Virtuaalitodellisuuslaboratorion laiteympäristön kehittäminen - ohjaimet ja ohjelmistot

Tämä diplomityö on tehty osana HumanICT-projektia, jonka tavoitteena on kehittää uusi, virtuaalitekniikoita hyödyntävä, työkoneiden käyttäjäliityntöjen suunnittelumenetelmä. Työn tarkoituksena oli kehittää VTT:n Tuotteet ja tuotanto tutkimusyksikköön kuluvan Ihminen-kone-turvallisuus ryhmän nykyistä virtuaalitodellisuuslaboratoriota siten, että sitä voidaan käyttää työkoneiden suunnittelussa sekä monipuolisissa ergonomiatarkasteluissa. Itse ympäristön kehittäminen pitää sisällään uuden ohjainjärjestelmän suunnittelun sekä sen implementoinnin nykyisin käytössä olevaan virtuaaliympäristöön. Perinteisesti ohjaamosimulaattorit ovat olleet sovelluskohteisiin räätälöityjä, joten ne ovat kalliita ja niiden konfiguroinnin muuttaminen on vaikeaa, joskus jopa mahdotonta. Tämän työntarkoituksena oli kehittää PC-tietokoneeseen ja yleiseen käyttöjärjestelmään perustuva ohjainjärjestelmä, joka on nopeasti kytkettävissä erilaisiin virtuaaliympäristön sovelluksiin, kuten ohjaamomalleihin. Työssä tarkasteltiin myös tapoja mallintaa fysikaalisia ilmiöitä reaaliaikasovelluksissa, eli on-line simuloinnissa. Tämän tarkastelun perusteella etsittiin ja valittiin jatkokäsittelyyn ohjelmistoja, joiden reaaliaikaisen dynamiikan simulointialgoritmitolivat kaikkein kehittyneimpiä ja monipuolisia.

Control of Robot by Means of Human Thought

Brain computer interface (BCI) is a kind of human machine interface, which provides a new interaction method between human and computer or other equipment. The most significant characteristic of BCI system is that its control input is brain electrical activities acquired from the brain instead of traditional input such as hands or eyes. BCI technique has rapidly developed during last two decades and it has mainly worked as an auxiliary technique to help the disable people improve their life qualities. With the appearance of low cost novel electrical devices such as EMOTIV, BCI technique has been applied to the general public through many useful applications including video gaming, virtual reality and virtual keyboard. The purpose of this research is to be familiar with EMOTIV EPOC system and make use of it to build an EEG based BCI system for controlling an industrial manipulator by means of human thought. To build a BCI system, an acquisition program based on EMOTIV EPOC system is designed and a MFC based dialog that works as an operation panel is presented. Furthermore, the inverse kinematics of RV-3SB industrial robot was solved. In the last part of this research, the designed BCI system with human thought input is examined and the results indicate that the system is running smoothly and displays clearly the motion type and the incremental displacement of the motion.

