بخشی از مقاله
خلاصه:
در این تحقیق از استراتژی کنترل مدل پیش بین خطی مبتنی بر شبکه عصبی بازگشتی برای کنترل موقعیت ربات زیرآبی استفاده می شود. به منظور استخراج مدل خطی ربات زیرآبی فرض گردید که سیستم از حرکت آرام و یکنواختی برخوردار بوده و دوران آن حول محورهای x و y ناچیز می باشد. برای فرموله نمودن قانون کنترل مدل پیش بین، از روش فضای حالت توسعه یافته استفاده گردید. مدل فضای حالت جدید به صورت خطی نامتغیر با زمان می باشد. بنابراین، با نوشتن معادلات پیش بین خروجی در طول افق پیش بین و در نظر گرفتن افق کنترل مناسب، فرم بردار ماتریس معادلات پیش بین استخراج می شود. در ادامه، شاخص عملکرد پیش بین به فرم یک مسئله برنامه ریزی مرتبه دو مقید تبدیل می شود. به منظور حل مسئله بهینه سازی از ابزاری به نام شبکه عصبی بازگشتی مبتنی بر نظریه تصویر استفاده می شود. عملکرد خوب رویکرد کنترل پیشنهادی با اعمال آن بر مدل خطی ربات زیرآبی از دیدگاه هایی چون خطای ردیابی، سرعت عملکرد حلقه باز و ردیابی ورودی های مرجع متفاوت مشاهده می شود.
کلمات کلیدی: کنترل مدل پیش بین، روش فضای حالت توسعه یافته، شبکه عصبی بازگشتی، ربات زیرآبی.
.1 مقدمه
منابع وصنایع دریایی در کشور ما به علت وجود منابع نفت وگاز در بستردریا وتوجه به این امر که درآینده این منابع دراعماق بیشتر خواهد بود و از طرف دیگر وجود مرزهای آبی گسترده از اهمیت خاصی برخوردار میباشد. دراین بین،وسایل زیرآبی بدون سرنشین وبه خصوص سامانههای هوشمند بهعنوان تجهیزات بسیار پیشرفته،وظیفه انجام یا پشتیبانی عملیات دریایی را برعهده دارند.ROV ها، یک وسیلهی نقلیهی پویشگرقابلکنترل از راه دور زیرآبی است که به اپراتوراین امکان را میدهدکه این وسیله را در اعماق آب کنترل و هدایت کند و از طریق اعمال فرمانها عملیات موردنظر را ازطریق تجهیزات ربات،انجام دهد که بهاختصار ربات زیرآبی خوانده میشود.[1]
هر نوع ربات زیرآبی در هر شرایط عملیاتی که باشد، نیازمند سیستم کنترلی مناسب برای هدایت آن در مسیر مناسب است در این تحقیق، استفاده ترکیبی کنترل مدل پیشبین و شبکه عصبی بازگشتی برای هدایت ربات زیرآبی پیشنهاد میشود. بهمنظور طراحی کنترلکننده، ابتدا معادلات سینماتیکی و دینامیکی ربات زیرآبی استخراج میشود. سپس، با فرض یکنواخت بودن حرکت ربات، مدل فضای حالت خطی نامتغیر با زمان برای آن تعیین میشود. روند خطی سازی به شیوهای تحلیلی و با فرض کوچک بودن زوایای roll و pitch ارائه میشود. برای اینکه بتوان سیستم کنترلی را در عمل تحقق بخشید، باید از بهینهسازی مناسبی استفاده شود.
بهطورمعمول برای حل بهینهسازی در کنترل پیشبین از دستوراتی چون fmincon یا quadprog برای یافتن قانون کنترل استفاده میشود. الگوریتمهای مذکور برای کاربردهای برخط و سیستمهای سریع نامناسب هستند. لذا، باید از ابزاری مناسب بهره گرفت که در این تحقیق از شبکه عصبی بازگشتی مبتنی بر نامساوی تغییر استفاده میشود.اکنون به بررسی اجمالی روشهایی که تاکنون برای هدایت ربات های زیر آبی به کارگرفته شده است می پردازیم:
در [2] مسئله کنترل ربات زیرآبی با در نظر گرفتن دینامیک پیشرانهها در حضور نامعینیها در پارامتر سیستم موردبررسی قرارگرفته است. برای این منظور، دو کنترلکننده که بر غیرخطیهای پیشرانهها غلبه میکنند، پیشنهادشده است. کنترلکننده نخست یک کنترلکننده تطبیقی مبتنی بر رگرسیون و دومی یک کنترلکننده مقاوم میباشد. در [3] از کنترل مد لغزشی ترمینال غیرتکین تطبیقی فیدبک خروجی چندمتغیره برای کنترل ردیابی مسیر 4 درجه آزادی ربات زیرآبی در حضور نامعینیهای پارامتری و اغتشاشات خارجی استفادهشده است. در رویکرد مذکور از رویتگر مد لغزشی تطبیقی بهره گرفتهشده است.
