در پایان نامه ی حاضر به بررسی ربات کابلی معلق در فضا پرداخته شده است. پس از بررسی سینماتیک سه نوع ربات به منظور فیلم برداری فضایی، رباتی با این ویژگی که در هر بازوی آن، دو کابل به صورت موازی و هم طول قرار دارد؛ انتخاب شد. استفاده از ساختار متوازی الاضلاع باعث عدم دوران مجری نهایی می شود و در نتیجه ربات سه درجه ی آزادی انتقالی دارد. در صورت نیاز به چرخش دوربین، که بر روی مجری نهایی ربات سوار است؛ مکانیزمی که با دوربین روی مجری نهایی قرار می گیرد؛ حرکات مورد نظر را ایجاد می کند. پس از بررسی کامل سینماتیک ربات های معرفی شده و مد نظر قرار دادن رفتارهای سینماتیکی هر یک از آن ها و پس از آن انتخاب طرح برتر جهت فیلم برداری، به تحلیل دینامیک و فضای کاری ربات با توجه به رویکرد کابل معادل برای هر بازو پرداخته شد. از آن جایی که فضای کاری ربات، فضای بزرگی است؛ جرم کابل ها تأثیر زیادی در رفتار ربات خواهد داشت؛ بنابراین در این پایان نامه جرم کابل ها در بررسی دینامیک ربات لحاظ می شود. سپس به طراحی کنترل کننده ای مناسب که علاوه بر ایجاد ردیابی مناسب، توانایی غلبه بر نویز و اغتشاش را داشته باشد؛ پرداخته می شود. نتیجه شبیه سازی ها بیان گر درستی معادلات دینامیکی استخراج شده است و رفتار ربات در شبیه سازی ها نیز تأیید کننده ی این امر است که نمی توان از جرم کابل ها در تحلیل دینامیک ربات صرف نظر کرد. برای مثبت ماندن نیروهای کابل ها، محدوده ای برای شتاب حرکت مجری نهایی، محاسبه شده است؛ که حرکت ربات در شتاب های بیش تر از آن نباید باشد و در نهایت با استفاده از کنترل کننده ی idc، با توجه به نتیجه ی شبیه سازی ها، ربات قابل کنترل است و در مقابل نویز و اغتشاش از خود مقاومت نشان می دهد.

موضوع این پایان نامه بررسی روش بهینه سازی به کار رفته در جدیدترین روش حل مسأله slam یعنی الگوریتم isam2 و توسعه آن به منظور افزایش دقت و کارایی است. در این راستا، ابتدا به معرفی مفاهیم اولیه مربوط به slam بر اساس گراف و نقش مسأله کمترین مربعات در slam و همچنین توضیح کامل مفاهیم الگوریتم isam2 پرداخته شده است. بر مبنای این مقدمات، روش های بهینه سازی استفاده شده بروز در مسأله هموارسازی در slam، بررسی شده و مزایا و معایب آن ها ارایه شده است. سپس روش داگ لگ، روشی که به تازگی مورد استفاده قرار گرفته است با الگوریتم isam2 تطبیق داده شده و به صورت به هنگام شبیه سازی شده است. نتایج به دست آمده به طور کامل تجزیه و تحلیل شده و دلایل ناکارآمدی این روش ذکر شده است. در ادامه در این پایان نامه روشی جدید موسوم به داگ لگ دوگانه به منظور بهبود نتایج به دست آمده از روش داگ لگ، به ویژه برای مجموعه داده های با مقیاس بزرگ ارایه شده و برتری آن توسط شبیه سازی به هنگام در الگوریتم isam2 مورد تأیید قرار گرفته است. سپس، این روش جدید با اضافه کردن ماتریس پیش شرط به آن، توسعه یافته و نتایج شبیه سازی آن در الگوریتم isam2، بررسی شده است. در ادامه، حساسیت الگوریتم به مقادیر انتخاب شده برای پارامترهای بروزرسانی شعاع در مسایل ناحیه اعتماد از جمله داگ لگ و داگ لگ دوگانه مورد توجه و بررسی قرار گرفته و با انتخاب مقادیر مناسب برای پارامترها، بهبود قابل توجهی در دقت الگوریتم به دست آمده است. درنهایت، پیاده سازی عملی بر روی ربات آوریل گروه رباتیک ارس انجام شده و نتیجه آن ارایه شده است.

