4. alszekció a helyezések megjelölésével
Számítógépes modellezés és szimuláció
Csizmadia Zsolt
Hőeloszlás számítása szilárd testekben, kétdimenzióban
Eötvös Loránd Tudomány Egyetem
Témavezető: Stoyan Gisbert
Célunk egy olyan program létrehozása, amely felhasználóbarát, mégis hatékonyan képes síkban modellezett objektumokban kialakuló hőeloszlást, illetve időtől függő hőeloszlást számolni. A program Visual C++-ban készült, a végső változat forráskódja több mint hétezer sor.
A dolgozat ismerteti a felhasznált matematikai modellt, külön tárgyalva az időben állandó és az időtől függő esetet, kitér a rendszer lezárására használt peremfeltételekre, a program alapvető lehetőségeire, illetve a program tesztelésére.
A stacinárius eset vizsgálatakor véges differenciák helyettesítésével nagyméretű, szimmetrikus, sávos mátrixú egyenletrendszer megoldására vezetjük vissza a feladatot, míg az időben változó esetben Euler-módszert, illetve implicit differenciasémát alkalmazunk. A rendszer lezárására első-, másod-, illetve harmadfajú peremfeltételt használhatunk.
A vizsgált tartomány leírására boxmódszert alkalmazunk. A beviteli mezőt a program dinamikusan kezeli, számos lehetőséget biztosítva a hatékony adatfeltöltésre. Lehetőségünk van anyagtípusok egy könyvtárát is létrehozni a cellatípusok hatékony megadásához.
Példaként egy felhevült henger hirtelen hideg vízbe történő dobásakor a lehűlés folyamatát, illetve egy panellakás falainak kialakuló hőeloszlását tekintjük.
Deák Szabolcs
Grafikai modellezés és fizikai szimuláció – Gépjármű modellezése
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Témavezető: dr. Szirmay-Kalos László
A dolgozat témája a virtuális világ felépítésének részletei egy autószimulátor működésén keresztül. A szimuláció váza grafikai és fizikai modellek megfelelő arányú házasítására épül, ahol az együttműködés kiemelt hangsúlyt kap. Egyik közös pont a talaj megfelelő simaságát a fizikai modell számára vizuálisan is meghatározó B‑Spline felület, amely magasságmezőként értelmezett bitmap kép alapján áll elő. Ehhez adódhat hozzá olyan kisebb léptékű (repetitív) magasságmező, amellyel a felület apróbb egyenetlenségei modellezhetők.
Bemutatjuk az autó valós idejű futási igényekhez hangolt modelljét, néhány továbblépési lehetőség megemlítésével. Címszavakban az autó modelljének fontosabb részei: test, motor, tengelykapcsoló, sebességváltó, differenciálmű, felfüggesztés, kerék. Az autószimulátor legfontosabb pontja a kerék és a talaj találkozásának modellezése, ezt a műszaki szakirodalom nehéz problémaként tartja számon. Létező modellek és saját fizikai megfontolások házasításával történik kísérlet egy elfogadható (és jól paraméterezhető) hibrid modell létrehozására.
A modellezés matematikai eszközei közül ki kell emelni a térbeli orientáció leírásárára használt kvaterniókat, illetve a változtatható fokszámú numerikus integrálást. A kvaterniók felhasználása nem korlátozódik a fizikai objektumokra, a virtuális kamerák orientációja is így került tárolásra.
Szándéka szerint a jelen szimulátor az első lépés egy átfogó, elsősorban fizikai modellezésen alapuló virtuális valóság létrehozásához. Ehhez azonban kiemelt figyelmet kell szentelni a bővíthetőségre és paraméterezhetőségre a tervezett funkciók elfogadható megvalósítása mellett.
Farkas János
Digitális vékonycsiszolati képek modális analízise
Debreceni Egyetem
A kőzetmikroszkópiai vizsgálatok, leírások egyik legalapvetőbb és leggyakrabban használt módszere a kőzetek modális elemzése, ami lényegében a kőzetelegyrészek mennyiségi és minőségi meghatározását jelenti. A modális analízis során nyert alapadatokból megállapítható:
· a kőzetet alkotó ásványok relatív mennyisége,
· az egyes ásványok szemeloszlása,
· a kőzet szemeloszlása, szemcseösszetételi-szöveti típusa.
