Kwa Nini Urambazaji Huru ni Mgumu kwa Roboti za Uchimbaji katika Migodi ya Makaa ya Mawe?

Mahandaki ya chini ya ardhi katika migodi ya makaa ya mawe ni mazingira magumu kwa urambazaji wa kawaida wa roboti kwa sababu ya mwanga hafifu, vumbi nyingi, mwingiliano wa sumakuumeme, uoni mdogo, sakafu isiyo sawa, njia nyembamba na jiometri zinazojirudia.

Zaidi ya hayo, roboti za uchimbaji kwa ajili ya uondoaji wa gesi ni tofauti sana na roboti ndogo zinazotembea.

Mashine hizi:

• ni nzito zaidi,
• zina uwiano mrefu wa mwili,
• hutumia uendeshaji tofauti wa nyaya za mnyororo,
• kichwa cha kuchimba na ngoma ya kebo viko mbali na kituo cha kuzunguka,
• ni hatari kufanya mzunguko mkubwa ukiwa sehemu moja katika handaki jembamba.

Kwa hiyo, njia fupi zaidi kinadharia si lazima iwe njia salama zaidi kila wakati.

Chanzo kinasisitiza hasa kwamba kugeuka kwa kasi karibu na ukuta kunaweza kuleta hatari ya kugongana na kusuguana kutokana na ukubwa wa mwili wa roboti.

Roboti Hufanya Kazi kwa Muda Gani katika Sehemu Moja ya Uchimbaji?

Kulingana na chanzo, kwa kawaida shughuli 3–5 tofauti za uchimbaji hufanywa katika sehemu moja ya kuegesha.

Uchimbaji mmoja:

• unaweza kuanzia makumi ya mita hadi mamia ya mita,
• mchakato wa kuchimba na kurudisha vifaa unaweza kudumu zaidi ya saa 10.

Kukamilisha kazi zote katika sehemu moja ya kuegesha kunaweza kuchukua takribani siku 3–4.

Baada ya hapo roboti kwa kawaida husonga tu:

2–10 m

ili kufikia sehemu inayofuata ya uchimbaji.

Kwa hiyo, kipaumbele cha mfumo si urambazaji wa kasi kubwa bali mwendo salama, thabiti na unaoweza kurudiwa kwa kasi ndogo.

Kwa Nini Wingu la Nukta la 3D Lilipendelewa Kuliko Ramani ya 2D?

Kwa sababu kuta na korido katika mahandaki ya chini ya ardhi zinafanana, ramani za 2D SLAM zinaweza kuwa na uwezo mdogo wa kutofautisha kijiometri na kuathiriwa na kuzorota kwa ujanibishaji.

3D LiDAR hutambua si kuta za mlalo pekee bali pia:

• jiometri ya dari,
• mteremko wa sakafu,
• urefu wa vizuizi,
• miundo ya pande tatu ndani ya handaki

.

Kielelezo 1 katika ukurasa wa 4 wa chanzo kinalinganisha hali ambapo mbinu ya 2D inayotegemea hybrid A* ilishindwa kutokana na kuzorota kwa ramani na mfano ambapo mbinu inayotegemea wingu la nukta la 3D ilipita mazingira yale yale kwa uthabiti zaidi.

Mfumo wa Vihisi wa Roboti Umejengwaje?

Usanifu wa roboti wa kutambua mazingira umejengwa hasa juu ya:

• 3D LiDAR,
• IMU,
• uwekaji nafasi wa UWB,
• kamera zinazostahimili milipuko

.

Katika Model B zilitumika LiDAR mbili zinazofaa kwa mazingira ya uchimbaji madini.

Kati ya hizo:

• moja iliwekwa kwa mlalo kwa ajili ya ujanibishaji wa roboti,
• nyingine ilielekezwa mbele kwa takribani 30° ili kuchanganua kwa msongamano zaidi topografia ya dari na sakafu

.

