پروژه ربات خط یاب با کنترل فازی
مقدمه
قرن بیست و یکم، سن کودکی علم انسان است که در پی عصر انقلاب صنعتی و سیستمهای بزرگ مکانیکی، عصر بخار و عصر جمع آوری، پردازش و توزیع اطلاعات که به ترتیب در قرون هجدهم، نوزدهم و بیستم شکوفا شدند، آمده است. قرن بیست و یکم، عصر تکنولوژی اطلاعات و سیستمهای هوشمند است. مادر تمام این علوم، قویترین نیروی خلقت یعنی قوۀ تخیل[1] انسان می باشد. انسان برای دستیابی آسانتر به آرزوها و خواسته هایش و به عبارتی، خواسته یا ناخواسته به منظور پیشرفت و تکامل[2] خویش، همواره در تخیلاتش، به دنبال استفاده از ماشینهایی جهت برآورده کردن نیازهای خود بوده است که نمونه های بارز آن را در بسیاری از نوشته ها و فیلمهای علمی و تخیلی می توان دید. در این بین نویسندگانی چون «هوگو گرنسبک»[3] و «ایزاک آسیموف»[4] بررسیهای زیادی را در زمینۀ ماشینهای اتوماتیک ، هوش مصنوعی[5] و رباتها انجام داده اند. به ویژه آثار «هوگو گرنسبک» که در بسیاری از داستانهای خود[6] مفاهیم الکترونیک را بکار برده است.
هرچند کلمۀ «ربات»[7] اولین بار در سال 1921 توسط رمان نویسی اهل چکسلواکی بنام «کارل کاپک»[8] در یکی از کتابهایش بکار رفت، ولی منشأ علم رباتیک را بایستی در زمان یونان باستان دانست، آن زمانی که اولین مجسمه های متحرک ساخته شدند.
«کارل کاپک» در کتا ب خود[9] خدمتگزاران مکانیکی را به نمایش در آورد که قادر بودند کلیۀ کارهای یک انسان را انجام دهند. در واقع «ربات» معادل کلمۀ «کارگر» در زبان چک و به معنی «برده» می باشد. از آن زمان تا کنون ربات را به عنوان موجودی مکانیکی که توانایی انجام بعضی از کارها یا حداقل تقلید یکی از رفتارهای انسان را دارد، می شناسند.
نمونه هایی از رباتها را از ابتدا تا کنون به شرح زیر مرور می کنیم:
سال 270 پیش از میلاد، مهندسی یونانی بنام «کرسیباس»[10] بوسیلۀ قطعات متحرک ، ارگ های بادی و ساعتهای آبی را ساخت. در قرن اول پیش از میلاد،«هرو دی الکسندریا»[11] آزمایشاتی را با پرنده های مکانیکی طراحی و به مرحله اجرا در آورد. در سال 770 میلادی، ساعتسازی سوئیسی بنام «پیر جاکت دروز»[12] سه آدمک مکانیکی ساخت که قادر به نواختن موسیقی با استفاده از ارگ، کشیدن اشکال ساده و نگارش بودند. یکی از معروف ترین فیزیکدانان بنام «نیکلا تسلا»[13] نیز در این زمینه اثری مهم از خود به جای گذاشت، یک زیردریایی مجهز به کنترل رادیویی.
امروزه ربات را سیستمی مکاترونیکی، مطیع[14] و فاقد شخصیت[15] که در دو نوع «هوشمند» و «غیر هوشمند» (فرمان پذیر از انسان) قابل ساخت است، تعریف می کنند.
در طول دو دهۀ اخیر از به هم پیوستن علوم مهندسی الکترونیک، برق، کنترل و کامپیوتر با مهندسی مکانیک جهت طراحی و ساخت سیستمهای پیشرفته و پیچیدۀ هوشمند[16] و مدرن، زمینۀ جدیدی در مراکز آموزشی و پژوهشی کشورهای مختلف دنیا بخصوص در آمریکا، اروپا و ژاپن بوجود آمده است. واژۀ مکاترونیک[17] جهت هرچه بهتر معرفی کردن این زمینۀ چند تخصصی انتخاب گردیده و بطور چشمگیری این واژه مورد قبول مراکز علمی و صنعتی قرار گرفته است. سالانه همایشهای علمی متعددی هم با این نام جهت ارائه مقالات علمی در سرتاسر دنیا تشکیل می گردد. از جمله کاربردهای آن نیز می توان به مصارف صنعتی، پزشکی، نظامی، خانگی و ... اشاره کرد.
یک سیستم مکاترونیکی در واقع متشکل از سیستمهای مختلفی است که عامل اصلی آن حرکت در یک یا چند قسمت از آن سیستم بوده و استفاده از سنسورهای دقیق هوشمند جهت اندازه گیری پارامترهای مختلف و استفاده از الگوریتمهای هوشمند کامپیوتری جهت اعمال فرامین کنترلی به قسمتهای عمل کننده نیز جزء احتیاجات اصلی هرسیستم مکاترونیکی هستند.
از آنجا که به هنگام مطالعۀ کاربردها و مدارات مربوط به مکاترونیک و رباتیک، در بسیاری از موارد این دو مبحث در کنار هم قرار می گیرند، بنابراین دارای نکات مشترک زیادی نیز می باشند. این امر به این دلیل است که به هنگام تحلیل و بررسی بسیاری از واحدهای درسی علم مکاترونیک، مشاهده می کنیم که این مباحث، عملکرد و ساختمان رباتها را تحت پوشش قرار می دهند. از طرفی دیگر واحدهای درسی رباتیک نیز با ساختمان دستگاهها و وسایلی سروکار دارند که ترکیبی از مکانیک و الکترونیک و البته در سطوح پیشرفتۀ آن هوش مصنوعی می باشند. اغلب طرحهای مربوط به رباتیک و مکاترونیک مدرن درجه ای از هوشمندی را شامل می شوند. و در آخر اینکه رباتیک تنها، شاخه ای از مکاترونیک می باشد.
امروزه استفاده از تکنولوژی ربات در زمینههای مختلف صنعت و اتوماسیون، افزایش چشمگیری یافته است. یکی از شاخههای این تکنولوژی، رباتهای متحرک می باشد که در صنایع هواپیماسازی و خودروسازی، ساخت وسایل الکترونیکی و لوازم خانگی و... کاربرد وسیعی پیدا کرده است. در واقع اولین نسل رباتهای واقعی نیز، رباتهای صنعتی[18] می باشند که به عنوان ماشینهای کاربردی سازنده وسایل، که وظیفۀ انجام کارهای خطرناک، تکراری و خسته کننده را به عهده دارند، به دنیای مدرن ما وارد شدند. افزایش استفاده از رباتهای متحرک، به همراه نیاز به دقت عملکرد بالای آنها موجب شده است تا مسئلۀ طراحی کنترلکننده های این سیستمها از اهمیت بالایی برخوردار شود. نسلهای برتر اینگونه رباتها را در انواع هوشمند آنها می توان یافت که بعضی از آنها عبارتند از رباتهای جنگجو، انسان نما، صخره نورد، مین یاب، امدادگر، خط یاب، نقاش، ماوز[19] (لابیرنت[20] )، خدمتکار، فوتبالیست.
در این پایاننامه سعی بر آن است که طراحی و ساخت ربات خط یاب[21] را که یکی از رباتهای کلاسیک در نسل جدید می باشد، با یکی از جدید ترین و بهترین روشهای کنترلی شناخته شده و به ساده ترین نحو آموزش دهیم. بدین منظور سطح متوسطی از دانش روز در ارتباط با مدارهای الکترونیکی، طراحی و پیاده سازی آنها، همچنین دربارۀ میکروکنترلرها و برنامه نویسی آنها الزامی است. لذا آگاهی از نحوۀ کار میکروکنترلرهای AVR، سنسورهای مادون قرمز(IR) و بایاسینگ آنها، مقایسه کننده های آنالوگ، استپ موتور و درایو(راه اندازی) آنها وهمچنین مهارت در برنامه نویسی به زبان C توصیه می شود.
فهرست
مقدمه..............................................6
- قوانین مسابقه....................................9
1-1 مسابقات سال 2005.............................................9
2-1 تعریف............................................................10
3-1 مشخصه های طراحی.........................................10
4-1 میدان مسابقه.....................................................10
5-1 امتیازدهی........................................................11
- منطق فازی....................................12
1-2 مجموعه های فازی............................................13
2-2 متغیرهای زبانی................................................14
3-2 استدلال و استنتاج تقریبی.....................................14
- الکترونیک ربات.............................16
1-3 شماتیک مدار...................................................16
2-3 تغذیه ربات......................................................20
3-3 بینایی ربات.....................................................22
4-3 مغز ربات.......................................................25
5-3 واسط برنامه ریزی............................................35
3-6 حرکت ربات....................................................36
3-7 قطعات بکار رفته در مدار ربات هوشمند.................41
- کنترل...........................................42
1-4 روشهای غیرکلاسیک کنترل................................43
2-4 کنترل کننده های فازی........................................44
3-4 کنترل کننده های عصبی.....................................51
4-4 کنترل کننده های فازی-عصبی.............................52
5-4 کنترل فازی استفاده شده در ربات هوشمند...............54
- هوشمندی و کامپیوتر........................57
1-5 فلوچارت برنامه................................................58
2-5 برنامه ربات هوشمند به زبان C++.......................64
5-3 برنامه ریزی میکروکنترلر..................................72
پروژه ربات خط یاب با کنترل فازی
