بخشی از مقاله
چکیده
یکی از مسائلی که در بحث رباتهای چندگانهی امنیتی متحرک مطرح است، مساله رهیابی خودمختار ربات است×؟ربات باید جهت حفظ امنیت یک محیط، کل منطقهی تحت پوشش خود را بدون برخورد با موانع، گشت زنی کند و در عین حال در مواجهه با یک رویداد امنیتی - ورود مزاحم به محیط - توانایی حرکت بهسمت عامل مزاحم و تعقیب آن را داشته باشد. در ای ن مقاله مسیریابی و اجتناب از موانع و همچنین تعقیب ربات مزاحم، با استفاده از روش منطق فازی و بهرهگیری از یک سنسور آلتراسونیک متحرک، انجام گرفته است. شبیهسازی ربات با استفاده نرمافزار گرافیکی لبویو انجام شده است.
-1 مقدمه و هدف
برقراری امنیت محیطهای حساس در برابر حملهی نفوذی، یک موضوع پیچیده میباشد. سیستم نظارت تصویری، یک راهحل جهت انجام این وظیفه است. از مشکلات این روش میتوان به حضور سرنشین و هزینهی بالا اشاره کرد. راهحل جایگزین، استفاده از سیستم ربات چندگانهی خودمختار، جهت تشخیص مزاحم به منظور کاهش هزینهی کلی سیستم میباشد.[1] از طرفی استفاده از انسان به عنوان نگهبان امنیتی، معایب ومحدودیتهای جسمی، روانی و عاطفی دارد بنابراین، رباتهای هوشمند میتوانند بر این مشکلات غلبه کرده و جهت انجام وظایف امنیتی مختلف، برنامهریزی شوند.
رباتهای هوشمند موجودات مستقل فیزیکی هستند که از اطلاعات محیط اطرافشان برای رسیدن به اهداف استفاده میکنند .[2] بخش عمدهای از کار روی امنیت روباتیک، بر پایهی روباتیک رفتاری[3] ، روباتیک هوش مصنوعی[2]، سیستم نظارتی[4] میباشد. فعالیتهای قابل توجه در این زمینه توسط [5] H.R.Everett انجام شده است؛ که اولین رباتهای امنیتی متحرک - ROBARTS I,II,III - بهعنوان پلت فرم تحقیقاتی برای پلیس و ارتش ارائه داد.
رباتهای متحرک دستهای از رباتهای هوشمند هستند که میتوانند در محیطهای مختلف و با قابلیتهای گوناگون مورد استفاده قرار گیرند .[6] رباتهای متحرکمعمولاً باید در محیطی مشخص حرکت کرده و به یک هدف خاص برسند، لذا در این گونه رباتها همزمان باید به دو نکته توجه داشت: حرکت به سمت هدف و اجتناب از موانع .[7] به این کار رهیابی گفته میشود. مساله رهیابی در یک محیط ناشناخته شامل دو مبحث اصلی است: موقعیتیابی و طرحریزی مسیر .[8] موقعیتیابی به معنای یافتن موقعیت و زاویهی قرارگیری ربات در محیط است.
این کار با استفاده از وسایلی مثل قطبنما، GPS و غیره صورت میگیرد. در عین حال ربات نیاز دارد تا موقعیت اشیاء و موانع قرار گرفته در محیط را نیز بداند، بدین منظور از انواع سنسورها در ربات استفاده میشود که از آن جمله میتوان به سنسورهای لیزر، مافوق صوت و غیره اشاره کرد .[7] طرح ریزی نیز به معنای یافتن بهترین مسیر برای رسیدن به هدف است به گونهای که ربات در مسیر حرکت به هیچ مانعی برخورد نکند .[9]
تحقیقات زیادی تاکنون برای رسیدن به این هدف صورت گرفته است 11]،.[10 در این مقاله از روش منطق فازی جهت طرح ریزی مسیر حرکت ربات، استفاده شده است و سعی بر آن است که به کمک این روش، استراتژی حرکت به سمت هدف و عبور از موانع انجام گیرد. در بخشهای پیش رو پس از بررسی پیشینهی تحقیق و مدل ربات مورد استفاده به همراه نوع سنسور و محیط بکار گرفته شده، چگونگی طراحی کنترلر فازی، آورده شده است و در نهایت نتایج شبیهسازی و بحث را خواهیم داشت.
-2 تئوری و پیشینه تحقیق
یکی از جنبههای بسیار مهم در رباتهای امنیتی هوشمند، جلوگیری از برخورد با موانع و حرکت به سمت هدف میباشد. تاکنون روشهای مختلفی جهت تحقق این امر، ارائه شده است×؟یکی از روشهای معمول استفاده از روش میدان پتانسیل است .[12] اساس این روش، اعمال میدان پتانسیل بر روی محیط به گونهای است که ربات به سمت هدف جذب شده و از موانع دفع گردد، اما این روش دارای مشکل مینیمم محلی است؟
بر این اساس Sharma در سال [13] 2010 از کد نویسی c برای طراحی یک ربات هوشمند استفاده کرد که جهت تشخیص موانع از روش ادغام چند سنسور و با استفاده از LED های مبتنی بر ماژولهای فرستنده و گیرندهی 1IR با میکروکنترلر 8051 استفاده شد. Gracia و Memon در سال 15] 2013،[14 به ترتیب به استفاده از الگوریتم تهویه مرجع فعال2 بر اساس نظریههای تغییر ناپذیری هندسی و مد لغزشی3 و روش هوش مصنوعی، جهت طراحی ربات با هدف جلوگیری از برخورد با موانع پرداختند.