Virtuaalinen käyttöönottoympäristö automaatiojärjestelmälle

Valmistavan teollisuuden kiristyvät vaatimukset suunnittelusta markkinoille -ajassa (engl. time-to-market), laadussa, kustannustehokkuudessa ja turvallisuudessa luovat paineita uusien toimintatapojen etsimisessä. Usein laitteiston ohjausalgoritmeja ei ole mahdollista testata todellisen laitteiston kanssa, vaan ainoaksi ennakoivaksi vaihtoehdoksi jää todellisen laitteiston virtuaalinen mallintaminen. Eräs uusista toimintavoista on virtuaalinen käyttöönotto, jossa tuotantolinja tai laitteisto mallinnetaan ja sen käyttäytymistä simuloidaan ohjausalgoritmien parantamista ja todentamista varten. Tämän diplomityön tavoitteena oli toteuttaa virtuaalinen käyttöönottoympäristö, jolla laitteiston 3D-mallinnettua virtuaalista mallia voidaan ohjata reaaliajassa todellisen laitteiston ohjauslaitteistolla. Käyttöönottoympäristön toteuttamisen lopullisena tavoitteena on tutkia, millaisia hyötyjä sillä voidaan saavuttaa Outotec (Finland) Oy:n automaatiojärjestelmien suunnittelussa ja käyttöönotossa kiristyvien vaatimusten täyttämiseksi. Työssä toteutetulla käyttöönottoympäristöllä pystytään simuloimaan 3D-mallinnetun laitteiston osan toimintaa reaaliajassa. Todellisen laitteiston ominaisuuksista määritettyjä vaatimuksia ei kustannussyistä täytetty, sillä ennen sitä haluttiin varmistua valitun alustan ominaisuuksista, toimivuudesta ja soveltuvuudesta. Toteutuksen katsotaan kuitenkin täyttävän pehmeän reaaliaikaisuuden kriteerin noin 40 ms aikatasolla ja 80 ms reaktioajalla. Toteutettu virtuaalinen käyttöönottoympäristö osoittautui toimivaksi ja soveltuvaksi, sekä sen todettiin tuovan potentiaalisia hyötyjä Outotec (Finland) Oy:lle, esimerkiksi kosketusnäyttöjen visualisoinnin parannus, hybridikäyttöönottomahdollisuus sekä automaatio-ohjauksien kehittäminen. Työn perusteella arvioidaan onko Outotec:lla tarvetta jatkaa valitulla alustalla todellisen laitteiston aikavaatimukset täyttävään reaaliaika-toteutukseen, jota työssä esitellään.

Analysis of torque and speed ripple producing non-idealities of frequency converters in electric drives

Electric motors driven by adjustable-frequency converters may produce periodic excitation forces that can cause torque and speed ripple. Interaction with the driven mechanical system may cause undesirable vibrations that affect the system performance and lifetime. Direct drives in sensitive applications, such as elevators or paper machines, emphasize the importance of smooth torque production. This thesis analyses the non-idealities of frequencyconverters that produce speed and torque ripple in electric drives. The origin of low order harmonics in speed and torque is examined. It is shown how different current measurement error types affect the torque. As the application environment, direct torque control (DTC) method is applied to permanent magnet synchronous machines (PMSM). A simulation model to analyse the effect of the frequency converter non-idealities on the performance of the electric drives is created. Themodel enables to identify potential problems causing torque vibrations and possibly damaging oscillations in electrically driven machine systems. The model is capable of coupling with separate simulation software of complex mechanical loads. Furthermore, the simulation model of the frequency converter's control algorithm can be applied to control a real frequency converter. A commercial frequencyconverter with standard software, a permanent magnet axial flux synchronous motor and a DC motor as the load are used to detect the effect of current measurement errors on load torque. A method to reduce the speed and torque ripple by compensating the current measurement errors is introduced. The method is based on analysing the amplitude of a selected harmonic component of speed as a function oftime and selecting a suitable compensation alternative for the current error. The speed can be either measured or estimated, so the compensation method is applicable also for speed sensorless drives. The proposed compensation method is tested with a laboratory drive, which consists of commercial frequency converter hardware with self-made software and a prototype PMSM. The speed and torque rippleof the test drive are reduced by applying the compensation method. In addition to the direct torque controlled PMSM drives, the compensation method can also beapplied to other motor types and control methods.

Reaaliaikainen virtuaalihydrauliikka osana todellista konejärjestelmää

Diplomityössä tutkittiin hydrauliikan reaaliaikasimulointia ja sen mahdollisuuksia tuotekehityksen apuvälineenä. Työssä käytettiin dSPACE:n reaaliaikasimulointiin valmistamia laitteita ja ohjelmia. Työssä luotiin Matlab/Simulink –ympäristöön tyypillisimmistä hydrauliikkakomponenttien puoliempiirisistä malleista koostuva komponenttikirjasto, joista kootut hydrauliikkapiirien mallit voitiin kääntää reaaliaikaympäristöön. Työn tavoitteena oli kehittää menetelmä, jonka avulla voidaan nopeuttaa ja helpottaa hydraulismekaanisten konejärjestelmien suunnittelua ja tuotekehitystä. Kehitetyt menetelmät perustuvat todellisen konejärjestelmän osaksi kytketyn reaaliaikaisen virtuaalihydrauliikan avulla laskettuun uuteen ohjaussignaaliin, jonka avulla voidaan todellisella hydrauliikalla kuvata virtuaalisen hydrauliikan vaikutukset todelliseen järjestelmään. Näin ollen muutokset voidaan siis tehdä virtuaaliseen hydrauliikkaan ja niiden vaikutukset nähdä todellisen järjestelmän käyttäytymisessä.

