Розробка макетного апаратно-програмного зразка інформаційно-вимірювальної системи на основі mems-imu модулів для експериментальних досліджень шарнірно-з’єднаних машин
DOI:
https://doi.org/10.32515/2664-262X.2026.14(45).66-76Ключові слова:
інформаційно-вимірювальний комплекс, графічний інтерфейс, ARDUINO IDE, PYTHON, MEMS-IMU, акселерометр, гіроскоп, обробка сигналів, Fast Fourier Transform (FFT) (швидке перетворення Фур’є), дрейфАнотація
Стаття присвячена актуальній проблемі розробки спеціалізованих засобів вимірювання динамічних характеристик шарнірно-з’єднаних машин (ШЗМ). Особливістю таких машин є наявність декількох модулів, взаємне кутове переміщення яких критично впливає на стійкість, керованість та навантаженість конструкції. Автор обґрунтовує доцільність переходу від дорогих комерційних систем із закритою архітектурою до відкритих апаратно-програмних рішень, що дозволяють гнучко адаптувати систему під специфічні потреби наукового експерименту.
У роботі представлено етап створення макетного апаратно-програмного зразка інформаційно-вимірювальної системи (ІВС), побудованого на базі мікроконтролера ATmega328 (платформа Arduino UNO V3) та двох інерціальних MEMS-модулів MPU-6500. Вибір компонентів обумовлений їх доступністю, можливістю просторового рознесення датчиків на різні напіврами машини та здатністю реєструвати лінійні прискорення й кутові швидкості за трьома осями одночасно.
Програмна частина комплексу реалізована за допомогою середовища Arduino IDE для збору даних у реальному часі та мови програмування Python для їх подальшої аналітичної обробки. Розроблений графічний інтерфейс користувача (GUI) підтримує два основні режими: реєстрацію даних у реальному часі та режим аналізу («Analysis»). В останньому реалізовано методи часової та частотної обробки сигналів, включаючи швидке перетворення Фур’є (FFT) для спектрального аналізу, статистичну обробку та оцінку дрейфу сенсорів.
Особливу увагу приділено визначенню відносного кута між модулями ($Δθ$), який є ключовим параметром при дослідженні кінематики ШЗМ. Експериментальна апробація макета підтвердила його здатність фіксувати незначні механічні впливи та коректність роботи алгоритмів. Результати дослідження формують технічну базу для подальшого створення повнофункціонального вимірювального комплексу для модульних дорожньо-будівельних машин.
Посилання
References
1. Helma, V., Goubej, M., & Setka, M. (2021). Inertial measurements processing for sway angle estimation in overhead crane control applications. Proceedings of the IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), (pp. 1123–1128). [in English].
2. Seel, T., & Schauer, T. (2013). IMU-based joint angle measurement made practical. IEEE Sensors Journal. Vol. 14, No. 6. 1954–1962. [in English].
3. Yi, C., Zhou, Y., & Zhao, Y. (2021). Reference frame unification of IMU-based joint angle measurement. Sensors. Vol. 21, No. 9. Article 3147. [in English].
4. Xuan, J., Liu, H., & Zhang, Q. (2024). A review of inertial measurement unit arrays: configuration, calibration and data fusion. Micromachines. Vol. 15, No. 2. Article 215. [in English].
5. Rashid, K. M., Louis, J., & Chowdhury, T. (2019). Automated activity identification for construction equipment using IMU sensors. Frontiers in Built Environment. Vol. 5. Article 72. [in English].
6. Li, Z., Wang, J., & Chen, X. (2020). Research on structural health monitoring and intelligent lifting technology for cranes. Journal of Physics: Conference Series. Vol. 1486. Article 022015. [in English].
7. Zhang, Y., Liu, B., & Sun, D. ) (2024). Structural health monitoring of lifting machinery based on multi-sensor data fusion. NDT & E International. Vol. 137. Article 102778. [in English].
8. Shahirpour, A., Taheri, S., & Moshiri, B. (2023). Sideslip angle and parameter estimation of an articulated vehicle using joint extended Kalman filter. Vehicle System Dynamics. Vol. 61, No. 4. P. 1057–1074 [in English].
9. Suzuki, T., Yamamoto, M., Kato, H. (2021). Estimation of articulated angle in six-wheeled dump trucks using sensor fusion. Sensors.Vol. 21, No. 14. Article 4738. [in English].
10. Uhlenberg, M., Seel, T., & Bellmann, M. (2024). Where to mount the IMU? Validation of joint angle estimation accuracy for different sensor placements. Frontiers in Robotics and AI. Vol. 11. Article 1298456 [in English].
11. Bojko, Yu., & Svachij, O. (2022). Doslidzhennya inercijnoyi sistemi vimiryuvannya vidhilennya vantazhu BPLA vid nulovoyi tochki. Visnik Hmelnickogo nacionalnogo universitetu, 5, 218–226. [in Ukrainian].
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2026 О. В. Щербак, І. Г. Кириченко, С. Л. Хачатурян
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
