بخشی از مقاله
چکیده :
در این مقاله روبات شبه خودرو با مکانیزمی که دارای دو چرخ در جلو و یک چرخ هرزگرد در عقب میباشد تحت کنترل قرار می گیرد. پس از معرفی یک مدل سینماتیکی برای روبات و تعیین وضعیت روبات در روی سطح، یک کنترلر فازی با نرم افزار Matlab شبیه سازی و طراحی می شود تا روبات از نقطه ای با مختصات مشخص و روی یک مسیر در نظر گرفته شده به سمت نقطه مورد نظر حرکت کند .در نهایت مسیر رفرنس و مسیر اصلی روبات و همچنین خطای جهت و خطای فاصله از نتایج بدست آمده از طراحی، مورد مقایسه قرار می گیرند. هدف از طراحی کنترلر فازی مورد نظر در این مقاله ، دنبال کردن مسیر رفرنس و رسیدن به نقطه و مکان مشخص ذکر شده می باشد .
- 1 مقدمه
روبات ها در دنیای امروزی از جایگاه بالایی برخوردار هستند و تمامی جوامع بشری برای راحتی، امنیت،افزایش دقت،کاهش زمان و بهره بری حداکثر و عوامل دیگر،نیاز جایگزینی روبات ها بجای نیروهای انسانی را احساس می کنند.روبات های متحرک دارای ساختار ها و کاربرد های متنوع و مختلفی هستند و هر کدام بر اساس نوع نیاز و نوع ساختار، مورد استفاده قرار می گیرند.در ساختار برخی از روبات های متحرک به جای چهار چرخ از سه چرخ استفاده می شود
در این حالت عموما دو چرخ ثابت وتنها در جای خود می چرخند و تنها یک چرخ دارای حرکت آزاد است.در این مقاله روبات مورد نظر که تحت کنترل قرار می گیرد از نوع 3 چرخ می باشد.راه های زیادی برای کنترل مسیر و هدایت یک ربات در مسیر خاص وجود دارد ،کنترل روبات به کمک پردازش تصویر،شبکه ی عصبی،ژنتیک الگوریتم ، کنترلرهای کلاسیک و... . کنترل فازی کنترلری است که بر اساس تجربیات انسانی و قوانین مورد نیاز انجام می گیرد بطور کلی یک رویکرد کنترلی مبتنی بر علم و دانش و قواعد است.این کنترلر به عنوان یکی از زیر شاخه های کنترل هوشمند روش هایی را جهت آنالیز و طراحی سیستم های با مدل پیچیده و یا غیر دقیق فراهم می آورد،به علاوه به علت سادگی و توانایی استفاده در زمان واقعی ،منطق و روش کنترل فازی یک انتخاب خوب برای این زمینه است.
یک سیستم فازی از سه جهت دارای اهمیت است:
- به دلیل عدم وابستگی به مدل سیستم، دارای پایداری بالا می باشد
- به دلیل دارا بودن ماهیت مبتنی بر قوانین و استفاده از متغیر های زبانی ، قابلیت به کارگیری دانش انسانی را برای سیستم دارا می باشد.
- به دلیل دارا بودن خاصیت تقریب گری عمومی ،به صورت بالقوه دارای بهترین عملکرد می باشد .
در گذشته منطق فازی در سیستم های هدایت روبات متحرک مورد استفاده قرار گرفته است.
در روش های قبل برای هدایت روبات جهت دنبال کردن یک مسیر دلخواه طرحی بر اساس مدلی از محیط صورت می گرفته است. با وجود مشکلاتی همچون عدم قطعیت ها و عدم شناخت قبلی از محیط،بدست آوردن یک مدل صحیح از یک محیط پویا مشکل یا حتی غیر ممکن می باشد.بنا براین روش های طراحی سنتی در حالت کلی نمی توانند جوابگوی حالات مختلفی از مسائل هدایت در محیط واقعی باشند.با گسترش تکنولوژی سنسور، روش های راکتیو برای الگوریتم های کنترل روبات متحرک پیشنهاد شده است.
در این روش ها بر اساس داده های سنسور فرامین کنترلی صادر می گردد. استفاده از منطق فازی نسبتا یک ایده و روش تازه در میان روش های کنونی و فعال می باشد و همچنین کارآمدی و بازده خوب آن مورد نظر و اثبات قرار گرفته است[6] و .[7]با توجه به همه ی مزایایی که الگوریتم فازی برای سیستم های هدایت روبات متحرک عرضه می کند ،کماکان زمینه برای تحقیق بیشتر و روشهای ترکیبی نیز وجود دارد،به عنوان نمونه می توان از ترکیب کنترل فازی با دیگر روش های فعال [8] ،ویا ترکیب منطق فازی با روش های هوشمندی چون شبکه ی عصبی[9] و [10] ،بهره گرفت.
-2 ساختار و مدل سازی سیستم
دغدغه های اصلی در روبات های متحرک که از چرخ استفاده می کنند عبارتند از: قدرت کشش، قدرت مانور و نحوه کنترل .داشتن فقط 3 چرخ می تواند پایداری را تضمین کند. در صورت استفاده از بیش از 3 چرخ نیازمند سیستم تعلیق مناسب هستیم. در این مقاله بجای مدل دینامیکی از مدل سینماتیکی روبات استفاده شده است - سینماتیک عبارت است از مطالعه عملکرد سیستم های مکانیکی - .علل بکار نبردن مدل دینامیکی ،پیچیدگی،زمانبری و عدم کارایی کنترلر مبتنی بر آن در کاربرد های صنعتی است .
مطالعه سینماتیک روباتهای متحرک در دو زمینه لازم است:
- طراحی مناسب روبات برای انجام عمل مورد نظر
- نوشتن نرم افزار کنترلی روبات ساخته شده
- منظور از نرم افزار کنترلی نرم افزاری است که فرامین لازم را برای حرکت و انجام عمل مورد نظر به روبات اعمال می کند - شکل - 1 - ساختار روبات را با مکانیزمی که درای دو چرخ در جلو و یک چرخ هرزگرد در عقب میباشد در دستگاه مختصات جهانی نشان می دهد.
روبات نشان داده شده ، درای دو چرخ جلو با شعاع r است که در امتداد یکدیگر هستند و بطور متضاد درایو می شوند و یک چرخ هرزگرد نیز دارد. دو چرخ اصلی دارای سنسور بوده و توسط موتورهای الکتریکی به حرکت در می آیند در حالی که چرخ هرزگرد فاقد هر گونه نیروی رانشی و سنسور میباشد. بنابراین چرخ هرزگرد تأثیر چندانی در معادلات سینماتیک و دینامیک روبات نخواهد داشت. نقطه P0 به عنوان مبدأ دستگاه مختصاتی روبات در نظر گرفته میشود.
این نقطه دارای مختصات - - x0 , y0 میباشد و نقطه Pc را به عنوان مرکز ثقل روبات با مختصات - - xc , yc در نظر می گیریم و فرض می کنیم این نقطه روی محور X دستگاه مختصات روبات و به فاصله d از مبدأ باشد. نقطه Pl یک نقطه مرجع مجازی است با مختصات - - xl , yl که روی روبات و به فاصله La از مرکز ثقل در راستای محور X قرار دارد. فاصله دو چرخ برابر 2b و زاویه بین راستای روبات و محور x دستگاه جهانی نیز برابر میباشد. سرعتهای زاویهای چرخهای راست و چپ به ترتیب برابر r و l حول محور Y میباشند.
دراین صورت اگر چرخ هرزگرد به اندازه کافی کوچک باشد و بتوان از اثرات آن صرف نظر کرد، معادلات سینماتیک روبات بصورت - 1 - زیر خواهد شد.
با استفاده از دو موتور جداگانه، میتوان سرعتهای خطی و زاویهای روبات را بطور مستقل کنترل کرد.
شکل - : - 1 مکانیزم روبات سه چرخ در دستگاه مختصات جهانی
-4 فرضیات مورد نظر درطراحی کنترلرفازی
-1 فرض می شود در فواصل زمانی 10 میلی ثانیه اطلاعات واقعی موقعیت و جهت - - x, y, توسط سنسورهای خارجی در اختیار روبات گذاشته می شود. میتوان این اطلاعات را از روی معادلات دینامیکی - 3 - در هر لحظه محاسبه و به عنوان اطلاعات فیدبک استفاده کرد.
-2 اطلاعات معادله - 4 - در هرلحظه همان اطلاعات رفرنس میباشد - xr , yr , r - که میبایست تفاوت آن را با - 3 - به عنوان سیگنال خطا مورد استفاده قرار گیرد.
-3 در این مقاله برای راحتی طراحی کنترلر، فاصله روبات از مسیر را در هرلحظه محاسبه می کنیم - سیگنال - h، در این صورت 2 متغیر خطا خواهیم داشت - h و - .
-4 سیگنالهای - - l , r خروجیهای کنترلر فازی هستند.
-5 دیتاهای زیر برای روبات مورد نظر در نظر گرفته شده است.
قابل ذکر است که در این روبات شتاب زاویهای هر یک از موتورهاست. در ضمن این نکته یاداوری می شود که سرعت روبات در لحظه شروع صفر است و تحت شتاب ماگزیمم میتواند به تدریج سرعت آن افزایش یافته و به سرعت ماگزیمم برسد. همچنین در نقاط انتهایی مسیر نیز روبات به نحوی کنترل می شود که سرعت به تدریج کاسته شود تا در نقطه پایانی به صفر برسد.در جدول شماره - 1 - اطلاعات کلی،و مشخصات پارامتر ها را مشاهده می کنید.در واقع خطای فاصله که همان سیگنال h می باشد و خطای جهت ϕ، متغیر های خطای سیستم می باشند. متغیر های خطا ورودی های سیستم محسوب می شوند.
