektów, na jaki należy zwrócić uwagę, jest dobór parametru m. Jego wybór determinuje funkcja celu określona wzorem (14) maksymalizowana ze względu na m (szczegóły w [5]).

(18)

Wówczas zależności (14) oraz (19) są sobie równe, a optymalizacja odpowiedzi impulsowej jest problemem typu minmax. W pierwszym kroku następuje maksymalizacja wskaźnika jakości ze względu na m, a następnie poszukuje się minimalnej wartości ze względu na parametry regulatora.

4. Algorytm optymalizacji Optymalizacja może być przeprowadzona z wykorzystaniem dowolnego algorytmu optymalizacji. W tym przypadku zastosowano algorytm Neldera-Meada, zaimplementowany w środowisku MATLAB/Optimization Toolbox. 1. Wybrać wartości początkowe α, KD oraz KP. 2. Przeprowadzić wstępną maksymalizację wskaźnika jakości (14) ze względu na m. 3. Wykonać jeden krok optymalizacji. 4. Przed obliczeniem (19) wykonać maksymalizację ze względu na m. 5. Zaktualizować wartości α, KD oraz KP zgodnie w wybraną metodą optymalizacji. 6. Powtarzać kroki 2–5 aż do osiągnięcia zadanej dokładności.

5. Wyniki Rozważono dwa sposoby postępowania. W pierwszym ustalono wartość α i przeprowadzono optymalizację wyłącznie dla parametrów KD i KP. Zdecydowano się na przetestowanie wartości α

Optymalizacja parametryczna regulatora niecałkowitego rzędu typu PDa

z zakresu 0,5–1,5. Dla każdej wartości minimalizowano cztery transmitancje o parametrach określonych w tabeli 1. Wyniki pierwszego podejścia zostały wykorzystane jako punkty startowe w drugim etapie, gdzie optymalizowano również wartość α.

5.1. Optymalizacja ze względu na KP oraz KD 5.1.1. Punkty startowe

Założono, że układ niecałkowitego rzędu (3) dla α bliskiego 1 będzie się zachowywał podobnie do układu całkowitego rzędu z klasycznym regulatorem PD. W ten sposób został zidentyfikowany zakres parametrów, dla których układ zamknięty jest stabilny. W dalszych pracach zostaną wykorzystane kryteria stabilności podane w [18]. Na podstawie kryterium Hurwitza określono zakres parametrów dla układu całkowitego rzędu (rys. 2). Jako warunek początkowy optymalizacji (KP0,KD0) wybrano centralne punkty zakropkowanego obszaru Rys. 2. Zakres stabilności układu całkowitego rzędu. Zakropkowany obszar oznacza dopuszczalne wartości parametrów KP oraz KD Fig. 2. Stability region for integer order system. Dotted region denotes admissible values of KP and KD

(20)

(a) Odpowiedź impulsowa α = 1,5 oraz n = 10 dla wielomianu typu 1 (a) Impulse response for α = 1.5 and n = 10 for polynomial 1

(b) Odpowiedź impulsowa α = 0,5 oraz n = 10 dla wielomianu typu 1 (b) Impulse response for α = 0.5 and n = 10 for polynomial 1

(c) Odpowiedź impulsowa α = 1,5 oraz n = 5 dla wielomianu typu 1 (c) Impulse response for α = 1.5 and n = 5 for polynomial 1

(d) Odpowiedź impulsowa α = 0,5 oraz n = 5 dla wielomianu typu 1 (d) Impulse response for α = 0.5 and n = 5 for polynomial 1

Rys. 3. Odpowiedzi impulsowe dla różnych parametrów dla wielomianów typu 1 Fig. 3. Impulse responses for different parameters for polynomial 1

•

NR 4/ 20 1 5

Marta Zagórowska

Uwzględniając fakt, że analizowano wyłącznie stabilne systemy, takie podejście jest uzasadnione.

5.1.2. Optymalizacja

Wyniki symulacji zostały zebrane w tabeli 2. Najlepsze wyniki otrzymano dla − α = 1,5 dla transmitancji o czterech biegunach rzeczywistych (1), − α = 1,1 dla poczwórnego pierwiastka rzeczywistego oraz dwóch pierwiastków zespolonych sprzężonych (1), − α = 1,4 dla pierwiastków rzeczywistych i zespolonych (1). Najgorszy wynik miał miejsce (w każdym przypadku) dla α = 0,5. Można zauważyć, że w tabeli brakuje niektórych wartości α, np. α = 1,3. Prawdopodobnie niektóre wartości KP i KD leżą poza dopuszczalnym zakresem, powodując nieoczekiwane zachowania układu. Warto również zauważyć, że dla niektórych zestawów parametrów pojawia sie m = 5. To oznacza, że osiągnięta została górna granica zakresu (0, 5), w jakim poszukiwana była optymalna wartość m. Zwiększanie zakresu powodowało numeryczne problemy wynikające z postaci funkcji celu (funkcja niewypukła).

Na wykresach 3, 4, 5, 6 przedstawiono najlepsze i najgorsze wyniki dla każdego typu transmitancji (rysunki odpowiednio 3a, 4a, 5a, 6a, 3b, 4b, 5b, 6b). Dodatkowo pokazano zmianę przebiegów w przypadku zmiany stopnia aproksymacji (rysunki odpowiednio 3c, 4c, 5c, 6c, 3d, 4d, 5d, 6d). Dla wszystkich nowych przypadków przeprowadzono optymalizację ze względu na m. Można zauważyć, że zmiana rzędu aproksymacji wpływa na odpowiedź impulsową, a tym samym na wartość wskaźnika jakości. Na podstawie wykresów można również stwierdzić, że charakter odpowiedzi impulsowej jest determinowany przez wartości parametrów α, KP, KD oraz m, natomiast dokładność odwzorowania zależy od stopnia aproksymacji n.

5.2. Optymalizacja ze względu na a, KP oraz KD

Drugie podejście polegało na optymalizacji trzech parametrów α, KP, KD. Z uwagi na fakt, że funkcja celu jest silnie nieliniowa ze względu na α, można oczekiwać, że pojawią się pewne komplikacje numeryczne, np. związane ze zbiorem wartości dopuszczalnych. Jako wartości początkowe przyjęto wyniki α, KP, KD z poprzedniego podejścia. W ten sposób optymalizacja wystartowała ze zbioru dopuszczalnego. Wyniki optymalizacji przedstawiono w tabeli 3.

(a) Odpowiedź impulsowa α = 1,1 oraz n = 10 dla wielomianu typu 2 (a) Impulse response for α = 1.1 and n = 10 for polynomial 2

(b) Odpowiedź impulsowa α = 0,5 oraz n = 10 dla wielomianu typu 2 (b) Impulse response for α = 0.5 and n = 10 for polynomial 2

(c) Odpowiedź impulsowa α = 1,1 oraz n = 5 dla wielomianu typu 2 (c) Impulse response for α = 1.1 and n = 5 for polynomial 2

(d) Odpowiedź impulsowa α = 0,5 oraz n = 5 dla wielomianu typu 2 (d) Impulse response for α = 0.5 and n = 5 for polynomial 2

Rys. 4: Odpowiedzi impulsowe dla różnych parametrów dla wielomianów typu 2 Fig. 4. Impulse responses for different parameters for polynomial 2

Optymalizacja parametryczna regulatora niecałkowitego rzędu typu PDa

6. Podsumowanie i wnioski

Niektóre wyniki zostały przedstawione na rysunkach 7. We wszystkich przykładach przyjęto n = 10. Najlepsze wyniki zostały osiągnięte dla α = 0,9817 dla czwartego typu wielomianu. Można również zauważyć, że w tym przypadku w tabeli 3 brakuje większej liczby wartości. Wynika to z faktu, że funkcja celu jest silnie nieliniowa ze względu na α. Jednym z interesujących aspektów tej metody jest analiza zachowania parametru m podczas optymalizacji. Trudność polega na wyborze odpowiedniej metody, w celu znalezienia optymalnych wartości parametrów, które minimalizują wskaźnik jakości (zależny od m). Na rys. 8 zostały przedstawione zmiany m w trakcie kolejnych iteracji metody. Jak widać, wartości dosyć szybko zbiegają do optymalnej wielkości. Etapy, które wymagałyby znaczącej zmiany m, a tym samym zmiany odpowiedzi impulsowej, zostały odrzucone w trakcie optymalizacji, ponieważ nie poprawiały wskaźnika jakości.

Podejście zaproponowane w tym artykule prezentuje optymalizację regulatorów niecałkowitego rzędu z nieskończonym horyzontem. W dalszej części badań zostaną przeanalizowane np. modele liniowe z opóźnieniem, o wiele bardziej użyteczne, jako że są szeroko stosowane w strojeniu regulatorów. Ważnym elementem jest także określenie zakresu parametrów, przy których obiekt pozostaje stabilny. Dodatkowo można rozważać inne typy regulatorów oraz różne wskaźniki jakości. Zasadniczo wszystkie całkowe wskaźniki z nieskończonym horyzontem mogą zostać zastosowane, ich określenie będzie jednak wymagało działania na aproksymowanym układzie (8)–(9). Także zastosowanie innego zestawu funkcji aproksymujących może dać interesujące rezultaty. Istotnym elementem będzie także porównanie regulatora niecałkowitego rzędu z klasycznym przypadkiem regulatora PD, m.in. w celu zbadania, jaki wpływ ma zwiększenie liczby stopni swobody regulatora.

(a) Odpowiedź impulsowa α = 1,1 oraz n = 10 dla wielomianu typu 3 (a)Impulse response for α = 1.1 and n = 10 for polynomial 3

(b) Odpowiedź impulsowa α = 0,5 oraz n = 10 dla wielomianu typu 3 (b) Impulse response for α = 0.5 and n = 10 for polynomial 3

(c) Odpowiedź impulsowa α = 1,1 oraz n = 5 dla wielomianu typu 3 (c) Impulse response for α = 1.1 and n = 5 for polynomial 3

(d) Odpowiedź impulsowa α = 0,5 oraz n = 5 dla wielomianu typu 3 (d) Impulse response for α = 0.5 and n = 5 for polynomial 3

5.3. Zbieżność μ

Rys. 5. Odpowiedzi impulsowe dla różnych parametrów dla wielomianów typu 3 Fig. 5. Impulse responses for different parameters for polynomial 3

•

NR 4/ 20 1 5

Marta Zagórowska

Poszukiwanie odpowiedniej metody optymalizacji, która pozwoli na szybkie znajdowanie optymalnej wartości μ w trakcie minimalizacji wskaźnika ze względu na parametry regulatora będzie ważną częścią prowadzonych badań. Warto również będzie zwrócić uwagę na wrażliwość optymalizacji ze względu na parametr a – zwłaszcza analityczne wyliczenia pochodnych po α mogą dać obiecujące wyniki.

Podziękowania

Praca została zrealizowana w ramach projektu Projektowanie i zastosowanie podsystemów niecałkowitego rzędu w układach sterowania finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki na podstawie umowy nr DEC-2013/09/D/ST7/03960.

Bibliografia 1. Podlubny I., Fractional Differential Equations: An Introduction to Fractional Derivatives, Fractional Differential Equations, to Methods of Their Solution and Some of Their Applications, ser. Mathematics in Science and Engineering. Elsevier Science, 1998. 2. Petráš I., Fractional-Order Nonlinear Systems: Modeling, Analysis and Simulation, ser. Nonlinear Physical Science. Springer, 2011. DOI: 10.1007/978-3-642-18101-6. 3. Diethelm K., The Analysis of Fractional Differential Equations: An Application-Oriented Exposition Using Differential Operators of Caputo Type, ser. Lecture Notes in Mathematics. Springer, 2010, [Online]. https://books. google.pl/books?id=K4vKvX98SM8C. DOI: 10.1007/9783-642-14574-2.

(a) Odpowiedź impulsowa α = 1,4 oraz n = 10 dla wielomianu typu 4 (a) Impulse response for α = 1.4 and n = 10 for polynomial 4

(b) Odpowiedź impulsowa α = 0,5 oraz n = 10 dla wielomianu typu 4 (b) Impulse response for α = 0.5 and n = 10 for polynomial 4

(c) Odpowiedź impulsowa α = 1,4 oraz n = 5 dla wielomianu typu 4 (c) Impulse response for α = 1.4 and n = 5 for polynomial 4

(d) Odpowiedź impulsowa α = 0,5 oraz n = 5 dla wielomianu typu 4 (d) Impulse response for α = 0.5 and n = 5 for polynomial 4

Rys. 6. Odpowiedzi impulsowe dla różnych parametrów dla wielomianów typu 4 Fig. 6. Impulse responses for different parameters for polynomial 4

Optymalizacja parametryczna regulatora niecałkowitego rzędu typu PDa

4. Kaczorek T., Selected Problems of Fractional Systems Theory, ser. Lecture Notes in Control and Information Sciences. Springer, 2011. DOI: 10.1007/978-3-642-20502-6. 5. Bania P., Baranowski J., Laguerre polynomial approximation of fractional order linear systems, [in:] Advances in the Theory and Applications of Non-integer Order Systems: 5th Conference on Non-integer Order Calculus and Its Applications, Cracow, Poland, Mitkowski W., Kacprzyk J., Baranowski J., Eds. Springer, 171–182, 2013. DOI: 10.1007/978-3-319-00933-9_15. 6. Piątek P., Baranowski J., Investigation of Fixed-Point Computation Influence on Numerical Solutions of Fractional Differential Equations, “Acta Mechanica et Automatica”, vol. 5, no. 2, 101–107, 2011. 7. Bauer W., Baranowski J., Mitkowski W., Non-integer order PIαD m control ICU-MM, [in:] Advances in the Theory and Applications of Non-integer Order Systems: 5th Conference on Non-integer Order Calculus and Its Applications, Cracow, Poland, Mitkowski W., Kacprzyk J., Baranowski J., Eds. Springer, 295–303, 2013. DOI: 10.1007/978-3-31900933-9_27.

8. Dziwiński T., Bauer W., Baranowski J., Piątek P., Zagórowska M., Robust non-integer order controller for air heater, [in:] 19th International Conference On Methods and Models in Automation and Robotics (MMAR), IEEE, 434–438, 2014. DOI: 10.1109/MMAR.2014.6957393. 9. Kawala-Janik A., Podpora M., Baranowski J., Bauer W., Pelc M., Innovative approach in analysis of EEG and EMG signals – Comparision of the two novel methods, [in:] 19th International Conference On Methods and Models in Automation and Robotics (MMAR), IEEE, 804–807, 2014. DOI: 10.1109/MMAR.2014.6957459. 10. Bauer W., Dziwiński T., Baranowski J., Piątek P., Zagórowska M., Comparison of performance indices for tuning of PI λD m controller for magnetic levitation system, [in:] Advances in Modelling and Control of Non-integer-Order Systems – 6th Conference on Non-Integer Order Calculus and its Applications, Latawiec K.J., Łukaniszyn M., Stanisławski R., Eds. Springer, 2014. DOI: 10.1007/9783-319-09900-2_12. 11. Meng L., Xue D., Design of an optimal fractional-order PID controller using multi-objective GA optimization, [in:] Con-

(a) Odpowiedź impulsowa dla α = 1,401 dla wielomianu typu 1 (a) Impulse response for α = 1.401 for the ID 1 characteristic polynomial

(b) Odpowiedź impulsowa dla α = 1,3443 dla wielomianu typu 2 (b) Impulse response for α = 1.3443 for the ID 2 characteristic polynomial

(c) Odpowiedź impulsowa dla α = 1,0389 dla wielomianu typu 3 (c) Impulse response for α = 1.0389 for the ID 3 characteristic polynomial

(d) Odpowiedź impulsowa dla α = 0,9817 dla wielomianu typu 4 (d) Impulse response for α = 0.9817 for the ID 4 characteristic polynomial

Rys. 7. Odpowiedzi impulsowe dla różnych parametrów dla przypadku optymalizacji trzech parametrów Fig. 7. Impulse responses for various parameters – optimization with respect to three parameters

•

NR 4/ 20 1 5

Marta Zagórowska

trol and Decision Conference, CCDC’09. Chinese. IEEE, 3849–3853, 2009. DOI: 10.1109/CCDC.2009.5191796. 12. Kesarkar A.A., Selvaganesan N., Design of fractional order robust controller for universal plant structure, [in:] Engineering (NUiCONE), 2011 Nirma University International Conference on. IEEE, 1–4, 2011. DOI: 10.1109/ NUiConE.2011.6153305. 13. Kesarkar A.A., Selvaganesan N., Novel tuning expressions for fractional order (PDβ and PIα) controllers using a generalized plant structure, “Journal of Control Engineering and Applied Informatics”, vol. 17, no. 1, 2015, 70–80. 14. Kesarkar A.A., Selvaganesan N., Tuning of optimal fractional-order PID controller using an artificial bee colony algorithm, “Systems Science & Control Engineering: An Open Access Journal”, vol. 3, no. 1, 2015, 99–105. 15. Baranowski J., Zagórowska M., Bania P., Bauer W., Dziwiński T., Piątek P., Impulse response approximation method for bi-fractional filter, [in:] 19th International Conference On Methods and Models in Automation and Robotics (MMAR), IEEE, 2014, 379–383. DOI: 10.1109/ MMAR.2014.6957383. 16. Zagórowska M., Baranowski J., Bania P., Piątek P., Bauer W., Dziwiński T., Impulse response approximation method for ”fractional order lag”, [in:] Advances in Modelling and Control of Noninteger-order Systems – 6th Conference on Non-Integer Orfer Caculus and its Applications, Latawiec K.J., Łukaniszyn M., Stanisławski R., Eds. Springer, 2014. DOI: 10.1007/978-3-319-09900-2_11. 17. Zagórowska M., Parametric optimization of non-integer order PDμ controller for delayed system, [in:] Theoretical Developments and Applications of Non-Integer Order Systems, ser. Lecture Notes in Electrical Engineering, Domek S., Dworak P., Eds. Springer International Publishing, vol. 357, 2016, 259–270. 18. Matignon D., Stability results for fractional differential equations with applications to control processing, [in:] Computational engineering in systems applications, vol. 2. Lille France, 1996, 963–968.

5 4.5

Tabela 3. Wyniki optymalizacji z uwzględnieniem α Table 3. Results of optimization with respect to α

wskaźnik ID jakości wielomianu

0,65609

4,5285

193,91

2,0802

0,48221

0,65218

–2,5845

191,33

2,0533

0,49555

1,0395

332,82

694,38

2,1274

0,0048554

0,99487

152,59

1390,6

1,1545

0,0023715

1,0572

329,74

289,19

4,9999

0,015266

1,0478

544,63

611,49

2,0614

0,0048195

1,7454

866,9

294,17

1,2265

0,0056207

1,4019

3799,1

342,66

1,0661

0,0028121

1,5

4311,7

291,9

3,8693

0,002199

0,74756

–1,5135

21,256

1,2303

2,3375

0,99951

–1,0989

66,833

2,0982

0,15648

0,70674

–30,064

92,263

2,7411

1,6017

0,83388

0,21636

17,669

1,2142

1,0668

1,0323

1,6228

68,788

2,1627

0,13333

1,3443

119

97,038

3,1715

0,0060493

1,4216

112,4

104,37

0,011978

1,7686

150,29

124,05

0,71287

0,0041165

0,57258

–9,3111

60,668

0,0051455

2,0956

0,6

–6,7391

57,279

0,028491

1,7691

0,91747

–88,718

1267,2

4,2165

0,0046598

0,94566

0,36519

1291,7

0,0044146

0,0035341

1,0389

132,22

684,76

2,3471

0,0030971

1,1635

130,61

157,35

0,014763

0,9817

50,702

2109,8

0,00017628

0,90732

–5,3453

73,45

2,072

0,18798

1,501

54,088

23,74

0,14049

1,3863

124,91

100,88

0,019628

1,3915

124,94

98,476

0,019615

4 3.5

µ value

3 2.5 2 1.5 1 0.5 0

100

150 Iteration

200

250

300

Wartości odrzucone

Rys. 8. Wartości μ podczas optymalizacji dla α = 1,1 dla pierwszego typu (1) Fig. 8. The values of μ during optimization for α = 1.1 for polynomial 1

Optymalizacja parametryczna regulatora niecałkowitego rzędu typu PDa

Parametric optimization of non-integer order controller PDa Abstract: In this paper we analysed the behaviour of an integer order system with non-integer control

function. We presented a new method for tuning the non-integer order controllers PDa for use in systems with infinite horizon. An approximation method for non-integer order systems was presented (using Laguerre functions) along with the definition of the issue in form of minmax problem. Finally some examples were analysed with respect to parameters specific for this approximation. Keywords: non-integer order systems, PDa controller, feedback, optimization, Laguerre functions

mgr inż. Marta Zagórowska zagor@agh.edu.pl

Doktorantka na Wydziale Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Absolwentka Automatyki i Robotyki oraz Matematyki Stosowanej w AGH. Zainteresowania naukowe: industrial mathematics, teoria sterowania, układy niecałkowitego rzędu.

•

NR 4/ 20 1 5

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 19, Nr 4/2015, 15–20, DOI: 10.14313/PAR_218/15

Stanowisko laboratoryjne do badania wielowymiarowych algorytmów regulacji Andrzej Wojtulewicz, Patryk Chaber, Maciej Ławryńczuk

Politechnika Warszawska, Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych, ul. Nowowiejska 15/19, 00-665 Warszawa

Streszczenie: W pracy opisano projekt i realizację stanowiska laboratoryjnego do testowania

algorytmów regulacji. Przedstawiono budowę mechaniczną oraz elektroniczną. Omówiono funkcje programowe umożliwiające sterowanie procesem. Podkreślono uniwersalność stanowiska, która polega na szerokich możliwościach konfiguracji, gdyż można badać prosty proces jednowymiarowy oraz skomplikowane procesy wielowymiarowe. Opisano możliwości zastosowania stanowiska, w szczególności do testowania algorytmów regulacji zaimplementowanych w systemach wbudowanych, wykorzystujących mikroprocesory, układy FPGA oraz sterowniki PLC. Omówiono przykład regulacji procesu za pomocą algorytmu regulacji predykcyjnej zaimplementowanego na mikroprocesorze. Słowa kluczowe: regulacja predykcyjna, procesy wielowymiarowe, systemy wbudowane, mikroprocesory, układy FPGA

1. Wprowadzenie Zaprojektowanie algorytmu regulacji procesu wielowymiarowego nie jest zadaniem banalnym. W najprostszym przypadku można zastosować klasyczne, jednopętlowe, regulatory PI lub PID, ale z punktu widzenia ogólnego zadania regulacji procesu wielowymiarowego algorytmy te nie współdziałają ze sobą, niekiedy nawet sobie przeszkadzają. Bardziej efektywnym podejściem jest zaprojektowanie wielowymiarowego algorytmu PID, w którym uwzględnia się sprzężenia skrośne między poszczególnymi torami wejść i wyjść [3, 9]. Interesującą alternatywą jest zastosowanie algorytmów regulacji predykcyjnej [4, 7], których cechą szczególną jest zastosowanie modelu regulowanego procesu nie tylko do projektowania algorytmu, ale także do przewidywania zachowania się procesu w przyszłości (predykcji) oraz do cyklicznego obliczania aktualnych wartości sygnałów sterujących. Są one wyznaczane na bieżąco (ang. on-line) w wyniku optymalizacji przewidywanej jakości regulacji (minimalizacji przewidywanego uchybu regulacji). Dzięki takiemu ujęciu regulacja predykcyjna jest bardzo uniwersalnym podejściem, w sposób naturalny uwzględniającym wielowymiarowość procesu, istniejące opóźnienia oraz ograniczenia sygnałów. Dlatego też algorytmy regulacji predykcyjnej są powszechnie stosowane, przede wszystkim w przemyśle przetwórczym, chemicznym i petrochemicznym [6]. W artykule opisano stanowisko laboratoryjne służące do badania wielowymiarowych algorytmów regulacji, w tym algorytmów

Autor korespondujący: Maciej Ławryńczuk, M.Lawrynczuk@ia.pw.edu.pl Artykuł recenzowany nadesłany 12.10.2015 r., przyjęty do druku 30.11.2015 r. Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

regulacji predykcyjnej. Rozważanym obiektem jest proces ogrzewania i chłodzenia. Założono, że stanowisko musi być konfigurowalne, tzn. musi umożliwiać testowanie prostych algorytmów jednowymiarowych oraz algorytmów wielowymiarowych, o różnej liczbie sygnałów sterujących (wejścia procesu) i sterowanych (wyjścia procesu). W pracy opisano oryginalną konstrukcję mechaniczno-elektroniczną umożliwiającą elastyczną konfigurację procesu. Omówiono również możliwości zastosowania i programowania mikrokontrolerów, które służą do obsługi urządzeń pomiarowych (czujniki temperatury), urządzeń wykonawczych (grzałki, wentylatory), a także do implementacji samego algorytmu regulacji procesu. Zbudowane stanowisko laboratoryjne umożliwia wykonanie testów wielu algorytmów regulacji, a w szczególności algorytmów predykcyjnych implementowanych za pomocą mikroprocesorów [1, 2, 10], a także układów FPGA (ang. Field-Programmable Gate Array) [2, 5, 8].

2. Struktura stanowiska laboratoryjnego 2.1. Geneza

Główna idea stanowiska laboratoryjnego związana jest z regulacją temperatury rezystora mocy. Dostarczana do rezystora moc wydzielana jest w postaci ciepła. Dzięki zastosowaniu szybkich tranzystorów mocy i sterowania PWM za pomocą mikroprocesora możliwe jest uzyskanie precyzyjnej regulacji mocy dostarczanej do rezystora. Pomiar temperatury powierzchniowej rezystora mocy umożliwia czujnik temperatury z magistralą OneWire. Do wstępnej weryfikacji poprawności założeń projektowych zastosowano prosty regulator proporcjonalny zaimplementowany na mikroprocesorze. Po zweryfikowaniu wydajności źródła ciepła stwierdzono, że możliwe jest uzyskanie zwiększenia temperatury rezystora o 40 °C w ciągu około 120 sekund. Aby w pełni regulować temperaturę zastosowano drugi element wykonawczy – wentylator chłodzący o dużej wydajności, również sterowany sygnałem PWM z mikroprocesora. Dzięki zastosowaniu rezystora mocy

Stanowisko laboratoryjne do badania wielowymiarowych algorytmów regulacji

2.3. Możliwe konfiguracje pracy

i wentylatora powstała sekcja podstawowa umożliwiająca utrzymanie zadanej temperatury. Oczywiście dobranie typów, wymiarów i wzajemnej konfiguracji wymienionych elementów wymagało przeprowadzenia wielu eksperymentów. Aby otrzymać stanowisko laboratoryjne o wielu sygnałach sterujących i wielu sygnałach regulowanych zastosowano kilka sekcji podstawowych. Uwzględniono również opóźnienie procesu oraz możliwość wywoływania zakłóceń procesu.

Przyjęto możliwie uniwersalną komunikację ze stanowiskiem. Na rys. 2 przedstawiono schemat blokowy stanowiska uwzględniający cztery możliwe sposoby sterowania. Jednostką przetwarzającą otrzymywane nadrzędne rozkazy jest płyta z mikroprocesorem STM32F407. Istnieją następujące sposoby implementacji algorytmu regulacji: a) Algorytm regulacji może być zaimplementowany w pakiecie MATLAB (lub podobnym), który jest zainstalowany na komputerze PC. Opracowana biblioteka do sterowania stanowiskiem umożliwia prostą implementację dowolnego algorytmu regulacji rozważanego procesu. Podłączenie stanowiska do komputera możliwe jest za pomocą złącza RS-232 lub USB (przez zamontowany konwerter RS-232–USB). b) Algorytm regulacji może być napisany w dowolnym innym języku programowania (np. języku C) i uruchomiony na komputerze PC. Wymagane jest wówczas przygotowanie i utworzenie odpowiednich funkcji do komunikacji ze stanowiskiem. c) Algorytm regulacji może być zaimplementowany za pomocą niezależnego systemu mikroprocesorowego z medium transmisyjnym RS2-32 w standardzie 3,3 V. Alternatywą jest opracowanie algorytmu regulacji na platformie FPGA. d) Możliwa jest także implementacja algorytmu regulacji na uniwersalnym programowalnym sterowniku logicznym (PLC).

2.2. Szacowanie energii

Podczas prac nad optymalizacją struktury mechanicznej przyjęto, że szkieletem urządzenia będzie płyta aluminiowa o grubości 1 mm, do której dołączone zostaną rezystory mocy, wentylatory oraz czujniki temperatury. Całkowita powierzchnia materiału została wybrana na podstawie uproszczonych obliczeń. Miały one na celu ocenę czasu potrzebnego do zmiany temperatury ΔT płyty aluminiowej przy zadanym poziomie dostarczanej mocy. Wybrano rezystor o rezystancji 3,3 Ω i dopuszczalnej mocy 50 W. Przy napięciu zasilania 12 V w obwodzie popłynie prąd około 3,63 A. Ciepło właściwe glinu wynosi 900 J/(kg·°C). Całkowita objętość szkieletu wynosi 67 cm3. Przyjmując średnią gęstość równą 2,7 g/cm3, masa elementu osiągnie wartość około 180 g. Równanie opisujące energię ma postać (1) gdzie Q – energia układu, C – ciepło właściwe materiału, m – masa materiału, ΔT – różnica temperatury, P – moc elektryczna, ∆t – czas. W celu oszacowania czasu potrzebnego do zmiany zadanej temperatury, wzór (1) należy przekształcić do postaci (2) Dla podanych parametrów i przyrostu temperatury ΔT = 10 °C, czas Δt wynosi około 36 sekund. Dla dwóch rezystorów oszacowany czas będzie o połowę krótszy i równy około 18 sekund.

Rys. 2. Schemat ideowy komunikacji Fig. 2. Schematic diagram of communications

Warto podkreślić, że zastosowany w stanowisku układ sterujący (wykorzystujący mikrokontroler) jest w istocie modułem służącym do zapewnienia komunikacji między czujnikami i elementami wykonawczymi a złączem RS-232, z którym komunikuje się projektowany algorytm regulacji. Układ ten jest integralną częścią stanowiska laboratoryjnego. Na rys. 3 przedstawiono widok płyty czołowej stanowiska. Od lewej strony widoczne jest złącze USB programatora mikroprocesora sterującego, w środku znajduje się złącze RS-232 w standardzie 3,3 V, służące do komunikacji z zewnętrznym algorytmem sterującym, natomiast po prawej stronie znajduje się alternatywne złącze USB (zastosowano konwerter USB– RS-232, potrzebny, gdy komputer PC nie ma złącza RS-232). Za pomocą przełącznika można wybrać, które z gniazd (RS232 czy USB) jest aktualnie używane.

Rys. 1. Sprawdzenie wydajności źródła ciepła Fig. 1. Validation the efficiency of the heat source

Na rys. 1 przedstawiono wyniki zrealizowanego pomiaru temperatury w obiekcie testowym, w którym użyto dwie grzałki. Zastosowano sterowanie rezystorów pełną mocą. Wartość regulowanej temperatury rośnie z gradientem około 10 stopni na 20 sekund. Widać, że czasy oszacowane wzorami analitycznymi pokrywają się z rzeczywistością.

•

Rys. 3. Płyta czołowa stanowiska – złącza komunikacyjne Fig. 3. The faceplate – communication interfaces

•

NR 4/ 20 1 5

Andrzej Wojtulewicz, Patryk Chaber, Maciej Ławryńczuk

3. Konstrukcja mechaniczno-elektroniczna Szkielet aluminiowy został zaprojektowany z punktu widzenia odpowiednio małej objętości cieplnej (aby zastosowane grzałki mogły go dostatecznie szybko ogrzać) oraz możliwości wygodnego montażu pozostałych elementów wykonawczych. Ostateczny projekt rozłożenia elementów był podyktowany założoną strukturą procesu, jaki można byłoby uzyskać w różnych konfiguracjach pracy. Na rys. 4 przedstawiono w sposób schematyczny ogólną strukturę stanowiska. Składa się ono z części wykonawczej i sterującej.

Rys. 4. Schemat ideowy stanowiska Fig. 4. Schematic diagram of test-bench

Część wykonawcza obejmuje: − płytę z tranzystorami mocy sterującymi odpowiednimi elementami grzewczymi i chłodzącymi, − obiekt właściwy z zamontowanymi elementami grzewczymi i chłodzącymi, czujnikami temperatury oraz przegrodą mechaniczną, − zasilacz +12 V dostarczający energię do elementów grzewczych i chłodzących. Jako elementy grzewcze zastosowano rezystory mocy G1 i G2 w specjalnych obudowach dobrze odprowadzających wytworzone ciepło. Do chłodzenia wykorzystane zostały wysokoobrotowe wentylatory W1, W2, W3 oraz W4. Wentylatory W1 oraz W2 oddziałują bezpośrednio na czujniki temperatury oraz rezystory. Wentylatory W3 oraz W4 odprowadzają ciepło przez schłodzenie dolnej części szkieletu aluminiowego. Zastosowano czujniki temperatury z magistralą danych OneWire oznaczone jako T1, T2, T3, T4. Elementy składowe są przykręcone śrubami do szkieletu aluminiowego. Czujnik temperatury T4 jest umieszczony na pomoście, który fizycznie ma za zadanie realizację opóźnienia procesu. Ma on możliwość zmiany położenia bliżej lub dalej źródła ciepła G1 i G2, co pozwala odpowiednio zmniejszać lub zwiększać opóźnienie procesu regulacji temperatury T4. Część sterująca obejmuje: − płytę z mikrokontrolerem, którego zadaniem jest komunikacja za pomocą interfejsu RS-232 (lub USB) ze sterownikami nadrzędnymi, na których zaimplementowany jest algorytm regulacji procesu (komputer PC, mikroprocesor, układ FPGA, sterownik PLC); − w przykładowej konfiguracji (rys. 4) algorytm regulacji zaimplementowany jest na komputerze PC w środowisku MATLAB. Rozpatrując opisany proces z punktu widzenia sygnałów wejściowych (sterujących) i wyjściowych (regulowanych) można stwierdzić, że układ ma 6 wejść, którymi można oddziaływać na 4 wyjścia. Sygnały wejściowe (sterujące) są następujące: – wentylatory W1, W2, W3, W4, – grzałki G1, G2. Zarówno do sterowania wentylatorami, jak i grzałkami wykorzystano sygnał PWM. Generowane sygnały przekazywane są do płytki mocy, która posiada odpowiednią wydajność prądową do sterowania elementami wykonawczymi. Mierzonymi sygnałami wyjściowymi (regulowanymi) są temperatury T1, T2, T3, T4.

Warto podkreślić, że urządzenie jest łatwo konfigurowalne, umożliwia implementację i badanie algorytmów regulacji procesów o różnym stopniu złożoności, określonej liczbą wejść i wyjść. Dzięki zaproponowanej konstrukcji urządzenia można sterować obiektami w wersjach jedno wejście – jedno wyjście aż do obiektu sześć wejść – cztery wyjścia. Możliwe są oczywiście wszystkie kombinacje pośrednie. W procesie istnieją silne sprzężenia skrośne między poszczególnymi torami wejście-wyjście, co stanowi trudność dla algorytmu regulacji, szczególnie złożonego z kilku algorytmów jednopętlowych. Przykładowo, ogrzewanie grzałką G1 podnosi jednocześnie temperaturę T1 i T3. Wentylator W1 zmniejsza temperaturę T1, T3 a także T2. Możliwe jest założenie specjalnej przegrody oddzielającej lewą stronę obiektu od prawej strony obiektu, dzięki czemu blokowany jest wpływ wentylatora W1 na temperaturę T2. Analogicznie blokowany jest wpływ wentylatora W2 na czujnik temperatury T1. Część mechaniczna nie przewiduje symulacji uszkodzeń elementów wykonawczych. Symulację uszkodzeń można realizować po stronie elektronicznej za pomocą ręcznego panelu sterowania. Do dyspozycji użytkownika przewidziane zostało sześć przełączników pracy automatycznej i ręcznej. Przy pracy automatycznej sygnały sterowania PWM są doprowadzone bezpośrednio do płyty tranzystorów mocy. Przy pracy ręcznej sygnał z mikroprocesora jest odłączony, a na jego miejsce do płyty tranzystorów mocy dołączony jest sygnał z ręcznego regulatora wypełnienia PWM. Zadawanie wypełnienia odbywa się wówczas przy pomocy odpowiedniego potencjometru. Takie rozwiązanie pozwala na pełną symulację zakłóceń i uszkodzeń urządzeń wykonawczych, co pozwala badać odporność algorytmów regulacji.

4. Realizacja sprzętowa Na rys. 5 przedstawiono widok z góry wykonanego stanowiska. Na frontowej ścianie znajdują się złącze USB do programowania mikroprocesora, złącze typu DB9 do komunikacji z mikroprocesorem za pomocą standardu RS-232 (3,3 V) oraz złącze konwertera USB–RS-232. Na tylnej ścianie znajduje się gniazdo zasilania 230 V oraz wyłącznik zasilania.

Rys. 5. Zdjęcie stanowiska – widok z góry Fig. 5. Picture of the test-bench – view from the top

Na rys. 6 przedstawiono sam obiekt regulacji bez włożonej przesłony oddzielającej lewą stronę od prawej strony stanowiska. W takiej konfiguracji wentylatory boczne oddziałują na trzy czujniki temperatury. Na rys. 7 przedstawiono sam obiekt regulacji z zastosowaną przesłoną oddzielającą lewą stronę od prawej strony stanowiska. W takiej konfiguracji wentylatory boczne oddziałują tylko na czujnik temperatury od swojej strony oraz środkowy. Na rys. 8 przedstawiono widok płyty z mikroprocesorem sterującym stanowiskiem. Jest to zestaw ewaluacyjny STM32F4 Discovery. Procesor sterujący to ST32F407VGT oparty na rdze-

Stanowisko laboratoryjne do badania wielowymiarowych algorytmów regulacji

5. Oprogramowanie sterujące Do obsługi stanowiska opracowano zestaw funkcji dostępnych z poziomu języka MATLAB. Schemat komunikacji między stanowiskiem a skryptem w języku MATLAB z punktu widzenia skryptu wygląda następująco: 1. inicjalizacja komunikacji, 2. wysłanie zapytania lub komendy, 3. oczekiwanie i odbiór odpowiedzi, 4. powrót do pkt. 2. Komunikacja nie musi być przerywana przez automatyczne zrywanie istniejącego połączenia w trakcie inicjalizacji. Dopiero po upewnieniu się, że połączenie jest dostępne, następuje ponowne jego zestawienie.

5.1. Grupowanie sygnałów

Stanowisko umożliwia grupowanie sygnałów wejściowych. Oznacza to, że każdemu sygnałowi wejściowemu (w postaci wartości wypełnienia fali PWM) przypisany jest numer tego wejścia, numer grupy sygnałów, do której należy oraz waga. Przykładowo, dla 6 sygnałów wejściowych może to wyglądać następująco:

Rys. 6. Zdjęcie obiektu regulacji bez przesłony Fig. 6. Picture of the object without aperture

niu Cortex-M4F firmy ARM. Jednostka może pracować z częstotliwością do 168 MHz, ma pamięć 1 MB flash oraz 192 kB pamięci RAM. Dzięki wysokiej częstotliwości pracy i dużej ilości pamięci możliwe było zaimplementowanie odpowiedniego programu sterującego pracą na podstawie otrzymywanych rozkazów. Ponadto istnieje możliwość implementacji algorytmu regulacji bezpośrednio w wyżej wymienionym układzie. Wówczas nie jest wymagany dodatkowy sterownik nadrzędny.

Wejście 1

Wejście 2

Wejście 3

Wejście 4

Wejście 5

Wejście 6

EID

GID

Waga

–1

EID (ang. Element Id) oznacza numer elementu, GID (ang. Group Id) oznacza numer grupy sygnałów, do której został dany element przypisany. Działanie grupowania elementów wymaga przyjęcia pewnych założeń: − użytkownik ustawia wartość sygnału wyłącznie dla całych grup, − wartości wag mogą być dodatnie lub ujemne, − w szczególności każdy element może należeć do osobnej grupy lub wszystkie elementy mogą należeć do jednej grupy. Wyznaczenie wartości sygnału dla poszczególnych elementów polega na przemnożeniu wartości sygnału grupy, do której należy element przez wartość przypisanej mu wagi. Jeśli wartość ta jest mniejsza od zera – wartość sygnału dla tego elementu jest równa 0 (gdyż wypełnienie fali PWM nie może być ujemne). Grupowanie sygnałów wejściowych pozwala na utworzenie elementu złożonego, który np. będzie działał, jako grzałka dla dodatnich sygnałów wejściowych lub jako wentylator dla sygnałów ujemnych. W powyższym przykładzie tak została zaprojektowana grupa o numerze 1. Jeśli użytkownik przypisze grupie 1 wartość sygnału 100, wtedy na wejście 1 zostanie wystawiony sygnał o wartości max{0,1⋅100} = 100, natomiast na wejście 2 zostanie wystawiony sygnał o wartości max{0, –1⋅100} = 0. W przypadku, gdy użytkownik przypisze grupie 1 wartość sygnału –25, wtedy na wejście 1 zostanie wystawiony sygnał o wartości max{0, 1⋅ (–25)} = 0, a na wejście 2 zostanie wystawiony sygnał o wartości max{0, –1⋅(–25)} = 25. Jeśli wejście 1 utożsamić z grzałką, a wejście 2 z wentylatorem, powstaje element złożony, który chłodzi dla ujemnych wartości sygnału wejściowego i grzeje dla wartości dodatnich.

Rys. 7. Zdjęcie obiektu regulacji z przesłoną Fig. 7. Picture of the object with aperture

5.2. Opóźnienie programowe

Stanowisko zostało zaprojektowane tak, aby istniała możliwość dodawania opóźnień zarówno sygnałów wejściowych, jak i wyjściowych. Opóźnienia znacznie utrudniają zaprojektowanie dobrze działającego algorytmu regulacji.

Rys. 8. Płyta z mikroprocesorem sterującym Fig. 8. PCB board with control microprocessor

•

NR 4/ 20 1 5

Andrzej Wojtulewicz, Patryk Chaber, Maciej Ławryńczuk Przykładowo: zakłada się, że każdy element należy do osobnej grupy, z czego tylko pierwszy element ma programowe opóźnienie o wartości 5. Oznacza to, że przekazanie do stanowiska informacji o zmianie sygnału sterującego elementu pierwszego spowoduje faktyczne ustawienie dla niego sygnału sterującego dopiero po 5 chwilach dyskretnego czasu (jedna chwila jest równa okresowi próbkowania, tj. 1 s). Wszystkie wartości sterowania są kolejkowane, co pozwala na zapamiętanie kolejnych wartości sygnału sterującego, jakie mają zostać użyte w zależności od elementu. Analogicznie działa opóźnienie dotyczące wyjść stanowiska, tj. czujników temperatury. Wartości zmierzone przez poszczególne czujniki są kolejkowane w kolejkach o długości odpowiadającej wartościom opóźnienia dla każdego z czujników. Odczyt wartości temperatury jest opóźniany o liczbę chwil dyskretnych równych opóźnieniu.

możliwość badania pracy algorytmów regulacji przy zakłóceniach procesu wywoływanych przez przestawienie poszczególnych elementów sterujących w tryb pracy ręcznej.

7. Możliwości rozszerzenia Struktura stanowiska pozwala za konstruowanie większych obiektów regulacji. Na rys. 10 przedstawiono złożenie dwóch podstawowych obiektów, w wyniku którego uzyskano proces o 12 wejściach i 7 wyjściach. Modułowa konstrukcja pozwala na zwiększanie wymiarów procesu w dość łatwy sposób.

6. Przykład wykorzystania stanowiska laboratoryjnego Aby zademonstrować działanie zbudowanego stanowiska laboratoryjnego zaprojektowano algorytm regulacji predykcyjnej typu DMC, w którym do predykcji stosuje się prosty model liniowy w postaci odpowiedzi skokowej [7]. Założono, że rozważa się proces w konfiguracji z dwoma wejściami i jednym wyjściem. Wejściowe sygnały sterujące (PWM) dotyczą grzałki G1 i wentylatora W1, natomiast wyjściowy sygnał sterowany jest mierzony przez czujnik temperatury T1. Na rys. 9 przedstawiono przykładowy przebieg eksperymentu polegającego na regulacji temperatury T1, przy czym jej początkowa wartość wynosi 27,5 °C, wartość zadana wynosi 35 °C. W początkowych chwilach regulacji widać przewagę sterowania grzałki. Po przekroczeniu wartości zadanej sterowanie grzałki spada, a sterowanie wentylatora rośnie. Początkowo nie widać żadnego wpływu działania wentylatora. Było to spowodowane zbyt małym sterowaniem, a co za tym idzie małym współczynnikiem wypełnienia PWM. Aby ruszyć, wentylator musi otrzymać sterowanie na poziomie około 20%. W dalszym czasie regulowana temperatura zaczyna się stabilizować na zadanym poziomie. Oczywiście istnieje możliwość zmiany konfiguracji procesu i rozważenie do regulacji procesu o maksymalnie sześciu zmiennych wejściowych i maksymalnie czterech zmiennych wyjściowych. Oprócz badania skuteczności algorytmów przy zmianach wartości zadanych wielkości wyjściowych, dodatkowo istnieje

Rys. 10. Możliwość rozszerzenia procesu Fig. 10. The possibility of extending the process

8. Podsumowanie W pracy przedstawiono projekt i opisano szczegóły realizacji stanowiska laboratoryjnego, które umożliwia testowanie wielowymiarowych algorytmów regulacji. Zrealizowane stanowisko spełnia postawione założenia. Dzięki zaproponowanej strukturze można regulować procesy jednowymiarowe, a także wielowymiarowe, o różnej liczbie wejść i wyjść (maksymalnie 6 wejść i 4 wyjścia). Istnieje możliwość konfiguracji dodatkowych opóźnień, zmieniających dynamikę procesu, a także symulacji uszkodzeń urządzeń wykonawczych. Uniwersalny interfejs umożliwia podłączenie różnych urządzeń z zaimplementowanym odpowiednim algorytmem regulacji. Istnieje możliwość realizacji algorytmu regulacji na komputerze PC, np. w języku MATLAB, w układzie mikroprocesorowym, układzie FPGA lub sterowniku logicznym. Zaprezentowane stanowisko laboratoryjne może być wykorzystane w trakcie zajęć laboratoryjnych związanych z projektowaniem algorytmów regulacji oraz diagnostyki (detekcji uszkodzeń).

Bibliografia

Rys. 9. Wyniki regulacji temperatury T1 przy wykorzystaniu regulatora DMC Fig. 9. Experiments with control of the temperature T1 using the DMC algorithm

1. Currie J., Prince-Pike A., Wilson D., Auto-code generation for fast embedded Model Predictive Controllers, Proceedings of the 19th International Conference on Mechatronics and Machine Vision in Practice, Auckland, New-Zealand 2012, 116–122. 2. Johansen T.A., Towards dependable embedded model predictive control, “IEEE Systems Journal”. DOI: 10.1109/ JSYST.2014.2368129. 3. Johnson M.A., Moradi M.H., PID Control: New Identification and Design Methods, Springer, Londyn 2005. 4. Maciejowski J.M., Predictive Control with Constraints, Prentice Hall, Harlow 2002. 5. Petko M., Lubieniecki M., Staworko M., Automatyczna implementacja programowo-sprzętowa algorytmów sterowania w układach FPGA, „Pomiary Automatyka Kontrola”, Vol. 55, Nr 5, 2009, 297–300.

Stanowisko laboratoryjne do badania wielowymiarowych algorytmów regulacji 6. Qin S.J., Badgwell T.A., A survey of industrial model predictive control technology, “Control Engineering Practice”, Vol. 11, No. 7, 2003, 733–764, DOI: 10.1016/S0967-0661(02)00186-7. 7. Tatjewski P., Advanced control of industrial processes, Structures and algorithms, Springer, London 2007, DOI: 10.1007/978-1-84628-635-3. 8. Yang N., Li D., Zhang J., Xi Y., Model predictive controller design and implementation on FPGA with application to motor servo system, “Control Engineering Practice”, Vol. 20, No. 11, 2012, 1229–1235, DOI: 10.1016/j.conengprac.2012.06.012.

9. Wang Q.G., Ye Z., Cai W.J., Hang C.C., PID Control for multivariable processes, Lecture Notes in Control and Information Sciences, Vol. 373, Springer, Heidelberg 2008, DOI: 10.1007/978-3-540-78482-1. 10. Zometa P., Kogel M., Findeisen R., µAO-MPC: a free code generation tool for embedded real-time linear model predictive control, Proceedings of the American Control Conference (ACC), Washington, DC, 2013, 5320–5325, 10.1109/ ACC.2013.6580668.

Laboratory stand for the study of multivariable control algorithms Abstract: The article describes the design and implementation of a laboratory test-bench which may be used to evaluate control algorithms. Mechanical and electronic details are presented. The software features that allow to control the test-bench are discussed. The test-bench is very flexible since it may be easily configured to act as a single-input single-output process and as a number of complicated multiple-input multiple-output processes. Existing possibilities of development of control algorithms implemented on embedded systems based on microprocessors, FPGAs and PLCs are discussed. Finally, an example implementation of a model predictive control algorithm on a microprocessor is detailed. Keywords: predictive control, multiple-input multiple-output processes, em-bedded systems, microprocessors, FPGAs

mgr inż. Andrzej Wojtulewicz

dr hab. inż. Maciej Ławryńczuk

Urodzony w Pruszkowie 24 lipca 1988 r. W 2007 r. rozpoczął studia na Wydziale Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej. W 2014 r. rozpoczął studia doktoranckie w Instytucie Automatyki i Informatyki Stosowanej. Od listopada 2009 r. był pracownikiem Centrum Badawczo Konstrukcyjnego Obrabiarek Serwis Sp. z o.o., gdzie zajmował się wdrażaniem systemów sterowania numerycznego dla maszyn przemysłowych. Od stycznia 2012 r. współpracuje z Mitsubishi Electric w zespole inżynierów aplikacyjnych, gdzie realizowane jest wdrażanie, programowanie i uruchomianie prototypowych rozwiązań z zakresu automatyki przemysłowej na bazie zaawansowanych procesorów. Interesuje się modelarstwem RC oraz wizualizacją dźwięku.

Urodzony w Warszawie w 1972 r. Pracuje w Instytucie Automatyki i Informatyki Stosowanej Politechniki Warszawskiej, na Wydziale Elektroniki i Technik Informacyjnych, gdzie w 1998 r. uzyskał dyplom magistra inżyniera elektronika o specjalności automatyka i robotyka, w 2003 r. uzyskał stopień naukowy doktora nauk technicznych w dyscyplinie automatyka i robotyka, natomiast w 2013 r. stopień naukowy doktora habilitowanego w tej samej dziedzinie. Jego zainteresowania naukowe to: zaawansowane algorytmy regulacji, w szczególności algorytmy regulacji predykcyjnej, algorytmy optymalizacji punktu pracy, techniki sztucznej inteligencji, w szczególności sieci neuronowe, zagadnienia modelowania i symulacji. Jest autorem (lub współautorem) 6 książek i ponad 100 publikacji naukowych. Brał udział w kilkunastu projektach badawczych oraz badawczo-rozwojowych.

A.Wojtulewicz@stud.elka.pw.edu.pl

M.Lawrynczuk@ia.pw.edu.pl

mgr inż. Patryk Chaber P.Chaber@stud.elka.pw.edu.pl

Urodzony w Warszawie w 1990 r. W 2008 r. rozpoczął studia na Wydziale Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej na kierunku informatyka. Od 2014 r. jest doktorantem w Instytucie Automatyki i Informatyki Stosowanej. Jego zainteresowania to sieci neuronowe, algorytmy regulacji predykcyjnej, mikrokontrolery, Internet of Things.

•

NR 4/ 20 1 5

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 19, Nr 4/2015, 21–25, DOI: 10.14313/PAR_218/21

Przetwornik funkcyjny impulsowo-kodowy o wybieralnej rozdzielczości i charakterystyce opisanej funkcją pierwiastka kwadratowego Maria Wrzuszczak, Volodymyr Khoma

Politechnika Opolska, Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki, Instytut Automatyki i Informatyki, ul. Sosnkowskiego 31, 45-272 Opole

Roman Baran

Uniwersytet Narodowy „Politechnika Lwowska”, Instytut Technologii Komputerowych, Automatyki i Metrologii, ul. Bandery 12, 79-013 Lwów

Streszczenie: W artykule przedstawiono przetwornik impulsowo-kodowy o wybieralnej

rozdzielczości i charakterystyce statycznej opisanej funkcją pierwiastka kwadratowego. Przeanalizowano możliwości i koszty jego realizacji na bazie układów FPGA oraz porównano jego właściwości i koszty realizacji z przetwornikiem zbudowanym z wykorzystaniem pamięci stałej ROM. Słowa kluczowe: przetwornik impulsowo-kodowy, przetwornik funkcyjny o charakterystyce y = x1/2, dokładność przetwarzania, estymator kosztów realizacji

1. Wprowadzenie Rozwój technologii i coraz szersze zastosowania czujników inteligentnych stwarzają nowe możliwości i wyzwania przed projektantami tych układów w celu osiągniecia większej dokładności pomiaru [1, 2]. Pewne działania wykonuje się w nich na sygnałach analogowych, inne po przetworzeniu na postać cyfrową. W czujnikach inteligentnych konieczne jest najczęściej przetwarzanie sygnałów pomiarowych w czasie rzeczywistym, według określonego algorytmu. Ponadto dąży się do miniaturyzacji układu, z równoczesnym zmniejszaniem mocy admisyjnej. Często wymagane jest przetwarzanie sygnału w torze pomiarowym przez układ o odpowiedniej charakterystyce statycznej nieliniowej, na przykład logarytmicznej lub wykładniczej (w celu linearyzacji charakterystyki przetwarzania czujnika), czy też o charakterystyce opisanej funkcją potęgową y = x2 lub y = x1/2 [3]. Tego typu przetworniki nazywane są popularnie przetwornikami funkcyjnymi. Przetwarzanie funkcyjne może być zrealizowane w różny sposób, na przykład z wykorzystaniem układów przetwarzania cyfrowego i pamięci stałej (ROM) lub z wykorzystaniem układów całkowania cyfrowego [4, 5]. Alternatywnym podejściem jest zastosowanie przetworników funkcyjnych impulsowo-kodowych. Są to układy cyfrowe ze sprzężeniem zwrotnym [6, 7].