Kielelezo 6 katika ukurasa wa 8 kinaonyesha jinsi mpangilio wa vihisi ulivyoendelezwa kutoka modeli ya SolidWorks, ubadilishaji wa URDF, uigaji wa Gazebo hadi utekelezaji kwenye mashine halisi.

Mfumo wa Urambazaji Huru Una Tabaka Gani?

Usanifu wa mfumo katika ukurasa wa 13 wa chanzo unaonyesha mfuatano mkuu ufuatao:

LiDAR + IMU + UWB → SLAM → Uchambuzi wa Ardhi → Uwezekano wa Juu wa Kufika → Maktaba ya Njia za Mwendo ya Nje ya Mtandao → Njia Bora ya Mwendo → MPC → Uendeshaji wa Nyaya za Mnyororo

Mfumo mkuu wa udhibiti wa roboti hutumia usanifu wa ROS.

Mfumo wa urambazaji huwasiliana na mfumo mkuu wa udhibiti wa roboti ya uchimbaji unaotegemea PLC kupitia UDP.

Uchambuzi wa Ardhi Unafanywaje?

Maelezo ya urefu katika wingu la nukta la LiDAR hubadilishwa kuwa ramani mbili tofauti za urefu.

Nukta ya chini kabisa ndani ya voxel hutumiwa kama marejeleo, na urefu wa nukta nyingine hutathminiwa kama gharama ya kupita.

Kwa njia hii:

• ardhi tambarare inaweza kuainishwa kuwa ya gharama ndogo,
• ardhi yenye mteremko kuwa ya gharama kubwa zaidi,
• vizuizi virefu kuwa visivyopitika

.

Upangaji wa Njia kwa Kutegemea Uwezekano wa Juu wa Kufika ni Nini?

Wazo kuu la mbinu ni kwamba roboti huchagua kila wakati si njia fupi pekee bali hali ya mwendo yenye uwezekano mkubwa zaidi wa kufikia lengo kwa usalama.

Uwezekano wa roboti kufikia sehemu lengwa B:

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

huonyeshwa kwa njia hii.

Ingawa vizuizi vilivyo ndani ya eneo la utambuzi vinajulikana kupitia LiDAR, maeneo yaliyo nje ya masafa ya kihisi hutathminiwa kwa uwezekano kwa kutumia ramani iliyoundwa mapema au mwelekeo wa lengo.

Kwa mbinu ya Monte Carlo / importance sampling, tatizo endelevu la uwezekano hupunguzwa kuwa idadi ndogo ya njia za mwendo.

Kwa Nini Maktaba ya Njia za Mwendo ya Nje ya Mtandao Inatumika?

Katika mashine kubwa za kazi, kukokotoa maelfu ya njia mpya mtandaoni kunaweza kuongeza mzigo wa hesabu na muda wa mwitikio.

Katika utafiti huu, njia salama hukokotolewa mapema na kuhifadhiwa kwenye faili.

Wakati roboti inasonga, hufanya tu yafuatayo:

1. hukagua ni njia zipi zimezuiwa na kizuizi,
2. huondoa zisizofaa,
3. huchagua kati ya zilizobaki ile yenye uwezekano mkubwa zaidi wa kufikia lengo.

Katika majaribio ya juu ya ardhi, muda wa uchakataji mtandaoni ulikuwa:

.

Mfumo ulifanya kazi kwa 10 Hz na matumizi ya kiini kimoja cha CPU yaliwekwa chini ya %5.

Kwa Nini Mkunjo wa Bézier Ulitumika?

Chanzo kililinganisha maktaba ya njia za mwendo inayotegemea cubic spline na mikunjo ya Bézier.

Mkunjo wa kawaida wa Bézier:

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

huonyeshwa kwa namna hii.

Hata hivyo, kwa sababu mikunjo ya kawaida ya Bézier haipiti katika nukta za kati za udhibiti, inaweza kutotosha kwa kuepuka vizuizi; kwa hiyo waandishi walitengeneza mbinu iliyorekebishwa ya Bézier inayoongeza nukta ndogo za kizuizi karibu na nukta za kati za udhibiti.

