مکان یابی غیر هولونومیک منبع بدون دستگاه مکان یاب مبتنی بر کنترل اکسترمم یاب

STUDENT

DEGREE

YEAR

Iired by the extremum seeking (ES), new schemes for nonholonomic source localization in GPS-denied envi- ronments in two and three dimentional workspace are presented. Existing ES based schemes apply excitation signals that cause difficulties in the analysis and performance of the agent. The aim of this thesis is to develop schemes without employing excitation signals. For source localization in two dimensional space, two control schemes are presented for an agent that is modeled as a nonholonomic unicycle. The first scheme only tunes the forward velocity and is based on the Leblanc form of ES. The second scheme only tunes the angular velocity and is based on the Scheinker form of ES. Thanks to the trigonometric nonlinearities of the unicycle model, both schemes are structurally simple as the unicycle is controlled by simple filtering of the measured quantity. For source localization in three dimensional space, a new scheme is presented for an agent that travels at a constant surge velocity and is controlled by its yaw and pitch velocities. The proposed scheme is based on the Sheinker form of ES and benefits from the existence of the sine/cosine function in the agent model. This results in the yaw and pitch velocities are adjusted by simple filtering of the measured quantity. Stability analysis of the proposed schemes are carried out using the averaging theory and their performances are illustrated by simulation examples. Finally, a suitable normalization technique is introduced to improve the robustness properties of Leblanc form of ES. Following practical stability analysis, an appropriate expression for the normalization signal is found for the proposed normalized ES. Application of the proposed scheme in the source localization with nonholonomic unicycle has additional advantage of ensuring forward and angular velocities of the unicycle remain in the given bounded sets. Key Words Source localization, extremum seeking control, nonholonomic unicycle, averaging theory, practical sta- bility. Int

کنترل عامل‌های خودکار برای رسیدن به یک نقطه مشخص یکی از حوزه‌های تحقیقاتی فعال کنترل است. در این عامل‌ها عموما سیستم کنترل با پردازش اطلاعات به‌دست آمده از دستگاه‌های مکان‌یاب، مسیر مناسب برای رسیدن به مکان مطلوب را شناسایی می‌کند. این در حالی است که به دلیل عدم دسترسی به اطلاعات سیستم مکان‌یابی جهانی در مکان‌هایی مانند زیر آب یا زیر یخ و همچنین هزینه‌ی بالای سیستم‌های ناوبری اینرسی، مسئله‌ی کنترل عامل‌های خودکار برای رسیدن به یک نقطه مشخص بدون استفاده از دستگاه مکان‌یاب یکی از موضوعات مورد توجه در دهه اخیر بوده است. در مسئله‌ی مکان‌یابی منبع فرض می‌شود که عامل در یک میدان سیگنال قرار دارد و از آن برای یافتن منبع سیگنال استفاده می‌شود. چگونگی توزیع سیگنال مشخص نیست اما فرض می‌شود شدت سیگنال با دور شدن از منبع کاهش یابد. تنها اطلاعات در دسترس برای کنترل عامل، اطلاعات به‌دست آمده از اندازه‌گیری بهنگام مقدار سیگنال است که با نصب یک حسگر مناسب روی عامل خودکار به‌دست می‌آید. با توجه به اینکه برای مکان‌یابی منبع، عامل بایستی موقعیتی را بیابد که در آن شدت میدان مقدار بیشینه خود را دارد، کنترل اکسترمم‌یاب به عنوان یک ساختار بهینه‌سازی غیر مبتنی بر مدل، ابزار مناسبی برای حل این مساله فراهم می‌سازد. ساختارهای اکسترمم‌یاب لبلانک و شانکر از ساختارهای پایه ارائه شده برای کنترل اکسترمم‌یاب هستند. برای بهینه سازی نگاشت در قوانین تنظیم ساختارهای اکسترمم‌یاب لبلانک و شانکر، به‌ترتیب دامنه و فاز یک سیگنال سینوسی با نگاشت تغییر می‌کند. انتخاب مدل عامل در مسئله مکان‌یابی منبع حائز اهمیت است. هنگامی‌که مدل انتگرال‌گیر مرتبه اول و مرتبه دوم برای عامل انتخاب شود و از کنترل اکسترمم‌یاب برای تنظیم سرعت و یا شتاب عامل در هر راستا استفاده شود، تحلیل رفتار عامل انجام شده است. مکان‌یابی منبع با عامل تک‌چرخ غیرهولونومیک، به عنوان یک مدل کاربردی‌تر، در دهه گذشته مورد توجه قرار گرفته است. هدایت این عامل با تنظیم سرعت انتقالی و سرعت دورانی آن انجام می‌پذیرد و کنترل این عامل به‌دلیل ساختار غیرخطی و غیرهولونومیک آن پیچیده است. طرح‌های مکان‌یابی ارائه شده با عامل تک‌چرخ غیرهولونومیک، از سیگنال‌های تحریک دائم برای تنظیم سرعت انتقالی و سرعت دورانی این عامل استفاده می‌کنند و دارای محدودیت‌هایی هستند. در این رساله طرح‌های جدید برای مکان‌یابی با عامل تک‌چرخ غیرهولونومیک بدون استفاده از سیگنال تحریک دائم پیشنهاد شده است. بدین منظور از شباهت معادلات دینامیکی عامل تک‌چرخ یرهولونومیک با معادلات دینامیکی ساختارهای اکسترمم‌یاب لبلانک و شانکر استفاده شده است. هنگامی‌که سرعت دورانی عامل ثابت است، معادلات دینامیکی عامل با معادلات دینامیکی ساختار اکسترمم‌یاب لبلانک شباهت زیادی دارد. با بهره‌گیری از این موضوع، با فیلترینگ مناسب سیگنال اندازه‌گیری شده به‌وسیله حسگر و بدون استفاده از سیگنال تحریک دائم قانون تنظیم سرعت انتقالی عامل برای همگرایی به موقعیت منبع پیشنهاد شده است. طرح پیشنهادی برای مکان‌یابی چندعاملی منبع با استفاده از یک سیگنال کنترل نیز تعمیم داده شده است. هنگامی‌که سرعت انتقالی عامل ثابت است، معادلات دینامیکی عامل با معادلات دینامیکی ساختار اکسترمم‌یاب شانکر شباهت زیادی دارد. با بهره‌گیری از این موضوع، با فیلترینگ مناسب سیگنال اندازه‌گیری شده به‌وسیله حسگر و بدون استفاده از سیگنال تحریک دائم قانون تنظیم سرعت دورانی عامل برای همگرایی به موقعیت منبع پیشنهاد شده است. طرح پیشنهادی برای مکان‌یابی منبع در فضا نیز تعمیم داده شده است. اثبات پایداری طرح‌های پیشنهادی با استفاده از قضیه معدل‌گیری از نظریه سیستم‌های دینامیکی انجام شده است و نواحی جاذب در همسایگی منبع و چگونگی اثرپذیری نواحی جاذب به‌وسیله پارامترهای طراحی تعیین شده‌اند. در پایان، با تعریف عامل نرمال‌ساز مناسب در قانون تنظیم روش لبلانک، یک ساختار جدید اکسترمم‌یاب با نرخ تنظیم کراندار پیشنهاد شده است. با استفاده از ساختار اکسترمم‌یاب نرمال‌شده پیشنهادی برای بهینه‌سازی تابع دو‌متغیره، یک طرح مکان‌یابی منبع با عامل تک‌چرخ غیرهولونومیک پیشنهاد شده است. ویژگی طرح پیشنهادی مکان‌یابی آن است که سرعت انتقالی و سرعت دورانی عامل، کران مشخص و قابل تنظیم دارند. پایداری عملی ساختار اکسترمم‌یاب نرمال‌شده و طرح مکان‌یابی پیشنهادی با استفاده از قضیه معدل‌گیری براکت لی اثبات شده است. واژه های کلیدی: 1- مکان‌یابی منبع 2- کنترل اکسترمم‌یاب 3- عامل تک‌چرخ غیرهولونومیک 4- قضیه معدل‌گیری 5- پایداری عملی.