Autor korespondujący: Maria Wrzuszczak, m.wrzuszczak@po.opole.pl Artykuł recenzowany nadesłany 04.11.2015 r., przyjęty do druku 30.11.2015 r. Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

W zależności od sposobu zastosowania przetworniki funkcyjne impulsowo-kodowe można podzielić na dwie grupy: 1. przetworniki, które są wbudowane w tor pomiarowy, przetwarzają dane na bieżąco, w czasie rzeczywistym, 2. przetworniki używane do formowania różnych sekwencji impulsów i kodów. Przetworniki impulsowo-kodowe, zaliczane do grupy pierwszej, są stosowane do przetwarzania takich wielkości jak przedział czasu, częstotliwość, faza i kąt obrotu oraz do pomiaru napięcia lub prądu z pośrednim przetwarzaniem tych wielkości w sekwencję impulsów [5, 6]. Przykładem zastosowań przetworników impulsowo-kodowych grupy drugiej jest realizacja akumulatora fazy w syntezatorach cyfrowych DDS (ang. Direct Digital Synthesis), co pozwala na przetwarzanie wielobitowych kodów z szybkością ograniczoną jedynie przez opóźnienie kilku bramek logicznych [8, 9]. Podstawowymi parametrami metrologicznymi przetworników impulsowo-kodowych są: dokładność, zakres przetwarzania i czas przetwarzania [10]. Przy doborze metody przetwarzania bierze się pod uwagę również złożoność układu i możliwości wykonania układu jako układu zintegrowanego (ograniczenia technologiczne) [11, 12]. W publikacji [6] stwierdzono, że należące do układów całkowania cyfrowego przetworniki impulsowo-kodowe z impulsowym sprzężeniem zwrotnym pozwalają uzyskać lepsze właściwości metrologiczne. W pracach [6, 12] zostały przeanalizowane przetworniki impulsowo-kodowe ze sprzężeniem zwrotnym przeznaczone do realizacji funkcji logarytmicznej i homograficznej. Wykazano ich lepsze parametry i właściwości niż przetworników opartych na układach pamięci. Celem niniejszej publikacji jest przedstawienie przetwornika funkcyjnego o wybieralnej rozdzielczości z ujemnym sprzężeniem zwrotnym przeznaczonego do realizacji matematycznej funkcji pierwiastkowania oraz ocena jego właściwości.

Przetwornik funkcyjny impulsowo-kodowy o wybieralnej rozdzielczości i charakterystyce opisanej funkcją pierwiastka ... 2 t – 1 ≤ N P ≤ 2 t,

2. Schemat blokowy i zasada działania przetwornika funkcyjnego impulsowo-kodowego

(2)

gdzie: n – liczba impulsów wejściowych, NP – wynik przetwarzania, t = 1, 2, 3, ..., (m – 1)/2 – wskaźnik podzakresu, m – liczba bitów układu sumującego oraz rejestru, (m jest liczbą nieparzystą, zaś liczba bitów licznika impulsów wynosi m + 1). W podzakresie opisanym nierównościami (1) układ sumujący oraz rejestr spełniają rolę sumatora akumulującego o liczbie bitów s=2t–1 (3)

Schemat blokowy układu przedstawiono na rys. 1. Przetwornik funkcyjny składa się z układu sumującego, rejestru binarnego, licznika impulsów, transkodera, układu odejmowania oraz bramki iloczynu logicznego (AND).

Taką samą liczbę bitów ma licznik impulsów, więc licznik ma wyjścia o wagach od 20 do 22t-2, przy czym na początku przetwarzania najstarszy bit licznika, czyli 22t-1 jest ustawiony na logiczną „1”. Uwzględniając to, oraz zasadę działania sumatora akumulującego z ujemnym sprzężeniem zwrotnym, można zapisać (4)

Rys. 1. Schemat blokowy przetwornika funkcyjnego z ujemnym sprzężeniem zwrotnym realizującego funkcję pierwiastka kwadratowego Fig. 1. Block diagram of the impulse-code converter with feedback and square-root transfer function

≤n≤2 ,

•

(6)

NC = NX – 22t – 1

(7)

(8)

Przy założeniu, że waga najmłodszego wykorzystanego bitu licznika impulsów wynosi WLSB = 2 – t, z uwzględnieniem zależności (6), otrzymujemy NP = 2 – t NX = 2 t – 1 + 2 – t x.

(9)

W początkowych punktach podzakresów określonych wzorami (1) i (2), wartości NX, NC wynoszą odpowiednio NX = 22t – 1, NC = 2t – 1 oraz x = 0. Ponieważ podzakresy (1) i (2) są określone w sposób ogólny za pomocą wskaźnika podzakresu t, można założyć, że w ich punktach początkowych n = NC2 = 22t – 1. Całkując równanie (8) z uwzględnieniem granic ,

(10)

otrzymujemy: x2+22t x+24t – 2 – 22t n ≈ 0.

(11)

Dodatni pierwiastek równania (11) jest równy

x ≈ 2t n − 22t −1 .

(12)

Funkcję przetwarzania układu z rys. 1 otrzymujemy na podstawie równania (9) uwzględniając zależność (12), co można zapisać jako

− dla sygnału wyjściowego (po pierwiastkowaniu, czyli potęgi wykładników są podzielone przez 2)

NX = 22t – 1 + x

NX = (22t – 1 + x) dx ≈ 22t – 1 dn.

(1)

(5)

gdzie: x – liczba odebranych impulsów na wyjściu układu odejmującego od początku podzakresu określonego zależnością (1), dn, df, dx – przyrosty liczby impulsów na wejściach i wyjściu układu odejmowania, NX – liczba impulsów w liczniku, NC – kod wysterowania sumatora akumulującego (stan młodszych bitów sygnału wyjściowego przetwornika NP). Z zależności (3)−(7) wynika, że

Przedstawiony na rys. 1 schemat blokowy przetwornika impulsowo-kodowego jest jedną z wielu możliwych realizacji układowych [6, 13], ale jego cechą wyróżniającą jest wykorzystanie układu całkującego z przeniesieniem równoległym na bazie sumatora akumulującego z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Przewaga tego typu przetwornika funkcyjnego nad innymi rozwiązaniami (na przykład z wykorzystaniem mnożnika binarnego lub z dodatnim sprzężeniem zwrotnym) została wykazana w publikacji [6]. Na podstawie przedstawionych tam wyników można wywnioskować, że: − przetworniki funkcyjne impulsowo-kodowe z ujemnym sprzężeniem zwrotnym o zmiennej rozdzielczości zapewniają uzyskiwanie dokładniejszej charakterystyki statycznej przybliżającej funkcję pierwiastka kwadratowego (x1/2) w porównaniu z przetwornikami z dodatnim sprzężeniem zwrotnym i z wykorzystaniem dzielników binarnych; − przetworniki funkcyjne impulsowo-kodowe na bazie sumatora akumulującego wprowadzają mniejsze błędy przetwarzania niż układy zrealizowane za pomocą mnożników binarnych. Należy zaznaczyć, że w układach, w których wykorzystano dzielniki binarne, zwiększenie rozdzielczości m poprawia dokładność przetwarzania, jednak uzyskuje się to kosztem obniżenia szybkości, ponieważ rośnie liczba impulsów w pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego podczas formowania każdego binarnego słowa wyjściowego. Dlatego w celu uzyskania szerokiego zakresu przetwarzania, przy zachowaniu małych błędów przetwarzania w czasie rzeczywistym i dużej szybkości przetwarzania, najlepszym rozwiązaniem jest wykorzystanie układu całkowania z przeniesieniem równoległym, realizowane za pomocą sumatora z rejestrem (z pamięcią) i ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Pracę przetwornika można rozpatrywać w podzakresach: − dla sygnału wejściowego 2t – 2

dx ≈ dn – df

NP ≈ n . A

•

(13) K

NR 4/ 20 1 5

Maria Wrzuszczak, Volodymyr Khoma, Roman Baran Ponieważ podzakresy określone zależnościami (1) i (2) są zapisane w postaci ogólnej, równanie (13) jest prawidłowo zapisane dla wszystkich t, czyli jest właściwe dla całego zakresu zmienności n z przedziału 1 ≤ n ≤ 2 m + 1.

(14)

3. Ocena dokładności przetwarzania przetworników funkcyjnych impulsowo-kodowych Jak wspomniano, podstawową zaletą przetworników funkcyjnych impulsowo-kodowych jest przetwarzanie danych pomiarowych, np. kąta obrotu w czasie rzeczywistym. Przedstawione w postaci kodu cyfrowego dane są rezultatem kwantyzacji pewnych wielkości analogowych. W związku z tym dokładność funkcyjnego przetwornika impulsowo-kodowego może być oszacowana przez porównanie jego błędu przetwarzania z transformowanym błędem kwantyzacji w odniesieniu do długości całego zakresu pomiarowego (zakresu przetwarzania). Błąd przetwarzania przetworników funkcyjnych impulsowo-kodowych można oszacować jako

∆ ≈ NP − n .

(15)

Transformowany błąd kwantyzacji dla funkcji realizującej pierwiastek kwadratowy z kodu liczbowo-impulsowego ma charakter monotonicznej funkcji narastającej zależnej od n, której wartości minimalną i maksymalną określają zależności [6, 10]: (16) ∆ max ≈ n − n − 1 ,

∆ min ≈ n − n + 1 .

(17)

W celu oszacowania błędu przetwornika funkcyjnego względem transformowanego błędu kwantyzacji wprowadźmy za [6] estymator zdefiniowany jako

kM =

∆ ∆ max

(18)

Można przyjąć, że gdy wartość estymatora (18) jest bliska jedności, to przetwornik impulsowo-kodowy wprowadza błąd przetwarzania w granicach dopuszczalnych, czyli ma zadowalające parametry metrologiczne. W przypadku, gdy wartość estymatora jest znacznie mniejsza od jedności, to przetwornik impulsowo-kodowy charakteryzuje się dużą nadmiarowością dokładności, której zwykle towarzyszy złożoność konstrukcyjna, co nie zawsze jest uzasadnione ekonomicznie. Można przyjąć, że jeżeli wartość kM będzie dużo większa od jedności, to dokładność przetwornika jest niezadowalająca i nie satysfakcjonuje użytkownika. Na rys. 2 przedstawiono obliczone wartości błędów ∆, ∆max, ∆min w funkcji liczby impulsów n (dla n = 1...200).

4. Oszacowanie efektywności realizacji funkcyjnych elektronicznych przetworników impulsowo-kodowych Złożoność budowy lub koszty realizacji technologicznej przetworników funkcyjnych projektowanych do celów pomiarowych można określić za pomocą wskaźnika oszacowującego liczbę elementów elektronicznych różnych typów, które są niezbędne do budowy przetwornika, z jednoczesnym zapewnieniem odpowiednich charakterystyk metrologicznych produktu końcowego.

Rys. 2. Wartości błędów ∆, ∆ max, ∆ min przetwornika impulsowo-kodowego w funkcji liczby impulsów wejściowych n (dla n = 1...200) Fig. 2. Values of impulse-code converter error ∆, ∆max, ∆min versus number of input pulses n (for n = 1...200)

Impulsowo-kodowe przetworniki funkcyjne mogą być zrealizowane między innymi z wykorzystaniem układów programowalnych FPGA. Układy FPGA zawierają bloki konfiguracyjne składające się z trzech rodzajów komponentów: przerzutników, bramek logicznych i komórek pamięci. Odnośnie prezentowanego przetwornika impulsowo-kodowego (o schemacie jak na rys. 1) można stwierdzić, że: − za pomocą bloków przerzutników można zrealizować rejestr, licznik impulsów oraz układ odejmowania; − za pomocą układów kombinacyjnych (bramek logicznych) można zrealizować układ sumatora i transkodera. W celu osiągnięcia dużej szybkości przetwarzania do budowy sumatora i transkodera należy zastosować metody syntezy elementów kombinacyjnych z równoległym i równolegle-szeregowym przeniesieniem. Ogólna liczba przerzutników – oznaczmy ją lE1, potrzebnych do budowy impulsowo-kodowych przetworników funkcyjnych o strukturze przedstawionej na rys. 1, w zależności od liczby bitów m jest równa lE1 = 3∙m + (m +1) + 1 = 4∙m + 2.

(19)

Liczba m jest powiązana z górną granicą odpowiadającą zakresowi przetwornika nmax = 22t = 2m+1.

(20)

Przetworniki funkcyjne impulsowo-kodowe mogą być zrealizowane również z wykorzystaniem układu przetwarzania cyfrowego oraz pamięci ROM, co schematycznie przedstawiono na rys. 3. Załóżmy, że do realizacji przetwornika impulsowo-kodowego (zgodnie ze schematem z rys. 3) potrzebne są: − kE2 przerzutniki do realizacji licznika impulsów, − kM2 komórki pamięci ROM. Uwzględniając wymóg zapewniania tej samej dokładności i zakresu przetwarzania jak w przypadku budowy przetwornika

Rys. 3. Schemat blokowy impulsowo-kodowego przetwornika funkcyjnego zrealizowanego z wykorzystaniem pamięci ROM Fig. 3. Block diagram of the impulse-code function converter implemented on ROM

Przetwornik funkcyjny impulsowo-kodowy o wybieralnej rozdzielczości i charakterystyce opisanej funkcją pierwiastka ...

Rys. 5. Porównanie względnych kosztów realizacji k1, k2, k3 przetwornika funkcyjnego impulsowo-kodowego zbudowanego z pamięci ROM oraz FPGA w zależności od zakresu nmax Fig. 5. Comparison of the relative developing costs (parameters k1, k2, k3) of the impulse-code converter on ROM and FPGA versus range of input pulses

Rys. 4. Wyniki oszacowania koniecznej liczby elementów elektronicznych do realizacji przetworników impulsowo-kodowych w technologii FPGA oraz na pamięci ROM w zależności od zakresu przetwarzania; lE1 – liczba przerzutników do budowy przetwornika impulsowo-kodowego na układzie FPGA, lE2 i lM2 – liczba przerzutników i komórek pamięci do budowy przetwornika na pamięci ROM Fig. 4. Estimation of number of necessary electronical elements for developing impulse-code converter circuits based on FPGA and on ROM versus range of processed input pulses; lE1 – number of flip-flops in project based on FPGA technology, lE2 i lM2 – number of flip-flops and memory cells in project based on ROM technology

Wartości względnych kosztów realizacji k1, k2, k3 w zależności od zakresu przetwornika przedstawiono na rys. 5. Wyniki oszacowania kosztów pozwalają stwierdzić, że koszty budowy przetwornika funkcyjnego impulsowo-kodowego na bazie pamięci ROM są dużo wyższe i znacznie rosną wraz ze zwiększaniem liczby bitów, w porównaniu z zaprezentowanym przez autorów układem.

impulsowo-kodowego z ujemnym sprężeniem zwrotnym o zmiennej rozdzielczości bitowej (według rys. 1), znajdujemy zależności kE2 = m+1,

5. Wnioski

(21)

Przeprowadzona analiza wykazała, że przetwornik funkcyjny impulsowo-kodowy z ujemnym sprzężeniem zwrotnym realizujący funkcję matematyczną pierwiastka kwadratowego jest efektywny pod względem metrologicznym i konstrukcyjnym. W artykule wprowadzono estymatory do ilościowego oszacowania błędów przetwarzania i oceny złożoności realizacji układowej. Zmienna rozdzielczość zaprojektowanego przetwornika funkcjonalnego pozwala na dobór liczby bitów słowa wyjściowego do zakresu przetwornika. Ponadto budowa przetwornika funkcyjnego impulsowo-kodowego z ujemnym sprzężeniem zwrotnym jest dużo prostsza w porównaniu z budową przetwornika z użyciem pamięci ROM, a koszty realizacji zaprezentowanego w pracy przetwornika funkcyjnego znacznie obniżają się wraz z rozszerzeniem zakresu przetwarzanej wielkości, czyli z liczbą bitów słowa wyjściowego.

(22)

gdzie: lE2 – liczba przerzutników, lM2 – liczba komórek pamięci. Na rys. 4 przedstawiono wyniki oszacowania koniecznej liczby elementów elektronicznych do realizacji funkcyjnych przetworników impulsowo-kodowych w technologii FPGA według rys. 1 oraz według rys. 3 w zależności od zakresu przetwornika nMAX. W celu porównania hipotetycznych kosztów realizacji można wprowadzić estymator k określający stosunek koniecznej liczby elementów elektronicznych z użyciem pamięci ROM do liczby elementów potrzebnych do realizacji przetwornika w technologii FPGA (w obu przypadkach pominięto liczbę bramek logicznych, bo będzie ona taka sama) k = (lE2 + lM2)/lE1.

Bibliografia 1. Cho S., Yun C.-B., Lynch J.P., Zimmerman A.T., Spencer Jr. B.F., Nagayama T., Smart Wireless Sensor Technology for Structural Health Monitoring of Civil Structures, “Steel Structures”, No. 8, 2008, 267−275. 2. Iniewski K., Smart sensors for industrial applications, CRC Press, Canada 2013. 3. Miłek M., Pomiary wielkości nieelektrycznych metodami elektrycznymi, Oficyna Wydawnicza Uniwersytetu Zielonogórskiego, Zielona Góra 2006. 4. Chai O.H., Wong, Y.S., Poo A.N., A DDA Parabolic Interpolators for Computer Numerical Control of Machine Tools, „Mechatronics”, Vol. 4, No. 7, 1994, 673−692, DOI: 10.1016/0957-4158(94)90031-0. 5. Monnerat N., A New Digital Differential Analyzer Approach for Inertial Technologies, Carleton University, Ottawa 2000.

(23)

Jeżeli przyjąć założenie, że koszt komórki pamięci będzie 10-krotnie mniejszy od kosztu pojedynczego przerzutnika, to względny współczynnik kosztów budowy przetwornika określony jako stosunek liczby elementów w obu wariantach realizacji wyniesie k1 = (lE2 + lM2/101)/lE1. Analogicznie można rozważyć koszty budowy przetwornika przy założeniu, że koszt komórki pamięci byłby stukrotnie, czyli zapis 102 razy mniejszy (k2) i tysiąckrotnie – zapis 103 razy mniejszy (k3) k2 = (lE2 + lM2/102)/lE1 i k3 = (lE2 + lM2/103)/lE1.

•

NR 4/ 20 1 5

Maria Wrzuszczak, Volodymyr Khoma, Roman Baran 6. Dudykevych V., Maksymovych V., Moroz L., Chyslo-impulsni funkcionalni preretvoryuvachi z impulsnym zvorotnym zvyazkom, Monografia, Wydawnictwo Politechniki Lwowskiej, Lviv 2011. 7. Oberman R., Counting and counters, MacMillan, London 1981. 8. Nieznanski J., An Alternative Approach to the ROM-less Direct Digital Synthesis, “IEEE Journal of Solid State Circuits”, Vol. 33, No 1, 1998, 169−170, DOI: 10.1109/4.654951. 9. Mathew T., Jaganathan S., Scott D., Krishnan S., Wei Y., Urteaga M., Rodwell M., Long S., 2-bit adder carry and sum logic circuits clocking at 19 GHz clock frequency in transferred substrate HBT Technology, Department of Electrical and Computer Engineering, University of California, Santa Barbara, USA, DOI: 10.1109/ICIPRM.2001.929191. 10. Dudykevych V., Gorpeniuk A., Maksymovych V., Viter O., Metrological expedience of different types feed-

back use in number-pulse functional converters, Materiały VI Międzynarodowego Seminarium Metrologów, Metody i technika przetwarzania sygnałow w pomiarach fizycznych, Rzeszów 1998, 59−63. 11. Chuan H., Numerical solutions of differential equations on FPGA-enhanced computers, A dissertation, Texas A&M University, 2007. 12. Maksymovych V., Baran R., Ocinka tekhnologichnoi efektyvnosti logarytmichnogo chyslo-impulsnogo funkcionalnogo peretvoruvacha iz zminnoyu rozriadnistyu, Wydawnictwo Politechniki Lwowskiej “Automatyka, pomiary i sterowanie”, Nr 741, 2012, 59−63. 13. Dudykevych V., Maksymovych V., Number-pulse functional transducers with bits variability. Materiały IV Międzynarodovego Seminarium Metrologów, Metody i technika przetwarzania sygnałów w pomiarach fizycznych, Rzeszów 1997, 61−66.

Impulse-Code Converter with Selected Resolution and Square-Root Transform Function Abstract: In the paper an impulse-code converter with selected number bit of output signal with square-root transform function is presented. There are analyzed two methods of realization this type of function converter (on FPGA and ROM) and an estimation of costs both implementations is compared. Keywords: impulse-code converter, square root function converter, accuracy of impulse-code converter, estimator of implementation cost

dr hab. inż. Maria Wrzuszczak, prof. PO

prof. dr hab. inż. Volodymyr Khoma

Jest profesorem nadzwyczajnym na Wydziale Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki Politechniki Opolskiej. W 2012 r. uzyskała stopień naukowy doktora habilitowanego. Jest autorką lub współautorką kilkudziesięciu publikacji naukowych. Zainteresowania naukowe to metrologia, cyfrowe układy pomiarowe, cyfrowe przetwarzanie sygnałów oraz badania materiałów metodą prądów wirowych.

Jest profesorem nadzwyczajnym na Wydziale Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki Politechniki Opolskiej. W 1990 r. uzyskał stopień naukowy doktora nauk technicznych, w 2001 r. doktora habilitowanego. Dorobek naukowy obejmuje około 150 prac. Jest autorem i współautorem 19 patentów. Problematyka badań naukowych obejmuje zagadnienia cyfrowego przetwarzania sygnałów w systemach pomiarowych.

m.wrzuszczak@po.opole.pl

v.khoma@po.opole.pl

mgr inż. Roman Baran romko_bar@yahoo.com

Jest starszym wykładowcą Instytutu Technologii Komputerowych, Automatyki i Metrologii Narodowego Uniwersytetu „Politechnika Lwowska”. Zainteresowania naukowe obejmują cyfrowe układy pomiarowe, realizację układów elektronicznych w technologii FPGA, budowę przetworników impulsowo-kodowych o zmiennej rozdzielczości.

NR 4/2015

•

NR 4/ 20 1 5

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 19, Nr 4/2015, 27–32, DOI: 10.14313/PAR_218/27

Meta-Modeling and Automatic Code Generation for Computer Aided Development of Logic Control Systems Michael Scopchanov, Krzysztof Pietrusewicz, Hristo Hristoskov West Pomeranian University of Technology, Department of Industrial Automation and Robotics, al. Piastów 17, 70-313 Szczecin

Abstract: This article discusses some aspects of the computer aided development of logic control

systems, namely the creation of a meta-model, a domain specific language serving as a base for the system modeling, as well as the formal rules for automatic transformation of the models designed by the experts using this meta-model into simulation models, a source PLC code and the relevant documentation. The problem is defined and proved as important from the point of view of the contemporary industrial software development in order to achieve more readable designs, which are later easier to be modified, to shorten the system development time, to obtain a fast proof-ofconcept and to lessen the possibility of having errors in the design. Furthermore, some directions are pointed out regarding the possible future extension of the used techniques towards automatic testing and validation of the developed logic control systems. Keywords: automatic code generation, domain specific modeling, logic control systems, meta-modeling

1. Introduction Nowadays the development of a software for industrial applications faces an increasing complexity of problems, including integration of many additional functions, such as safety, communications, visualization etc., next to the “ordinary” control task [19, 6]. Traditional engineering practices, where software is developed and coded without modeling, might be considered obsolete, due to their inability to allow the developer to easily produce an error-free control software that matches the resources of the modern hardware [19]. Furthermore, as engineering costs dominate the project costs of an automation system [6] and the time-to-market should be reduced as much as possible [10, 13], an approach for efficient engineering is even more prominent. To successfully meet the constantly growing requirements to the capabilities of the industrial control systems, it is important to correctly understand and appropriately apply the following design technologies: − Domain specific modeling of the control system an important shift in the industrial practice is the adoption of the model-based design [13]. There are two main approaches. The first has been initiated in nineties by creating UML – an universal

Autor korespondujący: Krzysztof Pietrusewicz, krzysztof.pietrusewicz@zut.edu.pl Artykuł recenzowany nadesłany 9.10.2015 r., przyjęty do druku 19.11.2015 r. Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

modeling language that has become a standard for software specification and has influenced the research in software engineering (examples of such research could be found in [19, 11, 16, 7, 12, 3]). One can say that UML has initiated the model-driven software engineering (MDSE). The second is the compositional approach which has grown out of the domain-specific language development. It uses visual specifications as input and is represented by tools like MetaEdit+ and CoCoViLa [18]. Since every field of expertise defines the same control system from a different point of view using its own lexicon, syntax and semantics [4], using the compositional approach tends to be more suitable from the industrial software developer’s point of view. − Automatic generation of the PLC source code and the project documentation − Out of any doubt, the development of both the domain specific languages and the models themselves requires a certain degree of creativity, hence it could be regarded as a software tool-supported process, in which however, a human plays the central role. On the other hand, the code generation out of the developed models might be done following a formal set of rules, which allows for a complete automation of the sourcing process. This way the computers take the central role in that particular part of the system design [13]. The need for creating a PLC software, which is comprised of reusable components, is emphasized by many authors [6, 19, 7, 2, 20, 3, 5]. Once created, those components could be used in different projects with minimal or no modifications at all. For this purpose it is necessary for the developer to achieve modularity of the software through appropriate structuring of its source code, which could be accomplished applying the principles of object-oriented programming. With regard to this, one

Meta-Modeling and Automatic Code Generation for Computer Aided Development of Logic Control Systems A commonly used methods and tools for accomplishing some of the aspects of the presented concept are: − Process specification – various techniques for process specifications are in use today, like automata, cycle time diagrams, flow charts, Grafcet, project network techniques, Petri nets, state charts, SFC, UML–PA, etc. [6, 5, 3]; − Graphical user interface development – several frameworks have been widely accepted for that purpose based on a data flow modeling and a visual programming interface. The best known frameworks with these goals are the LabVIEW and MATLAB/Simulink frameworks. In addition, several other commercial available packages are ready for use to manage the monitoring of distributed processes, namely, supervisory, control, and data acquisition (SCADA) systems [5]; − PLC code generation – the object-oriented extension of the IEC 61131–3 in combination with a CoDeSys UML plug–in, which includes an IEC 61131–3 code generator for UML class diagrams, state charts and activity diagrams, is considered as trend-setting and suitable for industrial environment [3]. In summary, the discussed problem could be stated as: Definition and software implementation of formal rules for automatic transformation of the expert knowledge provided in the form of a domain specific language based model into a simulation model, a source PLC code and the relevant documentation.

Expert knowledge Meta-model External tools

Model

Fig. 1. Automatic code generation concept Rys. 1. Koncepcja automatycznego generowania kodu

Documentation

Simulation

Text files

Program

Generators

of the major changes in IEC 61131–3:2013 is the addition of an extension that allows functional blocks to have object-oriented features [21]. Furthermore, the ongoing technological innovation now allows the PLCs to handle the communication with the other devices in the automation system, as well as to perform safety and motion control tasks next to the standard control program. Thus, the demand for additional, problem-oriented functions that can be programmed according to IEC 61131 has grown steadily over the last few years. [15] Another advantage of using meta-modeling and automatic code generation is the increase in the level of abstraction in the system design process [8, 1, 17]. Thus, the developers are able to concentrate on the concept instead of its implementation [14, 2]. However, the generated code might become bulkier, so an optimization phase is also necessary [2]. As a consequence the developer of the target source code generator should be also able to inspect code, understand optimizations and verify low level fixed point bit operations [13].

3. Control System Layering Having one flat model representing all the aspects of the modeled logic control system is not always convenient. For example, when the project starts to grow bigger in size and complexity such approach may slow down the work and lead to errors. Furthermore, it is harder for several people or group of people to work simultaneously on one model, focusing on their own part. To overcome the mentioned drawbacks some modularity should be introduced, i.e. the model should be divided into layers. The proposed layout of the logic control system is shown in fig. 2. For each automated process or machine only one hardware configuration layer exists in the model containing all the devices used in the particular project. However, depending on the number of the used programmable logic controllers and the structure of their software, several software configuration layers may be present with their corresponding algorithm definitions and interlock logic. On each layer only the relevant information should be displayed and be accessible to the modeler. For example on the software definition layer and the layers bellow it no device specific information should be present, hence allowing the work to be performed on a higher, conceptual level, independent from the device vendor and the particular implementation. The goal is to leave as much hardware settings as possible to be done by the code generators, which has the following advantages:

2. Problem Definition Figure 1 depicts a concept in which the previously discussed techniques, namely domain specific modeling and automatic code generation, are utilized. The knowledge of the experts needs to be extracted and provided as computer readable rules, in a form of a model [6], the structure and semantics of which are defined by a so called metamodel [1]. Considering the development of an automation project however, there are typically different engineers or technicians involved with different qualification levels and subjects. Thus, the notation has to be easily recognizable for specialists from a wide range of professional fields, including process, mechanical and electrical engineering. A more visionary requirement is to support the entire life cycle with one consistent model, but appropriate notation for each phase of the project [19]. Those specifics make the domain specific modeling more suitable for the development of an industrial software compared to the utilization of general modeling language. Once the model is created it needs to be converted to a format which specifies the project’s hardware setup, the program code, the associated elements of the graphical user interface, the documentation etc. It is very important that this conversion is accomplished in a way that doesn’t imply manual code writing [5]. Instead, a tool is supposed to generate all the necessary files automatically and provide them in such form that they could be directly imported in the correspondent conventional development environment [19].

•

Hardware configuration

Software configuration

Algorithms definition

Interlock logic

Fig. 2. Logic control system layers Rys. 2. Warstwy systemu sterowania logicznego

•

NR 4/ 20 1 5

Michael Scopchanov, Krzysztof Pietrusewicz, Hristo Hristoskov − the less information needs to be entered manually, the less room for error exists and the faster the system could be ready for testing. The last is of particular importance with regard to the rapid prototyping and the fast achievement of the so called proof-of-concept; − the control system could be ported to different PLC types using an appropriate code generator and leaving the already created model intact. Having the control system represented in such a structured way makes finding information and modifying the model a lot easier in big projects. Moreover, the work could be divided and distributed across several teams, which increases the effectiveness and additionally shortens the time needed for control system development.

has time as parameter and the second one – number and polarity of its inputs. The Mode selector is a switch which enables/disables the direct connection between the inputs from the manual controls and the outputs to the actuators. The Interlock models the internal safety logic preventing the activation/deactivation of particular output when given safety conditions are not met. This object is decomposed in another layer by its own. To interconnect the objects on this layer only one relation type is used, i.e. wired connection, which has no parameters. There are no restrictions regarding the occurrence of the objects in the model.

4. Meta-Model Concepts To adequately model all of the aspects of the logic control system, a proper meta-model should be developed first. It starts with the definition of the objects in each layer and their parameters. Then the relations between those objects should be defined as well as the necessary constraints regarding the created models. All concepts in the meta-model have their corresponding symbols. The examples presented here use custom symbols, built with space reduction and readability improvement in mind. However, since the graphical design is a science by itself, which is beyond the scope of this article, it will not be discussed further.

A. Hardware Configuration

This layer consists of the following objects: − Sensor – aims to model the physical signals which enter the control system, e.g. the ones from the sensors, switches and buttons. Parameters include the name of the signal, the designation on the schematics, a description and the active logic level; − PLC – represents a programmable logic controller, the device which executes the control program. The parameters include name and description; − Actuator – models the physical signals which exit the control system, e.g. the ones sent to the actuators and lamps. Parameters include the name of the signal, the designation on the schematics, a description and the active logic level. To interconnect the objects on this layer two types of relations are used: wired connection and communication link. The first one has no parameters and the second one is parametrized with respect to the requirements of the selected network type.

B. Software Configuration

The Software Configuration Layer serves as a top-level program model for each PLC present in the hardware structure of the control system (see fig. 3). On this layer the following objects are presented: − Digital input, − Sequence, − Timer, − Logic block, − Mode selector, − Interlock, − Digital output. The Digital input and Digital output objects represent the digital I/O modules of the PLC. The address mapping could be manual or automatic depending on the application. A good idea is to assign a default value for the address of each input and output pin and allow the user to change it later if necessary. The Sequence is a model of the control algorithm. It is further decomposed in another layer by its own. Error monitoring is modeled using Timer for the time monitoring and Logic block for the state monitoring. The first one

Fig. 3. Example top-level software definition Rys. 3. Przykład definicji oprogramowania wysokiego poziomu

C. Algorithm Definition

The Algorithm Definition Layer allows the modeler to create the sequences for the automatic mode of operation of the logic control system. Only one type of object is accessible – a state with associated actions list (activation/deactivation of outputs and start of time delays). There are two types of relations: − Transition – connects two states designating the conditions under which the transition from the currently active one to the next one should be made. An important restriction here is that two or more relations of this type starting from the same state should not have the same or logically equal conditions; − Synchronization – introduces an additional condition to be fulfilled for the transition from one state to another to be executed, i.e. when a particular state from another sequence is active. That way a synchronization between simultaneously running sequences could be achieved.

D. Interlock Logic

The purpose of the Interlock Logic Layer is to allow the modeler to define the conditions under which a particular output should remain interlocked in a given state, either “on” or “off”. The following objects are used to model this behavior: − Input, − Logic AND, − Logic OR,

Fig. 4. Example algorithm definition in the form of a state graph Rys. 4. Przykładowy algorytm sterowania w postaci diagramu maszyny stanów

Meta-Modeling and Automatic Code Generation for Computer Aided Development of Logic Control Systems

− Logic NOT, − Output. Although in the general case it is a good idea to provide pre-defined logical functions, e.g. flip-flops, next to the basic ones in order to allow the modeler to create any composite logic design with a relative ease, as long as it goes about interlocks the logic is usually not that complex, hence the fully functional basis formed by the AND, OR and NOT functions is completely sufficient and there is no need to be further expanded. However, allowing the modeler to customize the AND and OR functions defining the number of inputs and having the option to invert each of the inputs or the output would make the design more readable, therefore such functionality could be implemented in the software solution as well.

corresponding commands for creation and modification of Simulink models, as well as the Stateflow API commands. An example of automatically generated control sequence is shown in fig. 7. The rules for generating the MATLAB script are pretty straightforward since the discussed meta-model closely resembles the one used by Simulink, i.e. blocks with inputs, outputs and parameters and connections between them. So the generator should take care of adding the corresponding blocks to the simulation model at the positions they have in the designed system, and then parametrize and interconnect them. In turn, the layers of the system are represented as sub-systems.

Fig. 5. Example interlock definition using Functional Block Diagram (FBD) Rys. 5. Przykładowa definicja bloku zabezpieczeń w języku Bloków Diagramów Funkcyjnych FBD

To interconnect the objects on this layer only one relation type is used, i.e. wired connection, which has no parameters. The number of outputs on this layer is limited to one.

5. Automatic Code Generation

Fig. 7. Example automatic generated Stateflow model Rys. 7. Przykład automatycznie wygenerowanego modelu Stateflow

Having the control system designed in the previously described manner, a model is created as a set of interconnected objects with their respective parameters. This model contains a general information about the system. However, not all of this information is used for the generation of each target file, but a given sub-set, as shown in fig. 6. In other words different parts of the graphically represented logic control system are transformed following a given set of rules into different text files according to the requirements of the particular software product used for simulation, PLC programming and documentation.

B. Source PLC Code

Since the code generators produce text files it is convenient to use Structured Text (ST) defined in IEC 61131–3 [21] as a programming language for the implementation of the software part of the control system. To illustrate the approach Automation Studio by BnR is used. When generating the code the following set of rules is applied: − all Sensors and Actuators used in the Hardware configuration layer are defined as global variables; − each State in every Sequence is defined as a global variable in the form M_XX_Step_N; − for each Sequence in the Software configuration layers two corresponding program units are created named Transitions and Actions; − each relationship of type Transition transforms into lines of code in the corresponding POU with the following format: IF M_XX_Step_N THEN IF <conditions> THEN M_XX_Step_N+1 := 1; M_XX_Step_N := 0; END_IF END_IF − for each Actuator defined in the Hardware configuration layer a logical equation is written in the Actions program unit containing the OR-ed variables corresponding to the states in which it is activated, the auto/manual switching logic, as well as the defined interlock logic; − for each Timer a program timer is defined and connected to the corresponding alarm output; − for each Logic block in the Software configuration layer a logical equation is added to the Actions program unit activating the corresponding alarm output; The main program then needs to initialize the used variables and to call the created sub-programs.

Fig. 6. Using different parts of the model for the generation of each target file Rys. 6. Wykorzystanie różnych części modelu do generowania innego rodzaju dokumentów

A. Simulation Model

To reduce the development time and costs it is necessary to have a simulation model of the PLC acting as a software-in-the-loop. Being widely accepted in the scientific world, Simulink is used as a simulation environment here as well. The built-in logic blocks of Simulink together with the Stateflow toolbox allow the adequate modeling of the program logic. To automatically generate the simulation model, a MATLAB script is produced, containing the

•

NR 4/ 20 1 5

Michael Scopchanov, Krzysztof Pietrusewicz, Hristo Hristoskov

C. Documentation

To obtain a printable document a TEX-file should be generated and then compiled using pdflatex. The formatting might be fixed in a template which includes the automatically generated parts. That way the form of the document might be changed leaving the actual content intact. Depending on the particular purpose, the content of the document might vary largely. However, as a general rule it is a good idea to include a symbol table, containing a description of the I/O interface of the control system, as well as tables listing the designed error monitoring functions and interlocks. Figures, representing the hardware design, control software structure and algorithms, should be included in the documentation as well.

6. Conclusion The discussed techniques play an essential role in the creation of computer tools designed to aid the development of logic control systems. Such tools would allow the creation of well-structured, readable control system designs, which are easier to be modified later. This also shortens the development time, leads to a fast proof-of-concept and lessens the possibility of having errors in the design. The here presented concepts have been implemented and tested in MetaEdit+ [9]. For practical use however, a standalone application would be a better solution allowing more flexibility to be achieved through an expandable functionality, e.g. towards automated checks for compliance of the design with the relevant standards. With regard to that, in order to close the development cycle in the mentioned way it is necessary to further extend the current work in the direction of automatic tests and validation of the created models, bringing simulation and experimental data back into the software tool for analysis. Another interesting direction for future research is the integration of human-machine interface (HMI) and dedicated safety devices in the model in order to automatically generate the tags list and the process screens needed for the visualization as well as the safety logic.

Acknowledgments

The subject of this article is part of the project iLoad, Partnership for developing energy effcient intelligent load handling system, funded by the European Union Seventh Framework Programme for research, technological development and demonstration under grant agreement No 324496.

Bibliography 1. Baerisch S., Domain-Specific Model-Driven Testing, 1st edition, GWV Fachverlage GmbH, 2010. 2. Berruet P., Lallican J., Rossi A., Philippe J., Generation of Control for Conveying Systems Based on Component Approach, IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics, 2007, 1408–1414, DOI: 10.1109/ ICSMC.2007.4413766. 3. Braun S., Obermeier M., Vogel-Heuser B., Usability Challenges in the Design Workflow of Reusable PLC Software for Machine and Plant Automation, 9th International Multi–Conference on Systems, Signals and Devices, 2012, 1–6, DOI: 10.1109/SSD.2012.6198055. 4. Estevez E., Marcos M., Model-Based Validation of Industrial Control Systems, IEEE Transactions on Industrial Informatics, Vol. 8, No. 2, 2012, 302–310, DOI: 10.1109/ TII.2011.2174248.

5. Gomes L., Lourenco J., Rapid Prototyping of Graphical User Interfaces for Petri-Net-Based Controllers, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 57, No. 5, 2010, 1806– 1813, DOI: 10.1109/TIE.2009.2031188. 6. Guttel K., Weber P., Fay A., Automatic Generation of PLC Code Beyond the Nominal Sequence, IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation, 2008, 1277–1284, DOI: 10.1109/ETFA.2008.4638565. 7. Iriondo N., Estevez E., Marcos M., Automatic Generation of the Supervisor Code for Industrial Switched-Mode Systems, IEEE Transactions on Industrial Informatics, Vol. 9, No. 4, 2013, 1868–1878, DOI: 10.1109/TII.2012.2227491. 8. Jung E., Kapoor C., Batory D., Automatic Code Generation for Actuator Interfacing from a Declarative Specification, International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2005, 2839–2844, DOI: 10.1109/IROS.2005.1545465. 9. Kelly S., Tolvanen J., Domain-Specific Modeling: Enabling Full Code Generation, Wiley-IEEE Computer Society Pr, 1th edition, 2008. 10. Krunic M., Letvencuk I., Povazan I., Krunic V., An Approach to Model Dri krzysztof.pietrusewicz@zut.edu.pl ven Development and Automatic Source Code Generation of GUI Controls, 11th International Symposium on Intelligent Systems and Informatics, IEEE, 2013, 63–68, DOI: 10.1109/ SISY.2013.6662544. 11. Kundu D., Samanta D., Mall R., Automatic Code Generation from Unified Modeling Language Sequence Diagrams, “Software, IET”, Vol. 7, No. 1, 2013, 12–28, DOI: 10.1049/ iet-sen.2011.0080. 12. Mizuoka K., Koga M., MDA Development of Manufacturing Execution System Based on Automatic Code Generation, Proceedings of SICE Annual Conference, 2010, 3103–3106. 13. Mosterman P., Automatic Code Generation: Facilitating New Teaching Opportunities in Engineering Education, 36th Annual Frontiers in Education Conference, 2006, 1–6, DOI: 10.1109/FIE.2006.322699. 14. Mozumdar M., Gregoretti F., Lavagno L., Vanzago L., Olivieri S., A Framework for Modeling, Simulation and Automatic Code Generation of Sensor Network Application, 5th Annual IEEE Communications Society Conference on Sensor, Mesh and Ad Hoc Communications and Networks, 2008, 515–522, DOI: 10.1109/SAHCN.2008.68. 15. Otto A., Hellmann K., IEC 61131: A General Overview and Emerging Trends, “Industrial Electronics Magazine”, Vol. 3, No. 4, 2009, 27–31, 10.1109/MIE.2009.934793. 16. Papadopoulos G., Automatic Code Generation: A Practical Approach, 30th International Conference on Information Technology Interfaces, 2008, 861–866, DOI: 10.1109/ ITI.2008.4588524. 17. Santos A., Cardoso J., Diniz P., Ferreira D., Petrov Z., Specifying Dynamic Adaptations for Embedded Applications Using a DSL, Embedded Systems Letters, IEEE, Vol. 6, No. 3, 2014, 49–52, DOI: 10.1109/LES.2014.2321325. 18. Tyugu E., Grigorenko P., Components in Model-Based Software Development, Computer Science and Information Technologies, 2013, 1–8, DOI: 10.1109/CSITechnol.2013.6710367. 19. Vogel-Heuser B., Witsch D., Katzke U., Automatic Code Generation from a UML Model to IEC 61131–3 and System Configuration Tools, International Conference on Control and Automation, Vol. 2, 2005, 1034–1039, DOI: 10.1109/ ICCA.2005.1528274. 20. Werner B., Object-Oriented Extensions for IEC 61131–3, Industrial Electronics Magazine, IEEE, Vol. 3, No. 4, 2009, 36–39, DOI: 10.1109/MIE.2009.934795. 21. International Electrotechnical Commission – [www.iec.ch].

Meta-Modeling and Automatic Code Generation for Computer Aided Development of Logic Control Systems

Meta-modelowanie oraz automatyczne generowanie kodu w projektowaniu komputerowym logicznych systemów sterowania Streszczenie: W artykule omówiono wybrane aspekty rozwoju komputerowego wspomagania systemów sterowania logicznego, a mianowicie: utworzenie meta-modelu oraz języka konkretnego obszaru zastosowań, będącego podstawą do modelowania systemu, jak i formalnych zasad automatycznego przekształcenia modeli zaprojektowanych przez ekspertów za pomocą meta-modelu do modeli symulacyjnych, kodu źródłowego dla sterowników PLC oraz odpowiedniej do potrzeb dokumentacji. W artykule zaprezentowana jego istotność z punktu widzenia tworzenia współczesnego oprogramowania przemysłowego, w celu osiągnięcia bardziej czytelnych wzorów, które następnie mogą być prosto modyfikowane, co przyczynia się do skrócenia czasu opracowania systemu, uzyskania tak zwanego proof-of-concept w krótkim czasie tak, aby zminimalizować występowanie błędów w projekcie. Ponadto, niektóre kierunki są wskazane w odniesieniu do ewentualnego przyszłego rozszerzenia zakresu stosowanych technik do celów automatycznego testowania i walidacji opracowanych systemów sterowania logicznego. Słowa kluczowe: automatyczne generowanie kodu, modelowanie specyficzne dla dziedziny zastosowań, systemy sterowania logicznego, meta-modelowanie

Michael Scopchanov, PhD

Krzysztof Pietrusewicz, PhD, DSc

He is born on October the 11th 1977 in Varna, Bulgaria. In 2009 he graduated the Technical University of Varna, Bulgaria, and acquired a PhD Degree in automatics. His research interests cover topics from the broad engineering field of the digital control systems, namely programmable logic controllers, digital signal processing, machine vision, mobile robotics, embedded control, metamodeling and fuzzy logic. He is a former associate professor at the Faculty of Computing and Automation of the Technical University of Varna, Bulgaria. Currently he is a member of the iLoad project’s research team.

He graduated (MSc Eng.) from Faculty of Electrical Engineering of West Pomeranian University of Technology in Szczecin, Poland in 2002, where he has been working as an assistant professor since 2006. At the same university he gained PhD (2005) and DSc (2012).He also cooperates with Cargotec Sweden AB (Applied Research Department, HIAB) as a researcher.

Michael.Scopchanov@zut.edu.pl

krzysztof.pietrusewicz@zut.edu.pl

Hristo Hristoskov, PhD hristo.hristoskov@zut.edu.pl

He is born on April the 24th 1983 in Varna, Bulgaria. In 2009 he graduated the Technical University of Varna and acquired a Master degree in automation. His research interests are in the areas of digital control systems, industrial communications, programmable logic controllers and control of robots. Develops projects for repair and modernization of machine tools and metalworking machinery CNC. He is a former assistant professor at the Faculty of Computing and Automation of the Technical University of Varna, Bulgaria. Currently he is a member of the iLoad project’s research team.

•

NR 4/ 20 1 5

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 19, Nr 4/2015, 33–42, DOI: 10.14313/PAR_218/33

Przegląd robotów humanoidalnych Zdzisław Kowalczuk, Michał Czubenko

Politechnika Gdańska, Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki, Katedra Systemów Decyzyjnych i Robotyki, ul. G. Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk

Streszczenie: W artykule przedstawiono przegląd najpopularniejszych robotów humanoidalnych,

wyróżniając ich ważniejsze cechy i porównując podstawowe charakterystyki, biorąc przy tym pod uwagę pożądane kognitywne aspekty rozwoju robotyki. Wśród osiągalnych cech rozmaitych rozwiązań aparatów humanoidalnych dostępnych na rynku – wyróżnia się głównie liczbę stopni swobody, rodzaj zastosowanego układu lokomocji oraz możliwości wyrażania mimiki twarzy, jak również ekspresji emocji. Słowa kluczowe: robot, cechy humanoidalne

1. Wprowadzenie Od przeszło pół wieku obserwowany jest burzliwy rozwój automatyzacji a także robotyzacji. Coraz więcej urządzeń ma wbudowane systemy komputerowe, dzięki temu działają zgodnie z przygotowanym scenariuszem, a w sytuacjach krytycznych podejmują coraz bardziej złożone decyzje. Po robotach przemysłowych, które w znaczący sposób wyręczają ludzi w pracach powtarzalnych, żmudnych, wykonywanych w trudnych warunkach, rozwinęła się robotyka mobilna. Urządzenia mobilne znalazły zastosowanie w pracach policji, wojska, straży pożarnej, w sytuacjach kryzysowych – wszędzie tam, gdzie istnieje zagrożenie utraty życia lub zdrowia. Równolegle rozwija się gałąź robotyki ukierunkowana na rozrywkę. Robotyka weszła do szkół – roboty wspierają i uatrakcyjniają edukację, są też konstruowane przez dzieci. Wkrótce dzięki wyspecjalizowanym robotom, najprawdopodobniej wiele zawodów, takich jak np. strażak czy żołnierz, zasadniczo zmieni swój profil [1]. Wśród robotów stosowanych w medycynie wymienić należy ultradokładne roboty chirurgiczne (operujące z dużo większą precyzją niż człowiek), roboty wspierające rehabilitację, bądź opiekujące się ludźmi starszymi, dziećmi, osobami niepełnosprawnymi w ich codziennym życiu [2–4]. Postęp ten zachodzi wraz ze zwiększającą się autonomią konstruowanych robotów [5, 6]. W konsekwencji realizowane są rozmaite projekty autonomicznych pojazdów (typu samochód, samolot, statek), które mają wbudowane funkcje samodzielnego podejmowania decyzji, co w znacznym stopniu wpływa na sposób ich działania [7, 8]. Nowoczesne roboty charakteryzują się zróżnicowaną budową, uzależnioną od ich przeznaczenia. W każdym jednak przypadku dąży się do coraz większej autonomiczności. Można pokusić się o stwierdzenie, że jest to nowoczesna odmiana cybernetyki, albo-

Autor korespondujący: Michał Czubenko, m.czubenko@gmail.com Artykuł recenzowany nadesłany 15.04.2015 r., przyjęty do druku 8.10.2015 r. Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

wiem celem większości rozwiązań stosowanych w robotyce jest naśladowanie przyrody ożywionej, a w szczególności sposobu myślenia oraz poruszania się i zachowania człowieka. Znane są projekty robotów modelowanych na przykładzie muchy, muła, geparda, czy w końcu twory humanoidalne. Ta ostatnia dziedzina rozwijana jest szczególnie intensywnie. Humanoidy potrafią już chodzić po drabinie oraz otwierać drzwi. Wielu młodych konstruktorów startuje ze swoimi robotami w ogólnodostępnych konkursach (np. DARPA Robotics Challenge). Roboty humanoidalne wykazują się też umiejętnością werbalnego komunikowania się z człowiekiem (jest to szczególnie ważny aspekt HSI – Human-System Interface). Z technicznego punktu widzenia, napęd jest bardzo ważnym elementem konstrukcji robota. Determinuje on możliwości manipulacyjne, zakres prędkości robota oraz jego mobilność terenową (możliwość poruszania się w określonych warunkach środowiskowych), a w konsekwencji również jego możliwości funkcjonalne, w tym cechy humanoidalne. Przy różnorakich celach, uwzględniając rodzaj napędu, wyróżnić można kilka podstawowych typów robotów [9]: − kołowe – realizujące proste zadania transportowe (np. tzw. line follower), − gąsienicowe – mogące poruszać się w złożonym terenie, głównie naturalnym (służące do rozpoznania, lub do detonowania ładunków wybuchowych), − kroczące – działające w trudnym środowisku zarówno industrialnym, jak i naturalnym (służące do różnorakich celów), − o napędzie hybrydowym. W ostatnich latach można zaobserwować znaczący postęp w obszarze robotów kroczących, które umożliwiają nawet chodzenie po schodach. Tego rodzaju urządzenia kroczące z reguły mają kształty humanoidalne i dlatego też najbardziej swoją budową przypominają człowieka i jego sylwetkę. Roboty humanoidalne cieszą się dużą popularnością. Mają też coraz większe perspektywy – szczególnie w aspekcie kontaktu z człowiekiem.

2. Roboty humanoidalne Wśród wielu zadań, związanych z odpowiednim zaprogramowaniem humanoida, wyróżnić można projekty, których pobocznym celem jest modelowanie zachowania człowieka. Motywacje takiego podejścia bywają różne, jednak większość tego typu

Przegląd robotów humanoidalnych Tabela 1. Zestawienie cech robotów humanoidalnych Table 1. Comparison of features of humanoid robots Robot

DoF

Kamera

Palce

Nogi

Zaawansowane zadania

Emocje

Autonomia

AcYut

TAK

NIE

Affetto

N/A

NIE

TAK

NIE

ASIMO

TAK

NIE

TAK

ASRA C1

TAK

Noszenie ciężarów

NIE

Baxter

TAK

NIE

TAK

CHARLI

TAK

NIE

TAK

EMIEW 2

Koła

Duża prędkość

NIE

TAK

FLASH

Koła

NIE

TAK

HRP-4

TAK

NIE

HRP-4C

TAK

NIE

Kismet

NIE

TAK

NIE

Kobian

TAK

NIE

NAO

TAK

NIE

TAK

PEtMAN

NIE

TAK

Dynamiczne ruchy

NIE

RoNA

NIE

Koła

Podnoszenie ludzi

NIE

S-One

N/A

TAK

Manipulacja

NIE

Simon

NIE

Chwytanie

TAK

TOPIO

TAK

NIE

Telenoid

NIE

TAK

Valkyrie

> 10

TAK

NIE

TAK

atorów), a kończąc na zaawansowanych strategiach behawioralnych. Poniżej prezentowane są najbardziej znane ze światowych wytworów występujących pod nazwą robotów humanoidalnych. Dobrym przykładem ukazującym, jak bardzo się rozwinęła robotyka humanoidalna jest DARPA Robotics Challenge. Jest to konkurs, w którym rywalizują roboty z całego świata, a ich zadaniem jest asystowanie człowiekowi w warunkach katastrofy industrialnej. Zadanie konkursowe składa się z ośmiu prób: 1) Pojazd: Robot, prowadząc samochód, ma przejechać odcinek drogi z przeszkodami, po czym wysiąść z auta i odejść od niego. 2) Teren: Robot ma za zadanie pokonać trzy przeszkody terenowe o różnym stopniu skomplikowania, poczynając od niskiego murku, a kończąc na niestabilnym gruzowisku. 3) Drabina: Robot powinien się wspiąć po drabinie, po czym stanąć na podeście, a następnie przejść pod belką poprzeczną. 4) Gruzowisko: Robot ma za zadanie oczyścić drogę między dwiema ścianami – usunąć rozrzucone na drodze bale drewna, a następnie przejść między ścianami, aż do drzwi.

projektów opiera się na przesłankach socjologicznych. Roboty przypominające w zachowaniu człowieka są postrzegane przez ludzi jako bardziej przyjazne i lepiej akceptowane w społeczeństwie [10]. Takie podejście jest stosowane również w przypadku autonomicznych samochodów, gdzie samochodom nadawane są cechy charakterystyczne dla ludzi (imię, płeć, etc.). Popularne staje się nadawanie wyglądu człowieka nawet prostym autonomicznym maszynom [11]. Z drugiej strony, istnieją motywacje psychologiczne, które prowadzą do uwzględniania i modelowania różnorakich aspektów psychologii człowieka, wśród których wyróżnia się emocje, potrzeby oraz zaawansowane modele pamięci [12, 13]. Dąży się w ten sposób zarówno do poszerzenia wiedzy psychologicznej (modelowanie aspektów psychologicznych), jak i wypracowania doskonalszych mechanizmów autoadaptacji w konstruowanych systemach technicznych (automatyki i robotyki). Większość robotów humanoidalnych jest nastawiona na zadania poznawcze. Poczynając od rozpoznawania obiektów i interakcji z nimi, przez zagadnienia dotyczące planowania trajektorii ruchu robotów, manipulatorów, członów wykonawczych (aktu-

•

NR 4/ 20 1 5

Zdzisław Kowalczuk, Michał Czubenko 5) Drzwi: Robot powinien pokonać trzy rodzaje drzwi – pchane, ciągnięte oraz zamknięte za pomocą klamki. 6) Ściana: Za pomocą odpowiedniego narzędzia (sterowanego poprzez przełącznik lub spust), należy wyciąć w ścianie zadany kształt. 7) Zawór: Robot musi zamknąć trzy zawory różniące się konstrukcją – dźwignię, zawór kołowy duży, zawór kołowy mały. 8) Wąż: Robot ma za zadanie przeciągnąć wąż strażacki do zaworu z wodą i zamocować go na nim. W dalszej części zostaną skrótowo omówione różnorodne roboty humanoidalne zbudowane zarówno w celach komercyjnych, jak i naukowych. Podstawowe cechy umożliwiające klasyfikację robotów humanoidalnych zostały zgromadzone w tabeli 1. Przegląd został opracowany w pierwszym kwartale 2015 r., a główną cechą łączącą analizowane roboty jest ich podobieństwo do człowieka (w wielu aspektach). Wobec olbrzymiej różnorodności rozwiązań, jako główny wyróżnik przyjęto zastosowany sposób lokomocji.

