Utafiti huu unalenga kuchora ramani ya mikondo ya hewa katika mazingira yaliyofungwa kwa kutumia roboti yenye magurudumu inayosogea kwa kufuatilia mwelekeo wa mkondo wa hewa, badala ya kupima hewa katika sehemu chache tu kwa vihisi vilivyowekwa mahali pamoja. Mfumo uliotengenezwa unajumuisha jukwaa la mwendo lenye magurudumu ya Mecanum, kihisi cha silinda cha mkondo wa hewa chenye vihisi tisa vya shinikizo vya MEMS, mtandao bandia wa neva unaokadiria kasi na mwelekeo wa hewa, uwekaji nafasi kwa SLAM ya leza, udhibiti wa mwendo unaotegemea ROS na programu ya uoneshaji ya RVIZ.

Roboti hupima kasi na mwelekeo wa hewa katika mahali ilipo; kisha husogea katika mwelekeo wa mkondo wa hewa kwa amri yenye ukubwa wa sehemu moja ya kumi ya vekta ya kasi iliyopimwa. Kwa njia hii, nafasi ya roboti, kasi ya hewa na mwelekeo wa hewa huunganishwa katika mfumo mmoja wa kuratibu; njia iliyofuatwa huoneshwa kwenye ramani ya mazingira kama trajektoria endelevu ya mkondo wa hewa. Vipimo vinavyorudiwa kutoka sehemu mbalimbali za kuanzia, au kutoka sehemu ileile, huunganishwa ili kuhesabu urefu, upana na kiwango cha mabadiliko ya kasi cha ukanda wa trajektoria.

Katika urekebishaji wa mwelekeo, roboti ilijaribiwa katika mielekeo minane tofauti na kwa kasi za hewa za 2, 4 na 6 m/s. Kwa mielekeo minane, wastani wa mkengeuko wa ufuatiliaji ulikuwa 1,32°, huku mkengeuko mkubwa zaidi ukiwa 2,03° katika mwelekeo wa 45°. Katika majaribio ya mkondo wa hewa wenye mgeuko, wastani wa mikengeuko ya trajektoria kwa mipangilio ya 45°, 90° na 135° ulikuwa mtawalia 0,072 m, 0,067 m na 0,034 m; wastani wa majaribio yote ya mgeuko ulihesabiwa kuwa 0,058 m.

Katika jaribio ambalo rota nne ziliendeshwa sambamba, ukanda wa trajektoria ya mkondo wa hewa ulifikia urefu wa 3,10 m na upana wa juu wa 1,47 m. Viwango vya mabadiliko ya kasi vya trajektoria nne vilibainishwa kuwa 0,756, 0,557, 0,720 na 0,793. Trajektoria zilizozalishwa na rota za katikati ziliendelea kwa umbali mrefu zaidi, huku zile za upande wa nje zikidhoofika kwa kasi zaidi.

Katika jaribio tata zaidi ambapo rota nne ziliwekwa kwa umbo la “M”, mikondo ya hewa iliathiriana na kupotoka kutoka mielekeo iliyotarajiwa wakati rota ziliendeshwa kwa wakati mmoja. Ukanda ulioundwa na trajektoria tano zilizorudiwa ulikuwa na urefu wa 5,83 m na upana wa juu wa 0,59 m. Kwa kuwa kasi iliongezeka tena roboti ilipokaribia kila rota na kupungua ilipoondoka, hali hii haikuweza kuelezwa kwa mgawo mmoja wa kawaida wa kupungua.

Wakati kipimo cha roboti kilipolinganishwa na data za sehemu zisizohamishika zinazowakilisha maeneo 48, kilionesha kosa la wastani la absolyuti la 0,17 m/s kwa kasi ya hewa na ulinganifu wa \(R^2=0,85\). Roboti ilitoa data mfululizo kwa takriban kila 0,05 m, ilhali sehemu za kipimo zisizohamishika zilikuwa kwa nafasi ya 0,25 m. Hata hivyo, katika jaribio la sehemu zisizohamishika, vihisi 48 havikutumiwa kwa wakati mmoja; vihisi vitatu vilihamishwa katika maeneo tofauti katika mizunguko 16 ya uchukuaji sampuli. Kwa hiyo, ulinganisho huu unawakilisha zaidi kipimo cha sehemu chache na cha mfululizo kuliko mtandao wa vihisi 48 unaofanya kazi kwa wakati mmoja.

Katika jaribio la ofisi halisi, kizuizi kilipunguza kasi ya hewa hasa katikati ya mkondo wa nyuma wa kizuizi katika umbali wa takriban 0,5 m. Tofauti kubwa zaidi ya kasi ilikuwa takriban 0,65 m/s, na uwiano wa chini zaidi wa urejeshaji ulikuwa takriban 0,65; athari ya kizuizi ilipotea kwa kiasi kikubwa baada ya takriban 1,5 m. Gradienti ya joto iliyoundwa kwa hita ya 600 W haikubadilisha mwelekeo wa jumla wa mkondo, lakini katika vipimo sita vilivyorudiwa iliongeza ukanda wa mwisho wa trajektoria kutoka 4,8 cm hadi 9,9 cm na kupunguza uwezo wa kurudia matokeo.

Kwa mtazamo wa Uturuki: Mfumo huu unaweza kutathminiwa kwa uchunguzi wa majaribio wa mikondo ya uingizaji na utoaji hewa katika hospitali, shule, maabara, vyumba safi, vituo vya data, mitambo ya viwandani, handaki na maeneo makubwa yaliyofungwa nchini Uturuki. Unaweza kuwa jukwaa la kipimo linalohamishika linalokamilisha modeli za CFD katika kubaini mwelekeo wa kupuliza wa viyoyozi, kufika kwa hewa safi, maeneo yenye hewa iliyotuama nyuma ya vizuizi na njia za usafirishaji wa vichafuzi. Kabla ya kutumika nchini Uturuki, mfumo unapaswa kuthibitishwa katika kasi ndogo za hewa, magurudumu ya Mecanum yakarekebishwa kwa aina mbalimbali za sakafu, athari za mwendo wa watu zipimwe, vipimo vya pande tatu vifanywe katika miinuko tofauti, mkengeuko wa vihisi wa muda mrefu, fidia ya joto na unyevunyevu, usalama kazini na ulinganisho na mifumo halisi ya uingizaji hewa katika majengo vitathminiwe. Utafiti huu hauoneshi kwamba mfumo unaweza kutambua aina ya kemikali ya gesi, kuchora ramani ya pande tatu ya chumba kizima papo hapo au kufanya kazi kwa uthibitisho wa usalama katika mazingira ya moto na gesi hatari.