از آنجایی که حرکت ربات میتواند بر پایه ریاضیات از طریق یکپارچهسازی سیستماتیک و دینامیک محاسبه شود، بهدلیل پیچیدگی محاسبات در این روش، Tang در سال [16] 2014 از شبکههای عصبی مصنوعی - 4ANN - با حل توابع غیرخطی، Abhaya در همین سال [17] از روش فازی عصبی و [11] Pratihar از روش ژنتیک×؛فازی جهت کنترل سیستم ربات استفاده کردند.
روشهای دیگری نیز با فرض متغیر بودن هدف ارائه شدهاند که از آنها میتوان به روش سیکل محدود اشاره کرد×.[18]در این روش خط مسیر هدفکاملاً مشخص در نظر گرفته شده است. روش دیگر، استفاده از روش موسوم به یادگیری تقویتی توافقی [19] میباشد که از آن بهخاطر استفاده از قواعد بازی رباتهای فوتبالیست، نمیتوان در هر محیط دلخواه استفاده کرد؟
-3 مواد و روشها
در این بخش ابتدا به معرفی منطق فازی میپردازیم و در ادامه مدل ربات مورد استفاده به همراه سنسور نصب شده روی آن آورده شده است و در نهایت کنترلر منطق فازی طراحی شده در ربات را خواهیم داشت.
-1-3 منطق فازی
منطق فازی در برابر منطق »باینری« که همه چیز را فقط به دو شکل صفر و یک میبیند، قرار دارد. این منطق در بازه بین صفر و یک قرار داشته و با دوری از مطلقگویی - فقط صفر یا یک - از مقدار تعلق عضوی به مجموعه بحث میکند .[20] منطق فازی در سال 1965 برای اولینبار در مقالهای به همین نام [21]، توسط پروفسور لطفیزاده ارائه شد. این منطق راهکاری است که بهوسیلهی آن میتوان سیستمهای پیچیده را که مدلسازی آنها با استفاده از ریاضیات و روشهای مدلسازی کلاسیک غیرممکن بوده و یا بسیار مشکل است، بهآسانی و با انعطاف بیشتر، مدلسازی کرد.
سیستم منطق فازی، ورودی دقیق را به خروجی دقیق از طریق سه فرایند کلیدی، یعنی فازیسازی، ارزیابی قوانین و نافازیسازی تبدیل میکند. فازیسازی و نافازیسازی با استفاده از چندین مجموعهی فازی برای هر ورودی و خروجی بهدست میآید. قوانین فازی اعمال شده به ورودی فازی نیز ترکیبی از ارتباط ورودی فازی به هر خروجی فازی است که طی آن، مسائل کنترلی به یک سری قوانین IF x And y THEN z تبدیل میشوند. فازیسازی ورودی crisp را به ورودی فازی متناظر تبدیل میکند و نافازیسازی خروجی فازی را به خروجی crisp تبدیل میکند. فازیسازی و نافازیسازی برای چندین مجموعهی فازی استفاده میشوند. ریشه تئوری مجموعهی فازی بر ایدهی متغیرهای زبانی قرار دارد و یک متغیر زبانی یک متغیر فازی است .[22]
-2-3 مدل ربات مورد استفاده و نوع سنسور
جهت پیادهسازی محیط، ربات امنیتی و ربات مزاحم، از زبان و محیط برنامهنویسی لب ویو استفاده شده است. در تولکیت روباتیک این نرمافزار رباتهای مختلفی از دو شرکت kuka و kit جهت استفادهی کاربران تعبیه شده است که در این مقاله از ربات kit2 جهت طراحی کنترلرحرکتی آن، استفاده شده است - شکل . - 1 ربات kit2، یک ربات متحرک سه چرخ، دو موتور DC و یک سنسور فاصلهسنج آلتراسونیک میباشد که این سنسور، یک سنسور مجاورتی بوده که با ارسال پالس صوتی کوتاه، در فرکانس بالاتر از محدوده شنوایی انسان و دریافت آن پس از انعکاس از سطح جسم مورد نظر، از طریق محاسبه زمان رفت و برگشت امواج مافوق صوت در هوا، فاصله را با وضوح بالا اندازهگیری مینماید.
در این ربات، سرعت اعمالی به موتور چپ باعث حرکت چرخ چپ که در جهت پادساعتگرد میچرخد، میشود. بنابراین، ارزشهای مثبت سرعت باعث حرکت چرخ، به سمت جلو و ارزشهای منفی سرعت باعث حرکت آن به سمت عقب میگردد. از سویی دیگر، حرکت چرخ راست در جهت ساعتگرد بوده و چنانچه سرعت اعمالی از موتور سمت راست دارای ارزش مثبت باشد، باعث حرکت چرخ به سمت عقب شده و با سرعتهای اعمالی با ارزش منفی، این چرخ به سمت جلو حرکت میکند. این ربات قابل برنامه ریزی میباشد. محیط مورد استفاده در این مقاله، یک محیط سه بعدی با طول و عرض 6 متر میباشد که پنج مانع مختلف در آن قرار داده شده است. شکل 2 محیط شبیهسازی شده همرا با ربات kit2 که در مبدا قرار دارد را نشان میدهد.