3. Roboty quasi-stacjonarne W tej sekcji zostaną przedstawione roboty humanoidalne przytwierdzone do podłoża lub przenoszone, które nie mają możliwości samodzielnego poruszania się i zmiany miejsca położenia.

3.1. Affetto

Affetto jest japońskim robotem-dzieckiem, opracowanym w 2011 r. na Uniwersytecie w Osace. Ma bardzo realistyczny wygląd – przypomina dwulatka (również wielkością). Umożliwia wyrażanie emocji i robienie min za pomocą sztucznej twarzy. Jego wykonana z silikonu sztuczna skóra przypomina ludzką, a pneumatyczne siłowniki pozwalają na dotyk i nacisk (w pewnym ograniczonym stopniu). Robot ten został zaprojektowany do badań nad rozwojem poznawczym dziecka i relacjami socjologicznymi między dzieckiem a dorosłymi [15, 16].

do badań nad zagadnieniem uczenia maszynowego [20]. Uczenie Simona polega na identyfikowaniu i powtarzaniu zachowań ze środowiska, a także na interakcji z nauczycielem. Aby ułatwić interakcję, robot został wyposażony w serię elastycznych aktuatorów (silników o bardzo małej sztywności). Dzięki nim Simon swoimi robotycznymi dłońmi może, podobnie jak ludzie, ściskać w różnym stopniu (z różną siłą) przedmioty. Ze względu na potrzebę interakcji, skonstruowano głowę wyrażająca pewne emocje. Rozwiązania programistyczne również koncentrują się na interakcji z człowiekiem. Dzięki nim ten humanoidalny robot może uczestniczyć w grach wymagających komunikacji (mówienia), a w szczególności rozpoznawać, kiedy w grze następuje jego tura/kolej [21, 22].

3.5. Telenoid

Telenoid jest bardzo nietypowym robotem (rys. 1). Został zaprojektowany przez Hiroshi Ishiguro – profesora Osaka University and Advanced Telecommunications Research Institute International (ATR). Robot ma postać korpusu humanoidalnego z wyrażającą emocje głową. Jego jedynym celem jest efektywne wyrażanie cech, które spowodują, że użytkownik będzie miał wrażenie komunikacji z inną osobą. Telenoid jest sterowany zdalnie przez drugiego człowieka, którego obecność emuluje. Badania dowiodły, że jego skuteczność w wyrażaniu drugiej osoby pomaga (z socjologicznego punktu widzenia) zarówno osobom starszym, jak i dzieciom [23]. Ze względu na określone zastosowania, robot ma jedynie 9 stopni swobody, masę 3 kg i zbudowany jest z materiału doskonale symulującego ludzką skórę. Badanie prowadzone za pomocą robota Telenoid mają na celu doskonalenie sterowania robotem, aby jego ruchy sprawiały wrażenie całkowicie naturalnych [24, 25].

3.2. Baxter

Baxter jest para-humanoidalnym robotem produkcyjnym. Jego ramiona mają po 7 stopni swobody DoF (ang. Degree of Freedom). Wyposażony jest w system wizyjny, sonar oraz ekran, na którym mogą być wyświetlane emocje. Umożliwiają naukowcom prowadzenie badań interakcji między robotem a człowiekiem, sposobów manipulacji oraz zaawansowanych metod sterowania i percepcji. Aktualne prace badawcze związane z robotem Baxter dotyczą metod uczenia pod nadzorem [17].

3.3. Kismet

Kismet prezentuje co prawda tylko głowę robota, ale jest ona jedną z najstarszych konstrukcji robotycznych wyrażających emocje. Robot został opracowany i zbudowany w laboratoriach MIT pod koniec lat 90. poprzedniego stulecia. Kismet jest robotem umożliwiającym naturalną, międzyludzką komunikację, bazującą na języku ciała oraz różnego rodzaju elementach motywacyjnych człowieka (takich jak emocje). Robot wyposażony jest w zespół sensorów realizujących zmysły wizyjne, słuchowe oraz umiejętności proprioceptyczne. Kismet symuluje emocje poprzez różne wyrazy twarzy, odgłosów i ruchu. Mimika jest tworzona za pomocą ruchów uszu, brwi, powiek, ust, szczęki i głowy. Robot stosowany był w badaniach nad zachowaniami w trakcie interakcji z człowiekiem (HSI, ang. Human System Interaction), a przede wszystkim do doskonalenia mechanizmów procesu uczenia [18, 19].

3.4. Simon

Robot Simon został zaprojektowanym przez zespół z Georgia Institute of Technology. Nie jest on jednak w pełni humanoidem, ma bowiem ciało tylko od pasa w górę. Nie przeszkadza to jednak w jego praktycznych zastosowaniach. Robot służy

Rys. 1. Telenoid, Osaka University oraz Advanced Telecommunications Research Fig. 1. Telenoid, Osaka University and Advanced Telecommunications Research

Przegląd robotów humanoidalnych

4. Roboty kołowe

− odwróconego wahadła (postać wyprostowana), dzięki czemu może rozwijać dużą prędkość, − lekkiego przykucnięcia (hamulec w postaci szponu), przygotowanie do przejścia między trybami, − postaci klęczącej, charakteryzującej się dużą stabilnością (lecz zmniejszoną prędkością).

W tej sekcji zostaną przedstawione roboty o kołowym układzie lokomocji. Funkcjonalność polegająca na przemieszczaniu się robota znacznie zwiększa jego autonomię. Zastosowanie napędu kołowego jest jednak źródłem wielu ograniczeń. Roboty takie nie mogą pokonywać przeszkód pionowych ani przemieszczać się po schodach.

4.3. FLASH

Robotem humanoidalnym rodzimej produkcji jest FLASH (rys. 3). Robot FLASH (Flexible Lirec Autonomous Social Helper) został opracowany w ramach projektu LIREC, finansowanego przez Unię Europejską z 7. Programu Ramowego, w Zakładzie Podstaw Cybernetyki i Robotyki Politechniki Wrocławskiej. Robot ma pełnić rolę towarzysza życia – robota spo-

4.1. RoNA SerBot

RoNA (Robotic Nursing Assistant System) to seria robotów para-humanoidalnych (rys. 2) stworzonych przez konstruktorów Hstar Technologies Corporation. Służą one zapewnianiu opieki (nie tylko medycznej) osobom starszym. Robot serwisowy SerBot serii RoNA realizuje różne zadania opiekunki osób starszych, potrafi przenosić ciężkie przedmioty, reagować na polecenia, a nawet przewieźć osobę, którą się opiekuje, na inne miejsce. Docelowo robot RoNA ma mieć 23 stopnie swobody oraz duży udźwig (rzędu masy dorosłej osoby). Głównym celem robota jest niesienie pomocy, podnoszenie osób, które nie mogą wstać, czy przenoszenie ich do łózka lub wanny. Robot wyposażony jest dodatkowo w system bezpośredniej telekomunikacji z lekarzem [26].

4.2. EMIEW 2

EMIEW 2 jest robotem produkowanym przez firmę Hitachi, przeznaczonym do poruszania się w środowisku biurowym – w szczególności do podążania za człowiekiem. Pełni on rolę biurowego asystenta, który potrafi się poruszać z prędkością 6 km/h. Aby zapewnić sprawność i bezpieczeństwo w środowisku biurowym, EMIEW 2 ma wysokość 80 cm i masę 14 kg. Ze względu na założone środowisko pracy, robot został wyposażony w 14-kanałową macierz mikrofonów, tak aby jednoznacznie mógł określić kierunek dźwięku oraz wydane polecenie (dzięki skutecznemu odfiltrowaniu szumu) [27, 28]. EMIEW 2 ma także radar laserowy umożliwiający mapowanie przestrzeni dookoła niego. Jego dość osobliwie zaprojektowane nogi pozwalają na trzy tryby pracy [29]:

Rys. 3. FLASH, Politechnika Wrocławska Fig. 3. FLASH, Wrocław University of Technology

łecznego zdolnego do operowania w środowisku człowieka oraz nawiązywania interakcji z człowiekiem w sposób dla niego naturalny. Stara się on emulować wygląd i zachowanie człowieka (pod pewnymi względami), a zwłaszcza inteligencję emocjonalną wyrażaną przez mimikę twarzy [30]. Jest on jednak zupełnie niepodobny do robota Kismet, którego twarz składa się z osobnych modułów ust, oczu itp. FLASH składa się z głowy umożliwiającej okazywanie emocji EMYS (ang. Emotive Head of a Social Robot) [31] oraz korpusu osadzonego na dwukołowej platformie poruszającej się na zasadzie odwróconego wahadła. Robot dzięki wyrażaniu emocji, potrafi znacznie lepiej komunikować się z ludźmi, a w szczególności, być przez nich lepiej postrzeganym.

5. Roboty kroczące 5.1. Roboty AcYut

AcYut (w sanskrycie Ten, który nie upada lub niezniszczalny) to seria robotów humanoidalnych rozwijanych przez konstruktorów Centre for Robotics & Intelligent Systems przy Birla Institute of Technology & Science, Pilani. Robot ten ma 28 stopni swobody, potrafi się poruszać na dwóch nogach, a zainstalowana kamera Firefly MV oraz Inertial Measurement Unit umożliwia mu odbieranie bodźców. Zastosowany tu inercyjny zestaw pomiarowy o 6 stopniach swobody jest urządzeniem, które służy do pomiaru prędkości, orientacji i siły grawitacyjnej działającej na robota, wykorzystując kombinację akcelerometrów i żyroskopów. Jest to analogiczne do narządów ludzkich zmysłów, które pomagają dostrzegać zmiany w otaczającym nas środowisku. Jego przeznaczeniem jest badanie sposobów sterowania zaawansowanymi robotami kroczącymi, oraz poszukiwanie technologii teleoperacji [32].

Rys. 2. RoNA, Hstar Technologies Corporation Fig. 2. RoNA, Hstar Technologies Corporation

•

NR 4/ 20 1 5

Zdzisław Kowalczuk, Michał Czubenko

Rys. 4. ASIMO, Honda Fig. 4. ASIMO, Honda

Rys. 5. Kobian, Waseda University Fig. 5. Kobian, Waseda University

5.2. ASIMO

and Technology. Aktualna wersja to HRP-4. Roboty HRP zostały stworzone do współpracy z ludźmi. Rozwój robotów HRP został podyktowany potrzebą lepszego dopasowania do warunków pracy, zarówno od strony mechanicznej (zwiększenie liczby stopni swobody, zmniejszenie masy itp.), jak i ściśle systemowej (platforma elektroniczna, projektowanie systemów percepcji i interakcji itp.). Robot ma udźwig 0,5 kg, 34 stopnie swobody, masę 39 kg. Jego płyta główna zaopatrzona jest w procesor Pentium M. Robot funkcjonuje pod kontrolą systemu operacyjnego typu Linux i innych narzędzi opartych na technologii czasu rzeczywistego [39]. HRP-4C jest nietypowym robotem z serii HRP – ma kształt kobiecego androida. Potrafi poruszać się w sposób przypominający człowieka, mówić, a nawet śpiewać. Jego masa jest również zbliżona do masy młodej kobiety (43 kg). Cechą charakterystyczną tego androida są możliwości mimiczne (podobnie jak robota Affectto). Twarz HRP-4C ma 8 stopni swobody [40].

ASIMO (ang. Advanced Step in Innovative Mobility) (rys. 4) to seria robotów wyprodukowanych przez Honda Motor Company. Celem producenta jest stworzenie robota, który będzie pomocny w codziennym życiu człowieka. Tak sformułowany cel jest paradygmatem robotyki socjalnej [33]. ASIMO ma około 120 cm wzrostu, masę 63 kg i jest jednym z pierwszych robotów humanoidalnych. ASIMO ma 34 stopnie swobody, może chodzić po schodach, a nawet biegać z prędkością do 6 km/h [34, 35]. Jego chwytaki są przystosowane do trzymania przedmiotów o różnych kształtach. Dodatkowo, oprócz różnego rodzaju zadań autonomicznych, ASIMO jest przystosowany także do sterowania za pomocą myśli [36].

5.3. CHARLI

CHARLI (ang. Cognitive Humanoid Autonomous Robot with Learning Intelligence) jest pierwszym – prawdziwym ze względu na wygląd – robotem humanoidalnym skonstruowanym w Stanach Zjednoczonych. Został zaprojektowany i zbudowany przez studentów Virginia Tech University. CHARLIE jest ciągle rozbudowywany, głównie pod względem konstrukcji mechanicznej. Robot ma 25 stopni swobody, a mimo to ma masę tylko 12,4 kg – jego konstrukcja i serwomechanizmy są wyjątkowo lekkie. Wyposażony jest w trzyosiowe żyroskopy i akcelerometry, kamery oraz enkodery pozycji stawów. Rozwijany projekt ma na celu prowadzenie badań nad zaawansowanymi metodami chodzenia dwunożnego (odpornymi na różnego rodzaju zakłócenia). Robot bierze udział w konkursach robo-piłki, może chodzić z prędkością 1,4 km/h, a nawet tańczyć [37, 38].

5.4. HRP

HRP (ang. Humanoid Robot Prototype) opisuje serię robotów konstruowanych od 1999 r. w firmie Kawada Industries we współpracy z National Institute of Advanced Industrial Science

5.5. Kobian

Robot Kobian (rys. 5) został opracowany w WASEDA University w Tokyo [41] na podstawie wcześniejszych prototypów. Jego podstawowym przeznaczeniem jest interakcja z ludźmi i pomoc w codziennych pracach. Robot ma aż 68 stopni swobody, z czego 24 są przeznaczone na mimikę. Dzięki specjalnie skonstruowanej twarzy robot może wyrazić 7 podstawowych emocji o różnym natężeniu [42]. Aktualne prace badawczo-rozwojowe dotyczą różnic kulturowych w postrzeganiu emocji oraz możliwości ich ekspresji nie tylko za pomocą mimiki [43]. Robot Kobian jest wyposażony w dwie kamery umożliwiające analizę środowiska z wykorzystaniem stereowizji [44]. Dzięki temu robot lepiej orientuje się i porusza w środowisku. Możliwości ekspresyjne robota znalazły uznanie w społeczeństwie japońskim, gdzie został on okrzyknięty pierwszym robotem-komikiem.

Przegląd robotów humanoidalnych

Rys. 6. ASRA C1, Asratec Fig. 6. ASRA C1, Asratec

Rys. 7. TOPIO, TOSY Fig. 7. TOPIO, TOSY

5.6. ASRA C1

5.8. TOPIO

5.7. Valkyrie

5.9. S-One

Robotem, który również potrafi odpowiednio dozować siłę nacisku, jest ASRA C1 (rys. 6). Stworzony przez firmę Asratec robot jest sterowany za pomocą systemu V-SIDO, który pozwala na kierowanie nim za pomocą telefonu komórkowego, okularów (koncepcja sterowania przez wzrok – tzw. Corpus Iudicium [45]), elementów typu joystick, a także w klasycznym trybie kopiowania ruchów. Robot ten ma 35 stopni swobody, akcelerometr, żyroskop, sensory magnetyczne, kamerę oraz kamerę Kinect, które umożliwiają mu rozpoznawanie ruchów ludzi podczas interakcji. Ciekawostką jest to, że robot ma ukryte dodatkowe kończyny górne (pomocne przy przenoszeniu obiektów, ale niestety sterowane ręcznie przez operatora).

TOPIO (rys. 7) jest robotem-zabawką przewyższającym wielkością człowieka. Wyprodukowany został przez firmę TOSY Toys. Jego podstawowym celem jest gra w tenisa stołowego przeciwko człowiekowi. Ze względu na takie zastosowanie, robot nie potrzebuje mimiki twarzy, jednak ma ludzkie dłonie, przez co liczba stopni swobody wynosi 39: 7 – na każde ramię (tyle, co człowiek), 6 – każda noga, 5 – każda dłoń, 1 – głowa. Oprzyrządowanie robota TOPIO stanowią cztery kamery, dzięki którym może rozpoznać i wyznaczyć trajektorię nadlatującej piłeczki. Do tego celu potrzebuje aż dwóch jednostek obliczeniowych. Prowadząc grę, TOPIO potrafi wymienić piłeczkę nawet 10 razy.

Walkiria (ang. Valkyrie) jest tak zwanym robotem humanoidalnym następnej generacji, zdolnym do wykonywania zadań wymagających dużej dynamiki, a także dużej precyzji działania. Należy zauważyć, że poprzednie generacje robotów nie były zdolne do wykonywania tak precyzyjnych działań i o tak szerokim spektrum. Postęp ten uzyskano przez zastosowanie dużej liczby sensorów oraz nowoczesnych technologii. Robot Walkiria jest konstruowany w NASA Johnson Space Center. Robot ma wysokość 188 cm, masę ponad 130 kg i 44 stopnie swobody. Podstawowym przeznaczeniem robota jest wykonywanie pracy autonomicznego robonauty. Projekt ten został jednak zrealizowany głównie dla udziału w zawodach DARPA. Jest to jeden z niewielu robotów humanoidalnych, które są zdolne do zaawansowanych zachowań, w szczególności autonomicznych. Robot Walkiria jest zasilany z akumulatorów, które nosi na sobie (wystarczają one na około godzinę pracy robota). Potrafi reagować z dużym wyczuciem siły, a w szczególności otwierać drzwi. Robot został wyposażony w trzy systemy LIDAR (ang. Light Detection and Ranging), 4 kamery HD, 6 kamer głębi (ang. depth camera) oraz niezliczoną liczbę innych sensorów. Pomimo zaawansowanego wyposażenia robota oraz potężnego zespołu rozwijającego oprogramowanie, robot Walkiria nie wypadł dobrze w zawodach DARPA. Tym niemniej konstruktorzy NASA dążą do takiego rozwoju projektu robota humanoidalnego, aby Walkiria mogła całkowicie samodzielnie badać odległe planety.

•

S-One jest również robotem japońskim, jednak w odróżnieniu od robotów przedstawionych wcześniej jest w znacznie mniejszym stopniu humanoidem. Robot ma masę 95 kg i jest wysoki (około 130 cm). S-One zajął pierwsze miejsce w DARPA Robotics Challenge Trials w 2013 r., przechodząc 27 prób na 32 wymagane. Dzięki dedykowanemu oprogramowaniu, robot potrafi poruszać się w nieznanym i niestabilnym terenie, chodzić po drabinie oraz otwierać drzwi. Dodatkowo, dzięki zastosowaniu silników chłodzonych cieczą, S-One może podnosić znaczne ciężary. Jako manipulatory używane są chwytaki firmy Robotiq dostosowane do różnego rodzaju kształtów. Niestety S-One nie jest robotem autonomicznym, musi być zdalnie sterowany przez użytkownika.

5.10. PEtMAN

Przyglądając się różnego rodzaju robotom humanoidalnym, warto zwrócić uwagę na rozwiązania, które de facto odwzorowują pożądaną sylwetkę lub reakcję humanoida. Robotem, który zachowuje zarówno kształt, jak i dynamikę ruchów człowieka, jest PEtMAN (ang. Protection Ensemble test Mannequin). Celem tego projektu jest testowanie ubiorów ochronnych stosowanych w Armii Stanów Zjednoczonych, odpornych na rozmaite chemiczne toksyny. Aby odpowiednio przetestować dany ubiór, robot musi zachowywać się jak człowiek (np. poruszać się w sposób gwałtowny), a także symulować warunki A

•

NR 4/ 20 1 5

Zdzisław Kowalczuk, Michał Czubenko

oddziaływania biologicznego człowieka poddanego wysiłkowi fizycznemu (wilgotność, odczyn Ph, temperaturę itp.). Robot ten, dzięki specjalistom z DARPA Robotics, potrafi poruszać się dynamicznie, robić skłony, przysiady, biegać na bieżni oraz wchodzić po schodach [46]. Jednak, jak większość humanoidów, wymaga jeszcze zewnętrznego sterowania przez operatora.

5.11. NAO

Robotem produkowanym seryjnie, choć głównie dla celów edukacyjnych, jest NAO (rys. 8). Dzięki małym rozmiarom doskonale sprawuje się przy nauce programowania robotów. NAO jest wyposażony w dwie kamery, cztery mikrofony, sonar, serię czujników dotykowych. Dzięki bogatemu zestawowi sensorów oraz odpowiedniemu oprogramowaniu, możliwe jest tworzenie programów sterujących robotem, zarówno prostych (w ramach robotyki behawioralnej), jak i zaawansowanych (realizujących sztuczną inteligencję). NAO ma 25 stopni swobody, potrafi też rozpoznawać dźwięk i syntezować mowę. Na platformie NAO mogą być tworzone rozwiązania wymagane przy zaawansowanym rozpoznawaniu obiektów za pomocą dotyku [47], systemy emulowania i wyrażania emocji [48] oraz ulepszone sposoby chodzenia [49, 50]. Robot NAO uczestniczy także w projektach dotyczących terapii dzieci cierpiących na autyzm [3]. Drobną modyfikację robota NAO stanowi NAO Torso, który działa analogicznie, jednak bez możliwości mobilnych.

Rys. 8. NAO, Aldebaran Robotics Fig. 8. NAO, Aldebaran Robotics

6. Podsumowanie Przedstawiony przegląd przykładowych robotów nie wyczerpuje długiej listy dostępnych aktualnie sztucznych humanoidów. Istnieje ich dużo więcej. Wyraźny jest trend obserwowany w badaniach naukowych polegający na rozwijaniu złożonych tworów (robotów) podobnych do człowieka. Stopień ich złożoności oraz moc obliczeniowa rośnie z roku na rok. Nadal jednak można stawiać pytanie, kiedy naprawdę roboty będą się zachowywać jak ludzie? Dzięki ciągłemu i dynamicznemu rozwojowi nowych technologii, roboty stają się coraz bardziej popularne. Występują one jako automaty w zastosowaniach przemysłowych, jak i innego rodzaju rozwiązania – roboty humanoidalne stosowane do użytku biurowego i domowego. Można oszacować, że w najbliższej dekadzie liczba takich urządzeń – stosowanych w gospodarstwach domowych – znacznie wzrośnie. Roboty już potrafią sprzątać, gotować, a nawet – w znacznym stopniu – opiekować się starszymi ludźmi. Można zatem pokusić się o stwierdzenie, że w niedługim czasie roboty (zwłaszcza humanoidalne) będą mogły wykonywać większość codziennych zadań domowych. Skoro rośnie zarówno

ich liczebność, jak i inteligencja, to czy jednak z czasem nie staniemy przed problemami przedstawianymi od dawna w literaturze fantastyczno-naukowej, takimi jak katastroficzne awarie, czy wręcz bunt robotów?

Bibliografia 1. Breland S., McKinney D., Parry D., Peachey C., NRL Designs Robot for Shipboard Firefighting, Naval Research Laboratory, “SPECTRA”, 2012, 8–10. 2. Boucenna S., Narzisi A., Tilmont E., Muratori F., Pioggia G., Cohen D., Chetouani M., Interactive Technologies for Autistic Children: A Review, “Cognitive Computation”, Vol. 6, 4/2014, 722–740. 3. Shamsuddin S., Yussof H., Ismail L.I., Mohamed S., Hanapiah F.A., Zahari N.I., Initial Response in HRIa Case Study on Evaluation of Child with Autism Spectrum Disorders Interacting with a Humanoid Robot NAO, ”Procedia Engineering”, 41/2012, 1448–1455. 4. Broadbent E., Stafford R., MacDonald B., Acceptance of Healthcare Robots for the Older Population: Review and Future Directions, ”International Journal of Social Robotics”, Vol. 1, 4/2009, 319–330, DOI: 10.1007/s12369-0090030-6. 5. Saunders R., Towards Autonomous Creative Systems: A Computational Approach, “Cognitive Computation” 3/2012, 216–225. DOI: 10.1007/s12559-012-9131-x. 6. Magill K., Erden Y.J., Autonomy and Desire in Machines and Cognitive Agent Systems, “Cognitive Computation”, Vol. 4, 3/2012, 354–364, DOI: 10.1007/s12559-012-9140-9. 7. Deutsch T., Muchitsch C., Zeilinger H., Bader M., Vincze M., Lang R., Cognitive decision unit applied to autonomous biped robot NAO, [in:] 9th IEEE International Conference on Industrial Informatics, IEEE, Caparica, Lisbon, July, 2011, 75–80, DOI: 10.1109/INDIN.2011.6034840. 8. Czubenko M., Ordys A., Kowalczuk Z., Autonomous driver based on intelligent system of decision-making, “Cognitive Computation”, Vol. 7, 5/2015, 569-581 DOI: 10.1007/ s12559-015-9320-5. 9. Rodriguez Á.G.G., Rodriguez A.G., Mobile Robots, [in:] Rodriguez N.E.N. (ed.), Advanced Mechanics in Robotic Systems, 41–57, Springer, London 2011. 10. Kaplan F., Who is afraid of the humanoid? Investigating cultural differences in the acceptance of robots, ”International Journal of Humanoid Robotics” 03/2004, 465–480, DOI: 10.1142/S0219843604000289. 11. Waytz A., Heafner J., Epley N., The mind in the machine: Anthropomorphism increases trust in an autonomous vehicle, ”Journal of Experimental Social Psychology” 52/2014, 113–117, DOI: 10.1016/j.jesp.2014.01.005. 12. Kowalczuk Z., Czubenko M., xEmotion – obliczeniowy model emocji dedykowany dla inteligentnych systemów decyzyjnych, ”Pomiary Automatyka Robotyka” 17/2013, 60–65. 13. Kowalczuk Z., Czubenko M., Intelligent Decision-Making System for Autonomous Robots, ”International Journal of Applied Mathematics and Computer Science” 4/2011, 621– 635, DOI: 10.2478/v10006-011-0053-7. 14. Kowalczuk Z., Czubenko M., Interpretation and modeling of an Emotions System for the Perspective Used in Scheduling Variable Control of Autonomous Agent Systems, “Frontiers in Robotics and AI – Computational Intelligence”, 2016, submitted for publication. 15. Ishihara H., Asada M., Affetto: towards a design of robots who can physically interact with people, which biases the perception of affnity (beyond uncanny), [in:] International Conference on Robot and Automation Workshop on Art and Robotics: Freud’s Unheimlich and Uncanny Valley, 2013.

Przegląd robotów humanoidalnych 30. Kędzierski J., Kaczmarek P., Dziergwa M., Tchoń K., Design for a Robotic Companion, ”International Journal of Humanoid Robotics” 2/2015, 1550007−15500031, 10.1142/ S0219843615500073. 31. Kędzierski J., Muszyński R., Zoll C., Oleksy A., Frontkiewicz M., EMYS-Emotive Head of a Social Robot, ”International Journal of Social Robotics”, 2/2013, 237–249, DOI: 10.1007/ s12369-013-0183-1. 32. Agrawal T., Gopinath D., Localization using relative mapping technique for mobile soccer robots, [in:] International Conference on Communication and Signal Processing, IEEE, April, 2013, 265–269, DOI: 10.1109/iccsp.2013.6577056. 33. Ge S.S., Social robotics: Integrating advances in engineering and computer science, [in:] Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology, Mae Fah Luang University, Chang Rai, Thailand, 2007. 34. Schaub B., Asimo learns how to jaywalk, “New Scientist” 2590/2007, 24. 35. Tajima R., Honda D., Suga K., Fast running experiments involving a humanoid robot, [in:] 2009 IEEE International Conference on Robotics and Automation, IEEE, May, 2009, 1571–1576, DOI: 10.1109/ROBOT.2009.5152404. 36. Bogue R., Brain-computer interfaces: control by thought, ”Industrial Robot: An International Journal” 2/2010, 126– 132, DOI: 10.1108/01439911011018894. 37. Lahr D., Hong D., The Development of CHARLI: A Linear Actuated Powered Full Size Humanoid Robot, [in:] International Conference on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence, Seul, 2008. 38. Lahr D., Hong D., A Biomimetic Parallelly Actuated Humanoid Robot Design, [in:] UKC, Raleigh, NC, 2009. 39. Kaneko K., Kanehiro F., Morisawa M., Akachi K., Miyamori G., Hayashi A., Kanehira N., Humanoid robot HRP-4 Humanoid robotics platform with lightweight and slim body, [in:] 2011 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, IEEE, September, 2011, 4400–4407, DOI: 10.1109/IROS.2011.6094465. 40. Kaneko K., Kanehiro F., Morisawa M., Miura K., Nakaoka S., Kajita S., Cybernetic human HRP-4C, [in:] 2009 9th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots, IEEE, December, 2009, 7–14, DOI: 10.1007/9783-642-19457-3_18. 41. Endo N., Takanishi A., Development of Whole-Body Emotional Expression Humanoid Robot for ADLAssistive RT Services, ”Journal of Robotics and Mechatronics” 6/2011, 969–977. 42. Zecca M., Macrì G., Mizoguchi Y., Monaco V., Endo N., Itoh K., Dario P., Takanishi A. (2010): Evaluation of the KOBIAN and HABIAN Emotion Expression Humanoid Robots with European Elderly People, [in:] Parenti Castelli V., Schiehlen W. (eds.), ROMANSY 18 Robot Design, Dynamics and Control, CISM International Centre for Mechanical Sciences, Vol. 524, 449–456, Springer Vienna, Vienna, DOI: 10.1007/978-3-7091-0277-0_53. 43. Trovato G., Zecca M., Sessa S., Jamone L., Ham J., Hashimoto K., Takanishi A., Towards culture-specific robot customisation: A study on greeting interaction with Egyptians, [in:] 2013 IEEE RO-MAN, IEEE, August, 2013, 447– 452, DOI: 10.1109/ROMAN.2013.6628520. 44. Kowalczuk Z., Merta T., Stereo image visualization for VISROBOT system, [in:] 18th International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics, Miedzyzdroje, 2013, 794–799, DOI: 10.1109/MMAR.2013.6670014. 45. Kowalczuk Z., Reaktywny system oddziaływania ze środowiskiem opartym na inteligentnym systemie decyzyjnym, [in:] Krawczyk H. (ed.), SKASKBOOK: Inteligentne

16. Ishihara H., Yoshikawa Y., Asada M., Realistic child robot Affetto for understanding the caregiver-child attachment relationship that guides the child development, [in:] International Conference on Development and Learning, IEEE, August, 2011, 1–5. 17. Daniel B., Korondi P., Thomessen T., New approach for industrial robot controller user interface, [in:] IECON 2013 - 39th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, IEEE, November, 2013, 7831–7836, DOI: 10.1109/ IECON.2013.6700441. 18. Breazeal C., Scassellati B., A context-dependent attention system for a social robot, [in:] International Joint Conference on Artificial Intelligence, Stockholm, Sweden, 1999, 1146–1151. 19. Breazeal C., Robot in Society: Friend or Appliance?, [in:] Agents99 workshop on emotion-based agent architectures, Seattle, WA, 1999, 18–26. 20. Cakmak M., Thomaz A., Designing robot learners that ask good questions, [in:] 7th ACM/IEEE International Conference on Human-Robot Interaction (HRI), Boston, MA, 2012, 17–24. 21. Chao C., Lee J., Begum M., Thomaz A., Simon plays Simon says: The timing of turn-taking in an imitation game, [in:] RO-MAN, 2011 IEEE, 2011, 235–240. 22. Chao C., Thomaz A., Timing in multimodal turn-taking interactions: Control and analysis using timed petri nets, ”Journal of Human-Robot Interaction”1/2012, 4–25. 23. Yamazaki R., Nishio S., Ogawa K., Ishigur H., Teleoperated android as an embodied communication medium: A case study with demented elderlies in a care facility, [in:] IEEE RO-MAN: The 21st IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication, IEEE, September, 2012, 1066–1071, DOI: 10.1109/ ROMAN.2012.6343890. 24. Mara M., Appel M., Ogawa H., Lindinger C., Ogawa E., Ishiguro H., Ogawa K., Tell me your story, robot. Introducing an android as fiction character leads to higher perceived usefulness and adoption intention, [in:] 2013 8th ACM/ IEEE International Conference on Human-Robot Interaction (HRI), IEEE, 2013, 193–194. 25. Ishi C.T., Liu C., Ishiguro H., Hagita N., Evaluation of formant-based lip motion generation in tele-operated humanoid robots, [in:] 2012 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, IEEE, October, 2012, 2377–2382, DOI: 10.1109/IROS.2012.6385795. 26. Hu J., Edsinger A., Donaldson N., Solano M., Solochek A., Marchessault R., An advanced medical robotic system augmenting healthcare capabilities – robotic nursing assistant, [in:] 2011 IEEE International Conference on Robotics and Automation, IEEE, May, 2011, 6264–6269, DOI: 10.1109/ ICRA.2011.5980213. 27. Togami M., Amano A., Sumiyoshi T., Obuchi Y., DOA estimation method based on sparseness of speech sources for human symbiotic robots, [in:] Proceedings of the 2009 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, 2009, 3693–3696, DOI: 10.1109/ ICASSP.2009.4960428. 28. Sumiyoshi T., Togami M., Obuchi Y., ASR for Human-Symbiotic Robot EMIEW2 with Mechanical Noise and FloorLevel Noise Reduction, [in:] 12th Annual Conference of the International Speech Communication Association, Florence, Italy, 2011, 3141–3144. 29. Hosoda Y., Egawa S., Tamamoto J., Yamamoto K., Nakamura R., Togami M., Basic Design of Human-Symbiotic Robot EMIEW, [in:] 2006 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, IEEE, October, 2006, 5079–5084, DOI: 10.1109/IROS.2006.282596.

•

NR 4/ 20 1 5

Zdzisław Kowalczuk, Michał Czubenko Przestrzenie Usług Informacyjnych, 2009, 35–46, WETI PG, Gdańsk-Bytów. 46. Nelson G., Saunders A., Neville N., Swilling B., Bondaryk J., Billings D., Lee C., Playter R., Raibert M., PEtMAN: A Humanoid Robot for Testing Chemical Protective Clothing, ”Journal of the Robotics Society of Japan”4/2012, 372–377, DOI: 10.7210/jrsj.30.372. 47. Ni L.G., Kari D.P., Muganza A., Dushime B., Zebaze A.N., Wireless integration of tactile sensing on the hand of a humanoid robot NAO, [in:] The 21st IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication, IEEE, September, 2012, 982–988, DOI: 10.1109/ ROMAN.2012.6343877.

48. Nanty A., Gelin R., Fuzzy Controlled PAD Emotional State of a NAO Robot, [in:] 2013 Conference on Technologies and Applications of Artificial Intelligence, IEEE, December, 2013, 90–96, DOI: 10.1109/TAAI.2013.30. 49. Kulk J., Welsh J.S., Evaluation of walk optimisation techniques for the NAO robot, [in:] 2011 11th IEEERAS International Conference on Humanoid Robots, IEEE, Bled, October, 2011, 306–311, DOI: 10.1109/Humanoids.2011.6100827. 50. Gouaillier D., Collette C., Kilner C., Omni-directional closed-loop walk for NAO, [in:] International Conference on Humanoid Robots, 2010, 448–454, DOI: 10.1109/ ICHR.2010.5686291.

A review of humanoid robots Abstract: In this article we present the most popular humanoid robots, highlighting their important

characteristics and comparing basic characteristics desirable taking into account the cognitive aspects of development of robotics. Among the achievable features of different solutions for humanoid systems available on the market – we distinguish mainly the degree of freedom, the kind of drive and the ability to express facial expressions, as well as the expression of emotions. Keywords: robots, humanoid features

prof. dr hab. inż. Zdzisław Kowalczuk

mgr inż. Michał Czubenko

Prof. zw. dr hab. inż. (2003, 1993, 1986, 1978). Od 1978 uczestniczy w życiu naukowym na Wydziale Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki PG, gdzie jest profesorem zwyczajnym w dziedzinie Automatyka i Robotyka oraz szefem (założonej w 2006 r.) Katedry Systemów Decyzyjnych i Robotyki. Składał wizyty naukowe i wykładał na Uniwersytecie w Oulu (1985), Australijskim Uniwersytecie Narodowym (1987), Politechnice w Darmstadt (1989) oraz na Uniwersytecie George’a Mansona (1990–1991). Zajmuje się sterowaniem adaptacyjnym, identyfikacją systemów, detekcją błędów i diagnostyką przemysłową, przetwarzaniem sygnałów, sztuczną inteligencją oraz inżynierią sterowania i informatyką. Jako autor i współautor wydał 16 książek (w tym WNT 2002, oraz Springer 2004 i 2014), opracował około 100 artykułów oraz ponad 250 referatów konferencyjnych i rozdziałów. Wyróżniony w 1990 i 2003 Nagrodami Ministra Edukacji Narodowej (MENIS) oraz w 1999 Nagrodą Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej w zakresie sterowania. Prezes POLSPAR i wiceprezes Towarzystwa Konsultantów Polskich, redaktor wydawnictwa PWNT.

W 2009 roku uzyskał tytuł magistra inżyniera w katedrze Systemów Decyzyjnych na Wydziale Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki z dziedziny Automatyka i Robotyka. Od tego też roku rozpoczął dalszą edukację w Katedrze Systemów Decyzyjnych i Robotyki, gdzie spełnia się jako nauczyciel akademicki, aktualnie kończąc przewód doktorski. W ramach działalności dydaktyczno-naukowej odbył praktykę w Kingston University of London oraz brał czynny udział w budowie Laboratorium Integracji Systemów Automatyki na Wydziale Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki. Interesuje się sztuczną inteligencją, robotyką, psychologią. W czasie wolnym chodzi po górach oraz żegluje.

kova@pg.gda.pl

m.czubenko@gmail.com

NR 4/2015

•

NR 4/ 20 1 5

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 19, Nr 4/2015, 43–53, DOI: 10.14313/PAR_218/43

Algorytmika wyznaczania względnej pozycji łazików marsjańskich Jan Kotlarz, Natalia Zalewska

Instytut Lotnictwa, al. Krakowska 110/114, 02-256 Warszawa

Streszczenie: W artykule przedstawiono rozwój metod nawigacyjnych w kolejnych misjach marsjańskich ZSRR, UE i USA oraz opisano najważniejsze algorytmy wyznaczania względnej pozycji na podstawie analizy zdjęć panchromatycznych rejestrowanych przez współczesne łaziki i zdjęć wykonanych przez satelity znajdujące się na orbicie Czerwonej Planety. Zaprezentowane wnioski mogą służyć jako wskazówki do wypracowania założeń i warunków przeprowadzenia eksperymentu użycia wybranych algorytmów na łaziku lub komputerze dowolnej platformy wielosensorowej. Słowa kluczowe: algorytmy teledetekcyjne, algorytmy precyzyjnego pozycjonowania, Mars, łazik, systemy autonomiczne, teleobecność, obsługa naziemna

1. Wprowadzenie Obecnie realizowane programy kosmiczne Europejskiej Agencji Kosmicznej zakładają obecność autonomicznych, mobilnych, wyposażonych w zaawansowane instrumenty naukowe łazików na powierzchni Księżyca i Marsa. Jedną z najważniejszych umiejętności w programach tego typu – poza stricte naukowymi zadaniami – jest precyzyjne wyznaczanie pozycji względem łazików na powierzchni Marsa czy Księżyca. W trakcie realizacji kolejnych misji tworzone były algorytmy określające położenie za pomocą analiz zdjęć wykonywanych przez umieszczone na robotach sensory. W efekcie tych prac okazało się, iż nie istnieje jeden algorytm zdolny precyzyjnie wyznaczać położenie w każdym typie terenu i dla każdego rodzaju warunków. W ośrodku ESTEC Europejskiej Agencji Kosmicznej rozważane są dwie dalsze ścieżki ewolucji tego typu algorytmiki. Pierwsza – opracowanie na podstawie dotychczasowych wyników jednego algorytmu możliwego do użycia w większości warunków marsjańskich lub druga – wypracowanie metodyki walidacji danych wynikowych algorytmów, być może wzajemnej.

2. Warunki pracy łazików marsjańskich Łaziki marsjańskie, te które już pracują na Marsie i te, które będą w przyszłości tam wysłane, muszą się zmierzyć z bardzo surowymi warunkami, jakie tam panują – skrajnymi temperaturami, burzami pyłowymi, zróżnicowanym podłożem skalnym itp. Kiedy popatrzymy na mapy Marsa, uderzy nas przede wszystkim różnica między dwiema półkulami: północną i południową. To, że obie półkule Marsa diametralnie się od siebie

Autor korespondujący: Jan Kotlarz, jan.kotlarz@ilot.edu.pl Artykuł recenzowany nadesłany 17.03.2015 r., przyjęty do druku 27.10.2015 r. Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

różnią, wyszło na jaw w latach 70. ubiegłego wieku, kiedy w okolice Czerwonej Planety dotarły sondy Viking. Zrobione przez nie zdjęcia wprawiły naukowców w zdumienie. Północną półkulę Marsa pokrywały rozległe, płaskie niziny, południową zaś – wyżyny o wysokości od 4 km do 8 km ponad poziom północnych nizin. Dychotomia planety jest różnie tłumaczona. Najbardziej popularną hipotezą jest uderzenie w Marsa kilka miliardów lat temu ogromnego obiektu wielkości Plutona, co miałoby stopić północną część skorupy, tworząc takie obszary jak Vastitas Borealis z równiną Utopia Planitia. Dodatkowo fala uderzeniowa, która okrążyła planetę, doprowadziła do powstania obserwowanych anomalii magnetycznych. Przypuszcza się, że w odległej przeszłości geologicznej planety obszary Vastitas Borealis pokrywał ocean, o czym świadczy dużo mniejsza liczba kraterów niż na półkuli południowej. Wyżej na północ rozciąga się płaskowyż Planum Boreum, na którym dostrzec można północny biegun planety z dwukilometrową czapą lodową zamrożonej wody i CO2. W pobliżu Planum Boreum znajduje się największe pole wydm na Marsie, nazwane Olympia Undae. Pola wydmowe są często dostrzegane wewnątrz kraterów meteorytowych. Dalej w obszar Vastitas Borealis wcinają się wulkaniczne wyżyny Tharsis i Elysium. W regionie Tharsis znajdują się olbrzymie wulkany tarczowe, największe w Układzie Słonecznym. W północno-zachodniej części Tharsis wznosi się najwyższy 26-kilometrowy wygasły wulkan, Olympus Mons. Na północnym skraju wyżyny zlokalizowany jest względnie niski, lecz mający niemal równie dużą powierzchnię inny wulkan Alba Mons. W pobliżu centralnej części usytuowane są wulkany Arsia Mons, Pavonis Mons i Ascraeus Mons, tworzące pasmo Tharsis Montes. Znalezienie wielkich kanałów na Marsie, dzięki sondom wysłanym już w latach siedemdziesiątych, nasunęło skojarzenia z ogromnymi rzekami przepływającymi przez te kanały. Przechodząc dalej na wschód od Tharsis zauważymy największą formację planety Valles Marineris. Jest to złożony system kanionów o długości ok. 5000 km, szerokości ok. 200 km i głębokość ok. 7 km, tłumaczony jako wielkie pęknięcie skorupy, czyli początek ryftu, w który następnie wkroczyła woda, tworząc systemy

Algorytmika wyznaczania względnej pozycji łazików marsjańskich

rzeczne kończące swój bieg m.in. w postaci delt w obszarze Chryse Planitia. Południowa półkula Marsa, jak wspomniano, jest usiana kraterami (np. Cimmeria Terra, Terra Meridiani). Mars przez miliardy lat, a szczególnie w okresie Wielkiego Bombardowania Meteorytowego, które miało miejsce około 3,8 do 4,1 miliarda lat temu, był poddawany ciągłym kolizjom z mniejszymi od siebie obiektami kosmicznymi; często na tyle dużymi, że tworzyły takie kratery jak Hellas i Argyre o średnicy kilku tysięcy kilometrów. Tak wiele typów powierzchni świadczy o burzliwej historii planety, która kryje w sobie jeszcze wiele tajemnic. Jednocześnie różnorodność ta okazała się być wyzwaniem dla algorytmiki przetwarzania obrazu pod kątem użyteczności w systemach nawigacyjnych.

Rys. 1. Tryb graficzny programu planowania trasy przejazdu łazika Sojourner w Rover Control Workstation Fig. 1. Graphic mode of the Rover Control Workstation user interface useful for Sojourner track planning

3. Typy systemów nawigacyjnych łazików marsjańskich

3.1. Rover Control Workstation

Zarówno łazik, jak i lądownik były wyposażone w kamery mogące wspierać funkcje nawigacyjne. Na łaziku do dyspozycji były dwie kamery monochromatyczne z przodu (768 px × 484 px), oraz jedna kolorowa (RGB) z tyłu. Poszczególne piksele na matrycy CCD kamery kolorowej były czułe na światło czerwone, zielone lub niebieskie, a precyzyjnie zdefiniowany układ tych pikseli został zdefiniowany w matrycach 4 px × 4 px [11]. Przyjęta metodyka poruszania się łazika po otaczającej lądownik powierzchni Ares Vallis była bardzo nowatorska. Sojourner poruszał się po powierzchni na podstawie komend tworzonych na Ziemi i przesyłanych do niego drogą radiową przez orbiter misji Mars Pathfinder. Sekwencja komend do wykonania przesyłana była raz dziennie. Powstawała ona w stworzonym przez Briana Coopera systemie Rover Control Workstation. Jego częścią było specjalistyczne oprogramowanie wizualizujące operatorom na Ziemi graficzny model terenu, aktualne położenie łazika oraz umożliwiające planowanie dalszych sekwencji ruchu (rys. 1). Oprogramowanie to wykorzystywało do symulacji i trójwymiarowej wizualizacji danych superkomputer z grafiką Silicon Graphics Onyx2. Wizualizacja modelu terenu i pozycji łazika mogła być zaprezentowana w formie stereoskopowej [18], tj. operator planujący trasę przejazdu zakładał specjalne okulary stereoskopowe, dzięki czemu widział obraz trójwymiarowy. Miał możliwość „poruszać się” po terenie, oceniać bezpieczeństwo łazika z różnych punktów w przestrzeni [7]. Inną funkcją oprogramowania była możliwość wirtualnego przesuwania łazika na zaplanowane miejsca. System obliczał na podstawie modelu terenu oraz pozycji startowej i końcowej trasę poruszania się łazika, wizualizował ją (czerwona linia biegnąca po podłożu – rys. 1), a na końcu po akceptacji operatora konstruował sekwencję poleceń dla systemów zainstalowanych na łaziku. Tę sekwencję można było już przesłać do wykonania na Marsa. W podejściu tym widzimy zdecydowane ograniczenie autonomizacji pracy robota. Właściwie wszelkie decyzje dotyczące pracy systemów odpowiedzialnych za ruch robota podejmowane były na Ziemi na podstawie zdjęć z łazika i lądownika. Ograniczeniem tego podejścia była konieczność pozostawania łazika w zasięgu kamer lądownika. Dzięki temu można było tworzyć numeryczny model terenu oraz oceniać pozycję robota za pomocą narzędzi stereoskopowych. Główna część tej pracy spoczywała jednak na operatorze na Ziemi. W efekcie na podstawie komend przesyłanych z Ziemi każdego dnia łazik przemieszczał się średnio o pół metra, operując w odległości 5–10 metrów od lądownika [23]. W 2,5 miesiąca przebył 52 metry, wykonał 15 analiz chemicznych i przesłał na Ziemię ponad pół tysiąca monochromatycznych i kolorowych zdjęć.

Do końca 2014 r. siedem razy podjęto próbę umieszczenia na powierzchni Marsa poruszającego się samodzielnie robota. Dwie pierwsze próby miały miejsce w 1971 r. Radzieckie misje Mars-2 oraz Mars-3 składały się z orbiterów oraz lądowników przypominających budową sondę Łuna 9. Lądowniki były wyposażone w kamery telewizyjne oraz spektrometry. Wewnątrz lądowników znajdowały się łaziki PrOP-M, które miały poruszać się w polu widzenia kamer lądownika oraz zatrzymywać się co 1,5 metra. W ten sposób obsługa naziemna misji miała oceniać poprawność wykonania manewru przemieszczenia się robotów. Oba łaziki nie mogły zostać przetestowane podczas poruszania się po Marsie. Misja Mars-2 zakończyła się rozbiciem lądownika, natomiast po lądowaniu w kraterze Ptoleameus sonda Mars-3 wykonała pierwsze zdjęcie powierzchni planety i rozpoczęła jego transmisję radiową, jednak po 14,5 sekundach łączność została utracona. Łaziki PrOP-M miały poruszać się połączone z lądownikiem przewodem komunikacyjnym za pomocą konstrukcji przypominającej szyny. Już w tych pierwszych misjach zdawano sobie sprawę, że w pełni manualne sterowanie łazikami będzie bardzo trudne ze względu na odległość Marsa od Ziemi (10−20 minut świetlnych). Łaziki wyposażono zatem w system sensorów, np. penetrometry, mające przekazywać informację o napotkanych przeszkodach (np. większych kamieniach) i w ten sposób zautonomizować po części poruszanie się łazików [19]. Amerykańską odpowiedzią na radziecki program Mars były lądowniki Viking-1 i Viking-2. Oba z sukcesem wylądowały na powierzchni planety w 1976 r. Należy jednak zauważyć, że Amerykanie skoncentrowali się na aspektach naukowych i technicznych, które nie wymagały mobilności lądowników. Program Viking zaowocował dużym doświadczeniem w transmisji danych na Ziemię (Viking-1 przesłał pierwsze w pełni ostre zdjęcie powierzchni Marsa) oraz metodach badania gleby. Również pierwszy europejski robot na Marsie był pozbawiony możliwości poruszania się. Będący częścią misji Mars Express (2003) lądownik Beagle 2 został utracony po lądowaniu. Pierwotnie podejrzewano, że lądownik rozbił się o powierzchnię planety, jednak w styczniu 2015 r. na zdjęciach marsjańskiej równiny Isindis Planitia (wykonanych przez należącą do NASA sondę Mars Reconnaissance Orbiter) odnaleziono zaginiony lądownik. Analiza zdjęć wykazała, że po wylądowaniu nie rozłożyły się zarówno panele fotowoltaiczne, jak i antena systemu łączności [25]. Kolejnym po Vikingach mobilnym robotem na Marsie był amerykański Sojourner. Wylądował na Marsie w 1997 r. Projekt zawieszenia sześciu kół robota był tworzony z myślą o jeździe po nierównym, kamienistym terenie.

•

NR 4/ 20 1 5

Jan Kotlarz, Natalia Zalewska

Rys. 2. Trasa przebyta przez łazik Spirit na Marsie [1] Fig. 2. Spirit rover traverse map

3.2. Hazard Aviodance Software

Niewątpliwie jedną z najefektywniejszych kosmicznych misji bezzałogowych była amerykańska misja dwóch łazików Spirit i Opportunity – Mars Exploration Rovers (2004−). Pierwotne założenie funkcjonowania na powierzchni Marsa dwóch bliźniaczych łazików przez 90 dni zostało wielokrotnie przekroczone. Spirit (MER-A) wylądował w kraterze Gusiew 4 stycznia 2004 r. Po powierzchni poruszał się za pomocą trzech par kół. Do 26 stycznia 2010 r robot pokonał dystans 7730,5 m. W tym dniu łazik został unieruchomiony ze względu na uwięzienie kół na niewielkim obszarze pokrytym luźnym piaskiem (miejsce to nazwano potem Troją). Po wielu próbach wydostania łazika z piasku NASA zdecydowała o przekształceniu go w stacjonarną platformę badawczą. Dnia 22 marca 2010 r. Spirit przesłał ostatnie dane. Opportunity (MER-B) wylądował w małym kraterze na pozbawionej skalistych form geologicznych równinie Meridiani Planum 21 stycznia 2004 r., 20 km od planowanego miejsca lądowania. Ze względu na duże ryzyko niebezpiecznego przechylenia się robota przez cały planowany okres misji (3 miesiące) łazik nie opuszczał krateru prowadząc badania geologiczne. Dopiero po tym czasie podjął próbę wydostania się na powierzchnię i wyruszył w kierunku innego krateru Endurance. Po 180 dniach marsjańskich badań tego obiektu, łazik wyruszył w kierunku dalszych kraterów, w tym krateru Victoria. Łazik funkcjonuje do dzisiaj. Podobnie jak w przypadku łazika Sojourner generalna kontrola nad projektowaną trasą i systemami napędowymi łazików odbywała się w ośrodku na Ziemi, jednak podobnie jak w misjach radzieckich robotów PrOP-M łaziki MER wyposażono w sensory mogące rozpoznawać zagrożenia związane z przejazdem po niewielkim kamieniu, przejazdem po małym zagłębieniu itp. Z sensorami proprioceptycznymi (np. akcelerometrami) zintegrowano oprogramowanie komputera łazika przetwarzające dane. System ten pozwalał na bezpieczne pokonywanie lub omijanie przeszkód typu geometrycznego. Nie był jednak odporny na zagrożenia pozostałych typów, np. niewystarczającej wytrzymałości terenu. Przy projektowaniu misji konieczne było zatem stworzenie autonomicznego systemu nawigacji pozwalającego swobodnie poruszać się z prędkością 600–1000 m w ciągu pla-

Rys. 3. Trasa przebyta przez łazik Opportunity na Marsie [2] Fig. 3. Opportunity rover traverse map

nowanego czasu misji (ok. 0,5 m/h) między zadanymi z Ziemi dowolnymi punktami na powierzchni planety. W tym celu powstał dość zaawansowany system nawigacji autonomicznej danych o położeniu.

3.3. Terrain Assessment

Pierwszą technologią dostarczającą informacji niezbędnych do analiz był algorytm budowy numerycznego modelu terenu wokół łazika na podstawie zdjęć. Technologia ta korzystała z metod pasywnych stereofotogrametrii. Automatyczne łączenie odpowiadających sobie na dwóch zdjęciach punktów powodowało wygenerowanie chmury punktów w przestrzeni 3D modelu matematycznego terenu. Na podstawie tych punktów algorytm wykonywał triangulację. W testach oprogramowania łazików wykorzystano wiele z algorytmów stereofotogrametrycznych, przez wiele lat rozwijanych przez JPL NASA, szczególnie algorytmy Forsyth & Ponce 2003 [12], Urbie [17], PreceptOR [22]. Już w trakcie prawdziwej misji na Marsie potwierdzono, że tego typu algorytmika jest niezwykle atrakcyjna dla autonomicznych misji kosmicznych ze względu na stosunkowo niski pobór mocy i brak konieczności używania manipulatorów lub obracających się części.

