Ин таҳқиқот ҳадаф дорад, ки ҷараёнҳои ҳаворо дар муҳитҳои пӯшида ба ҷойи он ки танҳо дар нуқтаҳои муайян бо сенсорҳои собит чен кунад, бо роботи чархдоре харитабардорӣ намояд, ки самти ҷараёни ҳаворо пайгирӣ карда ҳаракат мекунад. Системаи таҳияшуда аз платформаи ҳаракатии дорои чархҳои Mecanum, сенсори силиндрии ҷараёни ҳаво бо нӯҳ сенсори фишори MEMS, шабакаи нейронии сунъӣ барои арзёбии суръат ва самти ҳаво, ҷойёбии лазерии SLAM, идоракунии ҳаракат дар асоси ROS ва нармафзори визуализатсияи RVIZ иборат аст.

Робот суръат ва самти ҳаворо дар нуқтаи мавҷуда чен мекунад ва бо фармоне, ки бузургиаш ба як даҳуми вектори суръати ченшуда баробар аст, дар самти ҷараёни ҳаво пеш меравад. Ба ин тартиб, мавқеи робот, суръати ҳаво ва самти ҳаво дар як низоми координатӣ муттаҳид мешаванд; роҳи пайгиришуда дар харитаи муҳит ҳамчун траекторияи пайвастаи ҷараёни ҳаво нишон дода мешавад. Ченкуниҳои такрорӣ аз якчанд нуқтаи оғоз ё аз як нуқта якҷо карда шуда, дарозӣ, паҳноӣ ва коэффисиенти тағйири суръати банди траектория ҳисоб карда мешаванд.

Дар калибровкаи самт робот дар ҳашт самт ва бо суръатҳои ҳавои 2, 4 ва 6 m/s санҷида шудааст. Барои ҳашт самт миёнаи инҳирофи пайгирӣ 1,32° буда, бузургтарин инҳироф дар самти 45° ба 2,03° расидааст. Дар таҷрибаҳои ҷараёни ҳавои гардишдор, барои тарҳҳои 45°, 90° ва 135° инҳирофҳои миёнаи траектория мутаносибан 0,072 m, 0,067 m ва 0,034 m буда, миёнаи ҳамаи таҷрибаҳои гардиш 0,058 m ҳисоб шудааст.

Дар таҷрибае, ки чор ротор паҳлӯ ба паҳлӯ кор мекарданд, банди траекторияи ҷараёни ҳаво ба дарозии 3,10 m ва паҳноии ҳадди аксари 1,47 m расид. Коэффисиентҳои тағйири суръати чор траектория 0,756, 0,557, 0,720 ва 0,793 муайян шуданд. Траекторияҳое, ки роторҳои миёна ташкил карданд, дарозтар идома ёфтанд, дар ҳоле ки траекторияҳои канорӣ зудтар суст шуданд.

Дар таҷрибаи мураккабтаре, ки чор ротор ба шакли “M” ҷойгир шуда буданд, ҳангоми кори ҳамзамони роторҳо ҷараёнҳои ҳаво ба ҳамдигар таъсир карда, аз самтҳои пешбинишуда каҷ шуданд. Банде, ки аз панҷ траекторияи такрорӣ ташкил ёфт, 5,83 m дарозӣ ва 0,59 m паҳноии ҳадди аксар дошт. Азбаски суръат ҳар дафъа ҳангоми наздик шудани робот ба ротор зиёд ва ҳангоми дур шудан кам мешуд, онро бо як коэффисиенти ягонаи мунтазами сустшавӣ шарҳ додан имконнопазир буд.

Вақте ченкунии роботӣ бо маълумоти нуқтаҳои собит, ки 48 мавқеъро ифода мекарданд, муқоиса шуд, барои суръати ҳаво хатои миёнаи мутлақ 0,17 m/s ва мувофиқати \(R^2=0,85\) ба даст омад. Робот тақрибан ҳар 0,05 m маълумоти пайваста медод, дар ҳоле ки нуқтаҳои ченкунии собит бо фосилаи 0,25 m ҷойгир буданд. Аммо дар таҷрибаи нуқтаҳои собит 48 сенсор ҳамзамон истифода нашудааст; се сенсор дар 16 даври намунагирӣ ба ҷойҳои гуногун кӯчонида шудаанд. Аз ин рӯ, ин муқоиса бештар ченкунии нуқтавии камзич ва пайдарпайро ифода мекунад, на шабакаи ҳамзамони 48-сенсорӣ.

Дар таҷрибаи воқеии офис, монеа суръати ҳаворо махсусан дар маркази изи паси монеа, тақрибан дар масофаи 0,5 m, коҳиш дод. Бузургтарин фарқи суръат тақрибан 0,65 m/s ва пасттарин коэффисиенти барқароршавӣ тақрибан 0,65 буд; таъсири монеа пас аз тақрибан 1,5 m асосан аз байн рафт. Градиенти гармие, ки бо гармкунаки 600 W ба вуҷуд оварда шуд, самти умумии ҷараёнро тағйир надод, аммо дар шаш ченкунии такрорӣ паҳноии банди ниҳоии траекторияро аз 4,8 cm то 9,9 cm зиёд карда, такроршавиро коҳиш дод.

Аз дидгоҳи Туркия: Ин система метавонад барои омӯзиши таҷрибавии ҷараёни вентилятсия дар беморхонаҳо, мактабҳо, лабораторияҳо, ҳуҷраҳои тоза, марказҳои додаҳо, иншооти саноатӣ, нақбҳо ва дигар фазоҳои бузурги пӯшида дар Туркия арзёбӣ шавад. Он метавонад ҳамчун платформаи ченкунии ҳаракаткунанда, ки моделҳои CFD-ро пурра мекунад, барои муайян кардани самтҳои дамиши кондитсионер, расиши ҳавои тоза, минтақаҳои рукуд дар паси монеаҳо ва роҳҳои интиқоли ифлоскунандаҳо истифода шавад. Пеш аз татбиқ дар Туркия санҷиш дар суръатҳои пасти ҳаво, калибровкаи чархҳои Mecanum дар рӯйпӯшҳои гуногуни фарш, арзёбии таъсири ҳаракати одамон, ченкунии сеченака дар баландии гуногун, дрейфи дарозмуддати сенсор, ҷуброни ҳарорат ва намӣ, бехатарии меҳнат ва муқоиса бо системаҳои воқеии вентилятсияи бино зарур аст. Аз ин таҳқиқот наметавон хулоса кард, ки система навъи химиявии газро муайян мекунад, тамоми ҳуҷраро фавран ба таври сеченака харитабардорӣ менамояд ё дар муҳитҳои сӯхтор ва газҳои хатарнок бо сертификат кор карда метавонад.

Мушкилоти асосии таҳқиқот

Ҳаракати ҳаво дар муҳитҳои пӯшида метавонад вобаста ба геометрияи бино, баромадгоҳҳои вентилятсия, манбаъҳои гармӣ, монеаҳо ва шароити муҳити беруна сохтори ғайрихаттӣ ва вобаста ба вақт дошта бошад. Анемометрҳои собит танҳо суръатро дар нуқтае, ки насб шудаанд, чен мекунанд ва барои нишон додани тамоми роҳи ҷараён шумораи зиёди сенсорҳо лозим мешавад. Велосиметрияи тасвирии зарраҳо ва усулҳои гази пайгир метавонанд маълумоти муфассалтар диҳанд, аммо метавонанд шароити махсуси таҷрибавиро талаб кунанд. Моделҳои CFD метавонанд майдонҳои васеъро омӯзанд, вале ба шартҳои сарҳадӣ, ҳалнокии шабака ва интихоби модели турбулентӣ ҳассосанд.

Муҳаққиқон ҳадаф нагузоштаанд, ки системае созанд, ки ин усулҳоро иваз кунад; онҳо мехостанд абзори ҳаракаткунандаи санҷиширо таҳия кунанд, ки онҳоро пурра намояд. Равиши асосӣ сохтани системаи пайгирии ҳалқаи пӯшида аст, ки дар он ба ҷойи ҳаракат додани робот аз рӯйи масири пешакӣ муайяншудаи сканкунӣ, самти ҷараёни ҳавои ченшуда ҳаракати навбатии роботро мустақиман муайян мекунад.

Меъмории сахтафзории робот

Расми 1 дар саҳифаи 4-и таҳқиқот прототипи физикии таҳияшударо нишон медиҳад. Ҷузъҳои асосии робот инҳоянд:

• Шассии ҳаракатӣ бо чархҳои Mecanum ва чор муҳаррики мустақил.
• Компютери дарунсохти Jetson Nano.
• Микроконтроллери идоракунии шассии STM32F407.
• Сенсори силиндрии ҷараёни ҳаво бо нӯҳ сенсори фишори MEMS.
• Микроконтроллери алоқаи сенсори ҷараёни ҳаво.
• Радари лазерӣ.
• Энкодерҳои муҳаррик ва бозхурди ҳаракат.
• Бастаи батареяи сайёр.
• Пайвастшавӣ ба компютери асосӣ, ки ROS ва RVIZ-ро иҷро мекунад.

Чархҳои Mecanum ба робот имкон медиҳанд, ки бидуни гардондани корпус ба пеш, ақиб, паҳлӯ ва диагоналӣ ҳаракат кунад. Ин хусусият барои посухи зуд ба тағйироти хурди самти ҳаво интихоб шудааст. Бо вуҷуди ин, таҷрибаҳо нишон доданд, ки дар ҳаракатҳои диагоналӣ, зеро танҳо ҷуфтҳои муҳаррики диагоналӣ фаъолона кор мекунанд, инҳирофи самт нисбат ба ҳаракатҳои ортогоналӣ бештар аст.

Сохтори сенсори силиндрии ҷараёни ҳаво

Сенсор аз се тахтаи ноҳиявии ғафсиашон 1 mm, ки ба ҳам медароянд, иборат аст. Сенсори болоии S1 ба сӯрохии диаметраш 3 mm дар нӯги нимкуравии корпуси силиндрӣ ва сенсорҳои S2-S9 ба чор сӯрохии росткунҷа дар паҳлӯҳои корпус пайваст шудаанд. Корпуси пурра тақрибан 15 mm диаметр ва 36,35 mm дарозӣ дорад.

Ба шабакаи нейронии сунъӣ нӯҳ қимати фишор мустақиман дода нашудааст. Барои ҳар як сенсори паҳлӯӣ фарқи фишор нисбат ба сенсори болоӣ ҳисоб шудааст:

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

Ҳамин тавр, ҳашт фарқи фишор бо бузургӣ ва самти суръати ҳаво алоқаманд карда шудаанд. Ҳадаф ин буд, ки корпуси хурди сенсор ҷараёнро то ҳадди имкон кам халалдор кунад; аммо дар таҳқиқот таҷрибаи алоҳидае вуҷуд надорад, ки таъсири корпуси робот, чархҳо ва сутуни сенсорро ба майдони ҷараён мустақиман чен карда бошад.

Маҷмӯи додаҳо ва тартиби омӯзиши шабакаи нейронӣ

Барои калибровкаи сенсор аз нақби хаттии бодии ҷаббанда бо қитъаи санҷишии диаметраш 150 mm истифода шудааст. Кунҷи азимути сенсор дар доираи 0°-360° бо қадамҳои 15°, кунҷи моилшавӣ дар доираи 0°-90° бо қадамҳои 15° ва суръати ҳаво дар доираи 2-12 m/s бо қадамҳои 1 m/s тағйир дода шудааст. Пас аз тақрибан шаш соати ҷамъоварии додаҳо 87.501 намуна ба даст омадааст.

Барои кам кардани нопайвастагии 0°-360°, ки аз хусусияти даврии кунҷҳо ба вуҷуд меояд, баромади шабакаи нейронӣ на ҳамчун кунҷ, балки ҳамчун ҷузъҳои суръат муайян шудааст:

\[ v_x=v\sin\theta \]

\[ v_y=v\cos\theta \]

Чор меъмории шабака муқоиса шудаанд:

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

Дар қабати вуруд ҳашт фарқи фишори нормализатсияшуда ва дар қабати баромад \(v_x\) ва \(v_y\) мавҷуданд. Дар қабатҳои пинҳон функсияи фаъолсозии ReLU ва ҳангоми омӯзиш талафоти миёнаи квадрати хато истифода шудааст. Маҷмӯи додаҳо ба %80 омӯзиш, %10 санҷиши тасдиқӣ ва %10 тест тақсим шудааст. Бо сабаби мувозинат байни сарбории ҳисоббарории ESP32 ва дақиқӣ меъмории 8-32-16-8-2 интихоб шудааст.

Дар таҳқиқот барои натиҷаҳои тест қимати MSE-и суръат 0,27 (m/s)² ва қимати MSE-и самт 2,28 (°)² оварда шудааст. Дар идомаи ҳамин бахш хатои миёнаи суръат 0,22 m/s ва хатои миёнаи самт 2,28° пешниҳод шудааст. Навиштани қимати MSE-и самт ва хатои миёнаи самт бо як рақам, вале бо воҳидҳои гуногун, дар гузориш номуайянӣ ба вуҷуд меорад.

Ҳалқаи пӯшида аз ченкунии ҳаво то ҳаракати робот

Пешбинӣ шудааст, ки агар робот бо ҳамон суръати ҷараён ҳаракат кунад, ҳангоми тағйири самт инерсия ва аз ҳад гузаштан ба амал меояд. Аз ин рӯ, суръати ҳаракат танҳо як даҳуми суръати ченшудаи ҳаво таъин шудааст:

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

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

Дар ин ҷо \(\alpha=0,1\) аст. Аломати манфӣ аз он бармеояд, ки меҳварҳои y-и сенсор ва пояи робот ба самтҳои муқобил нигаронда шудаанд. Муҳаққиқон пас аз таҷрибаҳои пешакӣ дар доираи 0,05-0,5 қимати 0,1-ро интихоб карданд. Қиматҳои хурдтар майдони ҷараёнро камтар халалдор мекунанд, аммо ченкуниро тӯлонӣ менамоянд; қиматҳои калонтар ченкуниро тез мекунанд, вале хатари аз ҳад гузаштанро дар гардишҳо зиёд мекунанд.

Дар шароити маъмулии кор суръати робот аз 0,6 m/s камтар мондааст. Суръати фармоншуда ва суръати воқеии аз энкодерҳо ченшуда дар 20 таҷрибаи такрорӣ муқоиса шуда, хатои RMS 0,008 m/s ва инҳирофи ҳадди аксар 0,015 m/s ба даст омадааст. Дар ҳисоби номуайянӣ ҳамчун қимати эҳтиёткорона 0,01 m/s истифода шудааст.

Алоқаи ROS ва визуализатсияи RVIZ

Абри нуқтаҳои радари лазерӣ, суръати шасси, маълумоти IMU ва маълумоти сенсори ҳаво дар компютери дарунсохт муттаҳид шудаанд. Харитаи муҳит ва мавқеи робот бо SLAM-и лазерӣ ҳисоб шудаанд. Маълумоти коркардшуда ҳамчун мавзӯъҳои ROS ба нармафзори RVIZ дар компютери асосӣ фиристода шудааст.

Мавқеи низоми координатии “base_link”-и робот нисбат ба низоми “map” бо басомади навсозии 10 Hz хонда шуда, ба сохтори nav_msgs/Path илова шудааст. Нуқтаи оғози тире, ки суръати ҳаворо нишон медиҳад, мавқеи ҷории робот буда, нуқтаи охир бо муодилаҳои зерин муайян шудааст:

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

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

Барои дарозии тир коэффисиенти миқёсии визуалии \(s=0,5\) интихоб шудааст. Самти тир самти ҷараён, дарозии тир бузургии суръат ва рақами паҳлӯяш қимати ченшудаи m/s-ро нишон медиҳад. Азбаски маълумотро дар шаклҳои CSV ва JSON содир кардан мумкин аст, онҳоро дар нармафзорҳои дигар, аз ҷумла ParaView, Tecplot ё MATLAB низ коркард кардан мумкин аст.

Калибровкаи ҷараёни хаттии ҳаво

Таҷрибаҳои пайгирии хаттӣ дар канали акрилии қитъааш 500 × 500 mm ва дарозиаш 3 m гузаронида шудаанд. Робот дар ҳашт самт — 0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270° ва 315° — ҷойгир карда шуда, ҳар самт бо суръатҳои 2, 4 ва 6 m/s се маротиба санҷида шудааст.

Миёнаи ҳашт қимат тақрибан 1,32° аст. Инҳирофҳо дар самтҳои ортогоналӣ одатан аз самтҳои диагоналӣ камтар буданд. Ҳангоми тағйири суръати ҳаво аз 2 то 6 m/s инҳирофи миёна танҳо 0,16° тағйир ёфт ва инҳирофи стандартӣ байни гурӯҳҳои суръат 0,067° дода шудааст.

Калибровкаи ҷараёни гардишдори ҳаво

Дар таҷрибаҳои гардиш ду ротор истифода шудааст. Бо тағйир додани мавқеъ ва кунҷи ротори дуюм тарҳҳои 45°, 90° ва 135° сохта шуданд. Барои ҳар кунҷ сатҳҳои гази %30, %50 ва %70 санҷида шуда, дар маҷмӯъ нӯҳ гурӯҳи таҷрибавӣ ташкил шуд.

Дар ҳамаи таҷрибаҳо инҳироф аз 0,10 m камтар монда, миёнаи умумӣ 0,058 m буд. Бо кам шудани кунҷи воқеии гардиш инҳироф низ камтар шуд. Кашиши доимӣ ба тарафи рост дар қисми аввали хаттӣ ба хатои насби чархҳо нисбат дода шудааст.

Таҷрибаи дақиқии SLAM

Робот дастӣ дар масири пӯшидаи росткунҷаи андозааш 2,0 × 1,5 m ронда шуда, хатои басташавии ҳалқа байни мавқеи оғоз ва анҷом чен шудааст. Дар даҳ такрор хатои миёна 0,012 m ва инҳирофи стандартӣ 0,004 m буд. Муҳаққиқон хатои маъмулии RMS-и мавқеъро 0,015 m қабул кардаанд.

Ин таҷриба дар минтақаи пӯшида ва маҳдуди лабораторӣ гузаронида шудааст. Долонҳои дароз, геометрияҳои такроршаванда, одамони ҳаракаткунанда, сатҳҳои инъикоскунанда ё муҳитҳое, ки диди lidar маҳдуд аст, алоҳида арзёбӣ нашудаанд.

Банди траектория чӣ гуна сохта мешавад?

Усули визуализатсияи пешниҳодкардаи муҳаққиқон аз чор қадам иборат аст:

1. Як ё якчанд нуқтаи оғози робот, ки ба майдони ҷараён мувофиқанд, интихоб мешаванд.
2. Аз ҳар нуқтаи оғоз чанд таҷрибаи пайгирӣ анҷом дода мешавад.
3. Траекторияҳо ба координатҳои умумии харитаи SLAM ҳамоҳанг карда шуда, нуқтаҳои мувофиқ миёнагирӣ мешаванд.
4. Дарозӣ, паҳноӣ ва тағйири суръати банди траекторияи ҳосилшуда арзёбӣ мешавад.

Нуқтаҳое, ки аз миёнаи маҳаллӣ зиёда аз се инҳирофи стандартӣ дур буданд, ҳамчун қиматҳои эҳтимолии берунӣ хориҷ карда шуданд. Миёнаи маҳаллӣ бо равзанаи лағжандаи 0,2 m дар тӯли траектория ҳисоб шудааст. Муҳаққиқон мегӯянд, ки ин усул %99,7 ченкуниҳои дурустро нигоҳ медорад; аммо ин таносуб ба фарзияи тақсимоти нормалӣ асос ёфтааст ва нормалӣ будани тақсимоти хатогиҳои траектория нишон дода нашудааст.

Меъёрҳои банди траектория

Паҳноӣ: Масофаи амудӣ байни ду сарҳади берунии банди траектория мебошад.

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

Дарозӣ: Ҷамъи масофаҳои байни нуқтаҳои пайдарпайи дарозтарин траектория дар дохили банд мебошад.

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

Коэффисиенти тағйири суръат: Коҳиши суръати ҷараён вобаста ба масофа бо қонуни дараҷавии зерин моделсозӣ шудааст:

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

Дар ин ҷо ҳар қадар \(\alpha\) калон бошад, суръат бо масофа тезтар коҳиш меёбад. Гарчанде дар матн ин муодила “коҳиши экспоненсиалӣ” номида шудааст, шакли математикии он қонуни дараҷавӣ мебошад.

Санҷиши меъёрҳо бо як ротор

Робот аз маркази меҳвари ротор ва аз хатти ду нӯги парра оғоз карда шудааст. Якҷоя шудани се траектория:

• 0,19 m паҳноии банди траектория,
• 2,93 m дарозии банди траектория,
• 0,66, 0,57 ва 0,76 коэффисиенти тағйири суръат

ба вуҷуд овардааст. Дар траекторияи самти марказӣ суръат сусттар коҳиш ёфта, дар самтҳои нӯги парра тезтар паст шудааст. Ин таҷриба асоси меъёрҳои дар таҳқиқоти минбаъдаи чандроторӣ истифодашударо ташкил кардааст.

Таҷрибаи чор ротори паҳлӯ ба паҳлӯ

Чор ротор бо фосилаи 475 mm паҳлӯ ба паҳлӯ ҷойгир шуда, ҳамаи роторҳо дар сатҳи гази %5 кор кардаанд. Робот аз нуқтаҳои оғози A, B, C ва D, ки дар самти нормалии ҳар ротор буданд, алоҳида ҳаракат кардааст.

Банди траектория дар оғоз 1,42 m буд ва дар нӯгҳои берунӣ ба паҳноии ҳадди аксари 1,47 m расид. Тақрибан параллел будани чор траектория нишон медиҳад, ки дар фосилаи интихобшудаи роторҳо ҷараёнҳо аз ҷиҳати самт ба ҳамдигар каҷшавии қавӣ наовардаанд. Дар траекторияҳои берунӣ суръат тезтар паст шуд ва траекторияҳои марказӣ ба масофаи дуртар расиданд.

Таҷрибаи чор ротори шакли “M”

Барои ба вуҷуд овардани ҷараёни мураккаби ҳаво самтҳои нормалии чор ротор тавре ҷойгир шуданд, ки нӯг ба нӯг шакли “M” созанд. Ду тарзи кор муқоиса шуд:

• Тарзи 1: Роторҳо навбат ба навбат фурӯзон ва хомӯш карда шуданд.
• Тарзи 2: Чор ротор ҳамзамон кор карданд.

Дар кори пайдарпай кунҷҳои гардиши ченшуда 65°, 74° ва 76° буданд. Ҳангоми кори ҳамзамони ҳамаи роторҳо кунҷҳои мувофиқ ба 83°, 103° ва 115° расиданд. Аввалин инҳирофи муҳим 18° ҳисоб шуд ва дар қисмҳои баъдии траектория таъсири мутақобила ҷамъ шуд.

Дар тарзи кори ҳамзамон панҷ ченкунии такрорӣ гузаронида шуд. Банди муттаҳидаи траектория 5,83 m дарозӣ ва 0,59 m паҳноии ҳадди аксар дошт. Азбаски ҳангоми наздик шудани робот ба роторҳо суръат дубора зиёд ва ҳангоми дур шудан кам мешуд, тамоми траекторияро бо як коэффисиенти ягонаи коҳиши суръат ифода кардан имконнопазир буд.

Муқоиса бо ченкунии нуқтаҳои собит

Майдони муқоиса 1,9 × 3,0 m буд. 48 мавқеъ дар чор қатор ва 12 сутун муайян шуда, сутунҳо бо фосилаи 0,25 m ҷойгир шуданд. Гарчанде дар таҳқиқот аввал аз 48 сенсори собит ёд шудааст, баъдтар гуфта мешавад, ки таҷриба танҳо бо се сенсори силиндрӣ дар 16 даври пайдарпайи ченкунӣ анҷом дода шудааст.

Робот дар чор траектория тақрибан ҳар 0,05 m ченкунӣ анҷом дод. Ду усул дар 48 мавқеи умумӣ муқоиса шуданд:

Усули роботӣ намунагирии фазоии зичтарро таъмин карда, фарқи коҳиши суръат байни траекторияҳои марказӣ ва берунаро муфассалтар нишон дод. Бо вуҷуди ин, роботи ҳаракаткунанда мавқеъҳои гуногунро дар вақтҳои гуногун чен мекунад. Вақте лозим аст ҷараёнҳои зудтағйирёбанда ё ларзишӣ дар тамоми майдон ҳамзамон омӯзанд, шабакаҳои воқеии бисёрсенсории собит метавонанд мувофиқтар бошанд.

Муҳити воқеии офис

Таҷрибаи берун аз лаборатория дар офиси андозааш 4,0 × 4,0 × 3,5 m гузаронида шуд. Дар муҳит миз, қуттиҳо, кондитсионер ва дигар монеаҳои маъмулии офисӣ мавҷуд буданд. Маркази вентилятори диаметраш 0,15 m дар баландии 0,33 m аз фарш ҷойгир шуда, суръати баромад тақрибан 8 m/s чен шудааст.

Се шароит арзёбӣ шуд:

1. Байни вентилятор ва даромадгоҳи девори муқобил монеа набошад.
2. Дар масофаи 1,5 m аз вентилятор қуттӣ ва дигар ашёҳо мавҷуд бошанд.
3. Дар масофаи 2,3 m аз вентилятор бо гармкунаки 600 W градиенти гармӣ эҷод карда шавад.

Таъсири монеа ба ҷараёни ҳаво

Робот дар панҷ масир ченкунӣ анҷом дод. Ҳангоми набудани монеа суръат бо масофа мунтазам коҳиш ёфт. Ҳангоми гузоштани монеа траекторияи миёна каҷ шуд ва махсусан дар масирҳои миёна ва тарафи рост суръати миёна кам гардид.

Дар изи паси монеа бузургтарин фарқи суръат тақрибан дар масофаи 0,5 m ба 0,65 m/s расид. Коэффисиенти барқароршавӣ дар ҳамин минтақа тақрибан ба 0,65 поён рафт; ин нисбат ба ҷараёни бе монеа тақрибан %35 талафи суръатро ифода мекунад. Пас аз тақрибан 1,5 m фарқи суръат ба сифр наздик шуда, ҷараён асосан ба ҳолати бе монеа баргашт.

Таъсири градиенти гармӣ

Барои ҳар яке аз ҳолатҳои гармкунак хомӯш ва фурӯзон шаш траекторияи такрорӣ гирифта шуд. Дар ҳар ду ҳолат робот самти умумии вентиляторро пайгирӣ карда, ба минтақаи ҳадаф расид. Аммо паҳншавии мавқеъҳои ниҳоӣ ба таври назаррас зиёд шуд:

Муҳаққиқон гумон мекунанд, ки ин васеъшавӣ аз таъсири мутақобилаи ҷараёнҳои болоравандае, ки гармкунак ба вуҷуд овардааст, бо ҷараёни уфуқии вентилятор сар задааст. Азбаски робот ба ҳар тағйири хурди самт бо ҳаракат посух медод, тағйироти маҳаллӣ дар тӯли роҳ ҷамъ шуда, ҷудошавии байни такрорҳоро зиёд карданд. Аммо азбаски система ҷузъи амудии суръати ҳаворо ҳамчун харитаи алоҳида пешниҳод намекунад, механизми болоравии гармӣ мустақиман чен нашудааст.

Таҳлили номуайянӣ

Манбаъҳои асосии хатое, ки дар таҳқиқот гузориш шудаанд, инҳоянд:

Номуайянии суръат бо якҷо кардани таъсири хатои суръат ва самти сенсор ба ҷузъҳои векторӣ ҳисоб шуда, дар суръати ҳавои 2 m/s тақрибан 0,23 m/s ба даст омадааст:

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

Ин ҳисоб бо қиматҳои дода шуда тақрибан мувофиқ аст. Аммо дар ҳисоби номуайянии траектория воҳидҳои мавқеъ ва суръат бевосита якҷо карда шудаанд:

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

Барои ба метр табдил додани номуайянии суръат онро бояд ба вақт зарб кард ё тавассути модели ҳаракат ба номуайянии мавқеъ паҳн намуд. Азбаски ин кор анҷом дода нашудааст, номуайянии умумии траекторияи тақрибан 0,032 m набояд ҳамчун буҷети комилан аз ҷиҳати андозаҳо мутобиқи хато арзёбӣ шавад.

Ҷиҳатҳои қавии таҳқиқот

• Прототипи амалкунанда пешниҳод шудааст, ки ҳискунии ҳаво ва ҳаракати роботро дар ҳалқаи пӯшида муттаҳид мекунад.
• Роҳи робот, суръати ҳаво ва самти ҳаво дар координатҳои умумии SLAM нишон дода мешаванд.
• Сенсори хурди ҷараёни ҳаво бо нӯҳ сенсори фишори MEMS истифода шудааст.
• Омӯзиши шабакаи нейронӣ бо маҷмӯи додаҳои нақби бодӣ аз 87.501 намуна шарҳ дода шудааст.
• Калибровкаи пайгирии хаттӣ дар ҳашт самт ва се суръати ҳаво анҷом дода шудааст.
• Иҷрои гардиш дар се кунҷи гардиш ва се суръати ротор санҷида шудааст.
• Хатои басташавии ҳалқаи SLAM бо таҷрибаи такрорӣ чен карда шудааст.
• Барои дарозӣ, паҳноӣ ва тағйири суръати банди траектория меъёрҳои миқдорӣ таҳия шудаанд.
• Тарҳҳои хаттӣ ва мураккаби чандманбаъии роторҳо муқоиса шудаанд.
• Усули ҳаракаткунанда бо маълумоти нуқтаҳои собит ба таври миқдорӣ муқоиса шудааст.
• Дар офиси воқеӣ таъсири монеа ва градиенти ҳарорат омӯхта шудааст.
• Мубодилаи байни ҳалнокии фазоии усули роботӣ ва ҳамзамонии вақтии шабакаҳои собит муҳокима шудааст.

Маҳдудиятҳои таҳқиқот

• Таҳқиқот preprint-и аз баррасии ҳамтоён нагузашта мебошад.
• Қиматҳои хатои сенсор байни бахшҳо мутобиқ нестанд.
• Таърифҳои MSE, хатои RMS ва хатои миёнаи мутлақ омехта шудаанд.
• Тухми тасодуфии омӯзиши шабакаи нейронӣ ва тағйирпазирии байни такрорҳо дода нашудааст.
• Муқоиса байни сенсорҳои партияҳои гуногуни истеҳсолӣ анҷом дода нашудааст.
• Таъсири корпуси робот ва дорандаи сенсор ба майдони ҷараён чен нашудааст.
• Коэффисиенти ҳаракати \(\alpha=0,1\) танҳо бо таҷрибаҳои пешакӣ интихоб шудааст; оптимизатсияи низомманд пешниҳод нашудааст.
• Инҳирофи робот дар ҳаракатҳои диагоналӣ аз ҳаракатҳои ортогоналӣ зиёдтар аст.
• 1,32°-и гузоришшуда барои инҳирофи самт миёна аст; инҳирофи ҳадди аксар 2,03° мебошад.
• Барои такроршавии бандҳои траектория фосилаҳои умумии эътимод пешниҳод нашудаанд.
• Фарзияи тақсимот барои хориҷ кардани қиматҳои берунӣ бо се инҳирофи стандартӣ санҷида нашудааст.
• Гарчанде коҳиши суръат қонуни дараҷавӣ аст, он модели экспоненсиалӣ номида шудааст.
• Дар муқоисаи 48-нуқтаӣ танҳо се сенсор пайдарпай истифода шудаанд.
• Усули нуқтаи собит бо шабакаи воқеии 48-сенсории вақти воқеӣ муқоиса нашудааст.
• Барои \(R^2=0,85\) ва хатои 0,17 m/s фосилаи эътимод дода нашудааст.
• Робот тамоми майдонро якбора не, балки дар вақтҳои пайдарпай дар тӯли траектория чен мекунад.
• Азбаски як траектория тақрибан 45 сония давом мекунад, ҷараёнҳои зудгузар метавонанд таҳриф шаванд.
• Харитабардорӣ асосан дученака аст; ченкунии пурраи сеченака дар баландии гуногун анҷом дода нашудааст.
• Таҷрибаи воқеии офис танҳо як геометрияи ҳуҷра ва як манбаи вентиляторро дар бар мегирад.
• Шумораи такрорҳои мустақил ва санҷиши омории таҷрибаи монеа равшан нест.
• Таҷрибаи градиенти гармӣ танҳо бо як тарҳи гармкунаки 600 W анҷом шудааст.
• Дар ҳисоби номуайянӣ қиматҳои бо воҳидҳои метр ва m/s бидуни табдили андозавӣ мустақиман якҷо шудаанд.
• Барои додаҳои хом ва коди манбаъ пайванди репозитории кушода дода нашудааст.
• Давомнокии батарея, масрафи умумии неру ва кори дарозмуддати худкор арзёбӣ нашудааст.
• Ҳаракати бехатар дар муҳитҳои серодам бо ҳузури одамон санҷида нашудааст.
• Дуд, гази заҳрнок ё навъи химиявӣ бевосита чен нашудааст.

Таҳқиқот чиро дастгирӣ мекунад?

Таҳқиқот нишон медиҳад, ки роботи дорои чархҳои Mecanum метавонад бо истифода аз суръат ва самти маҳаллии ҳаво ҷараёни ҳаворо дар муҳитҳои назоратшаванда пайгирӣ кунад. Якҷо кардани SLAM-и лазерӣ бо маълумоти сенсори ҳаво имкон дод, ки роҳи пайгиришудаи робот дар харитаи муҳит бо тирҳои суръат ва самти ҳаво нишон дода шавад.

Таҷрибаҳо ҳамчунин дастгирӣ мекунанд, ки ченкунии ҳаракаткунанда метавонад нисбат ба нуқтаҳои собити камзич намунагирии фазоии бештар диҳад, фарқи коҳиши суръат байни ҷараёнҳои беруниву марказии роторҳои паҳлӯ ба паҳлӯро нишон диҳад ва дар офиси воқеӣ изи паси монеа ва паҳншавии траекторияро, ки аз градиенти гармӣ ба вуҷуд меояд, мушоҳида кунад.

Таҳқиқот чиро исбот намекунад?

Таҳқиқот исбот намекунад, ки система ҳамаи суръатҳои ҳавои дохили ҳуҷраро ҳамзамон чен мекунад ё майдони пурраи сеченакаи ҷараёнро месозад. Ченкунии роботӣ дар вақтҳои пайдарпай ва танҳо дар тӯли шумораи маҳдуди траекторияҳо анҷом дода шудааст.

Таҳқиқот инчунин нишон намедиҳад, ки робот гази муайянро мешиносад, манбаи ихроҷи химиявиро дақиқ пайдо мекунад, зичии дудро чен мекунад ё дар муҳитҳои хатарнок бехатар кор карда метавонад. Бузургиҳои ченшуда суръати ҳаво, самти уфуқӣ ва мавқеи фазоии робот мебошанд.

Натиҷаҳо инчунин нишон намедиҳанд, ки система дар ҳамаи намудҳои бино аз сенсорҳои собит дақиқтар аст. Шабакаҳои собит метавонанд шумораи зиёди мавқеъҳоро ҳамзамон чен кунанд, дар ҳоле ки робот ҷузъиёти фазоии бештарро дар вақти дарозтар ба даст меорад. Муносиб будани ҳар усул аз тағйирёбии вақтии ҷараён ва талаботи ҳалнокии барнома вобаста аст.

Усул ва натиҷаҳои таҳқиқот

Хулосаи таҷриба ва система

Тафсири натиҷаҳои асосӣ

Муваффақияти пайгирии самти робот назар ба суръати ҳаво бештар ба самти ҳаракат вобаста ба назар мерасад. Дар ҳаракатҳои ортогоналӣ идоракунии фаъоли чор муҳаррик инҳирофи камтар дод, дар ҳоле ки дар ҳаракатҳои диагоналӣ хатогӣ аз сабаби чархҳои ғайрифаъол зиёд шуд. Ин натиҷа нишон медиҳад, ки дар истифодаи амалӣ то ҳадди имкон ҳамоҳанг кардани корпуси робот бо самти асосии ҷараён метавонад муфид бошад.

Дар таҷрибаи роторҳои паҳлӯ ба паҳлӯ траекторияҳои марказӣ дарозтар идома карда, коэффисиенти камтари тағйири суръат нишон доданд. Эҳтимол аст, ки ҷараёнҳои роторҳои берунӣ аз сабаби тамоси бештар бо ҳавои муҳит тезтар паҳн ва суст шудаанд. Ин шарҳ ба арзёбии якҷояи дарозии траектория ва коэффисиентҳои тағйири суръат асос ёфтааст; ченкунии алоҳидаи турбулентӣ ё майдони фишор анҷом нашудааст.

Дар тарҳи шакли “M”, вақте роторҳо ҳамзамон кор карданд, ҷараёнҳо якдигарро каҷ намуданд; ин нишон медиҳад, ки роботи ҳаракаткунанда метавонад траекторияи муттаҳидаи майдони чандманбаъиро пайгирӣ кунад. Аммо азбаски танҳо панҷ такрор ва як геометрияи ротор истифода шудааст, қиматҳои 5,83 m ва 0,59 m ҳудудҳои умумии иҷрои ҷараёни ҳавои чандманбаъӣ нестанд.

Таҷрибаҳои офис нишон доданд, ки система берун аз лаборатория метавонад аз гирди монеа гузарад ва тағйироти суръати ҳаворо бо мавқеъ пайванд диҳад. Аммо тағйири роҳи робот барои канорагирӣ аз монеа метавонад роҳи воқеии ҷараёни ҳаворо аз роҳи бехатари ҳаракати робот ҷудо кунад. Ин ҳолат махсусан дар барномаҳое бояд ба назар гирифта шавад, ки ҷараён аз дохили монеа ё аз фосилаи танге мегузарад, ки робот аз он гузашта наметавонад.

Санҷишҳои тавсияшаванда пеш аз татбиқ дар Туркия

• Сенсор ва робот бояд якҷоя дар суръатҳои пасти ҳаво байни 0,06-2 m/s санҷида шаванд.
• Калибровка дар ҳарорат, намии нисбӣ ва фишори атмосфераи гуногун анҷом дода шавад.
• Инҳирофи чархҳо дар сафол, қолин, эпоксид, бетон ва фарши тар чен карда шавад.
• Халалдоршавии ҷараёни ҳаво аз ҷониби корпуси робот бо дуд, PIV ё сенсорҳои эталонӣ чен карда шавад.
• Сутуни амудии дорои сенсорҳо дар чанд баландӣ ё низоми чандроботӣ санҷида шавад.
• Ҷузъҳои сеченакаи суръат ва болоравии амудии гармӣ мустақиман чен карда шаванд.
• Бо шабакаи воқеии 48 ё бештар сенсори ҳамзамон муқоиса анҷом дода шавад.
• Дар давраҳои гузарои кондитсионер ва вентиляторҳои суръаташон тағйирёбанда таҷрибаҳои ҳамоҳанги вақтӣ гузаронида шаванд.
• Бо натиҷаҳои CFD аз рӯйи мавқеъ ва суръат муқоисаи миқдорӣ анҷом дода шавад.
• Геометрияҳои гуногун, аз ҷумла ҳуҷраи беморхона, синфхона, ҳуҷраи тоза, маркази додаҳо ва толори саноатӣ санҷида шаванд.
• Таъсири ҳаракати одамон, кушодани дар ва таҷҳизоти ҳаракаткунанда арзёбӣ шавад.
• Хатои SLAM дар долонҳои дароз ва геометрияҳои такроршаванда чен карда шавад.
• Паҳншавии хатои суръат ба мавқеъ бо модели мутобиқи номуайянӣ, ки андозаи вақтро дар бар мегирад, аз нав ҳисоб карда шавад.
• Маълумоти хоми сенсор, коди ROS, вазнҳои шабакаи нейронӣ ва файлҳои тарҳи механикӣ ошкоро дастрас карда шаванд.
• Таҷрибаҳои дарозмуддати батарея, дрейфи сенсор ва эҳтиёҷи нигоҳдорӣ гузаронида шаванд.
• Барои истифода дар муҳитҳои хатарнок сенсорҳои мувофиқи газ, корпуси муҳофизатӣ ва сертификатҳои бехатарӣ илова карда шаванд.

