شماره مدرك
19630
شماره راهنما
16962
پديد آورنده
جوشنزاده، نيلوفر
عنوان
طراحي رهگيري مسير ربات متحرك با راهبرد دوگان كنترل پيشخور با شبكهي عصبي كانولوشن و كنترل غيرخطي پسخور گسسته
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
طراحي كاربردي
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1403
صفحه شمار
نه، 107ص.: مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
ربات چرخدار , رهگيري مسير , شبك هي عصبي كانولوشن , طراحي مسير پي.آر.ام , روش بهينه يابي آدام , خطي سازي پسخور , كنتر ل پيشخور , فضاي حالت , ديناميك وارون , كنترل پسخور
تاريخ ورود اطلاعات
1403/06/04
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك
دانشكده
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات
1403/06/11
كد ايرانداك
23056434
چكيده فارسي
امروزه با پيشرفت هوش مصنوعي و رو شهاي مبتني بر داده، علاو هبر رو شهاي مرسوم برنام هريزي مسير حركت ربات، كه بر پايهي روشهاي محاسباتي هستند، روشهاي برنامهريزي حركت مبتني بر داده و يادگيري ماشين نيز بهكار گرفته ميشوند. در صنايع مختلف حل چالش مسيريابي و برنامهريزي حركت رباتهاي سيار دو چرخ، براي حركت بر روي يك مسير ايمن بدون برخورد با موانع محيط، بهطور يكه ربات با پيمايش مسير انتخاب شده در نهايت به نقطهي هدف برسد، از اهميت ويژ هاي برخوردار است. در اين پايان نامه، مد ل آموزش ديدهاي بهكار گرفته ميشود كه از مجموعهي دادههاي جمعآوري شده براي پيشبيني مسير مطلوب استفاده ميكند. براي مدل ياد شده، يك مدل شبكهي عصبي كانولوشن پيشنهاد ميشود كه توانايي يادگيري نگاشت پيچيدهي دادههاي حسگر و بردار اطلاعات نقطهي هدف (نقطهي پايان مسير)، به كميتهاي سينماتيكي مطلوب را دارد. شبكهي كانولوشن در يك الگوريتم كنترلي تركيبي بهكارگرفته ميشود، كه شامل روشهاي كنترل كلاسيك و كنترل هوشمند است. پس از توليد كميتهاي سينماتيكي مطلوب به كمك بخش پيشخور هوشمند(شبكهي عصبي كانولوشن)، از يك كنتر لكنندهي پسخور زمان-گسستهي كلاسيك براي همگرايي گامهاي محاسباتي به كميتهاي مطلوب (مرجع) استفاده ميشود. روش حل مساله با روش پيشنهادي در اين پژوهش داراي هفت گام اصلي ميباشد. در گام يكم از مجموعهاي از الگوريتمها، براي جمعآوري داده بهمنظور آموزش مدل شبكهي كانولوشن بر پايهي يادگيري نظارت شده استفاده ميشود. ابتدا با توليد نقشهي محيط و الگوريتم طراحي مسير پي.آر.ام، مسير حركت خواسته شده بدون در نظر گرفتن عامل زمان طراحي ميشود. سپس بهوسيلهي معادله هاي سينماتيكي ربات و كنترلكنندهي پيگرد محض كه يك كنترلكنندهي رديابي مسير هندسي ميباشد، حركت يك ربات دو چرخ براي پيمايش مسير طراحي شده شبيهسازي ميشود. در طول رهگيري مسير توسط ربات، دادههاي حسگر فاصلهسنج و بردار اطلاعات هدف(نقطهي پايان مسير)، به عنوان ورودي (ويژگي)هاي دادههاي آموزشي، و بردا ر سرعتخطي مركز جرم و سرعت چرخشي به عنوان خروجي (برچسب) دادههاي آموزشي شبكه ذخيره ميشوند. در گام دوم، با انتخاب تجربي ساختار شبكهي عصبي كانولوشن، مدل طراحي شده به كمك مجموعهي دادههاي جمعآوري شده در گام يكم، آموزش داده ميشود. در گام سوم، پس از آموزش مدل شبكه و يافتن وزنها و پارامترهاي بهينه، عملكرد مدل با استفاده از مجموعهي دادههاي آزمون، ارزيابي ميشود. در گامهاي چهارم و پنجم، فرآيند پس پردازش بر روي پيشبيني شبكه انجام ميشود كه دربرگيرندهي تبديل كميتهاي سينماتيكي سرعت به كميتهاي سينماتيكي موقعيت و درو نيابي آنها، براي محاسبهي مجموعهي كميتهاي سينماتيكي مطلوب براي ورودي گام ششم است. در گام ششم، بخش پيشخور هوشمند انجام ميشود، كه با استفاده از خروجي گام قبل و ديناميك وارون، نيروهاي لازم براي رسيدن به كميتهاي سينماتيكي مطلوب را توليد ميكند. در گام پاياني اين الگوريتم، نخست به كمك روش خطيسازي پسخور، توصيف فضاي حالت سيستم خط يسازي ميشود و سپس به كمك كنترل پسخور حالت، خطاي موقعيت ربات كاهش مييابد. پس از همگرايي در حلقهي دروني پسخور، به كمك يك حلقهي بيروني، براي گام زماني بعدي به نقطهي آغاز تكرار الگوريتم باز ميگردد، بهطور يكه در نهايت، مسير پيشبيني شده توسط شبكه بهوسيلهي ربات دنبال شود. نتايج حاصل از اين پاياننامه نشان ميدهد كه الگوريتم كنترلي تركيبي شامل مدل شبكهي آموزش ديده، ديناميك وارون، و كنترل پسخور، ميتواند ربات را براي رسيدن به نقطهي پايان از ميان موانع، هم در محيط آموزشي و هم در محيطهاي تغيير يافته هدايت كند. بهطوركلي در پايان نامهي حاضر، مجموعهي دادهها بهكمك شبيهسازي براي آموزش مدل شبكهي كانولوشن جمعآوري ميشود و پس از آموزش مدل شبكه، الگوريتم تركيبي از شبكهي كانولوشن، ديناميك وارون، و كنترل پسخور با هدف مسيريابي و دستيابي ربات به نقطهي پايان در محيط با حضور موانع، بهكار گرفته خواهد شد .
