Mariusz Ostrowski z Zakładu Technologii Inteligentnych IPPT PAN zajął szóste miejsce w międzynarodowym konkursie projektowym dotyczącym tematyki monitorowania stanu technicznego konstrukcji „The 2nd International Competition for Structural Health Monitoring” - IC-SHM, 2021.
Organizatorami konkursu były międzynarodowe uczelnie, w tym m.in. University of Illinois at Urbana-Champaign, USA oraz Harbin Institute of Technology, Chiny. Do udziału w konkursie zgłosiło się 167 drużyn z 20. krajów. Ostatecznie zgłoszono 53 projekty z 12. krajów.
Uczestnikom zaproponowano do wyboru trzy typy projektów z zakresu autonomicznych systemów do wizyjnego monitorowania stanu technicznego konstrukcji. Dwa pierwsze polegały na wizyjnej ocenie powierzchni konstrukcji betonowych z wykorzystaniem uczenia maszynowego, np. sztucznych sieci neuronowych. Trzeci typ projektu polegał na wizyjnym pomiarze drgań konstrukcji kratowej oraz ekstrakcji informacji o lokalizacji i stopniu jej uszkodzenia.
Doktorant z IPPT PAN przygotował swój projekt w trzeciej kategorii. Opracował autorskie oprogramowanie w środowisku Matlab® umożliwiające pomiar drgań oraz ocenę stanu technicznego konstrukcji kratowej. W tym celu przetestował wiele metod wizyjnego śledzenia ruchu obiektów. Ostatecznie wybrano metodę analizy obrazu opartą na korelacji wzajemnej. Zbadał również kilka metod wykrycia, lokalizacji i oszacowania stopnia uszkodzenia w celu oceny stanu technicznego monitorowanej konstrukcji. Doktorant wybrał metody wykorzystujące model matematyczny konstrukcji, gdyż metody oparte wyłącznie na pomiarze okazały się zbyt niedokładne ze względu na znaczną zawartość szumów w pomiarach wizyjnych – od 5 do nawet 60 % w tym przypadku. Mariusz Ostrowski opracował model konstrukcji kratowej z użyciem metody elementów skończonych (MES), który był kalibrowany poprzez zmianę sztywności monitorowanych prętów konstrukcji tak, aby odwzorowywał zachowanie potencjalnie uszkodzonej kratownicy. Elementy modelu z obniżoną sztywnością były uznawane za uszkodzone. Znaczące błędy pomiarowe narzuciły również wybór odpornej na nie metody do kalibracji modelu. Doktorant ostatecznie wybrał metodę rozszerzonego oszacowania odwrotnego (ang. augmented inverse estimate, AIE) minimalizującą różnicę między zmierzonymi danymi modalnymi oraz wyznaczanymi z modelu MES. Wytypowana metoda bazuje na pseudoodwrotności rozszerzonej macierzy wrażliwości danych modalnych na zmiany parametrów sztywności. Metoda wstępnie odrzuca pomiary obarczone znacznym błędem. Wykorzystuje ona również regularyzację rozwiązania poprzez obcięcie rozkładu wartości szczególnych (TSVD). Wybrana technika rozwiązuje problem wielokrotnie usuwając w każdej iteracji niewiadome z układu równań odpowiadające elementom kratownicy uznanym za nieuszkodzone. Poprawia to regularyzację i uwarunkowanie numeryczne. Metoda opisana powyżej okazała się skuteczniejsza, niż inne sprawdzone techniki kalibracji modelu – w tym popularne dzisiaj metody Bayesowskie. Zaproponowany przez Mariusza Ostrowskiego schemat działania pozwala na okresową i zautomatyzowaną ocenę stanu technicznego kratownicy mając do dyspozycji jedynie sfilmowane drgania oraz podstawowe dane konstrukcji z dokumentacji technicznej, np. wymiary i użyte materiały.