این رؤیت گر، وظیفه تخمین تمام حالتها که موردنیاز برنامه کنترلی میباشد را بر عهده دارد. هدف. در [4] از کنترل تطبیقی برای جبران سازی ربات زیرآبی که از اندازهگیریهای موقعیت مبتنی بر حسگرهای سونار بهره میگیرند، استفادهشده است. درواقع، ازآنجاییکه در رباتهای زیرآبی دینامیک سیستم شدیداً غیرخطی، تزویج-یافته، متغیر با زمان و تحت عدم قطعیتهای هیدرودینامیکی و اغتشاشات خارجی مانند جریان میباشد، از کنترل تطبیقی استفادهشده است.در [5] کنترلکننده تطبیقی مبتنی بر شبکه عصبی مصنوعی برای جبران سازی ربات زیرآبی پیشنهادشده است. این سیستم شامل دو بخش میباشد: بخش جهان حقیقی و بخش جهان-موهومی. بخش جهان-حقیقی معرف یک سیستم کنترل فیدبک است که برای ربات زیرآبی واقعی طراحیشده است.
در بخش جهان-موهومی، مدل ربات زیرآبی و کنترلکننده بهطور پیوسته برای مواجهه با تغییرات ویژگیهای دینامیکی ناشی از اغتشاشات و امثال آن، تنظیم میشوند. در [6] از روش کنترل تطبیقی غیرمستقیم برای سیستم ربات زیرآبی مستقل زمانی بر مبنای فیلتر کالمن توسعهیافته استفادهشده است. این روش بر معایب رؤیت گرهای اغتشاش و برنامههای کنترل تطبیقی مستقیم موجود کهمبتنی بر تکنیکهای سیستم خطی و تکنیکهای مبتنی بر رگرسور است، غلبه مینماید..در [7] مسئله ردیابی لحظهای عمق و کنترل ارتفاع ربات زیرآبی موردبررسی قرارگرفته است. سیستم پیشنهادشده از یک آرایش بکسل دومرحلهای که شامل یک کابل اولیه طولانی، دپرسور گرانشی و یک کابل ثانویه میباشد، استفاده میکند.
سپس، قانون کنترل فیدبک خروجی تطبیقی مبتنی بر لیاپانوف طراحیشده و تنظیم نمودن خطاهای ردیابی pitch، roll و عمق به سمت صفر نشان داده است. در [8] برخلاف بسیاری از تحقیقات که فرضیات زیادی را در حرکت ربات زیرآبی در نظر میگیرند، بهویژهاین فرض که زاویه pitch ربات زیرآبی در صفحه غوطهوری، کوچک میباشد، فرض مذکور را در فرایند طراحی کنترلکننده لحاظ نموده است. رویکرد پیشنهادی مبتنی بر روش معروف پسگام میباشد. در [9] استراتژی کنترل تطبیقی مقاوم برای ربات زیرآبی که دارای قیود سرعت میباشد، پیشنهادشده است. در ابتدا، استراتژیهای کنترل مقاوم برای ربات زیرآبی موردبررسی قرارگرفته و سپس، استراتژیهای کنترل مقاوم تطبیقی با فرایند تخمین پارامتر آنلاین توسعهیافته است. برای جلوگیری از نقض قیود سرعت ربات زیرآبی، از تابع لیاپانوف Barrier در برنامه پایداری سیستم حلقه بسته استفادهشده است.
.2مدل سازی ربات زیرآبی
بررسی حرکت سیستمهای دریایی شامل مطالعات استاتیکی و دینامیکی آنهاست. استاتیک بررسی پایداری وسیله در حالت سکون یا حرکت با سرعت ثابت است و دینامیک مربوط به حرکت شتابدار آن میباشد.به طور کلی معادله معادلات شش درجه آزادی حرکت میتوانند به صورت زیر بیان گردند :[10]در رابطه بالا M ماتریس اینرسی - شامل جرم افزوده - ، C - v - ماتریس ترمهای گریز از مرکزوکریولیس - شامل جرم افزوده - ، - D - v ماتریس استهلاک، - g - بردارنیروها و ممانهای جاذبه و بردار ورودیهای کنترل میباشد.برای یک متحرک بدون قید حرکتی، تعداد دستگاههای مستقل برابر درجات آزادی سیستم است. دستگاههای مختصات عمومی - مستقل - برای یک متحرک با شش درجه آزادی بصورت زیر بیان میگردد:
