الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.
قیمت
قیمت این مقاله: 38000 تومان
(ایران ترجمه - Irantarjomeh)
توضیح
بخش زیادی از این مقاله بصورت رایگان ذیلا قابل مطالعه می باشد.
کنترل تقریبی بهینه گام برداری ربات پرگاری شکل بر روی زمین ناهموار
نام انگلیسی
Approximate Optimal Control of the Compass Gait on Rough Terrain
تعداد صفحه به فارسی
۳۰
تعداد صفحه به انگلیسی
۶
کلمات کلیدی به فارسی
گام برداری، ربات پرگاری شکل، زمین ناهموار
کلمات کلیدی به انگلیسی
Gait, Compass Robot, Rough Terrain
مرجع به فارسی
لابراتوار هوش مصنوعی و علوم کامپیوتر MIT، ایالات متحده
مرجع به انگلیسی
MIT Computer Science and Artificial Intelligence Lab, Cambridge, MA USA.
کشور
ایالات متحده
کنترل تقریبی بهینه گام برداری ربات پرگاری شکل بر روی زمین ناهموار
چکیده
در این مقاله، ما قابلیت های مدل های القایی مرتبط با یک ربات گام بردار پرگاری شکل بر روی زمین ناهموار را مورد بررسی قرار می دهیم. جهت گام برداشتن این ربات بر روی منطقه کاملا شناخته شده و در عین حال ناهموار می بایست اقدام به حل و انتخاب خط مشی های باز خوردی بهینه سطح- بالا با استفاده از کنترلر ثابت سطح – پایین نموده که قابلیت انتخاب عملکردهای سطح بالا را در هر مرحله اجرایی داشته باشد. علاوه بر این ما نشان دادیم که یک استراتژی کنترل افق زمانی تک مرحله ای با استفاده از کنترل کننده سطح پایین یکسان قابلیت فراهم آوردن عملکردی را خواهد داشت که به طور شگفت آوری قابل قیاس با خط مشی بهینه افق زمان محدود می باشد. مدل ارائه شده در اینجا با استفاده از یک گشتاور در ناحیه تهی گاه و یک حالت گام برداری با استفاده از پنجه پا بر مبنای حالت تکانشی- محوری، دقیقا قبل از برخورد ربات با زمین، ارائه گردیده است. نتایج ما فراهم آورنده شواهد قابل توجهی می باشد که بر مبنای ربات های القایی / راه انداز و بر اساس اصول دینامیک غیر فعال (همانند گشتاور/ بدون قوزک) می بایست به صورت ذاتی قابلیت حرکت بر روی یک زمین ناهموار را داشته باشد.
کنترل گام ربات پرگاری زمین ناهموار
۱- مقدمه
به منظور آنکه حرکت رباتیک با استفاده از ربات های دارای پا به عنوان یک مبحث عملی خارج از شرایط کنترل شده آزمایشگاهی پیاده گردد، ربات ها می بایست از قابلیت بالا و استراتژی های کنترل دینامیکی قابل توجهی برخوردار باشند تا بدین وسیله بتوانند با شرایط متنوع محیطی که در عملیات روزمره با آنها روبرو خواهند شد دست و پنجه نرم نمایند. چنین ربات هایی با توجه به ویژگی های زمینی، همانند اصطکاک تماس یا ضریب ارتجاع، از تفاوت های قابل توجهی برخوردار بوده و بنابر این باید قابلیت روبرو شدن با نیروهای متناوب خارجی را داشته باشند.
