بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله عملکرد یک ربات زیرسطحی خودکار نوع هاورینگ به منظور تثیبت پویای موقعیت، مورد بررسی قرار میگیرد. آنچه را که از ربات انتظار میرود پایدار ماندن در یک نقطه است که برای بسیاری از رباتهای زیرسطحی غیرممکن میباشد. برای پایدار ماندن در نقطه مشخص باید به طور همزمان تمامی متغیرهای x، y و z شناور در وضعیت پایدار و همچنین مطلوب قرار گیرند.
به منظور انجام عملیاتهای دقیق در زیر آب مانند جوشکاری در زیر آب کنترل زوایای ربات نیز دارای اهمیت است. بدین منظور در این مقاله تثبیت پویای موقعیت برای تمام شش درجه آزادی بررسی و ارائه شده است. از تثبیت پویای موقعیت همچنین میتوان در زمینههای صنعتی از جمله بازرسی دقیق زیرآب، انجام عملیات نجات و ... بهره برد. ربات بکار رفته در این مقاله یک ربات با بردار رانش متغیر است که از مکانیزم دو عدد سروو موتور متعامد برای تغییر بردار رانش کمک میگیرد.
-1 مقدمه
قابلیت شناورهای خودمختار زیرسطحی1 درانجام ماموریتهای تکراری، خطرناک، شناسایی در محیطهای پرمخاطره و دور از دسترس، اکتشاف، بازرسی خطوط لوله و سازههای زیرآبی و حتی انجام تعمیرات، نقشهبرداری، حمل و نقل کالا، استفادههای امنیتی و نظامی و... سبب جلب توجه بسیاری از افراد، سازمانها، دانشگاهها و مراکز تحقیقاتی شده، به طوریکه از دهههای50و60 میلادی تا امروز به تحقیق و ساخت اینگونه شناورها متمرکز شوند، تا جایی که استفاده از این ابزار رباتیک به یکی از نیازهای اولیهی انجام بسیاری از عملیات و پروژههای زیرسطحی تبدیل شده است. اما کار در این محیطها مستلزم امکان قرارگیری در موقعیت مطلوب و همچنین حفظ تعادل این وسیله درمحیط کاری خود است
اکتشافات دور از ساحل و بهره برداری از منابع هیدروکربن ها از دهه 60 میلادی عصر جدیدی از تثبیت پویای موقعیت کشتیها را گشود و در سالهای بعد این تکنولوژی علاوه بر کشتیهای بزرگ برای کشتیهای کوچک، سکوهای نفتی و نیمه شناورها مطرح گردید. سیستمهای کنترل تثبیت پویای موقعیت2 سازههای شناور را در یک موقعیت ثابت کنترل نموده یا در یک مسیر از پیش تعیین شده برای ماموریتهای دریایی به کمک موتورهای کاملا فعال حفظ میکنند. اولین سیستم تثبیت پویای موقعیت در دهه 60 میلادی برای حرکت در صفحه افقی معرفی شد
در سال 1961 کشتی حفاری کاس یک3 اولین نمونه از کشتی بود که از این سیستم بهره برد. در این کشتی از چهار موتور با قابلیت دوران در چهار طرف کشتی استفاده شد، که این چهار موتور این امکان را به کشتی میداد تا در
مقابل امواج، نیروی باد و عوامل محیطی ثبات خود را حفظ کند. استفاده از این سیستم به این کشتی این امکان را داد تا در عمق 948 متر حفاری انجام دهد.
در همان سال کشتی یوروکا1 معرفی شد که از سیستم کنترلی مشابه بهره میبرد، اما سیستم کنترلی برای این کشتی از نوع اتوماتیک تعبیه شده بود تا به این کشتی امکان حفاری در عمق 1300 متر در شرایط محیطی با امواجی تا ارتفاع 6 متر و بادهایی با سرعت 40 نات دریایی را بدهد. در سال 1964 کشتی کالدریل یک2 به چهار موتور با توان بیشتر مجهز شد، تا به همراه دو کنترلر موازی، امکان حفاری در عمق 2000 متر را به کمک دو شیب سنج متصل به این کشتی برای حفظ موقعیتش را داده باشد
در سالهای اخیر سیستم تثبیت موقعیت پویا علاوه بر کشتیها در رابطه با شناور های خودختار زیرسطحی برای بسیاری از ماموریتهای زیرسطحی با توجه به تواناییهایی از قبیل سرعت عملکرد، عمق عملکردی بالاتر، ضریب خطر کمتر نسبت به خطرات جانی برای غواصها به یکی از ملزومات صنایع دریایی بدل گشتهاند و از دهه 90 میلادی توجه بسیاری از مراجع علمی را به این سمت معطوف داشته است، از این رو تحقیقات گستردهای در این راستا صورت پذیرفته است
مسئله اصلی در رابطه با شناور های خودمختار زیرسطحی کنترل شناور برای رسیدن به یک نقطه با جهت گیری مورد نظر و باقی ماندن و حفظ ثبات در آن نقطه است، اما با توجه به پیچیدگی ترمهای هیدرودینامیکی و همچنین دینامیک پیچیده شناور، طراحی هر نوع کنترلری به معادلات دینامیکی آن وابسته خواهد شد. بنابراین حتی زمانی که دینامیک جسم در نظر گرفته شود نتایج مطلوب نیستند. در سال 2001 کنترلر نامتغیر با زمان به صورت گسسته را برای تثبیت موقعیت شناور اعمال نمودند
همچنین استفاده از کنترلر فازی برای تثبیت پویای موقعیت یک شناور زیرسطحی در سال 2007 توسط آقای نگوین3 ، استفاده از کنترلر مود لغزشی توسط آقای تانوری4 در سال 2010 و استفاده از کنترلرهای عصبی تطبیقی توسط یانگ5 و همکاران در سال 2013 مورد بررسی قرار گرفت .
اما روند ارائه روشهای جدیدتر همچنان برای کنترل این شناورها برای دست یابی به تثبیت پویای موقعیت همچنان ادامه دارد بطوری در سال 2015 آقای جاوو6 و همکاران کنترلرهای سرووی بصری شبکه عصبی تطبیقی7 را برای تثبیت پویای موقعیت شناورهای زیرسطحی خودکار - Gao et al, 2015 - ومدل سلسله مراتبی پیش بینی مبتنی بر تصویر سرووی بصری به همراه کنترل دینامیکی شبکههای عصبی تطبیقی را برای تثبیت پویای موقعیت شناور زیرسطحی خودکار توسعه دادند
پیاده سازی کنترلرهای هوشمند و کنترلرهای مقاوم مانند کنترلر مود لغزشی دارای پیچیدگیهای سختافزاری بوده و گاهی لختی عملگرها و دینامیک سیستم مشکلاتی را در اجرا ایجاد میکند
هدف بلند مدت در صنعت رباتهای هوشمند زیرسطحی، توسعه استراتژیها و ابزارهای مناسب برای مانور مناسب و کنترل دقیق حرکت است، به گونهای که ربات قادر به انجام مانورهای دشوار با عملکرد مطلوب باشد. مانند انجام مانور تهاجمی مانند پیچ تند با سرعت بالا، زوایای حمله بالا، سرعت بسیار بالا یا خیلی پایین
امکان بی حرکت ماندن در یک نقطه یا تثبیت پویای موقعیت را میتوان برای آن برشمرد.
-2 مدلسازی حرکت شناور زیرسطحی و روش کنترلی
برای بررسی سینماتیک و دینامیک حرکت رباتهای زیر سطحی دو نوع دستگاه مختصات حرکتی تعریف میگردد. دستگاه مختصات XYZ دستگاه اینرسی ودستگاه مختصات xyz دستگاه متصل به جسم صلب که به عنوان دستگاه بدنی1 شناخته میشوند. معمولا مبدا دستگاه مختصات بدنی منطبق بر مرکز شناوری انتخاب میشود و معادلات دینامیکی حاکم بر شناور زیر سطحی بر اساس دستگاه مختصات بدنی، نوشته میشوند لذا نیروها و ممانهای هیدرودینامیکی با تغییر راستای شناور زیر سطحی نسبت به مختصات کلی تغییر نمیکند.
شکل :1 موقعیت دستگاههای مختصات بدنی و زمینی به همراه متغیرهای حرکت
در بررسی مدل دینامیکی شناورهای خودمختار زیرسطحی روشهایی از جمله روش نیوتن-اولر و روشهای تحلیلی مانند لاگرانژ، همیلتون و ... بررسی شده و مناسبترین روش برای مدلسازی یک شناور خودمختار زیرسطحی با قابلیت هاورینگ2 مورد استفاده قرار گرفت و در ادامه از مدل دینامیکی سیستم برای پیاده سازی یک روش کنترلی مناسب استفاده میکنیم، از آنجایی که حرکات شناور زیر سطحی در فضای سه بعدی انجام میگیرد برای چنین سیستمی شش درجه آزادی در نظر گرفته میشود بر این اساس سه درجه آزادی اول و مشتق زمانی آنها مربوط به موقعیت و حرکت انتقالی در طول محورهای x,y,z و سه درجه آزادی آخر و مشتق زمانی آنها برای توصیف جهت یابی و دوران حول این سه محور میباشد.
