Оптимизация генерации энергии на человеческом движении с помощью регрессии гауссовского процесса

Qirui Ding; Ying Zeng; Changhui Song; Weicheng Cui

doi:10.3791/69810

Method Article

Оптимизация генерации энергии на человеческом движении с помощью регрессии гауссовского процесса

DOI:

10.3791/69810

⸱

January 16th, 2026

Qirui Ding¹^,² , Ying Zeng³ , Changhui Song¹^,² , Weicheng Cui¹^,²^,⁴

¹Key Laboratory of 3D Micro/Nano Fabrication and Characterization, School of Engineering, Westlake University, ²Zhejiang Engineering Research Center of Micro/Nano-Photonic/Electronic System Integration, ³Hangzhou Navigation Instrument Co., Ltd, ⁴Department of Electronic and Information Engineering, School of Engineering, Westlake University

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Этот протокол оптимизирует системы генерации электроэнергии с использованием регрессии по гауссовскому процессу для достижения эффективности 80%–90% при сохранении физиологической безопасности, предоставляя воспроизводимые методы преобразования физических упражнений в устойчивое производство энергии, решая проблемы безработицы и возобновляемой энергии.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Этот протокол представляет собой рамочную рамку оптимизации Гауссовой регрессии процессов (GPR) для систем генерации электроэнергии, работающих на человеке, чтобы одновременно решать технологическую безработицу и потребность в возобновляемой энергии. Семь участников провели 112 испытаний в 16 конфигурациях, сочетая четыре напряжения батареи (12 В, 24 В, 36 В, 48 В) с четырьмя электрическими нагрузками (10 Вт, 30 Вт, 50 Вт, 70 Вт) с использованием модифицированного стационарного велосипедного генератора. Модель GPR включала автоматическое определение значимости (ARD) квадратные экспоненциальные ядра для отображения скорости педалей, давления, напряжения и параметров нагрузки на эффективность генерации, одновременно количественно оценивая неопределённость прогнозов. Сбор данных в реальном времени на частоте 2 Гц фиксировал механические и электрические параметры с помощью датчиков эффекта Холла, тензодатчиков и анализаторов мощности с протоколами связи Modbus. Оптимизированная система достигла теоретически максимальной эффективности 80%-90% с коэффициентом вариации (CoV) ниже 15%, по сравнению с эффективностью 60%-70% и изменчивостью 25%-35% в коммерческих системах. Прогнозы GPR показали R² = 0,713 с задержкой менее 10 мс с помощью разреженных приближённых методов, что позволило управлять в реальном времени. Оптимальные рабочие параметры варьировались систематически: при низких нагрузках требовалось 150-180 оборотов в минуту (RPM) при давлении 50-70 Н, тогда как более высокие нагрузки достигали пика 100-120 об/мин при давлении 100-150 Н. Конфигурация 48 В улучшила эффективность на 68% по сравнению с базовым уровнем 12 В (измеряется как индекс относительной эффективности, REI, нормализованный до базового = 100%). Фазово-специфический мониторинг выявил начало усталости через 35–40 минут, что приводило к корректировкам контроля с учётом риска на основе постериорной неопределённости. Протокол устанавливает количественные методы баланса между генерацией энергии и физиологическими ограничениями, предоставляя воспроизводимую основу для внедрения систем с ручным приводом в движение в фитнес-комплексах, где выход в ноль достигается по цене 0,18 доллара за кВт·ч.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Слияние автоматизации, основанной на искусственном интеллекте, и изменения климата создаёт беспрецедентные вызовы, требующие инновационных решений, решающих как технологическую безработицу, так и устойчивые энергетические переходы. Эмпирические анализы прогнозируют 85 миллионов рабочих мест к 2025 году, при этом компьютерные и математические профессии достигнут роста безработицы на 2,8 процентных^{пункта. 1}. Одновременно концентрация CO₂ в атмосфере достигла 426,9 ppm в феврале^{2025 года, что} потребовало срочного расширения мощностей возобновляемой^{энергетики} ^3,4....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В этом исследовании были проведены неинвазивные физические упражнения с использованием стационарного велосипеда, и риск для участников был минимальным. Все участники были здоровыми взрослыми добровольцами, которые дали устное информированное согласие после получения подробной информации о экспериментальных процедурах, их праве на отказ в любой момент и конфиденциальности данных. Процедуры следовали этическим принципам Хельсинкской декларации для исследований с участием людей.

1. Сборка HPEG

Механическая конструкция
ПРИМЕЧАНИЕ: Все механические модификации должны проводиться в хорошо проветрив....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Эффективность относится к термодинамическому преобразованию (0–100%). REI — это индекс относительной эффективности, рассчитанный как (наблюдаемый/базовый) x 100%, который может превышать 100%. Для сравнения гетерогенных параметров используется индекс относительной эффективности, который рассчитывается путем деления наблюдаемой эффективности на фиксированную базовую конфигурацию (12 В-70 Вт), измеряемую в одном и том же конвейере. Таким образом, REI = 110% означает прирост на 10% относите.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Успешная реализация оптимизации на основе GPR для систем HPEG критически зависит от точности механического соединения и вычислительной^{эффективности 28}. Конфигурация только с ободом оказалась необходимой, поскольку полные колёсные сборки снижали эффективность слежения на 35%–45% из-за колебаний инерции^{вращения 27}. Калибровка натяжения ремня до 350 ± 50N выявилась, поскольку особенно критические отклонения приводили либо к преждевременному вы.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы заявляют, что не имеют никаких связей и не участвуют в какой-либо организации или организации, имеющей финансовый интерес к теме или материалам, обсуждаемым в этой рукописи.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Это исследование было профинансировано проектом Научно-исследовательского финансирования гранта Университета Вестлейк номер WU2024A001. Авторы искренне благодарят участников эксперимента: Юци Цзян, Лили Цзэн, Лоцянь Эму, Бин Яна, Цзихань Чэнь, Юхан Ли и Сукрона Амина за их ценный вклад в сбор данных.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
Name	Company	Catalog Number	Comments
Модуль разъёма переменного тока (Китай, GB/T, тип панели)	10/16 А, встроенная кассета, защитные затворы для детей	Настольная розетка переменного тока с пятью отверстиями (чёрная)	Ваньюй
Регулируемый полиуретановый V-образный ремень	Тип ABCZM, шарнирный PU-лента	Универсальный шарнирный полиуретановый V-образный ремень ABCZM (с/без стойк) / и mdash;
Регулируемый ключ	6-дюймовый лазерный шкала	Регулируемый ключ 6 дюймов с открытой челюстью, отполированная рукоятка 250006	Руинэн
Генератор, трёхфазный постоянный магнит	300 Вт, 24 В (как указано)	300– Трёхфазный переменный ток с постоянным магнитом 400 Вт, 300 Вт, 24 В	Цзюнянь
Аккумуляторный блок, переносная электростанция	Портативный блок большой ёмкости мощностью 2400 Вт	Портативная резервная электростанция мощностью 2400 Вт, многофункциональная солнечная система хранения энергии / —
Велосипедная цепь	1/2" и раз; 1/8", прочность на растяжение 920 кгс, предел удлинения 0,5%	KMC X101
Велосипедный компьютер (беспроводной)	Водонепроницаемый, ночной подсветка, скорость/одометр	Беспроводной компьютер для велосипеда с большим экраном, водонепроницаемый, с подсветкой / и приборной панелью;
Велосипедный тренажер (магнитный ролик, складывающийся)	Магнитное сопротивление, вентилируемый маховик, ручки с двойным замком	Магнитное сопротивление роликовый тренажёр, складной / и mdash;
