Көмүр Кениндеги Бургулоо Роботторунда Автономдуу Навигация Эмне Үчүн Кыйын?

Жер алдындагы көмүр кенинин галереялары жарыктын аздыгы, чаңдын көптүгү, электромагниттик тоскоолдуктар, көрүүнүн чектелиши, тегиз эмес пол, тар өтмөктөр жана кайталанган геометриялар себептүү классикалык роботтук навигация үчүн татаал чөйрө болуп саналат.

Мындан тышкары, газ дренажы үчүн бургулоо роботтору кичинекей мобилдик роботтордон кыйла айырмаланат.

Бул машиналар:

• бир кыйла оор,
• узун корпус катышына ээ,
• чынжырлуу дифференциалдык жүрүштү колдонот,
• бургулоо жабдуусу жана кабель барабаны айлануу борборунан алыс жайгашкан,
• тар галереяда ордунда чоң бурч менен бурулуу кооптуу.

Ошондуктан теориялык жактан эң кыска жол дайыма эле эң коопсуз жол боло бербейт.

Булак өзгөчө роботтун дубалга жакын курч бурулуш жасашы чоң корпусунан улам кагылышуу жана сүрүлүү коркунучун жаратышы мүмкүн экенин белгилейт.

Робот Бир Бургулоо Чекитинде Канча Убакыт Иштейт?

Булакка ылайык, бир токтоп жайгашуу чекитинде адатта 3–5 өзүнчө бургулоо операциясы жүргүзүлөт.

Бир бургулоо:

• ондогон метрден жүздөгөн метрге чейин созулушу мүмкүн,
• бургулоо жана артка тартуу процесси 10 сааттан ашык убакытка созулушу мүмкүн.

Бир токтоп жайгашуу чекитиндеги бардык иштерди бүтүрүү болжол менен 3–4 күнгө созулушу мүмкүн.

Андан кийин робот адатта болгону:

2–10 m

алдыга жылып, кийинки бургулоо чекитине өтөт.

Демек, системанын артыкчылыктуу максаты жогорку ылдамдыктагы навигация эмес, төмөн ылдамдыкта коопсуз, туруктуу жана кайталануучу кыймыл болуп саналат.

Эмне Үчүн 3D Чекиттер Булуту 2D Картага Караганда Артык Көрүлдү?

Жер алдындагы галереяларда дубалдар менен коридорлор бири-бирине окшош болгондуктан, 2D SLAM карталары геометриялык жактан айырмалоо жөндөмү төмөн болуп, локализация деградациясына кабылышы мүмкүн.

3D LiDAR болсо горизонталдык дубалдарды гана эмес:

• шыптын геометриясын,
• полдун эңкейишин,
• тоскоолдуктардын бийиктигин,
• галерея ичиндеги үч өлчөмдүү түзүлүштөрдү

аныктайт.

Булактын 4-бетиндеги 1-сүрөт 2D hybrid A* негизиндеги ыкма карта деградациясынан улам ишке ашпай калган абалды, ал эми 3D чекиттер булутуна негизделген ыкма ошол эле чөйрөдөн туруктуураак өткөн мисал менен салыштырат.

Роботтун Сенсордук Системасы Кантип Курулган?

Роботтун айлана-чөйрөнү кабыл алуу архитектурасы негизинен:

• 3D LiDAR,
• IMU,
• UWB жайгашууну аныктоо,
• жарылууга туруктуу камералар

негизинде курулган.

Model B да кен иштетүүгө ылайыктуу эки LiDAR колдонулган.

Алардын:

• бири горизонталдуу жайгаштырылып, роботту локализациялоодо,
• экинчиси болжол менен 30° алдыга эңкейтилип, шып менен полдун топографиясын тыгызыраак сканерлөөдө

колдонулган.

8-беттеги 6-сүрөт сенсорлордун жайгашуусу SolidWorks моделинен, URDF трансформациясынан, Gazebo симуляциясынан тартып чыныгы машинада колдонууга чейин кантип иштелип чыкканын көрсөтөт.

Автономдуу Навигация Системасы Кайсы Катмарлардан Турат?

Булактын 13-бетиндеги система архитектурасы төмөнкү негизги чынжырды көрсөтөт:

LiDAR + IMU + UWB → SLAM → Рельеф Анализи → Максималдуу Жетүү Ыктымалдыгы → Офлайн Траекториялар Китепканасы → Оптималдуу Траектория → MPC → Чынжырлуу Жүрүш

Роботтун негизги башкаруу системасы ROS архитектурасын колдонот.

Навигация системасы менен бургулоо роботунун PLC негизиндеги негизги башкаруу системасы UDP аркылуу байланышат.

Рельеф Анализи Кантип Жүргүзүлөт?

LiDAR чекиттер булутундагы бийиктик маалыматы эки башка бийиктик картасына айландырылат.

Бир voxel ичиндеги эң төмөнкү чекит таяныч катары алынат, ал эми башка чекиттердин бийиктиги өтүү чыгымы катары бааланат.

Ошентип:

• тегиз жер төмөн чыгымдуу,
• эңкейиш жер жогору чыгымдуу,
• бийик тоскоолдуктар өтүүгө мүмкүн эмес

деп классификацияланышы мүмкүн.