A modális elemzéssel szemben támasztott alapkövetelmények: a megfelelő pontosság és gyorsaság. A mikroszkópiai vizsgálatoknál korábban alkalmazott módszerek a kívánt pontosságot rendszerint csak igen nagy időráfordítással tudták elérni; hosszadalmasak, megerőltetőek voltak és sok papírmunkával jártak. Kamerával ellátott, számítógépre csatlakoztatott polarizációs mikroszkóp segítségével a kőzetek vékonycsiszolatáról olyan digitális képet kaphatunk, amely alkalmas lehet szoftveres feldolgozásra. Ezzel lényegében
· jelentősen lerövidíthető a mérési folyamatra fordított idő,
· kiküszöbölhetőek az emberi tényezőből eredő hibák,
· a mérési eredmények azonnal felhasználhatók,
· a mérés folyamán kinyert adatok később visszakereshetők, módosíthatók és felhasználhatók egyéb célokra (pl. 3D modellezés).
A kőzetek digitalizált vékonycsiszolati képének modális elemzése lényegesen összetettebb és nehezebb feladat annál, semhogy egy „hagyományos” képelemző szoftverrel pontosan, időtakarékosan megoldható legyen. A fejlesztés alatt álló program ezt a munkafolyamatot igyekszik minél egyszerűbbé, gyorsabbá, hatékonyabbá tenni.
A DMA (Digital Modal Analyser) C++ nyelven készül, windowsos platformra. A programban digitális képek egy halmaza reprezentál egy adott kőzetet, melyről feldolgozás közben bármikor lekérdezhető a statisztika aktuális állása, akár az aktuális képre, akár a teljes kőzetre vonatkozóan. A program a konkrét kőzet analíziséhez szükséges információkon kívül rengeteg járulékos adatot tárol, amely egyéb kutatások alapjául szolgálhat.
különdíj: Fazekas László – Kladek Dávid
Környezet-feltérképezés szenzorokkal (Environment Mapping)
Budapesti Műszaki Főiskola
Témavezető: Vámossy Zoltán
Pályamunkánk célja egy olyan hardver- és szoftverkörnyezet kifejlesztése, amely segítségével mozgó robotok tudnak kevés méréssel nagy pontosságú térképeket készíteni, és ez alapján pontosan navigálni.
A hardverkörnyezet két részből épül fel, a szenzorokból és az ezeket összefogó vezérlőáramkörökből. Két szenzor kerül alkalmazásra: Az egyik egy ultrahangos sonar, amely egy szervomotor segítségével 180 fokban fordul el, és így tud kis pontosságú, de gyors méréseket végezni. A másik szenzor egy összetett rendszer, amely egy lézersugárvetőből és egy digitális webkamerából áll. A sugárvető a kamerától meghatározott magasságban és megfelelő dőlésszög mellett egy lézersugár-impulzust vetít az előtte elhelyezkedő tárgyakra, amelyekről a csík megjelenése előtt és közben állókép készül. A meghatározott csík töréspontjaiból és meredekségeiből számítások során nagy pontosságú távolságadatok nyerhetőek. A szenzorokat egy programozott PIC mikrokontroller fogja össze, amely a PC utasításait kiosztja a megfelelő perifériáknak, és a beérkezett információkat küldi vissza.
A többszintű hardver kezelését számítógéppel, Delphi alá tervezett program oldja meg, amely a szenzorok kezelése és az információk feldolgozása mellett a mozgó robot irányítását is el tudja végezni. A szenzorok szoftverszinten hierarchiába vannak szervezve, és vezérlésük az éppen folyó művelettől függ. Normál térképezés mellett a robot áll, az ultrahangos érzékelő a visszacsatolás szerepét tölti be, az igazi adatokat a lézeres szenzor szolgáltatja. A meghatározott térkép árnyékolt területeinek feltérképezése céljából a robot kap egy mozgatóutasítást, oda kell vinnie a szenzorokat, ahonnan egy újabb mérés elvégzésével a lehető legtöbb új információhoz jutunk. Mozgás közben a lézer és a kamera nem működnek, ilyenkor a sonart használja a robot, a bogarakhoz hasonlóan „csápként”, ellenőzi, hogy nem megy-e neki valamilyen akadálynak.
