0-93351

نشریه مهندسی دریــا سال دوازدهم/ شماره42/ پاییز و زمستان 5931)49-93(
طراحی کنترلگر تعقیب مسیر هماهنگ برای گروه شناور زیرسطحی با در نظر گرفتن مسئله اجتناب از برخورد
حسن صیادی1*، ایمان قاسمی2
1 استاد، قطب علمی هیدرودینامیک و دینامیک متحرکهای دریایی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف؛ [email protected]
4 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی مکاترونیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف؛ [email protected]
54102010040112

261124710040112

1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:05 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:05 +0330 on Monday October 30th 2017

اطلاعات مقاله

چكيده

چكيده

در این مقاله مسئله حرکت هماهنگ یک گروه زیرسطحی با در نظر گرفتن مسئله اجتناب از برخورد زیرسطحیها با موانع و همچنین با یکدیگر مورد بررسی قرار میگیرد. بدین منظور در ابتدا با استفاده از روش گام به عقب، برای یک زیرسطحی کنترلگر تعقیب مسیر طراحی میگردد. اثبات پایداری کنترلگر ارائه شده با استفاده از قاعده لیاپانوف انجام میگیرد. در ادامه با استفاده از قواعد تئوری گراف، مدلسازی ارتباط بین زیرسطحیها انجام شده و کنترلگر تعقیب مسیر برای یک زیرسطحی به کنترلگر تعقیب مسیر به صورت هماهنگ برای گروه زیرسطحی تعمیم داده میشود. سپس مسئله اجتناب از برخورد بررسی میشود. بدین منظور با استفاده از روش سیکل حد پیرامون هر مانع یک بیضی در نظر گرفته شده و در صورت خطر برخورد یکی از عوامل با موانع ،کنترلگر اجتناب از برخورد فعال میشود. همچنین این روش برای مسئله اجتناب از برخورد عوامل با همدیگر نیز مورد استفاده قرار میگیرد. در نهایت نیز با استفاده از ضرایب هیدرودینامیکی یک زیرسطحی شبیهسازی انجام شده و نتایج به منظور عملکرد صحیح کنترلگر طراحی شده، ارائه میشود. تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 45/51/5932 تاریخ پذیرش مقاله: 10/13/5931

کلمات کلیدی:
شناور زیرسطحی تعقیب مسیر هماهنگ تئوری گراف
اجتناب از برخورد با مانع سیکل حد

Design of Coordinated Path Following Controller for Multiple Autonomous Underwater Vehicle Considering Obstacles and Collision Avoidance

Hassan Sayyaadi1*, Iman Ghasemi2

Professor, Center of Excellence in Hydrodynamics & Dynamics of Marine Vehicles, School of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology, Tehran 11155-9567 Iran; [email protected]
M.Sc. Student of Mechatronic Engineering, School of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology; [email protected]

Keywords:
Autonomous underwater vehicle
Coordinated path following
Graph theory
Obstacle and collision avoidance
Limit cycle graph theory, modeling of interconnection between AUV systems is addressed and by this modeling the coordinated path following controller for multiple AUV is designed. After all the problem of obstacles and collision avoidance is considered appropriately. For this purpose, each obstacle involving a limit cycle of an ellipse and if the collision or conflict of one AUV to the surrounded environmental obstacles will be detected, the obstacle avoidance algorithm is activated to prevent collision. Also the same algorithm for collision avoidance in between all AUV systems in the group is implemented. Finally the depicted results illustrate the effectiveness and performances of the proposed controller apparently for a sample AUV,which its hydrodynamics coefficients are available in references.
0930022

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ABSTRACT

Article History:
Received: 11 Jan. 2016
Accepted: 27 Nov. 2016
In this paper the problem of coordinated path following for a group of Autonomous underwater vehicle (AUV) subjected to obstacle and collision avoidance is considered. At first a back stepping controller is used for an AUV to design a path following controller and its stability is examined via Lyapunov criteria. Then using of
49
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:05 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:05 +0330 on Monday October 30th 2017