Algorytmika wyznaczania względnej pozycji łazików marsjańskich

Rys. 4. Po lewej: analiza bezpieczeństwa przejazdu po punktach mapy wykonana przez algorytm GESTALT, po prawej: analiza bezpieczeństwa poszczególnych możliwych torów ruchu (za: Maimone 2010) Fig. 4. Left: Safety analysis of the selected points calculated by GESTALT algorithm; right: safety analysis of the selected tracks

Rys. 5. Łazik Spirit automatycznie omija zbyt duże kamenie – fotografia tylnej kamery pokazuje ślady kół łazika (Sol 107) Fig. 5. Spirit rover automatically bypasses too large rocks – rear view camera shows the rover’s track (sol 107)

Stosowane w łaziku Sojourner pierwsze algorytmy tego typu potrafiły tworzyć na podstawie jednej pary zdjęć model terenu złożony z maksymalnie 20 punktów w przestrzeni 3D. Na przykładzie łazików MER widzimy tutaj znaczny postęp w stosowaniu algorytmiki stereometrycznej. Opportunity tworzył siatki 49 000 punktów z jednej pary zdjęć wykonanych kamerami NavCam, natomiast Spirit tworzył na podstawie zdjęć wykonanych kamerami Hazcam 15 000 punktów. Duże znaczenie w tak wielkiej różnicy efektywności systemu tworzenia modelu terenu ma także szybkość procesorów na których wykonywano obliczenia: 0,1 MHz na Sojourner oraz 20 MHz na łazikach MER. Samo wytworzenie numerycznego modelu okalającego łazik terenu nie dawało jeszcze wystarczającej informacji dla wyboru bezpiecznej drogi. W interpretacji modelu wykorzystano algorytm GESTALT [3], zaproponowany pierwotnie dla prototypu robota JPL Athena Rover [4]. Algorytm GESTALT generował w pamięci komputera łazika (na podstawie modelu terenu) wyśrodkowaną w punkcie, gdzie znajdował się łazik mapę o rozdzielczości 20 cm (~średnica koła łazika). Każdemu punktowi mapy przyporządkowana była wielkość opisująca bezpieczeń-

•

stwo poruszania się łazika po tym punkcie. Z każdą wykonaną parą zdjęć zarówno model terenu, jak i w efekcie mapa reprezentująca bezpieczeństwo jazdy po tym terenie była aktualizowana [15].

3.4. Path Selection

Ponieważ komendy przesyłane z Ziemi zawierały zazwyczaj informację jedynie o kolejnym celu, oprogramowanie robota samo musiało wybrać optymalną ścieżkę. Służyła do tego odrębna technologia wykorzystująca analizy pochodzące z algorytmu GESTALT i numerycznego modelu terenu. W pierwszym kroku wyznaczano pewien dopuszczalny błąd określający, w jakiej odległości od wyznaczonego celu może znaleźć się łazik. W drugim kroku algorytm analizował wszystkie możliwe ścieżki od aktualnej pozycji łazika do celu, poddając je ocenie na podstawie mapy bezpieczeństwa pochodzącej z algorytmu GESTALT. Potencjalne ścieżki były dzielone na mniejsze części i potem ewentualnie „składane” w jedną drogę do celu. Te potencjalne ścieżki były porównywane ze względu na ich sumaryczne bezpieczeństwo.

•

NR 4/ 20 1 5

Jan Kotlarz, Natalia Zalewska

Należy zauważyć, że zarówno Spirit, jak i Opportunity do generowania potencjalnych ścieżek używały zarówno przednich, jak i tylnych kamer. Dzięki obecności kamer z obu stron istniała możliwość walidacji działania algorytmiki.

3.5. Pose update

Najprostszą i najczęściej używaną metodą detekcji zmiany położenia łazika jest analiza obrotu kół. Jest ona w miarę niezawodna na łagodnym, pozbawionym wystających elementów terenie. W przypadku łazików MER zastosowanie tego typu odometrii bez jakiejkolwiek korekty nie było optymalne. W efekcie na potrzeby programu powstał algorytm VisOdom [6], którego jedynym zadaniem była korekcja pozycji obliczonej na podstawie analizy obrotu kół za pomocą zdjęć stereometrycznych wykonanych przez łazik (tych samych, które służyły do tworzenia numerycznego modelu terenu). Należy zauważyć, że zadanie to nie było łatwe. Pozycja łazika oznaczana była w sześciowymiarowej przestrzeni metrycznej: trzy pierwsze wymiary to położenie (x, y, z), trzy ostatnie to obrót łazika (kąty pitch, roll, yaw).

3.6. Curiosity Autonomous Navigation

Zastosowany w łazikach MER system autonomicznej nawigacji okazał się na tyle dobry, że użyto go także w najnowszym marsjańskim łaziku Curiosity wysłanym przez NASA na Czerwoną Planetę w ramach programu Mars Science Laboratory. Trzy opisane powyżej typy algorytmów zostały zaadoptowane do zupełnie nowych rozwiązań sprzętowych łazika. Tym razem do dyspozycji analiz stereofotogrametrycznych mamy cały zestaw kamer nawigacyjnych. Na maszcie łazika znajduje się siedem kamer: teleskopowa kamera Makro, cztery czarno-białe kamery nawigacyjne (Navcam) (dwie z lewej, dwie z prawej strony masztu) i dwie kolorowe kamery masztowe z matrycami o wielkości 2 MPx. Na podwoziu łazika jest zamontowanych osiem kamer dostarczających czarno-biały obraz o niskiej rozdzielczości, szczególnie zabezpieczonych przed uderzeniami odłamkami skał (HazCams), z matrycami o wielkości 1 MPx. Z przodu łazika znajdują się dwie lewe kamery i dwie prawe, podobnie z tyłu. Kamery Hazcams posiadają szerokokątne obiektywy typu rybie oko. Osiem kamer Hazcams i cztery kamery nawigacyjne Navcams wchodzą w skład zestawu 12 kamer technicznych będących źródłem przestrzennego obrazu tworzącego stereoskopowe oczy robota Curiosity. Analizom stereometrycznym i nawigacyjnym dedykowany jest jeden z dwóch 200 MHz komputerów pokładowych. Przegląd zastosowanych w praktyce metod określania pozycji łazików na Marsie wskazuje, że także w przyszłych misjach decydujące znaczenie będzie mieć system nawigacji oparty z jednej strony o detektory ruchu (akcelerometry) i odometrię, a z drugiej strony o analizy stereofotometryczne modelujące teren, walidujące dane ze standardowych pomiarów oraz generujące swoje własne, niezależne analizy położenia łazika. W następnym rozdziale przedstawimy najważniejsze z algorytmów tego typu.

integracji dotychczasowych algorytmów z szerszym wykorzystaniem danych satelitarnych i pozyskiwanych podczas lądowania wypracowany przez grecko – holenderski zespół w składzie: E. Boukas, A. Gasteratos (University of Tharce) i G. Visentin (ESTEC, ESA). Metoda polega na projekcji na podkład mapowy dwóch zbiorów danych: − zbiór pierwszy powstaje przez analizę zdjęć wykonanych przez łaziki − na podkład nanoszony jest pewien graf łączący charakterystyczne miejsca – elementy krajobrazu; − zbiór drugi powstaje przez przetworzenie zdjęć satelitarnych. W wyniku projekcji powstają dwa grafy umieszczone na podkładzie mapowym. Przez badanie zgodności topologii grafów walidowana jest analiza wykonanej przez algorytmikę łazika analiz zdjęć oraz nanoszone są na te analizy pewne poprawki. W analizach zdjęć tego zespołu implementowane są trzy techniki: „descent imagery”, analiza wyglądu widnokręgu oraz analiza obecności tych samych elementów na zdjęciach łazików i satelitarnych.

4.1. Descent Imagery

Technika ta została zaproponowana w pracy L. Matthiesa w 1997 r. [16]. Głównym źródłem informacji o terenie wokół łazika są zdjęcia pochodzące z lądownika, a wykonane w czasie opadania łazika na powierzchnię Marsa. Warto zaznaczyć, że w przypadku łazika Curiosity na module lądownika zamontowano specjalną kamerę MARDI, która w trakcie lądowania zapisywała film z częstotliwością 4 klatek na sekundę o rozdzielczości 1200 px × 1600 px z czasem ekspozycji 4 ms na karcie pamięci typu flash. Na podstawie kolejnych obrazów

4. Wspomaganie analizy położenia za pomocą zdjęć satelitarnych Wypracowana w dotychczasowych misjach, szczególnie podczas pracy łazików Sojourner, MER oraz Curiosity metodyka wydaje się być niezwykle precyzyjna. Obecnie prace prowadzone w ośrodku ESTEC Europejskiej Agencji Kosmicznej polegają przede wszystkim na rozwinięciu jej w oparciu o dane satelitarne. Obecnie powierzchnię Marsa fotografują dwie sondy: Mars Reconnaissance Orbiter (NASA) oraz Mars Express (ESA). Poniżej przedstawiamy podejście do problemu

Rys. 6. Kolorowe kamery masztowe o obiektywach 34 mm i 100 mm umieszczone na łaziku Curiosity Fig. 6. Curiosity rover MastCam system: two color cameras, 34 mm and 100 mm lenses

Algorytmika wyznaczania względnej pozycji łazików marsjańskich

Rys. 7. Mars Descent Imager, 2012-08-06 05:15:28 UTC (widoczna kapsuła zawierająca łazik) Fig. 7. Mars Descent Imager, 2012-08-06 05:15:28 UTC (capsule with rover inside visible)

Rys. 8. Mars Descent Imager, 2012-08-06 05:15:29 UTC (widoczna kapsuła zawierająca łazik) Fig. 8. Mars Descent Imager, 2012-08-06 05:15:29 UTC (capsule with rover inside visible)

Rys. 9. Mars Descent Imager, 2012-08-06 05:15:36 UTC (widoczna kapsuła zawierająca łazik) Fig. 9. Mars Descent Imager, 2012-08-06 05:15:36 UTC (capsule with rover inside visible)

Rys. 10. Mars Descent Imager, 2012-08-06 05:17:29 UTC Fig. 10. Mars Descent Imager, 2012-08-06 05:17:29 UTC

Rys. 11. Mars Descent Imager, 2012-08-06 05:17:53 UTC Fig. 11. Mars Descent Imager, 2012-08-06 05:17:53 UTC

Rys. 12. Mars Descent Imager, 2012-08-06 05:21:48 UTC (po wylądowaniu) Fig. 12. Mars Descent Imager, 2012-08-06 05:21:48 UTC (after landing)

•

NR 4/ 20 1 5

Jan Kotlarz, Natalia Zalewska

można zdefiniować faktyczną pozycję łazika Curiosity po wylądowaniu (rys. 7−12). Po wylądowaniu na powierzchni planety kamera zarejestrowała zdjęcia gruntu pod nią z rozdzielczością 1,5 mm na piksel. Na podstawie kolejnych zdjęć z kamer tego typu wykonywana jest mapa DEM (Digital Elevation Map). W pracy Matthiesa można znaleźć teoretyczny dowód na poprawność generowania DEM za pomocą kolejnych zdjęć opadającej kamery. Każde ze zdjęć, w przeciwieństwie do obrazowania satelitarnego, różni się skalą. Autorzy przedstawiają metodykę, zgodnie z którą w sposób automatyczny na kolejnych zdjęciach identyfikowane są te same elementy krajobrazu. Model DEM tworzony jest na podstawie różnic we względnym położeniu na kolejnych zdjęciach elementów znajdujących się na różnej wysokości. W metodyce tej przedstawione są także podejścia do zagadnienia lokalizacji na zdjęciach samego łazika, m.in.: − porównanie modeli 3D terenu wykonanych na podstawie zdjęć wykonanych z kamer typu MARDI oraz zdjęć satelitarnych, − identyfikacja tych samych elementów na zdjęciach z łazika po wylądowaniu oraz na zdjęciach wykonanych w trakcie opadania na powierzchnię.

starcie procesu fotografowania na wysokości 5000 m teoretyczna rozdzielczość zdjęcia dla kamery MARDI wynosi

gdzie D oznacza szerokość (wysokość) zdjęcia w pikselach, a szerokość kątową patrzenia kamery, h oznacza odległość kamery od powierzchni. Zauważmy, że h jest różne dla poszczególnych pikseli na zdjęciu (rys. 13).

4.2. Konstrukcja DEM

Matematyczny model konstrukcji DEM na podstawie zdjęć wykonanych podczas opadania można znaleźć w pracy F. Xu z 2001 r. [24]. Zakładając, że rejestrację obrazu rozpoczynamy na wysokości ~5000 m konstrukcja ostatecznego DEM składa się z trzech kroków: − początkowe generowanie DEM co 1 m wysokości, − udoskonalenie optymalnej różnicy wysokości w kolejnych iteracjach generowanie DEM, − generowanie hierarchicznego co do rozdzielczości DEM. Do każdych dwóch kolejnych zdjęć przypisywana jest transformacja afiniczna o sześciu parametrach. W ten sposób poszczególne klatki mogą być na siebie „nałożone”, odwzorowując teren z coraz większą rozdzielczością. Jest to metodyka powszechnie przyjęta przy analizie obrazu tego samego terenu, używając zdjęć o różnej rozdzielczości. W 2014 r. analogiczną transformację aplikowano chociażby w oprogramowaniu stworzonym w 2013 r. w Instytucie Lotnictwa [10] wybranym do porównywania zdjęć lotniczych (pułap ~0,6 km) i satelitarnych (~200 km) tych samych obszarów leśnych. Można tu zauważyć pewną analogię, szczególnie co do zdjęć wykonywanych nad Ziemią bardzo lekkimi, podatnymi na podmuchy wiatru samolotami typu UAV. Zarówno podczas lotów UAV, jak i podczas opadania lądowników z użyciem spadochronów występują dość duże wahania (zmienność kątów pitch, roll i yaw). Warunki te utrudniają nakładanie na siebie zdjęć, natomiast obliczenie transformacji afinicznej między kolejnymi zdjęciami może posłużyć chociażby jako informacja, iż niektóre z obiektów na zdjęciu pierwszym mogą już nie występować na zdjęciu drugim.

4.3. Oznaczanie pozycji łazika na DEM

Podczas konstrukcji DEM na podstawie zdjęć z opadania ważna jest szybka identyfikacja tych samych obiektów na kolejnych klatkach. Liczba (gęstość) tych obiektów definiuje rozdzielczość DEM. Efektywna, uzyskiwana w testach rozdzielczość wynosi 1–0,1 m. Najwyższa rozdzielczość opisuje miejsce lądowania lądownika. Wyznaczanie pozycji lądującego łazika odbywa się na każdym kroku (przy każdej fotografii). W 2000 r. w pracy [14] znalazł się matematyczny dowód na maksymalny błąd tej metody określenia położenia do 0,1% na każde 500 m wysokości. Ograniczeniem metody oznaczania pozycji łazika na DEM jest pokrycie DEM stosunkowo niewielkiego terenu i względnie niską rozdzielczością zdjęć wykonywanych przez kamery typu MARDI. Przy

Rys. 13. Rozdzielczość zdjęcia nie jest jednakowa dla wszystkich jego punktów Fig. 13. The image resolution is not the same for all of its points

Dla kamery MARDI i wysokości 5000 m rozdzielczość zdjęcia waha się zatem od d = 6,15 m/piksel na środku zdjęcia do niecałych d = 9,00 m/piksel w jego rogach. Wielkości te są poprawne przy założeniu, że kamera patrzy prostopadle do płaszczyzny terenu. Im większe przekrzywienie kamery, tym bardziej rozdzielczość maleje. Rozwiązaniem tego problemu może być zastosowanie modeli terenu wykonywanych na podstawie zdjęć satelitarnych. Mając jednak na uwadze to, że rozdzielczość tych zdjęć obecnie waha się od kilku do 0,30 m/piksel, modele te mogą być niewystarczające do wykorzystania przy poruszaniu się łazików. Kolejnym problemem jest umiejscowienie wytworzonej DEM w globalnym systemie lokalizacji. Zaproponowana metodyka nie daje tutaj odpowiedzi, jak przekształcić lokalnie zdefiniowane współrzędne do globalnego systemu. Następnym problemem jest konieczność wyboru punktów charakterystycznych na zdjęciach wykonywanych w trakcie lądowania przez operatora na Ziemi. Ze względu na częsty brak bardzo charakterystycznych punktów i dynamiczną zmienność obrazu podczas opadania znaczniki terenowe muszą być wybierane przez człowieka, choć nawet w tym trybie jest to często niezwykle trudne i pogarsza precyzję wyznaczania położenia nawet o 300% [5].

4.4. Skyline matching – VIPER

Technika oparta na analizie linii widnokręgu nie jest generalnie stosowana do wyznaczania pozycji łazika, lecz do walidacji wcześniej określonej pozycji przy użyciu dostępnych modeli terenu. Podejście to jest rozszerzeniem metodyki wyznaczania pozycji na podstawie położenia Słońca, która w implementacjach dotyczących łazików marsjańskich dawała precyzję 20 km [8]. Obecnie w wielu publikacjach [20] nadal używa się

Algorytmika wyznaczania względnej pozycji łazików marsjańskich

Rys. 14. Detekcja charakterystycznych punktów widnokręgu (grupa Cozman/Korotkov). 1 – panorama wykonana podczas misji Apollo-17; 2, 3 – testowe zdjęcia (Kalifornia); 4, 5 – zdjęcia prof. Wiliama Thompsona jako materiał testowy do detekcji dalekich lub niewielkich szczytów górskich; 6–8 zdjęcia z Pitsburga – algorytm poprawnie wykrył szczyty wzniesień, z wyjątkiem najwyższej góry na zdjęciu 6 (błąd wywołany obecnością słupa po lewej stronie zdjęcia w pobliżu szczytu) [www.cs.cmu.edu/~viper] Fig. 14. Peak detection results from a wide variety of scenes (Cozman/Korolkov group). 1 – the panorama composes a sequence of images taken by the Apollo 17 Lander Module; 2, 3 – panoramas from California; 4, 5 – panoramas acquired by prof. William Thompson and his group for very small sequences of mountains that are quite distant detection; 6−8 – panoramas obtained in Pittsburgh. All distinct mountains are detected, except the biggest mountain in picture 6 [www.cs.cmu.edu/~viper]

•

NR 4/ 20 1 5

Jan Kotlarz, Natalia Zalewska

położenia Słońca, by ustalić pierwotną orientację kamer łazika po wylądowaniu. Najbardziej zaawansowaną metodykę wykorzystywania linii widnokręgu opracowały dwa zespoły: Stein/Medioni [20] oraz Cozman/Korotkov [9] znaną pod nazwą Visual Position Estimation for Rovers (VIPER). Metodyka ta dzieli się na poniższe elementy: − algorytm detekcji linii widnokręgu na zdjęciu łazika, − algorytm generujący linię widnokręgu wykorzystując DEM oraz postulowaną pozycję łazika, − algorytm definiujący charakterystyczne elementy linii widnokręgu (opcjonalnie), − estymacja poprawek do zakładanej pozycji łazika z użyciem porównania linii widnokręgu generowanego przez DEM oraz zarejestrowanego przez kamerę łazika. Teoretycznie podejście to umożliwia obliczenie teoretycznego widnokręgu i jego punktów charakterystycznych dla każdego punktu w rozpatrywanym terenie, jednak jeśli do budowy DEM użyjemy jedynie zdjęć wykonanych w trakcie lądowania, to do generowania modelu widnokręgu będziemy mogli użyć danych z bardzie niewielkiego obszaru (dla kamery MARDI będzie to powierzchnia około 10 km × 10 km). Tymczasem jako elementy widnokręgu mogą pojawić się wzgórza lub ściany kraterów widoczne w dalszej odległości, zatem wydaje się tu istotne, aby do budowy DEM użyć również DTM opartych na danych satelitarnych nawet jeśli będą one w niskiej rozdzielczości. Należy przypomnieć, że pierwsze zdjęcia krateru Endeavour wykonane przez kamery łazika Opportunity zostały wykonane ponad 20 km od jego północnej obręczy. Gdybyśmy do konstruowania widnokręgu używali danych z promienia 10 km, widnokrąg w tym miejscu musiałby być gładki, tymczasem na rzeczywistym zdjęciu widzimy wyraźnie obręcz krateru.

5. Metodyka lokalizacji globalnej z użyciem zdjęć satelitarnych

oprogramowania typu GIS, jednak proces identyfikacji miejsca wykonania zdjęcia musiał być przeprowadzany ręcznie przez człowieka.

5.1. Algorytm spasowania modeli terenu

W 2013 r. zespół pod kierunkiem B. Van Phama opracował obiecujący algorytm pozwalający w efektywny sposób spasować dwa modele terenu wykonane z poziomów satelitarnego/UAV oraz kamer łazika [21]. W pierwszym kroku komputer tworzy Digital Elevation Model (DEM) na podstawie zdjęć z dwóch kamer umieszczonych na łaziku. Następnie DEM wytworzony na podstawie zdjęć lotniczych lub satelitarnych oraz wytworzony przez łazik lokalny DEM konwertowane są do jednorodnej siatki o zadanej rozdzielczości bliskiej, rozdzielczości satelitarnej/lotniczej. Algorytm został przetestowany na piaszczystym terenie z użyciem DEM wytworzonych na podstawie zdjęć lotniczych. W eksperymencie wyznaczono również punkty georeferencyjne i umieszczono tam znaczniki terenowe. W wyniku testu uzyskano następujące rezultaty: − maksymalny promień względnego początkowego przesunięcia obu modeli DEM względem siebie, dla którego uzyskano zbieżność czyli spasowano je ze sobą, wyniósł 58–78 m, − dokładność wyznaczenia pozycji na podstawie spasowanych modeli DEM wyniosła ok. 1 m, co jest wielkością siatki DEM lotniczego. Dwa główne problemy wydają się uniemożliwiać stosowanie tego algorytmu w odniesieniu do łazików marsjańskich. Po pierwsze, początkowa niepewność położenia łazika może sięgać dziesiątek kilometrów, co uniemożliwi osiągnięcie krytycznego punktu zbieżności obu modeli DEM. Po drugie, dla bardzo dużych DEM konieczność sprawdzania kolejnych prawdopodobnych położeń łazika z rozdzielczością DEM może być niewykonalne od strony obliczeniowej na komputerach umieszczanych na robotach.

Począwszy od łazików MER podjęto próby umiejscowienia łazików w kontekście globalnej lokalizacji przy użyciu zdjęć satelitarnych [13]. Całość prac wykonywano na Ziemi w postprocessingu zdjęć łazika przesłanych drogą radiową. Zajmowało się tym Laboratorium GIS na Uniwersytecie Stanowym w Ohio. Zespół laboratorium używał oprogramowania typu GIS do wizualnego umieszczania zdjęć wykonanych przez łaziki w wytworzonych za pomocą danych satelitarnych dla fragmentów powierzchni Marsa systemach informacji przestrzennej. 90% prac polegających na selekcji punktów wiążących na parach zdjęć wykonywanych było automatycznie za pomocą

6. Wnioski

Rys. 15. Obręcz krateru Endeavour (zaznaczona strzałką). Zdjęcie wykonane przez łazik Opportunity, fot. JPL NASA Fig. 15. Endeavour crater rim. Image taken by the Opportunity rover, JPL NASA

Rys. 16. Ral Space’s Rimmel robot służący do testów algorytmu Van Pham, fot. Stanford University Fig. 16. Ral Space’s Rimmel robot for Van Pham algorithm validation, Stanford University

Kolejne misje łazików marsjańskich kładły coraz większy nacisk na wykorzystanie zdjęć stereofotogrametrycznych wykonywanych przez same łaziki do określania ich położenia i orientacji przestrzennej. Analizy wykonywane na coraz mocniejszych komputerach robotów początkowo służyły przede wszystkim do bezpiecznego omijania przeszkód i miejsc niebezpiecznych pod względem ukształtowania powierzchni. W dalszej kolejności z sukcesem podjęto próbę wypracowania metodyki lokalizującej łazik na lokalnej mapie elewacji terenu. W chwili obecnej

Algorytmika wyznaczania względnej pozycji łazików marsjańskich

trwają próby wypracowania metodyki lokalizacji łazików na mapie globalnej. Ograniczeniami proponowanych algorytmów są zarówno niezbyt wielkie moce obliczeniowe komputerów, jak również zakładany brak modeli terenu, na którym ląduje łazik, ewentualnie zakłada się dostępny model terenu, lecz o rozdzielczości niższej niż zakładana precyzja poruszania się łazika. Głównym zadaniem jest dziś wypracowanie metodyki korelacji danych geometrycznych pozyskanych kamer łazika z danymi satelitarnymi, ewentualnie z danymi pozyskanymi podczas procesu lądowania. Należy zwrócić uwagę na niezwykle małą liczbę testów tego typu algorytmów z użyciem samolotów lub UAV. Implementacja danych pozyskanych ze zdjęć lotniczych w środowisku typu GIS może pozwolić wykryć potencjalne błędy w tworzeniu algorytmiki i oprogramowania implementowanych na komputerach łazików. W tym celu należałoby przeprowadzić loty fotogrametryczne z kamerą niemetryczną na zróżnicowanym pułapie. Pozyskany materiał mógłby służyć jako materiał doświadczalny zarówno dla algorytmów opartych na analizie zdjęć o różnej rozdzielczości, algorytmów analizujących DEM terenu, jak również algorytmów analizujących linię widnokręgu. Obszarem poza współczesnymi badaniami tego typu algorytmów jest wykorzystanie zdjęć wielospektralnych. Obecnie algorytmy operują na zdjęciach panchromatycznych. Poprzez to nie jest możliwy odczyt z analiz typ materiałów, które są widoczne na zdjęciach. Rezultatem jest zatem konieczność poszukiwania na zdjęciach wykonanych przez łaziki jedynie kształtów podobnych do tych zobrazowanych przez satelity lub podczas opadania na powierzchnię. Zarówno kratery, jak i łagodne wzgórza o ustalonej pozycji na mapach mogące być punktem odniesienia dla łazika wyglądają jednak na zdjęciach satelitarnych zupełnie inaczej niż z punktu widzenia kamer łazików umieszczonych co najwyżej 1,5 m nad powierzchnią planety. Rozwiązaniem mogłoby tu być zastosowanie punktów odniesienia o wiele mniejszych, mieszczących się na jednym zdjęciu wykonanym przez łazik. Niestety, obiekty te zazwyczaj nie są lub są słabo widoczne na zdjęciach satelitarnych Marsa. Zastąpienie metody polegającej obecnie na odszukiwaniu kształtów metodą porównującą typ terenu/obiektu (np. bazaltowy głaz na piaszczystym terenie) wydaje się zatem słusznym podejściem, wymaga ono jednak opracowania algorytmu możliwego do zastosowania na komputerze łazika.

Podziękowania

17.

6. 7. 8.

10. 11. 12. 13.

14.

15. 16.

Publikacja powstała dzięki współpracy z ośrodkiem ESTEC Europejskiej Agencji Kosmicznej, szczególnie z kierowanym przez dr. Giefranco Visentin Planetary Robotics Laboratory. Za pomoc dotyczącą tematyki GIS podziękowania składamy panu mgr. inż. Karolowi Rotchimmelowi z Zakładu Teledetekcji Instytutu Lotnictwa.

18.

Bibliografia 1. 2. 3.

19.

Beeson N., SpiritTraverseMap, [http://marsrover.nasa. gov/mission/tm-spirit/images/MERA_A1506_2.jpg] Beeson N., OpportunityTraverseMap, [http://marsrover.nasa.gov/mission/tm-opportunity/images/MERB_ Sol2055_1.jpg] Biesiadecki J.J., Maimone M.W., The Mars Exploration Rover surface mobility flight software: Driving ambition, “Proc. 2006 IEEE Aerospace Conference”, DOI: 10.1109/ AERO.2006.1655723. Biesiadecki J.J., Maimone M.W., Morrison J., The Athena SDM rover: A testbed for Mars rover mobility, “Proc. International Symposium on Artificial Intelligence”, Montreal, Canada, 2001.

•

20. 21.

22.

Boukas E., Gasteratos A., Visentin G., Localization of planetary exploration rovers with orbital imaging: a survey of approaches, “Robotics and Automation Workshop: on Modelling, Estimation, Perception and Control of All Terrain Mobile Robots” (ICRA Workshop), 2014. Cheng Y., Maimone M.W., Matthies L., Visual odometry on the Mars exploration rovers, “Proc. IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics”, 2005. Cooper B., Driving on the surface of Mars using the Rover Control Workstation, SpaceOps Conference International Conference on Space Operations, 1998. Cozman F., Krotkov E., Robot localization using a computer vision sextant, IEEE International Conference on Robotics and Automation, 1995, 106–111, DOI: 10.1109/ ROBOT.1995.525271. Cozman F., Krotkov E., Guestrin C., Outdoor visual position estimation for planetary rovers, “Autonomous Robots”, vol. 9, 2/2000, 135–150, DOI: 10.1023/A:1008966317408. Czapski P., Kotlarz J., Kubiak K., Tkaczyk M., Analiza czynnikowa zdjęć wielospektralnych, „Prace Instytutu Lotnictwa”, 1/2014, 143–150. D’Luna L.J., Frosini D.A., VLSI Digital Signal Processing Chipset for Color Image Sensors, Electronic Imaging, 1992. Forsyth D.A., Ponce J., Computer Vision: A modern approach, Prentice Hall, 2003. Li R., Squyres S.W., Arvidson R.E., Archinal B.A., et al Initial results of rover localization and topographic mapping for the 2003 mars exploration rover mission, “Photogrammetric engineering and remote sensing”, Vol. 71, No. 10, 2005, 1129−1142. Li R., Ma F., Xu F., Matthies L., Olson C., Xiong Y., Large scale mars mapping and rover localization using escent and rover imagery, “International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing”, Vol. 33, part B4, 2000, 579–586. Maimone M. et al., Intelligence for Space Robotics, 51−52. Matthies L., Olson C., Tharp G., Laubach S., Visual localization methods for mars rovers using lander, rover, and descent imagery, International Symposium on Artificial Intelligence, Robotics, and Automation in Space (i-SAIRAS), Tokio, Japonia, 1997, 413–418. Matthies L., Gat E., Harrison R., Wilcox B., Volpe R., Litwin T., Mars microrover navigation: Performance evaluation and enhancement, “Autonomous Robots”, Vol. 2, 4/1995, 291−312, DOI: 10.1007/BF00710796. Mishkin A.H., Morrison J.C., Nguyen T.T., Stone H.W., Cooper B.K., Wilcox B.H., Experiences with operations and autonomy of the Mars Pathfinder Microrover, „Proc. 1998 IEEE Aerospace Conference”, 337−351, DOI: 10.1109/AERO.1998.687920. Perminov V.G., The Diffcult Road to Mars – A Brief History of Mars Exploration in the Soviet Union, CreateSpace Independent Publishing Platform, 1999, 34–60. Stein F., Medioni G., Map-based localization using the panoramic horizon, IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 11, 6/1995, 892–896. Van Pham B., Maligo A., Lacroix S., Absolute map-based localization for a planetary rover, 12th Sympusium on Advanced Space Technologies and Automation in Robotics, May 2013, Noordwijk, Netherlands, 1−8. Volpe R., Navigation results from desert field tests of the Rocky 7 Mars rover prototype, “International Journal of Robotic Research”, Vol. 18, No. 7/1999, 669−683, DOI: 10.1177/02783649922066493.

•

NR 4/ 20 1 5

Jan Kotlarz, Natalia Zalewska

23. Wilford J.N. (ed.), Cosmic Dispatches: The New York Times Reports on Astronomy and Cosmology, W.W. Norton & Company, 2002, 44−58. 24. Xu F., Ma F., Li R., Matthies L., Olson C., Automatic generation of a hierarchical DEM for Mars rover navigation, Proceedings of the 3rd Mobile Mapping Conference, Kair, Egipt 2001.

25. ‘Lost’ 2003 Mars Lander Found by Mars Reconnaissance Orbiter, [www.nasa.gov/jpl/lost-2003-mars-lander-foundby-mars-reconnaissance-orbiter/#.VPAxifmG9tg].

Mars Rovers Localisation Algorithms Abstract: The current European Space Agency space programs assume the use of autonomous, mobile, equipped with advanced scientific instruments rovers on the Moon and Mars surfaces. Precise determination of position and orientation is one of the most important skills in such programs. During succesive missions a number of image-processing algorithms for determining rover position were developed. The results showed that the algorithm able to determine precisely position in any type of a terrain and for any kind of conditions does not exist. Scientists and engineers from ESA’s ESTEC are have been carrying out works on two different directions of algorithms development. First: algorithm that will be applicable to most of conditions on Mars, second: development of previous algorithms results validation methods (cross-validation, perhaps). In this paper we present navigation techniques in past Russian, European and US missions to the Mars and the most important imageprocessing algorithms for determining rover position. Our conclusions can be used as a guide for assumptions and conditions of the autonomous navigation experiment design. Keywords: remote sensing algorithms, global positioning algorithms, Mars, rovers, autonomy, commanding, ground operations, telepresence

Jan Kotlarz

dr Natalia Zalewska

Studiuje astronomię na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Od 2012 roku. pracuje w Zakładzie Teledetekcji Instytutu Lotnictwa. W 2009 r. został nominowany do nagrody Travelery przez National Geographic w kategorii naukowe osiągnięcie roku za stworzenie algorytmu generującego trójwymiarowe modele powierzchni Marsa na podstawie analiz topologicznych. Od 2013 r. kieruje projektem HESOFF.

Pracuje w Instytucie Lotnictwa oraz Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk, jest specjalistką w zakresie badań geologicznych Marsa, prowadzonych na podstawie danych z satelitów Mars Express i MRO. W 2005 r. brała udział w analogowej misji na tej planecie, zorganizowanej przez Mars Society, która odbywała się w bazie marsjańskiej na pustyni w stanie Utah. Obecnie zajmuje się zagadnieniami poszukiwania wody na powierzchni Marsa. Jest zaangażowana w popularyzację kosmosu przez współpracę z mediami.

jan.kotlarz@ilot.edu.pl

natalia.zalewska@ilot.edu.pl

NR 3/2015

•

NR 4/ 20 1 5

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 19, Nr 4/2015, 55–62, DOI: 10.14313/PAR_218/55

Stanowisko do rehabilitacji kręgosłupa metodą dynamiczną Krzysztof Mianowski

Politechnika Warszawska, Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa, Instytut Techniki Lotniczej i Mechaniki Stosowanej, ul. Nowowiejska 24, 00-665 Warszawa

Wojciech Kaczmarek, Grzegorz Kamiński, Rafał Rosołek, Marcin Stańczak Bio.morph, Sp. z o.o., ul. Walecznych 61, 03-920 Warszawa

Streszczenie: W artykule przedstawiono oryginalne opracowane przez autorów stanowisko do

ćwiczeń kręgosłupa, pozwalające na samodzielną rehabilitację pod kontrolą fizjoterapeuty oraz na bieżącą kontrolę kinematyki i dynamiki kręgosłupa człowieka. Opracowany i wykonany w ramach projektu Dynamiczny Korektor Kręgosłupa DKK oraz opracowana metodyka badawcza i nowa metoda rehabilitacji mogą przyczynić się do lepszego poznania przyczyn powstawania skolioz, ale przede wszystkim do skuteczniejszego ich leczenia i poprawy kondycji fizycznej osób z niesprawnościami na tym tle. Dynamiczny Korektor Kręgosłupa ma być urządzeniem do nowoczesnej diagnostyki i terapii zespołów bólowych i zaburzeń funkcji kręgosłupa przy minimalizacji zagrożeń dla zdrowia pacjenta, związanych z zażywaniem znieczulających środków farmakologicznych. Słowa kluczowe: skoliozy idiopatyczne, rehabilitacja kręgosłupa, niepełnosprawność układu ruchu

1. Wprowadzenie Kręgosłup pełni w budowie ciała człowieka szczególną rolę, stanowiąc podstawowy element składowy i nośny aparatu ruchu. W jego części dolnej miednica podparta na kończynach dolnych stanowi główną podporę kręgosłupa, w części środkowej kręgosłup stanowi podstawowy element „zawieszenia” klatki piersiowej, w części górnej wraz z elementami klatki piersiowej i obręczą barkową uczestniczy w pracy kończyn górnych, wreszcie odcinek szyjny stanowi podparcie głowy, zapewniając jej obszerne ruchy obrotowe zarówno względem osi pionowej jak i pochylania w dół/górę i odchylania w prawo/lewo względem osi poziomej. Jak widać biomechanika kręgosłupa człowieka jest bardzo złożona. Zbiór kręgów, z elastycznymi krążkami międzykręgowymi, położonych jeden na drugim w trzyłukowy i w przybliżeniu pionowy stos, połączonych stawami o skomplikowanej budowie i związanych więzadłami oraz opleciony odpowiednio napiętymi mięśniami, stanowi skomplikowany podatny biomechanizm przestrzenny, który może pozostawać w równowadze tylko przy rygorystycznie spełnionych warunkach równowagi dynamicznej. Niestety mimo że pełni on tak ważną rolę, jego biomechanika jest

Autor korespondujący: Krzysztof Mianowski, kmianowski@meil.pw.edu.pl Artykuł recenzowany nadesłany 28.10.2015 r., przyjęty do druku 3.12.2015 r. Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

aktualnie nadal zbyt mało zbadana. Brak jest metod i modeli wyjaśniających powstawanie przeciążeń i niestabilności podstawowych struktur składowych oraz skutecznych metod profilaktycznych zapobiegających schorzeniom kręgosłupa. Niewłaściwa postawa i tzw. nowoczesny tryb życia związany ze spędzaniem dużej ilości czasu w niewygodnej pozycji siedzącej przed telewizorem i/lub komputerem może prowadzić do urazów samoistnych i zwyrodnień, zarówno struktur twardych jak i miękkich. Warto wyjaśnić, że ogólna kondycja zdrowotna człowieka, to zarówno pewna doza codziennego wysiłku umysłowego, jak i umiarkowany wysiłek fizyczny, zapewniający odpowiedni poziom kondycji fizycznej mięśni ciała. Do codziennego funkcjonowania na przeciętnym poziomie wystarcza pewna aktywność umiarkowana, jak to jest u ludzi w podeszłym wieku, natomiast utrzymanie pełnej kondycji i zdrowia człowieka młodego lub w wieku średnim wymagane są dodatkowe ćwiczenia na świeżym powietrzu jak spacery, przejażdżki rowerowe, bieganie, pływanie, gry indywidualne i zespołowe, najlepiej realizowane w odpowiednio dobranym cyklu tygodniowym. Rodzaj wysiłku i ćwiczeń może zależeć od pory roku, indywidualnych zdolności i możliwości [4, 5]. Podczas planowania ćwiczeń wysiłkowych główną uwagę poświęca się utrzymaniu kondycji mięśni aparatu ruchu, tj. układu lokomocyjnego (mięśni nóg) i układu manipulacyjnego (mięśni rąk). Takie podejście nawet u praktycznie sprawnych osób, szczególnie gdy na co dzień pracują w długotrwałej pozycji na siedząco, np. przy biurku lub/i przy komputerze, w wypadku gwałtownego powstania lub niesymetrycznego podźwignięcia nawet niewielkiego ciężaru może skutkować jednostronnym przeciążeniem lub skurczem mięśni i urazem kręgosłupa powodującym dolegliwości bólowe. Dlatego też równie ważnym jest utrzymanie wysokiej kondycji i sprawności mięśni pleców, tj. grzbietu i kręgosłupa. W celu utrzymania kondycji mięśni i stawów krę-

Stanowisko do rehabilitacji kręgosłupa metodą dynamiczną

Rys. 1. Kształt geometryczny linii kręgosłupa: a) w widoku z przodu, b) w widoku z boku, c) z oznaczeniem przebiegu krzywizn wg [22] Fig. 1. The geometry of the spine line: a) a front view, b) side view, c) with the designation of curved lines by [22]

gosłupa korzystnym jest wykonywanie ćwiczeń uruchamiających tzw. dynamiczną grę stawową kręgów w połączeniu ze względnymi ruchami rotacyjnymi kręgosłupa. W wypadku urazu i związanych z tym zjawisk bólowych wymaga to odpowiedniego podejścia i zaplanowania skutecznej, systematycznej rehabilitacji, co jest procesem trudnym i długotrwałym [11]. Analiza statystyczna danych dotyczących stanu zdrowotnego społeczeństw krajów uprzemysłowionych [22] pokazuje, że około 10–12% populacji stanowią osoby w różnym stopniu niepełnosprawne. Około połowa z nich wymaga stosowania sztucznych urządzeń do wspomagania lub zastępowania utraconych funkcji organizmu. Dotyczy to w szczególności niepełnosprawności ruchowych, tj. utraconych funkcji manipulacyjnych i lokomocyjnych kończyn jak też postępującej niepełnosprawności układu ruchu u osób w podeszłym wieku oraz upośledzenia funkcji różnych organów wewnętrznych. U znacznej części osób niepełnosprawnych polepszenie komfortu życia przez usprawnienie czynności chwytnych i manipulacyjnych kończyn górnych albo polepszenie możliwości lokomocyjnych kończyn dolnych można osiągnąć przez zastosowanie urządzeń protetycznych lub ortotycznych albo odpowiednich wózków inwalidzkich. Jednak większość prostych urządzeń mechanicznych nie zapewnia właściwego poziomu samodzielności i samowystarczalności. Współczesny rozwój mechaniki, elektrotechniki, układów napędowych, elektroniki i automatyki pozwala na zwiększenie funkcjonalności istniejących urządzeń z tego zakresu jak i na tworzenie nowych rozwiązań zapewniających znaczne polepszenie komfortu i samodzielności użytkownika. Dla przykładu, wykorzystanie manipulatorów technicznych lub robotów do obsługi pacjentów z różnym stopniem uszkodzenia aparatu ruchu stało się możliwe dzięki rozwojowi inżynierii rehabilitacyjnej [12–14]. Warto zauważyć, że styl pracy współczesnego człowieka skutkuje wieloma schorzeniami wynikającymi z degradacji aparatu ruchu, podczas gdy utrzymanie ciała w dobrej kondycji wymaga systematycznych ćwiczeń fizycznych. Zaniechanie ruchu oraz

•

siedzący tryb życia skutkuje utratą masy mięśniowej – zanikiem mięśni oraz stopniowym, systematycznym zmniejszaniem się wytrzymałości i sprężystości ścięgien, kości i stawów, np. wskutek odwapnienia. Rezygnacja z odpowiednio zaplanowanej codziennej dawki ruchu na świeżym powietrzu wywołuje spowolnienie tętna i przepływu krwi w naczyniach, zmniejszenie sprawności narządów wewnętrznych i obniżenie zdolności oczyszczania organizmu z toksyn. Efektem jest stopniowe zmniejszenie sprawności fizycznej, obniżanie się nastroju, spadek poziomu zadowolenia z życia, i stopniowa degradacja ogólnego poziomu zdrowia. Skoliozy, czyli boczne skrzywienia kręgosłupa gnębią ludzkość od dawien dawna, jednak w końcu XX i na początku XXI wieku stały się jednym z najpoważniejszych problemów społecznych, dotyczącym szczególnie młodzieży w okresie rozwoju. Siedzący tryb życia, brak ruchu na świeżym powietrzu, nadużywanie środków farmakologicznych i nadmierne wygodnictwo prowadzi do wad postawy i wtórnych zmian w układzie krążeniowooddechowym oraz spadku sprawności ogólnej. Aktualnie prowadzi się rozległe badania nad patogenezą chorób kręgosłupa, jednak nadal brak jest skutecznych metod przeciwdziałania ich powstawaniu i skutecznych metod leczenia i rehabilitacji. Podstawowym celem projektu DKK było stworzenie prototypu Dynamicznego Korektora Kręgosłupa wraz z metodyką ćwiczeń kinezyterapeutycznych, oraz potwierdzenie jego działania w praktyce fizjoterapeutycznej.

2. Dynamiczny Korektor Kręgosłupa (DKK) – założenia metody Medycyna stale poszukuje nowych rozwiązań diagnostycznych i terapeutycznych, które umożliwiałyby podjęcie skutecznego leczenia przy równoczesnej minimalizacji zagrożeń dla zdrowia pacjenta. Zagrożenia te wynikają ze stosowania określonych technologii leczniczych oraz materiałów i leków o nadmiernej toksycznośći i niskiej specyficzności.

•

NR 4/ 20 1 5

Krzysztof Mianowski, Wojciech Kaczmarek, Grzegorz Kamiński, Rafał Rosołek, Marcin Stańczak

Boczne skrzywienia kręgosłupa (scoliosis) znane są od dawna i ze względu na częstość występowania stanowią poważny problem społeczny. Zniekształcenie to jest ciężką wadą postawy, której towarzyszą wtórne zmiany w układzie krążeniowo-oddechowym ograniczające w znacznym stopniu ogólną sprawność chorego. Znane są urządzenia trakcyjne i przyrządy ćwiczebne, stosowane w zależności od typu schorzenia do wzmacniania mięśni głównie posturalnych, które wzmocnione korygują i kształtują sylwetkę kręgosłupa. W literaturze medycznej [15–17] omawiane są nie tylko urządzenia typu korektory do korekcji bocznych skrzywień kręgosłupa (metoda „presio”, której punktem wyjścia jest teoria ROAFA mówiąca o decydującym znaczeniu rotacji w progresji skrzywień kręgosłupa, a dokładniej o trójpłaszczyznowej korekcji skolioz), a także urządzenia wyciągowo-korekcyjne przy leczeniu bólów przykręgosłupowych, np. w dyskopatii. Jednakże żadne ze znanych urządzeń nie umożliwia wykonania korekcji przywracającej fizjologiczną grę stawową w zablokowanych stawach kręgosłupa. Analizując dane literaturowe można wysnuć wniosek, że dotychczasowe badania zmierzające do wyjaśnienia przyczyn powstawania bocznych skrzywień kręgosłupa pozwoliły opracować pewne koncepcje etiopatogenetyczne, ale nie rozwiązują problemu [11, 15-22]. Na rys. 1. pokazano model 3D kręgosłupa w widoku z przodu, z boku oraz z oznaczeniem przebiegu jego naturalnych krzywizn. W widoku czołowym (z przodu lub z tyłu) przebieg linii kręgosłupa powinien wykazywać naturalną symetrię, tj. linia wyznaczona przez końce wyrostków kolczystych powinna być linią prostą pionową. Natomiast w widoku z boku powinniśmy wyraźnie zaobserwować trzy krzywizny wyznaczone liniami jak na rys. 1c, tj. w dole kręgosłupa występuje lordoza lędźwiowa, powyżej kifoza piersiowa i w obrębie szyi lordoza szyjna. Wskutek urazów powypadkowych, długotrwałych przeciążeń, lub zwyrodnień wywołanych nieprawidłową postawą przy braku nawyku codziennej gimnastyki, zarówno symetria jak i przebieg krzywizn mogą zostać zaburzone. Pojawiają się wtedy zmiany symetrii obserwowane w postaci skolioz bocznych lub tzw. przeprosty albo nadmierne wygięcia. Ponieważ kręgosłup jest ruchomym stosem kręgów połączonych poprzez elastyczne krążki międzykręgowe i stawy, a jego właściwa geometria jest utrzymywana przez więzadła i mięśnie posturalne w stanie określonej równowagi dynamicznej, więc zmiany powypadkowe czy zmiany zwyrodnieniowe zaburzają jego normalną pracę, co prowadzi do nadmiernego zmęczenia mięśni, pojawienia się blokady w stawach a nawet uszkodzenia krążków międzykręgowych i ich zewnętrznych struktur włóknistych (przepukliny), co w efekcie wywołuje stan chorobowy i często wymaga ingerencji chirurgicznej. W wypadku blokad w stawach wywołanych przykurczami mięśniowymi i niewielkich przepuklin lokalnych możliwa jest korekta krzywizn wymuszona odpowiednią gimnastyką. Głównym celem prac prowadzonych w kilku ostatnich latach przez interdyscyplinarny zespół naukowców i konstruktorów w firmie Bio.morph jest stworzenie prototypu Dynamicznego Korektora Kręgosłupa (DKK), opracowanie metodyki ćwiczeń kinezyterapeutycznych prowadzonych na tym urządzeniu oraz potwierdzenie jego działania w praktyce fizjoterapeutycznej. Pomysł zastosowania specjalnego mechanizmu odwzorowującego negatywowo przestrzenny kształt pleców oraz naturalne krzywizny kręgosłupa w warunkach dynamicznych i wymuszającego zewnętrznie ruchy skrętne tułowia powstał w trakcie codziennej praktyki fizjoterapeutycznej pomysłodawcy urządzenia [6–9]. Podstawowym założeniem urządzenia do dynamicznej korekcji kręgosłupa (DKK) jest stworzenie możliwości przywrócenia funkcji ruchowych, tzw. gry stawowej segmentów kręgosłupa z jednoczesną neuromobilizacją zakończeń nerwowych we włóknach

mięśniowych, w celu przywrócenia kręgosłupowi naturalnych krzywizn, likwidacji lokalnych przykurczów mięśni i wzmożenia równomiernego, zbliżonego do naturalnego tonusu mięśniowego zapewniającego normalny, wysoki komfort utrzymania pozycji ciała z wyeliminowaniem efektów bólowych. Równoczesne wymuszenie lekkiej trakcji wyciągowej oraz dynamicznych ruchów skrętnych powinno zapewnić przywrócenie prawidłowego wzajemnego usytuowanie kręgów w stawach oraz ich odpowiednie rozsunięcie w obszarach krążków międzykręgowych Dynamiczny Korektor Kręgosłupa ma być urządzeniem do nowoczesnej diagnostyki i terapii zespołów bólowych i zaburzeń funkcji kręgosłupa przy minimalizacji zagrożeń dla zdrowia pacjenta, związanych z zażywaniem znieczulających środków farmakologicznych. Podstawą „projektu DKK” jest stworzenie urządzenia ćwiczebnego w oparciu o zaproponowaną metodykę ćwiczeń zwaną dalej metodą DKK (przygotowanie wstępnego prototypu; konsultacje kliniczne; przygotowanie prototypów testowych; poinstruowanie lekarzy konsultantów o założeniach przyjętych podczas konstruowania urządzenia do dynamicznej korekcji kręgosłupa DKK); przeprowadzenie odpowiednich badań (potwierdzenie działania prototypu w praktyce fizjoterapeutycznej). Pozycje wyjściowe ćwiczebne, jakie pacjenci będą przyjmować podczas ćwiczenia na przyrządzie są uzależnione m.in. od rodzaju i stanu zaawansowania danego schorzenia kręgosłupa oraz sił mięśniowych. Wszelkie ćwiczenia wykonywane zarówno na przyrządzie podczas głównej gimnastyki jak i podczas dodatkowych ćwiczeń powinny być wykonywane: − po pierwsze – „miękko” (nie należy stosować maksymalnej siły; bezwzględnie płynnie i poprawnie powtarzać wzorce ruchowe); − po drugie – elastycznie (szybkie i zrywane ruchy są zabronione); − po trzecie – w maksymalnym zakresie ruchu w danym stawie; − po czwarte – wzorce ruchowe powinny być powtarzane przez pacjenta aż do momentu lekkiego zmęczenia mięśni.

3. Stanowisko do ćwiczeń rehabilitacji kręgosłupa metodą DKK Celem projektu było opracowanie Dynamicznego Korektora Kręgosłupa (DKK). Ma to być urządzenie umożliwiające leczenie dysfunkcji kręgosłupa poprzez przywracanie fizjologicznej gry stawowej w zablokowanych stawach. Zasada jego działania opiera się na dynamicznym i jednocześnie skorygowanym, powtarzalnym i dokładnym wspomaganiu mobilizacji wszystkich stawów kręgosłupa w ułożeniu odciążającym. W ramach projektu zaplanowano też opracowanie metody leczniczej związanej z tym urządzeniem. Budowa prototypu została poprzedzona badaniami symulacyjnymi odwzorowującymi oddziaływanie układu mięśniowo-szkieletowego człowieka i urządzenia DKK. Badania symulacyjne wykorzystano również w późniejszych fazach realizacji projektu, do planowania modyfikacji prototypu, a także uogólnień uzyskiwanych wyników pomiarowych. Analizując pozycje postawy ciała, jakie przyjmujemy w swoim życiu, można założyć, iż pozycją ułatwiającą terapię kręgosłupa jest pozycja częściowo zbliżona do tej jaką przyjmuje dziecko w łonie matki. W przypadku omawianego projektu wyjściową pozycją ćwiczebną jest leżenie na plecach, w której kończyny górne są zgięte w łokciach bocznie stycznie z klatką piersiową (dotykają tułowia), dłonie uniesione w górę na wysokości barków; kończyny dolne maksymalnie ugięte w kolanach tak aby uda były styczne z tułowiem, a podudzia i stopy w ułożeniu umożliwiającym wykonanie wyprostu. Taka pozycja została założona jako pozycja wyjściowa przy opracowywanym projekcie dynamicznego korektora kręgosłupa DKK. Na rys. 2. pokazano wizualizację podstawowej koncepcji pracy modułu podstawowego Stanowiska

Stanowisko do rehabilitacji kręgosłupa metodą dynamiczną

Rys. 2. Moduł podstawowy stanowiska do rehabilitacji kręgosłupa metodą DKK Fig. 2. Stand for spine rehabilitation by DCMS method – basic model

Moduł podstawowy jest złożony z odpowiedniej liczby podatnych segmentów ruchomych pozwalających na podporowe negatywowe odtworzenie kształtu pleców na całej ich długości, w szczególności w zakresie krzywołukowych krzywizn poprzecznych i podłużnych z jednoczesnym dynamicznym „wyśrodkowaniem” wyrostków kolczystych na linii naturalnych krzywizn kręgosłupa. Na rys. 3. pokazano metodę wymuszania naprzemiennych ruchów skrętnych kręgosłupa możliwą do realizacji na stanowisku. Konstrukcja przyrządu jako mechanizm przestrzenny została opracowana w taki sposób, aby umożliwiał wykonywanie korygujących ruchów rotacyjnych segmentów kręgosłupa w lekkiej trakcji (rozciągnięciu), co zapewnia ich mobilizację do naturalnego rozstawienia. Ruchy te, ze względu na indywidualne odczucia, kontroluje bezpośrednio pacjent. Realizacja ćwiczeń kręgosłupa odbywa się w pozycji leżącej i jest wymuszana przez odpowiednio zsynchronizowane ruchy kończyn górnych i dolnych pacjenta. Wymaga to dynamicznego, ruchowego zaangażowania prawie całego ciała i w efekcie prowadzi do pozytywnych skutków wynikających z treningu mięśniowego całego organizmu. Ćwiczenia wykonywane samodzielnie przez chorego na zaproponowanym urządzeniu korygują kręgosłup, przywracają grę stawową w zablokowanych stawach kręgosłupa, podczas dynamicznego ruchu rotacyjnego odciążonego kręgosłupa. Ruch rotacyjny kręgosłupa uzyskuje się dzięki oddziaływaniu całego łańcucha kinematycznego urządzenia wraz z kończynami górnymi i dolnymi osoby rehabilitowanej poruszającymi się w odpowiedni, kontrolowany sposób ruchem naprzemiennym. Stanowisko DKK składa się z podstawy dolnej zamocowanej do podłoża oraz ramy ruchomej obracanej w osi poziomej siłownikiem liniowym w celu zmiany pozycji pracy do pozycji poziomej (rys. 4, 5 i 6). W celu wykonywania ćwiczeń pacjent zajmuje pozycję siedzącą zapinając stopy w obejmy podpór oraz chwytając rękami za dźwignie oporujące górne. W pasie biodrowym pacjent zostaje zapięty za pomocą specjalnej obejmy biodrowej. W tej pozycji rama ruchoma zostaje przestawiona do pozycji poziomej, w której pacjent rozpoczyna ćwiczenia. Ćwiczenia polegają na naprzemiennym wyciskaniu na wprost lewej ręki – prawej nogi a następnie prawej ręki – lewej nogi uruchamiając naprzemienne ruchy skrętne kręgosłupa.

