چکیده

اخیراً روشهای کنترل رباتها به سرعت در حال رشد است. با این حال، تحقیقات در زمینه ربات ماهی در سطح پایینی قرار دارد. دقت ربات ماهی به عوامل مختلف از جمله دقت سنسورهای حرکتی، لقی مفاصل، قابلیت ارتجاعی محرکهای ربات ماهی و دقت کنترلکننده بستگی دارد. در این میان دقت و کارآیی کنترلکننده مهمترین سهم را در دقت ربات ماهی دارد. در این مقاله یک ربات ماهی با دینامیک و مکانیزم شناگری تقریباً مشابه با یک ماهی واقعی طراحی شده است. باتوجه به معادلات حرکت، ربات ماهی به صورت ۳ مفصل لولایی در نظر گرفته شده است. سپس باتوجه به این معادلات، سیستم کنترلی تعریف شده است. بررسی پایداری کنترل ربات ماهی یک مسئله پیچیده است .در این مقاله، برای کنترل مسیر حرکت ربات ماهی، کنترلکننده PID بهینه شده توسط الگوریتم غذایابی باکتری، پیشنهاد شده است . سپس این کنترلکننده با کنترلکننده قدرتمند فازی و کنترلکننده PID بهینه شده با PSO با اعمال ورودیهای پله و سینوسی مقایسه شده است. که نتایج بدست آمده نشان میدهد که کنترلکننده PID بهینه شده توسط الگوریتم غذایابی باکتری عملکرد بهتری نسبت به کنترلکننده فازی و کنترلکننده PID بهینهشده توسط الگوریتم PSO از دیدگاه کاهش زمان نشست، کاهش فراجهش و زمان خیز در پاسخ به ورودی پله را دارد. و همچنین در پاسخ به ورودی سینوسی که مهمترین مشخصه ی آن کاهش میانگین خطاهای سیگنال میباشد عملکرد بهتری داشته است. عملکرد روش پیشنهادی در نرمافزار MATLAB بررسی شده است

کلمات کلیدی

ربات ماهی، کنترلکننده PID، کنترلکننده فازی ، الگوریتم غذایابی باکتری

-۱ مقدمه

رباتها مظهر مهیجترین تکنولوژی پیشرفته در عصر حاضر هستند. مخصوصا رباتهایی که از طبیعت الهام میگیرند. رباتهای خزنده، دونده، پرنده و شناگر توجه هر کس را به خود جلب میکند. با توجه به رشد چشمگیر تکنولوژی ساخت رباتهای سیار مانند رباتهای انسان نما، رباتهای شستشوگر، ربات خنثیکننده مواد منفجره یا مینیاب، رباتهای فوتبالیست و غیره. هنوز تعداد تحقیقات و مطالعه در زمینه رباتهای زیرآبی کنترل از راه دور و بویژه خودکار به اندازه کافی صورت نگرفته است و میتوان گفت این موضوع هنوز در سطح پایین فناوری روز دنیا قرار دارد.

مطالعات مختلفی به بررسی ماهیهای رباتیـک پرداختـهانـد. در سـال ۱۹۹۴، دانشگاهMIT اولین مـاهی رباتیـک بـه نـام Robotuna را معرفـی کرد.[۷] در مطالعات بسیار زیاد، در دانشگاه ESSEX یک ماهی رباتیک به نام نسل (G9)9 ساخته شد که قادر به شنا کردن با سرعت زیاد نسبت بـه موارد مشابه قبلی بود و در حـال حاضـر ایـن مـاهی رباتیـک در نمایشـگاه آکواریوم Hall لندن نگهداری میشود.[۸]

