بخشی از مقاله
خلاصه:
دراین مقاله یک استراتژی اجتناب از مانع ارائه میشود که برای یک وسیله نقلیه خودگردان زیرآبی - AUV - مختص آبهای خلیج فارس طراحی شده است. موضوع اصلی این تحقیق ترکیب تکنیکهای طراحی حرکت سراسری و واکنشی برای دستیابی به یک ماژول اجتناب از مانع کارآمد و مقاوم است. ماژول اجتناب از مانع سعی دارد تا از مشکلاتی که تمامی روشهای واکنشی با آنها مواجهاند، کاسته و یک ناوبری بدون برخورد را در یک محیط ناشناخته میسر سازد.
خروجی این ماژول، یک مسیر هموار بدون برخورد است که با استفاده از الگوریتم سراسری ترکیبی جدید ما به نام HYBRID-VQVW و دو الگوریتم محلی میدان پتانسیل و VISBUG ساخته میشود. ماژول اجتناب از مانع پیشنهادی در محیط-های مختلف شبیهسازی شده و تحقق پذیری و مقاوم بودن خود را با تکمیل تمامی ماموریتهای محوله به طور موفق نشان میدهد.
1 -مقدمه
امروزه وسایل نقلیه زیرآبی بخش جدا نشدنی صنایع و علوم دریایی محسوب میشوند. این وسایل نقلیه نقش مهمی در صنایع ساحلی و فراساحلی دارند و توسط نهادهای تجاری، دولتی، نظامی و دانشگاهی مورد استفاده قرار میگیرند. وسیله نقلیه خودگردان زیرآبی - AUV - به کابل نیازی ندارد و میتواند به صورت خودگردان تا عمق شش هزار متری اقیانوس حرکت کند. این وسایل طیف متنوعی از ماموریتها، از بازرسی محیطهای خطرناک درون راکتور هستهای گرفته تا تعمیر تاسیسات و تجهیزات پیچیده اسکلههای دریایی و صنایع نفت و گاز را به انجام میرسانند .این وسایل صرفاً به کاربردهای اکتشافی زیر آبی محدود نمیشوند. از این وسایل برای اهداف نظامی از قبیل خنثی کردن مینها، گشتزنی و جمعآوری اطلاعات و درصورت لزوم ورود به قلمرو دشمن و مختل کردن ماشینهای جنگی نیز استفاده میشود.
قبل از توصیف ماژول اجتناب از مانع لازم به ذکر است که تکنیکهای طراحی مسیر به طور عمده به دو دسته روشهای سراسری - سنجشی - و محلی - واکنشی - تقسیمبندی میشوند . تفاوت این روشها در چگونگی استفاده از اطلاعات محیط میباشد.
در روشهای سراسری فرض بر این است که محیط شناخته شده است و موانع موجود در فضای کار نیز ثابتاند، در نتیجه مسیری کامل را از موقعیت اولیه به موقعیت هدف تولید میکنند. روشهای محلی از آخرین اطلاعات سنسورها برای تولید یک مسیر محلی که تا حد رنج سنسورها معتبر است، استفاده میکنند. بنابراین قادر به کار با موانع ناشناخته و نیز متحرک میباشند. بر خلاف روشهای طراحی مسیر سراسری، پیاده سازی روشهای واکنشی آسان است و به محاسبات کمی نیاز دارد .
این خصوصیات آنها را برای کاربردهای بهنگام ایدهآل میسازد. عیب استفاده صرف از روشهای واکنشی این است که رسیدن به موقعیت هدف را ضمانت نمیکنند. به علاوه در شرایطی که وسیله نقلیه در مینیمم محلی میافتد - مانند یک مانع U شکل بزرگ - ، استراتژی واکنشی ممکن است عملکرد نامطلوبی داشته باشد.
روشهای طراحی حرکت سراسری که نیازمند شناخت کامل محیط میباشند نیز به تنهایی برای استفاده در ماژول اجتناب از مانع مناسب نیستند، زیرا نقشه محیط ممکن است درست نباشد، یا به علت موقعیتیابی ضعیف ممکن است وسیله نقلیه قادر به تعقیب مسیر تعیین شده توسط طراح نباشد ، که در این مورد به اصلاح مسیر برای اجتناب از برخوردهای غیر منتظره نیاز داریم. همچنین از آنجا که محیط دریا دینامیکی است، ممکن است موانع جدیدی بر روی نقشه ظاهر شوند که قبلا آشکار-سازی نشده بودند. بدین منظور در طراحی ماژول اجتناب از مانع در این تحقیق تکنیک طراحی حرکت سراسری با دو روش واکنشی ترکیب میشود. در نتیجه از مسئله مینیمم محلی به کلی اجتناب میگردد و وسیله نقلیه به سمت نقطه هدف هدایت میگردد.
2 -ماژول اجتناب از مانع
ساختار کلی سیستم ما بر روی دو کامپیوتر قرار گرفته است: کامپیوتر حسگر و کامپیوتر کنترل. کامپیوتر حسگر به طور خاص به عنوان واسطی با حسگرهای خارجی به کار میرود. الگوریتم مورد استفاده برای ترکیب دادههای حسگرها بر روی کامپیوتر حسگر اجرا میشود. تمامی ماژولهای دیگر مربوط به کنترل AUV نظیر کنترلرهای سطح بالا و سطح پایین، بر روی کامپیوتر کنترل قرار می-گیرند.کامپیوتر کنترل مستقیماً با یک واسط به موتور و تراسترها متصل است.