Ёддошти манбаъ ва усул

Номи пурраи аслии таҳқиқот:Research on Airflow Tracing Technology for Visualized Robotic Systems

Муаллифон ва тартиби онҳо: Feng Tang; Weilang Deng; Dong Liu; Jiyu Li.

Маълумот дар бораи саҳми баробар: Дар таҳқиқот изҳороти саҳми баробар ё ҳаммуаллифии аввал мавҷуд нест.

Муаллифи масъул: Jiyu Li.

Суроғаи почтаи электронии муаллифи масъул: lijiyu@scau.edu.cn

Алоқаҳои институтсионалӣ:

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

Мутобиқати муаллиф–муассиса:

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

Навъи манбаъ: Мақолаи таҷрибавии preprint, ки таҳияи прототипи робот, калибровкаи сенсор, шабакаи нейронии сунъӣ, идоракунии ҳаракат, таҷрибаҳои ҷараёни ҳаво, муқоисаи нуқтаҳои собит ва санҷиши воқеии муҳити дохилиро дар бар мегирад.

Соҳаи мавзӯъ: Ҷараёни ҳавои дохилӣ, роботикаи мобилӣ, сенсорҳои ҷараёни ҳаво, шабакаҳои нейронии сунъӣ, SLAM-и лазерӣ, ROS, визуализатсияи вентилятсия ва ченкунии траекторияи ҷараён.

Ҳолати баррасии ҳамтоён: Таҳқиқот аз баррасии ҳамтоён нагузаштааст. Дар ҳар саҳифа огоҳии preprint ва баррасӣ мавҷуд аст.

Платформаи нашр: SSRN.

Таъминкунандаи платформа: Elsevier SSRN Preprint Services.

Рақами сабти SSRN: 7202158.

DOI:10.2139/ssrn.7202158

Пайванди расмӣ:Саҳифаи сабти SSRN

Соли нашр: 2026.

Маҷалла: Нашр дар маҷаллаи баррасишавандаи ҳамтоён тасдиқ нашудааст.

Ношири ниҳоии маҷалла: Дар таҳқиқот маълумоти тасдиқшуда дар бораи маҷаллаи ниҳоӣ ё ношири маҷаллаи баррасишаванда вуҷуд надорад. SSRN платформаи мубодилаи таҳқиқоти марҳилаи аввал аст.

Маблағгузорӣ: Дар таҳқиқоти боршуда изҳороти равшани маблағгузорӣ вуҷуд надорад.

Бархӯрди манфиатҳо: Изҳороти алоҳидаи бархӯрди манфиатҳо пешниҳод нашудааст.

Саҳми муаллифон: Тавсифи муфассали саҳми муаллифон бо CRediT ё низоми монанд дода нашудааст.

Кумитаи ахлоқ ва розигии иштирокчиён: Таҳқиқот аз иштирокчиёни инсон маълумот ҷамъ намекунад. Изҳороти алоҳидаи кумитаи ахлоқ ё розигӣ вуҷуд надорад.

Дастрасӣ ба маълумот ва код: Барои маълумоти хоми ҷараёни ҳаво, маҷмӯи додаҳои шабакаи нейронӣ бо 87.501 намуна, вазнҳои модели омӯзонидашуда, гиреҳҳои ROS, танзимоти SLAM, файлҳои CAD ё коди коркарди таҷриба пайванди репозитории кушода пешниҳод нашудааст.

Таҳқиқоти қаблии сенсор: Раванди муфассали таҳияи сенсори силиндрӣ ба таҳқиқоти қаблии муҳаққиқон бо номи Small-volume omnidirectional intelligent airflow sensor with differential pressure measurement, ки дар феҳристи адабиёт бо рақами 26 оварда шудааст, асос ёфтааст. Таҳқиқоти ҷорӣ ин сенсорро ба платформаи роботии пайгирии ҷараёни ҳаво татбиқ мекунад.

Огоҳии гузоришдиҳӣ: Хатоҳои суръат ва самти сенсор дар бахшҳои гуногун бо қиматҳои номувофиқ пешниҳод шудаанд. Дар муқоисаи нуқтаҳои собит ҳам ибораи 48 сенсор ва ҳам тавсифи се сенсор ва 16 давр мавҷуданд. Дар ҳисоби номуайянии траектория воҳидҳои метр ва m/s мустақиман якҷо шудаанд ва қонуни дараҷавӣ модели экспоненсиалӣ номида шудааст.

Ин шарҳи туркӣ бо омӯзиши саҳифаи унвон, аксҳои сахтафзор, схемаҳои иртибот, расмҳои сенсор, шарҳи шабакаи нейронӣ, муодилаҳои идоракунӣ, графикҳои калибровка, харитаҳои траектория, муқоисаҳои нуқтаҳои собит, таҷрибаҳои офис, ҷадвали номуайянӣ ва бахши хулосаи таҳқиқот таҳия шудааст. Мазмуни илмӣ танҳо бо усулҳо, таҷрибаҳо ва натиҷаҳои миқдорие, ки муҳаққиқон пешниҳод кардаанд, маҳдуд шудааст. Манбаъҳои беруна танҳо барои тасдиқи ҳувияти библиографӣ, муассиса, муаллифи масъул ва маълумоти платформаи SSRN истифода шудаанд.

Натиҷаҳо бояд бо дарназардошти он арзёбӣ шаванд, ки таҳқиқот аз баррасии ҳамтоён нагузаштааст, ченкунии пурраи сеченака ва ҳамзамони майдонро пешниҳод намекунад, дар қиматҳои хатои сенсор номувофиқатӣ вуҷуд дорад, ҳисоби номуайянӣ мушкили воҳид дорад, таҷрибаи нуқтаҳои собит пайдарпай иҷро шудааст ва санҷиши муҳити воқеӣ танҳо бо як офис маҳдуд аст.