بخشی از مقاله
چکیده
ربات های زیرسطحی بدون سرنشین - - UUV، از جمله سیستمهای دینامیکی به شدت غیرخطی و پیچیده میباشند که وجود نامعینی و عدم قطعیت در فرآیند مدل سازی، اغتشاش قوی ناشی از جریان آب، مسئله کنترل و هدایت آنها را با مشکل مواجه میکند. کنترل عمق، زاویه سمت و سرعت پیشروی یک نمونه ROV در حضور عدم قطعیت و تغییر پارامترهای سیستم با زمان، مسئلهای است که در این مقاله به آن پرداخته شده است. از کنترلکنندههای PID، در یک ساختار آبشاری و غیرخطی در کنترل عمق، زاویه پیشروی و سرعت طولی ربات استفاده شده است.
با توجه به وجود نامعینی و عدم قطعیت در سیستم مورد نظر و متغیر بودن پارامترهای دینامیکی ربات، یک کنترلکننده تطبیقی MDPP نیز توسعه داده شده است. یک مدل دینامیکی از یک نمونه - DST -R-100-4 - ROV استخراج شده و کنترلرهای طراحی شده بر آن اعمال گریده است. مدل حلقه بسته، با وجود ورودی های مختلف شبیه سازی شد. نتایج نشان از عملکرد مناسب هر دو ساختار کنترلی در ردیابی ورودی دارد. با توجه به نتایج شبیهسازی مشاهده شد کنترلکننده تطبیقی در گستره وسیعتری از تغییرات پارامترها قادر به حفظ کیفیت کنترلی است.
مقدمه
امروزه رباتهای زیرسطحی بخش جدا نشدنی از صنایع و علوم دریایی هستند. در حال حاضر این رباتها بخش بسیار مهم و قابل اعتمادی از صنایع ساحلی و فراساحلی میباشند که توسط نهادهای تجاری، دولتی، نظامی و دانشگاهی مورد استفاده قرار میگیرند. رباتهای زیرسطحی مدرن طیف متنوعی ازوظایف محوله را، از بازرسیِ محیطهای خطرناک تا تعمیرتاسیسات پیچیده زیردریاییِ صنایع نفت و گاز، به انجام میرسانند.
در پژوهش های صنعتی و دانشگاهی راهکارها و استراتژیهای مختلفی به منظور کنترل ربات های زیرسطحی ROV1 - و AUV2ها - ارائه شده است. ROV ها ربات های زیرسطحی هستند که از طریق یک کابل با سطح آب در ارتباط بوده و انرژی مورد نیاز و فرامین کنترلی را دریافت میکنند. برای کنترل این ربات ها نیاز به یک فرد ماهر و با تجربه میباشد. بمنظور ایمنی بیشتر و کاهش خطای انسانی در کنترل، میتوان برخی از درجات آزادی ربات را بصورت اتوماتیک کنترل کرد.
کنترل عمق، سمت و سرعت روبه جلو، از درجات آزادی هستند که بهطور معمول بصورت اتوماتیک کنترل می شوند. سه مسئله اساسی در کنترل این ربات ها وجود دارد: - 1 عدم قطعیت و نامعینی در پارامترهای ربات - جرم افزوده، ضرایب هیدرودینامیکی - ، -2 محیط دینامیک زیرآب که موجب اعمال اغتشاش به ربات می گردد و -3 تغییر در پارامترهای ربات - اضافه کردن تجهیزات مختلف و تغییر در محیط کاری - .
کنترلر مدلغزشی3 انتخاب مناسبی برای غلبه بر دو مشکل اول ذکر شده میباشد، اما کنترلر مد لغزشی استاندارد، فرامین با فرکانس بالا به عملگرها ارسال می کند که این امر باعث افزایش احتمال خرابی و کاهش عمر عملگرها می شود. برای غلبه براین مشکل، کنترلر مدلغزشی با مرتبه بالا4 در[1] ارائه شده است. این نوع کنترلر مزایای کنترلر مدلغزشی را حفظ کرده و اثر چترینگ را حذف مینماید. کنترلرهای کلاسیک PID برای کنترل حرکت ROV ها - مانند دیگر کاربردهای صنعتی - نسبت به مابقی کنترلرها ترجیح داده می شود.
کنترلر PID در مواجهه با سیستمهای غیرخطی چند متغیره و دینامیک متغیر با زمان دارای محدودیت است؛ ولی بدلیل سادگی در پیاده سازی و تحلیل و موفقیت در عمل، نسبت به دیگر کنترلرها ترجیح داده می شود. محدودیت های موجود در این کنترلر را می توان با ترکیب با دیگر تکنیک ها مرتفع کرد. به عنوان نمونه خطیسازی دینامیک در بازخورد متغیرهای حالت یا پیشخورد ورودی مبنا میتواند محدودیت اعمال بر سیستمهای غیرخطی را بهبود دهد. تغییر ضرایب کنترلی بر اساس قوانین تطبیقی و یا جداول زمانبندی-ضرایب5 می تواند محدودیت اعمال بر سیستم های متغیر با زمان را تا اندازه ای برطرف نماید. تکنیکهای پیشرفته کنترلی قادرند تا بر دینامیک غیرخطیROV و همزمان بر اثر اغتشاش محیطی غلبه نمایند، ولی این تکنیکها هنوز نیاز به مدل نامی دقیق از دینامیک ربات دارند تا به کیفیت مورد نظر دست یابند.
با توجه به وجود ساختارهای مختلف برای کنترل حرکت ROV در این مقاله در ابتدا کنترلر PID با ساختار آبشاری برای کنترل سه درجه آزادی - سرعت رو به جلو، عمق و زاویه سمت - طراحی شده است. سپس یک کنترلر MDPP تطبیقی برای مقابله با چالشهای کنترلی طراحی شده است. نتایج رفتار وسیله در دو حالت کنترلی با یکدیگر مقایسه شده است.
در بخش اول مقاله به مدلسازی رفتار دینامیکی وسیله با استفاده از معادلات دینامیک ربات پرداخته شده است. در بخش دوم کنترلر PID برای ربات طراحی شده است. در بخش سوم کنترلر MDPP تطبیقی طراحی شده و در بخش چهارم بر روی نتایج بدست آمده بحث و بررسی انجام شده است.
مدل دینامیکی ربات
در این مقاله ربات DST-ROV-100-4 به منظور شبیه سازی دینامیکی و بررسی رفتار کنترلی مورد استفاده قرار گرفته است. این ربات دارای چهار تراستر است که می تواند درجات آزادی سرج6، هیو7، اسوی8 و یاو را تحریک نماید. در شکل - - 1 و - 2 - شماتیک این ربات و موقعیت قرارگیری تراسترهای آن نشان داده شده است. دو تراستر T1 و T2 حرکت رو به جلو - سرج - و حرکت دورانی یاو را تولید می کنند. تراستر T3 حرکترجانبی و تراستر T4 حرکت بالا و پایین را موجب میشوند.
شکل :1 شماتیک ربات DST-ROV-100-4 شکل :2 موقعیت قرارگیری تراسترها
برای تولید معادلات دینامیکی برای ربات ROV روش های متنوعی در مقالات و کتاب ها وجود دارد. عمومی ترین روش استفاده از روابط اویلر-لاگرانژ برای استخراج معادلات دینامیکی غیرخطی شش درجه آزادی است .[6] برخی از روشهای مدلسازی تنها به درجات آزادی کنترل شده توجه می کنند. می توان معادلات دینامیکی را برای ربات مورد اشاره در این مقاله تنها در چهار جهت سرج، اسوی، هیو و یاو تولید نمود.
این روش بطور گسترده در [3]، [5] و [7] مورد استفاده قرار گرفته است. به این مدل استخراجی از ربات، مدل کنترلی پلنت9 نیز گفته میشود. در مقاله حاضر مدل شش درجه آزادی غیرخطی از ربات با استفاده از روابط اویلر- لاگرانژ استخراج شده و ضرایب هیدرودینامیکی برای ربات مورد بررسی از [8] استخراج شده است.
سینماتیک ربات
به منظور سهولت تحلیل رفتار دینامیکی سیستم دو دستگاه مختصات مجزا مورد نظر است. این دستگاهها شامل دستگاه مختصات بدنی 10 و دستگاه مختصات مرجع11 است. دستگاه مختصات مرجع به زمین ثابت شده و دستگاه مختصات بدنی با مرکز جرم سیستم هممرکز شده است و با آن در حرکت است.
شکل :3 دستگاه مختصات بدنی و مرجع تعریف شده برای سیستم
معادله عمومی دینامیک حرکت جسم صلب در فضای سه بعدی به صورت رابطه - 1 - قابل بیان است که در آن MRB ماتریس جرم و ممان اینرسی و ماتریس CRB شامل ترمهای کوریولیس و گریز از مرکز سیستم است.
با توجه به عملکرد ربات در زیر آب، محاسبه دقیق نیروهای هیدرودینامیکی در مدلسازی دینامیکی سیستم از اهمیت بالایی برخوردار است. پیچیدگی مدلسازی و عدم امکان محاسبه دقیق این نیروها از جمله چالشهای اصلی در مدلسازی این سیستم است. نیروهای هیدرودینامیکی شامل اثرات جرم و ممان افزوده - MA, CA - ، نیروی پسا و بایانسی مطابق رابطه - - 3 است.
با جایگذاری روابط - 3 - و - 2 - در - 1 - ، معادله عمومی حرکت ربات زیرسطحی به صورت رابطه - - 4 قابل بیان است.
به منظور تکمیل مدل ریاضی، ضرایب هیدرودینامیکی باید محاسبه شود. با استفاده از نتایج مرجع [8] ضرایب پسا برای حرکت در امتداد محورهای x و y و z بر اساس نتایج حاصل از تجزیه و تحلیل CFD محاسبه شده و از تئوری استریپ12 برای محاسبه ضرایب جرم افزوده استفاده شده است.
به منظور تکمیل مدل دینامیکی نیاز به یک مدل دقیق از تراسترهای سیستم است. برای این منظور از مدل توسعه داده شده در مرجع [9] استفاده شده که مدلی دقیق و صحه گذاری شده با دادههای آزمایشگاهی است.
طراحی کنترلکننده PID با ساختار آبشاری
با توجه به شناخت به دست آمده از دینامیک سیستم، و بررسیهای انجام شده، استفاده از کنترلکنندههای PID در یک ساختار کنترلی تودرتو، مدنظر است. استفاده از ساختار کنترل تودرتو در سیستمهای صنعتی به وفور یافت میشود . از جمله ویژگیهای مثبت این ساختار میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
✓ سرعت بالای ردیابی نسبت به ساختار ساده
✓ عملکرد کنترلی بهتر
✓ غلبه بر غیرخطیگری سیستم در حلقه داخلی
✓ امکان اضافه کردن قیود مساله در حلقههای کنترلی
