Savossa kehitetään autonomisia koneita yhdessä opiskelijoiden kanssa – tavoitteena koko alueen kehittyminen

Ylä-Savon ammattiopisto hankki projektia varten Suomen ensimmäisen sähköisen Komatsu PC33E-6-kaivinkoneen. Kuva: Arto Turpeinen

• Tavoitteena kehittää autonominen maarakennuskone.
• Euroopan unionin osarahoittama.
• Toteutettu yhteistyössä Savonia-ammattikorkeakoulun, Ylä-Savon ammattiopiston ja alueen yritysten kanssa.

Savonia-ammattikorkeakoulussa käynnistyi vuonna 2020 hanke, jonka myötä oppilaitokselle hankittiin lappeenrantalaisen Maveon simulaattorijärjestelmä. Kyseinen Ai-MaSi hanke alkoi vuonna 2023. Tavoitteena oli kehittää itsenäisesti liikkuva kaivinkone.

”Savonian puolella meitä kiinnostaa enemmän itse koneet, ei niinkään käytännön tekeminen. Meillä on tällä alueella Junttanit, Ponsset ja Normetit. Kaikissa koneissa on hydraulinen puomi, mutta yritykset eivät kilpaile keskenään. Kun simulaattoria opittiin käyttämään, syntyi ajatus itse ajavan kaivurin kehittämisestä – koneälyn hyödyntäminen nähtiin alusta saakka potentiaalisena”, kertoo Savonia Ammattikorkeakoulun Arto Liuha.

Täysmittaisessa koneessa on jo GPS, Novatronin koneohjaus sekä Engconin kallistuva kauhanpyörittäjä yhtenä pakettina. Kuva: Arto Turpeinen

Seuraava askel oli kaivinkoneen pienoismallin hankinta. Opiskelijoiden kehittämä pikkukaivuri on toiminut alustana, jolla täyshydraulisen ohjausjärjestelmän (40 baarin öljyt sylintereissä) perusteet voidaan opettaa koneinsinööreille.

Merkittäviä edistysaskeleita saavutettiin, kun opiskelijat toteuttivat datankeruun ja tietokoneohjauksen: kaivurista tuli kauko-ohjattava, ja nyt siinä testataan uusia algoritmeja. Tämä vaatii suuria määriä toistoja, jotka tuottavat tietoa kehitykseen.

Hydrauliikka ja venttiilijärjestelmät ovat osoittautuneet haastaviksi. Alusta on rakennettu kustannustehokkaasti, mikä toi omat vaikeutensa ohjauksen tarkkuuden saavuttamisessa. Käytännössä kaikki ratkaisut on rakennettu alusta asti – paineanturit, kiinnikkeet, tietokoneet ja anturit ovat opiskelijaprojektien käsialaa.

Kehitystä viedään eteenpäin kohti tarkempaa asento- ja kärkiohjausta, mutta venttiileiden hidas reagointi on yhä kehityskohde.

Simulaatiossa kone kykenee jo automaattisiin liikkeisiin, kuten esteiden väistämiseen ja koordinaattiohjaukseen. Konenäön lisääminen mahdollistaa tukin tunnistamisen ja tarttumisen, ja paineantureita hyödynnetään puristusvoiman mittaamiseen.

Vaikka todellisessa työympäristössä vaihtelevat olosuhteet, kuten lämpötila, tuovat lisähaasteita, hankkeen mallijärjestelmä toimii optimiolosuhteissa.

Projektissa kehitettiin aluksi digitaalinen kaksonen pienoismallin avulla. Kone osaa jo esimerkiksi poimia yksittäisen tukin tietokoneella annetun käskyn perusteella. Kuva: Arto Turpeinen

Maarakennuskoneiden kuljettajien koulutukseen kuuluu tekoälyavusteinen järjestelmä, joka antaa palautetta työskentelystä. Paineanturit antavat palautetta esimerkiksi oikeista puomikulmista ja varoittavat ääriliikkeistä.  Kuva: Arto Turpeinen

Ylä-Savon ammattiopisto on hankkeen puitteissa päässyt hyödyntämään projektin tuloksia myös käytännössä. Opiskelijoiden työskentelyä voidaan seurata reaaliajassa ja antaa palautetta kaivutyylistä. Ohjaamoon on sijoitettu erillinen näyttö, joka tekoälyn avustuksella antaa palautetta kaivamisessa.