اصول دینامیک غیر فعال به عنوان راهکار نوید بخش جهت تحقیق در خصوص علوم رباتیک مرتبط با ربات های دارای پا به کار گرفته شده است ([۱۲], [۷], [۱۱], [۴],[۱۴], [۱۶], [۶]). ربات های راه رونده کاملا غیر فعال، که به هیچ نیروی راه انداز یا کنترل فعالی نیاز ندارند، نشان دهنده یک حالت راه رفتن باثبات با توجه به چرخه های محدود به سمت پایین یک سراشیبی می باشند. متاسفانه، تعامل با دینامیک طرز ایستایشی رباتیک و حالت نوسانی پاها در یک ربات راه رونده غیر فعال نیازمند یک سری از مجموعه های ضروری شرایط اولیه (در خصوص نقاط ثابت پس از برخورد و اسمی در فضای حالت)، یا هر نوع مرحله خاص که می بایست آن را به صورت موفقیت آمیزی تکمیل نمود، می باشد. در نتیجه، ربات های راه رونده غیر فعال به طور آشکار به عنوان یک مبحث قابل توجه و در عین حال شکننده همراه با اختلال های اندک، نظیر تغییرات دقیق در سطح زمین، که ممکن است آنها را از نقطه ثابتی دور نموده و سبب به زمین افتادن آنها شود، مشخص می سازد. …
در این مقاله، ما نتایج برجسته خود در مبحث مطالعه مدل ربات راه رونده پرگار شکل (CG) با قابلیت القای گشتاور در ناحیه تهیگاه و یک منبع ضربه ای محور – گرا، در هر پنجه، را ارائه می نماییم. جزئیات تفصیلی این مدل در بخش ۲ ارائه می شوند. هدف ما ارزیابی قابلیت های این ماشین بر روی زمین های شناخته شده (و در عین حال پیچیده) می باشد. البته در این زمینه هیچ تلاشی جهت بررسی کارایی انرژی انجام نشده است.
کنترل گام ربات پرگاری زمین ناهموار
۲- روش شناسی
جهت حل مشکل کنترل بهینه به صورت تقریبی برای ربات راه رونده پرگاری شکل بر روی یک زمین ناهموار، ما نسبت به گسسته سازی و منفک نمودن دینامیک های مربوطه اقدام نموده و یک شبکه وضعیت های بعد از برخورد را به وجود آوردیم. پس از آن ما از یک الگوریتم ارزش تکراری جهت یافتن خط مشی باز خورد مرحله به مرحله بهینه برای سیستم منفک شده بهره جستیم. ما دو استراتژی کنترل سطح پایین را برای یافتن دینامیک های مرحله به مرحله ای یا حالت به حالت مورد آزمایش قرار دادیم. اولین روش یک کنترلر مشتق تناسبی (PD) می باشد که قابلیت تنظیم نمودن زاویه بین – ساق پا را خواهد داشت، یعنی زاویه a. روش دوم رویه جدا شدن پنجه پا از زمین به صورت تکانشی می باشد که دقیقا قبل از برخورد بعدی به زمین استفاده می شود. ما هر روش را به صورت منفک مورد آزمایش قرار داده و علاوه بر این آنها را توام با هم نیز بررسی نمودیم. جزئیات مرتبط با شبیه سازی ها ذیلا در ادامه این بخش ارائه می گردد.
الف. مدل گام برداری ربات پرگاری شکل
مدل ابتدایی ربات راه رونده پرگاری شکل، که در مرجع ۷ معرفی شده است در کلیه شبیه سازی ها به کار گرفته شده و در شکل ۱ نیز نشان داده شده است. این ربات دارای دو ساق پای صلب می باشد: یک پای ایستایشی (در زاویه مطلق q1) و یک ساق پای نوسانی (در زاویه q2، در ارتباط با q1). نواحی اتصال این دو پا تحت عنوان «ناحیه میان تهیگاهی » خوانده می شود، که دارای یک منبع گشتاور مطلق است. نقطه تماس با زمین نیز در کلیه بخش ها تحت عنوان «پنجه» مدنظر است و به صورت یک گشتاور صفر، با اتصال بدون اصطکاک می باشد. این مدل دارای یک اینرسی توزیع شده می باشد که به وسیله m در ناحیه تهیگاه و mh در امتداد هر پا مشخص می گردد، همان گونه که در شکل مشخص شده است. برخوردهای با زمین به نظر به صورت لحظه ای بوده و به طور کامل به صورت ناکشسان یا غیر ارتجاعی می باشند و برچسب های حالت ایستایشی و نوسانی ساق پا در هر مرحله با یکدیگر مبادله می گردند. پارامترهای مرتبط با این مدل در زیر نویس های شکل ۱ مشخص شده و مسیر حرکت برای کلیه شبیه سازی ها از سمت چپ به راست مشخص شده است.