Kaupallisen reaaliaikasimulointiohjelmiston mahdollisuudet mekatronisen konejärjestelmän tuotekehityksessä

Työn tavoitteena oli hankkia ja rakentaa kaupallisilla ohjelmistoilla ja laitteistoilla toteutettu reaaliaikasimulaattori. Työssä keskityttiin erityisesti valmiin Patu 655 puutavarakuormaimen simulointimallin visualisointiin reaaliaikasimulaattoriin hankitulla 3D-animointiohjelmalla. Lisäksi työssä selvitettiin reaaliaikasimuloinnin mahdollisuuksia konejärjestelmän tuotekehityksessä. Reaaliaikasimulaattorina käytettiin dSPACE:n reaaliaikasimulointiin valmistamia kaupallisia laitteita ja ohjelmia. Puutavarakuormaimen simulointimalli käännettiin simulaattorissa suoritettavaksi, jonka jälkeen mallin liikkeet visualisoitiin käyttämällä RealMotion 3D-animointiohjelmaa. Animoitu grafiikka tuotiin sekä AutoCAD- että ADAMS -ohjelmasta. Työn tuloksena saatiin hankittua reaaliaikasimulaattori, jonka havaittiin olevan toimiva kokonaisuus. Puutavarakuormaimen ja muiden simulointimallien automatisoitu kääntö simulaattoriin onnistui hyvin. Simulointimallien visualisointi toimi sujuvasti käytetyn 3D-animointiohjelman avulla. Konejärjestelmien tuotekehitysprosessia havaittiin voitavan nopeuttaa reaaliaikasimulaattorin avulla.

Reaaliaikaisen tiedonsiirtolinkin muodostaminen prosessisäädön simulointi- ja valvomo-ohjelmiston välille

Teollisuusautomaatiossa käytetään varta vasten automaatiosovelluksiin tarkoitettuja tietokoneita eli ohjelmoitavia logiikoita (PLC, Programmable Logic Control). Ohjelmoitavan logiikan ja käyttäjän välillä on hyvin useasti jonkin asteinen käyttöliittymä (HMI, Human-Machine Interface). Käyttöliittymä voidaan toteuttaa logiikkaan liitettävien näyttöpäätteiden tai PC-pohjaisten valvomo-ohjelmien avulla. Käyttöliittymän kautta käyttäjä voi valvoa ja ohjata automaatiojärjestelmää. Tämän kandidaatintyön aiheena on reaaliajassa toimivan tiedonsiirtolinkin luominen prosessisäädön simulointiohjelmiston ja valvomo-ohjelmiston välille. Prosessiasäätöä simuloidaan MATLAB:in Simulink-ohjelmistolla ja käyttöliittymä luodaan InTouch valvomo-ohjelmistolla. Simuloitavana prosessina toimii nelitankkiprosessi, jossa kahden tankin pinnankorkeutta säädetään kahdella pumpulla. Prosessista tekee erittäin mielenkiintoisen se, että prosessilla on kolmitieventtiilien asennoista riippuen kaksi eri toimintapistettä: minimivaiheinen ja ei-minimivaiheinen. Myös tankkien ristiinkytköksien johdosta prosessi on normaalia tankkiprosessia mielenkiintoisempi. Tiedonsiirtolinkin muodostaminen prosessisäädön simuloinnin sekä valvomo-ohjelmiston välille mahdollistaa lukuisia erilaisia käyttötarkoituksia. Varsinkin opetuskäytössä tämä on erittäin käyttökelpoinen, koska se ei vaadi todellisen prosessin eikä laitteistojen läsnäoloa. Sen avulla voidaan opettaa valvomo-ohjelmien luomista sekä niiden käyttöä. Myös prosessisäätöä voidaan opettaa erittäin havainnollisesti.

