| چکیده |
ناوبری رباتهای متحرک مسئلهای است که در سالهای اخیر مورد توجه خاص محققین این رشته بوده و روشهای متعددی بدین منظور ارائه شده است که هر یک مزایا و کاستیهایی به دنبال داشته است. ناوبری در محیطی که برای ربات ناشناخته است، همواره با دو مسئله در ارتباط است. مسئله اول مشخص کردن مکان فعلی ربات است. مسئله دوم به جستجوی مسیری برای عبور ربات و دنبال کردن هدف ارتباط پیدا میکند. ایدهی اصلی این تحقیق با الهامگیری از رفتار مسیریابی افراد نابینا شکل گرفته است. وقتی یک فرد نابینا وارد یک محیط ناشناخته (از حیث موانع موجود)، میشود میتواند به کمک عصای خود و با دانستن مشخصات نقطهی هدف راه خود را پیدا کند. مسئلهای که فرد نابینا در چنین شرایطی با آن روبروست، به مسئله ناوبری ربات متحرک شباهت بسیار دارد. در این پژوهش الگوریتم رفتاری فرد نابینا در مسئله ناوبری ربات متحرک به کار گرفته میشود. برای این منظور یک ربات سه چرخ با محرکه تفاضلی به یک عصا تجهیز شده و به کمک حسگرهای تماسی عصا، رفتار فرد نابینا در محیطی با موانع ناشناخته، شبیهسازی شده و الگوریتمی برای مسئله مسیریابی و کنترل حرکت ربات پیشنهاد میگردد. شناسایی موقعیت و جهت ربات با استفاده از سینماتیک آن انجام میشود. همچنین یک نمونهی آزمایشگاهی ربات سه چرخ به همراه مدارهای کنترلی و موتورهای مجهز به انکدر ساخته شده است که عصا و مکانیزمهای مورد نیاز عصا پس از طراحی بر روی آن نصب شده است. با بررسی نتایج حاصل از شبیهسازی و تست تجربی مشاهده گردید که الگوریتم پیشنهاد شده به سادگی قابل پیادهسازی بوده و میتواند با هزینهی محاسباتی و پردازشی پایین به صورت بلادرنگ مورد استفاده قرار بگیرد. شبیهسازی نرمافزاری و تستهای تجربی نشان میدهند که طراحی مسیر و دور زدن موانع و دنبال کردن هدف به کمک این الگوریتم به خوبی صورت میگیرد. ? فهرست مطالب 1- مقدمه 2 1-1-رباتها و حسگرها 2 1-2-طرح کلی پژوهش و روش انجام آن 5 1-3-ساختار پژوهش 6 2- پیشینه پژوهش 8 2-1-تقلید از افراد نابینا در به کارگیری حسگر فراصوتی 11 2-2-بهکارگیری استراتژی افراد نابینا و ناوبری ربات به کمک حسگرهای نیرو 19 2-3-دوری از مانع با استفاده از میدان پتانسیل و عصای الکترونیکی 24 2-4-روش پیشنهادی 28 3- روابط و مبانی محاسباتی 31 3-1-روش تشخیص مکان فعلی ربات (سینماتیک ربات) 31 3-2-مکانیزمهای پیشنهادی اولیه برای به حرکت در آوردن عصا 33 3-3-جاروب محیط توسط عصا 35 3-4-معادلات حرکت عصا 37 3-5-حالت خاص در معادلهی حرکت عصا 39 3-6-الگوریتم پیشنهادی برای مسیریابی 42 4- شبیهسازی الگوریتم 46 4-1-شبیهسازی مدل ربات در محیط سیمولینک 47 4-2-انواع موانع 48 4-3-شبیهسازی تشخیص برخورد با موانع 48 4-4-شبیهسازی نحوهی عملکرد هنگام برخورد با مانع 49 4-5-نتایج شبیهسازی 50 4-5-1-بررسی اثر تغییرات طول عصا 51 4-5-2-بررسی