ب. کنترل بهینه با استفاده از تکرار ارزش
ما نسبت به منفک سازی سیستم دینامیکی، برای هر یک از سه استراتژی کنترل سطح پایین، اقدام نموده و دریافتیم که خط مشی بهینه سطح بالا در خلال زمان قابلیت سیر حداکثری قبل از افتادن را خواهد داشت. جهت تعیین قابلیت کامل این ربات، ما می بایست تفکیک زمانی را مد نظر داشته و بتوانیم میزان شدت گشتاور در هر dt را مشخص سازیم. ما رویه تفکیک سازی را بصورت مرحله بمرحله و ابتدایی جهت کاهش اندازه فضای حالت (از ۵ به ۴ بعد) در نظر گرفتیم تا آنکه قابلیت دنبال نمودن این مسئله از نقطه نظر محاسباتی را داشته باشیم و این موضوع را دریابیم که این استراتژی سبب بروز نتایج موثر در شبیه سازی های ما را خواهد شد.
ج. مدل زمین ناهموار
ما سعی در حل مشکل کنترل بهینه برای هر کنترلر در تعداد متنوعی از پروفیل های زمینی نموده، که برخی از آنها شامل موارد ناپیوسته همراه با تغییرات در شیب می باشند. مثال ها در شکل های ۲، ۴، ۶ و ۸ نشان داده شده اند.
جهت آزمودن محدوده های عملکرد هر استراتژی کنترل آنالیز شده، هر ناحیه مقیاس بندی شده تا آنکه ویژگی های آن به صورت قابل توجهی مشخص شوند تا آنکه مقدار مرتبط با تکرار عملیات قابلیت همگرا شدن با ویژگی راه روندگی ثابت را نداشته باشد. هر زمین شامل یک پروفیل خاص می باشد که در هر ۷ متر، همان گونه که در شکل ۲ نشان داده شده است، تکرار می گردد. این امر اجازه خواهد داد تا قابلیت همگرایی تکرار ارزش، با توجه به یک ویژگی ثابت و با استفاده از شاخص محدود برای آن زمین و تعداد محدود مراحل تکرار، وجود داشته باشد. یک زمین با ویژگی تکراری را نیز می توان به عنوان زمینی که بتوان در آن ربات راه رونده پرگاری شکل را به صورت دایره ای و به طور دائمی بدون توقف در آن به حرکت در آورد مدنظر قرار داد. همان گونه که در شکل ۱۰ در بخش ۶ نشان داده شده است، ما خواستار انجام آزمایش استراتژی های کنترل تشریح شده در این مقاله با استفاده از یک ربات حقیقی می باشیم.
د. طراحی کنترلر سلسه مراتبی
در این شبیه سازی ها ما اقدام به بررسی دو گزینه ساده کنترل سطح پایین نموده و خط مشی های بهینه برای هر سه ترکیب را مشخص ساختیم: استفاده از هر گزینه به صورت منفرد و توام. یک گزینه سطح پایین بعنوان کنترل مشتق تناسبی (PD) یک زاویه بین ساق- پای مد نظر و دیگری کنترل جدا شدن پنجه پا از زمین مرتبط با پای ایستای تکانشی، درست قبل از برخورد با زمین، برای هر مرحله جدید می باشد. هر عملکرد کنترل سطح بالای انتخاب شده در هر مرحله در مقدار تکراری به طور منطبق شامل یک یا هر دو مورد ذیل خواهد بود: (۱) یک زاویه بین ساق پای مطلوب، ، برای کنترلر PD و (۲) شدت ضربه.
ه. کنترل با استفاده از یک افق زمانی تک مرحله ای
هدف اصلی ما در این مقاله نشان دادن قابلیت های تئوریکی ذاتی ربات راه رونده و به هنگامی خواهد بود که شرایط زمینی حادتر می شود و بنابراین ما اقدام به ارائه دانشی کاملتر به صورت افق دراز مدت در خصوص زمین می نماییم تا چنین عاملی را از مسئله موارد دینامیکی با توجه به قابلیت ربات بزداییم. با این وجود، جهت بررسی متعاقب عملکرد تئوریکی مدل راه رونده پر گاری شکل بر روی زمین ناصاف، ما همچنین اقدام به آزمایش استراتژی کنترل تک مرحله ای نمودیم. در هر مرحله، یک عامل جدید از طریق شبیه سازی یک ارزش اسمی برای جهت هر مرحله انتخاب می شود، و بر این مبنا این موضوع فرض می شود تا ما دارای دسترسی به یک مدل کامل دینامیک تک مرحله ای می باشیم. در صورتی که نتایج مقدار تست شده در یک مرحله متعاقب موفقیت آمیز باشد (یعنی ربات به زمین نیافتد)، چنین موردی به عنوان عمل مطلوب برگزیده خواهد شد. در غیر اینصورت ، ما جستجوی خود برای زاویه بین ساق پا در یک توالی گسسته و از قبل مشخص شده را ادامه می دهیم تا آنکه یک زاویه کاندید موفقیت آمیز یافت شود.
کنترل گام ربات پرگاری زمین ناهموار
۳- نتایج
این بخش نتایج شبیه سازی ما برای هر سه استراتژی کنترلی تشریح شده در بخش ۲ را عرضه می دارد. با خلاصه سازی این مطلب می توان اذعان داشت که کنترلر PD در زمینه تعدیل محل قرار گیری پا بر روی زمین موثر می باشد. با این وجود، این سیستم از گوناگونی های قابل توجه و در عین حال محدودی در خصوص گام های پهن یا گام های دارای ارتفاع برخوردار است. ضربه پنجه پا قابلیت فعال سازی ربات راه رونده جهت برقراری ارتباط بیشتر در زمین سخت از طریق مصرف انرژی بیشتر در سیستم به صورت موثر را خواهد داد، اما عملکرد کنترل ضربه ای به تنهایی متاسفانه کاملا شکننده خواهد بود. با ترکیب پارامتر شدت ثابت جدا شدن پنجه پا از زمین با کنترلر PD می توان طراحی بسیار بهتری را در مقایسه با هر یک از این اجزا به تنهایی عرضه داشت و از این طریق قابلیت حصول گوناگونی های بیشتر در هر دو پارامتر طول قدم و بلندی گام برداری پیوسته را حاصل نمود.
الف. عملکرد با استفاده از تنها کنترل PD
شکل های ۴ و ۵ نشان دهنده مثال های زمینی می باشد که شبیه سازی ما به صورت موفقیت آمیزی با استفاده از تنها کنترل PD انجام شده است. این عملکرد به صورت مطلوب گزارش شده است، اما بعضا به طور قابل توجهی به واسطه ناکارآمدی ذاتی اضافه نمودن انرژی از طریق گشتاور ناحیه تهی محدود شده است. یک مرحله واحد با پهنای زیاد و سراشیبی تند منجر به بروز شکست سریع می گردد، چرا که ربات راه رونده پرگاری شکل به سادگی قابلیت تکمیل یک قدم متعاقب و بعدی، پس از دست رفتگی زیاد انرژی، را نخواهد داشت.
ب. عملکرد با استفاده از تنها کنترل پنجه پا
این امیدواری وجود داشت که سیستم کنترلر تکانشی جدا شدن پنجه پا از زمین ممکن است قابلیت تولید نتایج بهتری در مقایسه با کنترل PD را داشته باشد. با این وجود، صرف بهره گیری از این سیستم منجر به بروز چرخه های گام برداری شکننده ای می شود که نیازمند یک شرایط اولیه کاملا دقیق است که در آن نباید هیچ گونه گوناگونی در بلندی زمین وجود داشته باشد. ما اجازه می دهیم تا یک ربات راه رونده تحت کنترل تکانشی صفر به یک چرخه محدوده ثابت بر روی زمینی برسد که کاملا مسطح است (شیب صفر درجه)، با استفاده از مقدار ضربه ای ثابت . پس از آن ما یک سری از دست اندازهای حلقوی کوچک را در زمین قرار می دهیم که میزان بزرگی آن ۱۲/۱ برابر میزانی است که در زمین شکل ۸ مشخص شده است.
ج. عملکرد با استفاده از هر دوی کنترل PD و پنجه پا
موثر ترین عملکرد ما تاکنون از طریق ترکیب کنترلر PD سطح پایین با یک ضربه با شدت ۲ (kg-m/s) قبل از برخورد با زمین حاصل شده است. خط مشی کنترل بهینه با ویژگی موفقیت آمیز برای راه رفتن های پیوسته بر روی زمین نشان داده در شکل ۸ به صورت همگرا شده که دارای یک انحراف معیار (s) 7/4 سانتی متر و تفاوت حداکثری – به حداقلی در بلندی ۱/۱۹ سانتی متر می باشد. بلندی / ارتفاع هر قدم بین جای ثابت پا غالبا در زمینی که دارای ویژگی s به میزان ۳/۳ سانتی متر و s زاویه بین پا در هر مرحله در حدود ۹/۵ درجه می باشد حاصل گردیده است.
کنترل گام ربات پرگاری زمین ناهموار
۴- مباحث
ما توجه خاص خوانندگان را بدین بخش جلب می کنیم. در ابتدا، ما مشخص می سازیم که در زمینه درون یابی خط مشی ناپیوسته ذاتی برای حرکت بر روی زمین های ناصاف (مخصوصا زمین های سطح میانی جهت انتخاب عملکردهای کنترلی) باید دقت کافی را مبذول داشت. ما یک خطای درون یابی فاجعه آمیز و پایدار که از یک زمان تا زمان دیگری به هنگام ارزیابی خط مشی بهینه در طی شبیه سازی ها رخ می دهد را مشخص نمودیم. برای فواصل، نقاط گذرایی وجود دارند که می بایست بر مبنای آن مشخص شود که آیا باید قدم های کوچک را در این زمینه مشخص نمود و یا اینکه از قدم های بزرگ استفاده کرد تا از بروز مشکل در این نواحی ممانعت شود. ما دریافتیم که حالت های پایداری به صورت مقطعی وجود دارند که در آن درون یابی مرکز جرمی این خط مشی منجر به ایجاد یک مرحله سطح میانی می گردد که در آن گام ممکن است در یک منطقه غیر محتمل فرود آید. با این حال مرجع ۱۳ یک مبحث ممتازی، در خصوص مسایل مربوط به حالات تصادفی و ناپیوستگی تابع ارزش در خصوص پیاده سازی راه حل برای یک سیستم دینامیک از طریق تکرار مقادیر، را مشخص ساخته است که راه حل های آنها در عمل گرانقیمت بوده و به طور مستقیم نیز مسایل درون یابی خاص ما را مخاطب قرار نمی دهند، که خود مرتبط با ناپیوستگی شدید در خط مشی ما خواهد بود.
کنترل گام ربات پرگاری زمین ناهموار
۵- نتیجه گیری
مدل ربات راه رونده پرگاری شکل قابلیت طی مسیر خود به صورت موفقیت آمیز، در محدوده ای از زمین های ناهموار، با استفاده از یک استراتژی کنترل کاملا ساده را خواهد داشت. یک استراتژی ساده و در عین حال موثر و سطح پایین را می توان از طریق ترکیب حرکت پنجه پا، دقیقا قبل از برخورد با زمین، و یک چرخه کنترل PD، با توجه به زاویه بین ساق پا، حاصل آورد. شدت جدا شدن پنجه پا از زمین می تواند به صورت یک مقدار ثابت برای کلیه گام ها مدنظر باشد، به گونه ای که کنترل سطح بالا در هر مرحله عمدتا شامل زاویه بین ساق پای مطلوب در نظر گرفته شود. با توجه به عملکرد جدا شدگی پنجه پا می توان این اطمینان را حاصل آورد که انرژی مکفی در هر مرحله گام برداری تامین شده و در عین حال به صورت موثر قابلیت کنترل زاویه بین پا وجود داشته و بر این مبنا می توان نسبت به تعدیل دینامیکی با توجه به خط سیر اسمی در فضای حالت اقدام نمود.
کنترل گام ربات پرگاری زمین ناهموار
۶- تحقیقات آتی
با توجه به موفقیت شبیه سازی ها ما، برنامه پیاده سازی یک استراتژی کنترل مشابه بر روی یک ربات راه رونده پرگاری شکل حقیقی مد نظر می باشد. این ربات بر روی یک بوم نصب شده است که قابلیت فراهم آوردن ثبات عرضی را داشته و علاوه بر این قابلیت ارائه دینامیک های مدل سازی نشده بیشتری را نیز خواهد داشت. ما امیدواریم که این ثبات ذاتی که به وسیله استراتژی کنترل ساده سطح پایین نشان داده شده است و در این مقاله به کار گرفته شده است را بتوان بر روی یک سیستم در دنیای حقیقی اجرا نمود. ما انتظار داریم که یک کنترلر بر مبنای اصول عملی یکسان قابلیت فراهم آوردن خط مشی کنترل اولیه مناسبی را داشته باشد تا بدین وسیله بتوان نسبت به بهینه سازی آنلاین با استفاده از روش های فراگیری مبتنی بر گرادیان و بدون مدل اقدام نمود.
لطفا به جای کپی مقالات با خرید آنها به قیمتی بسیار متناسب مشخص شده ما را در ارانه هر چه بیشتر مقالات و مضامین ترجمه شده علمی و بهبود محتویات سایت ایران ترجمه یاری دهید.