•

Rys. 3. Metoda treningu rehabilitacyjnego kręgosłupa z udziałem ruchów skrętnych Fig. 3. Rehabilitation training method with twists of the body

4. Podsumowanie W pracy przedstawiono stan zaawansowania prac nad stanowiskiem do rehabilitacji kręgosłupa metodą DKK. Proponowane rozwiązanie DKK jest rozwiązaniem oryginalnym, nie stosowanym dotychczas w praktyce fizjoterapeutycznej w żadnym ośrodku krajowym lub zagranicznym. Według opinii lekarzy specjalistów w zakresie chorób kręgosłupa może ono przełamać stereotyp sposobu leczenia u niektórych pacjentów i z pożytkiem przysłużyć się do ich efektywnego leczenia. W założeniu DKK może przywracać zaburzone funkcje kręgosłupa i to przy zmiejszonym zaangażowaniu personelu (miejsza liczba osób może nadzorować rehabilitację nawet na kilku

•

NR 4/ 20 1 5

Krzysztof Mianowski, Wojciech Kaczmarek, Grzegorz Kamiński, Rafał Rosołek, Marcin Stańczak

matycznego, jakim jest ruch naprzemiennie poruszających się kończyn górnych i dolnych. W trudniejszych przypadkach bólowych, lub w zależności od typu schorzenia, można będzie uzyskać ruch wymuszony zewnętrznie (w odciążeniu) lub inny zadany, według wskazań do terapii metodą dynamicznej korekcji. Pozycją wyjściową dla ruchu na tym urządzeniu jest pozycja kręgosłupa – określana jako neutralna, tj. pośrednia między zgięciem a wyprostem (chodzi o takie ułożenie kręgosłupa, w którym każdy segment w stosunku do segmentów powyżej i poniżej znajduje się w pozycji neutralnej – inaczej w możliwie najmniejszym napięciu, już samo leżenie na plecach, ale np. na twardej podłodze, nie jest neutralne, gdyż odcinek szyjny ma pogłębione zgięcie, natomiast odcinek piersiowy ma w tym samym czasie zwiększony wyprost, a lędźwiowy znowu zgięcie, inaczej mówiąc oddziałują na niego zbyt duże siły prostujące itd.) Powierzchnie stawowe kręgów są w ustawieniu neutralnym najmniej obciążone w tzw. części ruchowej a układ stabilizujący, czyli mięśnie, więzadła, torebki stawowe najmniej napięte. Jest to bardzo istotne dla tego urządzenia, gdyż żadne ze znanych urządzeń nie zabezpiecza tak doskonale i jednocześnie pozycji kręgosłupa, korygując ją dokładnie i równomiernie wzdłuż całej długości. Urządzenie do dynamicznej korekcji kręgosłupa DKK jest przyrządem gimnastycznym. Należy zakwalifikować je do grupy fizjoterapeutycznych urządzeń gimnastycznokorekcyjnych, przywracających ruchomość stawów kręgosłupa z jednoczesnym treningiem mięśniowym w bardzo szeroko pojętej terapii kręgosłupa. Rys. 4. Stanowisko DKK do dynamicznej korekty kręgosłupa – widok ogólny z boku Fig. 4. DCMS stand for the dynamic spine correciton – general side view

urządzeniach). Uwzględniając dużą zachorowalność związaną z bólem dolnego odcinka kręgosłupa (dotyka to około 80% populacji ludzkiej w ciągu życia), a w związku z tym ponoszone duże koszty leczenia, warto podkreślić, że wprowadzenie projektu DKK w życie może spotkać się z pozytywnym, oczekiwanym odbiorem w społeczeństwie zmniejszając koszty ponoszone z tego tytułu oraz znacznie obniżając koszty społeczne. Urządzenie jest głównie przeznaczone do stosowania w poradniach, oddziałach i centrach rehabilitacyjnych oraz w szpitalnych zakładach rehabilitacyjnych przy oddziałach ortopedycznych, neurologicznych i neurochirurgicznych zajmujących się leczeniem chorób kręgosłupa przez specjalistów świadczących usługi medyczne z dziedziny fizjoterapii takich jak: lekarze, rehabilitanci, fizjoterapeuci, a szczególnie specjaliści z zakresu medycyny manualnej – chiropraktycy. Przyrząd jest tak pomyślany, aby można na nim było wykonywać ruchy rotacyjne korygujące i mobilizujące segmenty kręgosłupa, na dodatek w lekkiej trakcji, które kontroluje bezpośrednio pacjent (ze względu na indywidualne odczucia). Realizacja tych ruchów wymaga wykonywania ruchów kończyn górnych i dolnych, a więc ruchowego zaangażowania prawie całego ciała, co prowadzi do pozytywnych skutków wynikających z treningu mięśniowego organizmu. Istota urządzenia do dynamicznej korekcji kręgosłupa polega na tym, iż umieszczone wzdłuż osi długiej kręgosłupa ruchome ramiona podporowe wywołują ruch popychaczy ustawionych stycznie w okolicy podstaw wyrostków kolczystych w poszczególnych segmentach kręgosłupa. Popychacze przemieszczając się dynamicznie, korygują kręgosłup przywracając grę stawową w zablokowanych stawach kręgosłupa w trakcie dynamicznego ruchu rotacyjnego odciążonego kręgosłupa. Ruch rotacyjny kręgosłupa uzyskuje się dzięki oddziaływaniu całego łańcucha kine-

Rys. 5. Stanowisko DKK – pozycja pracy do ćwiczeń Fig. 5. DCMS stand – ready to use position

Urządzenie do dynamicznej korekcji kręgosłupa DKK jest przeznaczone do leczenia chorych, u których w przebiegu podstawowej choroby (choroba zwyrodnieniowa kręgosłupa, dyskopatie z zespołem bólowym, zesztywniające zapalenie stawów kręgosłupa) występują odruchowe zmiany krzywizn fizjologicznych kręgosłupa z ograniczeniem zakresu ruchu i bólami kręgosłupa. W przepuklinach dyskowych lędźwiowego odcinka kręgosłupa stosowane jest od dawna leczenie trakcyjne (wyciągi) oraz ręczna mobilizacja kręgosłupa przez chiropraktyków. W literaturze medycznej (i nie tylko) znajdują się opisy szeregu urządzeń, np. korektorów korekcji bocznych skrzywień kręgosłupa jak i urządzeń wyciągowo-korekcyjnych przy leczeniu bóli przykręgosłupowych w dyskopatii. Jednak żadne ze znanych urządzeń nie umożliwia

Stanowisko do rehabilitacji kręgosłupa metodą dynamiczną

Rys. 6. Stanowisko DKK – widok z boku Fig. 6. DCMS stand – side view

wykonania dynamicznej korekcji przywracającej fizjologiczną grę stawową w zablokowanych stawach kręgosłupa w stopniu, w jakim wykonuje to urządzenie z jednoczesnym treningiem mięśni – zwłaszcza krótkich rotatorów zaangażowanych w ruch poprzez cały układ kinematyczny kręgosłupa, naprzemiennego ruchu rąk i nóg, w sposób dynamiczny i jednocześnie skorygowany. Urządzenie DKK, zgodnie z założeniami projektu, dzieki swojej innowacyjnej budowie umożliwia w sposób bezpieczny dynamiczną autokorekcję kręgosłupa, z jednoczesnym wzmocnieniem mięśni w sposób powtarzalny (zakres ruchu, obciążenia itd.). Budowa urządzenia wg. wstępnej koncepcji stwarza możliwość uzyskania ruchu kręgosłupa w lekkiej trakcji (układ trzech krzywizn wg. ortopedycznego korektora krzywizn). Urządzenie umożliwia negatywowe odwzorowanie pleców jako stan wyjściowy, zbadanie zakresu ruchomości pomiędzy segmentami kręgosłupa; w trakcie terapii jest możliowość badania czy dane segmenty ulegają uruchomieniu, następnie czy wzrasta siła mięśniowa i czy zadana liczba powtórzeń ruchu wpływa neurmobilizująco (odbarcza nerw wyzwalając zanik dolegliwości bólowych). Założenia, które zostały przedstawione dowodzą możliwości osiągnięcia założonego celu. Wynik projektu pozwala w sposób dokładnie zdefiniowany stosować nową metodę leczniczo-rehabilitacyjną, które zamierza się potwierdzić klinicznie. Istotnym elementem zbudowanego prototypu urządzenia DKK jest skomputeryzowany układ pomiarowy, pozwalający na ciągłą rejestrację w czasie około 30 parametrów charakteryzujących zachowanie się osoby ćwiczącej (24 przemieszczenia kątowe ruchomych kręgów, siły reakcji rąk i nóg oddziałujących na elementy urządzenia). Zostanie opracowana metoda wykorzystania rejestrowanych wielkości do oceny stanu początkowego kręgosłupa osoby poddawanej ćwiczeniom (ruchomość połączeń sąsiadujących kręgów, identyfikacja sytuacji kiedy ćwiczący dochodzi do granicy bólu – powinno to być możliwe na podstawie zapisu sił, z jakimi ćwiczący oddziałuje na urządzenie), a następnie oceny postępów procesu rehabilitacji. Planuje się, że kompendium wiedzy zdobyte w trakcie trwania projektu będzie opracowane w formie skryptu – jako integralna część całego projektu, a po zakończeniu projektu podręcznika. Powstanie w ten sposób nowa metoda, której integralną częścią jest urządzenie DKK umożliwiające wykonanie dynamicznej korekcji przywracającej fizjologiczną grę stawową w zablokowanych stawach kręgosłupa, w stopniu w jakim wykonuje to urządzenie z jednoczesnym treningiem mięśni – zwłaszcza krótkich rotatorów zaangażowanych w ruch poprzez cały układ kinematyczny, naprzemiennego ruchu rąk i nóg, w sposób dynamiczny i jednocześnie skorygowany.

•

5. Wnioski Badania statystyczne wskazują, iż w Polsce jak i na świecie około 80% populacji ma problemy związane z bólami kręgosłupa. Największym problemem osób, które mają dolegliwości bólowe okołokręgosłupowe jest ich własna bierność ruchowa, przy czym należy nadmienić, iż nie każda aktywność ruchowa jest zupełnie zdrowa np. jeśli wykonujemy monotonne czynności przeciążające tylko określone partie ciała. Namawiać należy więc wszystkich do ruchu, ale takiego który usprawnia a nie obciąża zbytecznie organizm. Fizjoterapia jest dziedziną medycyny, która wykorzystuje ruch m.in. w oparciu o kinezyterapię czyli leczenie ruchem. Dynamiczny Korektor Kręgosłupa to urządzenie do nowoczesnej diagnostyki i terapii zespołów bólowych i zaburzeń funkcji kręgosłupa przy minimalizacji zagrożeń dla zdrowia pacjenta, związanych z zażywaniem znieczulających środków farmakologicznych. Podstawowym celem projektu DKK było stworzenie prototypu Dynamicznego Korektora Kręgosłupa wraz z metodyką ćwiczeń kinezyterapetycznych, oraz potwierdzenie jego działania w praktyce fizjoterapeutycznej. Celem projektu jest opracowanie urządzenia umożliwiającego leczenie dysfunkcji kręgosłupa poprzez przywracanie fizjologicznej gry stawowej w zablokowanych stawach w sposób dynamiczny i jednocześnie skorygowany, A

•

NR 4/ 20 1 5

Krzysztof Mianowski, Wojciech Kaczmarek, Grzegorz Kamiński, Rafał Rosołek, Marcin Stańczak powtarzalny i dokładny poprzez jednoczesne wykonywanie mobilizacji wszystkich stawów kręgosłupa w ułożeniu odciążającym, i opracowanie metody leczniczej związanej z tym urządzeniem.

Podziękowanie

11.

Prace B+R zaprezentowane w artykule zostały wykonane w celu wdrożenia na rynek usług fizjoterapeutycznych opartych o Dynamiczny Korektor Kręgosłupa (UDA-POIG.01.04.00-14-081) w ramach projektu współfinansowanego przez unię europejską z europejskiego funduszu rozwoju regionalnego oraz z budżetu państwa – Dotacje na innowacje – Inwestujemy w waszą przyszłość.

Bibliografia 1. 2. 3. 4.

5. 6. 7. 8.

Będziński R., Biomechanika Inżynierska, Oficyna Wyd. Pol. Wrocławskiej, Wrocław 1997. Freddy M. Kaltenborn., Kręgosłup – badanie manualne i mobilizacja, Wyd. Rolewski, Toruń 1998. Frisch H., Roex J., Terapia manualna, PZWL, Warszawa, 2001, Gasik R., Styczyński T., Niektóre cechy szczególne przebiegu klinicznego zespołów bólowo-korzeniowych wywołanych dyskopatią lędźwiową u chorych z otyłością, „Reumatologia”, Vol. 43, Nr 5, 2005, 53-239. Gasik R., Wiek chorych a ból krzyża, “Polish Journal of Neurology and Neurosurgery”, 2005, 39(4);53-239, Kaczmarek W., Patent P 363420 – Urządzenie do Dynamicznej Korekcji Kręgosłupa, Kaczmarek W., Patent P 363419 – Ortopedyczny Korektor Krzywizn, Kaczmarek W., Patent P 275968 – Urządzenie do masowania,

10.

12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21.

22.

Kaczmarek W., Patent WZ 11527 – Poduszka korekcyjno-wyciągowa, Kiwerski J., Urazy kręgosłupa odcinka szyjnego, PZWL, Warszawa, 1993, Lewit K., Leczenie manualne zaburzeń czynności narządu ruchu, PZWL, Warszawa, 1984, Mianowski K., Nawrat Z., Perspectives of medical robotics evolution in Poland in the beginning of twenty first century, Proceedings of MMAR’02, Szczecin 2002. Mianowski K., Manipulator POLMAN 3X2 do zastosowań neurochirurgicznych, Mat. Konf. AUTOMATION 2003, Wyd. PIAP, Warszawa 2003, s. 378-389, Mianowski K.: Projektowanie manipulatorów medycznych z wykorzystaniem modeli wirtualnych, WKiŁ, W-wa 2005, t. 2, s.131-138, Neumann H. D.: Medycyna manualna. PZWL. Warszawa, 1992 (tabele), Zembaty A. (red.), Fizjoterapia, PZWL, Warszawa 1987. Dega W. (red.): Ortopedia i rehabilitacja, PZWL, Warszawa 1983. Szprynger J., Sozańska G.: Neuromechanika i neuromobilizacje w fizjoterapii, Wyd. Czelej Lublin, Styczyński T., Gasik R.: Clinical consideration of the hips function in the patients with lumbar spine discopathy, European Spine Journal 2002, August (11), Suppl. 1:33, Styczyński T.: Przyczyny i następstwa niepowodzeń w leczeniu choroby zwyrodnieniowej kręgosłupa I dyskopatii z uszkodzeniem układu nerwowego, Reumatologia 2003, 4:348-351, Styczyński T.: Zwyrodnieniowa stenoza kanału kręgowego z objawami klinicznymi chromania neurogennego. Patomechanizm rozwoju objawów klinicznych i implikacje terapeutyczne, Reumatologia 2004, 1:59-63, Tylman D., Patomechanika bocznych skrzywień kręgosłupa, PZWL, Warszawa 1972.

The Stand for Rehabilitation of the Human Spine Abstract: Humans needs of the systematical exercises to keep normal, and good physical condition of human body. Absence of normal daily motions and exercises will loss of mass of muscles with disappearance of muscles and gradual, systematical decreasing of elasticity and strenghteness of bones and of ponds as a consequence of decalcification. Man by executing usual everyday practical acts, executes a physical effort (power), what assures keeping of his physical form in certain average level. It should be ascertain, that to keep normal full physical form, the man should demand of additional exercises in an open area (in fresh air) as walking, cycling, running, swimming, individual and team games for example in weekly cycle. It demands of special stands and devices for executing physical exercises with actual monitoring of the stand parameters and of human body conditions. Such an equipment should be highly functional, safe and easy in service. Till now the main attention was subjected to muscles of human extremities: upper – hands with hands and lower – legs with feets. Actually we now, that the spinal muscular system is very important too. To keep good condition of muscles and joints of spine, it is good to execute exercises in which muscles and joints of spine initialised dynamical game of ponds with rotational motions. The originally invented stand for exercises of spine muscles and ponds is presented in the paper. Special equipment allow to continuous measure of actual states of kinematics and dynamics of the human spine. Keywords: rehabilitation of the human spine, dynamic correction of human spine, treatement of scoliosis

Stanowisko do rehabilitacji kręgosłupa metodą dynamiczną

dr Wojciech Kaczmarek

dr inż. Krzysztof Mianowski

Z wykształcenia fizjoterapeuta. Ukończył Wydział Nauk Medycznych na WSM, jak również Thames Valley University of London, uzyskując tytuł Bachelor of Business Administration. Wieloletnie doświadczenie w rehabilitacji skrzywień kręgosłupa zaowocowało kilkoma opatentowanymi wynalazkami, które służą do utrzymywania zdrowej kondycji kręgosłupa, jak: urządzenie do dynamicznej korekcji kręgosłupa – DKK, ortopedyczny korektor krzywizn, oraz poduszka korekcyjna i urządzenie do masażu.

Adiunkt w Zakładzie Teorii Maszyn i Robotów w Instytucie Techniki Lotniczej i Mechaniki Stosowanej w Politechnice Warszawskiej. Jest absolwentem Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa PW. Jego zainteresowania naukowe skupione są wokół tematyki konstrukcji mechanicznych, robotyki, w szczególności medycznej i manipulatorów równoległych.

mgr inż. Grzegorz Kamiński

inż. Rafał Rosołek

Doktorant w Politechnice Warszawskiej. Jego zainteresowania naukowe skupione są wokół biomechaniki. Jest absolwentem kierunku Automatyka i Robotyka, specjalność Robotyka na Politechnice Warszawskiej.

Absolwent Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej na kierunku Automatyka i Robotyka, specjalizacja Robotyka.

wojciech.kaczmarek@forrest24.com

kmianowski@meil.pw.edu.pl

rafal.rosolek@forrest24.com

grzegorz.kaminski@forrest24.com

inż. Marcin Stańczuk

marcin.stanczuk@forrest24.com Absolwent Politechniki Warszawskiej Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa na kierunku Automatyka i Robotyka, specjalizacja Robotyka. Prowadzi również prace badawcze z zakresu biomechaniki.

•

NR 4/ 20 1 5

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 19, Nr 4/2015, 63–68, DOI: 10.14313/PAR_218/63

Wyznaczenie kursu bezzałogowego statku powietrznego na podstawie danych GPS i INS Kamil Krasuski

Zespół Technik Satelitarnych, ul. Zawiszy Czarnego 16, 08-530 Dęblin

Damian Wierzbicki

Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Inżynierii Lądowej i Geodezji, Zakład Fotogrametrii i Teledetekcji, ul. Gen. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa 49

Streszczenie: Od kilkunastu lat obserwowany jest wzrost zainteresowania wykorzystania

bezzałogowych statków latających w fotogrametrii i teledetekcji. Niskobudżetowe bezzałogowe platformy najczęściej korzystają ze stosunkowo tanich jednoczęstotliwościowych odbiorników GPS oraz platformy INS (MEMS). Ich integracja umożliwia wyznaczenie parametrów orientacji bezzałogowego statku latającego w przestrzeni. W artykule zaprezentowano wstępne rezultaty wyznaczenia kursu na podstawie samych danych GPS oraz określono różnicę kursu z wykorzystaniem danych GPS i INS. Przedstawiono również algorytm wyznaczenia kursu oraz opisano dokładnie przebieg eksperymentu lotniczego z wykorzystaniem platformy Trimble UX5. Na podstawie przeprowadzonych badań i uzyskanych wyników stwierdzono, iż średnia różnica kursu na podstawie surowych danych GPS i INS wynosi 0.21° z odchyleniem standardowym 6,12°. Słowa kluczowe: GPS, INS, kurs, odchylenie standardowe, filtr Kalmana

1. Wprowadzenie Integracja danych z sensorów GPS (Global Positioning System) i INS (Inertial Navigation System) umożliwia wyznaczanie parametrów orientacji bezzałogowego statku latającego (BSL) w przestrzeni 3D. Głównym i jednocześnie podstawowym elementem orientacji dla BSL jest określenie kursu statku powietrznego. Poza kursem do parametrów orientacji statku powietrznego zaliczane są również kąt pochylenia (ang. pitch angle) oraz kąt obrotu (ang. roll angle). Kurs statku powietrznego jest definiowany jako różnica między kierunkiem północy (ang. North) a osią podłużną statku powietrznego [5]. Parametr kursu przyjmuje wartości z przedziału od 0° do 360° i jest zliczany na prawo od kierunku północy N. W przypadku pomiarów GPS, kurs jest wyznaczany w układzie referencyjnym (układ przestrzeni nawigacyjnej ENU – East-North-Up) [3] i odnosi się do położenia anteny odbiornika GPS. W przypadku obserwacji z jednostki pomiarowej IMU (dla sensora INS), kurs jest wyznaczany w układzie wewnętrznym statku powietrznego (ang. body-frame) i jest odniesiony do lokalizacji jednostki IMU (Inertial Measurement Unit) na pokładzie

Autor korespondujący: Damian Wierzbicki, damian.wierzbicki@wat.edu.pl Artykuł recenzowany nadesłany 2.11.2015 r., przyjęty do druku 4.12.2015 r. Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

statku powietrznym. Różnica wskazań wartości kursu z pomiarów GPS i INS występuje zawsze i w dużej mierze zależy od rozmieszczenia anteny odbiornika GPS i jednostki inercjalnej IMU w statku powietrznym oraz określenia wartości ekscentru między obydwoma urządzeniami pomiarowymi. Sensory GPS są dość powszechnie stosowane w nawigacji lądowej jako zewnętrzne źródło danych do określenia wartości kursu. Dodatkowo, w ramach procedury wyznaczenia pozycji i orientacji przestrzennej pojazdu lądowego, musi zostać spełnionych kilka warunków [10], tzn.: − niewielka deniwelacja trasy, po której porusza się pojazd; − prędkość pojazdu jest większa niż 5 m/s; − kąt obrotu oscyluje w graniach 0°; − w obliczeniach zastosowany jest filtr Kalmana. Wykorzystanie danych z GPS do wyznaczenia kursu dla statku powietrznego powoduje wiele niedogodności wynikających z działania czynników zewnętrznych (np. prędkość wiatru, opad atmosferyczny) czy wykonywania licznych manewrów podczas trwania lotu. Jednak rozwiązanie to umożliwia uzyskanie przybliżonych wartości kursu, co ma ogromne znaczenie podczas integracji danych GPS/INS z zastosowaniem filtru Kalmana. W ramach niniejszego artykułu, autorzy przeprowadzili eksperyment badawczy, mający na celu wyznaczenie wartości kursu z użyciem sensora GPS dla bezzałogowego statku powietrznego. Dokonano porównania wartości kursu z sensorów GPS i INS oraz wyznaczono różnicę tychże parametrów. Obliczenia zostały zrealizowane w edytorze numerycznym Scilab 5.4.1 na podstawie surowych danych z platformy Trimble UX5. Lot testowy został przeprowadzony w godzinach 10:00–11:00 w sierpniu 2014 r. na obszarze miejscowości Chrzęsne. Otrzymane rezultaty z przeprowadzonych badań zostały zaprezentowane w pracy na odpowiednich wykresach.

Wyznaczenie kursu bezzałogowego statku powietrznego na podstawie danych GPS i INS

2. Model matematyczny wyznaczenia kursu z sensora GPS

−−y, gdy wartości E i N są dodatnie (I ćwiartka), − 180 – y, gdy wartość E jest dodatnia i N ujemna (II ćwiartka), − 180 + y, gdy wartości E i N są ujemne (III ćwiartka), − 360 – y, gdy wartość E jest ujemna i N dodatnia (IV ćwiartka).

Proces odtworzenia kursu dla danych GPS odbywa się z użyciem metod transformacji między układami odniesienia. W pierwszym etapie współrzędne statku powietrznego w układzie geodezyjnym BLH (układ elipsoidalny) są transformowane do układu globalnego XYZ (układ geocentryczny ECEF) za pomocą przekształcenia Helmerta [8]:

(1) Rys. 1. Wartości kursu dla danej ćwiartki w układzie ENU Fig. 1. The Course value in ENU frame

gdzie: a, b – parametry wielkiej i małej półosi elipsoidy WGS-84, a = 6378137,0 m, b = 6356752, 314245 m, e2 – mimośród pierwszy, e2 = 0,006694380023, R – promień krzywizny pierwszego wertykału elipsoidy WGS-84, (X, Y, Z) – współrzędne geocentryczne statku powietrznego, (B, L, H) – zarejestrowane współrzędne statku powietrznego w układzie elipsoidalnym BLH. Współrzędne statku powietrznego w układzie elipsoidalnym BLH pochodzą z formatu tekstowego log o rozszerzeniu „*.csv”, w którym zapisywane są zmiany współrzędnych pozycji oraz kątów orientacji (kursu, pochylenia i obrotu) dla każdej sekundy lotu. Warto dodać, iż wartości kątów orientacji odniesione są do układu wewnętrznego statku powietrznego (body-frame) i zostały zarejestrowane przez jednostkę IMU podczas trwania lotu. W drugim etapie współrzędne geocentryczne statku powietrznego podlegają transformacji do układu nawigacyjnego samolotu (układ ENU), jak poniżej [9]:

Ekwiwalentne rozwiązanie wartości kursu (dla danych GPS) można uzyskać z równania (4), z tymże konieczne jest wyznaczenie składowych wektora prędkości statku powietrznego w kierunku N i E. Równocześnie kurs może być wyznaczony na podstawie pomiarów żyroskopów umieszczonych w jednostce IMU. W tym przypadku zakłada się, iż układ wewnętrzny bezzałogowego statku powietrznego pokrywa się z układem sensora IMU [7]. W ten sposób możliwe jest wyznaczenie różnicy wartości kursu z rozwiązania GPS i INS, jak poniżej [1]:

gdzie: yINS – kurs zarejestrowany przez IMU, d y – różnica kursu. Dodatkowo w ramach analizy dokładności wyznaczono odchylenie standardowe dla różnicy kursu: (6)

E = − sin L ⋅ ∆X + cos L ⋅ ∆Y + 0 ⋅ ∆Z   N = − cos L ⋅ sin B ⋅ ∆X − sin L ⋅ sin B ⋅ ∆Y + cos L ⋅ ∆Z  U = cos L ⋅ cos B ⋅ ∆X + sin L ⋅ cos B ⋅ ∆Y + sin L ⋅ ∆Z 

(2)

gdzie: mdy – dokładność różnicy kursu, v dy = dy i − dy , vd y – poprawka, i – epoka pomiarowa, dy – średnia wartość różnicy kursu dla wszystkich epok pomiarowych, n – liczba obserwacji.

gdzie: (E, N, U) – współrzędne anteny odbiornika GPS w układzie nawigacyjnym ENU. W trzecim etapie następuje wyznaczenie kursu na podstawie zależności [2]: E  N 

y GPS = arctg 

3. Eksperyment oraz wstępne wyniki W eksperymencie badawczym wykorzystano współrzędne pozycji i parametry orientacji statku powietrznego, zapisane w pliku tekstowym log i pozyskane z urządzeń pomiarowych, umieszczonych na platformie UX5 (rys. 2). Platforma Trimble UX5 zaliczana jest do grupy „minibezzałogowców” (ang. mini-sized UAV) i jest stosowana w fotogrametrii lotniczej do wykonywania zdjęć z niskiego i średniego pułapu wysokości. Platforma Trimble UX5 umożliwia automatyczną kontrolę startu, lotu i lądowania. Zdjęcia pozyskiwane są przez automatyczne wyzwolenie migawki aparatu. Podstawowe parametry systemu Trimble UX-5 przedstawiono w tabeli 1. Bezpieczeństwo lotu jest kontrolowane automatycznie, jednak istnieje możliwość ingerencji operatora przez kontrolę awaryjnych procedur bezpieczeństwa. Start platformy Trimble UX5 może być realizowany wyłącznie za pomocą wyrzutni mechanicznej. System może operować przy prędkości wiatru nieprzekraczającej wartości 18 m/s oraz w warunkach nie gorszych niż lekki deszcz. Urządzenie może pozyskiwać zobrazowania z pułapu o wysokości od 75 m do 750 m, z rozdzielczością terenową od

(3)

lub alternatywnego wyrażenia [1]:  VE     VN 

(4)

y GPS = arctg 

gdzie: yGPS – wyznaczany kąt kursu z techniki GPS, VE – prędkość statku powietrznego w układzie ENU w kierunku wschodnim (East), VN – prędkość statku powietrznego w układzie ENU w kierunku północy (North). Parametr kursu dla danych GPS jest określony na podstawie znaku wartości przyrostów dla parametrów N i E (równanie {3}) w układzie lokalnym anteny odbiornika ENU (rys. 1). Na podstawie rys. 1 można wywnioskować, iż wartość kąta kursu wynosi:

•

(5)

dy = y INS − y GPS

•

NR 4/ 20 1 5

Kamil Krasuski, Damian Wierzbicki

Tabela 1. Parametry techniczne platformy Trimble UX-5 [11] Table 1. Technical parameters of Trimble UX5 platform [11]

Typ

jednolity korpus ze skrzydłami

Masa

2,5 kg

Rozpiętość skrzydeł

Powierzchnia skrzydeł

34 dm2

Wymiary

100 cm × 65 cm × 10 cm

Materiał

pianka EPP; węglowa konstrukcja ramy; elementy kompozytowe

Napęd

śmigło napędzające – elektryczny silnik komutatorowy

Rys. 2. Trimble UX5 na wyrzutni przed startem Fig. 2. The Trimble UX5 before fly start

Rys. 3. Trajektoria pionowa platformy Trimble UX5 Fig. 3. Vertical trajectory of Trimble Ux5 platform

0,024 m do 0,24 m. Do pozyskania danych obrazowych została wybrana kamera SONY NEX-5R – jeden z częściej wybieranych sensorów montowanych na pokładzie bezzałogowych statków latających. Wykonane zdjęcia zapisywane są w formacie JPEG. W przypadku platformy Trimble UX-5 zdjęcia wykonywane są za pomocą super jasnego obiektywu Voigtlander o ogniskowej 15 mm i maksymalnej wartości przysłony F4.5. W ramach eksperymentu został wykonany lot testowy w sierpniu 2014 r. w godzinach 10:00–11:00 czasu lokalnego. Powierzchnia obrazowania wynosiła 1250 m × 3750 m. Do pozycjonowania bezzałogowego statku latającego wykorzystano jednoczęstotliwościowy odbiornik GPS zapisujący obserwacje z częstotliwością 10 Hz. Pozyskane obrazy posłużyły do produkcji ortofotomapy obrazowanego obszaru. Średnia wysokość lotu wynosiła 273 m, natomiast maksymalna i minimalna wartość wynosiły odpowiednio 266 m i 279 m (rys. 3). W trakcie wykonywania eksperymentu badawczego, surowe wartości kursu z jednostki IMU zostały porównane z wynikami uzyskanymi z sensora GPS. Na rys. 4 przedstawiono uzyskane wartości kursu dla techniki INS (kolor czarny) i metody GPS (kolor niebieski). Wartość średnia różnicy d y dla prezentowanych danych wyniosła 0,21°, a odchylenie standardowe mdy ponad 6,12°. Uzyskane rezultaty parametru d y świadczą o tym, iż charakter zmian tego parametru jest podobny do szumu białego (wartość średnia dąży do 0, a odchylenie standardowe jest znacznie większe od 0). Rozrzut otrzymanych wyników dla parametru d y wyniósł odpowiednio od –56,20° do 67,82°, z wartością mediany na poziomie 0,01° (rys. 5). Duże wahania wartości parametru d y w głównej mierze są spowodowane czynnikami zewnętrznymi (opad atmosferyczny, zmiana prędkości wiatru), zmianą trajektorii lotu platformy Trimble UX5 (zmiana kierunku lotu i wysokości elipsoidalnej lotu) oraz czynnikami ludzkimi (brak doświadczenia operatora, niskie wyszkolenie, brak dobrej znajomości sprzętu i oprogramowania). Odstające wartości parametru d y na wykresie nr 5 powodują konieczność zastosowania dodatkowych algorytmów wygładzających (filtry dolnoprzepustowe oraz wielomiany n-tego stopnia) lub metod pozwalających na odrzucenie pomiarów odstających. W celu wykrycia dużych różnic wartości parametru d y na wykresie nr 5, a tym samym wygładzeniu uzyskanych wyników, zastosowano w pierwszym kroku filtr Kalmana. Filtr Kalmana jest operacją matematyczną mającą na celu ograniczenie (właściwie wyeliminowanie) podczas analizy pomiarów odstających oraz zmniejszenie błędów średnich dla wyznaczanych parame-

Rys. 4. Wartość kursu z danych GPS i INS Fig. 4. The course value from GPS and INS data

Wyznaczenie kursu bezzałogowego statku powietrznego na podstawie danych GPS i INS

gdzie: Y – surowe wartości parametru dy na podstawie różnicy INS i GPS (kolor czerwony), (a, b)– współczynnik regresji liniowej (parametry wyznaczane), X – numer epoki pomiarowej. Równanie (12) jest rozwiązywane metodą najmniejszych kwadratów na podstawie układu równań normalnych, jak poniżej [6]:

δx = [a, b ]T = N −1 ⋅ L

gdzie: N–1 = (XT·X)–1, macierz odwrotna układu równań normalnych, L = XT·Y, wektor wyrazów wolnych. Na rys. 7 przedstawiono wartości parametru dy dla metody wielomianowej – kolorem czerwonym oznaczono surowe rezultaty różnicy kursu na podstawie pomiarów INS i GPS, zaś kolor zielony to rezultaty dy po zastosowaniu wielomianu pierwszego stopnia. Wyznaczona nowa wartość parametru dy wynosi 0,21° (podobnie jak w przypadku filtracji Kalmana), a odchylenie standardowe mdy zmalało do 0,11°. W przypadku rozwiązania wielomianowego, wartość odchylenia standardowego mdy została poprawiona o 98% w odniesieniu do wartości z wykresu nr 5. Z kolei rozwiązanie wielomianowe poprawiło wartość odchylenia standardowego mdy o 84% względem rozwiązania z filtrem

Rys. 5. Wartość różnicy kursu z surowych danych GPS i INS Fig. 5. The value of course difference from raw GPS and INS data

trów. Filtr Kalmana jest procesem dwuetapowym, tzn. składa się z etapu „predykcji” i „korekcji”, jak poniżej [4]: 1) proces „predykcji”: x p = A ⋅ x k −1

(7)

Pp = A ⋅ Pk − 1 ⋅ AT + Qk − 1

(8)

(13)

gdzie: A – macierz współczynników, xk–1 – oszacowane wartości wyznaczanych parametrów a priori z kroku poprzedniego, Pk–1 – oszacowane wartości kowariancji a priori z kroku poprzedniego, xp – prognoza wartości stanu, Pp – prognozowane wartości kowariancji, Qk–1 – macierz kowariancji procesu szumu. 2) proces “korekcji”: K k = Pp ⋅ H T ⋅ (H ⋅ Pp ⋅ H T + R )

−1

(9)

x k = x p + K k ⋅ (z − H ⋅ x p )

(10)

Pk = (I − K k ⋅ H ) ⋅ Pp

(11)

Rys. 6. Wartość różnicy kursu z surowych danych GPS i INS (przed i po procesie filtracji Kalmana) Fig. 6. The value of course difference from raw GPS and INS data (before and after Kalman filter processing)

gdzie: R – macierz kowariancji pomiarów, H – macierz pochodnych cząstkowych, Kk – macierz wzmocnienia Kalmana, z – wektor wielkości pomierzonych, I – macierz jednostkowa, xk – wyznaczane parametry a posteriori, Pk – macierz kowariancji wyznaczanych parametrów a posteriori. Na rys. 6 zaprezentowano rezultaty filtracji Kalmana dla wartości parametru dy, tj. kolorem czerwonym ozn. surowe rezultaty dy na podstawie pomiarów INS i GPS, zaś kolor czarny to wartości dy po filtracji Kalmana. Nowa wartość różnicy kursu dy wynosi 0,21°, ale odchylenie standardowe mdy zostało ograniczone do 0,68°, co skutkuje zmniejszeniem się błędu średniego o około 89% w odniesieniu do wartości z wykresu nr 5. Dyspersja otrzymanych wyników dla parametru dy (po filtracji) wynosi odpowiednio od –1,42° do 2,25°, z wartością mediany na poziomie 0,28°. Ponad 85% wyników dy po filtracji Kalmana znajduje się w przedziale od –1° do 1°. W przypadku dyspersji wyników między wartości –1,5° do 1,5°, liczba uzyskanych rezultatów w podanym zbiorze wzrasta do prawie 97%. W drugim etapie w celu zmniejszenia dyspersji wyników kąta ślizgu zaproponowano zastosowanie wielomianu pierwszego stopnia (funkcja regresji liniowej, patrz rys. 6) w postaci [8]: Y = aX + b

Rys. 7. Wartość różnicy kursu z surowych danych GPS i INS (przed i po zastosowaniu wielomianu pierwszego stopnia) Fig. 7. The value of course difference from raw GPS and INS data (before and after 1st ponynomial applied)

(12) R

•

NR 4/ 20 1 5

Kamil Krasuski, Damian Wierzbicki

Tabela 2. Porównanie wybranych parametrów różnicy kursu dla danej metody obliczeniowej Table 2. Comparison of major parameters of course difference for each calculated method

Parametr

Rozwiązanie bazowe (surowe dane INS i GPS)

Metoda filtracji Kalmana

Metoda wielomianowa

Średnia arytmetyczna

0,21°

Odchylenie standardowe

6,12°

0,68°

0,11°

Dyspersja wyników

(–56,20° – 67,82°)

(–1,42° – 2,25°)

(0,02° – 0,40°)

Mediana

0,01°

0,28°

0,21°

Kalmana (rys. 6). Dyspersja uzyskanych wyników parametru dy (dla metody wielomianowej) wynosi odpowiednio od 0,02° do 0,40°, z wartością mediany równą 0,21°. W tabeli 2 przedstawiono sumaryczne wyniki z przeprowadzonych badań lotniczych za pomocą BSL. Na podstawie tabeli 2 można wywnioskować, iż wartość parametru dy dla zastosowanych metod obliczeniowych jest taka sama i wynosi 0,21°. W przypadku odchylenia standardowego, najwyższą dokładność rozwiązania uzyskano dla metody wielomianowej, zaś najmniejszą dokładność na podstawie surowych wyników GPS i INS (równanie 5). Wartość mediany, która określa najczęściej powtarzane liczby w danym zbiorze, jest mniejsza niż 0,3° dla wszystkich metod badawczych, co podkreśla zbieżność wyników dla kursu z pomiarów INS i GPS. Dyspersja otrzymanych rezultatów dla parametru d y jest najmniejsza dla metody wielomianowej i filtru Kalmana, zaś największa dla rozwiązania bazowego.

4. Wnioski W artykule wykazano możliwość wykorzystania pomiarów GPS do wyznaczenia kursu dla bezzałogowego statku latającego (BSL) w trybie post-processingu. Przedstawiono i scharakteryzowano metodę obliczeniową (z podaniem pełnego algorytmu) do wyznaczania kursu dla sensora GPS oraz dodatkowo wyznaczono wartość różnicy kursu. Obliczenia zostały realizowane w edytorze numerycznym Scilab 5.4.1 dla danych GPS i INS, pozyskanych z platformy Trimble UX5. Eksperyment lotniczy został zrealizowany w godzinach 10:00–11:00 w sierpniu 2014 r. na obszarze miejscowości Chrzęsne. Na podstawie przeprowadzonych badań sformułowano następujące wnioski: − zastosowanie sensora GPS do wyznaczania kursu umożliwia osiągnięcie podobnych wyników do wartości uzyskanych z rozwiązania INS (rys. 4), − wyznaczenia kursu z danych GPS i INS umożliwia określenie również różnicy tych wartości, − średnia różnica wartości kursu między rozwiązaniem bazowym z surowych danych GPS i INS wynosi 0,21° z odchyleniem standardowym 6,12°, − zastosowanie filtru Kalmana pozwala na osiągniecie wartości różnicy kursu na poziomie 0,21° z odchyleniem standardowym 0,68°, − zastosowanie filtru Kalmana poprawiło dokładność wyznaczenia różnicy kursu o około 89% (względem rozwiązania bazowego dla surowych danych GPS i INS),

− zastosowanie wielomianu pierwszego stopnia pozwala na osiągnięcie wartości parametru dy na poziomie 0,21° z odchyleniem standardowym 0,11°, − zastosowanie wielomianu pierwszego stopnia poprawiło dokładność wyznaczenia parametru d y o około 98% (względem rozwiązania bazowego dla surowych danych GPS i INS).

Bibliografia 1. Angrisano A., Petovello M., Pugliano G., Benefits of combined GPS/GLONASS with low-cost MEMS IMUs for vehicular urban navigation, “Sensors”, 12, 2012, 5134–5158, DOI: 10.3390/s120405134. 2. Bevly D.M., Navigation for control of ground vehicles, Department of Mechanical Engineering, 5th Annual Summer Workshop, NDIA Intelligent Vehicles Symposium, 2006. 3. Bieda R., Grygiel R., Wyznaczanie orientacji obiektu w przestrzeni z wykorzystaniem naiwnego filtru Kalmana, „Przegląd Elektrotechniczny”, ISSN 0033-2097, R. 90, Nr 1/2014. 4. Cai C., Precise Point Positioning using dual-frequency GPS and GLONASS measurements, Dissertation thesis, University of Calgary, Canada, 2009. 5. Ciećko A., Grzegorzewski M., Ćwiklak J., Oszczak S., Grunwald G., Baber K., Wykorzystanie systemów satelitarnych w bezpiecznej nawigacji powietrznej, „Logistyka”, Nr 3, 2015. 6. Garguła T.: Rachunek wyrównawczy – przykłady opracowania ćwiczeń, Wydawnictwo GEODPIS Andrzej Jagielski, Kraków 2005. 7. Grygiel R., Bieda R., Wojciechowski K., Metody wyznaczania kątów z żyroskopów dla filtru komplementarnego na potrzeby określania orientacji IMU, „Przegląd Elektrotechniczny”, R. 90, Nr 9, 2014, 217–224, DOI: 10.12915/

pe.2014.09.52.

8. Osada E., Geodezja, Politechnika Wrocławska, Wrocław 2001. 9. Sanz Subirana J., Juan Zornoza J. M., Hernández-Pajares M., GNSS Data Processing, Vol. I: Fundamentals and Algorithms, ESA Communications, ESTEC, Noordwijk, Netherlands, 2013. 10. Schultz C.E., INS and GPS integration, MSc thesis. Technical University of Denmark, 2006. 11. www.uas.trimble.com, (listopad 2015).

Wyznaczenie kursu bezzałogowego statku powietrznego na podstawie danych GPS i INS

Estimation course angle for UAV based on GPS and INS data Abstract: For several years, increased interest in the use of unmanned aerial vehicles in photogrammetry and remote sensing can be easily observed. Low-budget unmanned platforms mostly use a relatively low-cost single frequency GPS and INS platforms (MEMS). Their integration allows to determination the orienta-tion parameters of unmanned aerial vehicle in the space. The article deals with the preliminary results of determine the course angle based on the same GPS data and identifies the difference of course using GPS and INS data. The article presents an algorithm determine the course angle and also describes in details the airborne experiment using Trimble UX5 platform. Based on the researches and the results ob-tained, it was found that the average difference of course angle based on raw GPS and INS equals to 0,21° with a standard deviation of 6,12°. Keywords: GPS, INS, course angle, standard deviation, Kalman filter

mgr inż. Kamil Krasuski

dr inż. Damian Wierzbicki

Absolwent Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie. Autor programu SciTEC Toolbox 1.0.0 (obecna wersja 1.5.0). Obszar zainteresowania: nawigacja, geodezja, geofizy-ka, programowanie, metody numeryczne. Od 2014: Zespół Technik Satelitarnych. Od 2015: Starostwo Powiatowe w Rykach – Wydział Geodezji, Kartografii i Katastru Nieruchomości.

Absolwent Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie. Obszar zainteresowania: cyfrowe przetwa-rzanie obrazów, fotogrametria lotnicza, teledetekcja.

kk_deblin@wp.pl

damian.wierzbicki@wat.edu.pl

•

NR 4/ 20 1 5

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 19, Nr 4/2015, 69–73, DOI: 10.14313/PAR_218/69

Kontroler lotu dla bezzałogowych obiektów latających Przemysław Strzelczyk, Krystyna Macek-Kamińska

Politechnika Opolska, Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki, ul. Sosnkowskiego 31, 45-272 Opole

Streszczenie: W artykule przedstawiono autorskie rozwiązanie kontrolera lotu przeznaczonego do

sterowania bezzałogowego obiektu latającego. Omówiono schemat blokowy i opisano podstawowe elementy układu sterowania oraz ich zasadę działania. Zaprezentowano wybrane elementy autorskiego systemu operacyjnego czasu rzeczywistego, odpowiedzialne za kontrolę urządzeń układu sterowania oraz komunikację bezprzewodową z układem kontroli lotu. Słowa kluczowe: kontroler lotu, układ sterowania, dron

1. Wprowadzenie Idea bezzałogowych obiektów latających nie jest nowa. Datuje się ją już na połowę 1800 r., kiedy Australijczycy wysłali po raz pierwszy wypełnione bombami balony w kierunku Wenecji. Znane z mediów pojęcie obiektu bezzałogowego jest w ostatnim czasie zastępowane słowem dron (ang. drone). Drony pojawiały się już w czasie I i II wojny światowej. Obecnie obiekty bezzałogowe zdominowały przemysł modelarski, filmowy i masowo wkroczyły do przemysłu zbrojeniowego. Odpowiednio zaprojektowany system stabilizacji lotu pozwala na bardzo precyzyjne nagrywanie obrazu nawet z dużych wysokości. Precyzyjne sterowanie obiektem latającym nawet w najbardziej sprzyjających warunkach atmosferycznych jest niemożliwe bez odpowiednio zaprojektowanego kontrolera stabilizacji lotu. Obiekty latające wyposażane są często w kamery termowizyjne, kamery o bardzo dużej rozdzielczości (kamery DARPA mają rozdzielczość do 1,8 Gpx). Dzięki temu możliwe jest fotografowanie szczegółów nawet z dużej odległości od obiektu. Kamery 3D pozwalają budować mapy przestrzenne wewnątrz i na zewnątrz budynków. Wojskowe drony często wyposażane są dodatkowo w różnego rodzaju uzbrojenie. Głównym atutem bezzałogowych obiektów latających jest szeroka gama ich wielkości, zależnie od planowanego zastosowania, oraz eliminacja zagrożenia życia załogi. Obecnie wiele ośrodków naukowych, zarówno państwowych jak i prywatnych, prowadzi badania dotyczące możliwości wykorzystania obiektów bezzałogowych w różnych dziedzinach życia. Ich układy sterowania coraz częściej wyposażane są w algorytmy sztucznej inteligencji, pozwalające na przykład na naukę podążania po wyznaczonej w przestrzeni trajektorii z umiejętnością samodzielnego omijania przeszkód terenowych [3]. Zaimple-

Autor korespondujący: Przemysław Strzelczyk, przemyslawstrzelczyk@gmail.com Artykuł recenzowany nadesłany 6.10.2015 r., przyjęty do druku 3.12.2015 r. Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

mentowane mechanizmy przetwarzania obrazu wraz z informacjami pochodzącymi z różnego typu czujników rozmieszczonych w obiekcie, przy zastosowaniu złożonych algorytmów ich interpretacji, umożliwiają analizę otoczenia i szybką reakcję na czynniki zewnętrzne. Prezentowana realizacja układu kontrolera lotu, bazującego na autorskim systemie operacyjnym czasu rzeczywistego, wymagała opracowania oprogramowania odpowiedzialnego za kontrolę urządzeń peryferyjnych, takich jak czujniki przyspieszenia, żyroskopy, generatory PWM itp., oraz algorytmów przetwarzających pozyskiwane dane. Konieczne było również przygotowanie oprogramowania pozwalającego na komunikację opracowanego układu ze światem zewnętrznym. Pożądane było również zaimplementowanie mechanizmów sprawdzających, czy kontroler nie wykonał nieprzewidzianej operacji i czy program działa prawidłowo. W artykule przedstawiono rozwiązania zastosowane w trakcie realizacji układu stabilizacji i kontroli lotu z wykorzystaniem autorskiego systemu operacyjnego i platformy Raspberry PI.

2. Budowa układu kontroli lotu Schemat blokowy układu kontroli lotu, bez uwzględnienia elementów peryferyjnych takich, jak czujnik GPS (ang. Global Positioning System), czujniki ultradźwiękowe, czujniki odległości itp., pokazano na rys. 1. Układ został podzielony na dwa moduły oznaczone symbolami PCB1 oraz PCB2. Jeden z nich kontrolowany jest przez dedykowany do sterowania elementami układu automatyki autorski system operacyjny czasu rzeczywistego, a drugi wykorzystuje powszechnie znany system Raspbian (dystrybucja systemu Linuks, przeznaczona na platformę Raspberry PI) [8]. Podczas budowy drona rozważano różne rozwiązania sprzętowe układu sterowania. Wybrano popularną platformę Raspberry PI. Głównym atutem tego rozwiązania jest bardzo niski koszt oraz niewielkie rozmiary. Zastosowane moduły wyposażone są w elementy takie, jak: złącza USB (ang. Universal Serial Bus), złącze HDMI (ang. High Definition Multimedia Interface), złącze RJ-45 oraz wyprowadzenia portów procesora. Minikomputer Raspberry PI w wersji 2 oparty jest na układzie Broadcom BCM2835 SoC, składającym się z procesora ARM11 o częstotliwości taktowania 700 MHz, GPU oraz 512 MB pamięci RAM [7]. Moduł zawiera niezbędną liczbę licz-

Kontroler lotu dla bezzałogowych obiektów latających

Rys. 2. Układ wymiany informacji między modułami PCB1 i PCB2 Fig. 2. Information exchange system between PCB1 and PCB2 modules

Końcowym elementem toru komunikacyjnego jest moduł PCB1. Moduł ten wyposażony został w autorski serwer WWW. Serwer WWW udostępnia serwis obsługujący zapytania z aplikacji webowej (aplikacji kontrolera lotu). Aplikacja ta wysyła oraz odbiera wszystkie komunikaty za pomocą technologii AJAX (ang. Asynchronous JavaScript and XML) [6]. Po odebraniu zapytania wysyła informacje o odpowiedniej strukturze do modułu PCB2.

Rys. 1. Schemat budowy układu kontroli lotu Fig. 1. Schematic structure of flight control system

ników sprzętowych pozwalających obsłużyć z dużą częstotliwością czujniki takie jak: akcelerometr, żyroskop oraz barometr. Moduł PCB2 odpowiedzialny jest za kontrolę lotu. Ma zaimplementowane oprogramowanie realizujące filtrowanie danych pomiarowych z czujników. Odczytane wartości są przeliczane na kąt nachylenia obiektu w stosunku do płaszczyzny Ziemi. Dane te następnie przekazywane są do regulatora PID obsługującego daną oś obrotu drona. Regulator odpowiada za dostosowanie sygnału wyjściowego do aktualnych warunków lotu, na które oprócz napędów śmigieł wpływają również warunki zewnętrzne, np. wiatr. Trajektoria lotu zadawana jest zdalnie przez operatora. Dobór nastaw parametrów regulatorów PID w realizowanym projekcie został przeprowadzony zgodnie z metodą Zieglera-Nicholsa. W układzie wymiany informacji (rys. 2) przewidziano możliwość zadania wartości kąta nachylenia w każdej osi obrotu. W opisywanym układzie za komunikację z otoczeniem odpowiada moduł PCB2. Moduł ten wykorzystuje interfejs UART (ang. Universal Asynchronous Receiver and Transmitter) do komunikacji z modułem PCB1. Implementacja w module sterującym dodatkowo komunikacji z konsolą operatora powodowała zbyt duże obciążenie modułu, a co za tym idzie, wydłużała czas realizacji algorytmu głównego. Każda komenda przesyłana interfejsem UART ma odpowiednią strukturę odpowiedzi lub ustawień parametrów. Struktura odpowiedzi uzupełniana jest w module PCB2 po przesłaniu zapytania z modułu PCB1. Przykładowo, jeśli występuje konieczność pobrania aktualnych wartości parametrów regulatora PID, to należy najpierw wysłać komendę zawartą w strukturze struct_cmd_query, a następnie oczekiwać na odpowiedź o strukturze struct_get_pid_values, zawierającej wartości wszystkich parametrów. Podczas projektowania mechanizmu wymiany danych zwrócono szczególną uwagę na różne wyrównania bajtów CPU (układ PCB1 i konsola operatora). Aby uzyskać poprawność i spójność danych zarówno podczas wysyłania jak i odczytu, wymuszono z góry zdefiniowane wyrównanie danych typów zgodnie z zasadą obowiązującą w procesorze modułu PCB1. Wymuszenie następuje po stronie układu PCB1, ponieważ założono, że oprogramowanie zastosowane w tym układzie, ze względu na swoją niskopoziomowość, pozwala na większe uprzywilejowanie i konfigurowalność sprzętu niż oprogramowanie konsoli operatora. Podczas przesyłania danych sprawdzana jest ich poprawność. W projekcie do sprawdzania poprawności transmisji wykorzystano kontrolę parzystości.

•

3. Sterowanie napędami Do płynnej regulacji prędkości obrotowej silników w układzie prototypowym zastosowano modulację szerokości impulsów PWM (ang. Pulse Width Modulation). Jest to metoda regulacji sygnału napięciowego lub prądowego o stałej amplitudzie i częstotliwości. Generowanie sygnału PWM może być realizowane programowo lub sprzętowo w mikrokontrolerze, a także za pomocą dedykowanego generatora sprzętowego bazującego na zewnętrznych urządzeniach komunikujących się z procesorem, np. z użyciem interfejsu I2C lub SPI.