Az elkészült térkép felhasználóbaráttá alakítása végett a lefényképezett tájból a térkép-információk alapján textúrák készülnek, amellyel az OpenGL-es kezelőfelületen a teljes térkép kialakításra kerül. Itt a kurzorbillentyűk segítségével 3 dimenzióban mozoghatunk, és kijelölhetünk pozíciókat, ahova a robotot mozgatni szeretnénk.
Kerekes András Mihály – Tisch Dávid
A közúti forgalom sejtautomata modellen alapuló szimulálása
Eötvös Lóránd Tudományegyetem Természettudományi Kar
Témavezető: dr. Kertész János
Napjainkban a növekvő forgalom egyre nagyobb környezeti és idegi megterhelést jelent. Az autópályák környékén és a nagyvárosokban gyakran fellépő torlódások, forgalmi dugók az élet minőségének fontos korlátozói. Ezért korunk egyik egyre sürgetőbb tudományos kihívása egy fizikai alapokon nyugvó olyan informatikai rendszer kidolgozása, amely lehetővé teszi ezen forgalmi jelenségek kiküszöbölését vagy csökkentését. Ehhez egy olyan fizikai modell megalkotása és ennek valamilyen programnyelven történő implementálása szükséges, amely valós bemenő adatok alapján képes azt megjósolni, hogy egy adott forgalmi rendszer bizonyos idő elteltével milyen állapotba fog kerülni.
Mivel a fenti tudományos kihívásra adandó válasz alapját alkotó fizikai modellek sincsenek még maradéktalanul kidolgozva, ezért dolgozatunkban – szakirányú ismeretek hiányában – nem volt, és nem is lehetett célunk egy új modell kidolgozása. Elindultunk viszont egy – témavezetőnk által helyesnek tartott – fizikai irányvonalon, és megírtuk a fejlődés állomásait jelentő egyes fizikai modellek programjait. Ebből egyrészt tapasztalatokat szereztünk a további munkához, másrészt olyan mérési eredményeket tudtunk produkálni, melyek segítségével ellenőrizhettük munkánk helyességét (összevetve azt a nemzetközi szakirodalomban publikált eredményekkel), megfigyelhettük az egymásból kifejlődött modellek hasonlóságait, valamint az eközben tett megfigyelések alapján sikerült egy – már létező – modellt továbbfejleszteni.
Az a kutatási irány, melyen elindultunk, egy sejtautomata modellre, az úgynevezett Nagel–Schreckenberg-modellre épült, illetve azt fejlesztette tovább. Az általunk vizsgált legfejlettebb modell a Nagel–Schreckenberg-modellnek egy – egyszer kétsávos, szembeforgalmas, előzésre felkészített – változata volt. (Ugyanis az eredeti Nagel–Schreckenberg-modell csak egysávos gyűrűk vizsgálatával foglalkozik.) Ez a modell szolgáltatja az alapot a németországi Duisburgban végzett kísérlethez is, amelynek során on-line adatbevitellel valós idejű szimulációt illetve előrejelzést valósítanak meg. Mi ezt a modellt fejlesztettük tovább, és ehhez is elkészítettük a grafikus implementációt C++ nyelven.
Kertész Csaba
Neural OOP System és alkalmazása
Budapesti Műszaki Főiskola
Témavezetők: Vámossy Zoltán, dr. Viharos Zsolt János
A neurális hálózatok témakörében korlátozott számú ingyenes neurális hálót fejlesztő programot találhatunk. Olyat pedig egyáltalán nem, ami felhasználta volna a genetikus algoritmusokat, ami azért fontos, mert vele kiküszöbölhető a hálózat hibafüggvényének lokális minimumba való megakadása. Fontosnak tartom, hogy elérhető legyen egy ilyen program minden érdeklődő, kutató számára freeware formában.