درمقاله[۱]، کنترل زاویه انحراف ربات ماهی با ۴ محـرک در جهـت افقـی مورد مطالعه قرار گرفته است . در این راستا، یک مدل پویـا جهـت توصـیف حرکت ربات ماهی ۴ محرک با سه مفصل به دست آمده است . سپس، یـک کنترل کننده فازی برای دستیابی به عملکرد مناسب پاسخ پله جهت کاهش خطای حالت ماندگار، کاهش فرا جهش و کـاهش زمـان نشسـت پیشـنهاد شده است. مقاله[۲]، یکی از کاربردهـای منطـق فـازی را در طراحـی یـک ماهی رباتیک هوشمند با محرک های چندگانه معرفی مینماید، که میتواند به راحتی شنا نموده و از خطراتی که در آب وجود داردکاملاً مستقل عمـل کند. مقاله های [۳] و [۴]مدل ریاضی برای یک ربـات مـاهی بـا توجـه بـه حرکت رو به جلو و انحراف زاویه حرکت ماهی ارائه شده است. کنترل مقاوم سرعت ربات ماهی در مقاله[۵] بررسی شده است. طراحی کنترل کننـدهی پایدار از ماهی رباتیک در مقاله [۶] ارائه شده است.

در مقاله [۹] کنترل مسیر یک ربات سه چرخ با اسـتفاده از کنتـرل کننـده PID بهینه شده با الگوریتم PSO مورد مطالعه قرار گرفت. در این تحقیـق از کنترلکننده PID بر کنترل دو مشخصه ربـات یعنـی کنتـرل سـرعت و

کنترل زاویه چرخش چرخ ها مورد استفاده قرار گرفـت. از الگـوریتم PSO برای پیدا کردن ضرایب بهینه کنترلکننده استفاده شده است.

در مقاله [۱۰] انواع روش های تنظیم کردن پارامترهـای کنتـرل کننـده PID، با استفاده از تکنیک های محاسبات نرم مثل ژنتیک، PSO و فازی را برای بهبود دادن سرعت موتورهای DC مورد مقایسه قرار دادند. که نتـایج مقایسات حاکی از این بود که، استفاده از الگوریتمهای تکاملی پاسخهای به مراتب بهتری را نسبت به روشهای کلاسیک مانند نیکولس یا زیگلـور داده است. و همچنین در مقایسه کنترلکننده فازی با کنترلکننده PID،کنترل کنندهفازیباتوجهبا ذاتهوشمندی خود توانسته پاسـخهـای یهینـهتـری را تولید کند. اما کنترل کننده فازی دارای ساختار پیجیده و هزینه ساخت بالا نسبت به کنترلکننده PID دارد. حـال اگـر کنتـرلکننـده PID بگونـهای نتظیم شود که با تنظیم آن پاسخ بهتـری نسـبت بـه کنتـرلکننـده فـازی بدست آوریم، بصرفهتر خواهد بود.

در این مقاله، تلاش برای پیادهسازی یک ربات ماهی داریم. این طراحی برای یک ربات ماهی دارای چهار قطعه با دو مفصل متحرک صورت گرفته است. این ماهی از سه بخش تشکیل شده است: سر، قسمت انعطافپذیر و دم پشتی. قسمتهای کنترلی سیستم بر روی قسمت انعطافپذیر ربات صورت میگیرد. در قسمت بعد روش پیشنهادی مقاله که یک کنترلکننده PID بهینه شده توسط الگوریتم غذایابی باکتری برای کنترل حرکت ماهی معرفی میگردد.

بخشهای مختلف مقاله به صورت زیر است. بخش دوم، به بررسی مدل ربات ماهی میپردازد. در بخش سوم کنترلکننده PID بیان شده است. در بخش چهارم طراحی کنترلکننده PID برای کنترل ربات ماهی و در بخش پنجم الگوریتم غذایابی باکتری توضیح داده شده است. نتایج شبیهسازی به منظور بررسی روش ارائه شده در بخش ششم نشان داده شده است. و در نهایت، در بخش هفتم نتیجهگیری ذکر شده است.

-۲ مدل ربات ماهی
شکل (۱) ساختمان ربات ماهی چهار قطعه را نشان میدهد. همانگونه که در این شکل مشاهده میگردد ربات ماهی دارای سه مفصل بند بند میباشد. سه سروموتور با انکدر به ترتیب روی مفصل اول، دوم و سوم بدن ماهی قرار گرفته است. در این تحقیق، مفصل اول و دوم متحرک و مفصل سوم ثابت در نظر گرفته شده است. چهارمین قطعه دم است که برای تولید پیشرانه و ایجاد یک حرکت نرم شبیه به ماهی واقعی به مفصل سوم متصل گردیده است. در اینجا سه قسمت اصلی وجود دارد: