Szemcsehalmazon belüli elmozdulások mérésére alkalmazható gyorsulásmérő szenzor alapú mérőrendszer fejlesztése
Számos alkalmazási területen (gyógyszeripar, mezőgazdaság, építőipar stb.) az adott gyártási folyamatok optimalizációjához egyre inkább szükség van arra, hogy vizsgálható legyen a különböző szemcsékből álló halmazok működés közbeni mozgása. Bizonyos körülmények között léteznek erre hatékony megoldások, például képfeldolgozás alapján, esetleg infravörös jeladók lekövetésével, de léteznek GPS-hez hasonlóan működő megoldások is. Azonban ezen technológiáknak megvannak a maguk korlátai, továbbá a halmaz belső elmozdulásainak a vizsgálatára nem alkalmasak. Egyértelmű például, hogy képfeldolgozás esetén közvetlenül szükséges látnunk a szóban forgó testet, míg a GPS-jellegű megoldás csupán korlátozott pontossággal tudja visszaadni a kívánt értékeket.
De mit tehetünk, ha olyan testek mozgását szeretnénk feltérképezni, melyekre nincs feltétlenül rálátásunk, de fontos a minél pontosabb útmeghatározás? Ilyen alkalmazási terület lehet például a szemcsehalmazokon belüli szemcseelmozdulás meghatározása, ami számos ipari alkalmazás megfelelő üzemeltetéséhez hasznos lehet. Ez esetben hasznunkra válik egy úgynevezett IMU (Inertial Measurement Unit), azaz egy olyan „szenzorcsomag”, mely egyben tartalmaz gyorsulásmérőt, giroszkópot és akár magnetométert is. Ennek segítségével ugyanis a gyorsulásadatokból visszafejthető az eszköz (saját koordináta-rendszerében mért) elmozdulása, illetve szenzorfúzióval megkaphatjuk az eszköz orientációját is. A nyers adatok felhasználása azonban nem triviális, hiszen például a gyorsulásmérő zaja a dupla integrálás miatt exponenciális eltolódást okoz. Emiatt nekünk is megkötéseket kell tennünk, méghozzá azt, hogy a kezdeti- és végpontok távolsága más módon mérhető kell, hogy legyen, továbbá az elmozdulásnak térben és időben is aránylag rövid távúnak kell lennie. A kutatás során az imént említett IMU-alapú mérőrendszer került kifejlesztésre.
Yang és kollégái (2017) is hasonló IMU-alapú követő eszközt készítettek [1]. Azonban a felhasználási terület és algoritmusok különböznek az általunk használtaktól. Ők ugyanis egy kígyószerű robot mozgásának követésére használták az eszközüket, melyben a szenzor orientációja nem változik működés közben, míg nálunk az eszköz mindhárom térbeli tengely mentén szabadon mozoghat. Ezen kívül más hardver- és szoftverelemeket használtak a mért adatok zajának szűrésére.
A kifejlesztett eszköz egy talaj-szerszám kapcsolatot vizsgáló kutatásban kerül alkalmazásra. A talaj-szerszám kapcsolat vizsgálatával, modellezésével már számos kutató foglalkozott. Napjainkban a számítási kapacitás fejlődésével egyre elterjedtebbé vált a diszkrételemes módszer (DEM) alkalmazása ezen mechanizmus modellezésére. Tamás (2018) kutatásában a talaj, mint halmaz elmozdulását függőlegesen tudta mérni lézeres profilográf alkalmazásával [2]. Milkevych és kollégái (2018) a talajban adott mélységben elásott jelelőkockákkal vizsgálták a talajművelő szerszám okozta talajon belüli elmozdulásokat különböző rétegekben. Kutatásukban kizárólag ezen kockák kiindulási pontját és végső helyzetét tudták vizsgálni a mozgás pályájáról viszont nem kaptak információt [3].
Jelen kutatásban -melyet laboratóriumi talajvályúban végeztünk- alkalmazásra került a kifejlesztett berendezés, mellyel az eddigi szakirodalmi eredményeken túl a halmazon belüli elmozdulás pályáját is nyomon tudtuk követni, mely pontosabb alapja lehet a mérés DEM-szimulációban való reprodukálásához.
A feltérképezett utak felhasználhatóak többek között szemcsés anyagok mozgásának modellezésére (ilyen lehet például a talaj, de a betakarított kukorica is), mellyel optimalizációs feladatokat könnyíthetünk meg, valamint alapul szolgálhat egy diszkrételemes modellezés változóinak kalibrálásához is.
Irodalom:
1. Yang, W., Bajenov, A. & Shen, Y. Improving low-cost inertial-measurement-unit (IMU)-based motion tracking accuracy for a biomorphic hyper-redundant snake robot, 2197-3768 (2017)
2. Tamás K.: The role of bond and damping in the discrete element model of soil-sweep interaction, 1537-5110 (2018).
3. Milkevych, Viktor, et al. Modelling approach for soil displacement in tillage using discrete element method. Soil and Tillage Research, 2018, 183: 60-71.
szerzők
-
Wágner Árpád
Mérnök informatikus szak, alapképzés
alapképzés (BA/BSc) -
Kovács Gyula
Gépészmérnöki mesterképzési szak
mesterképzés (MA/MSc)
konzulensek
-
Kovács László
Ipar 4.0 témavezető, Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék -
Dr. Tamás Kornél
egyetemi docens, Gép- és Terméktervezés Tanszék -
Hudoba Zoltán
tanszéki mérnök, Gép- és Terméktervezés Tanszék