Tatizo kuu la utafiti

Harakati za hewa katika mazingira yaliyofungwa zinaweza kuwa zisizo mstari na kutegemea muda kutokana na jiometria ya jengo, matundu ya uingizaji hewa, vyanzo vya joto, vizuizi na hali ya mazingira ya nje. Anemomita zisizohamishika hupima kasi tu katika sehemu ambako zimewekwa, na kuonesha njia nzima ya mkondo kunahitaji vihisi vingi. Upeimaji wa kasi kwa picha za chembe na mbinu za gesi ya kufuatilia zinaweza kutoa taarifa za kina zaidi, lakini zinaweza kuhitaji mazingira maalumu ya majaribio. Modeli za CFD zinaweza kuchunguza maeneo makubwa; hata hivyo, zinaathiriwa na masharti ya mipaka, msongo wa gridi na uchaguzi wa modeli ya mtikisiko.

Watafiti hawakulenga kutengeneza mfumo wa kuchukua nafasi ya mbinu hizi, bali chombo cha uthibitishaji kinachohamishika kinachoweza kuzikamilisha. Dhana kuu ni kujenga mfumo wa ufuatiliaji wa kitanzi funge ambapo, badala ya kuendesha roboti katika njia ya uchunguzi iliyowekwa mapema, mwelekeo wa mkondo wa hewa uliopimwa huamua moja kwa moja mwendo unaofuata wa roboti.

Usanifu wa maunzi ya roboti

Kielelezo 1 katika ukurasa wa 4 wa utafiti kinaonesha prototipu halisi iliyotengenezwa. Vipengele vikuu vya roboti ni:

• Chasi ya mwendo yenye magurudumu ya Mecanum na mota nne zinazojitegemea.
• Kompyuta iliyopachikwa ya Jetson Nano.
• Mikrokidhibiti ya udhibiti wa chasi ya STM32F407.
• Kihisi cha silinda cha mkondo wa hewa chenye vihisi tisa vya shinikizo vya MEMS.
• Mikrokidhibiti ya mawasiliano ya kihisi cha mkondo wa hewa.
• Rada ya leza.
• Visimbaji vya mota na mrejesho wa mwendo.
• Kifurushi cha betri kinachobebeka.
• Muunganisho wa kompyuta kuu inayoendesha ROS na RVIZ.

Magurudumu ya Mecanum huruhusu roboti kusogea mbele, nyuma, pembeni na kwa ulalo bila kuzungusha mwili wake. Kipengele hiki kilichaguliwa ili kujibu kwa haraka mabadiliko madogo ya mwelekeo wa hewa. Hata hivyo, majaribio yalionesha kuwa mkengeuko wa mwelekeo katika mwendo wa ulalo ulikuwa mkubwa kuliko katika mwendo wa ortogonali kwa sababu ni jozi za mota za ulalo pekee zinazofanya kazi kwa ufanisi.

Muundo wa kihisi cha silinda cha mkondo wa hewa

Kihisi kinaundwa na bodi tatu za saketi zenye unene wa 1 mm zinazounganishwa kwa kuingiliana. Kihisi cha juu S1 kimeunganishwa na tundu la kipenyo cha 3 mm katika ncha ya nusu duara ya mwili wa silinda, huku vihisi S2-S9 vikiwa vimeunganishwa na matundu manne ya mstatili katika pande za mwili. Mwili kamili una kipenyo cha takriban 15 mm na urefu wa 36,35 mm.

Thamani tisa za shinikizo hazikuingizwa moja kwa moja katika mtandao bandia wa neva. Kwa kila kihisi cha pembeni, tofauti ya shinikizo dhidi ya kihisi cha juu ilihesabiwa:

\[ P_2-P_1,\ P_3-P_1,\ldots,\ P_9-P_1 \]

Kwa njia hii, tofauti nane za shinikizo zilihusishwa na ukubwa na mwelekeo wa kasi ya hewa. Mwili mdogo wa kihisi ulilenga kuathiri mkondo kwa kiwango kidogo iwezekanavyo; hata hivyo, utafiti haujumuishi jaribio tofauti lililopima moja kwa moja athari ya mwili wa roboti, magurudumu na nguzo ya kihisi kwenye uga wa mkondo.

Seti ya data ya mtandao wa neva na mpangilio wa mafunzo

Ili kurekebisha kihisi, handaki la upepo la mstari lenye mvutano wa kuvuta na sehemu ya majaribio yenye kipenyo cha 150 mm lilitumika. Pembe ya azimuthi ya kihisi ilibadilishwa kutoka 0°-360° kwa hatua za 15°, pembe ya mwinuko kutoka 0°-90° kwa hatua za 15°, na kasi ya hewa kutoka 2-12 m/s kwa hatua za 1 m/s. Baada ya takriban saa sita za ukusanyaji wa data, sampuli 87.501 zilipatikana.

