Autonomous Systems

Teknologiamurros 3D-digitalisaatiosta

COMBAT/Pointcloud on kaupunkien, metsien ja väylien pistepilvimallintamisen ja 3D-digitalisaation tutkimushanke.
Luomme uutta tietoa, turvallisuutta ja edellytyksiä 3D-teollisuuden kasvulle Suomessa.

Hanke on Strategisen tutkimusneuvoston rahoittama ja siihen osallistuvat Maanmittauslaitoksen Paikkatietokeskus, Aalto yliopisto, Oulun yliopisto ja Turun yliopisto.

http://pointcloud.fi

Better data enables more efficient and higher quality planning and operations in the entire wood supply chain. D2I is building the foundations for the next generation forest resource management system in Finland. Connecting a wide network of public and private actors, the system aims to improve the competitiveness of the forest industry and increase the value added of the products. It serves the entire network of actors in wood production and procurement.

Result highlights

High density laser scanning of trees

The main objective was to develop novel methods for deriving single-tree-level attributes from active 3D remote sensing data. The use of high density laser scanning was evaluated in predicting:

• aboveground biomass (AGB) components of single trees
• timber assortments and external tree quality from harvesting sites
• stem curve and
• diameter distribution

Main conclusions:

• Terrestrial laser scanning (TLS) especially can provide the tools to measure and predict single-tree-level AGB components with high detail using metrics describing the shape and size of the trees. And Airborne Laser Scanning (ALS) could be used to predict this information to larger areas.
• Timber assortments can be accurately predicted using TLS or multisource approach. Also tree quality features can be measured accurately to further improve the value of forest resource information.
• Automatic processing of TLS data was demonstrated to be effective and accurate and could be utilized to make future TLS measurements more efficient.
• Multisource approaches provide new possibilities to improve the accuracy of single-tree measurements but also for predicting values for larger areas.

http://www.datatointelligence.fi/forest-big-data.html

Hakkuupään prosessointimittausten kehittäminen - MetrixPro

Projektissa tutkitaan uusia mittaustekniikoita keskittyen metsäkoneen hakkuu- eli harvesteripäähän. Tavoitteena on mitata ja estimoida prosessoitavan puun rungon dimensiot sekä muut laatusuureet reaaliaikaisesti katkonnan yhteydessä.

Lähtökohdat

Nykyisissä hakkuukoneissa puuta mitataan prosessoinnin yhteydessä hakkuupäähän asennettujen mekaanisten mittalaitteiden avulla. Rungon katkonnassa hyödynnetään puutavaralajimenetelmää. Puun pituus mitataan yleensä mittapyörällä rungon katkaisemiseksi sopivan pituisiksi tukeiksi tai pölleiksi. Puun läpimittaa mitataan karsintaterien, vetopyörien tai -telojen asennon perusteella. Pituuden ja läpimitan perusteella katkottu puutavara voidaan jakaa eri sahausluokkiin. Puunrungon muu kuin dimensioihin perustuva laadullinen arviointi on nykyään pelkästään hakkuukoneen kuljettajan visuaalisen havainnoinnin varassa.

Tavoitteet

Projektin tavoitteena on kehittää optisia konenäköön perustuvia puun dimensio- ja laatumittauksia, parantaa ja testata kattavammin jo tutkittuja menetelmiä sekä tutkia laitteiston sijoittamista, suojaamista ja kestävyyttä hakkuupäissä.

Tutkimuksen rakenne

Hankkeessa tutkitaan metsänhoitokoneiden sekä ensiharvennusenergiapuun korjuun kannattavuuden ja käytettävyyden parantamista automaatiotekniikan, etenkin modernin mittaus- ja aistintekniikan sekä avoimeen ISOBUS-kommunikointirajapintaan perustuvan hydrauliikkaohjauksen avulla. Hankkeessa tutkitaan mitä pitää mitata ja aistia taimikonhoitotöitä koneilla tehtäessä ja energiapuuta hakattaessa, kehitetään mittaus ja aistinjärjestelyitä ja algoritmeja sekä kehitetään ja demonstroidaan puoliautomaattisia koneenohjaustapoja, joilla työn tuottavuutta ja koneen käytettävyyttä voitaisiin parantaa.

Lähtökohdat

Suuri osa metsänhoitotöistä tehdään nykyisin ihmistyönä mutta löytyykö metsänhoitotöihin riittävästi tekijöitä myös suurten ikäluokkien jäädessä eläkkeelle? Metsähoitotöihin ei välttämättä saadaan tekijöitä ja metsänhoitotöiden koneellistamisastetta on syytä nostaa jo lähitulevaisuudessa.

Koneellisten metsänhoidon ja energiapuun korjuun suurin ongelma liittyy toiminnan kannattavuuteen. Merkittävässä osassa pohjoisen havumetsävyöhykkeen metsiä puuta voidaan hakata vain talvikautena. Osalle hakkuu- ja ajokoneista ei ole hakkuukäyttöä kesäaikaan vaan koneita joudutaan seisottamaan. Metsähoitotöitä taas tehdään pääasiassa sulan maan aikana. Olemassa olevaa konekalustoa voitaisiin käyttää sopivasti lisävarusteltuna myös näihin tehtäviin varsinaisen hakkuusesongin ulkopuolella.

Yleiskäyttöiseen traktoriin perustuvissa ns. isäntälinjan metsäkoneissa pääomakulut ovat huomattavasti alhaisemmat, jolloin hoitotöiden ja energiapuun korjuun kannattavuus voi olla parempi myös hakkuusesongin aikana. Traktorin ja työkoneen väliseen tiedonsiirtoon tarkoitettu ISO 11783 -standardi. Työkonetta hallitaan traktorin mukana tulevalla ISOBUS-virtuaaliterminaalilla. Lisäksi standardi mahdollistaa traktorin hydrauliikkalohkojen ohjaamisen työkoneesta käsin.

Agrix- (2003-2005) ja Farmix [en] -projekteissa (2006-2008) on tutkittu ja kehitetty ISOBUS-yhteensopivien työkoneiden prototyyppejä. Näiden projektien pohjalta on olemassa hyvät valmiudet tutkia isäntälinjan kuormaimen tai nosturin ISOBUS Class 3 -toteutusta.

Metsänhoitotöihin, energiapuun korjuuseen tai ensiharvennukseen varustetuilla koneilla operointi on nykyisin lähes täysin manuaalista ja perustuu pelkästään kuljettajan omien aistien antamaan informaatioon. Modernin paikannus-, mittaus- ja aistintekniikan antaman informaation pohjalta erilaisia puoliautomaattisia ohjausratkaisuja soveltamalla on mahdollista parantaa työn tuottavuutta ja laatua sekä helpottaa kuljettajan työtä. Autonomiset metsäkoneet eivät ole mikään itsetarkoitus mutta osa metsänhoitotöistä on kuitenkin senlaatuisia, että ne voitaneen tehdä autonomisella koneella joskus tulevaisuudessa.

Tavoitteet

• Lokaalipaikannus suhteessa ympäristön kohteisiin, kuten erikokoisiin taimiin ja muuhun puustoon
• Prosessointipään paikan ja orientaation mittaus alustakoneeseen nähden
• ISOBUS-nosturin puoliautomaattinen ohjaus
• Nosturin ohjaukseen soveltuvan hydrauliikan erityispiirteiden kartoittaminen
• Mittausinformaation visualisointi kuljettajalle havainnolliseen muotoon

Lisätietoja

In Agromassi project self-adjusting, adaptive, inherently safe assisting control functions for agricultural machine (tractor + implements together) are developed; so that driver's work becomes easier, and accuracy, energy efficiency and dosing-on-demand are improved. The functions can be classified into: mechatronic automation and control, operational time, management of farming process and supporting functions for contracting. In this project methodology is developed and the concepts are tested, to support future product developments in companies. Agromassi is a three year project lead by Aalto University's Department of Automation and Systems Technology. The project is part of FIMECC/Intelligent solutions theme program: EFFIMA - ENERGY AND LIFE CYCLE COST EFFICIENT MACHINES. The program is lead by VTT.

https://portal.mtt.fi/portal/page/portal/mtt_en/projects/agromassi

In agriculture, fully-automatized crop production will become true in the future. This means that robots and other automated machines will cultivate and harvest fields instead of human driven tractors and other present machines. The requirements for future autonomous field machines and methods needed to operate them automatically are still unclear. This research project tries to clarify the requirements for technology, methods and models needed to make automatized crop production possible. The research methods are modeling, simulation and simulation based analysis. Automatic farm simulator will be developed in this project. Models existing in scientific agricultural and agrotechnological literature will be utilized and supplementary models will be developed, in supplementary models the structure is more important than the parameters. The approach is top-to-bottom. The analysis is based on simulation of imaginable scenarios, differing resource sets, like machine repertoire. Capacity, cost-efficiency, reliability, quality-efficiency among the others are the measures of simulation based analysis. This research creates a roadmap to reach the goal. Some results of this research are usable also for present crop farming, like operational planning.

Partners

• TKK Automation Technology (professor Arto Visala)
• University of Helsinki - Dep. of Agrotechnology (professor Jukka Ahokas)

Tutkimuksen rakenne

Hankkeessa kehitetään uusia mittaustekniikoita metsäkoneen hakkuu- eli harvesteripään yhteyteen. Hankkeessa tutkitaan etenkin konenäön, lasermittaustekniikkaan sekä muiden optisten mittaustekniikoiden ja niiden signaalikäsittelymenetelmien soveltamista vaativissa metsäolosuhteissa.

Lähtökohdat

Nykyisissä pohjoisen puutavaralajimenetelmän hakkuukoneissa käsittelyn kohteena olevaa puuta mitataan rungon prosessoinnin yhteydessä hakkuupäässä. Mitattujen suureiden kuten pituuden ja läpimitan perusteella hakattu puutavara voidaan dimensioida.

Puun rungon laadullinen arviointi on pelkästään hakkuukoneen kuljettajan visuaalisen havainnoinnin varassa. Runko apteerataan eli katkotaan pölleiksi osittain automaattisesti tilastollisen aineiston ja puunjalostuksen tarpeen perusteella.

Puun jalostusarvoa olisi mahdollista lisätä runkojen tarkemmalla katkomalla. Tarkemmassa puoliautomaattisessa katkonnassa tarvittaisiin mittatietoa rungon muodosta ja laatusuureista kuten oksaisuus sekä rungon vaurioista jo ennen rungon prosessointia.

Tavoitteet

Projektin tavoitteena on kehittää hakkuukoneen hakkuupään ja nosturin yhteyteen koneaistimiin perustuvia puun dimensio- ja laatumittauksia. Projektissa tutkitaan menetelmiä automatisoida puun apteeraus eli katkonta optimaalisiksi pölleiksi ainakin helpoissa olosuhteissa. Tavoitteen saavuttamiseksi olisi kyettävä mittaamaan ja laskemaan käsiteltävän puun runkomuoto sekä puun laatusuureita kuten oksaisuus (määrä ja läpimitta, tuore vai kuiva, oksavyöhykkeiden rajat) sekä rungon vauriot (mutkat, lenkous, laho). Puuta voidaan mitata sitä lähestyttäessä kaatoa varten sekä sitä prosessoitaessa. Samalla koneaistinvarustuksella pyritään ainakin varmentamaan nykyisin käytettävät pöllin pituus- ja läpimittamittaukset määrittämällä puun siirtymät katkaisua varten sekä määrittämällä pöllin läpimitta katkaisupinnasta. Mittaukset eivät saa hidastaa hakkuukoneen toimintaa.

Toinen asiaan liittyvä tavoite liittyy jäljitettävyysongelman ratkaisuun. Projektin osana tutkitaan RFID – ja muiden etäluettavien muistitekniikoiden tarjoamia mahdollisuuksia ja kiinnitystekniikoita, joilla voitaisiin merkitä hakkuun yhteydessä tukit yksikäsitteisillä riittävän edullisilla tunnisteilla, jotka eivät haittaa puun jalostamisprosesseja.

Research Partners

• TKK Institute of Photogrammetry and Remote Sensing
• TTY The Institute of Measurement and Information Technology
• VTT Technical Research Centre of Finland

Companies

• Metsäliitto
• Stora-Enso Oyj
• UPM-Kymmene Oyj
• Vansco Electronics Oy
• Ponsse Oyj
• John Deere Oy
• Komatsu Forest Oy
• Logset Oy
• Metsäteho Oy

Background

• automation has been important part of products in traditional industry
• automation can improve the quality and usability and increase productivity
• electronics has been applied to agricultural machines, but there is still more potential
• the control systems of tractor and implements are usually separate
• ISOBUS compatible products will appear
• Agrix-project

Goals

The main goal is to clarify challenges to make integrated control over tractor and implements and develope methods that make it possible. With integration of tractor-implement system drivers work becomes easier, accuracy and quality improves, work becomes more efficient and safery improves. Open communication standard and the methods to be developed improve the friendliness to the environment and increases the possibilities to traceablility.

Research topics

• machine vision applications in field
• integrated autopilot for tractor and implement
• high level software development tools for embedded control
• good practices to maintain softwares
• functional integration of tractor and implement
• tractor resources commanded from ISOBUS
• possibilities of implement-controls-tractor concept
• ISOBUS task controller
• user interfaces, usability and safety
• general controller for working depth
• electric feeder for seed drill
• automatic calibration
• using positioning information in input control
• intelligent functions for front and rear hitch
• ISOBUS in road making and maintenance machines
• intelligent control of tractor based road maintenance machine

Partners

• TKK, Automation Technology
• MTT Plants
• University of Helsinki, Department of Agrotechnology
• TTS, Work Efficiency Institute

Funding

• Tekes (Finnish Funding Agency for Technology and Innovation)
• Valtra
• Vansco Electronics
• Junkkari
• LH Lift
• Potila
• ProAgria
• Tume-Agri (only year 2006)
• Vama-Product
• Vieskan Metalli

Metsäkoneiden aistinjärjestelmä, puuston kartoittaminen ja puoliautomaattinen ohjaus (2005 - 2008)

Lähtökohdat

• Tämän päivän hakkuukoneet ovat tehokkaita mutta kalliita laitteita; kaadettua, karsittua ja katkottua puuta pitää syntyä vauhdilla jotta koneen käyttö on kannattavaa
• Toisaalta harvennushakkuissa kasvamaan jätettävien puiden valinta ja niiden sopiva tiheys on erittäin tärkeää
• Aistinjärjestelmien ja automaation keinoin on mahdollista lisätä hakkuun tehokkuutta ja parantaa sen laatua

Tavoitteet

• Laseskannerien, konenäön ja paikannuksen (3D-paikka, 3D-orientaatio) tehokas robusti yhteiskäyttö puiden mittauksessa ja koneen ohjaamisessa
• Sensorifuusio ja ilmakuvien hyödyntäminen
• Puiden mallintaminen
• Puoliautomaattinen hakkuukoneen ohjaus
• Sulautettujen ohjausohjelmistojen menetelmät

Osallistujat

Yritykset

• Metsäliitto
• Stora-Enso Oyj
• UPM-Kymmene Oyj
• Vansco Electronics
• Ponsse Oyj

Tutkimusosapuolet

• Metla
• TKK Automaatiotekniikka

Rahoittajat

• Päärahoittaja Tekes
• yritykset

Research Setting

In precision farming, cultivation operations, timing and the amount of cultivation material inputs, are adapted to local optimal values relative to the needs of the cultivated plant in accordance with the soil characteristics and nutrient content.

The goal of Agrix-project is to develop a prototype of an open, generic and configurable automation platform for agricultural machinery. Also fault tolerance and remote maintenance are important research topics.

Starting Points

• Using computer aided planning of farming operations is already required for getting agricultural environmental aid
• Digitized field plot maps and aerial pictures of fields can be downloaded from the internet
• Price of position technology has significantly dropped
• It is time to close the control loop i.e. to use position based control in agricultural machines

Research Goals

• The goal of Agrix-project is to develop a prototype of an open, generic and configurable automation platform for agricultural machinery

Generality and Configurability

• How to apply factory automation configuration model in Agrix system?

Research Topics

• The architecture and implementation of automation system
• User interface
• Positioning and navigation
• Telematics and remote maintenance
• Wireless communication between the tractor and the implement
• Optimization of driving paths
• New measurements and technologies