بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، از کنترلکننده و شناساگر مبتنی بر شبکه عصبی تابع پایه شعاعی به شیوه اي بلادرنگ براي هدایت موقعیت و جهتگیري ربات متحرك چرخ دار استفاده می شود. با در نظر گرفتن معادلات سینماتیکی و دینامیکی ربات شامل دو گشتاور راه انداز، ابتدا شناساگر عصبی فرموله میگردد. وروديهاي شناساگر شامل مقدار لحظه اي گشتاورهاي راه انداز و سرعتهاي خطی و دورانی و خروجیهاي آن شامل تخمین موقعیت و جهتگیري لحظه اي ربات متحرك می باشند.
با تعریف شاخص عملکرد مبتنی بر خطاي لحظه اي بین خروجی شبکه عصبی و ربات متحرك، وزنهاي شبکه به کمک الگوریتم پس انتشار خطا و به شیوه اي بلادرنگ بروز می شوند. سپس، با در نظر گرفتن گشتاورهاي اعمالی بهعنوان خروجی و خطاي ردیابی کنترلکننده عصبی و سرعتهاي خطی و دورانی ربات متحرك بهعنوان وروديهاي کنترلکننده عصبی، وزنهاي بین لایه پنهان و خروجی و مراکز و توابع گوسی در جهت هدایت صحیح ربات به روي مسیر مطلوب، تطبیق می یابند. نتایج شبیه سازي نشان از عملکرد مطلوب رویکرد پیشنهادي در ردگیري موقعیت ربات متحرك هم در حضور تغییر پارامتر و هم اغتشاشات خارجی دارد.
واژگان کلیدي: ربات متحرك، ردگیري موقعیت، شبکه عصبی تابع پایه شعاعی، یادگیري بلادرنگ.
مقدمه
کنترل خودکار رباتهاي متحرك براي استفاده از آنها در کاربردهاي مهندسی و صنعتی همچون هوافضا، نظامی، اکتشافات علمی و غیره از اهمیت بسیار زیادي برخوردار می باشد. مسئله هدایت یا ناوبري یکی از چالشهاي مهم در حوزه رباتهاي متحرك است. موفقیت در ناوبري نیازمند اجراي درست چهار زیربخش اساسی آن است. زیربخش اول ادراك ربات است، بدین معنی که ربات باید حسگرهاي خود را که داراي اطلاعات معناداري می باشند، تفسیر کند. دوم مکان یابی است، یعنی ربات باید موقعیت خود را در محیط ارزیابی کند. زیربخش سوم است، بدین معنی که ربات باید بداند و تصمیم بگیرد تا به هدف خود دست یابد. آخرین مورد مسئله کنترل حرکت است که در آن ربات باید قادر به صدور فرامین مناسب به محركها براي هدایت صحیح روي مسیر مطلوب از پیش تعیین شده باشد.
معادلات حرکت رباتهاي متحرك متشکل از دو مقوله سینماتیک و دینامیک است و کنترل صحیح آنها نیازمند تعامل صحیح بین این دو مقوله است. بهعبارت دیگر، قوانین کنترلی براي ردگیري موقعیت ربات متحرك باید بر اساس تزویج بین سینماتیک و دینامیک فرموله گردند. در سالهاي اخیر، روشهاي کنترلی مختلفی براي تنظیم موقعیت و جهتگیري رباتهاي متحرك توسعه یافته اند. انتخاب مناسب روش کنترلی باید به نحوي صورت گیرد که ردیابی مسیر ربات علاوه بر اینکه با دقت و سرعت عملکرد مناسب انجام گیرد، بتوان با عدم قطعیتهاي احتمالی در دینامیک ربات مانند جرم یا اصطکاك چرخها و همچنین تغییرات محیطی، مقابله نمود.
رویکردهاي مرسوم در زمینه کنترل ترکیبی موقعیت/سرعت ربات متحرك را می توان به 4 دسته به طورکلی تقسیم نمود که عبارت هستند از روشهاي مبتنی بر رفتار، روشهاي مبتنی بر ساختار مجازي، روشهاي مبتنی بر نظریه گراف، روش پیرو رهبر براي ساختار کنترلی . - Tzafestas, 2013 - هر یک از روشهاي مذکور بر اساس اهداف عملکردي در مسئله و کاربرد ربات متحرك مورداستفاده قرار میگیرند. براي مثال، از روش رهبر-پیرو در مواقعی که هدف کنترل یا تنظیم آرایش گروهی از رباتهاي متحرکی می باشد، استفاده می شود. از روشهاي مبتنی بر رفتار در کاربردهایی که نیاز به شناسایی رفتار ربات بر اساس الگوهاي ورودي خروجی می باشد، استفاده می شود. در ادامه، برخی از مهم ترین تحقیقات صورت گرفته در زمینه کنترل رباتهاي متحرك، ارائه می شود.
چارچوب کنترلی مبتنی بر قواعد اگر و آنگاه در ترکیب با الگوریتم ژنتیک براي ردیابی ربات متحرك در محیطی نامعلوم با موانع و دیوارهها توسط - - Narvydas et al, 2008 پیشنهادشده است . الگوریتم ژنتیک براي تعیین پارامترهاي کنترلکننده شامل کران حسگرها و سرعت موتورها مورداستفاده قرارگرفته است . شبکه عصبی مبتنی بر کنترل مد لغزشی براي ردیابی سیستم موبایل ربات چرخدار توسط - Park et al, 2009 - پیشنهادشده است. سیستم پیشنهادي با استفاده از شبکههاي عصبی موج- خود بازگشتی براي مقابله با عدم قطعیت و اغتشاشات استفاده می شود. رویکرد پیشنهادي ردیابی خوبی را نشان می دهد. طراحی کنترل مدل سینماتیکی ربات با استفاده از پسگام و استفاده از شبکه عصبی تابع پایه شعاعی براي طراحی کنترلکننده انعطافپذیر PID راه دیگري براي جبرانسازي ربات متحرك است - . - Li et al, 2010, Park et al, 2010
طرح پیشنهادي بهطور قابل توجهی چترینگ را در کنترلکننده مد لغزشی از بین رفتن میبرد. بااین حال، استفاده از پسگام و شبکه عصبی پیچیدگی سیستم را با مشتقگیريهاي مکرر از متغیرهاي مجازي کنترلکننده و پیچیدگی ناشی از با افزایش مرتبه کنترلکننده افزایش می یابد.طراحی مسیر بهینه ربات متحرك انعطافپذیر با استفاده از روش کنترل بهینه مورد با هدف در نظر گرفتن برخی از شاخص عملکردي همچون حداقل گشتاور یا سرعت مجاز موردتوجه محققین قرارگرفته است. بدین منظور ابتدا، با در نظر گرفتن قیود غیرهولونومیک چرخها، معادلات دینامیکی غیرخطی ربات متحرك با استفاده از معادله لاگرانژ استخراج می شود. سپس این معادلات در فضاي حالت بیان شده و بهعنوان قیود مسئله کنترل بهینه در نظر گرفته می شود. همچنین تابع هزینه شاملترمهاي گشتاور و سرعت در نظر گرفته و مسئله کنترل بهینه فرموله می شود.
سپس، با استفاده از اصل مینیمم پونتریاگین و حل غیرمستقیم مسئله کنترل بهینه، معادلات بهینه بهصورت یک مجموعه معادلات دیفرانسیل غیرخطی استخراجشده که با استفاده از روشهاي عددي حلمی شود . - Korayem et al, 2011, 2012 - در برخی از تحقیقات، شبیهسازي ربات متحرك خودمختار با استفاده از روشهاي هوشمند چون شبکه عصبی، منطق فازي و انجام شده که در آنها، براي پیدا کردن فاصله از مانع که باعث افزایش کارایی ناوبري می شود، از حسگر استفادهشده است - - Mohanty et al, 2013, 2014 استفاده از حسگرهاي التراسونیک براي ربات موبایل براي اندازهگیري فاصله و مکان موانع و استفاده از روش منطق فازي براي حرکت درآوردن ربات متحرك نیز موردتوجه محققین قرارگرفته است . - Li et al, 2013, Emhemed, 2013 -
کنترلکننده مد لغزشی تطبیقی با وجود انتگرالگیر در حلقه کنترلی براي رباتهاي متحرك غیرهولومونیکی چرخ دار توسط - Asif, 2014 - پیشنهادشده است . از کنترل سینماتیک اصلاحشده براي تولید سینماتیک سرعت استفادهشده که پسازآن بهعنوان ورودي به کنترلکننده تطبیقی اعمال می شود. دینامیک عملگر نیز براي تولید ولتاژ محرك ربات متحرك چرخدار از طریق گشتاور و سرعت بردارها استخراجشده است. پایداري مدل سینماتیک و کنترلکننده با استفاده از تحلیل پایداري لیاپانوف ارائه شده است. عملکرد طرح پیشنهادي با کنترلکننده سینماتیک استاندارد پسگام و کنترل حالت مد لغزشی کلاسیک مقایسه شده است. طراحی کنترلکننده رهبر-پیرو بر روي سیستم ربات متحرك غیر هولونومیکی بدون ارتباط از راه دور از دیگر استراتژيهاي توسعه یافته در زمینه اجماع سیستمهاي رباتیکی می باشد - . - Chen et al, 2015
یک سیستم مبتنی بر تشخیص دیداري جدید پیشنهادشده است که نیاز به تخمین حالتهاي داخلی رباتها را برطرف میکند. بعلاوه، کنترلکننده تطبیقی و یک کنترلکننده دوربین تطبیقی در حضور سرعتهاي رهبر ناشناخته و پارامترهاي مرتبط با دید، طراحی شده است. الگوریتم تصویر در کنترلکنندهها جهت محدود کردن ورودي کنترلی تعبیهشده است. کنترلکننده دوربین، مشاهدات پایدار از ویژگیهاي رهبر را تضمین میکند. بهمنظور ساده سازي برنامه کنترلی مبتنی بر گشتاور، رویکرد کنترل مقاوم مبتنی بر استراتژي کنترل ولتاژ توسعه یافته است - فاتح و همکاران، . - 2015 براي بهبود دقت، دینامیک موتور در نظر گرفته شده است.
بعلاوه، یک مدل فضاي حالت جدید براي ربات متحرك چرخدار غیرهولونومیک در فضاي کاري آن تعیینشده است. مهمترین مزیت این روش این است که آن مستقل از دینامیک ربات بوده و بنابراین، ساختار کنترلکننده ساده بوده، پاسخ سریع و سیستم کنترلی مقاوم می باشد. الگوریتمی به نام کنترلکننده سطح دینامیکی مبتنی بر رویتگر اغتشاش غیرخطی براي هدایت ربات متحرك با در نظر گرفتن نیروهاي اصطکاك توسط - Huang et al, 2015 - پیشنهادشده است . با استفاده از تبدیل مختصات، دینامیک اصلی ربات به فرم فیدبک متقارن تبدیل می شود که براي طراحی کنترلکننده سطح دینامیکی مناسب است.
با رویکرد پیشنهادشده امکان مقابله با اغتشاشات خارجی و عدم قطعیتهاي مدل فراهم می شود. پایداري سیستم حلقه بسته نیز مورد بازبینی قرارگرفته است.استراتژي کنترل مدل پیشبین مبتنی بر یادگیري توسط - Ostafew et al, 2016 - براي مسئله ردیابی مسیر با عملکرد مطلوب ربات متحرك پیشنهادشده است. این الگوریتم از یک مدل خودرو اولیه - از پیش تعیینشده - و یک مدل اغتشاش آموزش دیده استفاده میکند. اغتشاشها بهصورت فرایندهایی گوسی که توابعی از حالتهاي سیستم، وروديها و سایر متغیرهاي مرتبط با آنها هستند، مدل می شوند. فرایند گوسی بر مبناي تجربه حاصل از آزمایشات قبلی بروزمی شود.
مکان یابی براي ربات متحرك نیز توسط یک سیستم هدایت و نگاشت مبتنی بر پردازش و بصري انجام میگیرد. الگوریتم کنترل پیشبین همچنین بر مبناي سرو بصري براي هدایت ربات متحرك که در مختصات قطبی به سمت هدف مطلوب حرکت میکند، توسعه یافته است - Li et . - al, 2016 برنامه کنترلی هم در سطح سینماتیک و هم در سطح دینامیک تحقق داده شده است. کنترلکننده هدایت پیشبین سینماتیکی فرمان سرعتهاي مطلوب را فراهم می نماید . این فرامین توسط یک کنترلکننده حرکت سطح پایین دریافت می شوند. همچنین، یک کنترلکننده پیشبین دینامیکی نیز بهطور مستقیم گشتاور موردنیاز براي هدایت ربات متحرك به سمت هدف را فراهم میکند. همچنین، کنترل مدل پیشبین در تلفیق با بهینهسازي دینامیکی-عصبی براي تحقق ردیابی