Rys. 3. Zastosowany w prototypie zewnętrzny generator PWM zarządzany przez interfejs I2C Fig. 3. External PWM managed by the I2C interface used in the described prototype

W projekcie zastosowano zewnętrzny układ scalony, zawierający 16-kanałowy generator PWM o rozdzielczości 12 bitów (rys. 3). Taka rozdzielczość generatorów PWM jest wystarczająca do ustalania prędkości zastosowanych napędów. Komunikacja z generatorem realizowana jest za pomocą interfejsu I2C (ang. Inter-Integrated Circuit) Wybrany moduł ma bardzo małą masę (zaledwie 9 g) oraz niewielkie wymiary (62,5 mm × 25,4 mm × 3 mm). Możliwe jest jednoczesne podłączenie do magistrali I²C dwóch takich modułów. Sygnały PWM podawane są do regulatorów prędkości silników bezszczotkowych prądu stałego BLDC. (ang. Brushless DC Motor). Na schemacie blokowym (rys. 4.) moduł ten oznaczono jako ESC (ang. Electronic Speed ConA

•

NR 4/ 20 1 5

Przemysław Strzelczyk, Krystyna Macek-Kamińska

Rys. 5. Wygląd aplikacji pełniącej funkcję kontrolera lotu Fig. 5. Flight control application Rys. 4. Połączenie jednostek napędowych z modułem PCB2 Fig. 4. The connection of drive units and PCB2 module

troller). Do poprawnej obsługi zewnętrznego generatora PWM została utworzona specjalna klasa umożliwiająca wybór kanału, określenie adresu urządzenia, z którym realizowana jest komunikacja, ustalenie wartości współczynnika wypełnienia sygnału PWM dla każdego z kanałów wyjściowych oraz częstotliwości PWM. W pracy omawianym projekcie częstotliwość pracy generatora została ustalona na 400 Hz.

4. Komunikacja bezprzewodowa z konsolą operatora Jednym z kluczowych założeń projektu jest możliwość bezprzewodowej komunikacji z obiektem latającym z konsoli operatora. Łączność bezprzewodowa została zrealizowana w sposoby dwóch wariantach. Pierwszy sposób polega na sterowaniu za pomocą sieci Wi-Fi 2,4 GHz. Możliwość tę wykorzystuje się, jeśli obiekt latający jest w zasięgu takiej sieci. Moduł PCB1 otrzymuje zapytania z aplikacji pełniącej funkcję kontrolera lotu (rys. 5), za pomocą wbudowanego serwera WWW. Po ich przetworzeniu oraz sprawdzeniu poprawności odpowiednie komendy trafiają do modułu PCB2 i zostają wykonane. Aplikacja kontroli lotu pozwala na zamianę parametrów regulatora PID oraz na podgląd wielkości pomiarowych podczas lotu. Wyniki przedstawiane są w formie tekstowej i w postaci wykresów. Operator ma również możliwość podglądu obrazu przekazywanego z kamery zainstalowanej na obiekcie latającym, obsługiwanej przez moduł PCB1 w rozdzielczości HD (ang. High Definition). Ze względu na duże wymiary drona, wysoką prędkość obrotową śmigieł oraz relatywnie duży moment obrotowy urządzenie może stanowić zagrożenie dla operatora. W celu ograniczenia ryzyka wypadku wprowadzono trzy tryby lotu – początkujący, średniozaawansowany oraz ekspert. W pierwszych dwóch trybach wprowadzono ograniczenie mocy maksymalnej napędów. Zablokowana została również możliwość edycji parametrów regulatora PID oraz ograniczono dopuszczalne nachylenia obiektu wokół osi X i Y. Drugi sposób bezprzewodowego sterowania obiektem został uniezależniony od aplikacji kontrolera lotu. Sterowanie obiektu odbywa się za pomocą 9-kanałowej konsoli firmy Hitec. Urządzenie ma wbudowany moduł AFHSS 2,4 GHz. Konsola ma 12-bitową rozdzielczość we wszystkich kanałach. Odbiornik współpracujący z konsolą podłączono do modułu PCB2 za pośrednictwem interfejsu komunikacyjnego UART. Ruchy każdego z drążków sterujących zamieniane są na sygnał o stałej częstotliwości, a wartość nachylenia każdego drążka odpowiada odpowiedniemu współczynnikowi wypełnienia sygnału PWM w module PCB2. Przed rozpoczęciem pracy z aplikacją kontrolera lotu lub z konsolą sterującą, należy odpowiednio wprowadzić hasło operatora w aplikacji kontrolera lotu lub wykonać

zdefiniowaną kombinację przełączeń w aparaturze sterującej. W ten uniknięcia sposób dron jest chroniony przed niepowołanym dostępem.

5. Czujniki IMU Podstawowymi urządzeniami wchodzącymi w skład układu stabilizacji lotu są czujniki IMU (ang. Inertial Measurement Unit) – akcelerometr i żyroskop. Na podstawie wyników pomiarów uzyskiwanych z akcelerometru wyznaczane jest położenie przestrzenne obiektu, tj. kąt pochylenia i kąt przekręcenia. Podczas realizacji projektu zastosowano trzyosiowy akcelerometr ADXL345, który umożliwia jednoczesny pomiar wartości przyspieszeń w trzech osiach. Akcelerometr ten pracuje przy takich samych poziomach napięć sygnałów logicznych, na jakich pracują moduły z mikrokontrolerami. Zastosowany czujnik ma następujące zakresy pomiarowe: ±2g, ±4g, ±8g, ±16g oraz rozdzielczość zależną od stopnia czułości, w zakresie 10–13 bitów [1]. Dane wyjściowe z czujnika reprezentowane są w kodzie U2. W związku z tym, operacje dodawania i odejmowania są wykonywane tak samo, jak dla liczb w kodzie binarnym bez znaku, co pozwala ograniczyć liczbę realizowanych rozkazów [3]. Akcelerometr komunikuje się z mikrokontrolerem za pomocą interfejsu I²C. W celu ograniczenia poboru energii po stronie procesora odczytującego informacje z akcelerometru dane wyjściowe mogą być przechowywane w 32-poziomowej kolejce FIFO (ang. First In First Out). Dzięki zaimplementowanej kolejce FIFO procesor może odczytywać dane z mniejszą częstotliwością i tym sposobem zmniejsza zużycie energii. Zaletą wybranego urządzenia są jego małe wymiary: 3 mm × 5 mm × 1 mm [3]. Każde urządzenie wchodzące w skład systemu kontroli lotu powinno być odpowiednio małe i lekkie, co wpływa na wydłużenie lotu ze względu na mniejsze obciążenie drona. Żyroskop został wybrany przy uwzględnieniu takich samych kryteriów, jak w przypadku akcelerometru. Urządzenie wykonuje pomiary w trzech osiach. Ma również interfejs I²C. Pracuje na tych samych poziomach napięć, jak omówione wcześniej urządzenia. Kolejnym atutem są również jego małe wymiary: 12 mm × 25 mm × 3 mm [4]. Urządzenie zawiera również czujnik temperatury o 8-bitowej rozdzielczości. Wszystkie dane wyjściowe (zmierzone prędkości kątowe) przedstawiane są za pomocą słów 16-bitowych. Moduł ma trzy zakresy pracy: 250/500/2000 dps (ang. degree per second). Dodatkowo ma wbudowany rejestr tworzący kolejkę FIFO oraz cechuje się niskim poborem mocy [4]. Obsługę czujników w systemie zapewniają dwie klasy umożliwiające kalibrację przez: − zebranie określonej liczby próbek i ich uśrednienie oraz określenie poziomu odcięcia szumu, − pobranie zdefiniowanej liczby próbek oraz wybór urządzenia (w sytuacji gdy zainstalowanych jest kilka urządzeń IMU).

Kontroler lotu dla bezzałogowych obiektów latających

Rys. 6. Budowa filtra komplementarnego Fig. 6. Complementary filter scheme Rys. 7. Wynik działania filtra komplementarnego [5] Fig. 7. Complementary filter results [5]

Zastosowanie dwóch różnych typów urządzeń pozwala na korekcję błędów przy wykorzystaniu odpowiednich algorytmów filtrujących. W przypadku żyroskopu dryft zera powoduje systematyczną kumulację błędów odczytu wartości kąta, nawet gdy obiekt znajduje się w spoczynku. Z kolei akcelerometr podatny jest na błąd przesunięcia punktu zero (ang. zero-g bias level) [1]. Warto dodać, że poprawa dokładności ustalania pozycji następuje tylko wówczas, gdy obydwa urządzenia charakteryzują inne rodzaje błędów. [2]

odpowiedzialne za odczyt danych z czujników IMU. W przerwie między przerwaniami procesor przy udziale koprocesora przelicza wartości wszystkich kątów. Na rysunku 7. przedstawiono rezultat działania filtra komplementarnego. Kolorem zielonym oznaczono wartości kąta odczytane na podstawie akcelerometru, a kolorem niebieskim – z żyroskopu. Kolorem czerwonym pokazano sygnał po filtracji. Bez zastosowania algorytmu filtrującego sterowanie oraz stabilizacja układu nie byłyby możliwe.

6. Filtr komplementarny

7. Podsumowanie

W celu zapewnienia stabilności obiektu latającego konieczne jest ograniczenie poziomu zakłóceń wielkości pomiarowych. Jest to możliwe przez zaprojektowanie lub zaimplementowanie filtra realizującego fuzję i odpowiednią korekcję danych odczytanych z akcelerometru oraz żyroskopu. Najbardziej rozpowszechnione są filtry Kalmana, Madgwicka i zastosowany w omawianym projekcie filtr komplementarny. Zastosowanie filtra komplementarnego zostało podyktowane jego dobrą skutecznością przy małej złożoności obliczeniowej, dzięki czemu w znikomym stopniu obciąża mikroprocesor. Działanie filtra komplementarnego polega na połączeniu danych pochodzących z dwóch źródeł, przy jednoczesnym założeniu, że żadne z nich nie udostępnia idealnych odczytów. W przypadku wyznaczania kątów założenie to przedstawiono zależnością (1) [5]. angle = 0,98(angle + gyro·dt) + 0,02x_acc

W artykule przedstawiono projekt autorskiego kontrolera lotu przeznaczonego do sterowania bezzałogowych obiektów latających. Oprogramowanie stworzone na potrzeby niniejszego projektu pozwala operatorowi na zdalną konfigurację parametrów sterowania oraz podgląd wartości odczytanych z czujników. Sterowanie obiektem latającym zostało zrealizowane na dwa sposoby: za pomocą aplikacji pełniącej funkcję kontrolera lotu oraz za pomocą 9-kanałowej konsoli Hitec z wbudowanym modułem AFHSS 2,4 GHz. Wszystkie wymienione założenia projektowe zostały spełnione. Zastosowana architektura oprogramowania pozwala na dalszy rozwój i ewentualne wyspecjalizowanie w żądanym kierunku.

Bibliografia

(1)

1. Analog Devices, Digital Accelerometer Datasheet ADXL345, www.analog.com/static/importedfiles/data_ sheets/ADXL345.pdf, (27.06.2014). 2. Dobliński J., iMEMS-owe żyro, http://ep.com.pl/files/3159. pdf, (27.06.2014). 3. Hoffmann G.M., Huang H., Waslander S.L., Tomlin C.J., Quadrotor Helicopter Flight Dynamics and Control: Theory and Experiment, Navigation and Control Conference, South Carolina, 20–23 August, 2007. 4. MEMS motion sensor: 3-axis digital output gyroscope, www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00265057.pdf, (27.06.2014). 5. Van de Maele P., Reading a IMU Without Kalman: The Complementary Filter, www.pieter-jan.com/node/11, (27.06.2014). 6. Batra S., AJAX – Asynchronous Java Script and XML, University of Applied Science and Technology Salzburg ITS. 7. Broadcom Europe Ltd., BCM2835 ARM Peripherals, www.raspberrypi.org/wp-content/uploads/2012/02/ BCM2835-ARM-Peripherals.pdf, (27.06.2014). 8. Raspberry Pi Fundation, Raspbian Documentation, www. raspbian.org/RaspbianDocumentation, (25.11.2015).

gdzie: gyro – aktualna wartość prędkości kątowej odczytana z żyroskopu, x_acc – aktualna wartość kąta obliczonego na podstawie danych z akcelerometru, dt – odstęp między kolejnymi próbkami. Wartości liczbowe 0,98 oraz 0,02 oznaczają procentowy udział w wynikowej wartości zwróconej przez równanie (1) poszczególnych kątów obliczonych na podstawie odczytów z akcelerometru oraz żyroskopu. Filtr komplementarny składa się z dwóch elementów: filtra dolnoprzepustowego oraz filtra górnoprzepustowego. Filtr dolnoprzepustowy pozwala na korektę szybkozmiennych zakłóceń wprowadzanych przez akcelerometr [5]. Natomiast filtr górnoprzepustowy redukuje błędy wolnozmienne spowodowane dryftem żyroskopu. W opisywanym projekcie za obsługę filtra odpowiedzialna jest klasa CFilter. Została ona wyposażona w funkcje umożliwiające pobieranie bieżących wartości kątów w każdej z osi obrotu drona. Pobieranie danych i ich filtracja realizowane są w podprogramie obsługi przerwania. W ciele przerwania wykorzystywane są dwie metody klasy CFilter służące do aktualizacji informacji znajdujących się w jej wnętrzu. Generowanie przerwania odpowiedzialnego za filtrację zostało ustawione na taką samą częstotliwość, jak przerwanie

•

NR 4/ 20 1 5

Przemysław Strzelczyk, Krystyna Macek-Kamińska

Flight controller dedicated for unmanned flying objects Abstract: The article presents an original solution of construction the flight controller dedicated for unmanned flying objects. Block diagram has been attached and basic elements of the control system have been described. The principle of individual elements has been also described. Most important elements responsible for the control of the control system devices and wireless communication with the flight control system embedded in authorial RTOS have been presented. Keywords: flight controller, control system, drone

mgr inż. Przemysław Strzelczyk

dr hab. Inż. Krystyna Macek-Kamińska, prof. PO

Słuchacz studiów doktoranckich na wydziale Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki Politechniki Opolskiej – kierunek Automatyka i Robotyka. Pracuje jako specjalista ds. rozwoju oprogramowania w centrum R&D Nokia Networks.

Prorektor ds. dydaktyki na Politechnice Opolskiej. Zainteresowania naukowe dotyczą badań symulacyjnych i eksperymentalnych maszyn elektrycznych, metod estymacji parametrów silników indukcyjnych oraz zagadnień automatyzacji napędu elektrycznego.

przemyslawstrzelczyk@gmail.com

k.macek-kaminska@po.opole.pl

NR 4/2015

•

NR 4/ 20 1 5

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 19, Nr 4/2015, 75–78, DOI: 10.14313/PAR_218/75

Pomiary emisji elektromagnetycznej na stanowisku cięcia plazmowego Maciej Sadowski

Politechnika Białostocka, Wydział Elektryczny, Katedra Telekomunikacji i Aparatury Elektronicznej, 15-351 Białystok, ul. Wiejska 45D

Streszczenie: Urządzenia cięcia plazmowego są obecnie powszechnie wykorzystywane w wielu

procesach technologicznych związanych z wytwarzaniem konstrukcji metalowych. Są one także źródłem zakłóceń elektromagnetycznych. Mogą wpływać na kompatybilność elektromagnetyczną sąsiadujących urządzeń, doprowadzając, w przypadku przekroczenia wartości granicznych, do zakłóceń ich pracy. Z punktu widzenia przepisów o bezpieczeństwie i higienie pracy, emisje promieniowania elektromagnetycznego są także czynnikiem środowiskowym powodującym narażenia personelu obsługującego urządzenia. Z tej przyczyny ważne jest prowadzenie pomiarów emisji promieniowanych od urządzeń przemysłowych. W artykule omówiono problematykę promieniowania elektromagnetycznego emitowanego podczas pracy urządzeń do cięcia plazmowego. Przedstawiona została budowa plazmotronu (palnika plazmowego) oraz jego zasada działania. Przeprowadzone zostały pomiary emisji pola elektromagnetycznego podczas pracy przecinarki plazmowej na jej stanowisku roboczym. Wyniki pomiarów zostały zaprezentowane i przeanalizowane. Pozwoliły one sformułować wniosek, że występujące w trakcie cięcia plazmowego emisje pola elektromagnetycznego nie przekraczają wartości granicznych i nie powodują zagrożenia dla personelu obsługującego urządzenie. Słowa kluczowe: cięcie plazmowe, pole elektromagnetyczne, pomiary pól elektromagnetycznych, bezpieczeństwo i higiena pracy

1. Wprowadzenie

2. Zasada działania palników plazmowych

Podczas budowy konstrukcji metalowych powszechnie stosowane są procesy spawania oraz cięcia metali. Procesy spawania są dość często opisywane w literaturze technicznej, znacznie mniej publikacji dotyczy procesów cięcia metali. Obecnie na skalę przemysłową bardzo często stosowane są metody cięcia plazmowego. Palniki plazmowe (plazmotrony), podobnie jak wszystkie inne urządzenia elektryczne, powinny spełniać wymagania kompatybilności elektromagnetycznej, czyli nie wytwarzać szkodliwych pól elektromagnetycznych mogących zakłócić pracę innych urządzeń, oraz powinny być odporne na zakłócenia pochodzące od obcych pól elektromagnetycznych. Ważne jest, aby występujące pola elektromagnetyczne nie powodowały zagrożenia dla zdrowia obsługujących je pracowników. Jest to szczególnie istotne w środowiskach przemysłowych, gdzie pracownicy mogą być narażeni na promieniowanie od wielu źródeł.

Plazma, nazywana czasami czwartym stanem skupienia, jest silnie zjonizowaną materią przypominającym gaz. Szacuje się, że 99% wszechświata jest zbudowane z plazmy. Zewnętrzna warstwa atmosfery ziemskiej, zwana jonosferą ma postać plazmy. W warunkach ziemskich plazma występuje stosunkowo rzadko, np. podczas wyładowań burzowych. Może też być wytwarzana sztucznie przez człowieka. Rozróżnia się plazmę niskotemperaturową lub wyładowań elektrycznych (tak zwaną zimną) oraz plazmę wysokotemperaturową (gorącą) wytwarzaną podczas syntezy termojądrowej. W technice wykorzystuje się głównie plazmę zimną. Plazma jest elektrycznie obojętna, pomimo tego, że wewnątrz niej występują zarówno jony jak i obojętne elektrycznie atomy. Plazma przewodzi prąd elektryczny, ze względu na obecność dużej ilości jonów oraz swobodnych elektronów. Opór elektryczny plazmy maleje wraz ze wzrostem temperatury. Można wyróżnić trzy różne rodzaje zjawisk świetlnych występujących podczas przepływu prądu w plazmie: − tzw. prąd czarny, który nie emituje światła widzialnego, charakterystyczny dla prądów o małym natężeniu; − świecenie jarzeniowe, spowodowane przepływem prądów o większym natężeniu; − łuk elektryczny, powstający podczas przepływu dużych prądów. Plazma ma bardzo wiele zastosowań w technice. Ich aktualny przegląd przedstawiono w pracach [1, 2]. Jednym z zastosowań plazmy jest technologia cięcia metali. Źródłem ciepła topiącym metal jest wysokotemperaturowy łuk plazmowy jarzący się między elektrodą a obrabianym metalem. Plazma wytwarzana jest w pla-

Autor korespondujący: Maciej Sadowski, m.sadowski@pb.edu.pl Artykuł recenzowany nadesłany 21.10.2015 r., przyjęty do druku 2.12.2015 r. Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

Pomiary emisji elektromagnetycznej na stanowisku cięcia plazmowego

elektroda wolframowa Przecinarka plazmowa

dysza gazu ochronnego

Sonda HP19441

dysza gazu plazmowego

Analizator widma ZVH8 Sonda EMCO 6507

łuk plazmowy 3m

cięty materiał

Rys. 2. Konfiguracja stanowiska pomiarowego (PAC – przecinarka plazmowa) Fig. 2. Sketch of the test stand of the plasma arc cutting device

Rys. 1. Schemat konstrukcji palnika plazmowego Fig. 1. Principle of operation of the plasma torch

Zagadnienia kompatybilności elektromagnetycznej są uwzględniane w normach PN-EN 60974-10: Arc Welding Equipment, Part 10: Electromagnetic compatibility requirements oraz normie PN-EN 55011: Urządzenia przemysłowe i medyczne – Charakterystyki zaburzeń o częstotliwości radiowej. Dokumenty te definiują dwa rodzaje zaburzeń: przewodzone i promieniowane. Zaburzenia promieniowane powinny być mierzone dla częstotliwości powyżej 30 MHz, zaś zaburzenia przewodzone poniżej 30 MHz. Ze względu na ochronę pracowników przed elektromagnetycznym promieniowaniem niejonizującym wydane zostało Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Socjalnej z dnia 29 listopada 2002 r. w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy [8]. Dokument ten określa maksymalne dopuszczalne poziomy emisji promieniowanych na stanowisku pracy. Ich wartości są różne i zależne od wykorzystywanych częstotliwości. Pomiary pola elektromagnetycznego wytwarzanego przez przecinarkę plazmową zostały przeprowadzone podczas normalnej pracy urządzenia, na jego stanowisku roboczym. Do rejestracji widma częstotliwościowego został wykorzystany analizator widma Rohde Schwarz ZVH8 wraz z dwoma sondami pomiarowymi o znanych charakterystykach przetwarzania. Pomiary zostały przeprowadzone dla dwóch przypadków: w bezpośredniej bliskości palnika plazmowego oraz w odległości 3 m od urządzenia roboczego. W drugim przypadku jest to stosunkowo niewielka odległość. Nie można jej było zwiększyć ze względu na usytuowanie stanowiska pomiarowego – mała powierzchnia zakładu, bliskość sąsiednich budynków i ulicy. Konfigurację stanowiska pomiarowego przedstawiono na rys. 2. Pierwszym etapem badań było wstępne określenie zakresu częstotliwości, za pomocą pomiaru anteną logarytmiczno-periodyczną, w którym pojawiają się zakłócenia pola podczas pracy przecinarki plazmowej. Okazało się, że znajdują się one głównie w paśmie częstotliwości poniżej 30 MHz. Na podstawie tego zostały dobrane sondy pomiarowe. Pierwsza z nich to sonda elektryczna pola bliskiego HP19441B o zakresie częstotliwości roboczych od 9 kHz do 30 MHz. Pomiary tą sondą zostały wykonane w bezpośredniej bliskości strumienia plazmy (ok. 10 cm od dyszy palnika). Druga sonda to antena pomiarowa EMCO 6507 – pokrywa zakres częstotliwości od 1 kHz do 30 MHz. Umożliwia ona pomiar zarówno natężenia pola elektrycznego jak i magnetycznego. W pierwszej kolejności zmierzona została składowa elektryczna pola elektromagnetycznego za pomocą sondy umieszczonej w pobliżu łuku plazmowego. Pomiar wykonano sondą pola bliskiego HP19441B – wyniki przedstawiono na rys. 3. Widać, że pole ma charakter pola wieloczęstotliwościowego o dużej liczbie harmonicznych z zakresu częstotliwości 1–4 MHz. Natężenie pola osiąga wartości do 50 dB·µV/m (co odpowiada 316 µV/m).

zmotronie (palniku plazmowym). Plazmotrony mogą wytwarzać zimną plazmę o temperaturach rzędu 4–30 tysięcy kelwinów. Są one powszechnie stosowane w technice spawania i cięcia metali, w tym nietopliwych i trudnotopliwych. Budowane są dwa rodzaje plazmotronów – z łukiem wewnętrznym lub z łukiem zewnętrznym. W pierwszej konstrukcji łuk powstaje wewnątrz palnika między dwoma elektrodami. W drugim przypadku łuk powstaje między elektrodą wewnętrzną palnika i obrabianym materiałem, który stanowi drugą elektrodę – musi on być dobrym przewodnikiem elektrycznym. W taki sposób budowane są przecinarki plazmowe, wykorzystywane do cięcia metali. Są one określane jako urządzenia PAC (ang. Plasma Arc Cutting) [2, 3]. W palniku plazmowym (rys. 1) używane są dwa rodzaje gazów: gazy plazmowe i gazy osłonowe. Jako gazy plazmowe i osłonowe stosowane są z reguły tlen, azot, argon, mieszanka azot+tlen lub powietrze. Gaz osłonowy stosowany jest do schłodzenia dyszy palnika. Cięcie łukiem plazmowym wymaga zasilania z prostownikowych lub inwertorowych źródeł prądu stałego. Biegun ujemny podłączony jest do elektrody wewnętrznej (nietopliwej wykonanej z wolframu), zaś biegun dodatni do materiału obrabianego. Łuk plazmowy zawężany jest w czasie przechodzenia przez otwór dyszy plazmowej z elektrody w kierunku ciętego materiału. W efekcie gaz plazmowy, przepływając przez łuk elektryczny, nagrzewany jest gwałtownie do bardzo wysokiej temperatury i przyśpieszany do prędkości naddźwiękowych tworząc plazmę. Strumień plazmy wyrzucany z dyszy zawężającej palnika topi metal i wyrzuca go z dużą prędkością na zewnątrz szczeliny. Przed utworzeniem głównego łuku plazmowego może być wytwarzany pomocniczy łuk pilotażowy jarzący się między elektrodą i dyszą [2–4]. Duża gęstość energii cieplnej cechująca łuk plazmowy umożliwia prowadzenie cięcia z prędkościami dochodzącymi do 10 m/min. Prędkość cięcia oraz przebijalność blach zależy głównie od parametrów łuku plazmowego oraz rodzaju ciętego metalu [3]. Procesy generowania plazmy są dość złożone. Zależne są nie tylko od układów elektrycznych, ale także od konstrukcji mechanicznej urządzenia, doboru gazów i innych czynników. Obecnie podejmuje się próby symulacji numerycznej samego procesu cięcia plazmowego a także przecinarek plazmowych, w celu usprawnienia pracy urządzeń, optymalizacji składu gazów i ich przepływu oraz metod kształtowania strumienia tnącego [5–7]. Ich wyniki pozwalają na produkcję coraz doskonalszych urządzeń, charakteryzujących się bardzo dużą szybkością i dokładnością cięcia metali [5].

3. Pomiary pól elektromagnetycznych od urządzeń plazmowych Znajomość rozkładu pól elekromagnetycznych powstających podczas pracy urządzeń jest ważna z co najmniej dwóch względów: kompatybilności elektromagnetycznej oraz przepisów BHP.

•

NR 4/ 20 1 5

Maciej Sadowski Kolejne pomiary przeprowadzone zostały za pomocą anteny pętlowej EMCO 6507, usytuowanej w odległości 3 m od stanowiska z palnikiem plazmowym. Zmierzone zostały składowe elektryczna i magnetyczna pola, a konkretnie widmo częstotliwościowe natężenie pola elektrycznego i magnetycznego. Procedura pomiaru składała się z dwóch kroków. W pierwszym zmierzono promieniowanie tła (kolor niebieski), w celu określenia poziomów promieniowania bez pracującego palnika. W kroku drugim mierzono pole promieniowane podczas operacji przecinania metalu. Wyniki pomiaru pola elektrycznego przedstawiono na rysunkach 4 i 5. Pole elektryczne daje widmo multiharmoniczne, z wyraźnymi maksymalnymi wartościami dla harmonicznych w paśmie 1-4 MHz oraz częstotliwości 13,56 MHz i 27 MHz. Składowe promieniowania powyżej 30 MHz w zasadzie pokrywają się z promieniowaniem tła. Składowe o częstotliwościach poniżej 5 MHz związane są z inwerterowym układem zasilania palnika. Częstotliwość 13,56 MHz jest częstotliwością przeznaczoną do pracy urządzeń przemysłowych (tzw. częstotliwości ISM) i wykorzystywana jest w palnikach jako źródło sygnału w.cz. modulującego przepływ gazu. Maksimum w okolicach 27 MHz jest drugą harmoniczną tego sygnału. Widoczne jest, że włączenie urządzenia bez uruchomienia palnika wytwarza już znaczne pole, zaś po włączeniu palnika, pola zmienia się w nieznacznym stopniu. Jednakże natężenie pola elektrycznego jest znaczne i wynosi ok. 70 dB·µV/m (3,16 mV). Widoczne jest także, że włączenie palnika powoduje wzrost poziomu promieniowania o około

20 dB·µV/m. Na rys. 5 przedstawiono fragment powiększonego widma w zakresie częstotliwości do 2 MHz. Wyraźnie widoczna jest na nim wieloharmoniczna struktura pola. Zarejestrowane natężenie pola elektrycznego osiąga maksymalne wartości około 80 dB·µV/m (10 mV/m).

Rys. 3. Widmo częstotliwościowe natężenia pola elektrycznego w strefie bliskiej, pomiar sondą pola bliskiego Fig. 3. Spectrum of the electric component in the near field, measurement of the near field probe

Rys. 6. Widmo częstotliwościowe natężenia pola magnetycznego w odległości 3 m od palnika – pomiar w paśmie 0–10 MHz Fig. 6. Spectrum of the magnetic component in the distance 3 m from plasma arc cutting stand, measurement in the 0–10 MHz frequency band

Rys. 4. Widmo częstotliwościowe natężenia pola elektrycznego w odległości 3 m od palnika – pomiar w paśmie 0–30 MHz Fig. 4. Spectrum of the electric component in the distance 3 m from plasma arc cutting stand, measurement in the 0–30 MHz frequency band

Rys. 7. Widmo częstotliwościowe natężenia pola magnetycznego w odległości 3 m od palnika – powiększenie dla pasma 0–2 MHz Fig. 7. Spectrum of the magnetic component in the distance 3 m from plasma arc cutting stand, measurement in the 0–2 MHz frequency band

Rys. 5. Widmo częstotliwościowe natężenia pola elektrycznego w odległości 3 m od palnika – pomiar w paśmie 0–2 MHz Fig. 5. Spectrum of the electric component in the distance 3 m from plasma arc cutting stand, measurement in the 0–2 MHz frequency band

Pomiary emisji elektromagnetycznej na stanowisku cięcia plazmowego

Podziękowania

Na rysunkach 6 i 7 przedstawiono wyniki pomiarów widma częstotliwościowego natężenia pola magnetycznego w wybranych oknach częstotliwości. Podobnie jak składowa elektryczna ma ono charakter wieloharmoniczny, o harmonicznych dość szybko zanikających – powyżej 10 MHz promieniowanie zbliża się do poziomu tła, zaś dla częstotliwości około 30 MHz jest już z nim identyczne. Maksymalne wartości natężenia pola magnetycznego zarejestrowano dla składowych niskoczęstotliwościowych – około 55 dB·µA/m (560 µA/m). Widoczne są też wyraźne maksima w okolicach częstotliwości 5 MHz (około 37 dB·µA/m) i 8,7 MHz (około 20 dB·µA/m).

Publikacja została sfinansowana z pracy S/WE/1/2015, Wydział Elektryczny Politechniki Białostockiej.

Bibliografia 1. Szałatkiewicz J., Zastosowanie plazmy w technice – aktualne tendencje. „Pomiary Automatyka Robotyka” 2/2010, 17-20. 2. Stryczewska H. D., Technologie plazmowe w energetyce i inżynierii środowiska, Wyd. Politechniki Lubelskiej, Lublin 2009. 3. Kimpel A., Podręcznik spawalnictwa. T.1. Technologia spawania i cięcia. Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 2013. 4. Ramakrishnan S., Gershenzon M., Polivka F., Kearney T.N., Plasma generation for the plasma cutting process, “IEEE Trans. on Plasma Science” Vol. 25, Issue 5, October 1997, 937-946. 5. Jiayou Wang, Conghui He, Yunhua Yu, Feng Yang, Development of a novel pulsed arc system for precision plasma cutting, Int. Conf. on Mechatronics and Automation, ICMA 2009, 3426-3430. 6. Deli Jia, Jinsong He, Resarch on intelligent control strategy of plasma cutting process, 2010 Chinese Control and Decision Conference, CD-ROM Conference Proceedings, 3409-3413, DOI: 10.1109/CCDC.2010.5498585. 7. Kumar M.S., Dhanaseker B., Janardhana G.R., Paramasivam S., Numerical simulations of plasma behavior for different swirl angles of cut gas in plasma cutting torch, Proc. 2011 2nd Int. Conf. on Engineering and Industries, 167-172. 8. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Socjalnej z dnia 29 listopada 2002 r. w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy. Dz.U. nr 217 z 2002r., poz.1833 z późn. zmianami.

4. Podsumowanie Po analizie uzyskanych danych stwierdzono, że występujące poziomy emisji promieniowanych podczas cięcia palnikiem plazmowym znajdują się w zakresie częstotliwości poniżej 30 MHz. Maksymalne zmierzone poziomy wynoszą odpowiednio 80 dB·µV/m (10 mV/m) dla składowej elektrycznej i 55 dB·µA/m (570 µA/m) dla składowej magnetycznej. W rozporządzeniach dotyczących maksymalnych poziomów pól dla tych zakresów częstotliwości [8] dopuszczalne poziomy promieniowania na miejscu pracy wynoszą odpowiednio: 20 V/m dla pól elektrycznych i 267 mA/m. Są one wielokrotnie wyższe od zmierzonych wartości. Oznacza to, że praca na stanowisku z zastosowaną przecinarką plazmową jest bezpieczna i nie wprowadza zagrożenia dla zdrowia obsługi w kontekście obowiązujących przepisów prawnych. Należy jednak pamiętać, że w wielu przypadkach, przecinarki plazmowe są tylko jednym z kilku urządzeń mogącym emitować pole elektromagnetyczne. W takich przypadkach należy brać pod uwagę sumę pól od wszystkich źródeł znajdujących się w pobliżu danego stanowiska.

Measurements of electromagnetic emission on the Plasma Arc Cutting stand’s Abstract: Plasma cutting machines are now widely used in many technological processes involved in the

manufacture of metal structures. They are also a source of electromagnetic interferences. It may influence the electromagnetic compatibility of nearby devices, leading, in the case of exceeding limits, to disruption of their work. From the point of view of the occupational health and safety regulations’, emissions of electromagnetic fields are also factor causing exposure of operating personnel. For this reason, it is important to conduct measurements of radiated emissions from industrial equipment. The article discusses the issues of electromagnetic radiation emitted during operation of the plasma cutting machine. The construction of plasma torch and its principle of operation are presented. The measurement results of the emitted electromagnetic fields are presented and analyzed. The results lead to the conclusion that electromagnetic field emissions from plasma arc cutter are safe for technical personnel.

Keywords: plasma arc cutting, electromagnetic field, measurements of electromagnetic fields, occupational safety and health

dr inż. Maciej Sadowski m.sadowski@pb.edu.pl

Adiunkt w Katedrze Telekomunikacji i Aparatury Elektronicznej, Wydział Elektryczny Politechniki Białostockiej. Jego zainteresowania zawodowe obejmują radioelektronikę i radiokomunikację, a także zagadnienia kompatybilności elektromagnetycznej.

•

NR 4/ 20 1 5

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 19, Nr 4/2015, 79–86, DOI: 10.14313/PAR_218/79

Światowe trendy robotyki a wyzwania technologiczne polskich MŚP Joanna Kulik, Łukasz Wojtczak

Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP, Al. Jerozolimskie 202, 02-486 Warszawa

Streszczenie: Przedmiotem artykułu jest przedstawienie specyfiki robotyzacji małych i średnich

przedsiębiorstw (MŚP) produkcyjnych w Polsce. Omówione zostały wyzwania robotyki przemysłowej na rynku krajowym. Analizę przeprowadzono z punktu widzenia rzeczywistych wdrożeń i przeglądu polskiego rynku na tle światowych trendów rozwojowych i aktualnych kierunków rozwoju robotyki przemysłowej na świecie. Jednocześnie w artykule przedstawiona jest polemika dwóch opinii. Pierwsza z nich przedstawia polski rynek robotyki jako bliźniaczy do wzorców światowych, ale nieco zapóźniony oraz prezentuje ten temat pod innym kątem, z pominięciem pewnego etapu w rozwoju systemów produkcji. Druga opinia jest wynikiem obserwowanych praktycznych różnic już na etapie samej integracji systemów zrobotyzowanych, o czym również jest mowa w artykule. Słowa kluczowe: robotyzacja produkcji, roboty przemysłowe, MŚP, rynek robotyki przemysłowej

1. Globalne trendy w robotyce przemysłowej Mimo iż od czasu zainstalowania pierwszego robota przemysłowego na linii produkcyjnej w fabryce General Motors w Trenton w stanie New Jersey minęło ponad 50 lat [1], robotyka przemysłowa cały czas dynamicznie się rozwija, rozszerzając swoje możliwości i zakres zastosowań. Ciągłe zmiany zachodzące na rynku, presja konkurencji wymagająca zwiększania wydajności i podnoszenia jakości, skracanie cyklu życia produktów, przy jednoczesnym zwiększaniu asortymentu wyrobów, nowe materiały wymagające elastycznych zmian w procesie produkcji, rozwój technologii – to wszystko powoduje, że robotyka musi stale się zmieniać i rozwijać, by sprostać nowym wyzwaniom. Globalny popyt na roboty przemysłowe wyraźnie odzwierciedlają dane statystyczne. Według Międzynarodowej Federacji Robotyki IFR (ang. International Federation of Robotics), sprzedaż robotów przemysłowych w ciągu ostatnich 5 lat systematycznie rośnie i bije kolejne rekordy. Odnotowany12% wzrost w 2013 r. został pobity w 2014 r. Według ekspertów z IFR, około 205 tysięcy robotów miało zostać zainstalowanych na liniach produkcyjnych na świecie w 2014 r., co stanowi kolejny wzrost na poziomie 15%. Prognozy rozwoju tego rynku na świecie na kolejne lata są również optymistyczne.

Autor korespondujący: Łukasz Wojtczak, lwojtczak@piap.pl Artykuł recenzowany nadesłany 02.11.2015 r., przyjęty do druku 30.11.2015 r. Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

Szacuje się, że wzrost globalnej sprzedaży robotów przemysłowych będzie wynosił średnio 15% rocznie [2]. Dane dotyczące światowej sprzedaży robotów podkreślają niesłabnące zainteresowanie przedsiębiorstw produkcyjnych zakupem nowych robotów. Z drugiej strony, czołowi producenci robotów przemysłowych wprowadzają z roku na rok coraz bardziej inteligentne, doskonalsze modele. To wszystko wpływa na optymistyczny obraz rynku globalnej robotyki. Pierwszym zastosowaniem robotów była produkcja masowa; obecnie i ta tendencja się zmienia w kierunku robotyzacji produkcji małoseryjnej, a nawet jednostkowej. Z uwagi na to, zauważalny jest trend polegający na dodawaniu do robotów dodatkowych czujników, laserów skanujących, systemów wizyjnych i innych. Wyposażenie to sprawia, że roboty stają się coraz inteligentniejsze i mogą odpowiednio reagować na ciągłe zmiany środowiska, w którym pracują. Zmiany następują również w sposobie programowania robotów. Wszystko zmierza w kierunku uproszczenia tego procesu, np. przez demonstrację, której zadaniem jest uczenie robota. Jednym z najświeższych globalnych trendów jest wprowadzenie na rynek nowego typu robotów – współpracowników, asystentów człowieka. „Cobot” to nowe słowo określające ten innowacyjny rodzaj robotów, które mogą pracować „ramię w ramię” z człowiekiem. Organizacja EUROP (ang. European Robotics Technology Platform) już ponad 5 lat temu, w ramach strategii badawczej SRA dla europejskiego przemysłu robotycznego (ang. Strategic Research Agenda for Robotics in Europe), prognozowała wizję rozwoju robotyki przemysłowej w kierunku tzw. robotów współpracowników [3]. Analiza EUROP została przeprowadzona pod kątem przyszłych potrzeb rynkowych. Ten nowy typ robotów pojawił się na targach branżowych już w 2013 r., a obecnie na rynku, oprócz prekursora kierunku, firmy Universal Robots, oferuje je jeszcze kilku czołowych producentów tradycyjnych robotów przemysłowych.

Światowe trendy robotyki a wyzwania technologiczne polskich MŚP

Ważnym kierunkiem, który rozwijają już wszyscy czołowi producenci robotów, jest integracja robotów z systemami wizyjnymi. Postęp w tym obszarze w ostatnich latach nabrał dynamicznego tempa. Coraz wyższe wymagania co do dokładności i jednocześnie coraz krótsze serie produkcyjne sprawiają, iż stanowiska zrobotyzowane stają się coraz bardziej elastyczne. Robot w takiej aplikacji musi „czuć, widzieć”, bezbłędnie interpretować różnorodne sygnały i reagować na pracę w zmiennym środowisku. Kolejnym trendem jest postępująca miniaturyzacja sterowników robotów. Związane jest to w szczególności z potrzebami wynikającymi z rozwoju robotów humanoidalnych. Całkowita integracja kontrolera robota z jego ramieniem nie tylko zwiększy bezpieczeństwo, lecz z pewnością sprawi, że obsługa będzie łatwiejsza [6]. Dynamiczne zmiany nie dokonują się tylko w konstrukcji, oprogramowaniu, wyglądzie samych robotów, ale również w narzędziach i chwytakach. Małe i średnie przedsiębiorstwa muszą ciągle i szybko produkować w sposób innowacyjny (adaptacyjny) lub wprowadzać na rynek nowe, innowacyjne produkty. Tylko takie działanie pozwoli im funkcjonować i rozwijać się na globalnym, konkurencyjnym rynku. Odpowiedzią na coraz krótsze cykle produkcyjne, produkcję na indywidualne zamówienia różnego asortymentu wyrobów w krótkich seriach są nowoczesne chwytaki. Jako przykład innowacyjnego chwytaka adaptacyjnego można podać bioniczny chwytak DHDG firmy Festo. Zastosowane w tym chwytaku specjalne szczęki z funkcją Fin Ray Effect gwarantują odpowiednie chwytanie produktów o nieregularnych kształtach. Bioniczny system delikatnego chwytania (SoftGrip), przy minimalnej masie własnej i dużej dynamice pracy, zapewnia elastyczne, bezpieczne chwytanie delikatnych elementów o różnych kształtach i konturach [7].

Rys. 1. Robot z systemem wizyjnym Fig. 1. Robot with vision control system

W tradycyjnej robotyce przemysłowej chodziło głównie o odsunięcie człowieka od niebezpiecznego procesu produkcyjnego. Roboty w przemyśle są postrzegane przede wszystkim przez pryzmat ich zadań. Miały odciążyć człowieka od wykonywania prac monotonnych, powtarzalnych, np. przenosić ciężary, pracować w środowisku groźnym dla zdrowia i życia człowieka. W celu zapewniania bezpieczeństwa obsługi musiały być odseparowane od człowieka. Specjalne bariery wejścia w obszar pracy robota wraz z systemami alarmującymi były nieodłącznym elementem stanowisk zrobotyzowanych. Ze względu na charakter pracy w przemyśle, robot zawsze był uważany za maszynę silną i ciężką. Na tym tle można obecnie zauważyć, że współpraca między człowiekiem i robotem spowodowała zmiany, nie tylko w wyglądzie samych robotów (np. bardziej opływowy kształt ramienia) i ich wielkości, lecz przede wszystkim w zakresie wyposażenia w odpowiednio zintegrowane czujniki. Ich zadaniem jest detekcja sił zewnętrznych, które nie są wynikiem standardowej aktywności. Specjalne systemy wykrywające np. poziom nacisku zapewniają ograniczenie użycia siły w przypadku kolizji z człowiekiem. Roboty ze względów bezpieczeństwa dysponują niewielką siłą, są lekkie, zręczne i „wrażliwe”. Dzięki integracji układów sensorycznych, systemów bezpieczeństwa i lekkiej konstrukcji mogą z wyczuciem pracować w bezpośrednim kontakcie z człowiekiem. Przeznaczone są obecnie głównie do prac montażowych. Nowa „lekka” robotyka przemysłowa wprowadza również istotne zmiany w sposobie programowania manipulatora. Większość z dostępnych robotów współpracujących można programować przez bezpośrednie uczenie, czyli ręczne prowadzenie robota po trajektorii, jaką powinien później realizować. Dodatkowym czynnikiem wpływającym na atrakcyjność takiego rozwiązania jest możliwość pracy w małej przestrzeni produkcyjnej. Obecnie roboty te mają pewne ograniczenia w stosunku do swoich „starszych braci” – tradycyjnych robotów przemysłowych o podobnym udźwigu. Przede wszystkim pracują z kilkakrotnie mniejszymi prędkościami niż wersje tradycyjne. Cechuje je również nieco mniejsza dokładność oraz powtarzalność ruchów [4]. ABI Research opublikował niedawno raport zatytułowany „Collaborative Robotics: State of the Market/State of the Art”, z którego wynika, że w latach 2015–2020 rynek robotów współpracujących z ludźmi wzrośnie ponad dziesięciokrotnie – z 95 mln dolarów w roku bieżącym do ponad 1 mld dolarów w 2020 r. [5].

•

2. Specyfika robotyzacji przedsiębiorstw w Polsce Według ekspertów potencjał polskiego rynku robotyki to średnio 500–600 sztuk instalowanych robotów w ciągu roku. Potwierdzają to również dane statystyczne z ostatnich kilku lat. Poniżej przedstawiono wykres obrazujący liczbę pracujących robotów przemysłowych w Polsce w latach 1997–2012. Prezentowane na wykresie (rys. 2) dane statystyczne wykazują systematyczny wzrost liczby zainstalowanych robotów w krajowym przemyśle. Widać, że popyt na roboty nie słabnie, a z roku na rok wzrasta liczba robotów pracujących w zakładach produkcyjnych. Dynamika tego przyrostu jest nadal jednak niewielka. Nawet rekordowy w 2011 r. wzrost inwestycji w robotyzację (1108 zainstalowanych robotów w przemyśle) [8] nadal nie odpowiada na potrzeby polskich przedsiębiorstw produkcyjnych. Mimo iż aktualne dane statystyczne, jakimi dysponujemy sięgają 2012 r., można z dużym prawdopodobieństwem, na podstawie analizy trendu na przestrzeni ostatnich kilkunastu lat, czasu pracy (żywotności) robota, wysunąć wniosek, że obecna liczba zainstalowanych, pracujących robotów w Polsce oscyluje w okolicy 10 tysięcy. Na świecie stosowane są różne wskaźniki, które służą do oszacowania stopnia rozwoju robotyzacji w danym regionie. Powszechnie stosowanym wskaźnikiem, który określa rozwój/stopień nasycenia robotyzacji w danym regionie, jest tzw. gęstość robotyzacji (ang. robot density), określana jako liczba robotów przemysłowych przypadająca na 10 tysięcy zatrudnionych w zakładach przemysłowych [9]. Według dostępnych danych Międzynarodowej Federacji Robotyki IFR aktualny wskaźnik gęstości robotyza-

•

NR 4/ 20 1 5

Joanna Kulik, Łukasz Wojtczak

cji wynosi w Polsce 19 robotów [10]. To nadal dość skromny wynik w porównaniu choćby do naszych południowych sąsiadów, Czech czy Słowacji, nie mówiąc już o poziomie robotyzacji w Niemczech (260 robotów na 10 tys. zatrudnionych). Z przeprowadzonych rozmów i badań ankietowych wśród ekspertów, przedstawicieli producentów i integratorów robotów wynika, iż odbiorcami robotyki w Polsce są najczęściej duże firmy, w tym zagraniczne koncerny, mające fabryki na terenie kraju, średnie przedsiębiorstwa oraz, w mniejszym stopniu, małe rodzinne firmy. Obraz ten pokrywa się z wynikami ankiety przeprowadzonej przez „Control Engineering Polska” w marcu 2012 r. Według tego raportu, odbiorcami robotów są przede wszystkim oddziały międzynarodowych koncernów (92%), z kolei wśród polskich zakładów produkcyjnych najczęściej na zakup zrobotyzowanej aplikacji decydują się średnie przedsiębiorstwa (84%), nieco mniej dużych firm produkcyjnych jest nabywcą robotów (46%), natomiast tylko 15% małych przedsiębiorstw wprowadza automatyzację swojej produkcji poprzez zakup robotów przemysłowych [11]. Ze względu na temat niniejszej pracy uwaga poświęcona będzie głównie prezentacji specyfiki robotyzacji polskich MŚP. Na tym tle można podjąć próbę oceny rozwoju rynku podaży automatyzacji i robotyzacji Polski. Mimo iż w latach 70. XX w. w Polsce powstały pierwsze konstrukcje krajowych robotów, które następnie z sukcesem były wdrażane w przedsiębiorstwach, to pod koniec lat 90. roboty te nie wytrzymały próby czasu. Obecnie polscy przedsiębiorcy w robotyzacji swoich zakładów bazują na robotach zagranicznych producentów. Choć brak polskich firm produkujących roboty przemysłowe, bogata oferta zagranicznych dostawców zapewnia, iż każdy znajdzie urządzenie dopasowane do danego procesu produkcyjnego. Według ankiety przeprowadzonej w marcu 2012 r. przez miesięcznik „Control Engineering Polska”, dotyczącej rankingu najpopularniejszych marek robotów zainstalowanych w zakładach produkcyjnych w Polsce, na pierwszym miejscu uplaso-

Liczba sztuk

8000

7356

7000

6560

6000

4951

5000

4217

4000 3000 2000 1000

5452

1944 893 651 785 422 572

23772550

3009

3523

1160

0 rok Źródło: Opracowanie własne na podstawie danych GUS: Nauka i Technika w 2003 r., s.120, Nauka i Technika w 2004 r., s. 93; Nauka i Technika w 2005 r., s.191; Nauka i Technika w 2006 r., s.188; Nauka i Technika w 2007 r., s. 164; Nauka i Technika w Polsce w 2008 r., s. 236; Nauka i Technika w Polsce w 2009 r., s.455; Nauka i Technika w 2010 r., s. 359; Działalność innowacyjna przedsiębiorstw w latach 2009–2011, s. 90, Działalność innowacyjna przedsiębiorstw w latach 2010–2012, s. 104

Rys. 2. Liczba pracujących robotów przemysłowych w Polsce w latach 1997–2012 Fig. 2. Number of industrial robots working in Poland between 1997–2012

wały się roboty marki Fanuc (87% ankietowanych), na drugim ABB (62%), zaś kolejne pozycje zajęły roboty następujących firm: KUKA Roboter (37%), Mitsubishi (37%), Kawasaki Robotics (25%) i Panasonic (12%) [12]. Na podstawie wizyt w wielu polskich zakładach produkcyjnych warto do tej listy dopisać roboty firmy Comau, jak również Toschiba oraz Motoman. W Polsce rynek podaży robotów przemysłowych tworzą: przedstawicielstwa (oddziały bądź filie) międzynarodowych koncernów największych producentów robotów przemysłowych (m.in. ABB, KUKA, Fanuc), dystrybutorzy (dealerzy), firmy integratorskie oraz sprzedawcy robotów używanych [13].

Rys. 3. Robotyzacja spawania Fig. 3.Robots arc welding

Patrząc na przytoczone dane, dotyczące liczby robotów pracujących w zakładach produkcyjnych w Polsce, warto przybliżyć specyfikę polskiego rynku robotyki w świetle stanu robotyzacji światowej i formy rozwoju tej dziedziny w krajach wysokorozwiniętych. Nie jest tajemnicą, że Europa zachodnia oraz takie kraje jak Japonia, Korea Południowa, czy same Stany Zjednoczone swoją automatyzację i robotyzację budują na podwalinach wielu lat automatyzacji produkcji. Przez lata kraje wysokorozwinięte miały możliwość kreowania swojej produkcji – na samym początku przez mechanizację, później automatyzację, następnie szerokie wykorzystanie robotów przemysłowych, a kończąc na silnie akcentowanym obecnie nowym kierunku robotyki – „cobotyzacji” produkcji, czyli pracy człowieka z robotem ramię w ramię. Odbywa się to wszystko na budowanych przez wiele lat fundamentach technicznych i technologicznych produkcji, również z naciskiem na wykorzystanie tych procesów dla produkcji wielkoseryjnej, czy masowej. Warto podkreślić, że już na etapie projektowania produktu tworzono go z myślą o automatyzacji, a później robotyzacji. Jednocześnie, co równie ważne, przygotowanie elementów składowych do produktów finalnych odbywało się i nadal się odbywa w znakomitym stopniu w sposób zautomatyzowany, czy to z wykorzystaniem maszyn CNC, czy nawet z sięganiem do wcześniejszej technologii lub z wykorzystaniem mechaniki. Osiąga się w ten sposób wysoką powtarzalność elementów wsadowych, niezbędnych w dalszych etapach produkcji. Tak przygotowane detale są tym samym wdzięcznym materiałem wejściowym do dalszej automatyzacji i robotyzacji produkcji. Przykładowo, bardzo istotne dla operacji spawania jest dokładne przygotowanie podzespołów. Minimalne tolerancje wymiarowe elementów spawanych pozwalają na pewną swobodę w konstruowaniu przyrządów i prowadzeniu samego pro-

Światowe trendy robotyki a wyzwania technologiczne polskich MŚP

cesu spajania. Naleciałość historyczna naszego kraju nie dawała tak szerokich możliwości budowania fundamentu do robotyki w postaci mechanizacji, czy później automatyzacji produkcji. Regułą w krajach wysokorozwiniętych jest relatywnie wysoka cena pracy ludzkiej w porównaniu do koniecznych do poniesienia nakładów na zakup i instalację urządzeń wspomagających procesy produkcji. Warto dostrzec, iż ocena opłacalności inwestycji w robotykę, nawet nie uwzględniająca innych oszczędności niż tylko koszty pracy ludzkiej, była i jest nadal korzystna, ze względu na szybki okres zwrotu nakładów inwestycyjnych przedsiębiorstwa. Koszt eksploatacji maszyny był i jest nadal niższy niż pozostawienie na danym stanowisku człowieka. Nasuwa się pytanie o miejsce Polski na mapie, bardzo szeroko rozumianego sektora produkcji w Europie i na świecie? Wydaje się, że w znacznej części prawdziwym w dyskusji będzie głos, że produkcja masowa, w jej dosłownym rozumieniu, odnajduje się w dużej jej części na mapie krajów wysokorozwiniętych. Bardzo dobrze wyposażony park maszynowy, wypracowane procedury i kultura techniczna pozwalają w optymalny ekonomicznie sposób prowadzić produkcję masową, w którą doskonale wpisuje się relatywnie prosta robotyzacja. Jej pewna prostota polega na sprawdzonych rozwiązaniach bazujących na podzespołach i elementach wsadowych tworzonych w technologiach, które gwarantują wytwarzanie elementów w sposób powtarzalny. Tym samym, dla uzyskania dobrej ceny wyrobu finalnego nie jest przeszkodą relatywnie droga siła robocza, gdyż jej udział w samym procesie produkcji jest niewielki. Podstawą są maszyny i urządzenia. W Polsce, jak i w każdym kraju UE, koszt zakupu robota czy innego urządzenia technicznego, jest niemal taki sam (przy założeniu, że udział siły roboczej dla produkcji masowej nie podraża kosztów wyrobu jednostkowego). To powoduje, że kraje wysoko rozwinięte decydują się właśnie prowadzić produkcję wyrobów średniej i wysokiej techniki (skomplikowanych w nadzorze) na własnym terenie. Przy takiej produkcji ważny jest bezpośredni nadzór nad procesem, który łatwiej realizować w pobliżu siedziby firmy.

biorców, wizyty w znacznej liczbie zakładów pozwalają wysunąć ostrożny wniosek, że Polska jest dostawcą, producentem detali, elementów, czy podzespołów, które w krajach rozwiniętych (o wysokich kosztach pracy) trudno jest produkować taniej. Przyczyną takiego zjawiska może być fakt, iż w przypadku produkcji jednostkowej czy małoseryjnej znaczący jest udział pracy ludzkiej. Racjonalne jest więc działanie, w którym na terenie krajów rozwiniętych wytwarza się to, co jest najbardziej opłacalne, w przypadku produkcji małoseryjnej czy jednostkowej będzie to finalny montaż wykwalifikowanym personelem przy użyciu zaawansowanych technologicznie urządzeń. Z kolei to, co w siedzibie producenta najtrudniejsze i najbardziej kosztochłonne, jest wykonywane na zasadach outsourcingu w krajach rozwijających się, w tym w Polsce. W tak przedstawiony obraz produkcji przemysłowej w Polsce, wpisuje się aktywność krajowych integratorów robotyki przemysłowej. Powszechne jest, że nawet jeśli dany światowy producent lokuje w Polsce linię produkcyjną do rzadkości należy, by za jej wyposażenie odpowiadały krajowe firmy. Zdarza się również, że przywożone są całe, gotowe linie instalowane już siłami polskich inżynierów. Tu warto zauważyć, że czasami nie są to rozwiązania specjalnie nowoczesne, a raczej te, których obsługa w kraju z wysoką ceną roboczogodziny już się nie opłaca, czy to ze względu na poziom ich awaryjności, wiekowość rozwiązań, czy po prostu zbyt duży udział drogiej pracy ludzkiej, który zaburza ekonomiczny rachunek i sens utrzymania danej produkcji w pierwotnej siedzibie. Istniejący w Polsce przemysł produkcji dóbr masowych pozostaje najczęściej w rękach koncernów, które, budując w Polsce zakłady, czasami przenoszą wcześniej eksploatowane już linie technologiczne wymagające znacznego udziału pracy ludzkiej. Trzeba jednak zauważyć, że taka sytuacja będzie trwać, dopóki stawki płac w Polsce będą dużo niższe w relacji do poziomu wynagrodzeń u naszych zachodnich sąsiadów.