Virtual technology and haptic interface solutions for design and control of mobile working machines

Commercially available haptic interfaces are usable for many purposes. However, as generic devices they are not the most suitable for the control of heavy duty mobile working machines like mining machines, container handling equipment and excavators. Alternative mechanical constructions for a haptic controller are presented and analysed. A virtual reality environment (VRE) was built to test the proposed haptic controller mechanisms. Verification of an electric motor emulating a hydraulic pump in the electro-hydraulic system of a mobile working machine is carried out. A real-time simulator using multi-body-dynamics based software with hardware-in-loop (HIL) setup was used for the tests. Recommendations for further development of a haptic controller and emulator electric motor are given.

Towards multi bibliographic format support in Invenio

Presentation at Open Repositories 2014, Helsinki, Finland, June 9-13, 2014

An Image Enhancement Technique using MTF of Human eye

Image filtering is a highly demanded approach of image enhancement in digital imaging systems design. It is widely used in television and camera design technologies to improve the quality of an output image to avoid various problems such as image blurring problem thatgains importance in design of displays of large sizes and design of digital cameras. This thesis proposes a new image filtering method basedon visual characteristics of human eye such as MTF. In contrast to the traditional filtering methods based on human visual characteristics this thesis takes into account the anisotropy of the human eye vision. The proposed method is based on laboratory measurements of the human eye MTF and takes into account degradation of the image by the latter. This method improves an image in the way it will be degraded by human eye MTF to give perception of the original image quality. This thesis gives a basic understanding of an image filtering approach and the concept of MTF and describes an algorithm to perform an image enhancement based on MTF of human eye. Performed experiments have shown quite good results according to human evaluation. Suggestions to improve the algorithm are also given for the future improvements.

Liminal Monster and the Conflict Between Human and Machine: The Shrike in Dan Simmons’ Hyperion and The Fall of Hyperion

Tarkastelen tutkielmassani Dan Simmonsin kaksiosaista tieteisfiktioteosta, joka koostuu romaaneista Hyperion ja The Fall of Hyperion. Keskityn teoksissa esiintyvään Shrike-hirviöön, joka edustaa ihmiskunnan pelkäämää potentiaalista konfliktia ihmisten ja koneiden välillä. Pelko ja konflikti ovat keskeisiä teemoja paitsi tieteisfiktiossa, myös hirviöteoksissa yleensä, ja näiden kahden käyttö samassa kertomuksessa luo otolliset edellytykset nyky-yhteiskunnan ahdistusten kuvaamiseen. Hirviöitä ja tieteisfiktiota on tätä nykyä tutkittu melko laajalti, mutta Shrike on aiemmin jäänyt vähälle huomiolle. Lähtökohtaisen teoreettisen viitekehyksen tutkimukselleni ovat luoneet Jeffrey Cohenin Monster Theory: Reading Culture, Stephen Asman On Monsters: An Unnatural History of Our Worst Fears sekä Holly Lynn Baumgartnerin ja Roger Davisin At the Interface: Hosting the Monster. Teoksista kokoamani hirviöteorian kautta tarkastelen sitä, miten Shriken puoliksi orgaaninen ja puoliksi keinotekoinen keho heijastaa niitä romaaneissa esiintyviä osa-alueita, joista tulevaisuudenpelko ja ihmisten ja koneiden väliseen konfliktin uhka koostuu. Koska Shrike on puoliksi orgaaninen ja puoliksi keinotekoinen, se on näiden ominaisuuksien kynnyksellä; tässä risteytyneessä kehossa yhdistyvät molemmat ääripäät, jolloin tämä keho myös symboloi osapuolten välistä konfliktia. Konfliktin lisäksi Shrike ilmentää niitä vastakkaisuuksia, joista ihmisten ja koneiden välisen konfliktin pelko rakentuu: itseyttä ja toiseutta, houkuttelevuutta ja luotaantyöntävyyttä, menneisyyttä ja tulevaisuutta sekä utopiaa ja dystopiaa.

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.