Skip to main content
SUPERVISOR
Mohammad jafar Sadigh,Mehdi Keshmiri,Mohammad Danesh
محمدجعفر صدیق دامغانی زاده (استاد مشاور) مهدی کشمیری (استاد راهنما) محمد دانش (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mojtaba Ghafari
مجتبی غفاری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389

TITLE

Dynamic Analysis and Control System Design of Hexapod Underwater
Underwater robotic vehicles (URVs) are widely used for iection, long range survey and oceanographic mapping, data collection, surveillance, drill support and industrial endeavours that are often too dangerous or tedious for human divers. Automatic control of URVs presents several difficulties due to the highly nonlinearity of the dynamics, the high dergree of model uncertainty resulting from poor knowledge of the hydrodynamic coefficientes, and the effect of external, unmeasurable disturbances such as underwater currents. This thesis describes the development and detailed analysis of a six degrees of freedom, nonlinear model for the underwater hexapod robot vehicle . In this research, we extract kinematic and dynamic models of the vehicle that include calculation of gravity, buoyancy, hydrodynamic and propulsion forces and torques. Finally, simulation of the underwater hexapod robot motion is achieved through numeric integration of the nonlinear motion equations in the earth fixed reference frame. In this thesis, two different approaches have been used to control the underwater robot states. The first approach is a new metheod based on robust nonlinear time delay control for underwater robots. Simulation and implementation of a robust nonlinear control procedure which uses time delay control (TDC) for the nonlinear plant dynamic are discussed. Robust control law using time delay control has a very simple and efficient straucture and does not require the nonlinear plant dynamics model in it. The proposed control algorithm uses the direct estimation of some plant parameters to cancel the unknown nonlinear dynamics and unexpected disturbances using observed information them with the time-delayed values of control inputs and acceleration at the previous time step. It is work to mention that the sufficient conditions of the overall stability requires knowledge of the inertial matrix of the underwater robot. The second approach uses the linear equations of motion, and deals with the uncertainties and unknown dynamics. The design of controller is formulated as the problem of minimizing the mixed sensitivity function, and then solving it numerically by the LMI-based method. The behaviour of the controllers is assessed by simulations with a full nonlinear model of the vehicle. Finally, simulation results show that both proposed controller can effectively track given trajectories in the presence of uncertainty in hydrodynamic parameters. Key‌words: Undewater Hexapod Robot, Rigid Paddle, Robust Control, Time Delay Control (TDC), Control.
منابع و صنایع زیر دریایی نقش مهم و بسزایی در زندگی جوامع بشری دارند. از این رو، تحقیق و پژوهش در مورد بسیاری از مسائل مهندسی، زیست محیطی، اقتصادی و نظامی مربوط به دریا، همواره مورد توجه محققین بوده است. در سال‌های اخیر استفاده از وسایل نقلیه رباتی زیرآبی (URVs) در سطح وسیعی و در کاربردهای مختلف از قبیل جستجو و گشت‌زنی، اقیانوس‌شناسی، جمع‌آوری اطلاعات، مین‌یابی، 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 مختصات‌های مرجع به مدل سینماتیک و استخراج معادلات حرکت بدنه صلب و محاسبه نیروها و گشتاورهای گرانشی، شناوری، هیدرودینامیکی و رانشی پرداخته‌ایم. نهایتا با بدست آمدن کامل معادلات غیرخطی حرکت در مختصات مرجع زمین ثابت، با شبیه‌سازی آن‌ها قسمت دینامیک مسئله را به سرانجام رسانده‌ایم. طراحی کنترل‌کننده برای ربات‌های زیرآبی و مخصوصا ربات زیرآبی مورد بررسی از ظرافت و پیچیدگی زیادی برخوردار است. عواملی که موجب دشواری در طراحی کنترل‌کننده برای ربات‌های 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 اندازه‌گیری (مانند جریان‌های زیرآبی)، تفاوت بین مراکز شناوری و گرانش، نیروهای هیدرولیکی مختلف از جمله شناوری و میرائی هیدرودینامیکی می‌باشد. با توجه به تحقیقات انجام گرفته پیرامون روش‌های 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 حالت‌های ربات زیرآبی استفاده کرده‌ایم. در رویکرد اول به ارائه یک روش جدید کنترل غیرخطی مقاوم مبتنی بر تاخیر زمانی برای ربات‌های زیرآبی پرداخته می‌شود. 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 می‌شود که این کار به وسیله تخمین مستقیم از یک تابع (شامل نامعینی‌ها و نیز بخش‌هایی از مدل ربات) با استفاده از اطلاعات بهنگام از شتاب و ورودی کنترل‌کننده در مرحله قبلی و سپس اعمال آن در قانون کنترل صورت می‌گیرد. به جز عبارت‌های اینرسی، این قانون کنترل نیازی به شناخت و یا ساختار عدم قطعیت و یا کران‌های عدم قطعیت ندارد. در رویکرد دوم ارائه شده پس از خطی‌سازی معادلات حرکت، برای مقابله با عدم قطعیت‌های موجود و دینامیک ناشناخته ربات شش پا زیرآبی از روش بهینه چند منظوره مبتنی بر نرم بی‌نهایت استفاده کرده‌ایم. در روش بهینه کنترل‌کننده آن چنان طراحی می‌شود که یک کران بالا بر روی نرم بردار خروجی‌های (وزن‌دهی شده) سیستم چند متغیره ارضا شود. در این رویکرد طراحی کنترل‌کننده در قالب یک مسئله در آمده که در آن کمینه‌کردن تابع هزینه حساسیت مخلوط، فرموله می‌‌شود و این مسئله به صورت عددی توسط روش ‌LMI در قابل حل است. برای ارزیابی رفتار کنترل‌کننده خطی ، آن را به مدل غیرخطی ربات زیرآبی به صورت حلقه بسته، متصل می‌کنیم. در نهایت از نتایج شبیه‌سازی‌ها مشاهده می‌‌شود که هر دو روش کنترلی به طور مؤ‌ثر می‌توانند ردیابی مسیر مرجع داده شده را در حضور عدم قطعیت پارامترهای هیدرودینامیکی وسیله به خوبی انجام دهند. کلمات کلیدی: ربات زیرآبی شش پا، باله صلب، کنترل مقاوم، کنترل تاخیر زمانی، کنترل‌کننده .

ارتقاء امنیت وب با وف بومی