3. Produkcja małoseryjna szansą polskich MŚP, ale wyzwaniem dla robotyzacji Nasuwa się pytanie, jak wygląda, w świetle przedstawionych argumentów, specyfika robotyzacji krajowej? Jednym z podnoszonych już wątków jest to, iż raczej skupia się ona na produkcji małoseryjnej i jednostkowej. Realnymi barierami w takim przypadku dla robotyzacji są jednak: brak powtarzalności produktu, jego częste zmiany i konieczność dostosowywania się do wymagań odbiorcy, przy zachowaniu czasem bardzo wysokich wymagań technicznych. To jest właśnie wyzwanie, przed którym stają krajowi integratorzy. Przedsiębiorca, dążąc do stabilizacji jakości produkcji, podniesienia jej wydajności i obniżenia kosztów, w sposób naturalny szuka pomocy u integratora. Integrator, przy obecnym stanie wiedzy, czasem nie ma możliwości, by osiągnąć cel inwestora mieszcząc się w budżecie przewidzianym na dany projekt. Stabilność produkcji wymaga dopracowania procesu na jego wcześniejszych etapach, na co potrzeba czasu, a może zdarzyć się, że taki realnie potrzebny okres na wprowadzenie poprawnego, sprawdzonego i ekonomicznie wydajnego procesu byłby krótszy niż czas życia docelowego produktu. Poza faktem, że produkcja jest często małoseryjna lub wręcz jednostkowa, bardzo ważnymi są kwestie zaplecza technicznego, jakim obecnie dysponuje polski przedsiębiorca. Choć należy podkreślić, że nawet rodzime firmy już coraz częściej dysponują bardzo nowoczesnym parkiem maszynowym – to duża zasługa funduszy unijnych. Aczkolwiek nadal w Polsce można łatwo znaleźć zakład produkcyjny, w którym produkcja odbywa się z zastosowaniem przestarzałej technologii i w dużej mierze przy użyciu rąk ludzkich. To z kolei jest przyczyną, dla której

Rys. 4. System komunikacji chwytaka na robocie Fig. 4. Gripper communication system on the robot

Gdzie w tak przedstawionym procesie produkcji jest miejsce dla istniejącego w naszym kraju przemysłu? Pod tym pojęciem, zgodnie z ideą artykułu, rozumiemy polskie MŚP, będące w rękach najczęściej krajowych właścicieli, realizujących produkcję własnymi zasobami, a nierzadko i technologiami. Warto zauważyć, że w relatywnie dużym stopniu są oni poddostawcami firm globalnych. Szczęśliwie, firmy zachodnie lokują produkcję nie tylko w Chinach. Spotkania z wieloma setkami przedsię-

•

NR 4/ 20 1 5

Joanna Kulik, Łukasz Wojtczak

elementy, które potem są przedmiotem pracy robota, mogą być mało dokładne. I chodzi tu zarówno o elementy np. do spawania (szczególnie detale obrabiane plastycznie, które są przyczyną błędów wykonania), jak i paletyzacji (np. ręcznie napełniane i zszywane worki z produktami), czy nawet montażu (ręcznie wykrawane, docinane elementy) itp. [14]. Podsumowując, warto podkreślić, że poziom jakości, dokładności przygotowana detali, jako elementów składowych pod proces robotyzacji, jest w pewnej części niewystarczający. Przekłada się to na większe nakłady na etapie wdrożenia w pełni wydajnej zrobotyzowanej linii produkcyjnej. Zdarza się, że również serwis urządzeń, już zakupionych przez rodzimego producenta, liczony w euro za godzinę, stanowi znaczny koszt eksploatacji robota, co wpływa na opłacalność takiej inwestycji [15]. Przed jakimi zatem wyzwaniami stoi krajowy rynek robotyki? Podzespoły są relatywnie drogie, produkcja z założenia jest mniej przyjazna robotyzacji ze względu zarówno na wolumen jak i techniczne oraz technologiczne przygotowanie elementów. Budowa instalacji spełniającej wysokie wymagania jest zadaniem relatywnie trudnym i wymaga najwyższych umiejętności technicznych, organizacyjnych i technologicznych. W praktyce takie stanowiska muszą być elastyczne, adaptowalne i reagujące na zmienne otoczenie, muszą również akceptować niedokładność detali, która wynika z wcześniejszej obróbki a także pozostałych wad powstałych w procesach przygotowawczych. Obraz krajowej robotyki często bywa niesatysfakcjonujący – do nieprzygotowanego procesu próbuje się zainstalować robota z myślą, że to nowoczesne urządzenie będzie receptą na wcześniej powstałe niedoskonałości i przyczyni się do uzyskania produktu końcowego wyższej jakości. Należy patrzeć oczywiście na to szerzej, nie tylko na zadania samej produkcji, np. montażu, spawania, malowania, ale też np. na transport międzyoperacyjny. Robotyzacja nie jest uniwersalną receptą na te problemy, może być raczej traktowana jako finalny element procesu produkcji, który spina poprzednie, najlepiej prawidłowe technologicznie procesy w sprawnie funkcjonujący technicznie i ekonomicznie organizm. Z drugiej strony obserwujemy wśród przedsiębiorców większą świadomość, potrzebę zmiany istniejącej sytuacji, czemu sprzyja silna współpraca z odbiorcami z krajów rozwiniętych, którzy stawiają wysokie wymagania jakościowe. Przyczyny rosnącej popularności robotyzacji wśród krajowych MŚP wydają się być dwojakie. Pierwsza, oczywista – to ekonomia. Mimo znaczących kwot inwestycji, jeśli zrobotyzowana aplikacja jest zrealizowana profesjonalnie, staje się opłacalna. Drugi ważny aspekt to prestiż powiązany z jakością produkcji. Coraz większego znaczenia nabiera odbiór firmy i jej wyposażenie przez potencjalnych klientów. Te dwa czynniki wydają się być decydujące w podejmowaniu pozytywnej decyzji o robotyzacji produkcji. Podkreślić przy tym warto, że na obecnym etapie robotyka krajowa przeżywa proces upowszechniania się. Jest to czasem okupione nieco większym wysiłkiem krajowych integratorów włożonym w proces budowania stanowisk i wyprowadzania na nich technologii danego procesu. Ciekawostką na tym tle jest to, że w Polsce stanowiska zrobotyzowane wyposażane są w znaczną liczbę urządzeń peryferyjnych – czujniki, kamery, systemy korekty spoiny itp., które umożliwiają manipulatorowi odnaleźć się w zmiennej rzeczywistości produkcyjnej. Powyższe tezy są pewnym głosem w dyskusji na temat krajowego rynku robotyki. Jak pokazuje doświadczenie, prawda o zapotrzebowaniu polskiego przemysłu na robotyzację, o funkcjonowaniu rodzimego rynku integratorów i rynku robotyki przemysłowej leży gdzieś między twierdzeniem, że „rozwój robotyki w przemyśle przebiega podobnie jak w krajach rozwiniętych tylko że później i wolniej”, a tezami przedstawio-

nymi w artykule, z którego wynika, że przeskoczyliśmy jednak pewien etap dojrzewania technologicznego i z pełnym optymizmem wkraczamy na mało spenetrowane obszary robotyzacji produkcji małoseryjnej, zmiennej, z dużymi niedokładnościami elementów/procesów wsadowych.

Rys. 5. Czyszczenie palnika Fig. 5. Welding torch cleaning

4. Nietypowa Robotyka jako inspiracja dla krajowych MŚP W dalszej części rozważań, z krajową robotyką w tle, przedstawione zostaną przykłady wdrożeń nietypowych, zrealizowane poza granicami naszego kraju, które mogą być materiałem wyjściowym, inspiracją dla krajowych MŚP. Coraz tańsze elementy automatyki w relacji do rosnącego kosztu pracy, maksymalizacja uniwersalności i możliwości stosowanych manipulatorów sprawiają, że roboty pojawiają się tam, gdzie nie spodziewalibyśmy się ich spotkać. W obszarach zarezerwowanych do chwili obecnej dla człowieka i jego zmysłów tak z ekonomicznego, jak i technicznego punktu widzenia. Wszędzie tam, gdzie trzeba widzieć, adaptować się i czuć proces, by wykonywać go w sposób prawidłowy [16]. Kilka przykładów obrazuje, że obszary z pozoru mało podatne na robotyzację doskonale się jej poddały, gwarantując inwestorom zarówno zwrot inwestycji, jak i osiągnięcie zakładanych parametrów – powtarzalności procesu, utrzymania jakości oraz poprawy bezpieczeństwa pracowników. Skupiając się na konkretach, podróż po robotyce innej, nietypowej można rozpocząć od rzeźni. Tradycyjnie roboty mogą pracować przy pakowaniu gotowych elementów, szczególnie umieszczonych w jednakowych już opakowaniach. Ale przedstawione wdrożenie, choć nie jest nowością, cały czas zasługuje na uwagę ze względu na swój niepowtarzalny i wciąż innowacyjny charakter. Roboty pracujące przy podziale tusz wieprzowych są ubrane w fartuchy, które z jednej strony chronią je przed środowiskiem, z kolei produkt – przed zanieczyszczeniem. Innowacją projektu jest to, że produkt jest mniej lub bardziej, ale jednak niepowtarzalny. Podwieszony transporter utrzymuje tusze w ruchu, podczas gdy przejeżdżają one przez strefę obsługiwaną przez roboty. Tu zastosowano pierwszy system: współpracę robota z transporterem, który usprawnia pracę robota z ruchomym produktem. W tym czasie laserowy system obmierza każdą z tusz w trzech wymiarach,

Światowe trendy robotyki a wyzwania technologiczne polskich MŚP

archiwizując dokładne dane na temat wymiarów i kształtów powierzchni każdej tuszy z osobna. Wdrożenie okazało się możliwe dzięki zastosowaniu zaawansowanych systemów laserowej detekcji kształtu i możliwości adaptacji robotów, tak na poziomie generowania pojedynczej, niepowtarzalnej ścieżki ruchu, jak i właściwie dobranych narzędzi. Podkreślić należy, że wprawdzie w halach produkcyjnych stosowane są aplikacje do pracy z różniącymi się detalami, jednak tu na uwagę zasługuje użycie skanowania 3D do generowania „obrazu” absolutnie niepowtarzalnego, biologicznego bytu. Można wysunąć wniosek, że tworzenie indywidualnej ścieżki trajektorii ruchu robota, na podstawie oceny rzeczywistego elementu, jest coraz intensywniej rozwijanym kierunkiem robotyzacji, który pozwala na stosowanie robotów w obszarach do chwili obecnej dla nich niedostępnych. Kolejnym, wartym odnotowania, zastosowaniem robota przemysłowego jest pomiar temperatury ciekłego metalu za pomocą termopary jednorazowej. Praca człowieka przy piecu, w którym znajduje się płynne żeliwo o temperaturze rzędu 1400 °C, musi budzić pewne emocje oraz zrozumiałą troskę o pracownika. Pomiar temperatury wspomnianą metodą w praktyce przeprowadza się przez manipulowanie termoparą zamontowaną na długim pręcie w celu umieszczenia jej w miejscu pomiaru. Zastosowany robot jest dodatkowo ubrany w rękaw ochronny, który chroni manipulator. Rękaw taki izoluje od wpływu ciepła jak i chroni ruchome elementy robota przed zanieczyszczeniami. Rosnące wydajności maszyn produkcyjnych wymuszają coraz bardziej dynamiczną kontrolę produktu, często na wielu etapach produkcji. Odpowiedzią na to zapotrzebowanie są coraz szybsze i wydajniejsze systemy wizyjne. W przypadku, gdy kontrolowany detal nie jest produkowany w masowej ilości, ale jego kontrola musi być bardzo dokładna, przebiegać z różnych kierunków i w różnych odległościach od elementu, najlepszym rozwiązaniem wydaje się robot z systemem wizyjnym. W zrealizowanym wdrożeniu rozwiązaniem okazała się kamera zamontowana na ramieniu robota współpracującego z jednoosiowym stołem obrotowym, stanowiącym dodatkową oś manipulatora. Stół pozwala na obrót detalu dla zajęcia optymalnej pozycji przez robota. Pewnym wyzwaniem w integracji instalacji były wymagania delikatnego obchodzenia się z precyzyjnym sprzętem wizyjnym zamocowanym na ramieniu robota. Alternatywą dla takiego wdrożenia byłoby umieszczenie szeregu kamer, część z nich na niewielkich manipulatorach, które obejmowałyby wymagany obszar pomiarowy. Jednak okazało się, że przy wymaganej wydajności procesu byłoby to rozwiązanie droższe i nie tak uniwersalne w kontekście przyszłej produkcji, jak zastosowanie robota przemysłowego. Kolejnym ciekawym przykładem wdrożenia, gdzie już na stałe w proces wpisują się roboty przemysłowe, jest aplikacja spawania. Przytoczony tu przykład jednak obrazuje nieco inną stronę tego obszaru robotyzacji. Prowadzony projekt spawania z wykorzystaniem technologii hybrydowej – plazma plus tradycyjny MIG/MAG, daje obiecujące wyniki. Metoda pozwala na spawanie blach o grubości nawet do 20 mm jednym przejściem z prędkością rzędu 0,8 m/min. Wymaga to oczywiście wprowadzenia w materiały łączone ogromnej ilości energii cieplnej, co w powiązaniu z wagą palnika i żądaniem dokładności jego prowadzenia, silnie ogranicza możliwość prostego spawania „z ręki”. Dla spoin prostych można wesprzeć się popularnymi na rynku traktorkami spawalniczymi, ale to bardzo mocne ograniczenie metody, gdy np. chcielibyśmy pospawać przenikające się rury. Roboty do tej pracy nadają się idealnie. Jest to przykład, jak wprowadzanie jednej technologii – spawania hybrydowego – wymusza wprowadzanie

•

Rys. 6. Spawanie hybrydowe z użyciem plazmy Fig. 6. Plazma hybrid MIG/MAG welding

kolejnych narzędzi do jej obsługi, tu akurat robotów przemysłowych. Przedstawione przykłady stanowią źródło inspiracji dla kolejnych wdrożeń, w szczególności dla MŚP, gdzie do chwili obecnej taka technologia nie była brana pod uwagę. Rozwój techniki pomiarowej, wizyjnej i oczujnikowania pozwala sądzić, że w przyszłości będzie coraz więcej bardzo ciekawych wdrożeń w miejscach, które na chwilę obecną nie poddają się robotyzacji.

5. Przewidywane ścieżki /kierunki robotyzacji polskich MŚP Na tle przedstawionych argumentów wydaje się, że w miarę wzrostu zamożności polskiego społeczeństwa, która jest efektem podnoszenia się poziomu wynagrodzeń, kierunki automatyzacji i robotyzacji krajowych MŚP będą się sukcesywnie zbliżać do wzorców zachodnich. Przewaga produkcji małoseryjnej, jednostkowej, występujące niedokładności elementów/procesów wsadowych do robotyzacji wpływają na częstość przezbrojeń stanowisk, konieczność stosowania znacznej liczby przyrządów spawalniczych i programów pracy manipulatorów. Jednak perspektywy są optymistyczne, w najbliższym czasie krajowe rozwiązania robotyczne nie będą odbiegały od aplikacji popularnych w krajach bardziej rozwiniętych technologicznie. W ten nurt wpisuje się również coraz lepsze usprzętowienie krajowych firm produkcyjnych, co owocuje stopniowym wzrostem jakości detali/procesów do obsługi przez roboty. względem związku z tym wydaje się, że nastąpi spadek zapotrzebowania na instalowanie dużej liczby czujników, kamer itp. Wartym odnotowania jest również fakt, że coraz silniej rysuje się, także na rynku krajowym, zapotrzebowanie na coboty (roboty współpracujące z człowiekiem). Ten kierunek wydaje się być dominującym zarówno na rynkach światowych robotyki, jak i Polski goniącej w tym zakresie kraje bardziej rozwinięte. Tak wytyczona droga może stać się jedyną alternatywą właśnie dla krajowych małych i średnich przedsiębiorstw. Roboty coraz śmielej będą wchodziły w przestrzeń człowieka i współpracowały z nim w większym wymiarze. Będzie tak najpewniej nie tylko w robotyce przemysłowej, ale również społecznej, gdzie manipulatory, roboty będą coraz silniej kooperować z człowiekiem w codziennym życiu. Jest to oczywiście „pieśń przyszłości”, ale nie można oprzeć się wrażeniu, że jesteśmy w przededniu znaczących przemian przemysłu, usług, może nawet szerzej

•

NR 4/ 20 1 5

Joanna Kulik, Łukasz Wojtczak

– kontaktów międzyludzkich, w które z coraz większą swobodą wkraczają automatyka i robotyka [17]. Obecna współpraca robotów i ludzi na jednym stanowisku jest ograniczona do manipulatorów o małych udźwigach, pracujących z niewielkimi prędkościami. Nadal bardzo trudnym (nieopłacalnym na granicy technicznych możliwości wykonania) zadaniem do zrealizowania jest praca obok siebie człowieka i robota o udźwigu np. 1000 kg. Tu bariery są duże i, wydaje się, nieprędko zostaną usunięte. Notowany jest oczywiście postęp w zakresie rozwoju, czy to samych konstrukcji robotów, z naciskiem na zmniejszenie energochłonności ich pracy, skrócenie czasu cyklu czy otoczenia manipulatorów (czujniki, systemy wizyjne). Rozwiązania realizowane obecnie w robotyce mogły być wdrożone już na znacznie wcześniejszym etapie rozwoju. Od początku istnienia roboty spawały, zgrzewały, przenosiły, malowały i realizowały inne czynności, które wykonują również obecnie. Zmianą znaczącą jest rozwój cobotów, który przyczynia się do powstawania na naszych oczach nowych obszarów zastosowań robotów przemysłowych. Rosnące wymagania klientów i globalna konkurencja

Rys. 7. Przykład automatyzacji Fig. 7. Automation device expample

to czynniki, które powodują konieczność szybkiego reagowania MŚP na nowe potrzeby. Polskie przedsiębiorstwa, aby sprawnie działać na globalnym rynku, muszą oferować konkurencyjne produkty. Liczy się jakość, czas, wydajność, indywidualne podejście do klienta i innowacyjny produkt, i tu zastosowanie cobotów wydaje się idealnym rozwiązaniem. Podsumowując warto zauważyć, że robotyka krajowa ma szansę bardzo specyficznego rozwoju, który z jednej strony korzysta z rozwiązań gotowych (same roboty przemysłowe nie są produkowane w Polsce), z drugiej – sposób ich wykorzystania wystawia jak najlepsze świadectwo krajowym firmom integra-

torskim, które talentem inżynierów realizują prace pozwalające odbiorcom ich usług (rodzimym firmom produkcyjnym) na konkurowanie na niełatwym międzynarodowym rynku. Drugim, wartym odnotowania wnioskiem może być stwierdzenie, że w bardziej lub mniej odległej przyszłości ścieżką rozwoju robotyzacji będzie integracja robotów o coraz większym udźwigu ze środowiskiem pracy współdzielonym z ludźmi. Jest to obecnie raczkujący kierunek, ale liczący się producenci robotów mają w ofercie produktowej modele o minimalnym udźwigu przeznaczone właśnie do takiej kooperacji. Jest najpewniej kwestią czasu, że postęp technologiczny sprawi przyczyni się do tego, że obok człowieka stanie robot o udźwigu 1000 kg. Ponadto, robot z pewnością będzie w sposób inteligentny adaptował się do otoczenia i realizował prace o skomplikowanej „trajektorii” używając adekwatnych sił w relacji człowiek–robot, zapewniających bezpieczną pracę człowieka w tym duecie.

Bibliografia 1. [www.ifr.org/uploads/media/History_of_Industrial_ Robots_online_brochure_by_IFR_2012.pdf], pobrane 25.09.2015. 2. [ww.ifr.org/industrial-robots/statistics/], pobrane 01.10.2015. 3. [www.eurosfaire.prd.fr/7pc/doc/1286200019_g44_geoffpegman.pdf], pobrane 17.07.2015. 4. Kulik J., Ramię w ramię z robotem. Jak współpraca robotów i ludzi ukształtuje robotykę przyszłości, „Automatyka”, Nr 9/2015, 102–103. 5. [www.abiresearch.com/press/collaborative-robotics-market-exceeds-us1-billion-/], pobrane 11.08.2015. 6. Kukiełka K., Różańska-Walczuk M., Robotyka przemysłowa dziś i jutro, „Pomiary Automatyka Robotyka”, Nr 11/2014, 22–27. 7. [www.festo.com/net/pl_pl/SupportPortal/default. aspx?q=DHDG&tab=2&s=t#result], p obrane 12.09.2015. 8. GUS, Działalność innowacyjna przedsiębiorstw w latach 2009-2011, 90. 9. Zdanowicz R., Robotyzacja procesów wytwarzania, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2007, 20. 10. [ w w w . m a g a z y n p r z e my s l ow y. p l / z a r z a d z a n i e - i -rynek/Robotyzacja-przemyslu-dlaczego-Polska-niewykorzystuje-swojej-szansy,5517,1], pobrane 20.09.2015. 11. Raport: Polski rynek robotów i manipulatorów, Robotyka stosowana, „Control Engineering Polska”, Nr 3 (86), kwiecień 2012, 48. 12. Control Engineering Polska, Raport: Polski rynek robotów i manipulatorów, Robotyka stosowana, Nr 3 (86), kwiecień 2012, 48 13. Raport: Robotyka przemysłowa, „Magazyn Przemysłowy”, Nr 1 (78), 2008, 13–14. 14. Pilat Z., Pachuta M., Hylla R., Kubica J., Funkcjonalność i efektywność ekonomiczna zrobotyzowanego ukosowania blach, „Przegląd Spawalnictwa”, Nr 1/2014, 43–49. 15. [www.money.pl/gospodarka/wiadomosci/artykul/niskie-koszty-pracy-juz-nie-wystarcza-polska,139,0,1924491. html], pobrane 20.10.2015. 16. Wojtczak Ł., Łamiemy schematy robotyki, „Automatyka”, Nr 6/2015, 34–39. 17. [http://naszeblogi.pl/45881-w-fabrykach-europy-polskitani-robol-zastapi-roboty], pobrane 30.09.2015.

Światowe trendy robotyki a wyzwania technologiczne polskich MŚP

World Trends in Robotics and Technical Challenges of Polish SME’s Abstract: This article presents a specific way of robotization of manufacturing SME’s in Poland. There are

introduced challenges for industrial robotics in Polish market. The analysis was conducted from the perspective of real implementation and review of the Polish market on the background of global development trends and current directions of development of industrial robots worldwide. We also show a discussion between two opinions; the first one tells that in Poland robotics market is similar to the best worldwide patterns, and the second one which shows that robotization in Poland had lost some steps – they are missed. The second attitude results in practical differences already in robotic systems integration itself, which is also mentioned in the article.

Keywords: industrial robotics, industrial robots, SME, market of industrial robotics

mgr inż. Joanna Kulik

mgr inż. Łukasz Wojtczak

Absolwentka Wydziału Inżynierii Produkcji Politechniki Warszawskiej. Zainteresowania zawodowe koncentrują się wokół robotyzacji krajowych małych i średnich firm produkcyjnych, oraz coraz popularniejszej ostatnio dziedziny szybkiego prototypowania, włącznie z wykorzystaniem technologii wydruków 3D.

Ukończył studia na Wydziale Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej. Aktywność zawodowa koncentruje się wokół zagadnień automatyzacji i robotyzacji krajowych firm produkcyjnych, w szczególności w obszarach procesów mniej podatnych na automatyzację i robotyzację.

jkulik@piap.pl

lwojtczak@piap.pl

•

NR 4/ 20 1 5

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 19, Nr 4/2015

Informacje dla Autorów Za artykuł naukowy – zgodnie z Komunikatem Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego z dnia 29 maja 2013 r. w sprawie kryteriów i trybu oceny czasopism naukowych – należy rozumieć artykuł prezentujący wyniki oryginalnych badań o charakterze empirycznym, teoretycznym, technicznym lub analitycznym zawierający tytuł publikacji, nazwiska i imiona autorów wraz z ich afiliacją i przedstawiający obecny stan wiedzy, metodykę badań, przebieg procesu badawczego, jego wyniki oraz wnioski, z przytoczeniem cytowanej literatury (bibliografię). Do artykułów naukowych zalicza się także opublikowane w czasopismach naukowych opracowania o charakterze monograficznym, polemicznym lub przeglądowym, jak również glosy lub komentarze prawnicze.

Wskazówki dla Autorów przygotowujących artykuły naukowe do publikacji Artykuły naukowe zgłoszone do publikacji w kwartalniku naukowotechnicznym Pomiary Automatyka Robotyka powinny spełniać następujące kryteria formalne: – tytuł artykułu (nieprzekraczający 80 znaków) w języku polskim oraz angielskim, – imię i nazwisko Autora/Autorów, adres e-mail, afiliacja (instytucja publiczna, uczelnia, zakład pracy, adres), – streszczenie artykułu (o objętości 150–200 słów) w języku polskim oraz angielskim, – słowa kluczowe (5–8 haseł) w języku polskim oraz w języku angielskim angielskim, – zasadnicza część artykułu – w języku polskim (lub w j. angielskim), – podpisy pod rysunkami w języku polskim oraz w języku angielskim, – tytuły tabel w języku polski oraz w języku angielskim, – ilustracje/grafika/zdjęcia jako osobne pliki w formacie .eps, .cdr, .jpg lub .tiff, w rozdzielczości min. 300 dpi, min. 1000 pikseli szerokości, opisane zgodnie z numeracją grafiki w tekście.

Artykuł powinien mieć objętość równą co najmniej 0,6 arkusza wydawniczego, nie powinien przekraczać objętości 1 arkusza wydawniczego (40 000 znaków ze spacjami lub 3000 cm2 ilustracji, wzorów), co daje ok. 8 stron złożonego tekstu. W przypadku artykułów przekraczających tę objętość sugerowany jest podział na części. Nie drukujemy komunikatów! Do artykułu muszą być dołączone notki biograficzne wszystkich Autorów (w języku artykułu) o objętości 500–750 znaków oraz ich aktualne fotografie. Redakcja zastrzega sobie prawo dokonywania skrótów, korekty językowej i stylistycznej oraz zmian terminologicznych. Przed publikacją autorzy akceptują końcową postać artykułu.

System recenzencki PAR Redakcja przyjmuje wyłącznie artykuły oryginalne, wcześniej niepublikowane w innych czasopismach, które przeszły etap weryfikacji redakcyjnej. Autorzy ponoszą całkowitą odpowiedzialność za treść artykułu. Autorzy materiałów nadesłanych do publikacji są odpowiedzialni za przestrzeganie prawa autorskiego. Zarówno treść pracy, jak i zawarte w niej ilustracje, zdjęcia i tabele muszą stanowić dorobek własny Autora, w przeciwnym razie muszą być opisane zgodnie z zasadami cytowania, z powołaniem się na źródło. Oddaliśmy do dyspozycji Autorów i Recenzentów System Recenzencki, który gwarantuje realizację tzw. podwójnie ślepej recenzji. Przesyłając artykuł do recenzji należy usunąć wszelkie elementy wskazujące na pochodzenie artykułu – dane Autorów, ich afiliację, notki biograficzne. Dopiero po recenzji i poprawkach sugerowanych przez Recenzentów artykuł jest formatowany zgodnie z przyjętymi zasadami. W przypadku zauważonych problemów, prosimy o kontakt z Redakcją.

Kwartalnik naukowotechniczny Pomiary Automatyka Robotyka jest indeksowany w bazach BAZTECH, Google Scholar oraz INDEX COPERNICUS (ICV 6,38), a także w bazie naukowych i branżowych polskich czasopism elektronicznych ARIANTA. Punktacja MNiSW za publikacje naukowe wynosi 4 pkt (poz. 1618). Przyłączając się do realizacji idei Otwartej Nauki, udostępniamy bezpłatnie wszystkie artykuły naukowe publikowane w kwartalniku naukowotechnicznym Pomiary Automatyka Robotyka.

INFORMACJE DLA AUTORÓW

Oświadczenie dotyczące jawności informacji o podmiotach przyczyniających się do powstania publikacji Redakcja kwartalnika naukowotechnicznego Pomiary Automatyka Robotyka, wdrażając politykę Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego odnoszącą się do dokumentowania etycznego działania Autorów, wymaga od Autora/Autorów artykułów podpisania przed przyjęciem artykułu do druku druku w kwartalniku oświadczenia zawierającego: 1. informację o udziale merytorycznym każdego wymieniowego Autora w przygotowaniu publikacji – celem jest wykluczenie przypadków tzw. „guest authorship”, tj. dopisywania do listy Autorów publikacji nazwisk osób, których udział w powstaniu publikacji był znikomy albo w ogóle nie miał miejsca. 2. informację o uwzględnieniu w publikacji wszystkich osób, które miały istotny wpływ na jej powstanie – celem jest: – potwierdzenie, że wszystkie osoby mające udział w powstaniu pracy zostały uwzględnione albo jako współautorzy albo jako osoby, którym autor/autorzy dziękują za pomoc przy opracowaniu publikacji, – potwierdzenie, że nie występuje przypadek „ghostwriting”, tzn. nie występuje sytuacja, w której osoba wnosząca znaczny wkład w powstanie artykułu nie została wymieniona jako współautor ani nie wymieniono jej roli w podziękowaniach, natomiast przypisano autorstwo osobie, która nie wniosła istotnego wkładu w opracowanie publikacji;

Redakcja na mocy udzielonej licencji ma prawo do korzystania z utworu, rozporządzania nim i udostępniania dowolną techniką, w tym też elektroniczną oraz ma prawo do rozpowszechniania go dowolnymi kanałami dystrybucyjnymi.

3. informację o źródłach finansowania badań, których wyniki są przedmiotem publikacji – w przypadku finansowania publikacji przez instytucje naukowo-badawcze, stowarzyszenia lub inne podmioty, wymagane jest podanie informacji o źródle środków pieniężnych, tzw. „financial disclosure” – jest to informacja obligatoryjna, nie koliduje ze zwyczajowym zamieszczaniem na końcu publikacji informacji lub podziękowania za finansowanie badań.

Zapraszamy do współpracy Poza artykułami naukowymi publikujemy również materiały informujące o aktualnych wydarzeniach, jak konferencje, obronione doktoraty, habilitacje, uzyskane profesury, a także o realizowanych projektach, konkursach – słowem, o wszystkim, co może interesować i integrować środowisko naukowe. Zapraszamy do recenzowania/ polecania ciekawych i wartościowych książek naukowych.

Umowa o nieodpłatne przeniesienie praw majątkowych do utworów z zobowiązaniem do udzielania licencji CC-BY Z chwilą przyjęcia artykułu do publikacji następuje przeniesienie majątkowych praw autorskich na wydawcę. Umowa jest podpisywana przed przekazaniem artykułu do recenzji. W przypadku negatywnych recenzji i odrzucenia artykułu umowa ulega rozwiązaniu.

Redakcja kwartalnika Pomiary Automatyka Robotyka nauka@par.pl

Zasady cytowania Podczas cytowania artykułów publikowanych w kwartalniku naukowo-technicznym Pomiary Automatyka Robotyka prosimy o podawanie nazwisk wszystkich autorów, pełną nazwę czasopisma oraz numer DOI, np.:

Zagórowska M., Optymalizacja parametryczna regulatora niecałkowitego rzędu typu PDa, „Pomiary Automatyka Robotyka”, R. 19, Nr 4/2015, 5–14, DOI: 10.14313/PAR_218/5.

•

NR 4/ 20 1 5

czasopisma

pomiary

sprawdzian

miara

POLSPAR

automatyka PIAP eksperyment

innowacyjność

www

artykuły

seminarium

kalendarium

szkolenie

kwartalnik staż

federacja

nauka

publikacje

automatyka

stowarzyszenie

HORIZON 2020 książki innowacje organizacja projekt konkurs

robotykatest konferencje

POLSPAR

publikacje

relacja

dr h.c.

AutoCAD streszczenie

agencja kosmiczna

Top500 innowacje

IFAC

ZPSA

zapowiedź

profesura

relacja

szkolenie

doktorat

recenzje

POLSA

seminarium

sterowanie

związek

esa

szkolenie

•

NR 4/ 20 1 5

ORGANIZACJE I STOWARZYSZENIA

International Measurement Confederation IMEKO is a non-governmental federation of 40 Member Organisations individually concerned with the advancement of measurement technology. INTERNATIONAL MEASUREMENT CONFEDERATION IMEKO today International Measurement Confederation IMEKO is a non-governmental federation of national measurement-related organisations and institutions from 40 countries: Albania, Austria, Belgium, Brazil, Bulgaria, Canada, China, Congo, Croatia, Czech Republic, Egypt, Finland, France, Germany, Greece, Hungary, Italy, Jamaica, Japan, Kazakhstan, Kenya, Nigeria, Poland, Portugal, Romania, Russia, Rwanda, Serbia, Slovakia, Slovenia, South Africa, South Korea, Spain, Sweden, Switzerland, Thailand, Turkey, Uganda, United Kingdom, and United States. The principal objectives of IMEKO are related to the promotion of international exchange of scientific and technical information in the field of measurement science and instrumentation technology and the enhancement of international co-operation among scientists and engineers, both from research and industry, being active in this field. IMEKO is run by three governing bodies – the General Council, the Advisory Board, and the Technical Board – and by the board of officers. Their duties are defined in the IMEKO Constitution and By-laws available in the section Downloads of the IMEKO website located at the address http://www.imeko.org/. Roughly speaking, governing bodies are responsible for the strategic planning of the IMEKO activities, while the officers – for everyday management of that organisation. The General Council is the supreme governing body of IMEKO. It consists of one or two delegates from each Member Organization (MO); each MO has, however, only one vote. The Advisory Board nominates officers for election and formulates recommendations to the General Council on general policy, long-term planning, relations with international organisations, publication activities and procedural matters and guidelines. The Technical Board oversees the activities of IMEKO technical committees, in particular – it takes decisions about the events (conferences, symposia, workshops, etc.) organised by those committees. The 2015 convention of the IMEKO governing bodies took place in Prague on August 28–30, 2015. Its programme included the annual meetings of those bodies and of the Editorial Board of the journal Measurement. The General Council, i.a., appointed the new officers for the term of office 2015–2018 (their names are listed in Table 1). The principal forms of IMEKO activity are world congresses, held every three years, and events organised by

IMEKO technical committees (listed in Table 2) in the years between two consecutive congresses. The recent World Congress of IMEKO was held in Prague Congress Centre from August 31 to September 4, 2015, under the heading Measurement in Research and Industry. It was attended by 515 participants from 47 countries; 47 Polish participants constituted the second largest national group among them. The Congress programme comprised 420 presentations, including 7 plenary lectures and 195 posters. The next World Congress of IMEKO will be held in Belfast (United Kingdom) on September 3–7, 2018. Concise history of IMEKO The history of IMEKO, presented is this section, has been based on the archival documents of IMEKO, in particular – on the 1983 manuscript authored by György Striker1, the 1

György Striker, The IMEKO story in its early years, Budapest 1983, 54 pages.

ORGANIZACJE I STOWARZYSZENIA

Table 1. Board of IMEKO officers for the term of office 2015–2018 President:

Kenneth T. V. Grattan (United Kingdom)

Vice-President in Charge of XXII World Congress:

Ron Summers (United Kingdom)

Vice-President for Publications:

vacant

Vice-President for External Relations:

Yon-Kyu Park (South Korea)

President-Elect, Chairman of the Technical Board:

Masatoshi Ishikawa (Japan)

Chairman of the Advisory Board, Past President:

Pasquale Daponte (Italy)

Treasurer:

Roland Collay (France)

Secretary General:

Zoltán Zelenka (Hungary)

Information Officer:

godfather of IMEKO and its Secretary General in the period 1958–1983. The birth of IMEKO in 1958 was in some way implied by the increase of interest in measurement and control technologies, following the spectacular development of their applications – on both sides of the Atlantic Ocean – during the World War II and the decade of aerospace experiments. Measurement-related conferences started to attract steadily growing attendance, among them two cyclic conferences, organised in Stockholm and in Budapest. At the closing session of the 1956 Budapest conference, a motion was accepted to merge both events and organise in various countries, in regular intervals, the International Measurement Conference. The next step was a meeting of an initiative group, arranged in Budapest on October 24, 1957. That group was composed of the representatives of three prime organisations: – Valentin O. Arutiunov (Director of the Mendeleev Metrological Institute in Leningrad) – the representative of the All-Union Scientific-Technical Society of the Instrument Industry in the Soviet Union; – Jan Obalski and Henryk Trebert (Professors of Warsaw University of Technology) – the representatives of the Section for Measurement and Fine Mechanics of the Society of Mechanical Engineers in Poland; – György Striker (Director of the Institute for Measurement and Instrumentation of the Hungarian Academy of Sciences) and Peter Honti (Vice-President of the Hungarian National Office of Measures) – the representatives of the Scientific Society of Measurement and Automation in Hungary.

Dirk Röske, Germany

The initiative group prepared an invitation letter in three languages (English, Russian and German) which was distributed all over the world among the societies and institutions potentially interested in the International Measurement Conference; the first bulletin of that conference (dated May 15, 1958) was enclosed to the invitation letter. In another circular letter, addressed to prominent individuals, participation in the Presidential Council of the Conference was offered, which 42 invitees from 14 countries accepted by August 15, 1958. As the result of those preparations, the first International Measurement Conference took place in Budapest (in the Festival Hall of the Hungarian Trade Union Council) on November 24–26, 1958. During that conference the Presidential Council decided to organise the second International Measurement Conference in 1961; for this purpose, the International Preparatory Committee for IMEKO 1961 was established. The preliminary list of its members is the first document containing the acronym “IMEKO”2, used ever since as the name of the organisation. At its first meeting in February 1960, the International Preparatory Committee for IMEKO 1961 accepted the invitation of the Hungarian Scientific Society of Measurement and Automation to hold the conference once more in Budapest, and adopted a provisional constitution of IMEKO, called Procedural Principles. During its second meeting in January 1961, the committee accepted the programme of the IMEKO 1961 Conference which took place half a year later. The committee broadly opened the door 2

This acronym is derived from the German name of the organisation, viz.: Internationale Messtechnische Konföderation.

Table 2. Technical committees of IMEKO

TC1

Education and Training in Measurement

TC7

Measurement Science

TC2

Photonics

TC8

Traceability in Metrology

TC3

Measurement of Force Mass and Torque

TC9

Flow Measurement

TC4

Measurement of Electrical Quantities

TC10 Technical Diagnostics

TC5

Hardness Measurement

TC11

Metrological Infrastructures

TC6

Vocabulary Committee

TC12

Temperature and Thermal Measurements

•

NR 4/ 20 1 5

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 19, Nr 4/2015

for new organisations; as a result of this policy, the Instrument Society of America became a member of IMEKO, and the Deutsche Messtechnische Gesellschaft, founded in the German Democratic Republic, took over the membership status from a temporary national committee set up in that country in 1958. The latter event was to spark off the establishment of a number of new societies in the field of measurement science and technology (i.a., in Australia, Austria, Belgium, China, the Federal Republic of Germany, France, India, Japan, New Zealand, and Yugoslavia). For the same purpose, the International Preparatory Committee for IMEKO 1961 adopted a resolution concerning the admission of three working languages (English, Russian and German) with a rather expensive addition of tri-lingual simultaneous interpretation. The effectiveness of that move cannot be properly assessed from the today’s perspective: one should realise that till the end of the 1970s, English was much less known in Europe than today, while Germen was used by very many people of the Central-European countries, and Russian was taught in all the schools of communist countries. A good illustration for this statement can be the appended copy of a letter in German, sent by the Polish Committee for Measurements and Automation (PKPA) to the Secretariat of IMEKO in 1965. The tri-lingual simultaneous interpretation was a real challenge for the organisers of early IMEKO events, especially when a speaker – by courtesy – changed the language during his speech as it happened, for example, during the 1964 IMEKO Conference held in Stockholm, when the György Striker, Secretary General, started his report in English, continued in French, German and Russian, and finished in English… Since the second IMEKO Conference was a spectacular success, the Permanent International Preparatory Committee was established with a task to organise further conferences in the regular three-year intervals. IMEKO was in some way recognised on the international forum not only by international participants of the conference, but also by two international organisations – the non-governmental International Federation of Automatic Control (IFAC) and the inter-governmental Organisation Internationale de Métrologie Légale (OIML) whose representatives addressed the audience during the Opening Session. The Permanent International Preparatory Committee not only prepared the IMEKO 1964 Conference, but also contributed to a significant development of the whole organisation. The measurement-related organisations form Italy, Japan and from the United Kingdom joined IMEKO in 1962, from Germany in 1964; in 1965, IMEKO federated already 14 Member Organisations (MOs). In 1963, a permanent secretariat of IMEKO was established

TC13

Measurements in Biology and Medicine

Table 3. IMEKO Presidents György Striker

Hungary

1958–1971

Sam S. Carlisle

United Kingdom

1973–1976

Valentin V. Karibsky

Soviet Union

1976–1979

Tilo Pfeifer

Germany (West)

1979–1982

Ludvik Kuhn

Czechoslovakia

1982–1985

George Toumanoff

United States

1985–1988

Meng Zhaoqian

China

1988–1991

Giuseppe Zingales

Italy

1991–1994

Olli Aumala

Finland

1994–1997

Kozo Iizuka

Japan

1997–2000

Manfred Peters

Germany

2000–2003

Leo van Biesen

Belgium

2003–2006

António da Cruz Serra

Portugal

2006–2009

Dae-Im Kang

South Korea

2009–2012

Pasquale Daponte

Italy

2012–2015

Kenneth T. V. Grattan

United Kingdom

2015–2018

in Budapest with a task to draft a constitution for IMEKO. The document Constitution and By-Laws (in three languages), ratified by all MOs, was unanimously adopted by the Permanent International Preparatory Committee in June 1965 during its meeting in Warsaw. The following resolution was issued on this occasion: “In order to commemorate the event of reconstituting the Permanent International Preparatory Committee of IMEKO into the International Measurement Confederation, (…) the Member Organisations hereby sign a Special Document, in the form of a Charter, with the following text: reproduced in the three official languages. The undersigned duly authorized delegates (…) hereby certify that their respective organisations have reconstituted it as the INTERNATIONAL MEASUREMENT CONFEDERATON IMEKO being a federation of national scientific and technical societies concerned with measurement science and technology, in which they shall, as Member Organisations, pursue jointly the aims proclaimed in the Constitution in order to continue to enlarge the accomplishments of IMEKO achieved since its foundation in 1958”.

TC19 Environmental Measurements

TC14 Measurement of Geometrical Quantities

TC20 Energy Measurement

TC15

TC21 Mathematical Tools for Measurements

Experimental Mechanics

TC16 Pressure and Vacuum Measurement

TC22 Vibration Measurement

TC17

TC23 Metrology in Food and Nutrition

Measurement in Robotics

TC18 Measurement of Human Functions

TC24 Chemical Measurements

ORGANIZACJE I STOWARZYSZENIA

•

NR 4/ 20 1 5

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 19, Nr 4/2015

Henryk Trebert signed that resolution on behalf of PKPA. In 1965, the name “Permanent International Preparatory Committee” was changed to “General Committee”. The document Constitution and By-Laws has been revised eight times since its adoption in 1965, and the next (profound) revision is prepared for 2016. The first amendment took place in1972: – the obligation of the MOs to make annual contributions to the IMEKO budget was introduced together with the office of IMEKO Treasurer; – the name “General Committee” was changed to “General Council”; – the IMEKO Conferences, organised every three years, started to be named “IMEKO Congresses”. – the first regulations concerning activities of the IMEKO Technical Committees were formulated as a response to the needs of the first of them established already in the mid-sixties (TC1 on Higher Education, TC2 on Photon-Detectors, and TC3 on Measurement of Force and Mass); – the office of IMEKO President, chairing the sessions of General Council from the end of one Congress to the end of the next one, was introduced. Consequently, the General Council – during its 1973 session in Dresden – elected the first President of IMEKO: Sam S. Carlisle, the past president of the Institute of Measurement and Control being the United Kingdom MO. The list of all IMEKO Presidents is provided in Table 3. During the whole history of IMEKO, the function of the Secretary General has been performed by four persons, viz. György Striker from Hungary (1958–1983), Tamás Kemény from Hungary (1983–2006), Mladen Borsić from Croatia (2006–2012), and Zoltán Zelenka from Hungary (2012–today). During 60 years of the IMEKO history (the corresponding anniversary will be celebrated in 2018), the total number of IMEKO events called first “Conferences” and next “Congresses” will reach 22; their list is provided in Table 4. Polish contribution to IMEKO As indicated in the previous section, Polish people and Polish professional societies, associated with the field of measurement science and technology, have been active in IMEKO from its birth in 1958. The Polish Committee for Measurements and Automation (PKPA) had been the Polish MO till 1987 when it was replaced by the Polish Association of Measurement, Automatic Control and Robotics (POLSPAR). In this section, some concise char-

acteristics of the IMEKO-related activities of Polish experts in the field of measurement science and technology have been provided in an order intended to be chronological; to avoid anachronisms, all the academic degrees and titles are omitted. Jan Obalski (1898–1968), Professor of Mechanics and Metrology at Warsaw University of Technology, the founder of the Polish engineering journal Measurement – Automation – Monitoring (1955), was the Polish

Table 4. IMEKO Congresses

Budapest, Hungary

1958

Budapest, Hungary

1961

III

Stockholm, Sweden

1964

Warsaw, Poland

1967

Versailles, France

1970

Dresden, Germany (East)

1973

VII

London, United Kingdom

1976

VIII

Moscow, Soviet Union

1979

Berlin (West), Germany (West)

1982

Prague, Czechoslovakia

1985

Houston TX, United States

1988

XII

Beijing, China

1991

XIII

Torino, Italy

1994

XIV

Tampere, Finland

1997

Osaka, Japan

1999

XVI

Vienna, Austria

2000

XVII

Dubrovnik, Croatia

2003

XVIII

Rio de Janeiro, Brazil

2006

XIX

Lisbon, Portugal

2009

Busan, Korea (South)

2012

XXI

Prague, Czechia

2015

delegate for the meeting of the Presidential Council (Budapest 1958). Henryk Trebert (1906–1990), Professor of Mechanics and Metrology at Warsaw University of Technology, the founder of the Faculty of Fine Mechanics at this University3, was the Polish representative during the meeting of the International Preparatory Committee for IMEKO 1961; moreover, he represented PKPA at 10 other sessions of the IMEKO governing bodies (Stockholm 1962, Stockholm 1963, Stockholm 1964, Warszawa 1965, Paris 1968, Budapest 1970, Dresden 1971, Berlin 1972, Dresden 1973, and London 1974). Eugeniusz Wolniewicz (1904–1991), Professor of Mechanics and Metrology at Warsaw University of Technology, represented PKPA at 8 sessions of the IMEKO governing bodies (Budapest 1961, Stockholm 1962, Stockholm 1963, Stockholm 1964, Warszawa 1965, Warszawa 1966, Warszawa 1967, and Versailles 1970). Z. Gajewski4 represented PKPA at the session of the General Council held in Paris in 1968. Andrzej Sowiński (1922–1996), the Director of the Industrial Institute of Electronics and Professor of Metrology at Warsaw University of Technology), represented PKPA at 3 sessions of the General Council (Dresden 1973, Budapest 1975, and Berlin 1981). Jan Bek (1932–2000), Professor of Mechanics and Metrology at Warsaw University of Technology, repre3

Today: Faculty of Mechatronics.

No details concerning that person have been found.

ORGANIZACJE I STOWARZYSZENIA

– – – – – – – – – – –

Halina Nieciąg (TC7), Andrzej Odon (TC7), Anna Osińska-Karczmarek (TC5), Przemysław Otomański (TC1 and TC7), Wojciech Płowucha (TC14), Anna Sobaszek (TC7), Krzysztof Stępień (TC14), Anna Szmyrka-Grzebyk (TC12), Marek Tichy (TC9), Michał K. Urbański (TC7), Romuald Zielonko (TC10). For sure, the above lists do not include the names of all persons who contributed to the preparation of the IMEKO events organised in Poland, viz.: – IMEKO IV World Congress (Warszawa 1967), – TC3 Conference on Weighing Technology (Kraków 1980), – TC1 Colloquium on Measurement and Instrumentation Education (Warszawa 1986), – TC4 Symposium on Industrial Measurement of Electrical and Electronic Components and Equipment (Warszawa 1987), – TC10 Workshop on Instrumental Problems of Technical Diagnostics (Warszawa 1991), – TC3 Conference on the State-of-the-Art in Force and Mass Measurements (Warszawa 1995), – TC10 Symposium on Technical Diagnostics (Wrocław 1999), – TC1 Symposium on Education in Measurement and Instrumentation – Challenges of New Technologies (joint event with the 34th Polish Intercollegiate Conference of Metrologists, Wrocław 2002), – TC7 Symposium on New Developments in the Field of Measurement Science (Kraków 2002), – TC4 Symposium on New Technologies in Measurement and Instrumentation and Workshop on ADC Modelling and Testing (Gdynia and Jurata 2005), – TC10 Workshop on Smart Diagnostics of Structures (Krakow 2010), – TC14 – cosponsored International Scientific Conference on Coordinate Measuring Technique (Bielsko-Biala 2010), – TC2 Symposium on Photonics in Measurement (Gdansk 2013), – TC14 International Symposium on Measurement and Quality Control (Kraków and Kielce 2013), – TC10 Workshop on Advanced Measurement Tools in Technical Diagnostics for Systems’ Reliability and Safety (Warszawa 2014), – TC14 – cosponsored International Scientific Conference on Coordinate Measuring Technique (Szczyrk 2014).

sented PKPA at 4 sessions of the General Council (Prague 1984, Prague 1985, Aachen 1986, and Budapest 1987), and POLSPAR at 2 sessions of the General Council (Houston 1988, and Zürich 1989). Adam Fiok (1933–2000), Professor of Radioelectronics and Metrology at Warsaw University of Technology, represented PKPA at 9 sessions of the General Council (London 1976, Moscow 1977, Moscow 1979, Berlin 1981, Prague 1983, Prague 1984, Prague 1985, Aachen 1986, and Budapest 1987), and POLSPAR at 7 sessions of the General Council (Houston 1988, Zürich 1989, Beijing 1991, Vienna 1992, Torino 1993, Torino 1994. and Stockholm 1995); he used to be the Chairman (1989–1998) and the Honorary Chairman (1998–2000) of TC4; he received the IMEKO Distinguished Service Award in 1994. Roman Z. Morawski (born 1949), Professor of Measurement Science at Warsaw University of Technology, represented POLSPAR at 16 sessions of the General Council (Vienna 1998, Osaka 1999, Vienna 2000, Düsseldorf 2001, Dubrovnik 2003, Lisbon 2004, Brussels 2005, Rio de Janeiro 2006, Paris 2007, Budapest 2008, Lisbon 2009, Portorož 2010, Braunschweig 2011, London 2013, Benevento 2014 and Prague 2015); moreover, he used to be the Scientific Secretary (1993– 1999) and the Chairman (2000– 2006) of the TC7; he has been „Since 1987 Poland is Member of the Advisory Board since 2006 and Member of the represented by the Polish Editorial Board since 1987; he Association of Measurement, received the IMEKO DistinAutomatic Control and guished Service Award in 2012. Janusz Mindykowski (born Robotics (POLSPAR).” 1950), Professor of Electrical Engineering and Metrology at Gdynia Maritime University), represented POLSPAR at 3 sessions of the General Council (London 2013, Benevento 2014 and Prague 2015); moreover, he chaired the TC4 in the period 2006–2015. Wiesław Winiecki (born 1950), Professor of Measurement Instrumentation at Warsaw University of Technology, represented POLSPAR at the session of the General Council held in Tampere in 1997. Numerous Polish experts in the field of measurement science and technology have been active as Members of the IMEKO Technical Committees; here is their alphabetic list: – Stanisław Adamczak (TC14), – Romuald Będziński (TC15), – Piotr Bilski (TC10), – Zbigniew Brzózka (TC24), – Wojciech Cholewa (TC10), – Zbigniew Czaja (TC7), – Artur Dybko (TC19), – Marcin Gnyba (TC2), – Zbigniew Humienny (TC7 and TC14), – Ryszard Jabłoński (TC14), – Włodzimierz Klonowski (TC7), – Joanna Kolasa (TC22), – Jerzy Korczyński (TC1 and TC7), – Jacek Kucharski (TC12), – Małgorzata Kujawińska (TC2), – Grzegorz Lentka (TC7), – Barbara Lisowska (TC3), – Andrzej Masłowski (TC17), – Janusz Mindykowski (TC4), – Roman Z. Morawski (TC1 and TC7), – Zbigniew Moroń (TC1),

•

Acknowledgement The author would like to warmly thank Mrs. Judit Faragó, from the IMEKO Secretariat in Budapest, for careful selection and pre-processing of the archival documents of IMEKO that have been used in this paper.

