بخشی از مقاله
چکیده
تحقیق بر روی کنترل ربات های AUV، از یک طرف به علت کاری بودن فراوان موضوع و از طرف دیگر به علت پیچیدگی کنترل این دسته از ربات ها که ناشی از غیر خطی بودن است همواره مورد توجه محققین بسیاری بوده است.درکنار مسئله کنترل حرکت ربات اجتناب از موانع نیز همواره مسئله جدی مورد بررسی قرار گرفته است.
تاکنون روش های مختلفی برای این دومسئله در ربات های AUV ارائه شده است.در این مقاله برای کنترل این دسته از ربات ها از شبکه RBF استفاده می کنیم، با کمک شبکه عصبی یک الگوریتم کنترلی ارائه می شود تا بتواند میزان چرخش سرو موتورهای بالک های ربات معین کند و زوایای Pitch,Roll را تعیین می کند . و در نهایت به این نتیجه می رسیم که با استفاده از این شبکه می توان به خوبی ربات زیرآبی را کنترل و مدل نمود.
مقدمه
منابع و صنایع دریایی نقش و تاثیر مهمی در زندگی انسان ها دارند. این صنایع درحال حاضر نقش تعیین کننده ای در توسعه اکثر کشورهای جهان ایفا می نماید و سرمایه گذاری های وسیع و افق های بسیار روشن در بخش های دریایی، نوید بازار کار رو به رشدی را درجهان ارائه می نماید، به همین دلیل مطالعه و بررسی بسیاری از مسائل مهندسی، زیست شناسی، تجاری و نظامی مرتبط با دریا، همواره مورد توجه محققان بوده است.
استفاده از وسائل وابزار آلات مهندسی که قابلیت به کارگیری در اعماق آب را دارند وکاربری های متنوع در بستر دریا را ممکن می سازند، چنان درسال های اخیر توسعه و گسترش یافته که توانایی بشر را در بررسی، تحقیق و کار در اعماق دریا، به شدت متحول نموده است.
ربات های زیرآبی از مهمترین ربات هایی می باشند که در بسیاری از امور دریایی کاربرد دارند، خصوصا در اکتشافات امداد و تحقیق لذا با توجه به این موضوع همواره ربات ها در تکامل هستند . زیردریایی هدایتپذیر از دور به طور معمول ربات زیرآبی است که به هدایتگر این امکان را میدهد که این وسیله را در ژرفای آب کنترل و هدایت کند و از طریق اعمال فرامین عملیات مورد نظر را به وسیلهتجهیزاتِ ربات، انجام دهد،که اختصاراً »ربات زیرآبی« خوانده خواهد شد. امروزه رباتهای زیرآبی پیشرفتهای ساخته شدهاندکه بدون استفاده از کابل، امکان هدایتشان در اعماق دریا وجود دارد.
این گونه از رباتهای زیرآبی را ربات خودکار زیرآبی مینامند که جهت جستجو در اعماق اقیانوس و انجام مطالعات اقیانوس شناسی و نیز مصارف نظامی، کاربردهای فراوانی دارند. توانایی منحصر به فرد عملکرد ربات زیرآبی در آبهای عمیق و آثار اقتصادی آن دلیل اصلی مورد توجه قرار گرفتن این وسایل است. گسترش روز افزون تقاضا برای استفاده از ربات های زیر آبی خودکار که برای انجام وظیفه خود نیازمند حرکت در محیط واقعی می باشند مسئله کنترل و مسیریابی حرکت ربات را به یکی از چالش های پژوهش و تحقیق در عرصه این ربات ها تبدیل کرده است، به ویژه اگر موقعیت تمام یا بخشی از موانع در حال تغییر باشند - موانع دینامیک - .
در این دسته از مسائل، هدف، یافتن مسیر یا مسیر های بهینه است که در آن ربات را بدون برخورد با موانع استاتیکی/ دینامیکی از یک مبدا معلوم به مقصد مشخصی برساند. در حالت کلی مسئله، طرح ریزی حرکت ربات را می توان به دو مسئله پرهیز از موانع و جستجوی هدف تجزیه نمود. روش های مختلفی برای حل این مسئله وجو دارد که می توان به کنترل لغزشی[1] ،کنترل غیر خطی[2] ، کنترلر تطبیقی[3] اشاره کرد.همچینین در [4] بااستفاده از روش عصبی-فازی کار کنترل ربات زیرآبی را انجام داده اند.در[5] با استفاده از فیلتر کالمن این کار را انجام داده است. با روش های معمولی کنترل امکان مناسب بودن این مدل وجود ندارد لذا مجبور به استفاده از روش های کنترلی هوشمند مقاوم بوده تا بتوان با این سیستم کنترلی بر مشکلات فایق آمد.
دراین مقاله ابتدا ربات زیر آبی خودکار را بصورت 6درجه آزادی ومدل دینامیکی مدلسازی میکنیم و اثرات ناشی از محیط را برروی ربات بررسی می کنیم و سپس با استفاده از شبکه عصبی RBF کار کنترل ربات را انجام می دهیم .
مدلسازی دینامیکی ربات زیرآبی خودکار
لازمه طراحی کنترل کننده های مطلوب برای هر سیستم، به دست آوردن مدل دینامیکی مناسبی از آن سیستم است.به طوری که رفتار آن درپاسخ به محرک های مختلف به خوبی نشان دهد.دربسیاری ازموارد، استخراج معادلات حرکت دقیق یک سیستم بسیارمشکل ویا حتی غیرممکن می باشد بنابراین یافتن نزدیکترین مدل ریاضی به واقعیت که درعین حال ازساختار ساده ای نیز برخوردار باشد اهمیت فراوانی دارد.بدیهی است هرچه مدل به دست آمده به واقعیت نزدیک تر باشد طراحی دقیق تر و ازمیزان محافظه کاری در طراحی سیستم کنترل کاسته می شود.
مابرای ساده سازی مدل دینامیکی حرکت ربات فرضیات زیررا درنظر می گیریم:
-1 ربات از اثرات سطح آزاد و امواج دریا دور می باشد.
-2 ربات به عنوان یک جسم صلب با جرم ثابت می باشد.
-3 ازحرکت زمین صرف نظر می شود.
-1-2 دستگاه های مختصات
برای تعیین مدل دینامیکی نیاز به انتخاب دستگاه مختصات مناسب داریم.دراین قسمت به تعریف دستگاه های مختصات زمین - - XYZ وبدنی - xyz - طبق شکل - 1 - می پردازیم:
-1-1-2 دستگاه مختصات زمین
دستگاه عمودی راست گرد XYZ را که درنقطه ای ازکره زمین ساکن باشد، دستگاه مختصات زمین می نامند.این دستگاه وقتی اینرسی است که شرایط زیربرقرارباشد:
الف- حرکت دور اززمین نباشد. ب- زمان حرکت طولانی نباشد.
هدف اصلی استفاده ازاین دستگاه تعیین موقعیت کلی ربات در زیرآب می باشد.
-2-1-2 دستگاه مختصات بدنی
دستگاه xyz را که درنقطه ای دلخواه به جسم متحرک متصل شده ونسبت به آن حرکتی نداشته باشد را دستگاه مختصات بدنی می نامند.استفاده ازدستگاه بدنی درتعیین معادلات حرکت باعث ساده شدن استخراج معادلات به خصوص درمورد نیروها وگشتاورهای اینرسی می شود.زیرا باتوجه به تعریفی که دربالا ارائه شد سرعت زاویه ای دستگاه بدنی همان سرعت زاویه ای ربات وسرعت مبدا آن سرعت همان نقطه ازربات می باشد.جهت محورهای دستگاه بدنی بر روی ربات به طورقراردادی، همان طور که درشکل - - 1 نشان داده شده به صورت زیرانتخاب می شوند:
· محورx درامتداد محور طولی ربات قرار داشته وجهت آن جلوی ربات رانشان می دهد.
· محورy درامتداد محور جانبی ربات بوده وچنان انتخاب می گردد که برای داشتن یک دستگاه مختصات راست گرد محورz درسمت پایین قراربگیرد.
· چرخش حول محورx راغلتش ،حول محورy راپیچش ،وحول محورz را دور زدن می نامند.
باتوجه به ساختار بات، مبدا دستگاه مختصات بدنی درمرکزشناوری ربات قراردارد و جرم ربات m و تانسور ممان اینرسی I0 است.
-3نیروها وگشتاورهای وارد بر ربات زیرآبی
به طورکلی نیروهاوگشتاورهای واردبرهرربات زیرآبی بدون توجه به شکل وساختار آن به صورت زیر دسته بندی می شوند:
-1 نیروها وگشتاورهای اینرسی
-2 نیروها وگشتاورهای هیدرواستاتیک شامل نیروی وزن وشناوری
-3 نیروها وگشتاورهای هیدرودینامیک شامل جرم
مجازی،میراکننده های هیدرو دینامیکی
-4 نیروها وگشتاورهای ناشی ازکابل ارتباطی با واحدسطح
- 5 نیروها وگشتاورهای ناشی از نیرومحرکه ها
شکل.1 دستگاه مختصات بدنی وزمین برای ربات زیرآبی خودکار.[6]
-2-2 ساختار ربات زیرآبی موردنظر
ربات زیرآبی موردنظر، بدون کابل ودارای یاختاراژدرمانندومتقارن می باشد که درانتهای آن ازیک پروانه برای حرکت روبه جلو استفاده شده است.صفحات کنترلی مربوط به آن شامل دوبالک افقی یا صفحات استرن در انتها، برای کنترل عمق ربات و دوبالک عمودی یابه عبارتی صفحات رادردرانتها، برای کنترل سمت ربات می باشند.
-1-3 نیروها وگشتاورهای اینرسی
فرض کردیم که ربات زیرآبی به عنوان یک جسم صلب می باشد، بنابراین ازدینامیک جسم صلب برای بدست آوردن معادلات حرکت آن استفاده می شود.معادلات حرکت جسم صلب از اصول اولیه اویلر نتیجه گیری می شوند.[7] باتوجه به اینکه مبدا دستگاه مختصات بدنی درمرکزشناوری ربات قرار دارد بنابراین معادلات حرکت جسم صلب درشش درجه آزادی دردستگاه مختصات بدنی مطابق روابط زیر است[
حرکت انتقالی ربات در سه معادله اولی نشان داده شده است و همچنین حرکت چرخشی ربات درسه معادله آخری نشان داده شده است.
