Novel virtual environment and real-time simulation based methods for improving life-cycle efficiency of non-road mobile machinery

Virtual environments and real-time simulators (VERS) are becoming more and more important tools in research and development (R&D) process of non-road mobile machinery (NRMM). The virtual prototyping techniques enable faster and more cost-efficient development of machines compared to use of real life prototypes. High energy efficiency has become an important topic in the world of NRMM because of environmental and economic demands. The objective of this thesis is to develop VERS based methods for research and development of NRMM. A process using VERS for assessing effects of human operators on the life-cycle efficiency of NRMM was developed. Human in the loop simulations are ran using an underground mining loader to study the developed process. The simulations were ran in the virtual environment of the Laboratory of Intelligent Machines of Lappeenranta University of Technology. A physically adequate real-time simulation model of NRMM was shown to be reliable and cost effective in testing of hardware components by the means of hardware-in-the-loop (HIL) simulations. A control interface connecting integrated electro-hydraulic energy converter (IEHEC) with virtual simulation model of log crane was developed. IEHEC consists of a hydraulic pump-motor and an integrated electrical permanent magnet synchronous motorgenerator. The results show that state of the art real-time NRMM simulators are capable to solve factors related to energy consumption and productivity of the NRMM. A significant variation between the test drivers is found. The results show that VERS can be used for assessing human effects on the life-cycle efficiency of NRMM. HIL simulation responses compared to that achieved with conventional simulation method demonstrate the advances and drawbacks of various possible interfaces between the simulator and hardware part of the system under study. Novel ideas for arranging the interface are successfully tested and compared with the more traditional one. The proposed process for assessing the effects of operators on the life-cycle efficiency will be applied for wider group of operators in the future. Driving styles of the operators can be analysed statistically from sufficient large result data. The statistical analysis can find the most life-cycle efficient driving style for the specific environment and machinery. The proposed control interface for HIL simulation need to be further studied. The robustness and the adaptation of the interface in different situations must be verified. The future work will also include studying the suitability of the IEHEC for different working machines using the proposed HIL simulation method.

Mobile robot localization using sonar ranging and wlan intensity maps

 Main goal of this thesis was to implement a localization system which uses sonars and WLAN intensity maps to localize an indoor mobile robot. A probabilistic localization method, Monte Carlo Localization is used in localization. Also the theory behind probabilistic localization is explained. Two main problems in mobile robotics, path tracking and global localization, are solved in this thesis. Implemented system can achieve acceptable performance in path tracking. Global localization using WLAN received signal strength information is shown to provide good results, which can be used to localize the robot accurately, but also some bad results, which are no use when trying to localize the robot to the correct place. Main goal of solving ambiguity in office like environment is achieved in many test cases.

Tuotanto- ja varastohallinnan kehittäminen metallikonepajassa

Työn tavoitteena oli kartoittaa ja analysoida Mesera Paimio Oy:n nykyistä tuotannon- ja varastonhallintaa, kehittää varastojen seurannassa ja ostotoiminnassa käytettäviä toimintoja sekä luoda konkreettinen seurantajärjestelmä Loglift Oy Ab:n siirtopuomien osien varastoinnille. Pääpaino oli varastonhallinta – toiminnon to-teuttamisessa sekä ostotoiminnan ja tuotannon kehittämisessä kustannustehokkaampaan suuntaan. Teorian menetelmistä soveltuvimmat valittiin varastonhallinnan ja tuotannon kehittämisen toteuttamiseen käytännössä, haastattelujen toimiessa työn empiirisenä osana. Päämenetelmänä varastojen ja tuotannon tarkastelussa käytettiin ABC-analyysia ja sen erinäisiä variaatioita, kustannus- ja tuotantorakenteen selvittämiseksi. Analyysejä toteutettiin mm. kysyntä- ja kustannuskohtaisesti mikä toi syvyyttä ja laajuutta tarkasteluun. ABC-analyysien, useiden haastatteluiden ja benchmarkkien antamat tiedot analysoitiin ja pyrittiin toteuttamaan tarvittavat parametrit varastonhallinnan ja tuotannon toiminnalle. Control 9000 – tuotannonohjausjärjestelmään toteutettiin tuotetiedon- ja saldonhallinta – toiminto tarvittavine raportteineen, mitä tullaan jatkossa käyttämään ja soveltamaan mm. Loglift Oy Ab:n siirtopuomien osien varastonseurannassa ja osto- ja tilausprosessissa. Työn tarkoituksena oli myös kartoittaa ja suunnitella materiaalitarvelaskennan ja kustannustehokkaan varastoinnin ja tuotannon suunnittelua ja kehittämistä tulevaisuudessa.