Ili kupunguza kutokuwepo kwa mwendelezo wa 0°-360° kunakotokana na asili ya mzunguko wa pembe, pato la mtandao wa neva halikufafanuliwa moja kwa moja kama pembe, bali kama vipengele vya kasi:

\[ v_x=v\sin\theta \]

\[ v_y=v\cos\theta \]

Miundo minne ya mtandao ililinganishwa:

• 8-16-8-2
• 8-32-16-2
• 8-32-16-8-2
• 8-64-32-16-8-2

Safu ya ingizo ina tofauti nane za shinikizo zilizosanifishwa, na safu ya pato ina \(v_x\) na \(v_y\). Safu fiche zilitumia kitendakazi cha uanzishaji cha ReLU, na mafunzo yalitumia hasara ya kosa la wastani wa mraba. Seti ya data iligawanywa kuwa %80 kwa mafunzo, %10 kwa uthibitishaji na %10 kwa majaribio. Muundo wa 8-32-16-8-2 ulichaguliwa kwa sababu ulitoa uwiano kati ya mzigo wa kompyuta kwenye ESP32 na usahihi.

Utafiti unatoa thamani ya MSE ya kasi ya 0,27 (m/s)² na thamani ya MSE ya mwelekeo ya 2,28 (°)² kwa matokeo ya majaribio. Baadaye katika sehemu hiyohiyo, wastani wa kosa la kasi umetolewa kuwa 0,22 m/s na wastani wa kosa la mwelekeo kuwa 2,28°. Kutumia namba ileile kwa MSE ya mwelekeo na wastani wa kosa la mwelekeo, lakini kwa vitengo tofauti, kunaleta utata katika uripoti.

Kitanzi funge kutoka kipimo cha hewa hadi mwendo wa roboti

Ilidhaniwa kwamba ikiwa roboti ingesogea kwa kasi sawa na mkondo, hali ya inershia na kuvuka kiwango ingeweza kutokea wakati wa mabadiliko ya mwelekeo. Kwa hiyo, kasi ya mwendo iliwekwa kuwa sehemu moja tu ya kumi ya kasi ya hewa iliyopimwa:

\[ v_{x,\mathrm{robot}}=\alpha v_{x,\mathrm{airflow}} \]

\[ v_{y,\mathrm{robot}}=-\alpha v_{y,\mathrm{airflow}} \]

Hapa \(\alpha=0,1\). Alama hasi inatokana na mhimili y wa kihisi na wa msingi wa roboti kuelekezwa katika pande zinazokinzana. Watafiti walichagua thamani ya 0,1 baada ya majaribio ya awali katika masafa ya 0,05-0,5. Thamani ndogo huathiri uga wa mkondo kwa kiwango kidogo lakini huongeza muda wa kipimo; thamani kubwa huharakisha kipimo lakini huongeza hatari ya kuvuka kiwango wakati wa mizunguko.

Katika hali za kawaida za uendeshaji, kasi ya roboti ilibaki chini ya 0,6 m/s. Kasi iliyoamriwa na kasi halisi iliyopimwa kupitia visimbaji ililinganishwa katika majaribio 20 yaliyorudiwa; kosa la RMS lilikuwa 0,008 m/s na mkengeuko wa juu 0,015 m/s. Katika hesabu ya kutokuwa na uhakika, thamani ya tahadhari ya 0,01 m/s ilitumika.

Mawasiliano ya ROS na uoneshaji wa RVIZ

Wingu la pointi la rada ya leza, kasi ya chasi, taarifa za IMU na data za kihisi cha hewa ziliunganishwa kwenye kompyuta iliyopachikwa. Ramani ya mazingira na nafasi ya roboti zilihesabiwa kwa SLAM ya leza. Data zilizochakatwa zilitumwa kama mada za ROS kwenda kwenye programu ya RVIZ katika kompyuta kuu.

Nafasi ya mfumo wa kuratibu wa “base_link” wa roboti dhidi ya mfumo wa “map” ilisomwa kwa kasi ya usasishaji ya 10 Hz na kuongezwa kwenye muundo wa nav_msgs/Path. Sehemu ya kuanzia ya mshale unaoonesha kasi ya hewa ilikuwa nafasi ya sasa ya roboti, na sehemu ya mwisho iliamuliwa kwa milinganyo ifuatayo:

\[ x_1=x_0+v_{\mathrm{airflow}}\cos\theta \,s \]

\[ y_1=y_0+v_{\mathrm{airflow}}\sin\theta \,s \]

Kigezo cha kipimo cha kuona cha \(s=0,5\) kilichaguliwa kwa urefu wa mshale. Mwelekeo wa mshale huonesha mwelekeo wa mkondo, urefu wa mshale huonesha ukubwa wa kasi, na namba iliyo pembeni huonesha thamani ya m/s iliyopimwa. Kwa kuwa data zinaweza kuhamishwa katika miundo ya CSV na JSON, zinaweza pia kuchakatwa katika programu nyingine kama ParaView, Tecplot au MATLAB.

Urekebishaji wa mkondo wa hewa wa mstari

Majaribio ya ufuatiliaji wa mstari yalifanywa katika mfereji wa akriliki wenye sehemu ya 500 × 500 mm na urefu wa 3 m. Roboti iliwekwa katika mielekeo minane ya 0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270° na 315°; kila mwelekeo ulijaribiwa mara tatu katika kasi za 2, 4 na 6 m/s.

Wastani wa thamani hizo nane ni takriban 1,32°. Mikengeuko katika mielekeo ya ortogonali kwa ujumla ilikuwa chini kuliko katika mielekeo ya ulalo. Kasi ya hewa ilipobadilika kutoka 2 hadi 6 m/s, wastani wa mkengeuko ulibadilika kwa 0,16° tu, na mkengeuko sanifu kati ya makundi ya kasi ulitolewa kuwa 0,067°.

Urekebishaji wa mkondo wa hewa wenye mgeuko

Rota mbili zilitumika katika majaribio ya mgeuko. Nafasi na pembe ya rota ya pili zilibadilishwa ili kuunda mipangilio ya 45°, 90° na 135°. Kwa kila pembe, viwango vya %30, %50 na %70 vya gesi vilijaribiwa na jumla ya makundi tisa ya majaribio yakaundwa.