Az én megoldásom a genetikus algoritmus és a backpropagation algoritmus ötvözését teszi lehetővé. Többletmegvalósításként bevezettem az idő dimenzióját a hálózat szimulációjánál, és a hálózat működése történhet komplex számok segítségével is. Természetesen, hogy ez széles körűen használható legyen, így a forráskód és a program is többnyelvűen hozzáférhető. Az így megvalósuló Neural OOP System rendszerre épül a felhasználói környezet, ami a NeuralGA nevet kapta. A rendszer megvalósítása után feladata lesz a Hopfield típusú hálózatok viselkedésének vizsgálata is.
Nagy József
Robotkar szimulátor – A függőleges síkú csuklókaros robotok modellezése a robotkar meridiánsíkján
Gábor Dénes Főiskola
Témavezető: Markó Imre
A cél egy szimulátorprogram fejlesztése volt, amely a függőleges síkú csuklókaros robotok mozgását modellezi a robotkar meridián síkján. Ezáltal egy olyan oktatási segédeszközt lehet megvalósítani, amely a Robottechnika tantárgy oktatásának színvonalát, minőségét emeli, a működési elvek bemutatását szemléletesebbé, ezáltal megértését könnyebbé teszi.
Funkciók:
1. A program a karok megadott hosszúságai (L2, L3, L4), valamint kinematikai előírások (φ32min, −max; φ43min, −max) alapján az „Elfogad” nyomógomb hatására megrajzolja robotkart.
2. A „Mozgat” nyomógomb lenyomására a robotkarok bejárják a munkaterületet (meridián metszet), amelyet a program ki is rajzol. A nevezetes szögállásoknál a mozgás megáll, és megjeleníti azok értékeit (pl.: φ32 minimum, φ43 maximum). A folyamatjelzőkkel és egyéb, a tájékozódást segítő feliratokkal nyomon követhetőek az aktuális szögállások.
3. Az egér segítségével a kar az érvényes munkaterületen belül szabadon pozícionáltatható, amelyre a robot folyamatos mozgással rá is áll. A robotkarok mozgatásának kettő plusz egy módozata van: egyszerű, elkerülő és követő. Az elkerülő azon életszerű gondolkodásmódon alapul, hogy amennyiben a kar a munkadarab alatt van, akkor az alulról felfelé mozgás egyszerű módjával „leverné” a munkadarabot. Ennek megakadályozására a program egy elkerülő pályát számol ki, amelyet szintén folyamatos mozgással jár be. A követő (ezt jelöltem plusz egyként) az elkerülő útvonalat járja be, de minden mozgási fázis végén mindaddig várakozik, amíg a felhasználó le nem nyomja a space billentyűt. Ez a mozgatás mikéntjének részletesebb elemzését teszi lehetővé.
4. A karok mozgatása a kurzormozgató billentyűkkel manuálisan is megoldható. Ezzel a működési elv még érzékletesebben megfigyelhető.
I. helyezett: Pintér Gergely
Magas szintű hibamodellek validációja hibainjektálással
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Témavezető: dr. Pataricza András
A számítástechnikai rendszerek komplexitásának növekedésével párhuzamosan azoknak egyre magasabb megbízhatósági követelményeket kell kielégíteniük. Annak érdekében, hogy megfeleljenek ezen elvárásoknak a termékekbe hibatűrési mechanizmusokat építenek.
Az itt bemutatott munka célja egy vizsgálati módszer kidolgozása, amely a magas szintű (a tervezés korai fázisában a hibatűrési mechanizmusok fejlesztéséhez alapot szolgáltató) és a megvalósított rendszert ténylegesen jellemző alacsony szintű hibamodellek összevetését teszi lehetővé.