”Koneen hydrauliikka on paineanturoitu, eli kone pystyy mittaamaan, miten sitä ajetaan. Laitteisto toimii todella hyvin jo nyt. Jos sylinteriä ajetaan ääriasentoon, kauhaa hakataan tai puomistoa käytetään huonoissa geometriakulmissa, näyttöön ilmestyy virheilmoituksia, joita voidaan seurata etänä”, kertoo YSAO:n Jani Pitkänen.

Järjestelmässä esiohjauksesta yhdistettyyn tietokoneeneen avulla voidaan hallita pääventtiilin paineita ja samalla ohjata koneta etäyhteydellä. Kuva: Arto Turpeinen

Seuraava merkittävä askel otettiin, kun Ylä-Savon ammattiopisto hankki Suomen ensimmäisen sähköisen Komatsu PC33E-6-kaivinkoneen, johon asennettiin etäohjaus. Koneen työpaino on 3,62 tonnia, teho 17,4 kW ja akkupaketin kapasiteetti 35 kWh. Järjestelmä voidaan asentaa myös dieselkoneisiin.

Ohjaussauvoista katkaistiin päälohkolle menevä ohjaussignaali, mutta hydraulipaineet etenevät sylintereille edelleen normaalisti. Asennuksen jälkeen paineita voi mitata tietokoneella ja säätää pääventtiilille meneviä arvoja tietokoneen kautta. Käytännössä pilottipuolelta ryöstetyn signaalin avulla ohjataan pääventtiiliä.

Sähkökäyttöisyys toi oman haasteensa, sillä koneen runkoa ei voi maadoittaa. Ryhmä joutui pohtimaan pitkään, miten omille järjestelmille saadaan sähköt turvallisesti – tupakansytyttimestä varastettua virtaa ei haluttu käyttää, vaan suunniteltiin omat sulakkeet ja turvallinen järjestelmä.

Haastatteluhetkellä luettiin vasta yhtä CAN-väylää, mutta myöhemmin järjestelmään voidaan yhdistää useampia väyliä. Tavoitteena on liittää mukaan esimerkiksi paikkatieto, Novatronin koneohjaus ja Engconin kallistuva kauhanpyörittäjä yhtenä pakettina.

Etäohjauksessa konetta hallitaan pelikonsolin ohjaimella, joka on yhdistetty tietokoneeseen – tietokone puolestaan hallitsee konetta. Kehitysvaiheessa pohdintaa on aiheuttanut ohjaimen rajallinen määrä nappeja. Monipuolisissa toiminnoissa näppäimiä saattaa olla tarpeen korvata myös vaihtokatkaisimilla.

Savonia-ammattikorkeakoululle hankittiin vuonna 2020, jonka myötä hankittiin simulaattorijärjestelmä. Ai-MaSi hanke alkoi vuonna 2023. Tavoitteena oli kehittää itsenäisesti liikkuva kaivinkone.  Kuva: Arto Turpeinen

Yhteistyöhankkeen tavoitteena on alueellinen yhteistyö eri yritysten kanssa toimialasta riippumatta. Samalla pyritään pitämään osaaminen alueella, jakamaan oppeja opiskelijoille ja luomaan houkutteleva ympäristö myös yrityksille.

Teknologiaa kehitetään avoimessa hengessä, tavoitteena auttaa koko alueen yrityksiä ja synnyttää uusia innovaatioita. Kilpailu täysin autonomisista ajoneuvoista ei ole hankkeen pääfokus – sen sijaan hyödynnetään ajoneuvojen kehitystyötä omien algoritmien pohjaksi.