Lähtevien kotimaankuljetusten kehittäminen ja organisointi Puunjalostusyrityksessä

Työn tavoitteena oli selvittää lähtevien kotimaankuljetusten nykytila ja kehit-tämisvaihtoehdot, sekä tutkia mahdollisuutta keskittää kuljetusjärjestelmä. Ensin selvitettiin kuljetusten nykytilan haastattelujen sekä saatavilla olevan materiaalin avulla. Henkilöstön haastattelut toteutettiin henkilökohtaisesti. Toisessa vaiheessa määriteltiin kehittämiskohteet nykytilaselvityksen sekä kuljetusten kehittämistä käsittelevän kirjallisuuden avulla. Selvimpinä epäkohtina pidettiin vähäistä tulosyksiköiden yhteistoimintaa, yhteisen logistiikka-strategian ja toimintapolitiikan puuttumista sekä puutteellista seurantajärjestelmää. Ongelmaksi koettiin myös kuljetusliikkeiden ylikapasiteetin aiheuttamat vaikutukset kuljetushintoihin.Kolmannessa vaiheessa tutkittiin mahdollisuutta siirtyä nykyisestä hajautetusta kuljetusjärjestelmästä keskitettyyn. Selvityksessä käytettiin apuna keskitetyn kuljetusjärjestelmän hypoteettisia ratkaisuvaihtoehtoja. Toimenpide-ehdotuksina esitetään yhteisen logistiikkastrategian laatimista, yksiköiden toimintapolitiikkojen yhdenmukaistamista, sekä tulosyksiköiden yhteistoimintaa kehittävän työryhmän perustamista.

Yrityksen jakelutoimintojen kehittäminen

Diplomityön tavoitteena oli turkiseläinrehun valmistajan, E - P:n Minkinrehu Oy:n, jakelutoimintojen nykytilan analysointi, kehityskohteiden etsiminen ja kehitystoimenpiteiden luominen. Logististen toimintojen nykytilaa pyrittiin selvittämään haastattelujen, tutustumiskäyntien sekä kerätyn aineiston avulla. Mukaan tarkasteluun otettiin myös alan kirjallisuutta. Tutkimuksen perusteella yrityksen suurimmat jakeluongelmat liittyivät puutteelliseen jakelun ja kuljetusten suunnitteluun, penis- ja lisäarvopalveluiden puuttumiseen sekä epämääräiseen jakeluhinnoittelumenetelmään. Osa ongelmista aiheutui toimialan ominaispiirteistä, kuten sesonkiluontoisuudesta, erikoisjakelukaluston käytöstä, kalliista varastointimenetelmistä ja tuotteiden pilaantumisherkkyydestä. Jakeluun liittyviä ongelmia olivat jakelun kohdistamisongelma ja paluukuormien puuttuminen. Edellä mainituista ominaispiirteistä ja ongelmista johtuen jakelu- ja kuljetuskustannukset olivat noin 4,5 miljoonaa euroa eli lähes 20 prosenttia yrityksen liikevaihdosta vuonna 2003. Toimenpide-ehdotusten mukaan yrityksen tulisi lisätä yhteistyötä sekä toimittajien että turkistarhojen eli yrityksen osakkeenomistajien kanssa. Lähitulevaisuudessa olisi paikallaan investoiminen asianmukaiseen ja tehokkaaseen jakelun ja kuljetusten suunnittelu- ja seurantajärjestelmään. Itse jakelussa tulisi siirtyä jakelureittien optimointiin ja naiden optimaalisten jakelureittien käyttöön. Tutkimuksen mukaan jakelussa tulee siirtyä joko asiakaskohtaiseen tai osareittien mukaiseen jakeluvalin harvennukseen sesonkiaikavälillä kesäkuu - joulukuu. Jakeluhinnoittelussa on unohdettava nykyinen vyöhykehinnoittelu ja otettava käyttöön tutkimuksen perusteella jakelun todellisia kustannuksia paremmin vastaava ja asiakkaita tasapuolisesti kohteleva hinnoittelumenetelmä. Yrityksen tulisi jatkossa sisäistää jatkuvan kehityksen periaatteet sekä liiketoiminnassaan että jakelutoiminnoissaan.