Látóterének középpontjában a vezérlésfolyam hibáinak vizsgálata áll, kulcsgondolata, hogy az elvárt működést magas szintű modellező eszközökkel (UML-állapottérképek) írjuk le, a benchmark alkalmazásokat az UML-modellből automatikusan generáljuk. A programok futtatása során hibainjektálást végzünk és a tapasztalt viselkedést egy külső megfigyelő-folyamat segítségével rögzítjük. Az említett megfigyelő-folyamat egy watchdog alkalmazás, amelyhez hasonló hardver- és szoftvermegoldásokat elterjedten használnak mikroprocesszorok működésének monitorozására.
A vizsgálatok elvi hátterének (magas szintű modellezés, automatikus kódgenerálás, hibamodellezés, hibainjektálás, a vezérlésfolyam konkurens ellenőrzése) ismertetése után a megvalósított kísérleti környezet tárgyalása következik, majd egy esettanulmány, amely egy konkrét benchmark alkalmazás példáján mutatja be a javasolt mérési folyamatot a magas szintű modellezéstől a hibainjektálásos vizsgálatokon keresztül a mérési eredmények feldolgozásáig és egy magas szintű hibamodell felállításáig.
Az itt bemutatott munka további kutatások alapjául szolgált, amelyeknél a hangsúly a mérési eredmények intelligens adatfeldolgozó eszközökkel végzett elemzésére tevődött át egy olyan megoldást eredményezve, amely számos, itt még fejlesztésre érdemesnek talált ponton volt képes hatékonyan kiegészíteni az itt tárgyalt megoldásokat ezzel támogatva a magas szintű hibamodellezést.
III. helyezett: Süle Zoltán
Keveredési mechanizmusok elemzése statisztikai mérőszámok segítségével
Veszprémi Egyetem
Témavezető: dr. Mihálykó Csaba
A különböző szilárd anyagok vegyítésére irányuló műveletek fontossága az utóbbi évtizedekben nagy mértékben megnőtt. Napjainkban többek közt a mezőgazdaságban, a gyógyszeriparban, a környezetvédelemben és az élelmiszeriparban folynak különböző keverési folyamatokra irányuló kutatások. A művelet célja az, hogy minél egyenletesebb keveredettséget érjünk el. A keveredettség erőteljesen függ a keveredési eljárástól, illetve a keveredés során fellépő keveredési mechanizmusok milyenségétől. Munkánkban a keveredési mechanizmusokkal, ezek mérésére alkalmas mérőszámokkal, és a kapott eredményekkel foglalkozunk.
A dolgozat első részében irodalmi áttekintést adok, melyben megismerkedhet az Olvasó a szemcsék keveredésének főbb sajátosságaival, a különböző keverő-berendezések és keveredési mechanizmusok jellemzőivel, továbbá az egyes mechanizmusok identifikálási lehetőségeivel is.
A második fejezetben megismerünk különböző modelleket, statisztikai mérőszámokat és identifikálási módszereket, különös tekintettel a korábban publikált eredményeinkre, részletesen bemutatva az általam használt modelleket, kitérve az egyes mechanizmusok modellezési lehetőségeire, melyek munkám elméleti hátteréül szolgálnak.
A harmadik részben ismertetem és elemzem a kapott eredményeket, illetve az ezeket szolgáltató szimulációs programot, majd a dolgozatot a továbbfejlesztés lehetséges irányaival és irodalomjegyzékkel zárom.
II. helyezett: Szalay László
Aszinkron motor robusztus szabályozása H∞ szabályozóval
Veszprémi Egyetem
Témavezető: dr. Fodor Dénes
A digitális technika megjelenése lehetővé tette a nehezen szabályozható aszinkron motorok előnyeinek jobb kihasználását. A technológiai fejlődésnek köszönhetően adottak nagy számítási teljesítményű eszközök, melyek szükségesek komplex szabályozási algoritmusok megvalósításához és implementálásához. Elvárásaink ezekkel a módszerekkel szemben: robusztusság, jó referenciakövetés zavarok jelenléte esetén is. Minden követelménynek maximálisan megfelelő megoldás nem létezik, a megfelelő szabályzó kiválasztása az egyes tulajdonságok fontossági sorrendje szerint történik.