اثر تغییر فرکانس نوسانات عصا 53 4-5-3-بررسی اثر تغییرات دامنهی نوسانات عصا 55 4-5-4-بررسی اثر تغییرات میزان فرار از مانع 56 5- طراحی، نمونهسازی و تست 59 5-1-ساختار ربات 59 5-2-موتورهای مورد استفاده 59 5-3-مکانیزم مورد استفاده برای عصا 63 5-4-مدارهای کنترل و قدرت ربات 65 5-4-1-مدار کنترل چرخها 65 5-4-2-مدار قدرت 69 5-4-3-مدار کنترل عصا 73 5-5- تغذیهی ربات 77 5-6-طراحی کنترلر برای موتورها 77 5-7-توقف ربات در هنگام رسیدن به مقصد 78 5-8-نتایج تستهای تجربی 78 5-8-1-نتایج تستهای شناسایی موقعیت و جهت 78 5-8-2- تست تجربی در حضور یک مانع 80 5-8-3- تست تجربی در حضور دو مانع 80 5-9-مقایسه و بحث در مورد نتایج 81 6- نتیجهگیری و پیشنهادات 84 6-1-جمعبندی و نتیجهگیری 84 6-2-پیشنهادات 86 7- مراجع 88 پیوست 90 فهرست اشکال شکل 1 1 - انواع رباتهای سه چرخ [27] 3 شکل 2 1 - الگوریتم ناوبری ربات سکی و همکارانش [18] 10 شکل 2 2 - نتایج حاصل از آزمایش ناوبری ربات به کمک پردازش تصویر و لیزر [20] 11 شکل 2 3 - ربات چهار چرخ Titan [23] 12 شکل 2 4 - مدل پیمایش مسیر در افراد نابینا [21] 13 شکل 2 5 - هندسه پنجره جستجو که در آن بازتاب دیوار جستجو میشود [22] 14 شکل 2 6 - دادههای ثبت شده هنگام عبور از کنار یک دیوار صاف 7 متری فاصلهی مطلوب از دیوار 500 میلیمتر است. نمودارها به ترتیب مربوط مربوطند به: دستور به زاویهی فرمان (مقیاس=1)، زاویهی حقیقی فرمان (مقیاس=1)، بیرینگ مغناطیسی (مقیاس=0.13)، سرعت خطی (مقیاس=10)، فاصله از دیوار (مقیاس=0.01)، تشخیص حضور دیوار، دستور مربوط به برخورد از راست و دستور مربوط به برخورد از چپ [22] 18 شکل 2 7 - مسیریابی در افراد نابینا [24] 21 شکل 2 8 - مدل ربات متحرک (ربات سه چرخ) [24] 22 شکل 2 9 - استراتژی مسیریابی به کمک نیروهای تعاملی [24] 22 شکل 2 10 - محیط شبیهسازی ربات چن و همکارانش[24] 23 شکل 2 11 - مسیر پیموده شده توسط ربات چن و همکارانش[24] 24 شکل 2 12 - میدان پتانسیل اتاق قبل از تشخیص موانع [25] 26 شکل 2 13 - خطوط همپتانسیل میدان در این جا عصای ربات از شعاع بیشینهی rM کوتاهتر است [25] 26 شکل 2 14 – مسیر حرکت ربات در نرمافزار شبیهسازی[25] 27 شکل 2 15 - در این شکل ربات اندکی قبل از موج پتانسیل قرار دارد. در این جا عصای ربات از شعاع بیشینهی rM بلندتر است [25] 27 شکل 2 16 - ربات به کمک عصای تطبیقی دیوارهای طولانی و راهروهای تنگ را میپیماید [25] 27 شکل 2 17 - میدان پتانسیل نهایی و مسیری که ربات پیموده است (در ادامه شکل 2 16) [25] 27 شکل 3 1 - سینماتیک ربات 31 شکل 3 2 - مکانیزم تشخیص برخورد با پتانسیومتر 33 شکل 3 3 - مکانیزم حرکت دادن عصا به کمک پولی و تسمه 34 شکل 3 4 - هدوگراف حرکت عصا 36 شکل 3 5 - نواحی جاروب شده توسط عصا نواحی آبی تیره دو بار و نواحی آبی روشن یک