Limited Information Shared Control and its Applications to Large Vehicle Manipulators

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der kooperativen Regelung einer mobilen Arbeitsmaschine, welche aus einem Nutzfahrzeug und einem oder mehreren hydraulischen Manipulatoren besteht. Solche Maschinen werden für Aufgaben in der Straßenunterhaltungsaufgaben eingesetzt. Die Arbeitsumgebung des Manipulators ist unstrukturiert, was die Bestimmung einer Referenztrajektorie erschwert oder unmöglich macht. Deshalb wird in dieser Arbeit ein Ansatz vorgeschlagen, welcher nur das Fahrzeug automatisiert, während der menschliche Bediener ein Teil des Systems bleibt und den Manipulator steuert. ... mehrEine solche Teilautomatisierung des Gesamtsystems führt zu einer speziellen Klasse von Mensch-Maschine-Interaktionen, welche in der Literatur noch nicht untersucht wurde: Eine kooperative Regelung zwischen zwei Teilsystemen, bei der die Automatisierung keine Informationen von dem vom Menschen gesteuerten Teilsystem hat. Deswegen wird in dieser Arbeit ein systematischer Ansatz der kooperativen Regelung mit begrenzter Information vorgestellt, der den menschlichen Bediener unterstützen kann, ohne die Referenzen oder die Systemzustände des Manipulators zu messen. Außerdem wird ein systematisches Entwurfskonzept für die kooperative Regelung mit begrenzter Information vorgestellt. Für diese Entwurfsmethode werden zwei neue Unterklassen der sogenannten Potenzialspiele eingeführt, die eine systematische Berechnung der Parameter der entwickelten kooperativen Regelung ohne manuelle Abstimmung ermöglichen. Schließlich wird das entwickelte Konzept der kooperativen Regelung am Beispiel einer großen mobilen Arbeitsmaschine angewandt, um seine Vorteile zu ermitteln und zu bewerten. Nach der Analyse in Simulationen wird die praktische Anwendbarkeit der Methode in drei Experimenten mit menschlichen Probanden an einem Simulator untersucht. Die Ergebnisse zeigen die Überlegenheit des entwickelten kooperativen Regelungskonzepts gegenüber der manuellen Steuerung und der nicht-kooperativen Steuerung hinsichtlich sowohl der objektiven Performanz als auch der subjektiven Bewertung der Probanden. Somit zeigt diese Dissertation, dass die kooperative Regelung mobiler Arbeitsmaschinen mit den entwickelten theoretischen Konzepten sowohl hilfreich als auch praktisch anwendbar ist.

This thesis focuses on the shared control of a large vehicle manipulator, which consists of a mid-size heavy-duty vehicle and one or more large hydraulic manipulators. Such machines are used for road maintenance work. The working environment of the manipulator is unstructured, making the measurement of a reference trajectory challenging or impossible. Therefore, in this thesis, an approach is proposed, that automates the vehicle only, while the human operator remains part of the system and controls the manipulator. Such a shared control setup leads to a particular class of human-machine interactions, which has not been studied in the literature: Limited information shared control between two subsystems, in which the automation has no information about the human-controlled subsystem. ... mehrTherefore, this thesis contributes a systematic approach to the limited information shared control, which can support the human operator without measuring the references or the system states of the manipulator. In addition, a systematic design concept of the limited information shared control is presented. For this design method, two new subclasses of the so-called potential games are introduced that enable a systematic calculation of the parameters of the limited information shared controller without manual tuning. Finally, in order to investigate and assess the benefits of the proposed shared control concept, it is applied to the example of a large vehicle manipulator. After the analysis in simulations, the practical applicability of the methods is investigated in three experiments with human test subjects using a simulator. The results show the superiority of the developed shared control concept over manual control and non-cooperative control in terms of both objective performance and subjective evaluation of the subjects. Thus, this thesis shows that the shared control of large vehicle manipulators is both helpful as well practically applicable to the developed theoretical concepts.