فهرست مطالب

چکیده    ۱
مقدمه    ۳
فصل اول    ۹
قوانین مسابقه    ۹
۱-۱) مسابقات سال ۲۰۰۵    ۹
۱-۲) تعریف    ۱۰
۱-۳) مشخصه های طراحی    ۱۱
۱-۴) میدان مسابقه    ۱۲
۱-۵) امتیاز دهی    ۱۳
فصل دوم    ۱۵
منطق فازی    ۱۵
۲-۱) مجموعه های فازی    ۱۸
عملگرهای اصلی بر روی مجموعه های فازی    ۱۹
۲-۲) متغیر های زبانی    ۱۹
۲-۳) استدلال و استنتاج تقریبی    ۲۰
فصل سوم    ۲۳
الکترونیک ربات    ۲۳
۳-۱) شماتیک مدار    ۲۴
۳-۲) تغذیه ربات    ۲۸
۳-۳) بینایی ربات    ۳۲
۳-۴) مغز ربات    ۳۷
اسم میکروکنترلر    ۴۰
محدودۀ ولتاژ تغذیه    ۴۰
فرکانس قابل قبول کریستال    ۴۰
حافظه    ۴۳
امکانات جانبی    ۴۴
میکروکنترلر    ۴۵
ولتاژهای عملیاتی    ۴۵
فرکانسهای کاری    ۴۵
۳-۵) واسط برنامه ریزی    ۵۴
خود برنامه ریزی (Self Programming)    ۵۵
۳-۶) حرکت ربات    ۵۷
راه اندازی به روش تک فاز    ۶۵
راه اندازی به روش دو فاز    ۶۶
راه اندازی به روش Half-Step    ۶۶
۳-۷) قطعات بکار رفته در مدار ربات هوشمند    ۶۸
فصل چهارم    ۷۱
کنترل    ۷۱
۴-۱) روشهای غیر کلاسیک کنترل    ۷۴
۴-۲) کنترل کننده های فازی    ۷۵
۴-۳) کنترل کننده های عصبی    ۹۰
۴-۴) کنترل کننده های فازی-عصبی    ۹۲
۴-۵) کنترل فازی استفاده شده در ربات هوشمند    ۹۶
فصل پنجم    ۱۰۲
هوشمندی و کامپیوتر    ۱۰۲
۵-۱) فلوچارت برنامه    ۱۰۴
۵-۲) برنامه ربات هوشمند به زبان C++    ۱۱۱
۵-۳)   برنامه ریزی میکروکنترلر    ۱۳۳
فصل ششم    ۱۳۵
مکانیک ربات    ۱۳۵
عکس های ربات خط یاب هوشمند فلزی    ۱۳۹
فهرست منابع    ۱۴۲

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

چکیده

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 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.

در این پایان‌نامه سعی بر آن است که طراحی و ساخت ربات خط یاب 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.روش کنترلی بکار رفته در این ربات، کنترل فازی می باشد.

کلمات کلیدی: ربات- هوشمند- خط یاب- مسابقه- فازی- مکاترونیک- الکترونیک- هوش مصنوعی- مکانیک- تغذیه- کریستال- سنسور- میکروکنترلر- مقایسه کنندۀ آنالوگ- درایور(راه انداز)- استپ موتور(موتورپله ای)- پروگرامر- کنترل- برنامه- چرخ.