بار جاروب شده و نواحی سفید جاروب نشده است. 36 شکل 3 6 – منحنی نوک عصا 37 شکل 3 7 – عرض نوار شناسایی بر حسب طولهای مختلف عصا برای v=0.22ms و ?max=?3 rad و T=2 s 40 شکل 3 8 – مقدار tp به دست آمده از رابطهی ( 3 26 ) بر حسب طولهای مختلف عصا برای v=0.22ms و ?max=?3 rad و T=2 s 41 شکل 3 9 - عرض نسبی نوار شناسایی بر حسب طولهای مختلف عصا برای v=0.22ms و ?max=?3 rad و T=2 s 41 شکل 3 10 - عرض نسبی نوار شناسایی بر حسب پریودهای مختلف عصا برای v=0.22ms و ?max=?3 rad و L=0.5 m 42 شکل 3 11 – فلوچارت حرکت ربات 44 شکل 4 1 – ربات و موانع در محیط شبیهساز 49 شکل 4 2 – مسیر پیموده شده توسط ربات بدون تشخیص مانع 50 شکل 4 3 - مسیر پیموده شده در حضور چهار مانع با طول عصای 50 سانتیمتر 51 شکل 4 4 - مسیر پیموده شده در حضور چهار مانع با طول عصای 65 سانتیمتر 52 شکل 4 5 - سرگردانی ربات و نرسیدن به هدف در ربات با طول عصای 80 سانتیمتر 52 شکل 4 6 - مسیر پیموده شده در یک راهروی کمعرض با پریود حرکت عصای 2 ثانیه 54 شکل 4 7 - مسیر پیموده شده در یک راهروی کمعرض با پریود حرکت عصای 1.33 ثانیه 54 شکل 4 8 - مسیر پیموده شده توسط ربات در حضور مانع مستطیلی بزرگ با دامنهی نوسانات 60± درجه 55 شکل 4 9 - مسیر پیموده شده توسط ربات در حضور مانع مستطیلی بزرگ با دامنهی نوسانات 88± درجه 55 شکل 4 10 - مسیر پیموده شده توسط ربات در حضور مانع دایرهای بزرگ با فرار از مانع 50 سانتیمتر 57 شکل 4 11 - مسیر پیموده شده توسط ربات در حضور مانع دایرهای بزرگ با فرار از مانع 25 سانتیمتر 57 شکل 5 1 – نمای بالای شاسی ربات و محل قرارگیری چرخها 60 شکل 5 2 – ربات ساختهشده به همراه عصا 60 شکل 5 3 - موتور، انکودر و چرخ مورد استفاده در ربات 60 شکل 5 4 – سروموتور مورد استفاده در مکانیزم عصا 60 شکل 5 5 - نمودارهای مشخصه موتور [31] 61 شکل 5 6 - منحنی برازش شده بر نمودار مشخصه موتور 62 شکل 5 7 – مدار معادل موتور DC 62 شکل 5 8 - مکانیزم مورد استفاده در عصا 64 شکل 5 9 - نقشه شماتیک مدار کنترل چرخها 66 شکل 5 10 - نقشه شماتیک مدار قدرت 70 شکل 5 11 - اپتوکوپلر 4N37 و پایههای آن [32] 71 شکل 5 12 - راهانداز موتور L298 و پایههای آن [29] 71 شکل 5 13 - نقشه شماتیک مدار کنترل عصا 75 شکل 5 14 – مسیر ثبت شده توسط ربات در حرکت بر روی یک دایره به قطر 59 سانتیمتر 79 شکل 5 15 - مسیر پیموده شده توسط ربات در تست تجربی در حضور مانع استوانهای شکل (خطای نسبی نهایی=3 درصد) 80 شکل 5 16 - مسیر پیموده شده توسط ربات در تست تجربی در حضور دو مانع (خطای نسبی نهایی=5 درصد) 81 شکل 5 17 - مقایسهی مسیر طی شده شبیه سازی و واقعی در حضور مانع استوانهای آبی: تجربی - سیاه: شبیهسازی 82 شکل 5 18 - مقایسهی مسیر طی شده شبیه سازی و واقعی در حضور دو مانع آبی: تجربی - سیاه: شبیهسازی 82
|