Максималдуу Жетүү Ыктымалдыгына Негизделген Жол Пландоо Деген Эмне?

Ыкманын негизги идеясы — робот ар бир учурда эң кыска маршрутту гана эмес, максатка коопсуз жетүү ыктымалдыгы эң жогору болгон кыймыл абалын тандашы.

Роботтун B максат чекитине жетүү ыктымалдыгы:

\[ u_{es}=\arg\max_{u_s}P_B(u_s) \]

менен туюнтулат.

Кабыл алуу зонасындагы тоскоолдуктар LiDAR аркылуу белгилүү болсо, сенсор аралыгынан тышкаркы аймактар алдын ала түзүлгөн карта же максат багытынын негизинде ыктымалдык түрүндө бааланат.

Monte Carlo / маанилүүлүк боюнча тандоо ыкмасы аркылуу үзгүлтүксүз ыктымалдык маселеси чектелген сандагы траекторияларга кыскартылат.

Эмне Үчүн Офлайн Траекториялар Китепканасы Колдонулат?

Ири жумушчу машиналарда онлайн режимде миңдеген жаңы маршруттарды эсептөө эсептөө жүгүн да, жооп убактысын да көбөйтүшү мүмкүн.

Бул изилдөөдө коопсуз жолдор алдын ала эсептелип, файлга сакталат.

Робот кыймыл учурунда болгону:

1. кайсы траекториялар тоскоолдук тарабынан бөгөттөлгөнүн текшерет,
2. ылайык келбегендерин алып салат,
3. калгандарынын ичинен максатка жетүү ыктымалдыгы эң жогоркусын тандайт.

Жер үстүндөгү сыноолордо онлайн иштетүү убакыттары:

деп берилген.

Система 10 Hz жыштыгында иштеп, бир CPU өзөгүнүн колдонулушу %5’тен төмөн кармалган.

Эмне Үчүн Bézier Ийри Сызыгы Колдонулган?

Булак cubic spline негизиндеги траекториялар китепканасын Bézier ийри сызыктары менен салыштырган.

Стандарттуу Bézier ийри сызыгы:

\[ B_j(t)=\sum_{i=0}^{n}c_j^i b_n^i(t) \]

түрүндө туюнтулат.

Бирок стандарттуу Bézier ийри сызыктары аралык башкаруу чекиттеринен өтпөгөндүктөн, тоскоолдуктан качуу үчүн жетишсиз болушу мүмкүн; ошондуктан авторлор аралык башкаруу чекиттеринин айланасына кичинекей чектөө чекиттерин кошкон өзгөртүлгөн Bézier ыкмасын иштеп чыгышкан.

21-беттеги 20-сүрөт cubic spline, классикалык Bézier жана чектөө чекиттери бар Bézier траекториялар китепканаларын жанаша көрсөтөт.

Чектөө чекиттери бар Bézier ыкмасы:

• жумшагыраак баштапкы бурчтарды,
• тыгызыраак маршрут варианттарын,
• тең салмактуу тандоону

камсыз кылган.

Bézier Ыкмасы Симуляцияда Эмне Берди?

Узун туннель симуляциясында Bézier жана cubic spline ыкмаларынын жалпы жүрүү убакыттары окшош болгону менен, Bézier негизиндеги жолдор айрыкча бурулуштарда жылмакайыраак болгон.

Жалпы жол узундуктары:

• Bézier: 291,665 m
• Cubic spline: 292,164 m

деп өлчөнгөн.

Булак cubic spline маршрутунда, айрыкча тик бурчтуу жана удаалаш бурулуштарда титирөөчү/топтолгон багыт түзөтүүлөрү байкалганын, ал эми Bézier ыкмасы кыймыл абалынын жылмакайыраак өзгөрүшүн камсыз кылганын билдирет.

Hybrid A* Менен Салыштырганда Натыйжа Кандай Болду?

Hybrid A* айрым тик бурчтуу бурулуштарда артка маневр же керексиз S формасындагы түзөтүү жаратса, сунушталган ыкма роботту түздөн-түз бурулушка киргизе алган.

Ошол эле учурда авторлор сунушталган ыкма айрым бурулуштарда бурчка керектүүдөн ашык жакындашы мүмкүн экенин да белгилешет.

Model A Белгиленген Чекитке Токтоп Жайгашуу Сыноосунда Канча Ката Кетирди?

Model A төрт өзүнчө токтоп жайгашуу чекитинде сыналган.

Максаттар:

• 5 m
• 10 m
• 15 m
• 20 m

деп белгиленген.

Токтоп жайгашуу каталары:

• 0,166 m
• 0,153 m
• 0,167 m
• 0,164 m

болгон.

Орточо ката:

0,1625 m

деп эсептелген.

Эмне Үчүн Токтоп Жайгашуу Максаты Бир Чекит Эмес, Аймак Катары Белгиленген?

Ири чынжырлуу роботто максаттык толеранттуулукту өтө тар кармоо роботтун максаттын айланасында тынымсыз майда түзөтүүлөрдү жасашына алып келиши мүмкүн.

Булак мындай “перистальтикалык” түзөтүүлөрдү ири жумушчу машина үчүн коопсуздук коркунучу катары баалайт.

Ошондуктан жетүү босогосу:

Φ 0,2 m

деп тандалган.

Максималдуу жүрүү ылдамдыгы болсо:

0,175 m/s

менен чектелген.

Робот L Формасындагы Галереяда Тоскоолдуктан Кача Алдыбы?

Ооба.

Model B L формасындагы жер үстүндөгү имитациялык галереяда бурулуу жана тоскоолдуктан качуу сыноосунан өткөрүлгөн.

Роботтун салмагы болжол менен:

8,3 ton

болгондуктан, полду коргоо үчүн жыгач такталар колдонулган.

Бул такталар чынжырларда тайгаланууну жаратса да, робот:

• бурула алган,
• галерея дубалынан коопсуз аралыкты сактай алган,
• тайгалануудан кийин багытын кайра түздөй алган,
• максат чекитине жете алган.

Так Бургулоо Сыноосунда Натыйжа Кандай Болду?

T формасындагы галереяда робот эки максаттык токтоп жайгашуу чекитинде бекитилип, дубалдагы 40 cm диаметри бар сыноо тешиктерин бургулоону жүргүзгөн.

Эки токтоп жайгашуу катасы:

• 0,127 m
• 0,168 m

деп өлчөнгөн.

Орточо:

0,1475 m

болгон.

Роботтун бургулоо учу эки учурда тең алдын ала белгиленген тегерек максат аймагына жеткен.

36-беттеги 37-сүрөт роботтун токтоп жайгашуу абалын да, дубалдагы максаттуу тешикке жасалган чыныгы бургулоону да көрсөтөт.

Система Чыныгы Көмүр Кенинде Сыналдыбы?

Ооба.

Жер алдындагы талаа тажрыйбалары Shoushan No. 1 Mine жана Pingdingshan Tianan Coal Industry объекттеринде жүргүзүлгөн.

Сыноо чөйрөсү:

• Галереянын туурасы: 5,2 m
• Галереянын бийиктиги: 4,2 m
• Жүрүүгө мүмкүн болгон сыноо узундугу: болжол менен 30 m
• полдо кен вагонунун рельси,
• шыпта монорельстүү кран линиясы

камтылган.

Жер Алдындагы Тажрыйбада Токтоп Жайгашуу Тактыгы Кандай Болду?

Эки максат чекитинде өлчөнгөн каталар:

• 0,153 m
• 0,132 m

болгон.

Орточо токтоп жайгашуу катасы:

0,1425 m

деп берилген.

Робот Чыныгы Жер Алдындагы Тоскоолдуктан Кача Алдыбы?

Ооба.

Робот навигация учурунда сол жагындагы бургулоо түтүктөрүнүн кутусун аныктап, маршрутун өзгөртүп тоскоолдукту айланып өтүп, экинчи бургулоо максат чекитине уланткан.

Жалпы:

• 17,312 m жол,
• 346,1 s жалпы навигация–бургулоо–артка тартуу убактысы,
• 2 токтоп жайгашуу жана бургулоо тапшырмасы,
• 1 автономдуу тоскоолдуктан качуу

аткарылган.

38-беттеги 40-сүрөт бул жер алдындагы процессти кадам-кадам көрсөтөт.

Изилдөө Колдогон Жыйынтыктар

• 3D чекиттер булуту ири бургулоо роботторунун жер алдындагы навигациясы үчүн функционалдык негиз боло алат.
• Офлайн траекториялар китепканасы онлайн эсептөө жүгүн өтө төмөн деңгээлде кармай алат.
• Чектөө чекиттери бар Bézier траекториялары cubic spline ыкмасына салыштырмалуу бурулуштарды жылмакайыраак кыла алат.
• Максималдуу жетүү ыктымалдыгы ыкмасы тоскоолдуктар менен максат багытынын ортосунда практикалык тандоо механизмин берет.
• Чыныгы жер алдындагы сыноодо робот автономдуу түрдө тоскоолдуктан качып, бургулоо чекитине жеткен.
• Жер үстүндөгү жана жер алдындагы токтоп жайгашуу каталары болжол менен 0,14–0,16 m аралыгында калган.

Изилдөө Колдобогон Жыйынтыктар

• Система бардык динамикалык кен шарттарында толугу менен адамдын көзөмөлүсүз иштей аларын далилдеген эмес.
• Офлайн траекториялар китепканасы тез өзгөргөн чөйрөлөрдө чексиз ыңгайлашуучу эмес.
• 330–340 μs пландаштыруу убактысын бардык жабдуу жана кен шарттарына жалпылоого болбойт.
• Робот бардык мүмкүн болгон тар галерея геометрияларында кагылышуусуз иштей турганы көрсөтүлгөн эмес.
• Токтоп жайгашуу катасы сантиметрден төмөн деңгээлге азайтылганы көрсөтүлгөн эмес.
• Системанын узак мөөнөттүү өндүрүш операциясында бузулуу же техникалык тейлөө статистикасы берилген эмес.