Katika majaribio yote, mkengeuko ulisalia chini ya 0,10 m, na wastani wa jumla ulikuwa 0,058 m. Ilionekana kuwa mkengeuko ulipungua kadiri pembe halisi ya mgeuko ilivyopungua. Kusogea kwa kudumu kuelekea kulia katika sehemu ya kwanza ya mstari kulihusishwa na kosa la ufungaji wa magurudumu.

Jaribio la usahihi wa SLAM

Roboti iliendeshwa kwa mkono katika njia iliyofungwa ya mstatili yenye ukubwa wa 2,0 × 1,5 m, na kosa la kufungwa kwa kitanzi kati ya nafasi ya kuanzia na ya kumalizia likapimwa. Katika marudio kumi, wastani wa kosa ulikuwa 0,012 m na mkengeuko sanifu 0,004 m. Watafiti walikubali kosa la kawaida la nafasi la RMS kuwa 0,015 m.

Jaribio hili lilifanywa katika eneo la maabara lililofungwa na lenye mipaka. Korido ndefu, jiometria zinazojirudia, watu wanaotembea, nyuso zinazoakisi au mazingira ambako mwonekano wa lidar umewekewa vikwazo havikutathminiwa tofauti.

Ukanda wa trajektoria huundwaje?

Mbinu ya uoneshaji iliyopendekezwa na watafiti ina hatua nne:

1. Sehemu moja au zaidi za kuanzia za roboti zinazofaa uga wa mkondo huchaguliwa.
2. Majaribio mengi ya ufuatiliaji hufanywa kutoka kila sehemu ya kuanzia.
3. Trajektoria hupangiliwa katika kuratibu za pamoja za ramani ya SLAM na pointi zinazolingana huwekewa wastani.
4. Urefu, upana na mabadiliko ya kasi ya ukanda wa trajektoria unaopatikana hutathminiwa.

Pointi zilizo mbali zaidi ya mikengeuko sanifu mitatu kutoka wastani wa mahali ziliondolewa kama thamani zinazoweza kuwa nje ya kawaida. Wastani wa mahali ulihesabiwa kwa dirisha linaloteleza la 0,2 m kando ya trajektoria. Watafiti wanasema mbinu hii huhifadhi %99,7 ya vipimo halali; hata hivyo, uwiano huu unategemea dhana ya usambazaji wa kawaida na haijaoneshwa kwamba makosa ya trajektoria kweli yanafuata usambazaji wa kawaida.

Vipimo vya ukanda wa trajektoria

Upana: Ni umbali wa wima kati ya mipaka miwili ya nje ya ukanda wa trajektoria.

\[ W_{ab}= \sqrt{(x_1-x_2)^2+(y_1-y_2)^2} \]

Urefu: Ni jumla ya umbali kati ya pointi zinazofuatana za trajektoria ndefu zaidi ndani ya ukanda.

\[ L= \sum_{i=1}^{n-1} \sqrt{(x_{i+1}-x_i)^2+(y_{i+1}-y_i)^2} \]

Kiwango cha mabadiliko ya kasi: Kupungua kwa kasi ya mkondo kulingana na umbali kulimodeliwa kwa sheria ya nguvu ifuatayo:

\[ v(r)=v_0 \left(\frac{r}{r_0}\right)^{-\alpha} \]

Hapa, kadiri \(\alpha\) inavyoongezeka ndivyo kasi hupungua kwa haraka zaidi kadiri umbali unavyoongezeka. Ingawa katika maandishi mlinganyo huu unaitwa “upungufu wa eksponensheli”, umbo lake la kihisabati ni sheria ya nguvu.

Uthibitishaji wa vipimo kwa rota moja

Roboti ilianzishwa kutoka katikati ya mhimili wa rota na kutoka mstari wa ncha za mabawa mawili. Muunganiko wa trajektoria tatu ulitoa:

• upana wa ukanda wa trajektoria wa 0,19 m,
• urefu wa ukanda wa trajektoria wa 2,93 m,
• viwango vya mabadiliko ya kasi vya 0,66, 0,57 na 0,76

Katika trajektoria ya mwelekeo wa katikati, kasi ilipungua polepole zaidi, ilhali katika mielekeo ya ncha za mabawa ilipungua kwa haraka zaidi. Jaribio hili liliunda msingi wa vipimo vilivyotumiwa katika majaribio ya baadaye ya rota nyingi.

Jaribio la rota nne zilizowekwa sambamba

Rota nne ziliwekwa sambamba kwa nafasi ya 475 mm na rota zote ziliendeshwa katika kiwango cha gesi cha %5. Roboti ilisogea tofauti kutoka sehemu za kuanzia A, B, C na D zilizo katika mwelekeo wa kawaida wa kila rota.

Ukanda wa trajektoria ulikuwa 1,42 m mwanzoni na ulifikia upana wa juu wa 1,47 m katika ncha za nje. Ukweli kwamba trajektoria nne zilikuwa takriban sambamba unaonesha kwamba, katika nafasi ya rota iliyochaguliwa, mikondo haikusababisha kupotoka kwa nguvu kwa mwelekeo wa kila mmoja. Kasi ilipungua kwa haraka zaidi katika trajektoria za nje, huku trajektoria za katikati zikifika umbali mrefu zaidi.

Jaribio la rota nne za umbo la “M”

Ili kuunda mkondo tata wa hewa, mielekeo ya kawaida ya rota nne ilipangwa mwisho kwa mwisho ili kuunda umbo la “M”. Njia mbili za uendeshaji zililinganishwa:

• Mpangilio 1: Rota ziliwashwa na kuzimwa kwa zamu.
• Mpangilio 2: Rota zote nne ziliendeshwa kwa wakati mmoja.

Katika uendeshaji wa mfululizo, pembe zilizopimwa za mgeuko zilikuwa 65°, 74° na 76°. Rota zote zilipoendeshwa kwa wakati mmoja, pembe zinazolingana ziliongezeka hadi 83°, 103° na 115°. Mkengeuko wa kwanza muhimu ulihesabiwa kuwa 18° na mwingiliano ukaendelea kujilimbikiza katika sehemu za baadaye za trajektoria.