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[۱] انسان می باشد. انسان برای دستیابی آسانتر به آرزوها و خواسته هایش و به عبارتی، خواسته یا ناخواسته به منظور پیشرفت و تکامل[۲] 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»[۳] و «ایزاک آسیموف»[۴] بررسیهای زیادی را در زمینۀ ماشینهای اتوماتیک ، هوش مصنوعی[۵] و رباتها انجام داده اند. به ویژه آثار «هوگو گرنسبک» که در بسیاری از داستانهای خود[۶] مفاهیم الکترونیک را بکار برده است.
هرچند کلمۀ «ربات»[۷] اولین بار در سال ۱۹۲۱ توسط رمان نویسی اهل چکسلواکی بنام «کارل کاپک»[۸] 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[۹] 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 ۲۷۰ پیش از میلاد، مهندسی یونانی بنام «کرسیباس»[۱۰] بوسیلۀ قطعات متحرک ، ارگ های بادی و ساعتهای آبی را ساخت. در قرن اول پیش از میلاد،«هرو دی الکسندریا»[۱۱] آزمایشاتی را با پرنده های مکانیکی طراحی و به مرحله اجرا در آورد. در سال ۷۷۰ میلادی، ساعتسازی سوئیسی بنام «پیر جاکت دروز»[۱۲] 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»[۱۳] نیز در این زمینه اثری مهم از خود به جای گذاشت، یک زیردریایی مجهز به کنترل رادیویی.
امروزه ربات را سیستمی مکاترونیکی، مطیع[۱۴] و فاقد شخصیت[۱۵] 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[۱۶] و مدرن، زمینۀ جدیدی در مراکز آموزشی و پژوهشی کشورهای مختلف دنیا بخصوص در آمریکا، اروپا و ژاپن بوجود آمده است. واژۀ مکاترونیک[۱۷] 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[۱۸] 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[۱۹] (لابیرنت[۲۰] )، خدمتکار، فوتبالیست.
در این پایان‌نامه سعی بر آن است که طراحی و ساخت ربات خط یاب[۲۱] 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.
روش کنترلی بکار رفته در این ربات، کنترل فازی[۲۲] می باشد که سعی بر آن است تا در این پروژه هرچند ساده ولی در حد نیاز، آن را آموزش دهیم. لذا در این باره نیازی به دانش قبلی نیست و جهت یادگیری آن تنها به فصل چهارم این پروژه بسنده می کنیم.
ابتدا قوانین و کلیاتی پیرامون مسابقات رباتهای خط یاب را مورد بررسی قرار داده و سپس اشاره‌ای به تاریخچۀ پیدایش مجموعه‌های فازی و منطق فازی خواهیم داشت؛ بعد از مطرح نمودن مقدمات منطق فازی، جهت تشریح و آشنایی با بخشهای مختلف علم مکاترونیک و رباتیک طی فصلهایی متوالی به توضیح بخشهای مختلف تشکیل دهندۀ این علم نوین می پردازیم. عمده بحث و تمرکز این پایان نامه حول معرفی و ساخت ربات خط یابی است که هدایت آن تماما ً به صورت هوشمند و با کنترل فازی صورت گرفته است.
فصل اول:قوانین مسابقه
در کلیۀ مسابقات رباتهای خط یاب، هدف نهایی یک چیز است؛ ولی از آنجایی که در مسابقات گوناگون، تغییرات جزئی در بعضی از بخشها مشاهده می شود، تفاوتهایی را نیز در قراردادها شاهد هستیم. در اینجا یکی از مسابقات اخیر را به عنوان الگو مورد بررسی قرار می دهیم.
۱-۱) مسابقات سال ۲۰۰۵
ربات خط یاب می بایست با حداکثر سرعتی که می تواند، خط را تعقیب کند. ربات باید توسط سازنده در نقطه شروع مسابقه قرار داده شود که حتی می تواند توسط داور، جهت قرارگیری آن نیز تعیین شود. همزمان با شروع حرکت ربات، داور زمان را محاسبه میکند.
اگر ربات از خط خارج شود و آن را گم کند، شخص همراه این اجازه را دارد که ربات خود را روی خط قرار داده و آن را از نو تنظیم کند[۱]. بازای هر بار تنظیم مجدد ربات، یک اخطار[۲] به آن ربات داده می شود. ربات بایستی دقیقا ًاز همان نقطه ای که خط را ترک کرده بود، مسیر را دنبال کند. در هر مرحله، ربات میتواند تا سه مرتبه از خط خارج شده و مجدّداً روی خط قرار داده شود.
به هر ربات حداکثر دو دقیقه در هر مرحله اختصاص داده می شود؛ اگر در این مدت، ربات نتواند مسیر تعیین شده را کامل بپیماید و همچنین اگر پیش از دو دقیقه ربات مرحلۀ جاری را با موفقیت به اتمام رساند و یا برای بار چهارم از خط خارج شود، داور اتمام وقت آن مرحله را اعلام می کند. قابل توجه است که در طول زمانی که صرف تنظیم مجدّد ربات می شود، وقت نگه داشته نمی شود.
پس از نگه داشتن زمان، داور مقدار مسافت طی شده را ثبت می کند. با اتمام هر مرحله، مرحله بعد آغاز می شود.
طراحی مسیر نیز در روز برگزاری مسابقه انجام می پذیرد.
۱-۲) تعریف
هر چند ربات خط یاب طرحی ابتدایی و کلاسیک از رباتها است که با مکانیکی ساده نیز قابل ساخت می باشد ولی این ربات بسیار دیدنی، سرگرم کننده، آموزنده و توسعه پذیر نیز است. در این نوع از رباتها از سیستمهای کنترلی گوناگونی از جمله میکروپروسسورها و حتی سیستمهای کنترلی سادۀ آنالوگ یا دیجیتال می توان استفاده کرد.
ربات خط یاب یکی از بهترین رباتهایی است که برای به نمایش در آوردن طرحهای جدید سنسورهای گوناگون و سیستمهای کنترلی متنوع و پیشرفته، در قالبی ساده از رباتهای هوشمند که می بایست خطوط سیاه را در زمینه سفید پیدا کرده و تعقیب کنند، بکار می رود. در مسابقات رباتهای خط یاب، بر حسب سرعت و میزان مسافتی که ربات طی میکند به آن امتیاز داده می شود.
۱-۳) مشخصه های طراحی
ربات خط یاب بدون هیچ راهنمایی و بدون کوچکترین فرمانی از جانب طراح و سازنده خود باید وظیفه خود را انجام دهد. ابعاد این ربات(طول و عرض آن) هر یک می بایست کمتر از ۹ اینچ (۲۳ سانتی متر) باشد و در کل امتیازات ویژه ای نیز به طراحی های اصولی و علمی تعلق می گیرد.
۱-۴) میدان مسابقه[۳]
مسابقه از چهار مرحله مجزا که هر یک در زمینی صاف و هموار به رنگ سفید و مربعی شکل به ابعاد تقریبی هر ضلع ۴۸ اینچ (۱٫۲ متر) برگزار میشود، تشکیل شده است. پیست مسابقه نیز توسط چسب برق مشکی با عرضی حدود ۱۸ تا ۱۹ میلیمتر مسیردهی شده است.
هر مرحله از مسابقه از مرحله قبل پیچیده تر است، بطوری که ربات در طول مسابقه ممکن است با شرایط زیر مواجه شود:
پیچهای خمیده ملایم[۴] (با شعاع[۵] بزرگتر از ۲۰ سانتیمتر)
پیچهای تند[۶] (با شعاع کوچکتر از ۱۰ سانتیمتر)
زاویه های منفرجه[۷] (بزرگتر از ۹۰ درجه)
مسیرهای متقاطع
زاویه های تند و نوک تیز (کوچکتر از ۹۰ درجه)
شکافهایی[۸] به طول کمتر از ۵ سانتیمتر
همچنین ربات باید قادر باشد تا در شدت های متفاوت نور داخل اطاق، عملکرد صحیحی را به نمایش بگذارد.