Mariusz Ostrowski jest doktorantem V roku w Studium Doktoranckim IPPT PAN. Tak opowiada o sobie: „Naukami ścisłymi interesuję się od młodości. Zawsze fascynowała mnie szeroko pojęta fizyka oraz praktyczne zastosowania matematyki. Było to dla mnie powodem do podjęcia studiów na Politechnice Lubelskiej (2011-2016). Po studiach pierwszego stopnia na kierunku mechatronika zacząłem studia drugiego stopnia na kierunku Elektrotechnika ze specjalizacją związaną ze sterowaniem napędami elektrycznymi. Moja pasja naukami ścisłymi miała odzwierciedlenie w podejmowanej przeze mnie pracy zawodowej. Jako student brałem udział w projekcie dotyczącym napędu elektrycznego gokartów realizowanym przez firmę Findewal Sp. z o. o. Po studiach pracowałem na stanowisku specjalista opto-mechatronik w Astri Polska Sp. z o. o. przy projekcie UV2VIS dot. instrumentu pomiarowego do weryfikacji prototypu spektrometru, który docelowo będzie wystrzelony na satelicie w kosmos (misja Sentinel 5). Projekt realizowany był ze środków Komisji Europejskiej i Europejskiej Agencji Kosmicznej. Później zajmowałem się symulacjami pracy układów elektromechanicznych w środowisku Matlab® w projekcie finansowanym przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju (NCBR), realizowanym w firmie Findewal Sp. z o. o. W 2017 roku zdecydowałem się rozpocząć doktorat w IPPT PAN obierając kierunek badań łączący mechanikę stosowaną oraz teorię sterowania”.
W ramach doktoratu w IPPT PAN pod opieką dr hab. inż. Bartłomieja Błachowskiego, prof. IPPT PAN, Mariusz Ostrowski rozwija strategię półaktywnego sterowania modalnego. Sterowanie realizowane jest poprzez dynamiczne blokowanie rotacyjnych połączeń w konstrukcjach ramowych. Umożliwia to wywołanie efektu sprzężenia modalnego – a w konsekwencji – ukierunkowanego transferu energii drgań do lub z wybranych postaci drgań. Rozwijana strategia sterowania ma zastosowanie w tłumieniu drgań oraz w pozyskiwaniu energii z drgań mechanicznych (ang. energy harvesting).
W przypadku tłumienia drgań energia jest przenoszona z postaci drgań niskiego rzędu, które są słabo tłumione, do wyższych postaci drgań scharakteryzowanych przez silne tłumienie materiałowe, w którym energia jest następnie rozpraszana. Powoduje to efektywne tłumienie drgań konstrukcji przy utrzymaniu zalet sterowania półaktywnego – braku konieczności stosowania wydajnego źródła zasilania, małej konsumpcji energii oraz braku możliwości zdestabilizowania konstrukcji przez sterowanie. Rozwijana strategia sterowania ma zastosowanie w konstrukcjach ramowych, w szczególności takich, które mają małą sztywność ze względu na wymagania co do wagi, np. moduły konstrukcji kosmicznych.
Sterowanie ma również zastosowanie w odzyskiwaniu energii (ang. energy harvesting). Jest ono zdolne przenieść energię do wybranej postaci drgań, która może być zestrojona z przetwornikiem elektromechanicznym odzyskującym energię, usprawniając znacząco jego pracę. W tym przypadku sterowana konstrukcja wyposażona w blokowane rotacyjne połączenia pełni rolę niewielkiego adaptacyjnego bufora energii między źródłem drgań a przetwornikiem elektromechanicznym.
Podjęta tematyka badań jest interdyscyplinarna. Oprócz teorii sterowania wykorzystywana jest również wiedza w zakresie modelowania matematycznego i komputerowego dynamiki drgań konstrukcji oraz autorskie metody optymalnego rozmieszczania aktuatorów i sensorów. Do badań używane są również autorskie programy i modele komputerowe wykonane metodą MES. Badana metoda sterowania jest na początku walidacji eksperymentalnej w laboratorium.
