תקצירי הרצאות

הגב' קרן רינת
אתגרים טכנולוגיים בפיתוח רכב בלתי מאויש
ד"ר רפי לינקר
Radio-controlled motorcycle: From concept to reality
ד"ר גדעון אביגד              
Worst Case based Evolutionary Multi-objective Search in Mechatronic Design
מר אייל מנור
תהליך התכן המערכתי וההנדסי – הגישה במערכת מכאטרונית והדגמה

אתגרים טכנולוגיים בפיתוח רכב בלתי מאויש

מתחרות DARPA Grand Challenge 2004
ועד DARPA Urban Challenge 2007

קרן רינת, מהנדסת מערכות רובוטיקה קבוצת הבקרה והניווט, אל-אופ

לזכרו של ד"ר מרדכי (מרקו) ולגר,מורנו ורבנו, ראש קבוצת הבקרה והניווט באל-אופ, איש חזון ואדם נפלא שחקר, למד והביא את נושא הרכבים האוטונומיים, כמו גם אינספור נושאים נוספים אחרים לאל-אופ ולקבוצה.

רכב אוטונומי בלתי מאויש הינו רכב המסוגל למלא באופן עצמאי משימה של נסיעה מדויקת לאורך מסלול, שמירת מרחק מרכבים אחרים, זיהוי מכשולים על המסלול, עקיפתם וחזרה למסלול המקורי, ביצוע U-TURN ומשימות נוספות שברכב רגיל מבוצעות על ידי הנהג. רכבים אלה מתוכננים להחליף רכבים מאוישים באזורי סכנה לצורכי סיור, חילוץ פצועים מאזורי לחימה והבאתם לבתי חולים, הגעה לאזורים מזוהמים וכו'. לצורך ביצוע המשימה תוכננה באל-אופ מערכת הנחיה לרכבים בלתי מאוישים המורכבת משלוש תת מערכות: בקרה, ניווט וזיהוי מכשולים.

מערכת בקרה: מערכת זו כוללת מפעילים חשמליים המהווים תחליף לידיים והרגליים של הנהג ומניעים את מערכות ההגה, ההילוכים , הבלמים וההאצה. המערכת שולטת על המהירות וקצב הפניה של הרכב ודואגת לכך שיעקוב בצורה מאד מדויקת אחר המסלול המבוקש.

מערכת ניווט: מערכת זו בנויה על שילוב מלא של מערכת ניווט אינרציאלית (INS) עם מערכת ניווט לווינית משולבת תחנה קרקעית DGPS)) והיא מספקת מיקום מדויק, מהירויות, תאוצות ומצב זוויתי של הרכב בכל רגע נתון.

מערכת זיהוי ועקיפת מכשולים: המערכת כוללת מחשבים חזקים ומערכת חיישנים מתקדמת (לייזרים, מכ"מים, מצלמות וכו') המקיפים את הרכב. המערכת אוספת את המידע מהחיישנים ויוצרת מפת מכשולים דינמית שכוללת את המאפיינים שנצברו לגבי כל מכשול בהיקף הרכב: מספרו הסידורי, מימדיו (גובה, רוחב ושיפוע), מיקומו הגיאוגרפי, וכיוון ההתקדמות והמהירות שלו. על בסיס מפה זו מחושב מסלול עקיפת המכשולים.

בהרצאה נפרט את האתגרים הטכנולוגיים בפיתוח כל אחת מהמערכות וחוויות מההשתתפות בתחרויות המובילות בעולם בתחומים אלו.

 

 

Radio-controlled motorcycle: From concept to reality
 
Uri Nenner, Raphael Linker, Per-Olof Gutman
Faculty of Civil and Environmental Engineering
Technion – Israel Institute of Technology


Motorcycles are inherently unstable systems subjected to non-holonomic contact constraints. Due to the non-holonomic constraints at the point of contact between the tire and the ground, in the absence of slipping only longitudinal movement is feasible. These make the development of an autonomous or tele-operated motorcycle especially challenging. The vast majority of previous studies related to motorcycles dynamics were focused on the stability of uncontrolled motorcycles and the vibration modes that result from external disturbances (e.g. side wind). Very few studies focused on motorcycle control and each study used a custom model that relied on different assumptions. The first stage of the present study was therefore devoted to deriving a full set of linearized equations of motions using a Newtonian approach. After estimating the various parameters of the model either experimentally or using CAD modeling, this model was used to design a robust feedback control loop using quantitative feedback theory (QFT). The control loop was designed assuming that the only feedback measurements were the roll angle and its derivative, and the only actuator was the steering torque. A 10% uncertainty was considered in all the parameters, and a cascade control loop was designed to stabilize the motorcycle for speeds ranging from 4 [m/s] to 5 [m/s]. The controller was intentionally kept as simple as possible so that it would be possible to implement it on the experimental platform that used a fixed-point micro-controller issuing commands every 20ms. The control design was validated by simulations and successfully implemented on a 50cc scooter, which proved very demanding in terms of mechanical, electrical and programming work.

 

 

Worst Case based Evolutionary Multi-objective Searchin Mechatronic Design
 
Dr. Gideon Avigad
Mechanical Engineering
ORT Braude College of Engineering
Presentation Abstract

In the presentation the utilization of Evolutionary Multi-objective Optimization (EMO) algorithms for mechatronic design will be highlighted. With that respect special consideration will be given to algorithms that search simultaneously in the design space for both structure and control parameters. Such concurrent algorithms seem to improve performances and shorten design lead time, by reducing the number of design iterations. Moreover, the recently introduced worst-case multi-objective evolutionary approach will be explained. The approach allows searching for designs that are optimal and also worst-case robust to both design parameters and environmental parameters related uncertainties. Both academic and real life examples will be presented to elucidate the effectiveness of the algorithm.

 

 

תהליך התכן המערכתי וההנדסי – הגישה במערכת מכאטרונית והדגמה

מר אייל מנור – מהנדס פיתוח ברפא"ל

תקציר

מערכות מכאטרוניות מורכבות מאופיינות בריבוי דיספלינות, ריבוי פרמטרים וממשקים מורכבים. לפעמים נוספים אילוצים כמו דרישה לאמינות גבוהה ויכולת בדיקתיות הן בתחזוקה והן בניסויים יזומים במהלך מחזור חיים. ייתכן ומערכות כאלה גם נחשפות לתנאי סביבה ותנאי הפעלה קיצוניים שגם עבורם נדרש לתת מענה בתכן.

המתודולוגיה וגישת התכן הן המערכתי והן ההנדסי צריכים להבטיח מענה מלא לדרישות תוך חתירה לעמידה ביעדי הביצועים, המשאבים והלו"ז. בהרצאה תוצג גישת תכן מכאטרוני המיושמת הלכה למעשה תוך הדגמה.

התכן של המערכת המכאטרונית נגזר מתכן מערכתי. בתכן זה יש הקצאה לפונקציות שהמערכת המכאטרונית נדרשת לממש, הגדרה של תנאי הסביבה והעבודה, מתאר מחזור החיים ועוד. בשלב ראשון גוזרים את המפרט הדרישות המערכתי וההנדסי. בשלב השני מגבשים קונספט תכן. בתחילה למערכת המכאנית, לאחר מכן מוסיפים מפעילים, חיישנים ופונקציות בקרה, מבצעים אינטגרציה ראשונית של התוכנה ולבסוף חוזרים לתכן המכאני. בסיום שלב זה מייצרים פתרונות עקרוניים, קובעים קריטריונים לבחירת חלופות ולבסוף בוחרים את החלופה הנבחרת. בתכן-העל קובעים את הארכיטקטורה של המערכת, את הממשקים המכאניים, החשמליים והתקשורות. התוצרים בסיום שלב זה הם: הארכיטקטורה הפונקציונאלית, הארכיטקטורה הפיזית, הארכיטקטורה התפעולית ותהליך האינטגרציה. בשלב זה גם נקבע קונספט בדיקת הקבלה והתחזוקה.

הניתוח של התכן המפורט נעשה באמצעות כלים ומודלים. נעשה שימוש בכלי תיב"מ דוגמת SW ב-MATLAB + SIMULUNK ובמודלים קינמטיים, סטאטיים ודינאמיים, בתיאורים גרפיים ובתרשימי זרימה חשמליים. המגמה לעשות שימוש, ככל האפשר, במרכיבים מסחריים. במקרים רבים נעשית גם סימולציה של זמן אמת.

החלק המרכזי במחזור חיי הפתוח, שבדרך כלל גם עתיר זמן ומשאבים, הוא תכנית ההוכחה והפתוח. הגישה מבוססת על ניתוחים וניסויים. דרך הדרישות הפונקציונאליות מזהים את הפרמטרים העיקריים המשפיעים על כל אחד ממצבי המערכת. עבורם שוקלים כיצד ניתן מענה להשפעת תנאי הסביבה ולשונות (הטולרנסים) בין גופים שונים שמיוצרים מסימוכי הייצור של התכן. ניסויי הפתוח נעשים ברבדים השונים של הדיספלינות מכאניקה, אלקטרוניקה ובדיקות תכנה ואח""כ ברמת שילובים. כדי לטפל במספר רב של פרמטרים, התכן וההוכחה מוכוונים כך שניתן יהיה לעשות הפרדת משתנים וניתן יהיה להוכיח ברמות הנמוכות כל מנגנון בנפרד.

התהליך המוצג יודגם באמצעות מערכת מורכבת שתפקידה להפעיל אנטנה מיוחדת.