چكيده انگليسي
Today, with the improvement of artificial intelligence and data-driven methods, in addition to conventional motion planning methods of robot, which are based on computational techniques, data-driven and machine learning-based motion planning methods are also used. In various industries, solving the challenge of pathfinding and motion planning for two-wheeled mobile robots, in order to move along a safe path without colliding with environmental obstacles, and reaches the target point by traversing the chosen path, has special importance. In this thesis, a trained model is used that utilizes the collected dataset to predict the desired path. For the mentioned model, a Convolutional Neural Network (CNN) model is proposed that has the capability to learn the complex mapping of sensor data and the target point information vector (the endpoint of the path) to the desired kinematic quantities. The convolutional network is employed in a hybrid control algorithm, which includes classical control methods and intelligent control. After generating the desired kinematic quantities using the intelligent feedforward component (CNN), a classical discrete-time feedback controller is used to converge the computational steps to the desired quantities. The problem-solving method with the proposed approach in this research, consists of seven main steps. In the first step, a set of algorithms is used to collect data for training the convolutional network model based on supervised learning. First, by generating a map of the environment and using the PRM path planning algorithm, the desired path is designed without considering the time factor. Then, using the kinematic equations of the robot and the pure pursuit controller, which is a geometric path tracking controller, the movement of a two-wheeled robot to follow the designed path is simulated. During path tracking by the robot, the sensor data and the target information vector are stored as input (features) of the dataset, while the linear velocity and the angular velocity are stored as output (labels) of the dataset.
In the second step, by experimental selecting the structure of the CNN, the designed model is trained using the dataset collected in the first step. In the third step, after training the network and finding the optimal parameters of model, the model's performance is evaluated using the test dataset. In the fourth and fifth steps, the post-processing procedure is applied to the network's predictions, which includes converting the velocity kinematic quantities to position kinematic quantities and interpolating them, in order to compute the set of desired kinematic quantities for the input of the sixth step. In the sixth step, the intelligent feedforward component is implemented, which uses the output from the previous step and inverse dynamics to generate the required forces to achieve the desired kinematic quantities. In the final step of this algorithm, the state-space description of the system is linearized using the feedback linearization method, and then the position error of the robot is reduced using state feedback control. After convergence in the inner feedback loop, the algorithm returns to the starting point for the next time step using an outer loop, so that ultimately, the path predicted by the network is followed by the robot. The results of this thesis show that the hybrid control algorithm, which includes the trained network model, inverse dynamics, and feedback control, can guide the robot to reach the endpoint through obstacles in both the training environment and new environments. In general, in the present thesis, the dataset is collected through simulation to train the convolutional network model, and after training the network model, the hybrid algorithm consisting of the CNN, inverse dynamics, and feedback control is employed with the aim of pathfinding and enabling the robot to reach the endpoint in an environment with obstacles.
استاد راهنما
حميدرضا ميردامادي
استاد داور
سعيد ضيائي راد , مرضيه مجدراصيل