– مقدمه
در سالهای اخیر کنترل گروهی چندین ربات بهه دلیه ل کاربردهها ی گستردهی آن از جمله عملیات جستوجو، داده بهردار ی از محه یط، حمل بارهای سنگین و کنترل آرایه ش مهورد توجهه محققه ین قهرار گرفته است. یک گروه از رباتهای مورد استفاده، شناورهای سطحی و زیرسطحی هستند کهه کاربردههایی از جملهه جمهع آوری داده و نقشهبرداری و همچنین بازرسی خطوط انتقال نفت و گاز کف دریه ا به صورت گروهی را دارند ]5, 4[. استفاده گروهی از زیرسهطح یهها باعث افزایش ناحیه کاری شده و در صهورت خهراب شهدن یکه ی از زیرسطحیها عملیات بینتیجه نمیماند ]9, 2[.
در این بین برای کنترل گروه ربات دو مساله مهم وجود دارد:
5- نحوه کنترل گروه ربات
حل مساله اجتناب از برخورد عوامل با یکدیگر و با موانع روشهای متفاوتی برای کنترل گروه ربات ارائه شده اسهت کهه مهیت وان ب ه روش رفت اری ]1[، روش س اختار مج ازی ]6, 0[، روش رهب ر-پی رو ]2[، روش تواب ع پتانس یل مص نوعی ]8-51[ و روش مبتنی بر اساس تئوری گراف ]55-59[ اشاره کرد. در ایه ن به ین بهاتوجه به اینکه در روش تئوری گراف میتوان ارتباط به ین عوامهل را مدلسازی کرد و در زیرآب همواره مشکلاتی در رابطه با ارتباط بین عوامل وجود دارد، بنابراین این روش نسبت به سها یر روشهها بهرا ی گروه زیرسطحی مناسبتر است ]54[.
42
به دلیل اینکه دینامیک زیرسهطح یهها تحر یهک غیرکامهل 5 بهوده وهمچنین نیروها و ممانهای محیطی روی دینامیک شهناور اثرگهذار هستند و در ضمن ترمهای غی رقطهری در مهاتر یس جهرم و م ی رائهی هیدرودینامیکی وجود دارند، مسئله کنترل آرایش برای زیرسهطح یها نسبت به رباتهای دیگر سختتر است ]2, 54[. در این زمینهه در سال 4118 آقای دانگ و همکار مساله کنترل آرایش را بهرا ی یه ک گروه شناور با هدف رسیدن به آرایش ایسهتا دلخهواه مهورد بررسه ی قرار دادند ]52[. ایشان مدل سادهای از شناور را در نظر گرفتند بهه نحوی که از مدلسازی نیروها و ممانهای محیطی دریا و اقیانوسهها و همچنین از ترمهای مرتبه دوم ماتریس جهرم و مهاتر یس میرائه ی هیدرودینامیک صرف نظر کردند و بها توجهه بهه آن کنترلگه ری بهر اس اس تئ وری گ راف و قاع ده لیاپ انوف طراح ی کردن د. ایش ان همچنین مساله اجتناب از برخورد را برای گروه شهناور زیرسهطح ی مورد بررسی قرار ندادند که از این منظور کار ایشهان دچهار اشهکال است. در سال 4118 نیز آقای قوام و همکار مساله کنترل آرایش را با استفاده از روش تئوری گراف برای گروه شناور زیرسهطح ی مهوردبررسی قرار دادند ]51[. ایشان مهدل سهاده ای از شهناور را در نظهر گرفته و با استفاده از کنترلگر فازی این مسهاله را حهل نمودنهد . در ضمن ایشان نیز