بخشی از مقاله
خلاصه
با توجه به رشد روز افزون قابلیتها و کاربردهای پهبادها، مساله طراحی مسیر آنها روز به روز از اهمیت بیشتری برخوردار میشود. بطوریکه بهبود در قابلیتهای وسیله نقلیه هوایی بدون سرنشین سناریوها و ماموریتهای پیچیده را برای پهبادها ممکن میسازد. مساله طراحی مسیر بطور خودکار، یکی از قابلیتهایی است که میتواند به این وسائل اضافه شود.
طراحی مسیر به پروسه تولید یک مسیر مناسب گفته میشود بطوریکه بتواند زمان و مصرف سوخت را حداقل نموده و از برخورد با موانع نیز اجتناب کند. ما در این مقاله با ترکیب مفاهیم کنترل فازی و کنترل پیشبین یک راه حل جدید برای طراحی مسیر پهبادها ارائه دادهایم. نتایج بدست آمده از شبیهسازیها نشان میدهد که روش پیشنهادی دارای حجم محاسباتی کم و کارایی خوب است.
.1 مقدمه
در سالهای اخیر طراحی وسایل نقلیه بدون سرنشین که بتوانند بطور خودکار عمل کنند مورد توجه پژوهشگران حوزههای مختلف از جمله، رباتیک، صنعت خودرو سازی، حوزه هوا فضا، زیر دریایی، پهبادها و غیره قرار گرفته است. هدف از طراحی چنین سیستمهایی عدم نیاز به اپراتور برای کنترل آنها است. این کار میتواند در انجام ماموریتهای خطرناک و یا انجام ماموریت در محیط های دور دست و همچنین هدایت و ناوبری خودکار خودروها مورد استفاده قرار گیرد.
در بسیاری از موارد طراحی سیستم های خودکار میتواند باعث کاهش هزینهها خصوصا در سیستمهای هوا فضا، افزایش قابلیت اطمینان و کاهش ریسک و خطر تصادم وسایل نقلیه گردد. یکی از بخش های اصلی خودکار بودن را طراحی مسیر تشکیل میدهد. بطوریکه وسیله نقلیه بتواند بدون برخورد به موانع موجود و با توجه به مشخصه های سینماتیکی و دینامیکی خود از قبیل سرعت مینیمم و ماکزیمم و شتاب ماکزیمم، مسیر خود را از میان موانع بدرستی انتخاب کرده و بتواند قیود حاکم بر مساله را نیز برآورده نماید .[1]
تا کنون محققان زیادی بر روی مساله طراحی مسیر کار تحقیقاتی انجام داده اند .[2-15] یکی از کارهای مهمی که در این زمینه در دانشگاه MIT در قالب رساله کارشناسی ارشد و دکترا انجام شده است [9 ,8 , 2]، طراحی مسیر بهینه با استفاده از روش کنترل افق پسین و استفاده از روش بهینه سازی MILP است. حجم بالای قیود و محدودیتهای مساله باعث میشود که حجم محاسبات و در نتیجه زمان محاسبات در این کار بالا برود. بالا بودن حجم محاسبات و در نتیجه زیاد شدن زمان تحلیل باعث میشود که در برخی از موارد در سیستم های زمان حقیقی، سیستم نتواند در زمان مناسب عکس العمل مناسب نشان دهد.
مدت زمانی است که منطق فازی و کنترل فازی مورد توجه محققان زیادی در زمینه های مختلف قرار گرفته است .[24-16] دلیل این امر نزدیک بودن نوع محاسبات در آن به نحوه تفکر انسانی و درنظر گرفتن عدم قطعیت و مدلسازی آن در مسائل مختلف است. سیستمهای فازی بدلیل ماهیت آنها که مسائل را بصورت یکسری قوانین زبانی بیان میکند، که در واقع پیاده سازی فعالیتهای ذهن آدمی در تحلیل مسائل مختلف است، دارای حجم محاسباتی پایین هستند.
در کنترل فازی به هیچ وجه نیاز به داشتن مدل دقیق سیستم و انجام محاسبات پیچیده جهت پیاده سازی کنترلر بر روی سیستم ها نداریم. به نظر میرسد که در مساله طراحی مسیر برای یک وسیله نقلیه بدون سرنشین، منطق فازی میتواند از حجم محاسبات مربوطه بشدت بکاهد. تا کنون کار تحقیقاتی مدونی برای طراحی مسیر با استفاده از منطق فازی و تلفیق شده با روش کنترل پیشبین صورت نگرفته است.
ما در این مقاله با ترکیب روش کنترل فازی با استفاده از استخراج خبرگی و ترکیب آن با مفهوم کنترل پیشبین یک روش جدید برای کنترل وسیله نقلیه هوایی بدون سرنشین ارائه دادهایم. از مزایای روش پیشنهادی این است که حجم محاسباتی این روش بسیار پایینتر از روشی است که توسط آقای کواتا در دانشگاه MIT ارائه شده است. همچنین شبیهسازیها نشان میدهد که روش پیشنهادی میتواند نتایج قابل قبولی در بحث طراحی مسیر از خود نشان دهد.
ساختار مقاله در ادامه به این صورت است. ابتدا توضیحی در مورد سیستمهای فازی و کنترل فازی در بخشهای دوم و سوم ارائه میدهیم. سپس در بخش چهارم کارهای تحقیقاتی انجام شده را مرور کرده و سپس کار کواتا را با توضیح بیشتری شرح میدهیم. در فصل پنجم چگونگی تشکیل قواعد "اگر-آنگاه" فازی را بر اساس استخراج خبرگی از کار کواتا توضیح میدهیم. در فصل ششم شبیهسازی هایی برای مقایسه روش کواتا و روش کنترل پیشبین فازی پیشنهادی انجام شده است. در نهایت نتیجهگیری مقاله در فصل هفتم ارائه میشود.
.2 سیستم فازی:
منطق فازی برای اولین بار در سال 1960 توسط دکتر لطفی زاده، استاد علوم کامپیوتری دانشگاه برکلی کالیفرنیا، ابداع شد .[25] منطق فازی روشهایی که برای طراحی و مدلسازی یک سیستم نیازمند ریاضیات پیچیده است را با استفاده از مقادیر زبانی و دانش فرد خبره جایگزین میسازد. منطق فازی در واقع روشی است که مغز انسان خود بر اساس آن کار میکند. زیرا به نظر میرسد که ورودیها و پردازش در مغز انسان فازی هستند. با پیادهسازی این روش پردازش در ماشینها، آنها هم میتوانند از فواید پردازش فازی استفاده کنند.
در سیستمهایعملی اطلاعات مهم غالباً از دو منبع سرچشمه میگیرند. یکی افراد خبره هستند که دانش و آگاهیشان را در مورد سیستم با زبان طبیعی تعریف میکنند. منبع دیگر اندازهگیریها و مدل های ریاضی هستند که از قواعد فیزیکی مشتق شدهاند. بنابراین یک مسئله مهم ترکیب این دو نوع اطلاعات در طراحی سیستمها است. یک سیستم فازی میتواند اطلاعات فرد خبره را با اندازهگیریهای دنیای واقعی ترکیب کند.
سیستمهای فازی سیستمهایی مبتنی بر دانش هستند. قلب یک سیستم فازی یک پایگاه دانش است که از قواعد اگر-آنگاه فازی تشکیل شده است. یک قاعده فازی یک عبارت اگر-آنگاه بوده که بعضی کلمات آن بوسیله توابع تعلق فازی مشخص شدهاند. بعنوان مثال اگر سرعت اتومبیل بالاست آنگاه نیروی کمتری به پدال گاز وارد کنید. بطور خلاصه نقطه شروع ساخت یک سیستم فازی بدست آوردن مجموعه ای از قواعد اگر- آنگاه فازی از دانش افراد خبره یا دانش حوزه مورد بررسی است.
شکل 1 بلوک دیاگرام یک سیستم فازی را نشان میدهد. همانگونه که در شکل نشان داده شده است یک کنترل کننده فازی از چند بخش تشکیل شده است. بخش اول فازی کننده است. وظیفهی این بخش تبدیل دادههای دقیق سنسورها و اطلاعات محیطی به اطلاعات نادقیق فازی است. بخش دوم بخش استنتاج است که شامل یکسری قواعد اگر- آنگاه است، در این بخش نتایج چند قاعده "اگر-آنگاه" فازی با هم ترکیب میشوند. بخش سوم بخش نافازیساز است که وظیفهی این بخش تبدیل اطلاعات نادقیق فازی به مقادیر عددی برای اعمال به دنیای واقعی است.
.3 کنترل فازی:
روشهای کنترل فازی تا کنون در کاربردهای مختلفی با موفقیت پیاده سازی شدهاند .[18-24] این روشها مخصوصا در جاهایی که اطلاعات زیادی از دینامیک مساله وجود ندارد بسیار مفید واقع میشوند. همچنین سادگی طراحی، سادگی محاسبات و سرعت پردازش بالا از دیگر مشخصههای روشهای کنترل فازی است. بطور کلی چند روش کنترل فازی وجود دارد. -1 روشهای کنترل فازی مبتنی بر دانش فرد خبره یا سیستم کنترلی موجود. -2 روشهای کنترل فازی مبتنی بر مدلسازی سیستم. -3 روشهای کنترل فازی تطبیقی.