A dolgozat bemutatja egy aszinkron motor szabályozását H∞ szabályozó felhasználásával. Kitér az állapottérmodell levezetésére, a modell szabályozáshoz szükséges formára hozására, valamint a szabályozó elméleti hátterére. Zavarások minden valós rendszerben megtalálhatóak, ezek a rendszerben több helyen jelentkezhetnek, lehetnek a frekvenciaváltó működéséből fakadóan a bemeneti feszültségeken, illetve a mérési eredményeken mérési zaj formájában. A szabályozó ezek kimenetre gyakorolt hatásait igyekszik csökkenteni. A rendszer szimulációja MatLab/Simulinkben történt. A rendszer vizsgálata különböző zavarásokkal történik, minden szimulációt többször végeztünk el. Az eredmények azt mutatták, hogy a szabályzó teljesíti a tőle elvárt követelményeket (jó referenciakövetés és zajszűrés) és alkalmas implementációra.
A sikeres teszteredmények után megkezdődtek az implementáció lépései. A modell és a szabályozó valós idejű dSPACE rendszerbe kerültek átültetésre, amely Simulink-modellek közvetlen DSP processzorra történő kódgenerálását (fordítását) támogató rendszer. Ezen a rendszeren lehetőség nyílik a rendszer valós idejű viselkedésének vizsgálatára, a szabályozási paraméterek on-line hangolására, majd a kellően jó eredmények után ugyanezen rendszeren történik a működő rendszer megvalósítása. Az implementálás során kapott teszteredmények is alátámasztják a szabályozással szemben támasztott követelményeket.
Vajda Szabolcs
Kiterjesztett Kalman-szűrő alapú állapot‑ és paraméterbecslés indukciós motorok sebességérzékelő nélküli szabályozásához
Veszprémi Egyetem
Témavezető: dr. Fodor Dénes
Az autóiparban, automatizált gyártásban, robottechnikában és otthoni elektronikai berendezésekben egyre nagyobb jelentőséggel bíró villamos hajtások robosztus viselkedése szempontjából nem érdektelen olyan algoritmusoknak a vizsgálata, kutatása, melyek segítségével a sebességérzékelő kiküszöbölhető a visszacsatolási láncból. Az elmúlt néhány évben több sebességérzékelő nélküli (ún. sensorless) mezőorientált szabályozás alapú (FOC – Field Oriented Control) módszer és struktúra jelent meg. Ezen kutatásoknak igen nagy kihatása van a mikroelektronikai technológia fejlődésére is, amely főleg motorszabályozásra optimalizált ASIC (Application Specific Integrated Circuits) és a speciális „motion chip”-ek (DSP bázisú mikrokontrollerek) megjelenésével érzékelhető.
Az alkalmazási és implementálási megfontolások és a rendszer bonyolultsága, valamint paraméterfüggősége miatt azonban nem lehet egy általános célú „sensorless” szabályozási struktúrát megadni. A dolgozat célja, hogy a kiterjesztett Kalman-szűrő segítségével nem csak a szabályozáshoz szükséges sebesség állapotváltozót becsüljük, hanem a hajtás minősége szempontjából legfontosabb paramétert, a rotor ellenállásértékét is. Erre azért van szükség, mert a rotor ellenállásértéke a motor különböző munkatartományokban történő működése során nem állandó, függ például a belső hőmérséklettől és a mágneses telítettségtől is. Ezen zavaró tényezők egyenlettel való leírása rendkívül bonyolult lenne, ezért úgy tekintjük őket, mint a rendszeren fellépő zavaró jelek.
A becslő algoritmus és annak a motor szabályozási körébe történő integrációja szigorú követelményekkel felállított matematikai modell alapján történt felhasználva a MatLab/Simulink grafikus fejlesztői környezetét.
A kapott eredmények tanúsága szerint a kiterjesztett Kalman-szűrő egyidejűleg mind állapot, mind paraméter becslésére alkalmasnak bizonyult, megteremtve az alapot egy adaptív szabályozási algoritmushoz, amely robusztus és precíz szabályozást eredményez a motor teljes üzemi munkatartományán.