مکان یابی و تولید هم زمان نقشه به معنای قرار دادن ربات متحرک در یک مکان از یک محیط ناشناخته و سپس تولید افزایشی نقشه محیط و به طور هم زمان استفاده از نقشه برای محاسبه مکان فعلی است. مسأله slam به موقعیت هایی اشاره دارد که ربات فاقد حسگرهای موقعیتی سراسری است و به جای آن از سنسورهایی نظیر اُدومتری بهره می برد. چنین سنسورهایی در طول زمان دارای خطای انباشته بوده و دست یابی به نقشه ی دقیق را به چالش می کشند. هم چنین عدم قطعیت ذاتی اندازه گیری های سنسورها، ما را به استفاده از الگوریتم های استنتاج احتمالاتی رهنمون می سازد. الگوریتم های موجود برای حل مسأله slam، به دو دسته ی پالایش و هموارسازی تقسیم می شوند. در پالایش، فقط حالت فعلی ربات در نظر گرفته شده و سایر حالت ها حذف می شوند. از این رو نقطه خطی سازی معادلات اندازه گیری مربوط به این متغیرها ثابت شده و در آینده قابل تغییر نیست. در نتیجه خطای خطی سازی به مسأله تخمین وارد شده و با ادامه این روند و افزایش خطا، تخمین به شکست می انجامد. در مقابل، رویکرد هموارسازی تمام مسیر ربات را در نظر گرفته و تنها شامل آخرین حالت ربات نیست. بنابراین خطی سازی معادلات اندازه گیری در هر زمانی قابل اجرا است. گرچه استفاده از این روش به دلیل اضافه شدن هرچه بیشتر متغیرها به مساله تخمین عجیب به نظر میرسد اما نکته مثبت این موضوع پراکندگی ذاتی ماتریس اطلاعات هموارسازی است. الگوریتم isam2 بر مبنای رویکرد هموارسازی بوده و با پیاده سازی روش ها و الگوریتم های به روز، راه حلی افزایشی، دقیقتر و کارآمد برای مسائل بهینه سازی غیرخطی پراکنده فراهم می آورد. نکته اصلی در روش های هموارسازی توجه به پراکنده بودن ماتریس اطلاعات هموارسازی است و بیش ترین بهبود زمانی حاصل می شود که با استفاده از روش های مرتب سازی مناسب، پراکندگی ماتریس در طول روند تجزیه حفظ شود. از این رو یافتن الگوریتم مرتب سازی مناسب برای رسیدن به کارایی امری ضروری به نظر می رسد. هم چنین استفاده از مدل های گرافی معادل در برخی مراحل و انجام عملیات روی آن ها به جای عملیات ماتریسی، نقش اساسی در الگوریتم isam2 ایفا کرده و موجب دست یابی سریع آن به پاسخی دقیق گردیده است. چرا که بهره گیری از این ساختار داده جدید، امکاناتی را فراهم آورده که درک آن ها در قالب ماتریس امکان پذیر نبود که از جمله آن ها می توان به مرتب سازی افزایشی و بازخطی سازی سیال اشاره کرد. در این پایان نامه پس از بررسی و فهم دقیق الگوریتم گسترده و پیچیده isam2، از طریق اجرای افزایشی و گام به گام الگوریتم مورد نظر و تحلیل نتایج به دست آمده برای مجموعه داده های مختلف و سپس پیاده سازی آن بر روی داده های به دست آمده از ربات سیّار، به بررسی کمّی و کیفی روش های مختلف مرتب سازی برای الگوریتم isam2 و امکان سنجی به کارگیری روشی جدید در آن به منظور کاهش پیچیدگی محاسباتی از طریق کمینه کردن انباشته ایجاد شده و در نتیجه افزایش سرعت اجرای الگوریتم پرداخته می شود.