Satelliittipaikannukseen perustuvan reaaliaikaisen jäljitysohjelmiston toteutus

Satelliittipaikannuksen hyödyntäminen eri sovellusaloilla ja siviilikäytössä on kasvanut merkittävästi 2000-luvulla Yhdysvaltojen puolustusministeriön lopetettua GPS-järjestelmän tarkoituksenmukaisen häirinnän. Langattomien datayhteyksien yleistyminen ja nopeuksien kasvaminen on avannut paikkatiedon käyttämiseksi ja hyödyntämiseksi reaaliaikaisesti uusia mahdollisuuksia. Kustannusten kasvaessa on tehokkaasta liikennöinnistä tullut tänä päivänä erittäin tärkeä osa yritysten päivittäisiä toimintoja. Ajoneuvojen hallinta on yksi tapa, jolla pyritään tehostamaan logistisia toimintoja ja vähentämään siitä aiheutuvia kustannuksia. Seuraamalla reaaliaikaisesti ajoneuvojen liikennöintiä voidaan pyrkiä saavuttamaan säästöjä optimoimalla aikatauluja ja reittejä sekä uudelleenohjaamalla ajoneuvoja sijaintien mukaan vähentäen näin kuljettua matkaa ja aikaa. Tässä diplomityössä tavoitteena on tutkia kuinka satelliittipaikannusta, paikkatietoa ja langattomia datayhteyksiä hyödyntämällä voidaan toteuttaa reaaliaikainen jäljitysohjelmisto. Työssä esitellään aluksi paikannustekniikat ja niiden toiminta. Lisäksi tutkitaan kuinka tiedonsiirto voidaan järjestelmässä toteuttaa sekä tarkastellaan järjestelmän kehityksessä huomioitavia tietoturvanäkökohtia. Tutkimuksen pohjalta suunniteltiin ja toteutettiin reaaliaikainen jäljitysohjelmisto kotipalveluyrityksen ajoneuvojen paikannustarpeisiin. Järjestelmän avulla voidaan valvoa ja jäljittää ajoneuvojen sijainteja kartalla reaaliaikaisesti sekä paikantaa tiettyä kohdetta lähimpänä olevat ajoneuvot. Tämä mahdollistaa hälytyksen sattuessa lähimpänä olevan työntekijän lähettämisen asiakaskohteeseen mahdollisimman nopeasti. Järjestelmän avulla käyttäjät voivat lisäksi seurata ajamiaan matkoja ja pitää automaattista ajopäiväkirjaa. Lopuksi työssä arvioidaan toteutetun järjestelmän toimintaa testauksessa saatujen mittaustulosten perusteella.

