چکیده

یکی از مقولههای بسیار مهم که در رباتهای سیار مورد توجه میباشد، مسئلهی ناوبری و مسیریابی ربات در محیطهـای ناشـناخته میباشد. این رباتهای سیار برای حرکت و ناوبری نیاز به طرحریزی مسیر و حرکت دارند. طرحریزی مسیر و مسیریابی بـرای یـک ربات سیار در یک محیط دو بعدی، که مشخصات موانع موجود برای آن معلوم است، انجام میشود. مسئلهی کنترل حرکت ربات سیار به دو مسئلهی کنترل سینماتیکی و کنترل دینامیکی قابل جداسازی میباشد. در پژوهش پیش رو، از روش حل محاسبات سـینماتیکی جهت محاسبهی حرکت دینامیکی ساختارهای چند مرحلهای، برای سطح حرکت یک ربات سیار زنجیردار اسـتفاده شـده اسـت. در نهایت از روش کنترل دینامیکی خطیسازی پسخورد با راهبرد کنترل گشتاور برای ردگیری مسیرهای ناشناخته، توسـط یـک ربـات سیار تحلیل و طراحی میشود. همچنین این کنترلر در محیط سیمولینک نرمافزار متلب طراحی میشود.

هدف از طراحی کنترلر خطیسازی پسخورد، کم کردن میزان تاثیرات اغتشاشـات خـارجی (اغتشاشـات محیطـی) در خروجـی سیستم تحت کنترل یک ربات سیار، در ردگیری مسیر دایرهای برای سطح حرکت دینامیکی یک ربات سیار زنجیردار میباشد. روش پیشنهادی با راهبرد کنترل گشتاور نشاندهندهی این است که طرح پیشنهادی در شرایط محیطـی بـدون اغتشاشـات خـارجی، در مسیرهای دایرهایدارای دقتِمناسب تری نسبت به شرایط محیطی با اثر اغتشاشات خارجی در سیستم تحت کنترل ربات سیار می-باشد.

کلمات کلیدی

کنترل خطیسازی پسخوردّ((Feedback linearization Control، راهبرد کنترل گشتاور (Torque Control Strategy)، ربات سیار زنجیردار (Chian Mobile Robot)، کنترل دینامیک .(Dynamic Control)

-۱ مقدمه

ناوبری (Navigation) برای رباتهای سیار عبارت است از حرکـت از یـک نقطه معین و رسیدن به یک هدف مشخص، در حالی که ربات سیار از برخورد

×
با موانع اجتناب کند، درهمی و همکاران.[۱] رباتهای سیار دستهای از ربات-های هوشمند هستند، که میتوانند در محیطهای مختلـف و بـا قابلیـتهـای گوناگون مورد استفاده قرار گیرند. از این نوع رباتها میتـوان بـه ربـاتهـای امدادگر و رباتهای مین یاب و غیره اشـاره کـرد. روشهـای مختلفـی بـرای کنترل حرکت اینگونه رباتهای سیار وجود دارد، که در ایـن پـژوهش بـرای

کنترل یک ربات سیار زنجیردار، از تکنیک کنتـرل خطـیسـازی پسـخورد در طراحی سیستم تحت کنترل یک ربات سیار در نرم افزار متلب اسـتفاده شـده است.

در سیستم کنترل خطیسازی پسخورد طرحریزی و مسیریابی برای یک ربات سیار در یک محیط دو بعدی که مشخصات مثلثاتی موانع موجـود بـرای آن معلوم است، انجام میشود.

شکل ( (۱-۱ بلوک دیاگرام کنترل خطیسازی پسخورد مربوط بـه یـک ربات سیار را نشان میدهد، کـه در طراحـی ایـن سیسـتم کنترلـی دو مسـیر طراحی شـده اسـت، کـه یکـی از مسـیرها مربـوط بـه مسـیر خواسـته شـده (Desired path) سیســتم مــیباشــد و دیگــری مربــوط بــه مســیر واقعــی (Actual) سیستم است، که مسیر واقعی سیستم، عمل ردگیـری روی مسـیر خواسته شده یا مطلوب سیستم را انجام میدهد.

سیار است، که دارای سرعت میباشد. پس از محاسبهی مقادیر انرژیها، تابع لاگرانژ سیستم که عبارت است از: تفاضل انرژی جنبشی و پتانسیل، محاسبه میگردد.

Siciliano و همکاران[۴]، حرکت یک ربات سیار غیرهولونومیک بـه این صورت تعریف میشود، که بدنهی سیار یک ربات، فقط مـی توانـد طبـق آرایش چرخها در راستای محور عمودی خود حرکت داشته باشـد و در محـور جانبی خود نمیتواند حرکتی داشته باشد. در کل رباتهای سیار از یک بدنهی سیار تشکیل شدهاند، که به آن بدنهی سیار دو چرخ دیفرانسیلی نیز گفته می-شود. بدنهی سیار شامل: دو چرخ فعال و دو چرخ غیرفعـال مـیباشـد، کـه در مدلسازیهای ریاضیاتی مربوط به رباتهای سیار، معمـولااز دو چـرخِ چنـد جهتِ غیرفعال جلویی ربات سیار، صرفنظر میشود.

از ضرورتهای خاص این پژوهش نیز میتوان به کاربردهای زیادی که رباتهای زنجیری در صنایع نظامی و عملیاتهای امداد و نجـات دارنـد، نـام برد. از جمله این کاربردها میتوان، بـه کنتـرل حرکـت یـک ربـات سـیار در فرایندهای حرکتی سریع، کنترل زمـان، مسـافت و تشـخیص دادن موانـع در عملیاتهای نظامی و امداد و نجات اشاره کرد.

شکل :۱-۱ بلوک دیاگرام کنترل خطیسازی پسخورد

شکل (۱-۱) بلوک دیاگرام کنترل خطیسازی پسخورد را توصیف می-کند. که مؤلفهی بردار سرعت واقعی سیستم و مؤلفهی سرعت خواسته شده یا مطلوب سیستم میباشد. مؤلفهی vc سرعت محرکههای ربات سیار میباشد، vr و سرعت خطی و زاویهای برای بدنهی ربات سیار تعریف شده است و شامل گشتاورهای ناشی از محرکهای ربات سیار میباشد.

بلوک کنترلی ربات سیار، از دو حلقهی کنترل سینماتیک و کنترل دینامیک تشکیل شده است. هدف از حلقهی کنترل سینماتیک آن است که سرعت مطلوب تعیین میشود، تا به کمک حلقهی کنترل دینامیک، خطای ردگیری بین مسیر طراحیشده و مسیر ربات سیار به صفر میل نماید. سپس ورودیهای ربات سیار توسط حلقهی کنترل دینامیک تعیین میشود، تا سرعت ربات سیار به سرعت خروجی کنترلکنندهی سینماتیکی میل نماید.

Siegwart و همکاران[۲]، برای بدست آوردن معادلات سینماتیکی بازوهای رباتیکی پایه ثابت، روش جامع و بسیار قدرتمندی وجود دارد، که با استفاده از قوانین دناویت- هارتنبرگ مختصات مجری نهایی ربات به صورت دقیق قابل محاسبه میباشد. ولی در مورد ربات سیار، به دلیل وجود بدنهی سیار و ویژگیهای آن، دیگر نمیتوان از این روشها استفاده کرد و روش یکپارچهای وجود ندارد. ایجاد مدل برای رباتهای چرخدار زنجیری یک فرایند پایین به بالا میباشد. یعنی هر چرخ ربات در حرکت ربات سهم مؤثری دارد و در همان زمان محدودیتهایی را برای حرکت ربات سیار ایجاد مینماید.

Sarkar و همکاران[۳]، معادلات دینامیکی یک ربات سیار با محاسبه انرژی جنبشی و پتانسیل قابل محاسبه میباشد. انرژی جنبشی یک ربات سیار، انرژیهای ناشی از وجود سرعت، در سیستم یک ربات سیار میباشد. پس انرژی جنبشی یک ربات سیار مجموع انرژی جنبشی هر بخش از ربات

-۲ مفاهیم اولیه

برای کنترل حرکت یک ربات سیار زنجیردار به روش کنترل خطیسازی پسخورد، نیاز به یک سری برنامه نویسی ریاضیاتی در نرمافزار متلب الزامی میباشد.
در این پژوهش، برایکنترلِحرکت و ردگیری مسیر حرکت توسط یک
ربات سیار، ورودیهای سیستم کنترل به صورت متغیرهای x, y, در
نرمافزار متلب تعریف شدهاند، که این متغیرها در دستگاه مختصات دو بعدی متصل به بدنهی سیار تعریف میشوند و عملیات ردگیری مسیر مطلوب، در این دستگاه مختصات دو بعدی انجام میگیرد.