Велосипед, шоссе (700C)	Колеса 700C с шестерёнными передачами	700C аэрошоссейный велосипед, многоскоростный	Навсегда, Ёнцзю
Контроллер заряда, MPPT (12/24 В)	Автомат 12/24 V, 20 A (как указано)	Контроллер солнечного заряда MPPT 12/24 В 20 A	Ланьшэн
Датчик тока, эффект Холла	± 100A, 20mV/A&plusm; 0,5%, BW=120 кГц	ACS758LCB-100B
Диод (блокировка) и mdash; Проверьте точное устройство	В списке смешиваются диод Шоттки / двунаправленный TRIAC / IXFN132N50P3	IXFN132N50P3 (в списке указаны диод Шоттки и двунаправленный TRIAC) / & mdash;
Диод, ультрабыстрое восстановление	200V V_RRM, 30A I_F(AV) < 35 нс t_rr	RHRG30120
Изолента (ПВХ)	9 м рулон	Изолента ET6 9 m	Bull
Электронная нагрузка, программируемая	200 Вт непрерывно, 0--500В, 0---120А	BK Precision 8500
Микроконтроллер, 32-битный	ARM Cortex-M4, 72 МГц, 12-битный ADC@5MSPS	STM32F334C8T6
MOSFET, P-канал	RDS(on)< 10mΩ, 200V, -12A	IRFP9240
Мультиметр, цифровой	Подсветка, защита от перегрузки	Цифровой мультиметр DEM23, подсветка, противоогорающий и bsp;	Delixi
Мультиметр, точность	6,5-значная, точность DCV 0,0035%	Fluke 8845A	Флюк
Рабочий усилитель, квадроцикл	Rail-to-rail, Vos< 2mV, 1MHz GBW	MCP6004
Генератор с постоянными магнитами	24V/300W, 12-полюсные магниты NdFeB N42	YC-FD300
Автоматический выключатель с сбросом (нажатие с перезагрузкой)	3– Серия 50 A (в переческом списке)	Термический сброс с автоматическим выключателем 88/98 серии/AR 3– 50 A	Куоюх
Набор отвёрток (Phillips/flat)	6 и раз; 100 мм, магнитные наконечники, двухкомпонентный	Набор магнитной плоской отвёртки 6 x 100 мм (2 штуки)	Филлипс
Программное обеспечение, язык программирования	Версия 3.8, с использованием GUI-фреймворка		Python
Терминальный блок, одноположенный (DIN/панель)	IN-100BK, 130 локомотивов класса A (как указано)	Терминальный блок DIN-rail IN-100BK, однопозиционный	WeilianDun
Терминальный блок, одноположенный (DIN/панель)	IN-411S, 60 локомотивов класса A (как указано)	Терминальный блок DIN-rail IN-411S, одноположенный	WeilianDun
Рычаги шин (пара)	12 дюймов (30 см), 2 кусочка	Рычаги шин 12 дюймов (пара)	Чэнчжоу
Диод TVS	Зажим 135В, пиковая мощность 1500 Вт, и LT; Отклик 1ps	1.5KE100A
Проводные разъёмы, обжим, быстрое отключение (bullet)	1.5– 2,5 mm², нейлон, синий, 100 комплектов	Разъёмы проводов Bullet с быстрой отключкой, синие (100 комплектов) и nbsp;	Готоле
Стриппер/обжимщик проволоки	7-дюймовый, многофункциональный	7-дюймовый многофункциональный стягиватель провода DL902200	Деликатесный магазин
Провод, силикон (12 AWG и asymp; 3,4 mm²)	Высокотемпературная силиконовая изоляция, 1 м	Силиконовая проволока 12 AWG (≈ 3,4 мм²) 1 m	Ланьцзян

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nartey, J. AI job displacement analysis (2025-2030). 5316265, SSRN. (2025).
Kozhagulov, S., et al. Trends in atmospheric emissions in central asian countries since 1990 in the context of regional development. Climate. 13 (9), 176(2025).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Оптимизация генерации энергии на человеческом движении с помощью регрессии гауссовского процесса

In This Article

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgements

Materials

References

Reprints and Permissions

Tags

Related Articles