Katika mpangilio wa uendeshaji wa wakati mmoja, vipimo vitano vilivyorudiwa vilifanywa. Ukanda wa pamoja wa trajektoria ulifikia urefu wa 5,83 m na upana wa juu wa 0,59 m. Kwa kuwa kasi iliongezeka tena roboti ilipokaribia rota na kupungua ilipoondoka, haikuwezekana kueleza trajektoria nzima kwa mgawo mmoja wa kupungua kwa kasi.

Ulinganisho na kipimo cha sehemu zisizohamishika

Eneo la ulinganisho lilikuwa na ukubwa wa 1,9 × 3,0 m. Maeneo 48 katika safu nne na nguzo 12 yalibainishwa; nguzo ziliwekwa kwa nafasi ya 0,25 m. Ingawa utafiti mwanzoni unataja vihisi 48 visivyohamishika, unaeleza kwamba jaribio lilifanywa kwa vihisi vitatu tu vya silinda katika mizunguko 16 ya vipimo vya mfululizo.

Roboti ilifanya vipimo kwa takriban kila 0,05 m katika trajektoria nne. Mbinu hizo mbili zililinganishwa katika maeneo 48 ya pamoja:

Mbinu ya roboti ilitoa uchukuaji sampuli wa anga ulio na msongamano mkubwa zaidi na ilionesha kwa undani zaidi tofauti ya kupungua kwa kasi kati ya trajektoria za katikati na za nje. Hata hivyo, roboti inayosogea hupima maeneo tofauti katika nyakati tofauti. Ikiwa inahitajika kuchunguza kwa wakati mmoja mikondo inayobadilika haraka au yenye mizunguko katika uga mzima, mitandao halisi ya vihisi vingi visivyohamishika inaweza kufaa zaidi.

Mazingira halisi ya ofisi

Jaribio nje ya maabara lilifanywa katika ofisi yenye ukubwa wa 4,0 × 4,0 × 3,5 m. Mazingira yalikuwa na meza, masanduku, kiyoyozi na vizuizi vingine vya kawaida. Kituo cha feni yenye kipenyo cha 0,15 m kiliwekwa katika urefu wa 0,33 m kutoka sakafuni, na kasi ya kutoka ilipimwa kuwa takriban 8 m/s.

Hali tatu zilitathminiwa:

1. Kutokuwepo kizuizi kati ya feni na ingizo katika ukuta wa upande wa pili.
2. Kuwepo kwa sanduku na vitu vingine katika umbali wa 1,5 m kutoka kwa feni.
3. Kuunda gradienti ya joto kwa hita ya 600 W katika umbali wa 2,3 m kutoka kwa feni.

Athari ya kizuizi kwenye mkondo wa hewa

Roboti ilifanya vipimo katika njia tano. Bila kizuizi, kasi ilipungua kwa utaratibu kadiri umbali ulivyoongezeka. Kizuizi kilipowekwa, trajektoria ya katikati ilipinda na wastani wa kasi ulipungua hasa katika njia za katikati na upande wa kulia.

Ndani ya mkondo wa nyuma wa kizuizi, tofauti kubwa zaidi ya kasi ilikuwa 0,65 m/s katika umbali wa takriban 0,5 m. Uwiano wa urejeshaji ulipungua hadi takriban 0,65 katika eneo hilo; hii inamaanisha takriban %35 ya upotevu wa kasi ikilinganishwa na mkondo usio na kizuizi. Baada ya takriban 1,5 m, tofauti ya kasi ilikaribia sifuri na mkondo ukarejea kwa kiasi kikubwa katika hali isiyo na kizuizi.

Athari ya gradienti ya joto

Trajektoria sita zilizorudiwa zilipatikana kwa kila hali ya hita kuzimwa na kuwashwa. Katika hali zote mbili, roboti ilifuata mwelekeo wa jumla wa feni na kufika eneo lengwa. Hata hivyo, mtawanyiko wa nafasi za mwisho uliongezeka kwa kiasi kikubwa:

Watafiti wanafikiri kwamba kuongezeka huku kulitokana na mwingiliano wa mikondo ya kuinuka iliyoundwa na hita na mkondo mlalo wa feni. Kwa sababu roboti ilijibu kila mabadiliko madogo ya mwelekeo kwa kusogea, mabadiliko ya mahali yalijilimbikiza njiani na kuongeza utofauti kati ya marudio. Hata hivyo, kwa kuwa mfumo hauwasilishi kijenzi cha kasi ya hewa ya wima kama ramani tofauti, utaratibu wa kuinuka kwa joto haukupimwa moja kwa moja.

Uchambuzi wa kutokuwa na uhakika

Vyanzo vikuu vya kosa vilivyoripotiwa katika utafiti ni:

Kutokuwa na uhakika wa kasi kulihesabiwa kwa kuunganisha athari ya makosa ya kasi na mwelekeo wa kihisi kwenye vipengele vya vekta, na kwa kasi ya hewa ya 2 m/s kulipatikana kuwa takriban 0,23 m/s:

\[ \sigma_v= \sqrt{ \sigma_{\mathrm{sensor}}^2+ \left[v\sin(\sigma_{\mathrm{angle}})\right]^2 } \]

Hesabu hii inalingana kwa takriban na thamani zilizotolewa. Hata hivyo, katika hesabu ya kutokuwa na uhakika wa trajektoria, vitengo vya nafasi na kasi vimeunganishwa moja kwa moja:

\[ \sigma_{\mathrm{traj}}= \sqrt{ \sigma_{\mathrm{SLAM}}^2+ (\alpha\sigma_{\mathrm{vel}})^2+ \sigma_{\mathrm{control}}^2+ \sigma_{\mathrm{bias}}^2 } \]

Ili kubadilisha kutokuwa na uhakika wa kasi kuwa mita, kunapaswa kuzidishwa kwa muda au kuenezwa hadi nafasi kupitia modeli ya mwendo. Kwa kuwa hili halikufanywa, kutokuwa na uhakika wa jumla wa trajektoria wa takriban 0,032 m hakupaswi kuchukuliwa kama bajeti kamili ya kosa yenye uwiano sahihi wa vipimo.