کنترل پیش¬بین مقاوم یکی از روش¬های رایج کنترل سیستم¬های غیرخطی گسسته زمان است. این روش برای سیستم¬هایی قابل اعمال است که دارای دو بخش خطی و غیرخطی باشند. به شرطی که بخش غیرخطی آن در شرط لیپ¬شیتز صدق کند. در این پایان¬نامه برای افزایش ناحیه جذب کنترل پیش¬بین مقاوم از روش زمان¬بندی بهره استفاده شده است. با استفاده از این روش علاوه بر نقطه تعادل مطلوب نقاط تعادل دیگری نیز انتخاب شده و با استفاده از کنترل پیش¬بین مقاوم کنترل¬کننده¬ی مناسب حول هریک از نقاط کار، طراحی می¬شود. کنترل¬کننده¬های پسخور حالت از کمینه¬سازی توابع هزینه¬ی متناظر با هر نقطه به دست می¬آیند که این طراحی قابل تبدیل به روابط نامساوی¬های ماتریسی خطی می¬باشد. سپس بین این کنترل¬کننده¬ها کلیدزنی انجام می شود به نحوی که پایداری حلقه بسته¬ی سیستم نیز تضمین گردد. طراحی کنترل¬کننده¬ای که پایداری حلقه بسته سیستم را تضمین نماید براساس نظریه لیاپانوف انجام می¬پذیرد. با استفاده از تحلیلی که بر روی نوع کلیدزنی صورت گرفته است نشان داده شده است که اگر کلیدزنی به صورت سخت انجام گیرد سرعت همگرایی سیستم بیشینه خواهد شد.

ویژگی های منحصربه فرد از جمله استفاده از ساختار متوازی الاضلاع، استحکام بالا در حجم ساختاریِ محدود و رفتار دینامیکی مناسب در عین سرعت و شتاب بالا باعث شده تا ربات موازی دلتا به عنوان یکی از بهترین انتخاب ها در کاربردهای جابجایی اجسام کوچک باشد. در این پایان نامه ربات فوق را در ساده ترین ساختار خود یعنی ساختار 3 درجه آزادی بکار می گیریم. پس از معرفی مدل ریاضی از ساختار هندسی ربات و تحلیل ژاکوبین، دینامیک ربات را بر اساس روش اول لاگرانژ به دست آورده و با مدل طراحی شده در نرم افزار adams ارزیابی می کنیم. سپس پارامترهای سینماتیکی ربات را با توجه به 3 شاخص سینماتیکی که معرف سرعت و مهارت ربات هستند، طی یک بهینه سازی چند هدفه با روش nsgaιι بهینه کرده و یک جبهه پرتو از پارامترهای بهینه ارائه می دهیم. در ادامه مسیر مکانی و منحنی های زمانی حرکت مجری نهایی را برای با هدف بیش ترین سرعت در کمترین زمان طراحی کرده و از حل سینماتیک و دینامیک وارون، پس از به دست آوردن محدودیت های فضای مفصلی روی سرعت، شتاب و گشتاور مفاصل تحت تحریک، مشخصات موتور مناسب را با توجه به این محدودیت ها تعیین می کنیم. در پایان نیز یک الگوریتم کنترلی با هدف مقاوم بودن سیستم کنترلی ربات در برابر نامعینی های پارامتری در پارامترهای سینماتیکی و دینامیکی ارائه کرده و پایداری سیستم حلقه بسته را با روش دوم لیاپانوف اثبات می کنیم. نتایج حاصل از شبیه سازی ها موید این نکته است که روش بهینه سازی بکار رفته در کنار طراحی مسیر مکانی و زمانی مناسب و الگوریتم کنترلی پیشنهادی توانسته اند علاوه بر پایداری سیستم حلقه بسته، ما را به هدف این پژوهش یعنی رسیدن به بیش ترین تعداد جابجایی قطعه توسط ربات در مدت زمان مشخص، با کمترین هزینه، با دیدگاه پیاده سازی عملی برسانند.