Roman Z. Morawski, Ph.D., D.Sc., Professor of Measurement Science Warsaw University of Technology Faculty of Electronics and Information Technology Institute of Radioelectronics and Multimedia Technology K

•

NR 4/ 20 1 5

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 19, Nr 4/2015

110 rocznica urodzin Profesora Mieczysława Sąsiadka W 2014 roku Wydział Mechaniczno-Energetyczny obchodził 60-lecie działalności w Politechnice Wrocławskiej, która w 2015 r. świętowała 70-lecie polskiej uczelni technicznej we Wrocławiu. Absolwenci wciąż mają w pamięci swoich Mistrzów i Nauczycieli. Jednym z nich był wybitnie zasłużony dla Politechniki Wrocławskiej prof. Mieczysław Sąsiadek, który w grudniu 2015 r. obchodziłby 110 rocznicę urodzin.

Mieczysław Sąsiadek urodził się 6 grudnia 1905 r. w Krośnie. Absolwent Politechniki Lwowskiej z 1930 r., której rektorem był wówczas profesor Kazimierz Bartel, dziekanem Wydziału Mechanicznego prof. Stanisław Łukasiewicz, a kierownikiem Katedry Pomiarów Maszyn – prof. Roman Witkiewicz [1]. Tu rozpoczął pierwszą pracę. Podyplomową praktykę zawodową Mieczysław Sąsiadek odbył we Francji oraz w Belgii, Danii, Niemczech i Szwecji. Po powrocie do kraju objął stanowisko profesora w Państwowej Wyższej Szkole Budowy Maszyn i Elektrotechniki w Poznaniu. Pracował również od 1933 r., aż do wybuchu II wojny światowej, na stanowisku starszego asystenta w Zakładzie Fizyki Uniwersytetu Poznańskiego (u prof. Kalandyka). W 1939 r. złożył w Politechnice Warszawskiej pracę doktorską Badania nad ciśnieniem, jonizacją i świeceniem podczas eksplozji stałych materiałów wybuchowych. Z powodu działań wojennych egzamin promocyjny złożył w 1945 r. w Akademii Górniczo-Hutniczej uzyskując stopień naukowy doktora nauk technicznych. W sierpniu 1945 r. w stolicy Dolnego Śląska powołano wspólnotę uczelni wrocławskich: Uniwersytet i Politechnika we Wrocławiu, do uruchomienia której aktywnie włączył się profesor Sąsiadek, koncentrując się w szczególności na pracach związanych z uruchomieniem kotłowni, siłowni i laboratorium maszynowego. Profesor Sąsiadek, podobnie jak prof. Kazimierz Idaszewski, pierwszy dziekan Wydziału Mechaniczno-Elektrotechnicznego, przeniósł cząstkę swojej lwowskiej uczelni do Wrocławia. Jako kierownik Katedry Pomiarów Maszyn wraz z zespołem naukowo-badawczym, dydaktycznym i technicznym uruchomił laboratorium maszynowe, z którego popłynął pierwszy w powojennym Wrocławiu prąd elektryczny, zasilający uczelnię i przyległe

budynki. W katedrze projektowano, wytwarzano i wzorcowano aparaturę pomiarową sprzedawaną w kraju i zagranicą. Dalsza rozbudowa i modernizacja laboratorium umożliwiła kształcenie inżynierów i realizację prac naukowo-badawczych na światowym poziomie. W 1949 roku, w wyniku reorganizacji Wydziału Mechaniczno-Elektrotechnicznego wydzielono Wydział Mechaniczny, którego pierwszym dziekanem został prof. Mieczysław Sąsiadek oraz Wydział Elektryczny, którego dziekanem został prof. Jerzy Skowroński. Po przejściu prof. Stanisława Ochęduszki do Politechniki Śląskiej w Gliwicach i prof. Roberta Szewalskiego do Gdańska, profesor Mieczysław Sąsiadek podjął starania o zatrudnienie nowych profesorów. W 1947 r. prof. Teodor Wróblewski objął Katedrę Kotłów Parowych, a w 1951 r. prof. Wiktor Wiśniowski Katedrę Teorii Maszyn Cieplnych. Dzięki nieustannym staraniom profesorów: Sąsiadka, Wróblewskiego i Wiśniowskiego w 1954 r. powstał Wydział Mechaniczno-Energetyczny, którego dziekanem w latach 1956–1958 oraz 1963–1968 był prof. Mieczysław Sąsiadek. Profesor aktywnie uczestniczył w pionierskich pracach wrocławskiej uczelni politechnicznej zmierzających do utworzenia struktury uniwersytetu technicznego. W 1968 r. objął stanowisko dyrektora nowo powstałego Instytutu Miernictwa, Automatyzacji i Budowy Urządzeń Termoenergetycznych oraz kierownika Zakładu Miernictwa Energetycznego i Urządzeń Przemysłowych. W 1972 r. kierowanie instytutem i zakładem przekazał swoim współpracownikom i wychowankom. Działalność naukowa zespołów badawczych koordynowanych przez profesora Mieczysława Sąsiadka na Wydziale Mechaniczno-Energetycznym Politechniki Wrocławskiej była przodująca

w kraju i uznana w Europie. Profesor wypromował 12 doktorów, z których 10 uzyskało tytuł profesora nauk technicznych i wypromowało ponad 50 doktorów. Kilkunastu z nich uzyskało stopnie naukowe doktora habilitowanego. Profesor stworzył warunki do powstawania nowych szkół naukowych, kierowanych głównie przez jego wychowanków, niezbędnych do rozwoju nowoczesnej energetyki, a także był organizatorem Szkoły Naukowej Miernictwa Parametrów

„My, absolwenci Politechniki Wrocławskiej, wychowankowie prof. zw. dr. inż. Mieczysława Sąsiadka wciąż mamy w pamięci naszego Mistrza i Nauczyciela – wzór inżyniera humanisty i życzliwego profesora uczelni akademickiej wdrażającego osiągnięcia nauki do praktyki przemysłowej, wzór prawego, godnego życia.

Cieplnych [2], z której wyłoniła się Szkoła Metrologii Przepływów [2] rozwijana w Politechnice Wrocławskiej przez prof. Jerzego Stańdę, a w Politechnice Opolskiej przez prof. Zdzisława Kabzę [3]. Przy współpracy z profesorem Mieczysławem Sąsiadkiem powstała także Szkoła Naukowa Odpylania Gazów i Miernictwa w Technice Pyłowej, którą kierował prof. Mieczysław Teisseyre [2]. Z zespołu miernictwa i automatyzacji wyłoniła się szkoła automatyzacji proce-

SYLWETKI

1905 – 1973 98

•

NR 4/ 20 1 5

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 19, Nr 4/2015

sów energetycznych (prof. prof. Aleksander Bielecki, Bohdan Chorowski, Mirosław Werszko). Jednym z najbliższych współpracowników prof. Mieczysława Sąsiadka był prof. Adam Negrusz, który rozwijał kierunek badawczy przetwarzanie sygnałów. Znamiona szkoły naukowej nosi także utworzony w 1968 r. przez prof. Mieczysława Zembrzuskiego kierunek badawczy dotyczący spalania i detonacji oraz paliw i energii [2] kontynuowany przez profesorów Włodzimierza Kordylewskiego i Wiesława Rybaka. Profesor Mieczysław Sąsiadek zapoczątkował także ważne dla bezpieczeństwa procesów energetycznych badania wybuchowości pyłów. Z tej tematyki promował doktoraty W. Chojnowskiego i Januariusza Góreckiego, a z miernictwa izotopowego Mieczysława Lecha. Zapewnił również możliwość kontynuacji prac projektowo-badawczych z zakresu urządzeń kotłowych, między innymi przez doktoryzowanie docenta Rudolfa Żamojdy. Promotorem prac doktorskich Władysława Sikorskiego i Stanisława

„Profesor Sąsiadek, (...) przeniósł cząstkę swojej lwowskiej uczelni do Wrocławia.” Kruczka był prof. Mieczysław Teisseyre. Aktualnie Kierownikiem Zakładu Kotłów, Spalania i Procesów Energetycznych jest prof. Halina Pawlak-Kruczek – doktorantka prof. Mieczysława Zembrzuskiego. Profesor Mieczysław Sąsiadek kształcił inżynierów i pracowników badawczych dla potrzeb innowacyjnej odbudowy i rozbudowy przemysłu. Pracownicy katedr sta-

Absolwenci Wydziału Mechaniczno-Energetycznego Politechniki Wrocławskiej walnie przyczynili się do rozwoju polskiej i zagranicznej energetyki zawodowej i przemysłowej. Wielu z nich zajmowało stanowiska dyrektorów generalnych energetyki oraz profesorów wyższych uczelni technicznych. Jerzy Sąsiadek, syn profesora jest również absolwentem Wydziału Mechaniczno-Energetycznego Politechniki Wrocławskiej i pracuje na stanowisku profesora zwyczajnego w Uniwerytecie Carleton w Kanadzie. W opolskiej uczelni technicznej pracuje wychowanek profesora Sąsiadka – Zdzisław Kabza, który wypromował wielu doktorantów. Dwóch z nich

nowili przez długi czas jedyne na Dolnym Śląsku zaplecze eksperckie dla biur projektowych i racjonalnej eksploatacji zakładów przemysłowych, a w szczególności ekonomicznej gospodarki paliwowo-energetycznej

„Rozległe horyzonty intelektualne prof. Sąsiadka obejmowały nie tylko nauki techniczne i fizyczne, a także malarstwo, archeologię, muzykę, operę i teatr.”

i ochrony środowiska naturalnego. Wybitnie uzdolnieni studenci Wydziału Mechaniczno-Energetycznego otrzymywali stypendia im. Prof. Mieczysława Sąsiadka. Rozległe horyzonty intelektualne prof. Sąsiadka obejmowały nie tylko nauki techniczne i fizyczne, a także malarstwo, archeologię, muzykę, operę i teatr. Prof. M. Sąsiadek od 1945 r. mieszkał we Wrocławiu i był z-cą profesora w Politechnice Śląskiej i Wrocławskiej. W 1949 r. otrzymał tytuł naukowy profesora nadzwyczajnego nauk technicznych, a w 1966 r. tytuł naukowy profesora zwyczajnego. Był Kawalerem Orderu Odrodzenia Polski. Zmarł 10 października 1973 r. w Warszawie w czasie wyjazdu na konferencje do Francji i Niemiec. Pochowany został na cmentarzu przy ul. Bujwida we Wrocławiu. Za wybitne zasługi dla wrocławskiej uczelni technicznej Senat Politechniki Wrocławskiej uchwałą z 2004 r. nadał budynkowi Katedry

– Bolesław Dobrowolski i Janusz Pospolita uzyskało stopnie naukowe doktora habilitowanego i stanowiska profesorów nadzwyczajnych i zwyczajnego w Politechnice Opolskiej. Profesor Bolesław Dobrowolski przez dwie kadencje był dziekanem Wydziału Mechanicznego, a przez jedną kadencję prorektorem opolskiej uczelni technicznej. Profesor Janusz Pospolita aktualnie pełni funkcję prorektora Politechniki Opolskiej. Obaj wypromowali 9 doktorów nauk technicznych. Zdzisław Kabza był w Opolu profesorem zwyczajnym, przez cztery kadencje (12 lat) pełnił funkcję dziekana, przez 6 lat był rektorem i przez 6 lat dyrektorem Instytutu Elektrowni

Pomiarów Maszyn imię Profesora Mieczysława Sąsiadka. W 2006 r pamięci profesorów Richarda Doleżala i Mieczysława Sąsiadka poświęcono książkę pt. Diagnostyka Eksploatacyjno-Remontowa Urządzeń Energetycznych wydaną przez Federację Stowarzyszeń Naukowo-Technicznych Energetyka i Środowisko pod redakcją Zdzisława Kabzy i Pavla Santariusa.

Bibliografia

1. Burak M., Dackiewicz K., Pregiel P., Wrocławskie uczelnie techniczne 1910– 2010, Wyd. Muzeum Architektury we Wrocławiu, Wrocław 2010. 2. Wrocławskie środowisko akademickie. Twórcy i ich uczniowie 1945–2005. Praca zbiorowa pod redakcją: Chmielewski A., Globisz W., Kmita J., Lewandowicz A., Madryas C., Samsonowicz Z., Turko L., Zakład Narodowy im. Ossolińskich – Wydawnictwo, Wrocław-Warszawa-Kraków 2007, 585–586. 3. Prof. Jerzy Stańda – twórca szkoły metrologii przepływów. Pomiary Automatyka Robotyka, R. 16, Nr 3, 2012, 88-90, opr. J. Górecki, Z. Kabza.

Prof. Zdzisław Kabza Politechnika Opolska

i Systemów Pomiarowych. Szersze udokumentowanie kontynuacji działalności naukowej i organizacyjnej wychowanków Politechniki Wrocławskiej znajduje się w opracowaniu Krystyny Dudy Absolwenci Politechniki Wrocławskiej we władzach opolskiej uczelni technicznej. My, absolwenci Politechniki Wrocławskiej, wychowankowie prof. zw. dr. inż. Mieczysława Sąsiadka wciąż mamy w pamięci naszego Mistrza i Nauczyciela – wzór inżyniera humanisty i życzliwego profesora uczelni akademickiej wdrażającego osiągnięcia nauki do praktyki przemysłowej, wzór prawego, godnego życia.

SYLWETKI

Absolwenci Politechniki Wrocławskiej we władzach opolskiej uczelni technicznej prof. Zdzisław Kabza (ur. 1939 r.)

W 1966 r. utworzono w Opolu Wyższą Szkołę Inżynierską (WSI), która w 1996 r. uzyskała status Politechniki Opolskiej. W 2012 r. rektorem Politechniki Opolskiej został po raz pierwszy absolwent WSI w Opolu, prof. Marek Tukiendorf. Na prorektorów wybrani zostali absolwenci Politechniki Wrocławskiej: dr hab. Krystyna Macek-Kamińska i prof. Janusz Pospolita. Trzecim prorektorem został absolwent Akademii Ekonomicznej w Katowicach – prof. Krzysztof Malik.

Absolwent Wydziału Mechaniczno-Energetycznego Politechniki Wrocławskiej, doktorant prof. Mieczysława Sąsiadka. Rektor (1982–1987), prorektor (1980– 1981) opolskiej uczelni technicznej. Od 1978 r. przez dwie kadencje dyrektor Instytutu Elektrotechniki na prawach wydziału. Od 1990 r. przez dwie kadencje dziekan Wydziału Elektrotechniki i Automatyki. Twórca i pierwszy dyrektor Instytutu Elektrowni i Systemów Pomiarowych Politechniki Opolskiej. Współtwórca wrocławsko-opolskiej szkoły naukowej metrologii przepływów.

Przybliżamy sylwetki absolwentów Politechniki Wrocławskiej, którzy pełnili najważniejsze funkcje – rektora lub prorektorów opolskiej uczelni technicznej.

prof. Ewald Macha (1940–2014) Absolwent Wydziału Łączności Politechniki Wrocławskiej, doktorant prof. Zdzisława Bubnickiego. Prorektor ds. nauki w latach 1984–1987. W latach 1981–1984 pełnił funkcję prodziekana ds. nauki w Instytucie Budowy Maszyn WSI w Opolu działającym na prawach wydziału. Twórca opolskiej szkoły naukowej trwałości i niezawodności materiałów i konstrukcji w zakresie wieloosiowego zmęczenia losowego.

100

dr hab. inż. Krystyna Macek-Kamińska, prof. PO (ur. 1955 r.)

dr hab. inż. Bolesław Dobrowolski, prof. PO (ur. 1951 r.) Absolwent Wydziału Mechaniczno-Energetycznego Politechniki Wrocławskiej, doktorant prof. Zdzisława Kabzy. Prorektor ds. studenckich (1996–1999) i prodziekan ds. studenckich na Wydziale Mechanicznym (1993–1996) Politechniki Opolskiej. W latach 2005–2012 pełnił funkcję dziekana Wydziału Mechanicznego Politechniki Opolskiej.

•

prof. Janusz Pospolita (ur. 1954 r.) Absolwent Wydziału Mechaniczno- Energetycznego Politechniki Wrocławskiej, doktorant prof. Zdzisława Kabzy. W latach 2005–2012 pełnił funkcję prodziekana ds. organizacyjnych na Wydziale Mechanicznym Politechniki Opolskiej. Od 2012 r. prorektor ds. nauki.

Absolwentka Wydziału Elektrycznego Politechniki Wrocławskiej, doktorantka prof. Mariana Nogi z AGH i prof. Andrzeja Kordeckiego z Politechniki Wrocławskiej. W 2012 r. została prorektorem ds. dydaktyki na 4-letnią kadencję. W latach 1999–2005 pełniła funkcję prodziekana ds. studenckich., następnie dyrektora Instytutu Układów Elektromechanicznych i Elektroniki Przemysłowej na Wydziale Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki Politechniki Opolskiej. A

•

mgr Krystyna Duda Politechnika Opolska T

NR 4/ 20 1 5

POLECANE KSIĄŻKI

Informatyka kwantowa Wybrane obwody i algorytmy Młodzi naukowcy – Marek Sawerwain i Joanna Wiśniewska – są autorami książki Informatyka kwantowa. Wybrane obwody i algorytmy, wydanej w listopadzie 2015 r. nakładem Wydawnictwa Naukowego PWN. W książce zaprezentowano podstawowe pojęcia i obwody kwantowe realizujące algorytmy i protokoły informatyki kwantowej. Głównym celem książki jest popularyzacja tej nowej dziedziny informatyki.

Informatyka kwantowa to niełatwa dziedzina łącząca informatykę i mechanikę kwantową, zajmująca się wykorzystaniem właściwości układów kwantowych do przesyłania i obróbki informacji. Ta nowoczesna i dynamicznie rozwijająca się dyscyplina informatyki ma charakter wysoce interdyscyplinarny – obejmuje nie tylko informatykę, ale również matematykę i fizykę. Elementarnym nośnikiem najmniejszej porcji kwantowej informacji w informatyce kwantowej jest kubit – kwantowy odpowiednik bitu. Jak pamiętamy, bit może przyjmować jeden z dwóch stanów – zero lub jeden. Stan kubitu opisany jest przez dowolną kombinację liniową stanów bazowych, co oznacza, że oprócz wyróżnionych stanów jednostka informacji może być opisana przez ich superpozycję. Takie rozwiązanie przyczyni się do uzyskania znacznego zwiększenia mocy obliczeniowej oraz opracowania nowych algorytmów. W najbardziej popularnym modelu kwantowego przetwarzania informacji, operacje na kubitach są reprezentowane za pomocą bramek kwantowych. Model obwodowy, bazujący na bramkach kwantowych, to pierwszy i najbardziej rozpowszechniony model prezentacji algorytmów kwantowych. Autorzy zadbali o dobrą organizację książki. Przeszli od podstawowych pojęć odnoszących się do liczb zespolonych, operacji na wektorach i macierzach i algebry liniowej do zagadnień złożonych – konstruowania i testowania obwodów kwantowych, a następnie do symulacji obwodów kwantowych. W książce przedstawiono następujące zagadnienia: — podstawowe informacje o liczbach zespolonych oraz pojęciach algebry liniowej, wykorzystywanych w opisie obwodów kwantowych, definicja jednostki kwantowej, jaką jest kubit, bramek i rejestrów kwantowych oraz przykładowych obwo-

„Informatyka kwantowa to nowa dziedzina informatyki, która dynamicznie się rozwija szczególnie na poziomie teoretycznym.”

Marek Sawerwain, Joanna Wiśniewska, Informatyka kwantowa. Wybrane obwody i algorytmy, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2015. ISBN: 978-83-018366-0.

dów kwantowych, ze szczególnym uwzględnieniem bramek kontrolowanej negacji CNOT i ich uogólnieniem – bramki Toffoli, — opis podstawowych algorytmów kwantowych oraz protokołu teleportacji kwantowej w wersji podstawowej oraz odmiany do teleportacji stanów kubitów, — zadania i wiele praktycznych przykładów tłumaczących podstawowe zagadnienia, jak operacje ma stanach kwantowych, pomiar, przykłady stanów splątanych, — symulacja obliczeń kwantowych (pakiety QCS ) jako skrypty dla języka i środowiska Python; przykład symulacji bramki CNOT oraz algorytmu Grovera w środowisku z zakłóceniami. Cennym elementem książki są dwa dodatki. Dodatek A poświęcony jest językowi Python – przede wszystkim jego składni, zdecydowanie różniącej się od składni innych popularnych języków programowania. W dodatku B zestawiono listę symboli stosowanych w książce. Spis literatury zawiera 119 pozycji bibliograficznych odnoszących się do różnych zagadnień prezentowanych na łamach książki. Całość uzupełnia skorowidz ułatwiający poruszanie się po lekturze. Jak przystało na informatyków, autorzy przedstawili organizację książki za pomocą schematu blokowego prezentującego relacje między poszczególnymi rozdziałami książki, wskazując na możliwość nieliniowego jej studiowania. Należy zaznaczyć, że w omawianej pozycji autorzy w sposób jak najbardziej świadomy nie podjęli tematu kwantowej kryptografii – obszaru stanowiącego najbardziej spektakularny sukces informatyki kwantowej. Lektura książki to dopiero początek ciekawej choć trudnej drogi.

Opracowanie Małgorzata Kaliczyńska

101

POLECANE KSIĄŻKI

Automatyzacja przemysłu spożywczego Seria: Casebook W grudniu 2015 roku Wydawnictwo Naukowe PWN wprowadziło na rynek nowy cykl wydawniczy Casebook. Jest to ekskluzywna seria poradników dla menedżerów. Jednym z pierwszych tytułów, które ukazały się w tym cyklu wydawniczym jest książka Automatyzacja przemysłu spożywczego.

Przemysł spożywczy należy dziś do największych branżowych odbiorców rozwiązań z zakresu automatyki procesów przemysłowych. Od kilkunastu lat nakłady finansowe na automatyzację produkcji spożywczej wciąż rosną.

Automatyzacja przemysłu spożywczego to jedyne na rynku opracowanie, w którym na konkretnych przykładach z polskiego i zagranicznego rynku przedstawione są usprawnienia w przemyśle spożywczym, które pozwalają na zmniejszenie kosztów, a także zwiększenie efektywności produkcji. Książka napisana jest przez praktyków, którzy zawodowo doradzają oraz wdrażają w przedsiębiorstwach rozwiązania usprawniające produkcję. Szczegółowo opisano liczne studia przypadków z przeprowadzonych wdrożeń umożliwią Czytelnikom skorzystanie ze sprawdzonych w praktyce rozwiązań. Poradnik ma wielowymiarowy charakter. Pokazuje usprawnienia w branży spożywczej na różnych etapach produkcji – od przygotowania produktów, przez ich przetwarzanie, po paletyzację. Swoimi doświadczeniami w zakresie automatyzacji i robotyzacji podzieliły się różne firmy, np. Kärcher, ASTOR, Mitsubishi, SCHUNK oraz Stäubli. Z książki dowiemy się także, jakie efekty w różnych przedsiębiorstwach przynosi stosowanie urządzeń takich firm OMRON, FANUC, KUKA. Wartościowym uzupełnieniem publikacji są wywiady z przedstawicielami firm, które zdecydowały się na wprowadzenie swoich zakładów w XXI wiek. Opowiadają oni o problemach, które mieli przed zastosowaniem automatyzacji, podejmowanych decyzjach i tym, jak wygląda ich nowa rzeczywistość po wprowadzeniu zmian. Omówione zagadnienia: 1. Podnoszenie efektywności procesów wytwórczych – SM Ostrołęka, Wedel, Good Food 2. Zwiększenie wydajności oraz liczby paletyzowanych jednocześnie produktów oraz optymalizacja całego procesu 3. Pełna automatyzacja linii produkcyjnej – Browar Cornelius 4. Automatyzacja procesu produkcji – Sante 5. Nadruk i weryfikacja efektu nadruku, wdrożenie systemu eliminowania produk-

„Studia przypadków – rzeczywiste problemy z polskich firm rozwiązane na podstawie prawdziwych danych.”

Produkcja żywności to proces złożony z wielu etapów. Na początku surowce pochodzenia zwierzęcego lub roślinnego są dostarczane do magazynów zakładu. Później są poddawane obróbce wstępnej, która polega na ich myciu, rozmrażaniu, segregowaniu, usuwaniu zbędnych elementów itd. Kolejny etap to właściwa obróbka surowców, ich mieszanie, krojenie, wędzenie, blanszowanie itd. Na koniec przygotowane produkty są pakowane i przygotowywane do wysyłki do odbiorcy końcowego. Na każdym z wymienionych etapów stosowana jest automatyzacja procesów produkcyjnych. Przemysł spożywczy stawia szczególne wymagania producentom układów i komponentów automatyki oraz robotyki. Muszą one sprostać podwyższonym rygorom sanitarnym. W celu zapewnienia niezbędnych warunków higienicznych stosowane komponenty i urządzenia automatyki muszą być odporne na typowe w tej branży procesy czyszczenia. To wymusza produkcję z komponentów wysokiej jakości, samych zaś producentów żywności do sięgania po sprawdzone produkty renomowanych firm.

102

•

Automatyzacja przemysłu spożywczego, seria Casebook, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2015. ISBN: 978-83-01-18305-9.

tów oznakowanych w sposób nieczytelny lub nieprawidłowy 6. Optymalizacja procesu produkcyjnego 7. Automatyczna ocena, które owoce lub warzywa mają idealny kolor, kształt i są jakościowo najlepsze 8. Zwiększenie efektywności produkcji karmy dla zwierząt 9. Wdrożenie automatycznego procesu oddzielenia wieprzowiny od kości w zakładzie mięsnym. W kolejnych książkach cyklu Casebook eksperci i praktycy omawiają rzeczywiste problemy z różnych obszarów tematycznych, rozwiązane na podstawie prawdziwych danych. Każda pozycja zawiera praktyczne porady i wskazówki, których nie znajdziemy w publikacjach branżowych i nie poznamy podczas szkoleń. Połączone z przykładami systematyzują wiedzę oraz poszerzą ją o nowe umiejętności gotowe do zastosowania w praktyce.

Opracowanie na podstawie materiałów wydawnictwa PWN

NR 4/ 20 1 5

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 19, Nr 4/2015

Kalendarium wybranych imprez Nazwa konferencji

Data

Miejsce

2–4 / 03 2016

Warszawa Polska

15 / 03 2016

Opole Polska

16–21 / 05 2016

Sztokholm Szwecja

1–3 / 06 2016

Reims Francja

Systemy Pomiarowe w Badaniach Naukowych i w Przemyśle SP 2016

12–15 / 06 2016

Łagów Lubuski Polska

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

Lizbona Portugalia

www: http://www.icinco.org/

29 / 08–01 / 09 2016

Międzyzdroje Polska

14. Krajowa Konferencja Robotyki

14–18 / 09 2016

Kotlina Kłodzka 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

Londyn Wielka Brytania

XX Konferencja Naukowo-Techniczna Automatyzacja – Nowości i Perspektywy Automation 2016 II Ogólnopolska Konferencja Mózg-Komputer 2016 IEEE International Conference on Robotics and Automation ICRA 2016 4th IFAC Conference on Intelligent Control and Automation Sciences ICONS 2016

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: www.piap.pl/automation mail: konferencja@piap.pl

www: http://bci2.wsero.opole.pl/index.html

www: http://www.icra2016.org/

www: http://icons2016.univ-reims.fr/ mail: icons2016@univ-reims.fr

www: http://www.sp2016.ime.uz.zgora.pl/

www: http://mmar.edu.pl/

www: http://kkr13.pwr.wroc.pl/

www: http://dars2016.org/

103

KONFERENCJE | RELACJA

Diagnostyka Procesów i Systemów, DPS ’2015 Konferencję DPS’2015 zorganizowała Katedra Systemów Decyzyjnych i Robotyki na Wydziale Elektroniki Politechniki Gdańskiej wraz z gdańskim oddziałem Towarzystwa Konsultantów Polskich. Współorganizatorami były: Politechnika Warszawska i Uniwersytet Zielonogórski. Patronat nad konferencją DPS’2015 objęły też najważniejsze obszarowo krajowe instytucje naukowe: Polska Akademia Nauk, Komitet Automatyki i Robotyki, oraz Polskie Stowarzyszenie Pomiarów Automatyki i Robotyki POLSPAR. Konferencja DPS, która stanowi siostrzany odpowiednik uznanego międzynarodowego sympozjum SAFEPROCESS (IFAC) oraz nowej konferencji SysTol (IEEE), ma dobrze ugruntowaną pozycję i wieloletnią tradycję - odbyła się już po raz dwunasty. Realizowana jest cyklicznie, począwszy od 1996 r., przez Politechnikę Warszawską, Uniwersytet Zielonogórski oraz Politechnikę Gdańską.

Ze względu na podstawowy cel tej konferencji, jakim jest integracja krajowych środowisk naukowych i przemysłowych z obszaru szeroko rozumianej diagnostyki, automatyki i informatyki, konferencja ma zamierzony zasięg ogólnopolski, z udziałem gości zagranicznych, w tym wybitnych światowych reprezentantów tej dziedziny. W 2009 r. główni organizatorzy DPS (Politechnika Warszawska, Uniwersytet Zielonogórski i Politechnika Gdańska) podjęli decyzję o internacjonalizacji konferencji. Przy udziale 76 recenzentów, członków Międzynarodowego Komitetu Naukowego (IPC) z kraju (51 osób) oraz z zagranicy (25 osób z 11 krajów – sześć z Francji, po trzy z Hiszpanii i Włoch, po dwie z Portugalii, Niemiec, Wielkiej Brytanii, USA i Kanady, oraz po jednym reprezentancie Danii, Słowacji, Rumunii), do zaprezentowania na konferencji i publikacji w materiałach konferencyjnych przyjęto 50 prac 97 autorów

W dniach 7–9 września 2015 r. w salach konferencyjnych hotelu Grand Lubicz w Ustce odbyła się XII Międzynarodowa Konferencja – Diagnostics of Processes and Systems (Diagnostyka Procesów i Systemów, DPS’2015). Honorowy Patronat nad konferencją objął JM Rektor Politechniki Gdańskiej – prof. dr hab. inż. Henryk Krawczyk.

Pożegnalne zdjęcie uczestników międzynarodowej konferencji DPS ’2015 w Ustce

104

•

NR 4/ 20 1 5

Pomiary Automatyka Robotyka, R. 19, Nr 4/2015

Advanced and Intelligent Computations in Diagnosis and Control (Ed. Z. Kowalczuk). [in:] Advances in Intelligent Systems and Computing (Springer Series, Ed. J. Kacprzyk), vol. AISC 386. Springer, Cham, Heidelberg, New York, Dordrecht, London 2016, ISBN 978-3-31923179-2; ISSN 2194-5357; DOI 10.1007/978-3-31923180-8

Advanced Systems for Automation and Diagnostics. Zaawansowane Systemy Automatyki i Diagnostyki (Eds. Z. Kowalczuk, M. Domżalski). [in:] Control and Computer Science. Automatyka i Informatyka (PWNT Series, Ed. Z. Kowalczuk), vol. AI12. PWNT Pomorskie Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Gdańsk 2015, ISBN 978-83-63177-00-3

(z 13 krajów, w tym z Chin). Aktywnie w konferencji uczestniczyło około 60 naukowców z kraju i zagranicy, choć wydarzenie to miało miejsce tuż po dwu pokrewnych międzynarodowych zjazdach naukowych MMAR 2015 w Międzyzdrojach (24-27 sierpnia 2015 r.) oraz SAFEPROCESS’2015 w Paryżu (2-4 września 2015 r.). Uczestnicy konferencji DPS wysłuchali 50 referatów, w tym pięciu wykładów plenarnych wygłoszonych przez uznanych międzynarodowych ekspertów w dziedzinie wykrywania i lokalizacji usterek, diagnostyki oraz sterowania tolerującego usterki. Byli to: Henrik Niemann (Lyngby), Michał Bartyś (Warszawa), Paul Castaldi, Nicola Mimmo, Silvio Simani, (Bolonia – Ferrara), Philippe Weber, Didier Theilliol (Nancy), oraz Youmin Zhang (Montreal). Zaproszeni goście wygłosili godzinne, interesujące wykłady plenarne (w kolejności prezentacji): 1. Henrik Niemann (Technical University of Denmark) – Fault Diagnosis by using modification of the feedback controller, 2. Michał Bartyś (Warsaw University of Technology) – Diagnosing Single and Multiple Faults from FDI Perspective, 3. Paolo Castaldi, Nicola Mimmo, Silvio Simani (University of Bologna and Univer-

sity of Ferrara) – Issues of Fault Diagnosis and Fault Tolerant Control for Aerospace Systems, 4. Youmin Zhang (Concordia University) – Challenges and development on Fault Diagnosis and Fault-tolerant cooperative control techniques with applications to unmanned systems, 5. Philippe Weber, Didier Theilliol (University of Lorraine) – Bayesian Networks application to the dependability of multi-state systems Naukową materię konferencji zaprezentowano w postaci dwóch książek: [1] Advanced and Intelligent Computations in Diagnosis and Control (Ed. Z. Kowalczuk). [in:] Advances in Intelligent Systems and Computing (Springer Series, Ed. J. Kacprzyk), vol. AISC 386. Springer [ISBN 978-3-319-23179-2; ISSN 2194-5357; DOI 10.1007/978-3-319-23180-8], Cham, Heidelberg, New York, Dordrecht, London 2016 {442 str., 142 rys., 36 tab., 590 bibliogr.}. [2] Advanced Systems for Automation and Diagnostics. Zaawansowane Systemy Automatyki i Diagnostyki (Eds. Z. Kowalczuk, M. Domżalski). [in:] Control and Computer Science. Automatyka i Informatyka (PWNT Series,

Ed. Z. Kowalczuk), vol. AI12. PWNT Pomorskie Wydawnictwo Naukowo-Techniczne [ISBN 978-83-63177-00-3], Gdańsk 2015 {234 str., 96 rys., 24 tab., 384 bibliogr.}. Książka Wydawnictwa Springer [1] podzielona jest na sześć części: (I) Fault Detection and Isolation (Detekcja i Rozróżnianie Usterek), (II) Estimation and Identification (Estymacja i Identyfikacja), (III) Robust and Fault Tolerant Control (Sterowanie Odporne i Tolerujące Błędy), (IV) Industrial and Medical Diagnostics (Diagnostyka Przemysłowa i Medyczna), (V) Artificial Intelligence (Sztuczna Inteligencja), (VI) Expert and Computer Systems (Systemy Komputerowe i Ekspertowe). Książka Pomorskiego Wydawnictwa Naukowo-Technicznego [2] składa się z pięciu części: (I) Diagnostic Fault-Tolerant Systems (Odporne Systemy Diagnostyczne), (II) Biological and Human Factors (Czynniki Biologiczne i Ludzkie), (III) Mathematically-embedded Diagnostics (Diagnostyka Matematycznie Osadzona), (IV) Systems Diagnostics and Security (Diagnostyka i Bezpieczeństwo Systemów), oraz (V) Soft Computing (Obliczenia Plastyczne). Należy dodać, że poza wartościowymi rozważaniami teoretycznymi, zaprezentowano również wiele wyników praktycznych. Ponadto odbyła się sesja przemysłowa, obejmująca interesujące prezentacje firmowe: 1. Alarm Management – Waldemar Pakos, ABB, 2. Tools for intelligent condition monitoring, diagnostic and safety systems – Wojciech Rachwalski, National Instruments. Po sesji przemysłowej – w ramach tzw. panelu polskiego Problems and Challenges of System Sciences (Problemy i Wyzwania Naukach Technicznych/Systemicznych) – odbyła się niezwykle ożywiona dyskusja i wymiana doświadczeń na polu współpracy nauki z przemysłem.

Przewodniczący Komitetu Programowego Zdzisław Kowalczuk, prof. zw. dr hab. inż. Katedra Systemów Decyzyjnych i Robotyki Wydział Elektroniki Telekomunikacji i Informatyki, Politechnika Gdańska, Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk e-mail: zdzislaw.kowalczuk@eti.pg.gda.pl www: www.konsulting.gda.pl/dps2015

105

KONFERENCJE | RELACJA

Internet of Things tematem przewodnim NIDays 2015 złożone systemy kontrolno-pomiarowe wymagają stosowania specjalizowanych narzędzi do projektowania, opracowywania, a przede wszystkim testowania i wdrażania nowych urządzeń. Przedstawiono strukturę stanowiska testowego z wyróżnieniem generacji pobudzenia, pomiaru odpowiedzi, zautomatyzowanego przetwarzania danych i ich raportowania. Zaprezentowane zostały najnowsze rozwiązania z zakresu wbudowanych systemów kontrolno-pomiarowych, m.in. sterowniki na bazie układu ZynQ oraz autonomiczne kontrolery FlexRIO. Wśród najnowszych przyrządów pomiarowych, przedstawiono wielokanałowe karty wykorzystujące magistralę USB 3.0, a także autonomiczne, wielokanałowe urządzenia do logowania danych (prowadzenie pomiarów wewnątrz pojazdu, monitorowanie wibracji itp.). Dużym zainteresowaniem cieszyły się warsztaty poświęcone programowaniu kontrolerów programowalnych cRIO z ukierunkowaniem na nadzór i kontrolę procesów przemysłowych oraz warsztaty z zakresu prototypowania protokołów i systemów komunikacyjnych o dużej przepustowości za pomocą LabVIEW Communications oraz radia programowalnego. Liczne aplikacje zrealizowane za pomocą LabVIEW – flagowego produktu NI, były poświęcone metodom przeprowadzania akwizycji i przetwarzania danych zebranych m.in. z tensometrów, termopar, ogniw fotowoltaicznych itp. Przedstawiciele przemysłu, środowiska akademickiego, a także studenci zrzeszeni w kołach naukowych omawiali swoje pro-

Tegoroczna konferencja National Instruments przybliżyła najnowsze technologie i trendy w obszarze pomiarów, zautomatyzowanych testów, wbudowanych systemów kontrolno-pomiarowych oraz aplikacji wysokich częstotliwości.

Kolejna konferencja NI zgromadziła 13 października 2015 r. w Warszawie ponad 500 gości. W zależności od zainteresowań uczestnicy mogli wybierać spośród wielu ścieżek tematycznych, mieli do dyspozycji 30 sesji technicznych i mogli dzielić się doświadczeniem z innymi użytkownikami produktów NI. Organizatorzy przygotowali z udziałem ekspertów z branży ciekawe prezentacje, wystawę sprzętu i aplikacji. Głównym tematem, zasygnalizowanym podczas wykładu plenarnego, był Internet of Things (IoT). Omawiano też zawężony obszar IoT – Przemysłowy Internet Rzeczy (IIoT, Industrial Internet of Things), w którym łączone są sensory, aktuatory i inne systemy automatyki zbudowane na bazie układów wbudowanych. Dynamiczny rozwój technologii w dziedzinach komunikacji bezprzewodowej, gromadzenia danych w chmurze i przetwarzania dużych zbiorów danych oraz miniaturyzacji sprawia, że nowoczesne układy elektroniczne będą mogły wymieniać się informacjami, tworząc rozległe sieci złożone z wielu węzłów. National Instruments tworzy klimat dla rozwiązań innowacyjnych. Coraz bardziej

106

•

jekty, w których zastosowano produkty NI, m.in. karty pomiarowe i kontrolery, a projekty zrealizowano za pomocą LabVIEW. Warto przytoczyć kilka tematów: − Ultra szybka kamera promieniowania X (AGH); − Zastosowanie LabVIEW do realizacji systemu pomiarowego małej elektrowni hybrydowej Politechniki Białostockiej; − Testowanie struktur mechanicznych techniką Hardware-in-the-Loop na dynamicznej maszynie wytrzymałościowej (Politechnika Śląska); − Projekt budowy sterownika łazika marsjańskiego (Politechnika Łódzka); − Optymalizacja zużycia energii elektrycznej w samochodach elektrycznych Silesian Greenpower; − Udział LabVIEW w projekcie CleanSpace Europejskiej Agencji Kosmicznej. Dla programistów i inżynierów korzystających z oprogramowania NI przygotowano ofertę specjalną – bezpłatny egzamin CLAD – pierwszy krok w trzyetapowym procesie certyfikacji ze znajomości programowania w środowisku LabVIEW. Zdany egzamin świadczy o szerokiej wiedzy dotyczącej LabVIEW, podstawowej znajomości tworzenia kodu, dokumentacji i dobrych praktyk programistycznych, umiejętności czytania i interpretacji istniejącego kodu. Prestiżowy certyfikat CLAD (Certified LabVIEW Associate Develope) poświadcza umiejętności techniczne, pomaga w rozwoju ścieżki kariery i otwiera nowe możliwości.

dr inż. Małgorzata Kaliczyńska

NR 4/ 20 1 5

KONFERENCJE | RELACJA

3rd Conference on Aerospace Robotics Konferencja CARO została zorganizowana przez Centrum Badań Kosmicznych PAN, Wojskową Akademię Techniczną i Politechnikę Warszawską. Przewodniczącym Komitetu Naukowego był prof. Jerzy Sąsiadek z Carleton University (profesor wizytujący w Laboratorium Mechatroniki i Robotyki Satelitarnej CBK PAN). Ostatni rok to czas szczególnie ważny dla polskiej społeczności skupionej wokół robotyki kosmicznej. We wrześniu 2014 r. powstała Polska Agencja Kosmiczna POLSA, która rozpoczęła działalność na początku 2015 r. Udział Polski w programach Europejskiej Agencji Kosmicznej otwiera wiele nowych możliwości dla polskich naukowców, badaczy i konstruktorów systemów zrobotyzowanych. Roboty i systemy zrobotyzowane pracują w różnych środowiskach, zarówno na Ziemi jak i poza nią – na orbicie okołoziemskiej i na powierzchni innych planet. Ich budowa i wykorzystanie zawsze stawia wiele wyzwań naukowych i inżynieryjnych. Konferencja poświęcona była prezentacji i dyskusji nad pracami z dziedziny robotyki aerokosmicznej, realizowanymi m.in w Niemczech, Kanadzie, Stanach Zjednoczonych, Grecji, a także w licznych polskich ośrodkach badawczych i naukowych. Obrady rozpoczęto od wykładu European Space Robotics 2015: Opportunities for R&D, który wygłosił G. Visentin – przedstawiciel Europejskiej Agencji Kosmicznej ESA. Konferencja stanowiła miejsce wymiany doświadczeń dotyczących robotów, pojazdów bezzałogowych, UAV, systemów kontroli, mechatroniki i innych. Kolejne wystąpienia prezentujące wyniki prac były realizowane w ramach sześciu sekcji tematycznych: − Surface & Subsurface Robotics, − Orbital Robotics, − Sensors, − Control Systems, − Phobos Return Mission, − Mechatronic Design & Prototypes. Zwieńczeniem konferencji był panel dyskusyjny na temat Space robotics in POLSA and ESA programs poprzedzony wykładem Space Mechatronics and Space Robotics Patent Inventions – the Way to Protect the Space Heritage in the CBK PAN. Moderatorem dyskusji był prof. Zbigniew Kłos, do udziału w panelu zaproszeni zostali: Marek Banaszkiewicz (prezes POLSA), Anna Nałęcz-Kobierzycka (Ministerstwo Gospodarki, Wydział Polityki Kosmicznej), Piotr Orleański (Centrum Badań Kosmicznych), Jerzy Sąsia-

Centrum Badań Kosmicznych PAN w Warszawie w dniach 17 i 18 listopada 2015 r. było gospodarzem trzeciej międzynarodowej konferencji robotyki aerokosmicznej CARO3. dek (Centrum Badań Kosmicznych, Carleton University), Karol Seweryn (Centrum Badań Kosmicznych), Piotr Szynkarczyk (Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP), Paweł Wojtkiewicz (Związek Pracodawców Sektora Kosmicznego). Uczestnicy dyskusji zastanawiali się nad poziomem gotowości polskiej robotyki w kontekście zastosowań kosmicznych oraz źródłami finansowania tego obszaru polskiej nauki. Robotyka została określona jako dziedzina atrakcyjna, z przyszłością, to tematyka nowa, wciąż jeszcze niszowa, konieczne jest wykorzystanie polskiego potencjału. Jednak finansowanie stanowi nadal bardzo dużą barierę. Dostępne są programy ESA wsparcia polskiego przemysłu na projekty badawczo-rozwojowe. Dotychczas w 2 konkursach na 143 zgłoszonych wniosków tylko 14 wniosków było z obszaru robotyki, z czego 5 zostało skierowanych do realizacji. Bardzo ważno rolę odegrają dwie planowane przez ESA misje: e.Deorbit i Captare – w której polskie ośrodki mogą startować na tych samych zasadach co instytucje zachodnie. Udział w obydwu misjach da dobrą okazję do sfinansowania i podniesienia gotowości technologicznej poszczególnych rozwiązań. Innym źródłem finansowanie w pewnym stopniu jest NCN i NCBiR. W zdefiniowanych Krajowych Inte-

ligentnych Specjalizacjach (19 obszarów) robotykę i kosmos można zakwalifikować do wielu z nich. Ale tematów wprost związanych z tymi hasłami nie ma. Wydaje się jednak że istniejące zapisy pozwalają na rozwijanie tego tematu w postaci projektów w ramach krajowych Inteligentnych Specjalizacji. Plany rozwoju technologii muszą być długoterminowe – realizowane konsekwentnie przez przez 10-15 lat. Ta myśl przewijała się wypowiedziach wielu panelistów. Niestety, firmy polskie zainteresowane przemysłem kosmicznym są na dorobku – nie mogą czekać na efekty tak wiele lat. Sytuacje tę poprawi Krajowy Program Kosmiczny, który pozwoli na długofalowy rozwój technologii uznanych jako priorytetowe przez ekspertów POLSA. Nadrzędnym celem Polski nie jest udział w misjach kosmicznych dla prestiżu, lecz budowa przemysłu opartego na technologiach kosmicznych przynoszącego dobry zwrot z inwestycji. Robotyka jest bardzo obiecującym obszarem ponieważ pozwala na transfer wielu technologii do zastosowań naziemnych np. komponenty mechatroniczne, sensory, manipulatory, algorytmy, interfejsy HMI. Zidentyfikowanym obszarem o znaczeniu komercyjnym jest czyszczenie bliskiej przestrzeni okołoziemskiej z pozostałości sztucznych satelitów i rakiet. Niektóre szacunki wskazują, że po 2025 roku będzie trzeba wykonywać 5 takich operacji rocznie, aby niska orbita okołoziemska pozostała zdatna do użytkowania. Innym obszarem zastawania robotyki kosmicznej jest serwisowanie satelitów, które nabierze istotnego znaczenia w ciągu kolejnej dekady. Podsumowując, robotyka kosmiczna jest jedną z młodszych dziedzin wykorzystania przestrzeni kosmicznej, nie doszło tu jeszcze do pełnego podziału rynku jak w innych sektorach takich jak telekomunikacja, czy obserwacje Ziemi. Polskie firmy i jednostki naukowe mogą tu znaleźć dobre nisze technologiczne i strać się jednymi z poddostawców europejskiego przemysłu kosmicznego. M. Kaliczyńska, M. Wolski, PIAP

107

WYDARZENIA | KONKURSY

Sumo Challenge 2015 plikowaną trasę. Jak zwykle bardzo trudne zadanie czekało zawodników w kategorii Micromouse – poprawne pokonywanie labiryntu wymagało od zawodników wyjątkowej precyzji i skomplikowanych algorytmów. W tym roku ponownie rozegraliśmy kilka unikalnych zmagań w konkurencjach Roborace, Ketchup House i Bear Rescue. Sumo Challenge jest jedyną imprezą w Polsce, na której rozgrywane są te konkurencje, które ponownie zapewniły publiczności wiele emocji. W kategorii Roborace (która jest bardzo popularna za naszą wschodnią granicą) niemal całą czołówkę stanowiły roboty z Białorusi i Ukrainy. Bardzo różnorodne roboty można było zobaczyć w kategorii pokazowej – Freestyle, której już sama nazwa wskazuje na pełną dowolność. Roboty oceniane przez publiczność i Jury zaskakiwały funkcjami i wyglądem. Dzięki tej kategorii mogliśmy w Łodzi zobaczyć między innymi robota, który rysował artystyczne wzorki na piance od kawy (robot MaKawa), łazika marsjańskiego (Raptor), a także robota do eksploracji trudnych i niebezpiecznych terenów (MAPet). Biorąc pod uwagę te wszystkie okoliczności, nasze wydarzenie okazało się ogromnym sukcesem. W imprezie wzięło udział wiele robotów z Polski (która należy do euro-

21 listopada 2015 r. łódzka Manufaktura była areną zaciętych walk robotów i wyścigów, a także pokazów różnego typu dużych i małych konstrukcji, które zadziwiały widownię niecodziennym zastosowaniem. Prawie 140 robotów z Polski, Ukrainy i Białorusi zagwarantowało wysoki poziom widowiska podczas Sumo Challenge 2015!

pejskiej czołówki w tego typu zawodach) i zagranicy, które – jak zawsze – były podziwiane przez tysiące widzów. Zawody Sumo Challenge jak zawsze okazały się wyjątkowe, dzięki swojej miłej, przyjaznej atmosferze. Wszyscy konstruktorzy starali się pomagać innym uczestnikom, przez dzielenie się swoimi pomysłami umożliwiając rozwój polskiej robotyki. Wśród widowni, która była bardzo zainteresowana zmaganiami – byli m.in. studenci, inżynierowie, dzieci wraz z rodzicami – zarówno młodsi jak i starszy hobbyści. Informacje o wydarzeniu można było znaleźć w lokalnych i krajowych mediach – na zawodach pojawiło się wiele popularnych stacji telewizyjnych i radiowych, a po wydarzeniu wiele wzmianek pojawiło się w prasie i serwisach internetowych. Organizatorzy – Studenckie Koło Naukowe Robotyki SKaNeR pragną podziękować partnerom i sponsorom, zachęcając do współpracy także w kolejnych latach. Do zobaczenia za rok!

Była to już ósma edycja Sumo Challenge. Jak zawsze wydarzenie było wyjątkowe – walki były bardzo zacięte, gościliśmy rekordową liczbę zawodników, a zmaganiom towarzyszyło zainteresowanie bardzo licznej publiczności. Wielotygodniowe przygotowania zaowocowały imprezą, która mogła zadowolić każdego fana robotów i nowych technologii. Impreza, jak zawsze, odbyła się na terenie największego w Polsce centrum handlowego – czyli Manufaktury – co od zawsze nadaje jej unikatowy charakter wśród podobnych imprez, które odbywają się najczęściej na terenie uczelni i szkół. Największym zainteresowaniem cieszyły się walki robotów Sumo rozgrywane w różnych kategoriach wagowych – jednak emocje były równie wielkie, niezależnie od wymiarów konstrukcji. Wyścigi w kategoriach Line Follower i Line Follower z przeszkodami należały do najbardziej hałaśliwych, a wszystko to przez turbiny zwiększające nacisk robotów na podłoże. Roboty osiągały prędkości rzędu 2 m/s, z wielką zwinnością pokonując krętą i skom-

108

•

NR 4/ 20 1 5

młodzi

innowacyjni

Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP ogłasza

VIII Ogólnopolski Konkurs na

inżynierskie, magisterskie i doktorskie w dziedzinach Automatyka Robotyka Pomiary Zgłoszenie należy przesłać na adres konkurs@piap.pl do dnia 5 lutego 2016 r. Regulamin konkursu i formularz zgłoszeniowy są dostępne na stronie www.piap.pl Autorzy najlepszych prac otrzymają nagrody pieniężne lub wyróżnienia w kategorii prac doktorskich:

I nagroda 3500 zł

II nagroda 2500 zł

w kategorii prac magisterskich:

I nagroda 3000 zł

II nagroda 2000 zł

w kategorii prac inżynierskich:

I nagroda 2500 zł

II nagroda 1500 zł

Wyniki konkursu zostaną ogłoszone podczas Konferencji AUTOMATION w Warszawie, w dniu 3 marca 2016 r. Patronat Komitet Automatyki i Robotyki Polskiej Akademii Nauk Komitet Metrologii i Aparatury Naukowej Polskiej Akademii Nauk Polska Izba Gospodarcza Zaawansowanych Technologii Polskie Stowarzyszenie Pomiarów Automatyki i Robotyki POLSPAR

Patronat medialny Kwartalnik PAR Pomiary Automatyka Robotyka Organizator konkursu

www.piap.pl

Informacji udzielają: Małgorzata Kaliczyńska: mkaliczynska@piap.pl, tel. 22 8740 146

Jolanta Górska-Szkaradek: jgorska-szkaradek@par.pl, tel. 22 8740 191 Bożena Kalinowska: bkalinowska@piap.pl, tel. 22 8740 015

4/2015

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

Jan Kotlarz, Natalia Zalewska

Krzysztof Mianowski, Wojciech Kaczmarek, Grzegorz Kamiński, Rafał Rosołek, Marcin Stańczak

Kamil Krasuski, Damian Wierzbicki

Przemysław Strzelczyk, Krystyna Macek-Kamińska

75 79

Algorytmika wyznaczania względnej pozycji łazików marsjańskich

Stanowisko do rehabilitacji kręgosłupa metodą dynamiczną

Wyznaczenie kursu bezzałogowego statku powietrznego na podstawie danych GPS i INS

Kontroler lotu dla bezzałogowych obiektów latających

PAR POMIARY • AUTOMATYKA • ROBOTYKA 4/2015 (218)

PAR kwartalnik naukowo-techniczny

3 5

w tym 5% VAT

www.par.pl

Od Redakcji Marta Zagórowska

Optymalizacja parametryczna regulatora niecałkowitego rzędu typu PDa

Andrzej Wojtulewicz, Patryk Chaber, Maciej Ławryńczuk

Maria Wrzuszczak, Volodymyr Khoma, Roman Baran

Michael Scopchanov, Krzysztof Pietrusewicz, Hristo Hristoskov

Zdzisław Kowalczuk, Michał Czubenko

Joanna Kulik, Łukasz Wojtczak

Światowe trendy robotyki a wyzwania technologiczne polskich MŚP

Cena 25,00 zł

W numerze:

Maciej Sadowski

Pomiary emisji elektromagnetycznej na stanowisku cięcia plazmowego

ISSN 1427-9126 Indeks 339512

Stanowisko laboratoryjne do badania wielowymiarowych algorytmów regulacji

Przetwornik funkcyjny impulsowo-kodowy o wybieralnej rozdzielczości i charakterystyce opisanej funkcją pierwiastka kwadratowego

Meta-Modeling and Automatic Code Generation for Computer Aided Development of Logic Control Systems

Przegląd robotów humanoidalnych