تحلیل دینامیکی و طراحی سیستم کنترل ربات زیرآبی شش پا
چکیده
در سال های اخیر استفاده از وسایل نقلیه رباتی زیرآبی (urvs) در سطح وسیعی و در کاربردهای مختلف از قبیل جستجو و گشت زنی، اقیانوس شناسی، جمع آوری اطلاعات، مین یابی، جوشکاری خطوط لوله در زیردریا و تحقیقات علمی مورد توجه مراکز مختلف پژوهشی، نظامی و صنعتی قرار گرفته است. به همین علت، در این پژوهش مسئله ربات شش پا زیرآبی به لحاظ تحلیل دینامیکی و کنترلی مورد بررسی دقیق قرار گرفته شده است. بدین منظور ابتدا با شناخت از مختصات های مرجع به مدل سینماتیک و استخراج معادلات حرکت بدنه صلب و محاسبه نیروها و گشتاورهای گرانشی، شناوری، هیدرودینامیکی و رانشی پرداخته ایم. نهایتا با بدست آمدن کامل معادلات غیرخطی حرکت در مختصات مرجع زمین ثابت، با شبیه سازی آن ها قسمت دینامیک مسئله را به سرانجام رسانده ایم. طراحی کنترل کننده برای ربات های زیرآبی و مخصوصا ربات زیرآبی مورد بررسی از ظرافت و پیچیدگی زیادی برخوردار است. عواملی که موجب دشواری در طراحی کنترل کننده برای ربات های زیرآبی شده است عبارتند از: غیر خطی و پیچیده بودن معادلات حاکم بر حرکت، درجه بالایی از عدم قطعیت به علت شناخت ضعیف از ضرایب هیدرودینامیکی، اختلالات غیر قابل اندازه گیری (مانند جریان های زیرآبی)، تفاوت بین مراکز شناوری و گرانش، نیروهای هیدرولیکی مختلف از جمله شناوری و میرائی هیدرودینامیکی می باشد. با توجه به تحقیقات انجام گرفته پیرامون روش های کنترلی گوناگون بر روی وسایل نقلیه زیرآبی و نیز با توجه به معادلات غیرخطی حرکت برای ربات شش پا زیرآبی، در این پژوهش از دو رویکرد مختلف برای کنترل حالت های ربات زیرآبی استفاده کرده ایم. در رویکرد اول به ارائه یک روش جدید کنترل غیرخطی مقاوم مبتنی بر تاخیر زمانی برای ربات های زیرآبی پرداخته می شود. کنترل مقاوم با استفاده از قانون کنترل تاخیر زمانی (tdc) دارای ساختاری بسیار ساده و کارامد است که نیازی به دینامیک غیرخطی مدل نامی در این قانون کنترلی نیست. این قانون کنترل باعث تضعیف اثر دینامیک ناشناخته و اختلالات غیرمنتظره می شود که این کار به وسیله تخمین مستقیم از یک تابع (شامل نامعینی ها و نیز بخش هایی از مدل ربات) با استفاده از اطلاعات بهنگام از شتاب و ورودی کنترل کننده در مرحله قبلی و سپس اعمال آن در قانون کنترل صورت می گیرد. به جز عبارت های اینرسی، این قانون کنترل نیازی به شناخت و یا ساختار عدم قطعیت و یا کران های عدم قطعیت ندارد. در رویکرد دوم ارائه شده پس از خطی سازی معادلات حرکت، برای مقابله با عدم قطعیت های موجود و دینامیک ناشناخته ربات شش پا زیرآبی از روش بهینه چند منظوره مبتنی بر نرم بی نهایت ?h استفاده کرده ایم. در روش بهینه ?h کنترل کننده آن چنان طراحی می شود که یک کران بالا بر روی نرم بردار خروجی های (وزن دهی شده) سیستم چند متغیره ارضا شود. در این رویکرد طراحی کنترل کننده در قالب یک مسئله در آمده که در آن کمینه کردن تابع هزینه حساسیت مخلوط، فرموله می شود و این مسئله به صورت عددی توسط روش lmi در ?h قابل حل است. برای ارزیابی رفتار کنترل کننده خطی ?h، آن را به مدل غیرخطی ربات زیرآبی به صورت حلقه بسته، متصل می کنیم. در نهایت از نتایج شبیه سازی ها مشاهده می شود که هر دو روش کنترلی به طور مو ثر می توانند ردیابی مسیر مرجع داده شده را در حضور عدم قطعیت پارامترهای هیدرودینامیکی وسیله به خوبی انجام دهند.