Laatukustannusten sisäisen raportoinnin kehittäminen Metso Rautpohjan paperi- ja kartonkikonetehtaassa

Tässä diplomityössä on tarkasteltu Metso Rautpohjan laatukustannustiedon sisäisiä raportointitarpeita ja -mahdollisuuksia päätöksenteon tueksi. Tehty tarkastelu liittyy aiemmin Rautpohjassa luotuun laaduttomuuden kustannusten kirjaus- ja seurantajärjestelmään, jonka avulla kyseisiä kustannuksia on organisaatiossa eritelty muista kustannuksista Baan-tietojärjestelmää käyttäen. Tämän työn tavoitteena oli löytää tapaustutkimuksen keinoin laaduttomuuden kustannuksiin liittyviä sisäisiä tietotarpeita, joihin voitaisiin löytää ratkaisuja Data Warehouse (DW) -tietovarastointi- ja raportointitekniikkaa sekä olemassa olevaa laaduttomuuden kustannustietomassaa 2008 hyödyntäen. Tutkimusta varten Rautpohjan organisaatiosta valittiin kullekin toiminnolle niitä edustavat vastuuhenkilöt, joita haastattelemalla pyrittiin selvittämään sisäisiä tietotarpeita laaduttomuuden kustannuksiin liittyen. Työn tuloksena jokaiselle tutkimukseen osallistuneelle toiminnolle luotiin vähintään yksi raporttipohja, jonka avulla niille voidaan jatkossa tuottaa tarvittavaa, kohdennettua laaduttomuuden kustannustietoa omaan toimintaan liittyen. Laaduttomuuden kustannusten rinnalla tässä työssä tutkittiin myös mahdollisia kehitystarpeita Rautpohjan ympäristökustannuksien seurantaan liittyen. Suuremmassa mittakaavassa tällä työllä on pyritty tukemaan laaduttomuuden kustannusten minimointia paitsi Rautpohjassa, mutta myös Metson linjaorganisaatiossa yleisesti. Raportoinnin perimmäisenä tarkoituksena oli mahdollistaa laaduttomuuden kustannusten taustalla olevien syiden ja tapahtumien analysointi, ja sitä kautta edesauttaa laaduttomuuden kustannusten minimoimiseen tähtäävää kehitystyötä. Metso Rautpohjassa toimiviksi havaittuja laaduttomuuden kustannusten seurantaan ja analysointiin käytettyjä menetelmiä voidaan haluttaessa soveltaa myös muissa Metso-yksiköissä.

Dieselmoottorin analogisen kierrosnopeusmittauksen digitalisointi

Työssä suunnitellaan kierrosnopeusmittauksen toteutus vanhaan Ford -teollisuusdieseliin käyttäen moottorin alkuperäistä kierrosnopeusanturia. Anturi kunnostetaan vaihtamalla vanha, palanut käämi uuteen digitaaliseen järjestelmään soveltuvaan käämiin. Sen toimin-ta halutulla kierrosnopeusalueella varmistetaan mittauksin ja tämän perusteella suunnitel-laan kytkentä sen liittämiseksi kierrosnopeuden laskevaan mikrokontrolleriin. Kytkennän toimivuutta testataan simuloimalla ennen prototyypin rakentamista. Erilaisia vaihtoehtoja analogisen näytön toteuttamiseksi tutkitaan ja niistä valitaan yksi ve-nekäyttöön soveltuva, joka toteutetaan järjestelmän näyttöratkaisuksi. Järjestelmälle suunnitellaan piirilevy, jolle prototyyppi kasataan. Mikrokontrollerille koodataan C -ohjelmointikielellä ohjelma, joka laskee dieselmoottorin kierrosnopeuden anturipulssien perusteella ja ohjaa näyttöä.

Taloudelliset autojen hallintaratkaisut etelä-kymenlaakson ammattiopistossa

Työn tavoitteena oli selvittää Etelä-Kymenlaakson Ammattiopiston autokannan kokonaistila, ongelmat, taloudellisuus ja esittää selvitettyjen tietojen perusteella parannusehdotuksia. Tietojen kerääminen tapahtui pääosin haastattelemalla organisaation henkilöitä sekä tukeutumalla saatavilla olevaan teoria-aineistoon. Työn tuloksena saatiin selville autokannan karkea euromääräinen vuotuinen kokonaiskuormitus, nykytilan ongelmat ja autokaluston uudelleenmitoituksen tarve. Tulosten perusteella tehtiin kehittämisehdotukset, joissa ehdotettiin yksikkökohtaisia ajojärjestelijöitä sekä pääajojärjestelijää Etelä- Kymenlaakson ammattiopistolle. Yksikkökohtaisen ajojärjestelijän vastuualueeksi määriteltiin sekä kaikki oman yksikön autot että osastojen autot. Pääajojärjestelijälle määriteltiin kaikkien yksiköiden ajojen seuranta, organisointi sekä autokaluston huollosta vastaaminen. Työssä otettiin myös kantaa Leasing- kaluston kannattavuuteen ja suunnitteilla olevaan GPS- järjestelmään. Nykyisten sopimusten ja ajomäärien valossa leasingkalusto todettiin kannattamattomaksi. GPS- paikannusjärjestelmästä ehdotettiin sen asentamista vain osaan autoista kustannusten säästämiseksi.

Production unit’s overhead cost allocation with activity-based costing in food industry enterprise

The main objective of this Master’s thesis is to develop a cost allocation model for a leading food industry company in Finland. The goal is to develop an allocation method for fixed overhead expenses produced in a specific production unit and create a plausible tracking system for product costs. The second objective is to construct an allocation model and modify the created model to be suited for other units as well. Costs, activities, drivers and appropriate allocation methods are studied. This thesis is started with literature review of existing theory of ABC, inspecting cost information and then conducting interviews with officials to get a general view of the requirements for the model to be constructed. The familiarization of the company started with becoming acquainted with the existing cost accounting methods. The main proposals for a new allocation model were revealed through interviews, which were utilized in setting targets for developing the new allocation method. As a result of this thesis, an Excel-based model is created based on the theoretical and empiric data. The new system is able to handle overhead costs in more detail improving the cost awareness, transparency in cost allocations and enhancing products’ cost structure. The improved cost awareness is received by selecting the best possible cost drivers for this situation. Also the capacity changes are taken into consideration, such as usage of practical or normal capacity instead of theoretical is suggested to apply. Also some recommendations for further development are made about capacity handling and cost collection.

Comparison between dSPACE and NI systems based on real-time intelligent control of a teleoperated hydraulic servo system

The Laboratory of Intelligent Machine researches and develops energy-efficient power transmissions and automation for mobile construction machines and industrial processes. The laboratory's particular areas of expertise include mechatronic machine design using virtual technologies and simulators and demanding industrial robotics. The laboratory has collaborated extensively with industrial actors and it has participated in significant international research projects, particularly in the field of robotics. For years, dSPACE tools were the lonely hardware which was used in the lab to develop different control algorithms in real-time. dSPACE's hardware systems are in widespread use in the automotive industry and are also employed in drives, aerospace, and industrial automation. But new competitors are developing new sophisticated systems and their features convinced the laboratory to test new products. One of these competitors is National Instrument (NI). In order to get to know the specifications and capabilities of NI tools, an agreement was made to test a NI evolutionary system. This system is used to control a 1-D hydraulic slider. The objective of this research project is to develop a control scheme for the teleoperation of a hydraulically driven manipulator, and to implement a control algorithm between human and machine interaction, and machine and task environment interaction both on NI and dSPACE systems simultaneously and to compare the results.

Novel control, haptic and calibration methods for teleoperated electrohydraulic servo systems

The aim of this thesis is to propose a novel control method for teleoperated electrohydraulic servo systems that implements a reliable haptic sense between the human and manipulator interaction, and an ideal position control between the manipulator and the task environment interaction. The proposed method has the characteristics of a universal technique independent of the actual control algorithm and it can be applied with other suitable control methods as a real-time control strategy. The motivation to develop this control method is the necessity for a reliable real-time controller for teleoperated electrohydraulic servo systems that provides highly accurate position control based on joystick inputs with haptic capabilities. The contribution of the research is that the proposed control method combines a directed random search method and a real-time simulation to develop an intelligent controller in which each generation of parameters is tested on-line by the real-time simulator before being applied to the real process. The controller was evaluated on a hydraulic position servo system. The simulator of the hydraulic system was built based on Markov chain Monte Carlo (MCMC) method. A Particle Swarm Optimization algorithm combined with the foraging behavior of E. coli bacteria was utilized as the directed random search engine. The control strategy allows the operator to be plugged into the work environment dynamically and kinetically. This helps to ensure the system has haptic sense with high stability, without abstracting away the dynamics of the hydraulic system. The new control algorithm provides asymptotically exact tracking of both, the position and the contact force. In addition, this research proposes a novel method for re-calibration of multi-axis force/torque sensors. The method makes several improvements to traditional methods. It can be used without dismantling the sensor from its application and it requires smaller number of standard loads for calibration. It is also more cost efficient and faster in comparison to traditional calibration methods. The proposed method was developed in response to re-calibration issues with the force sensors utilized in teleoperated systems. The new approach aimed to avoid dismantling of the sensors from their applications for applying calibration. A major complication with many manipulators is the difficulty accessing them when they operate inside a non-accessible environment; especially if those environments are harsh; such as in radioactive areas. The proposed technique is based on design of experiment methodology. It has been successfully applied to different force/torque sensors and this research presents experimental validation of use of the calibration method with one of the force sensors which method has been applied to.

A Mobile High Sensitivity On-field Organophosphorous Compounds Detecting System for IoT Based Food Safety Tracking

Food safety has always been a social issue that draws great public attention. With the rapid development of wireless communication technologies and intelligent devices, more and more Internet of Things (IoT) systems are applied in the food safety tracking field. However, connection between things and information system is usually established by pre-storing information of things into RFID Tag, which is inapplicable for on-field food safety detection. Therefore, considering pesticide residue is one of the severe threaten to food safety, a new portable, high-sensitivity, low-power, on-field organophosphorus (OP) compounds detection system is proposed in this thesis to realize the on-field food safety detection. The system is designed based on optical detection method by using a customized photo-detection sensor. A Micro Controller Unit (MCU) and a Bluetooth Low Energy (BLE) module are used to quantize and transmit detection result. An Android Application (APP) is also developed for the system to processing and display detection result as well as control the detection process. Besides, a quartzose sample container and black system box are also designed and made for the system demonstration. Several optimizations are made in wireless communication, circuit layout, Android APP and industrial design to realize the mobility, low power and intelligence.

Modeling and Synthesis of Tracking Control for the Belt Drive System

Usingof belt for high precision applications has become appropriate because of the rapid development in motor and drive technology as well as the implementation of timing belts in servo systems. Belt drive systems provide highspeed and acceleration, accurate and repeatable motion with high efficiency, long stroke lengths and low cost. Modeling of a linear belt-drive system and designing its position control are examined in this work. Friction phenomena and position dependent elasticity of the belt are analyzed. Computer simulated results show that the developed model is adequate. The PID control for accurate tracking control and accurate position control is designed and applied to the real test setup. Both the simulation and the experimental results demonstrate that the designed controller meets the specified performance specifications.

Improving the performance of a dismounted Future Force Warrior by means of C4I2SR

This thesis comprises seven peer-reviewed articles and examines systems and applications suitable for increasing Future Force Warrior performance, minimizing collateral damage, improving situational awareness and Common Operational Picture. Based on a literature study, missing functionalities of Future Force Warrior were identified and new ideas, concepts and solutions were created as part of early stages of Systems of Systems creation. These introduced ideas have not yet been implemented or tested in combat and for this reason benefit analyses are excluded. The main results of this thesis include the following: A new networking concept, Wireless Polling Sensor Network, which is a swarm of a few Unmanned Aerial Vehicles forming an ad-hoc network and polling a large number of fixed sensor nodes. The system is more robust in a military environment than traditional Wireless Sensor Networks. A Business Process approach to Service Oriented Architecture in a tactical setting is a concept for scheduling and sharing limited resources. New components to military Service Oriented Architecture have been introduced in the thesis. Other results of the thesis include an investigation of the use of Free Space Optics in tactical communications, a proposal for tracking neutral forces, a system for upgrading simple collaboration tools for command, control and collaboration purposes, a three-level hierarchy of Future Force Warrior, and methods for reducing incidents of fratricide.