پروژه ربات ماهی

دانلود پروژه پایانی کارشناسی

پروژه ربات ماهی

این مقاله با فرمت Word بوده و قابل ویرایش است و همچنین آماده پرینت می باشد.

پیش گفتار :

در این پژوهش به ارائه روش کنترل مود لغزشی هوشمند برای نمونه ای از یک ربات ماهی به روش سخت افزار در حلقه پرداخته می شود. برای این منظور، ابتدا مدل غیر خطی برای نمونه ربات ماهی معرفی میگردد. برای تحلیل حرکات ماهی، از تئوری جسم کشیده که توسط لایت هیل پیشنهاد شده است، استفاده شده است . تئوری لایت هیل برگرفته شده از تئوری آیرودینامیك جسم باریك است که به شناگرهای کارانجیفوم قابل اعمال است. با ساده سازی معادلات پیشنهادی لایت هیل برای سیستم ربات برای حرکت در صفحه، تعداد ورودی های کنترلی از تعداد درجات آزادی حرکت در صفحه کمتر میباشد که منجر به تحریک ناقص ربات میشود. به علت عدم امکان مدل سازی تحلیلی و دقیق اثرات هیدرودینامیکی وارد بر ربات و کوپله بودن این اثرات با اثرات دینامیکی، مدل دینامیکی سیستم ارائه شده برای ربات ماهی علاوه بر تحریک ناقص بودن، دارای عدم قطعیتهای پارامتریک و ساختاری می باشد. تا به حال، كار اصلی محققان بر روی تحلیل های پیچیده هیدرودینامیکی مكانیزم رانش شبیه ماهی که غیر قابل استفاده برای مصارف کنترلی هستند ، مواد سازنده باله ها، ساختار مكانیكی و عملكرد با كنترل از راه دور متمركز بوده است.

كارهای اندكی روی طراحی كنترل هوشمند برای روبوماهی كه بتواند شنا كند و در محیط های با دینامیك پویا و ناشناخته جهت یابی كند، انجام شده است. این شاید بعلت دشواری روش های كنترل مورد نیاز برای كنترل مدلهای هیدرودینامیکی ارائه شده برای ربات باشد. در ادامه، برای مدل تحریک ناقص ربات، کنترلر سینماتیکی برای ردیابی مسیرهای دلخواه طراحی میشود و در نهایت برای معادلات دینامیکی سیستم، کنترل مود لغزشی هوشمند با قابلیت تطبیق به تغییرات یا عدم قطعیتهای پارامتریک معرفی و اعمال می  گردد. در این راستا، نمونه ای از دم ماهی با قابلیت بال زدن در آب ساخته شده و توسط مکانیزم استند تست مناسب نیروهای رانش حاصل از بال زدن دم بدست آمده و به مدل ربات در محیط نرم افزار مطلب  اعمال شده و به همراه کنترلر سینماتیکی و دینامیکی طراحی شده از این نیروهای برای بدست آوردن مدل رانش دم ربات با قابلیت تطبیق و تعمیم استفاده شده است. شبیه سازی های کامپیوتری انجام شده به همراه نتایج تجربی بدست آمده نشان میدهد که هوشمند نمودن روش کنترلی مود لغزشی و مدل رانش ربات دو مزیت عمده دارد. اولین مزیت آن چند منظوره شدن ربات و قابلیت کارکرد آن در محیط های مختلف است زیرا سیستم در مقابل تغییرات پارامترهای دینامیکی مقاوم میگردد. مزیت دیگر، عدم نیاز به آزمایشات پر هزینه و زمانبر برای الگوریتمهای شناسایی سیستم و کاهش عملیات مربوط به تنظیم نهایی سیستم کنترلی می باشد.

مقدمه:

اصل گزینش طبیعی این اطمینان را می دهد كه سیستم های مكانیكی كه در ماهیها بكار گرفته شده اند، هرچند لزوماً بهینه ترین نیستند، اما اگر ملاحظات مربوط به محل سكونت و شیوه ی زندگی هر دسته از ماهیها در نظر گرفته شود بسیار كارا هستند. ماهی تون با سرعت بسیار بالا شنا می كند، اردك ماهی در چشم بر هم زدن شتاب می گیرد و مارماهی می تواند ماهرانه به داخل سوراخ های كوچك شنا كند. تواناییهای غالباً قابل توجه آنها می تواند الهام بخش طراحی های خلاقانه ای باشد كه بتواند عملكرد سیستم های ساخت بشر را در محیط های آبی بهبود بخشد. یك نمونه كاربردی كه می تواند بطور قابل توجهی فایده ببرد، ماشین های اتوماتیك زیرآبی  می باشد.

این موضوع تاكنون الهام بخش بسیاری از محققان ربوتیك بوده تا مدلهای جدید سیستم های ربوتیك آبی، برای مثال ربو ماهی، را بسازند. به جای پروانه های گردان مرسوم در قایقها و یا ماشین های زیرآبی، یك ماهی ربوتیك غالباً برای ایجاد نیروی پیش برنده، بر حركت موجی تكیه دارد.

مشاهدات روی یك ماهی واقعی نشان می دهد كه این نوع پیشرانش، كم نویزتر، كاراتر و مانورپذیرتر از پیشرانش مبتنی بر پروانه گردان است. بنابراین ماهی ربوتیك می تواند در بسیاری از كاربردهای زیردریایی و نظامی مانند بررسی رفتار ماهی های اعماق آب، سیافت بستر دریاها، مین یابی، كشف محل نشتی لوله ی نفت، آموزش رباتیك و ... مورد استفاده قرار گیرد.

برای بررسی دینامیك و كنترل حركات مختلف ربات به یک مدل هیدرودینامیكی قابل قبول نیاز هست. از دوره كردن مقالات در این زمینه، مشاهده می شود که اکثر مدلهای موجود یا بسیار پیچیده و غیر قابل استفاده برای مصارف کنترلی هستند و یا بسیار ساده بوده و از دقت مناسبی برخوردار نیستند. در این پروژه سعی در ارائه الگوریتم کنترلی ربات ماهی برای ردیابی مسیرهای دلخواه با انحنای محدود میباشد. در ابتدا با استفاده از مدل موجود برای شنای دسته ماهیهای کارانجیفورم به ارائه مدل هیدرودینامیكی از حرکات دم پرداخته میشود و در نهایت با استفاده از مدل هیدرودینامیكی به دست آمده برای حرکات دم، به ارائه الگوریتم كنترلی ربات برای انجام حركات مختلف در زیر آب پرداخته میشود. سپس با استفاده از روش سخت افزار در حلقه ١ و ساخت استند مناسب برای انجام آزمایشات تجربی، نسبت به پیاده سازی الگوریتم کنترلی بصورت زمان واقعی اقدام خواهد گردید.

فهرست - صفحه

پیش گفتار            1

مقدمه     2

فصل اول :

خلاصه ای بر مكانیزم های مورد استفاده ماهی در شنا        4

رانش BCF           6

یادگیری از ماهی در طراحی و ساخت ربات       9

نیروهایی كه بر روی ماهی در حال شنا اثر می كند           13

طراحی الگوی شنا برای ربات ماهی    18

مكانیزم ها و روشهای كنترلی برای روبوماهی     20

سینماتیکو دینامیک ربات ماهی بدون در نظر گرفتن دینامیک مکانیزم 24

دینامیک مکانیزم پیشرانش ربات ماهی  26

تئوری جسم کشیده  27

شبیه سازی حرکت  31

طراحی ساختار ربات           31

شبیه سازی دینامیکی حرکت ربات       34

طراحی کنترلر سینماتیکی     37

حرکت روی مسیرهای دایروی           38

حرکت روی مجموعهای از نقاط و تعقیب مسیرهای دلخواه  41

تعقیب اجسام متحرک و ثابت نگه داشتن فاصله نسبی         42

حفظ فاصله نسبت به هدف متحرک      45

طراحی کنترلر دینامیکی مود لغزشی هوشمند      47

شبیه سازی تعقیب اجسام متحرک        48

تعقیب جسم متحرک، با حرکت هدف روی مسیر سینوسی    48

فصل دوم:

ربات زیرآبی        54

کاربردهای ربات‌های زیرآبی 55

كاوش در اعماق دریاها با سفره ماهی رباتیك محقق ایرانی   63

روبات ماهی های هوشمند درخدمت یافتن آلودگیها 64

ربات ماهی شبیه ساز شنای ماهی طبیعی           66

فصل سوم :

طراحی و ساخت ربات ماهی قزل آلا با استفاده از میكروكنترلر AVR  70

مقدمه     71

وسایل رباتیكی زیر آبی        73

تاریخچه  76

طراحی ربات ماهی             78

برنامه نویسی برای كنترل ربات         79

ساخت ربات ماهی  82

فلوچارت برنامه نویسی میکرو کنترولر 84

جمع بندی و کار های آینده     86

مراجع    87