ماژول اجتناب از مانع بر روی کنترلر سطح بالا قرار دارد و روی کامپیوتر کنترل اجرا میشود. بدین ترتیب خروجیهای کنترلر سطح بالا نقاط نمونهبرداری شده یک مسیر هموار و سرعت خطی وسیله نقلیه برای تعقیب مسیر میباشند. این خروجیها برای اجرا به کنترلر سطح پایین فرستاده میشوند.
ورودیهای این ماژول عبارتند از: موقعیتهای اولیه - qinit - و نهایی - qgoal - وسیله نقلیه، اطلاعات مرز محیط در صورت دسترسی و اطلاعات موانع. ماژول اجتناب از مانع بایستی با استفاده از این ورودیها، مسیری بدون برخورد و قابل اجرا برای هدایت وسیله نقلیه از qinit به qgoal تولید کند. شکل - 1 - بلوک دیاگرام ماژول پیشنهادی را نشان میدهد. ماژول اجتناب از مانع طراحی حرکت سراسری را با یک روش واکنشی ترکیب میکند تا با تولید یک مسیر بدون برخورد، وسیله نقلیه را به سمت هدف هدایت کند.
شکل - 2 - فلوچارت فرآیند تولید مسیر در ماژول اجتناب از مانع را نشان می-
دهد. همانگونه که در شکل نیز مشخص است، اولین مرحله در طراحی مسیر، تولید یک مسیر هموار سراسری - GP - است که موقعیت اولیه را به موقعیت نهایی مطلوب وصل کند.
مسیر سراسری GP به صورت زیر تعریف میشود.
موقعیت اولیه و موقعیت مطلوب نهایی به ترتیب با rinit و rgoal نشان داده میشوند. پس از تولید GP بایستی بدون برخورد بودن GP ضمانت شود. در بخش - 4 - بررسی برخورد روی مسیر GP شرح داده میشود. اگر GP بدون برخورد باشد، آنگاه مسیر سراسری به کنترلر سطح پایین ارسال میگردد . اگر مانع جدیدی در سر راه مسیر سراسری قرار گیرد، ماژول اجتناب از مانع وجود یا عدم وجود rgoal در رنج قابل مشاهده حسگر را بررسی میکند. اگر qgoal در محدوده رنج حسگر و نیز بدون برخورد باشد، آنگاه مسیرنهایی FP با استفاده از تکنیک VQVW که در بخش - 3 - معرفی میگردد، تولید میشود.
اگر تمامی بررسیهای ذکر شده با عدم موفقیت مواجه شدند، ماژول اجتناب از مانع به استراتژی واکنشی برای اجتناب از مانع و رسیدن به qgoal اتکا میکند. بخش - 5 - ماژول واکنشی استفاده شده برای تولید مسیرهای محلی بودن برخورد را شرح میدهد. این روند یک سیکل از فرآیند تولید مسیر در ماژول اجتناب از مانع را کامل میکند . این فرآیند تا زمانی که dist - r,rgoal - مقداری کوچک شود - کمتر از یک متر - ، ادامه مییابد و پس از آن کنترلر سطح بالا کنترل وسیله نقلیه را به عهده میگیرد. در طول فرآیند تولید مسیر، ماژول اجتناب از مانع دستورات تعقیب مسیر را به کنترلر سطح پایین ارسال میکند؛ در هر حال اگر شرایط ایجاب کند، ماژول اجتناب از مانع قادر به دادن دستور توقف اضطراری و مانورهای رباتیکی است.
3 -مسیر سراسری
برای تولید یک مسیر سراسری کوتاه، امن و هموار با ترکیب چهار روش گراف پدیداری1، درخت چهار وجهی2، دیاگرام ورونویی3 و جبهه موج4
در یک ساختار واحد، یک الگوریتم ترکیبی جدید به نام 5VQVW تعریف میشود . در واقع در هر فاصله نمونهبرداری پس از ساخت چهار مسیر سراسری روی فضای پیکربندی، بهترین آنها طبق چند ملاک رفتاری مشخص میشود . این ملاکها شامل طول، امنیت و همواری مسیر میباشند.
با توجه به مرجع [2] الگوریتم گراف پدیداری کوتاهترین و هموارترین مسیر، الگوریتم دیاگرام ورونویی طولانیترین و ناهموارترین مسیر و همچنین از لحاظ امنیت، الگوریتمهای دیاگرام ورونویی و جبهه موج بهترین نتایج را به ما میدهند. در نتیجه در این الگوریتم برای تبدیل نقشه به یک نقشه گسسته از چهار روش ذکر شده استفاده میشود. شکل - 3 - نمونهای از مسیر تولید شده توسط الگوریتم HYBRID-VQVW رانشان میدهد.
نتایج نشان میدهند که الگوریتم HYBRID-VQVW یک مبادله پارامتری میان کوتاهترین، امنترین و امنتر است. هموارترین مسیر برقرار میکند و در نهایت به مسیری میرسیم که از مسیر تولید شده با روشهای دیاگرام ورونویی، درخت چهار وجهی و جبهه موج کوتاهتر و هموارتر بوده است
شکل - 1 - ورودیها و خروجیهای ماژول اجتناب از مانع پیشنهادی.
موقعیت اولیه و نهایی وسیله نقلیه
مسیر هموار بدون برخورد
سرعت خطی
ماژول اجتناب از مانع
دادههای حسگرها اطلاعات مرزهای ناحیه در صورت دسترسی
شکل - 2 - فلوچارت فرآیند تولید مسیر در ماژول اجتناب از مانع
