بخشی از مقاله
چکیده
شناورهای زیرسطحی هوشمند در واقع رباتهایی هستند که وظیفه انجام عملیات های مختلف در زیر آب را بر عهده دارند.از جمله ویژگی های یک ربات زیرسطحی هوشمند خوب، پایداری، کنترل پذیری و قابلیت مانور بالا است. بمنظور بهبود این ویژگی ها، در این مقاله یک شناور زیرسطحی هوشمند نوع هاورینگ به یک ابزار کنترلی جدید، یعنی مخازن بالاست1، مجهز شده است. تجهیزات مذکور با کنترل اختلاف نیروی وزن و بویانسی قابلیت اعمال نیرو و گشتاور را بر ربات دارا هستند.
استفاده از مخازن بالاست پیش از این در شناورهای هاورینگ مرسوم نبوده است. با طراحی دو مخزن برای شناور، مدلسازی دینامیکی بر اساس متغیر جرم مخازن با هدف دستیابی به درجات آزادی پیچ و هیو، صرفا با استفاده از مخازن، انجام شده است. برای رسیدن به موقعیت دلخواه جرم مخازن توسط کنترلر PID2 بر تنظیم شده اند. نهایتا مشخص شد استفاده از مخازن بالاست، برای رسیدن به بعضی درجات آزادی میتواند جایگزین تراستر شود و حداقل، درجات آزادی پیچ و هیو را هم در جهت منفی و هم مثبت قابل دسترسی کند.
مقدمه
رباتهای زیرسطحی هوشمند - AUV3s - ، امروزه به یکی از محبوبترین زمینه های پژوهش در صنایع دریایی، در دنیا بدل شده اند. رباتهای زیرسطحی هوشمند برحسب توانایی که دارند در زمینه های گوناگونی، مورد استفاده قرار میگیرند..[1]اخیرا تکنولوژی رباتهای زیرسطحی، بویژه رباتهای زیر سطحی بدون سرنشین پیشرفت زیادی را به خود دیده و توجهات زیادی را را به خود جلب کرده است.[2] شناورهای زیرسطحی هوشمند امروزه کاربردهای متفاوتی، از جمله، بازرسی بدنه کشتیها و بازرسی لولهها و کابلهای زیر دریا دارند .[3] از دیگر کاربردهای مهم رباتهای زیرسطحی هوشمند میتوان به کاربردهای نظامی، زیست محیطی، تعمیرات سکوهای دریایی وجغرافیایی اشاره نمود.
یکی از انواع AUV ها نوع هاورینگ4 است؛ ویژگی بارز این دسته از شناورها توانایی انجام هاورینگ است. هاورینگ به افزایش یا کاهش عمق بشکل عمودی گفته میشود .[4] با توجه به ویژگی های حرکتی منحصربفرد شناورهای زیرسطحی هوشمند نوع هاورینگ و سهولت طراحی و ساخت آنها از جهت عدم وجود محدودیتهای فضا برای قرارگیری تجهیزات، این ربات های زیرسطحی بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. هدف این مقاله بهبود مهمترین ویژگی یک شناور زیرسطحی هوشمند یعنی کنترل پذیری و پایداری آن است.
نیروهای قابل کنترل اعمالی به شناور، شامل نیروی تراسترها و اختلاف نیروی وزن و بویانسی است که در این مقاله با کنترل اختلاف بین نیروی وزن و بویانسی سعی شده تا ربات به موقعیت دلخواه دست پیدا کند. بدین منظور از تجهیزات متفاوتی که قبلا بکارگیریشان در این نوع شناورها مرسوم نبوده، به نام مخازن بالاست استفاده شده است. کنترل نیروی بویانسی -یا اختلاف آن با نیروی وزن- در رباتها و شناورهای زیرسطحی از اهمیت بالایی برخوردار است، یکی از مهمترین دلایل این اهمیت، احتمال تفاوت چگالی آب دریا در یک ناحیه هرچند کوچک، است. همچنین در مواردی برای حرکت دادن شناور، استفاده از این سازوکار،از لحاظ مصرف انرژی بهینهتر از بکار گرفتن پیشرانه است
سیستم مخزن بالاست شامل یک مجموعه ای از مدارت هیدرولیکی الکتریکی است که این تجهیزات در هر لحظه مقدار جرم آب مخازن را کنترل میکنند.نمونهای از بخش هیدرولیکی برای یک شناور زیرسطحی در سال 2007 توسط ورال و همکاران برای یک شناور زیرسطحی هوشمند طراحی و ساخته شده است.همچنین ساگالا و بمبنگ طراحی و ساخت برد الکترونیکی را برای یک گلایدر زیرسطحی مجهز به مخزن بالاست در سال 2011 انجام دادهاند.
پیش از این جفری س ریدل و همکاران در شناورهای هوشمند نوع اژدرگون، از این مخازن استفاده کرده اند. برای این شناور زیرسطحی، دومخزن بالاست برای کنترل پیچ و هیو تعبیه شده است و از اثر تغییر جرم مخازن بر ممانهای اینرسی، چشم چوشی شده است؛ در این پژوهش که در سال 2005 انجام گرفته از کنترلر فیدبک در فضای حالت برای کنترل جرم مخازن استفاده شده است
همچنین بهانشوار پراسد و همکارن یک شناور زیرسطحی هوشمند کروی با مخازن بالاست را در سال 2015 طراحی کرده اندکه مجهز به یک مخزن بالاست صرفا بمنظور کنترل عمق است؛ کنترلر مورد استفاده برای این شناور از نوع PID بوده است
در این مقاله به منظور کنترل جرم مخازن بر حرکت شناور نیز از کنترلر PID استفاده شده است. از جمله اولین استفاده کنندگان و پیشگامان از کنترل PID روی شناور زیرسطحی هوشمند میتوان به جالوینگ [10]، پرسترو [11]، پیو [12] و چوی [13] اشاره کرد. کیم و همکاران نیز در سالهای اخیر این کنترلر را بر روی یک ربات زیرسطحی هوشمند هاورینگ اعمال کرده اند.[14] علاوه بر این اثر تاخیر زمانی برای این کنترلر بر روی یک شناور نوع هاورینگ توسط کیم و همکاران اعمال شده است
کدخدایی و حسنزاده قاسمی کنترلر PD را برروی بک شناور هوشمند هاورینگ اعمال کرده اند .[4] علاوه بر اینها شمشیری و حسنزاده قاسمی از کنترلر مذکور برای کنترل یکی از درجات آزادی یک شناور نوع هاورینگ بهره برده اند. [16] در زمینه کنترلر شناورهای زیرسطحی هوشمند هاورینگ داری مخزن بالاست نیز پیش از این کریمی و حسنزاده قاسمی کنترل عمق شناور را با مخزن بالاست انجام داده اند
باتوجه به توضیحات ارائه شده مشخص شد تاکنون مخازن بالاست برای شناورهای زیرسطحی هوشمند نوع هاورینگ مورد استفاده قرار نگرفته اند و همچنین در پژوهش های پیش از این از تاثیر تغییرات جرم و محل مرکز جرم بر ممان های اینرسی صرف نظر شده است. از این رو در این مقاله برای دستیابی به مدل دینامیکی دقیقتر و کاهش خطاهای احتمالی کنترلر ناشی از نبود مدل دقیق، تغییرات ممان های اینرسی لحاظ شده است.ضمنا بدلیل رایج بودن و کارایی مناسب استفاده از کنترلر PID در شناورهای زیرسطحی هوشمند، اینجا نیز برای شناور مورد نظر از همین کنترلر استفاده شده است.
مدلسازی
شناور مورد نظر برای تجهیز به مخازن بالاست ربات RRC II است که توسط دانشگاه نایانگ طراحی و ساخته شده است.[18] این ربات در طراحی اصلی فاقد مخزن بالاست است و توسط 4 تراستر به حرکت در می آید. RRC II در واقع بمنظور بازرسی بدنه کشتی طراحی شده اما با اعمال تغییراتی قابلیت استفاده در کاربردهای دیگری را نیز دارد. شناور مذکور دارای سازه فضایی و نسبتا متقارن است که در شکل 1 قابل مشاهده است. این ربات دارای جرم 115 کیلوگرم میباشد[16] که بر همین اساس حداکثر حجم مخازن 16 لیتر انتخاب شده است و در حالت نیمه پر اختلاف نیروی وزن و بویانسی صفر میشود. جایگزاری و نامگذاری مخازن ربات در شکل 2 آورده شده است. با این اوصاف انتظار داریم شناور بتواند به درجات آزادی پیچ و هیو، هم در جهت مثبت و هم در جهت منفی دست پیدا کند؛ همچنین انجام همزمان حرکات مذکور نیز مطلوب ماست.
شکل:1 ربات RRC II
شکل :2 محل قرارگیری و نامگذاری مخازن
برای نام گذاری متغیرهای مکان از جدول 1 استفاده شده است.هاگن بناینگزار معادلات حرکت شناورهای زیرسطحی است .[19] که این روابط سپس توسط لوگان [20]، ژاو و همکاران [21]و چن [22] هم حاصل شد. همچنین مک اوین و استریتلین [23] و رزداک و ارشد[24] اولین کسانی بودند که این روابط را بصورت خطی درآوردند. در حالت کلی معادله حرکت شناور زیرسطحی خطی سازی شده بهصورت رابطه - 1 - خواهد بود.
در رابطه فوق M نشاندهنده مجموع ماتریس اینرسی و جرم افزوده خواهد بود، C ماتریس کریولیس، D ماتریس میرایی وG بیانگر اختلاف نیروی وزن و شناوری است. بخش مربوط به اینرسی ماتریس M طبق رابطه - 2 - تعریف میشود.
