Co to jest inżynieria mechatroniczna?
Inżynieria mechatroniczna jest dyscypliną hybrydową, która składa się z aspektów mechanicznych, elektronicznych i kontrolnych. Jest to dyscyplina stosowana do projektowania i produkcji urządzeń, które mogą reagować na otoczenie w czasie rzeczywistym. Sprzężeniem zwrotnym dostarczanym przez czujniki elektryczne zarządza komputer centralny, który wydaje polecenia dotyczące działania. Te polecenia regulują reakcję urządzenia, co z kolei pozostawia je w nowej sytuacji. Inżynieria mechatroniczna jest przydatna do projektowania wielu systemów, które nie polegają wyłącznie na ludziach.
Pierwszym aspektem inżynierii mechatronicznej jest aspekt mechaniczny. Inżynieria mechaniczna dotyczy projektowania konstrukcji fizycznych w maszynie. Podstawą inżynierii mechanicznej jest nauka o mechanice, która jest gałęzią fizyki zajmującą się siłami o dużej skali i poruszającą się materią. Inną ważną dziedziną jest inżynieria materiałowa, która może dać inżynierom zestaw materiałów do wykorzystania przy projektowaniu produktów. W samochodzie aspekt mechaniczny obejmowałby na przykład nadwozie, podwozie i silnik.
Kolejnym niezbędnym elementem inżynierii mechatronicznej jest aspekt elektroniczny. Inżynieria elektroniczna zajmuje się projektowaniem praktycznych urządzeń wykorzystujących ruch cząstek naładowanych elektrycznie do działania. Ten przepływ energii elektrycznej można wykorzystać do transportu zarówno energii, jak i informacji. Energia elektryczna może być wykorzystana do zasilania urządzenia mechatronicznego przez silnik elektryczny. Informacje wytwarzane przez czujniki mogą być zarządzane przez centralny system sterowania.
Ostatnim elementem wymaganym w inżynierii mechatronicznej jest jakaś forma kontroli. Teoria sterowania dotyczy utrzymywania optymalnego stanu w układzie dynamicznym. Działa poprzez uzyskiwanie informacji zwrotnych na temat jego bieżącego stanu w środowisku, podejmowanie decyzji, a następnie wydawanie poleceń w celu podjęcia pewnych działań. Kiedy obiekt znajduje się dalej od swojego optymalnego stanu, może silniej zareagować, aby go osiągnąć. W urządzeniu mechatronicznym sterowaniem zwykle zarządza mikroprocesor - pojedynczy układ scalony z możliwością centralnego przetwarzania.
Urządzenia mechatroniczne są szeroko rozpowszechnione w wielu społeczeństwach. Na przykład samochód łączy systemy mechaniczne z systemami elektrycznymi i komputerem centralnym. Wiele czujników elektrycznych wykrywa informacje o stanie samochodu, takie jak prędkość, poziom paliwa i temperatura silnika. Sygnały te są przesyłane ścieżkami elektrycznymi do komputera samochodu, który decyduje o tym, jak zareagować. Jeśli paliwo jest zbyt niskie lub silnik jest zbyt gorący, komputer może wydać polecenie, aby wyświetlić komunikat ostrzegawczy dla operatora.
W samochodzie zadanie podejmowania decyzji jest dzielone przez komputer i operatora. Z drugiej strony wiele urządzeń mechatronicznych nie jest obsługiwanych przez ludzi w czasie rzeczywistym. Statki kosmiczne często muszą używać komputerów pokładowych do podejmowania decyzji w czasie rzeczywistym, ponieważ między statkiem kosmicznym a Ziemią występuje opóźnienie w komunikacji. Łaziki eksploracyjne Marsa miały kilkuminutowe opóźnienie w komunikacji i dlatego korzystały z centralnego komputera do podejmowania szybkich decyzji nawigacyjnych. Bez tej zdolności łaziki mogłyby spaść z półki lub utknąć w obiekcie, zanim operatorzy na Ziemi zauważą zagrożenia.