بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به بررسی طراحی کنترلری به منظور حرکت هماهنگ برای یک گروه شناور زیرسطحی پرداخته خواهد شد. بدین منظور با استفاده از روش گام به عقب کنترلر تعقیب مسیر برای یک زیرسطحی ارائه میشود. سپس با استفاده از قواعد تئوری گراف این کنترلر به کنترلر تعقیب مسیر برای گروه شناور زیرسطحی تعمیم داده میشود. از ویژگیهای کنترلر ارائه شده در نظر گرفتن دینامیک کامل زیرسطحی و همچنین نیرو و ممانهای اقیانوسی است. در نهایت نیز به منظور بررسی عملکرد کنترلر نتایج شبیه سازی ارائه شده است.
مقدمه
در سالهای اخیر استفاده از رباتهای زیرسطحی در دریا با توجه به کارکرد زیاد آنها اهمیت فوق العاده ای یافته است. از جمله کاربرد این رباتها میتوان به بحث نقشه برداری از محیط دریا و همچنین بازرسی خطوط انتقال نفت و گاز اشاره کرد .[2 ,1] با این وجود در صورت خراب شدن ربات ماموریت ناتمام میماند. بنابراین مناسب است به جای استفاده از یک ربات، از یک گروه ربات استفاده شود تا بازده کلی افزایش یافته و در صورت خراب شدن یکی از رباتها، ماموریت نا تمام نماند .[3] در این بین در سالهای اخیر روشهای متفاوتی در رابطه با کنترلر حرکت گروهی گروه ربات ارائه شده است که می توان به روشهای ساختار مجازی[4] ، رهبر پیرو[5]، روش توابع پتانسیل مصنوعی[6] و روش تئوری گراف[3] اشاره کرد.
کنترل حرکت هماهنگ شناورهای زیر سطحی به دلایل زیر نسبت به رباتهای زمینی و هوایی دارای مشکلاتی است .[7]
· تحریک غیرکامل بودن دینامیک زیرسطحی
· وجود نیرو و ممانهای اقیانوسی و اغتشاشات محیطی
· سخت بودن تعیین دقیق ضرایب هیدرودینامیکی بدین منظور پژوهشگران در سالهای اخیر برای کنترل حرکت هماهنگ شناورهای زیرسطحی روشهای را پیشنهاده داده اند.
. در سال 2008 آقای دانگ و همکارش مساله کنترل آرایش را در مرجع [8] برای یک گروه شناور مورد بررسی قرار دادند. ایشان با استفاده از مفاهیم تئوری گراف کنترلری طراحی کردند که گروه شناورهای سطحی به آرایش ایستای مورد نظر در نقطهای دلخواه دست یابند. ایشان برای ارائهی کنترلر در ابتدا معادلات دینامیکی و سینماتیکی یک شناور سطحی را ارائه میدهد.
در مدلسازی دینامیکی از آوردن ترمهای غیرقطری ماتریس جرم و میرایی هیدرودینامیکی صرف نظر شده است. همچنین ترمهای مرتبه دوم ضرایب ماتریس هیدرودینامیک در نظر گرفته نشده و از اثرات امواج محیطی نیز چشم پوشی میشود، بنابراین دینامیک ارائه شده برای شناور سطحی بسیار ساده است. در ای ن مقاله فقط وقتی جواب میدهد که دینامیک در نظر گرفته شده برای زیرسطحی فاقد ترمهای غیرقطری و ... باشد. در سال 2010آقای دانگ مساله کنترل آرایش را برای گروه شناور در حالتی که مرکز سطح گروه یک مسیر دلخواه را دنبال کنند مورد بررسی قرار داد.
ایشان نیز مدل ساده ای از دینامیک زیرسطحی را در نظر گرفته است که از این منظر کار ایشان دچار اشکال است . [9] در سال 2012 آقای وانگ و همکاران مساله کنترل آرایش را با استفاده از مفاهیم تئوری گراف ارائه نمودند .[10] مهمترین ویژگی مقاله ایشان ارائه کنترلری بر اساس تکنیک پسیو و الگوریتم توافقی است. ایشان فرض کرده است که دینامیک شناور تحریک کامل است در حالی که در واقعیت این فرض دچار مشکل است و از این حیث کار ایشان دچار اشکال است.
با توجه به موارد بررسی شده در این مقاله به بررسی مساله کنترل آرایش برای گروه شناور زیرسطحی پرداخته می شود. بدین منظور دینامیک کاملی از زیرسطحی با در نظر گرفتن ترم های مرتبه دوم ماتریس جرم و میرائی، مدلسازی اغتشاشات محیطی و اقیانوسی و مدلسازی شبکه ارتباطی با استفاده از تئوری گراف پرداخته خواهد شد.
مفاهیم پایه در رابطه با مدلسازی ارتباط بین زیرسطحی و مدلسازی دینامیکی زیرسطحی در این مقاله هر زیرسطحی تمام متغیرهای مورد نیاز برای کنترل، از جمله سرعت و موقعیت خود و دیگر زیرسطحیها را توسط سیستم حسگرها در اختیار دارد. همچنین هر زیرسطحی توسط رئوس گراف مدلسازی شده و در ضمن ارتباط زیرسطحی ها با یکدیگر توسط گراف بدون جهت G نمایش داده میشود.