Nguvu za utafiti

• Unawasilisha prototipu inayofanya kazi inayounganisha utambuzi wa hewa na mwendo wa roboti katika kitanzi funge.
• Njia ya roboti, kasi ya hewa na mwelekeo wa hewa huoneshwa katika kuratibu za pamoja za SLAM.
• Kihisi kidogo cha mkondo wa hewa chenye vihisi tisa vya shinikizo vya MEMS kinatumika.
• Mafunzo ya mtandao wa neva kwa seti ya data ya handaki la upepo yenye sampuli 87.501 yameelezwa.
• Urekebishaji wa ufuatiliaji wa mstari umefanywa katika mielekeo minane na kasi tatu za hewa.
• Utendaji wa mgeuko umejaribiwa kwa pembe tatu za mgeuko na kasi tatu za rota.
• Kosa la kufungwa kwa kitanzi la SLAM limepimwa kwa jaribio lililorudiwa.
• Vipimo vya kiasi vimetengenezwa kwa urefu, upana na mabadiliko ya kasi ya ukanda wa trajektoria.
• Mipangilio ya rota ya mstari na tata yenye vyanzo vingi imelinganishwa.
• Mbinu inayohamishika imelinganishwa kwa kiasi na data za sehemu zisizohamishika.
• Athari za kizuizi na gradienti ya joto zimechunguzwa katika ofisi halisi.
• Mabadilishano kati ya azimio la anga la mbinu ya roboti na upimaji wa wakati mmoja wa mitandao isiyohamishika yamejadiliwa.

Mapungufu ya utafiti

• Utafiti ni preprint ambayo haijapitia mapitio ya wataalamu.
• Thamani za makosa ya vihisi hazilingani kati ya sehemu mbalimbali.
• Ufafanuzi wa MSE, kosa la RMS na kosa la wastani la absolyuti umechanganywa.
• Mbegu nasibu ya mafunzo ya mtandao wa neva na utofauti kati ya marudio havijatolewa.
• Hakuna ulinganisho uliofanywa kati ya vihisi kutoka makundi tofauti ya uzalishaji.
• Athari ya mwili wa roboti na kishikio cha kihisi kwenye uga wa mkondo haijapimwa.
• Kigawo cha mwendo \(\alpha=0,1\) kilichaguliwa kwa majaribio ya awali tu; hakuna uboreshaji wa kimfumo uliotolewa.
• Mkengeuko wa roboti katika mwendo wa ulalo ni mkubwa kuliko katika mwendo wa ortogonali.
• Thamani ya 1,32° iliyoripotiwa kwa mkengeuko wa mwelekeo ni wastani; mkengeuko wa juu ni 2,03°.
• Vipindi vya jumla vya kujiamini kwa uwezo wa kurudia wa mikanda ya trajektoria havijatolewa.
• Dhana ya usambazaji ya uondoaji wa thamani za nje kwa mikengeuko sanifu mitatu haijathibitishwa.
• Ingawa kupungua kwa kasi ni sheria ya nguvu, kumeitwa modeli ya eksponensheli.
• Katika ulinganisho wa sehemu 48, vihisi vitatu tu vilitumika kwa mfululizo.
• Mbinu ya sehemu zisizohamishika haikulinganishwa na mtandao halisi wa vihisi 48 wa wakati halisi.
• Hakuna kipindi cha kujiamini kilichotolewa kwa \(R^2=0,85\) na kosa la 0,17 m/s.
• Roboti haipimi uga mzima kwa wakati mmoja, bali kwa nyakati zinazofuatana kando ya trajektoria.
• Kwa kuwa trajektoria moja hudumu takriban sekunde 45, mikondo ya muda mfupi inayobadilika haraka inaweza kupotoshwa.
• Uchoraji ramani kwa kiasi kikubwa ni wa pande mbili; kipimo kamili cha pande tatu katika miinuko tofauti hakijafanywa.
• Jaribio la ofisi halisi linajumuisha jiometria moja tu ya chumba na chanzo kimoja cha feni.
• Idadi ya marudio huru na jaribio la kitakwimu la jaribio la kizuizi si wazi.
• Jaribio la gradienti ya joto lilifanywa kwa mpangilio mmoja tu wa hita ya 600 W.
• Katika hesabu ya kutokuwa na uhakika, thamani zenye vitengo vya mita na m/s zimeunganishwa moja kwa moja bila ubadilishaji wa vipimo.
• Hakuna kiungo cha hazina wazi cha data ghafi na msimbo chanzo kilichotolewa.
• Muda wa betri, matumizi ya jumla ya nishati na uendeshaji wa muda mrefu wa kujitegemea havijatathminiwa.
• Mwendo salama katika mazingira yenye watu wengi haujathibitishwa.
• Moshi, gesi yenye sumu au aina ya kemikali haikupimwa moja kwa moja.

Utafiti unaunga mkono nini?

Utafiti unaunga mkono kwamba roboti yenye magurudumu ya Mecanum inaweza kufuatilia mkondo wa hewa katika mazingira yanayodhibitiwa kwa kutumia kasi na mwelekeo wa hewa wa mahali. Kuunganisha SLAM ya leza na taarifa za kihisi cha hewa kumewezesha njia iliyofuatwa na roboti kuoneshwa kwenye ramani ya mazingira pamoja na mishale ya kasi na mwelekeo wa hewa.

Majaribio pia yanaunga mkono kwamba kipimo kinachohamishika kinaweza kutoa uchukuaji sampuli wa anga wenye msongamano mkubwa kuliko sehemu chache zisizohamishika, kuonesha tofauti za kupungua kwa kasi kati ya mikondo ya nje na ya katikati ya rota zilizowekwa sambamba, na kutambua mkondo wa nyuma unaosababishwa na kizuizi pamoja na mtawanyiko wa trajektoria unaosababishwa na gradienti ya joto katika ofisi halisi.

Utafiti hauthibitishi nini?

Utafiti hauthibitishi kwamba mfumo hupima kasi zote za hewa katika chumba kwa wakati mmoja au huunda uga kamili wa mkondo wa pande tatu. Kipimo cha roboti kilifanywa katika nyakati zinazofuatana na kando ya idadi ndogo ya trajektoria.

Utafiti pia hauoneshi kwamba roboti inaweza kutambua gesi maalumu, kubaini kwa uhakika chanzo cha uvujaji wa kemikali, kupima msongamano wa moshi au kufanya kazi kwa usalama katika mazingira hatari. Vipimo vinavyopatikana ni kasi ya hewa, mwelekeo wa mlalo na nafasi ya roboti katika anga.

Matokeo pia hayaoneshi kwamba mfumo ni sahihi zaidi kuliko vihisi visivyohamishika katika aina zote za majengo. Mitandao isiyohamishika inaweza kupima maeneo mengi kwa wakati mmoja, ilhali roboti hutoa maelezo ya kina zaidi ya anga kwa muda mrefu zaidi. Mbinu inayofaa inategemea mabadiliko ya mkondo kwa muda na mahitaji ya azimio ya matumizi.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Muhtasari wa majaribio na mfumo

Ufafanuzi wa matokeo makuu

Mafanikio ya roboti katika kufuatilia mwelekeo yanaonekana kutegemea zaidi mwelekeo wa mwendo kuliko kasi ya hewa. Katika mwendo wa ortogonali, udhibiti hai wa mota nne ulitoa mkengeuko mdogo, ilhali katika mwendo wa ulalo kosa liliongezeka kutokana na magurudumu kubaki katika hali isiyo hai. Matokeo haya yanaonesha kwamba katika matumizi ya vitendo inaweza kuwa na manufaa kulinganisha mwili wa roboti na mwelekeo mkuu wa mkondo kadiri iwezekanavyo.

Katika jaribio la rota zilizowekwa sambamba, trajektoria za katikati ziliendelea kwa umbali mrefu na zilionesha kiwango kidogo cha mabadiliko ya kasi. Inawezekana mikondo ya rota za nje ilipanuka na kudhoofika haraka zaidi kwa sababu iligusana zaidi na hewa ya mazingira. Ufafanuzi huu unatokana na kutathmini pamoja urefu wa trajektoria na vigawo vya mabadiliko ya kasi; hakuna kipimo tofauti cha mtikisiko au uga wa shinikizo kilichofanywa.

Katika mpangilio wa umbo la “M”, mikondo ilipotoshana wakati rota ziliendeshwa kwa wakati mmoja, jambo linaloonesha kwamba roboti inayohamishika inaweza kufuatilia trajektoria iliyounganishwa ya uga wenye vyanzo vingi. Hata hivyo, kwa kuwa marudio matano tu na jiometria moja ya rota vilitumika, thamani za 5,83 m na 0,59 m si mipaka ya jumla ya utendaji kwa mikondo yenye vyanzo vingi.

Majaribio ya ofisi yalionesha kwamba mfumo unaweza kupita kuzunguka kizuizi katika mazingira ya nje ya maabara na kuhusisha mabadiliko ya kasi ya hewa na nafasi. Hata hivyo, mabadiliko ya njia ambayo roboti hufanya ili kuepuka kizuizi yanaweza kutenganisha njia halisi ya mkondo wa hewa na njia salama ya roboti. Hali hii inapaswa kuzingatiwa hasa katika matumizi ambako mkondo unapita ndani ya kizuizi au katika nafasi nyembamba ambayo roboti haiwezi kupita.

Uthibitishaji unaopendekezwa kabla ya matumizi nchini Uturuki

• Kihisi na roboti zinapaswa kuthibitishwa pamoja katika kasi ndogo za hewa kati ya 0,06-2 m/s.
• Urekebishaji ufanywe katika halijoto, unyevunyevu wa jamaa na shinikizo la anga tofauti.
• Mkengeuko wa magurudumu upimwe kwenye kauri, zulia, epoksi, saruji na sakafu yenye unyevu.
• Usumbufu wa mkondo wa hewa unaosababishwa na mwili wa roboti upimwe kwa moshi, PIV au vihisi rejea.
• Nguzo wima yenye vihisi katika miinuko mingi au mfumo wa roboti nyingi ujaribiwe.
• Vipengele vya kasi vya pande tatu na kuinuka kwa joto kwa wima vipimwe moja kwa moja.
• Ulinganisho ufanywe na mtandao halisi wa vihisi 48 au zaidi vinavyopima kwa wakati mmoja.
• Majaribio yaliyolandanishwa kwa muda yafanywe katika mizunguko ya mpito ya viyoyozi na feni zenye kasi inayobadilika.
• Ulinganisho wa kiasi ufanywe dhidi ya matokeo ya CFD kwa nafasi na kasi.
• Jiometria tofauti kama chumba cha hospitali, darasa, chumba safi, kituo cha data na ukumbi wa viwanda zijaribiwe.
• Athari za mwendo wa watu, kufunguliwa kwa milango na vifaa vinavyosogea zitathminiwe.
• Kosa la SLAM lipimwe katika korido ndefu na jiometria zinazojirudia.
• Kuenea kwa makosa ya kasi hadi kwenye nafasi kuhesabiwe upya kwa modeli thabiti ya kutokuwa na uhakika inayojumuisha kipimo cha muda.
• Data ghafi za vihisi, msimbo wa ROS, uzito wa mtandao wa neva na faili za usanifu wa kimitambo zishirikishwe kwa uwazi.
• Majaribio ya muda mrefu ya betri, mkengeuko wa vihisi na mahitaji ya matengenezo yafanywe.
• Kwa matumizi katika mazingira hatari, vihisi vinavyofaa vya gesi, kifuniko cha kinga na vyeti vya usalama viongezwe.

Dokezo la Chanzo na Mbinu

Jina kamili asilia la utafiti:Research on Airflow Tracing Technology for Visualized Robotic Systems

Waandishi na mpangilio wao: Feng Tang; Weilang Deng; Dong Liu; Jiyu Li.

Taarifa kuhusu waandishi wenye mchango sawa: Utafiti hauna taarifa ya mchango sawa au uandishi wa kwanza wa pamoja.

Mwandishi wa mawasiliano: Jiyu Li.

Anwani ya barua pepe ya mwandishi wa mawasiliano: lijiyu@scau.edu.cn

Mahusiano ya kitaasisi:

1. School of Software Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China.
2. College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China.

Ulinganifu wa mwandishi–taasisi:

• Feng Tang: South China University of Technology, School of Software Engineering.
• Weilang Deng, Dong Liu na Jiyu Li: South China Agricultural University, College of Engineering.

Aina ya chanzo: Makala ya utafiti wa majaribio ya preprint inayojumuisha maendeleo ya prototipu ya roboti, urekebishaji wa vihisi, mtandao bandia wa neva, udhibiti wa mwendo, majaribio ya mkondo wa hewa, ulinganisho wa sehemu zisizohamishika na uthibitishaji katika mazingira halisi ya ndani.

Eneo la mada: Mkondo wa hewa wa ndani, robotiki inayohamishika, vihisi vya mkondo wa hewa, mitandao bandia ya neva, SLAM ya leza, ROS, uoneshaji wa uingizaji hewa na kipimo cha trajektoria ya mkondo.

Hali ya mapitio ya wataalamu: Utafiti haujapitia mapitio ya wataalamu. Kila ukurasa una onyo la preprint na hali ya mapitio.

Jukwaa la uchapishaji: SSRN.

Mtoa huduma wa jukwaa: Elsevier SSRN Preprint Services.

Nambari ya usajili ya SSRN: 7202158.

DOI:10.2139/ssrn.7202158

Kiungo rasmi:Ukurasa wa usajili wa SSRN

Mwaka wa uchapishaji: 2026.

Jarida: Haijathibitishwa kwamba limechapishwa katika jarida lililopitiwa na wataalamu.

Mchapishaji wa mwisho wa jarida: Hakuna taarifa iliyothibitishwa ya jarida la mwisho au mchapishaji wa jarida lililopitiwa na wataalamu katika utafiti huu. SSRN ni jukwaa la kushiriki utafiti wa hatua za awali.

Ufadhili: Hakuna taarifa ya wazi ya ufadhili katika utafiti uliopakiwa.

Mgongano wa maslahi: Hakuna taarifa tofauti ya mgongano wa maslahi iliyotolewa.

Michango ya waandishi: Hakuna maelezo ya kina ya mchango wa waandishi kwa CRediT au mfumo unaofanana yaliyotolewa.

Kamati ya maadili na ridhaa ya washiriki: Utafiti haukusanyi data kutoka kwa washiriki binadamu. Hakuna taarifa tofauti ya kamati ya maadili au ridhaa.

Upatikanaji wa data na msimbo: Hakuna kiungo cha hazina wazi kilichotolewa kwa data ghafi za mkondo wa hewa, seti ya data ya mtandao wa neva yenye sampuli 87.501, uzito wa modeli iliyofunzwa, nodi za ROS, mipangilio ya SLAM, faili za CAD au msimbo wa uchakataji wa majaribio.

Utafiti wa awali wa kihisi: Mchakato wa kina wa kutengeneza kihisi cha silinda unategemea utafiti wa awali wa watafiti wenye kichwa Small-volume omnidirectional intelligent airflow sensor with differential pressure measurement, uliotajwa kama rejea namba 26 katika bibliografia. Utafiti wa sasa unatumia kihisi hiki katika jukwaa la roboti la kufuatilia mkondo wa hewa.

Onyo la uripoti: Makosa ya kasi na mwelekeo wa kihisi yamewasilishwa kwa thamani zisizolingana katika sehemu tofauti. Katika ulinganisho wa sehemu zisizohamishika, maelezo ya vihisi 48 na ya vihisi vitatu pamoja na mizunguko 16 yanaonekana kwa pamoja. Katika hesabu ya kutokuwa na uhakika wa trajektoria, vitengo vya mita na m/s vimeunganishwa moja kwa moja, na sheria ya nguvu imeitwa modeli ya eksponensheli.

Maelezo haya ya Kituruki yametayarishwa kwa kuchunguza ukurasa wa kichwa wa utafiti, picha za maunzi, michoro ya mawasiliano, michoro ya vihisi, maelezo ya mtandao wa neva, milinganyo ya udhibiti, grafu za urekebishaji, ramani za trajektoria, ulinganisho wa sehemu zisizohamishika, majaribio ya ofisi, jedwali la kutokuwa na uhakika na sehemu ya hitimisho. Maudhui ya kisayansi yamewekewa mipaka katika mbinu, majaribio na matokeo ya kiasi yaliyowasilishwa na watafiti. Vyanzo vya nje vilitumika tu kuthibitisha utambulisho wa bibliografia, taasisi, mwandishi wa mawasiliano na taarifa za jukwaa la SSRN.

Matokeo yanapaswa kutathminiwa kwa kuzingatia kwamba utafiti haujapitia mapitio ya wataalamu, hautoi kipimo kamili cha uga wa pande tatu na cha wakati mmoja, una kutolingana katika thamani za makosa ya vihisi, una tatizo la vitengo katika hesabu ya kutokuwa na uhakika, jaribio la sehemu zisizohamishika lilifanywa kwa mfululizo, na uthibitishaji wa mazingira halisi ulikuwa na ofisi moja tu.