مساله اجتناب از برخورد را برای گروه شناور مهورد بررسی قرار ندادند. در سال 4151 آقای دانگ مساله کنترل آرایه ش را برای گروه شناور سطحی به منظور رسیدن به آرایه ش دلخهواه بهااستفاده از یک ربات مجهاز ی بهه عنهوان رهبهر بها اسهتفاده از روشتئوری گراف مورد بررسی قهرار دادنهد ]9[. در ادامهه نیه ز در سهال4154 آقای وانگ و همکاران ]55[، در سهال 4159 آقها ی پنهگ وهمکاران ]56[، در سال 4152 آقای قوام و همکار ]54[ و در سهال4151 آقای پارک ]5[ مساله کنترل آرایش را با استفاده از روشهای تئوری گراف و برای شرایط متفهاوت در رابطهه بها انتفهال اطلاعهاتمورد بررسی قرار دادند. وجه مشترک تمام مقالات عهدم اسهتفاده ازدینامیک کامل شناور و همچنه ین عهدم بررسهی مسهاله اجتنهاب ازبرخورد است.
امروزه پژوهشگران روشهای متنوعی را در رابطه با بحث اجتناب از برخورد پیشنهاد دادهاند. از جمله این روشها میتوان به روش تهابعپتانسیل ]50[، روش نمونه برداری ]58[، روشهای اکتشافی ]53[ و روش سیکل حد ]41[ اشاره کرد. در این به ین در سهالها ی اخیه ر روش سیکل حد به دلیل سادگی در پیاده سهاز ی و عملکهرد خهوبآن مورد توجه محققین قرار گرفته است ]45[. این روش در رابطههبا مساله اجتناب از برخورد برای گهروه شهناور زیرسهطح ی اسهتفادهنشده است .در این روش موانع با استفاده از سیکل حد شبیهسهاز ی شده و از برخورد رباتها با موانع جلوگیری میشود. این روش توسط کیم و همکهاران ارائهه شهد ]44[. سهپس روش ارائهه شهده توسهطسههلطان و همکههاران ]49[ و همچنههین قاسههمی و همکههاران]42[ گسترش داده شد.
با توجه به مرور مقالات هدف اصلی از انجام این تحقیق به شرح زیر است:
حل مسئله کنترل آرایش برای یک گهروه ز یرسهطح ی بهااستفاده از روش تئوری گراف و گام به عقب4
4. در نظر گرفتن ترمهای مرتبه دوم ماتریس جرم و میرایهی هیدرودینامیکی و همچنه ین نیروهها و ممانهها ی محیطه ی در مدلسازی
9. در نظر گرفتن مسئله اجتناب از برخورد عوامل با یکدیگر و همچنین عوامل با موانع محیطی
ویژگی این مقاله نسهبت بهه سهایر مقهالات در نظهر گهرفتن مسهالهاجتناب از برخورد بین عوامل و موانع موجود در محیط اسهت. روشبه کار گرفته شده برای مساله اجتناب از برخورد نیه ز، روش سه یکل حد است که از این روش برای مساله اجتناب از برخورد در رابطه بهاگروه شناور زیرسطحی استفاده نشده است. مزیت دیگر ایه ن مقالههدر نظر گرفتن دینامیک کامل یک زیرسطحی بهرا ی مهدل سهاز ی و طراحی کنترلگر است .
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:05 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:05 +0330 on Monday October 30th 2017

