بخشی از مقاله
چکیده - اغلب ساختارهاي کنترلی سیستم کارکرد از دور به دنبال دستیابی همزمان به شفافیت و پایداري میباشند که این عوامل عمومًا وابسته به دینامیک محیط است که اغلب ناشناخته و یا متغیر است. همچنین در این سیستمها با تأخیر در کانال ارتباط، که عموماً اینترنت است، مواجه هستیم. تاکنون بسیاري از محققان اطلاعات موقعیت، سرعت، نیرو یا امپدانس را براي ارائهي روشهاي متنوع کنترلی به کار گرفتهاند، اما با هیچ یک از این روشها دستیابی به شفافیت کامل و پایداري مقاوم در حضور تأخیر فراهم نگشته و باید بین این دو هدف مصالحهاي صورت گیرد.
هم اکنون یکی از مشکلات عمده در ساختارهاي کنترلی چنین سیستمهایی از بین رفتن شفافیت به هنگام برخورد سیستم به یک محیط سخت - با مانع - است. در این مقاله یک ساختار کنترل شامل کنترل مود لغزشی و کنترل امپدانس تطبیقی ارائه گشته است، این روش توسط نرمافزار matlab و در محیط simulink شبیهسازي شده و نشان داده شده که این روش قادر است شفافیت مطلوب را برقرار کند و در حضور تأخیر متغیر با زمان، پایداري مقاوم را تضمین نماید.
-1 مقدمه
در سیستمهاي کارکرد از دور1، ارتباط رباتهاي راهبر2 و رهرو3 عموماً از طریق اینترنت برقرار است، لذا در کانال ارتباط دو ربات، با تأخیر متغیر با زمان مواجه هستیم که غالباً موجب ناپایداري سیستم میگردد. براي پایدارسازي سیستم در حضور تأخیر کانال از روشهاي مختلفی چون تئوري پراشیدگی[1] 4 و متغیر موج[ 2] 5 استفاده شده است.
این روشها پایداري را مستقل از مقدار تأخیر - ثابت - ، تضمین مینمایند، اما در حضور تأخیر متغیر با زمان عملکرد مطلوبی نخواهند داشت. در سیستمهاي کارکرد از دور، علاوه بر پایداري، شفافیت6 نیز از اهمیت بسزایی برخوردار است. شفافیت بدین معناست که امپدانس مشاهده شده توسط کاربر، برابر با امپدانس محیط باشد [3] تا کاربر کاملاً احساس حضور در محیط داشته باشد.
علاوه بر تأخیر، عامل دیگري که در چنین سیستمهایی موجب از بین رفتن شفافیت میگردد، دینامیک محیط است که نامشخص و متغیر است؛ مثلاً هنگام برخورد ربات رهرو به یک محیط سخت - مانع - شفافیت سیستم از دست رفته و حتی در مواردي منجر به ناپایداري میگردد [4]، در [5] یک روش کنترل امپدانس تطبیقی و در [6] روش مبتنی بر متغیر موج با امپدانس موج متغیر، براي دستیابی به عملکرد مطلوب در حضور محیط سخت ارائه شده است.
هیچ یک از روشهاي موجود براي کنترل سیستمهاي کارکرد از دور قادر نیستند پایداري را مستقل از میزان تأخیر تضمین نموده و در عین حال ردیابی موقعیت و نیرو را مستقل از دینامیک محیط داشته باشند .[7] در این مقاله یک ساختار کنترل متشکل از کنترل مود لغزشی براي کنترل موقعیت ربات رهرو و کنترل امپدانس تطبیقی براي کنترل ربات راهبر ارائه میگردد.
ساختار پیشنهادي به دلیل استفادة مناسب از کنترل مود لغزشی نسبت به تغییرات تأخیر مقاوم بوده و همچنین کنترل امپدانس تطبیقی راهبر موجب میشود امپدانسی که کاربر در برابر خود حس میکند با امپدانس محیط تطبیق پیدا کند و بدین طریق، همواره به احساس درستی از محیط دور دست پیدا کند. همچنین نشان میدهیم که ساختار پیشنهادي به مراتب، عملکرد بهتري نسبت به دو روش چهار کانال و روش مبتنی بر متغیر موج خواهد داشت، چرا که ضمن حفظ پایداري سیستم در حضور تأخیر متغیر با زمان، به دلیل تعریف امپدانس محیط به عنوان امپدانس مطلوب، در محیط سخت نیز، سیستم همچنان پایدار بوده و عملکرد مناسبی خواهد داشت.
این مقاله در پنج بخش تنظیم شده است. پس از این مقدمه، در بخش دوم مدل مورد استفاده براي رباتها تشریح میگردد. بخش سوم شامل مراحل طراحی کنترلکننده براي رباتهاي راهبر و رهرو است. در بخش چهارم ساختار پیشنهادي در محیط simulink نرمافزار Matlab شبیهسازي شده و عملکرد آن با دو روش موجود براي کنترل سیستم کارکرد از دور مقایسه میشود. در بخش پنجم نیز، به بیان و تحلیل نتایج میپردازیم.
-2 مدلسازي سیستم کارکرد از دور
براي مدلسازي سیستم کارکرد از دور، دینامیک رباتهاي راهبر و رهرو را به صورت شکل 1، دینامیک خطی در نظر میگیریم. um و u s وروديهاي کنترل، fh نیروي اعمالی توسط کاربر به ربات راهبر و fe نیروي اعمالی توسط ربات رهرو به محیط هستند.
-3 طراحی کنترل کننده
ساختار کنترل پیشنهادي در این تحقیق متشکل از یک کنترلکنندة مود لغزشی براي کنترل موقعیت ربات رهرو و کنترلکننده امپدانس براي کنترل ربات راهبر است. از آنجا که این ساختار، همزمان از دو کنترلکنندة مود لغزشی و کنترلکنندة امپدانس تطبیقی استفاده میکند، در عین تضمین پایداري مقاوم در حضور تأخیر متغیر با زمان، از عملکرد مطلوبی نیز برخوردار است و لذا موجب میشود که کاربر به احساس مطلوبی از محیط دور دست پیدا کند. در زیر بخشهاي بعدي چگونگی طراحی و عملکرد هر یک از کنترلکنندهها به اختصار آورده شده است.
-1-3 طراحی کنترل کننده امپدانس تطبیقی ربات
راهبر
عملکرد کنترل امپدانس تطبیقی به گونهاي است که با اعمال سیگنال کنترلی مربوطه، رابطه دینامیکی بین نیرو و موقعیت را که همان امپدانس است، به دینامیک مطلوب ما که متغیر و ناشناخته میباشد، تبدیل میکند. براي طراحی کنترل کننده امپدانس تطبیقی براي ربات راهبر ابتدا دینامیک مطلوب را تعیین میکنیم. انتظار داریم امپدانس مشاهده شده توسط کاربر، همان امپدانس محیط باشد، بدین معنا که علاوه بر ردیابی موقعیت، نیرویی که کاربر احساس میکند، همان نیروي اعمالی از طرف محیط به ربات رهرو - - fe باشد، لذا دینامیک مطلوب را به صورت شکل 3 نمایش میدهیم.