Kielelezo 20 katika ukurasa wa 21 kinaonyesha kwa pamoja maktaba za njia za mwendo za cubic spline, Bézier ya kawaida na Bézier yenye nukta za kizuizi.

Mbinu ya Bézier yenye nukta za kizuizi ilitoa:

• pembe laini zaidi za kuanzia,
• chaguo nyingi zaidi za njia,
• uchukuaji sampuli ulio na uwiano zaidi

.

Mbinu ya Bézier Ilitoa Nini Katika Uigaji?

Katika uigaji wa handaki refu, ingawa muda wa jumla wa mwendo wa mbinu za Bézier na cubic spline ulikuwa sawa, njia za Bézier zilikuwa laini zaidi hasa katika sehemu za kugeuka.

Urefu wa jumla wa njia:

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

ulipimwa.

Chanzo kinaripoti kwamba katika njia ya cubic spline, hasa kwenye zamu za pembe ya kulia na zinazofuatana, marekebisho ya mwelekeo yenye mtikisiko/mkusanyiko yalionekana, ilhali mbinu ya Bézier ilitoa mabadiliko laini zaidi ya mkao.

Matokeo Yalikuwaje Ikilinganishwa na Hybrid A*?

Wakati Hybrid A* ilizalisha katika baadhi ya zamu za pembe ya kulia kurudi nyuma au marekebisho yasiyo ya lazima yenye umbo la S, mbinu iliyopendekezwa iliweza kuingiza roboti moja kwa moja katika zamu.

Hata hivyo, waandishi pia wanaeleza kwamba mbinu iliyopendekezwa inaweza kukaribia kona zaidi kuliko inavyohitajika katika baadhi ya zamu.

Model A Ilifanya Kosa la Kiasi Gani Katika Jaribio la Kuegesha Kwenye Sehemu Maalum?

Model A ilijaribiwa katika sehemu nne tofauti za kuegesha.

Malengo:

• 5 m
• 10 m
• 15 m
• 20 m

yalibainishwa.

Makosa ya kuegesha:

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

yalikuwa.

Kosa la wastani:

0,1625 m

lilikokotolewa.

Kwa Nini Lengo la Kuegesha Liliainishwa Kama Eneo Badala ya Nukta Moja?

Kwa roboti kubwa yenye nyaya za mnyororo, kuweka uvumilivu wa lengo kuwa mwembamba kupita kiasi kunaweza kusababisha roboti kufanya marekebisho madogo mfululizo karibu na lengo.

Chanzo kinatathmini marekebisho haya ya “peristaltic” kuwa hatari ya usalama kwa mashine kubwa ya kazi.

Kwa hiyo kizingiti cha kuwasili:

Φ 0,2 m

kilichaguliwa.

Kasi ya juu ya mwendo nayo:

0,175 m/s

ilipunguzwa hadi kiwango hicho.

Roboti Iliweza Kuepuka Kizuizi katika Handaki lenye Umbo la L?

Ndiyo.

Model B ilifanyiwa jaribio la kugeuka na kuepuka kizuizi katika handaki la kuiga la juu ya ardhi lenye umbo la L.

Uzito wa roboti ulikuwa takribani:

8,3 ton

hivyo mbao zilitumiwa kulinda sakafu.

Ingawa mbao hizi zilisababisha kuteleza kwa nyaya za mnyororo, roboti:

• iliweza kugeuka,
• iliweza kudumisha umbali salama kutoka ukuta wa handaki,
• iliweza kurekebisha mwelekeo wake tena baada ya kuteleza,
• iliweza kufikia sehemu lengwa.

Matokeo ya Jaribio la Uchimbaji wa Usahihi Yalikuwaje?

Katika handaki lenye umbo la T, roboti iliwekwa katika sehemu mbili lengwa za kuegesha na kuchimba mashimo ya majaribio yenye kipenyo cha 40 cm kwenye ukuta.

Makosa mawili ya kuegesha:

• 0,127 m
• 0,168 m

yalipimwa.

Wastani:

0,1475 m

ulikuwa.

Ncha ya kuchimba ya roboti ilifikia eneo la duara la lengo lililofafanuliwa mapema katika hali zote mbili.

Kielelezo 37 katika ukurasa wa 36 kinaonyesha nafasi ya kuegesha ya roboti na uchimbaji halisi wa shimo lengwa kwenye ukuta.

Mfumo Ulijaribiwa Katika Mgodi Halisi wa Makaa ya Mawe?

Ndiyo.

Majaribio ya uwanjani chini ya ardhi yalifanywa katika vituo vya Shoushan No. 1 Mine na Pingdingshan Tianan Coal Industry.

Mazingira ya majaribio:

• Upana wa handaki: 5,2 m
• Urefu wa handaki: 4,2 m
• Urefu wa eneo la majaribio linaloweza kupitika: takribani 30 m
• reli ya gari la mgodi kwenye sakafu,
• njia ya kreni ya monoreli kwenye dari

yalijumuishwa.

Usahihi wa Kuegesha Ulikuwaje Katika Jaribio la Chini ya Ardhi?

Makosa yaliyopimwa katika sehemu mbili lengwa:

• 0,153 m
• 0,132 m

yalikuwa.

Kosa la wastani la kuegesha:

0,1425 m

liliripotiwa.

Roboti Iliweza Kuepuka Kizuizi Halisi Chini ya Ardhi?

Ndiyo.

Wakati wa urambazaji, roboti iligundua sanduku la mabomba ya kuchimba upande wake wa kushoto, ikabadilisha njia, ikapita pembeni ya kizuizi na kuendelea hadi sehemu ya pili lengwa ya uchimbaji.

Kwa jumla:

• 17,312 m za njia,
• 346,1 s za muda wa jumla wa urambazaji–uchimbaji–kurudisha vifaa,
• majukumu 2 ya kuegesha na kuchimba,
• kuepuka kizuizi kwa uhuru mara 1

yalitekelezwa.

Kielelezo 40 katika ukurasa wa 38 kinaonyesha hatua kwa hatua mchakato huu wa chini ya ardhi.

Matokeo Yanayoungwa Mkono na Utafiti

• Wingu la nukta la 3D linaweza kutoa msingi wa kiutendaji kwa urambazaji wa chini ya ardhi wa roboti kubwa za uchimbaji.
• Maktaba ya njia za mwendo ya nje ya mtandao inaweza kuweka mzigo wa hesabu wa mtandaoni katika kiwango cha chini sana.
• Njia za Bézier zenye nukta za kizuizi zinaweza kufanya zamu kuwa laini zaidi kuliko mbinu ya cubic spline.
• Mbinu ya uwezekano wa juu wa kufika hutoa utaratibu wa vitendo wa uchaguzi kati ya vizuizi na mwelekeo wa lengo.
• Katika jaribio halisi la chini ya ardhi, roboti iliepuka kizuizi kwa uhuru na kufikia sehemu ya uchimbaji.
• Makosa ya kuegesha juu na chini ya ardhi yalibaki takribani katika kiwango cha 0,14–0,16 m.

Matokeo Yasiyoungwa Mkono na Utafiti

• Mfumo haujathibitisha kufanya kazi bila usimamizi wa binadamu katika hali zote zinazobadilika za mgodi.
• Maktaba ya njia za mwendo ya nje ya mtandao haiwezi kubadilika bila kikomo katika mazingira yanayobadilika haraka.
• Muda wa upangaji wa 330–340 μs hauwezi kujumlishwa kwa vifaa vyote na hali zote za migodi.
• Haijaonyeshwa kwamba roboti itafanya kazi bila mgongano katika jiometri zote zinazowezekana za mahandaki membamba.
• Haijaonyeshwa kwamba kosa la kuegesha limepunguzwa hadi chini ya sentimita.
• Takwimu za hitilafu au matengenezo katika uendeshaji wa muda mrefu wa uzalishaji wa mfumo hazijatolewa.