در ادامه ابتدا مفاهیم پایه ارائه مه یشهود . سهپس کنترلگهر تعقیه ب مسیر برای یک زیرسطحی ارائه میشود. سپس این کنترلگهر بهرا ی گروه شناور زیرسطحی تعمیم داده میشهود . بعهد از ارائهه کنترلگهر برای گروه شناور زیرسهطح ی، روش اجتنهاب از برخهورد عوامهل بهایکدیگر و همچنین با موانع ارائه میشهود . در نهایه ت نیه ز نتهایج بههمنظور عملکرد درست کنترلگر ارائه میشود.

– مفاهيم پایه در مدلسازی هيدرودیناميكی و ارتباط زیرسطحیها
در این قسمت مفاهیم پایهای مورد نیاز برای طراحی کنترلگر ارائههمیشود. ایه ن مفهاه یم شهامل مهدل سهاز ی زی رسهطحی و همچنه ین مفاهیم مورد نیاز تئوری گراف است.

2 – 1– مدلسازی زیرسطحی سـه درهـه ازادی در صـفحهافقی
در این قسمت معادلات سینماتیک و دینامیک یه ک زیرسهطح ی در صفحهی افقی اسهتخرا مه یگهردد . بهرا ی بدسه ت آوردن معهادلات حرکت همانند شکل 5 از دو دستگاه مختصهات اسهتفاده مه یشهود . دستگاه مختصات متحهرک ،0 0 0X Y Z کهه بهه مرکهز ثقهل وسهیله متصل است که دستگاه مرجع متصل به بدنه نامیده میشهود. مبهد دستگاه مختصات متصل بهه بدنهه، معمهولا در مرکهز جهرم وسهیله انتخاب میشهود . در زیرسهطح ی، محورههای 0 0 0X Y Z منطبهق بهامحورهای اصلی اینرسی بوده و به صورت زیر تعریف میشوند ]41[:
0X : محور طولی )جهت از پاشنه به سمت دماغه(
0Y : محور عرضی )جهت به سمت استاربورد(
0Z: محور عمودی )جهت از بالا به پایین(
دستگاه مختصات دیگر، دستگاه متصل به زمین،XYZ اسهت کههبه عنوان دستگاه مختصات اینرسی در نظر گرفته میشود.

شكل 1- دستگاه های مختصات متصل به بدنه و زمين ]22[

41
همچنین مولفههای حرکت مطابق با جدول 5 است. بنابراین با توجه به حرکت زیرسطحی در صفحة افقی تعداد درجات آزادی برابر 9 است. با در نظر گفتن[x y, ,]T برای بردار جابهجایی نسبت به مختصات زمین و[u v r, , ]T برای بردار سرعت نسبت به مختصات بدنه معادلات سینماتیک برای زیرسطحی نمونةiام به صورت زیر استخرا میگردد ]41[:
55135-45519

 i  J ( i )v i J (i )  cos(sin(ii )) cos(sin(i i)) 00 )5(

001

هدول 1- نماد گذاریهای استفاده شده برای حرکت زیرسطحی در صفحهی افقی]22[
درجه آزادی
توضیح نیروها و ممانها سرعتهای
خطی و دورانی مکانها و
زوایای اویلری
5 حرکت در جهت x
)surge( XX u x

4 حرکت در جهت y
)sway( YY v y

9 دوران حول محور yaw( z( NN r

برای استخرا معادلات دینامیک زیرسطحی فرضه یات زیه ر در نظهر گرفته میشود.
5. از در نظر گرفتن حرکت در جهتz ، حرکهت حهول محهورx و حرکت حول محورy چشمپوشی میشود.
4. زیرسطحی همگن فرض شده و همچنین توزیع جرم در صفحهیxz متقارن است.
9. مرکز جرم و مرکز شناوری روی محورz قرار دارند.
2. مرکز مختصات متصل به بدنه روی مرکز جرم بهوده و همچ نهین محورهای مختصات متصل بهه بدنهه منطبهق بهر محورههای اصهلی زیرسطحی است. با این فرضیات معادلات دینامیک زیرسهطح یi ام به صورت زیر استخرا میگردد ]41, 40[:

417505-42858

M ii Ci ( )ii Di ( )  ii  Eii )4(
به نحوی که:
m11 0 0  M i   0 m22 m23 )9(
 0m23m33

d11i00  D vi ( )  0d22id23i 

 0d32id33i 
 ui bui
i 0,Ei  J T (i ) bvi
 
  
  ri  bri
 0 0 m v22 i m r23 i  C vi ( )  0 0 m u11 i 

m v22 i  m r23 im u11 i0
که در روابط بالا متغیرها به صورت زیر هستند:
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:05 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:05 +0330 on Monday October 30th 2017



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید