سیستم  هدایت اتوماتیک بر پایه ی الگوریتم تشخیص رنگ و طرح کنترل مدل داخلی برای کنترل حرکت (مانور) نزدیک شونده ی یک ناو (کشتی) کوچک

سیستم  هدایت اتوماتیک بر پایه ی الگوریتم تشخیص رنگ و طرح کنترل مدل داخلی برای کنترل حرکت (مانور) نزدیک شونده ی یک ناو (کشتی) کوچک

چکیده: این مقاله به طراحی و توسعه ی یک سیستم هدایت اتوماتیک برای راهنمایی مسیر حرکت یک کشتی (کشتی) کوچک می پردازد، در حالی که در کشتی حال انجام دادنِ مانور نزدیک شدن به بندرگاه می باشد. در روش ارائه شده، دو پرده ی نقاشی به صورت آبشاری (سری) در بندرگاه قرار گرفتند تا به عنوان نشانگرهای راهنما برای مشخص کردن خط راهنمایی که کشتی را به سمت محل توقف بندرگاه راهنمایی می کند، استفاده شوند. نشانگرهای راهنما توسط یک دوربین CCD که بر روی قسمت جلوی کشتی نصب شده، دریافت می شوند و تصویر حاصله، توسط یک طرح تشخیص رنگ برای مشخص کردن مولفه های رنگ (H) و اشباع (S) پردازش می شوند. مولفه های H و S نیز سپس توسط یک برنامه ی فیلتر کردن نویز برای آشکارسازی دقیق مکان دو نشانگر در تصویر پردازش می شوند. سپس مراکز ثقل (CGs) دو نشانگر نیز محاسبه می شوند، و فاصله ی بین این دو برای محاسبه ی زاویه ی انحراف مسیر استفاده می شود. سپس این زاویه به عنوان یک سیگنال خطا (اشتباه) در یک سیستم هدایت اتوماتیک کنترل مدل داخلی (IMC) به کار رفته و برای بوجود آوردن یک دستورات کنترل برای هدایت کشتی در امتداد خط راهنما استفاده می شود. امکان اجرایی بودنِ سیستم هدایت اتوماتیک به وسیله ی انجام دادن یک سری از آزمایشات مانور نزدیک شدن با استفاده از یک کشتی کوپک و تنظیمات مربوطه در یک لنگرگاه واقعی، اعتبار سنجی شد.

اصطلاحات: هدایت اتوماتیک، پردازش تصویر، کنترل مدل داخلی (IMC)، راهنمای مسیر حرکت

مقدمه:

هدایتِ اتوماتیک کشتی ها از نظر تاریخی به زمانِ اختراعِ gyrocompass (نوعى قطب نما که همواره شمال حقیقى را نشان میدهد) بر میگردد. یکی از اولین gyropilot ها (هدایت به وسیله ی قطب نمای یاد شده) توسط Minorsky در اوایل سال ۱۹۲۰ معرفی شد، که در آن قطب نمای مورد نظر برای آماده کردن اندازه گیری های مسیر حرکت برای در اختیار قرار دادنِ تصحیحات مسیرِ جسم اتوماتیک هدایت شونده استفاده شد (۱)، (۲). از آن زمان به بعد، پیچیدگی های مربوط به سیستم های هدایت اتوماتیک کشتی ها به طرز شگفت آوری افزایش یافت. خلاصه ای از تعدادی پیشنهادات قابل توجه در این زمینه در مرجع (۳) آمده است. مثال های نوعی از سیتم های هدایت اتوماتیک شامل سیستم های طراحی شده بر پایه ی کنترل مدل داخلی (IMC) در مرجع (۴) و سیستم های طراحی شده بر پایه ی روش خطی-توان دومی گاوسی در مرجع شماره (۵) آمده است. Vaneck نیز یک سیستم هدایت اتوماتیک را پیشنهاد کرده که درآن فرآیندهای تصمیم گیری توسط یک ملوان با مهارت، با استفاده از منطق fuzzy تقلید شده است (۶). Skjetne et al یک برنامه ی کنترل تطبیق پذیر را توسعه داد که این برنامه برای نگه داشتن مسیر حرکت کشتی در امتداد مورد نظر طراحی شده، به طوری که به طور همزمان یک قید دینامیکی دیگر (مانند یک سرعت مشخص) در امتداد مسیر را تامین کند. مساله ی لنگرگیری اتوماتیک توجهات بسیاری را در مقالات به خود جلب کرده است. برای مثال،  Djouani  و  Hamam روش طراحی مسیر برای انجام مانور لنگرگیری کشتی را با یک مسیر بهینه (یعنی مسیری با حداقل انرژی-زمان) ارائه کرده اند (۸). علاوه بر این، Uneo مفاهیم کلی و مسائل مربوط به یک سیستم لنگرگیری اتوماتیک را بیان کرده که در آن این سیستم به کمک اطلاعات زیادی که از سیستم مکان یابی جهانی (GPS) به دست می آید، طراحی شده است.

اگرچه، با وجود پیشرفت های اخیر در حوزه ی سیستم های هدایت شونده ی اتوماتیک با دقت بالا، هدایت دستی هنوز هم به طور قابل توجهی نسب به هدایت اتوماتیک قابل اعتماد تر است، به خصوص در حین مانور نزدیک شدن و لنگرگیری، به خاطر سازگاری و دانش بالاتر آن ها در مورد وضع مکانی کشتی. برای مثال، وقتی مسیر حرکت یک کشتی در حین نزدیک شدن به لنگرگاه در حال مشخص شدن است، یک ملوان ممکن است به صورت عمدی، به مسیر حرکت کمی انحراف دهد تا اثر جریان های عمومی آب را جبران کند. علاوه بر این، ملوان ها غالبا از یک روش مسیر راهنما و یا دانش خود درباره ی نشانگرهای مکانیِ قابل دیدن استفاده می کند تا مسیر حرکت کشتی را وقتی وارد بندر می شود و وقتی در لنگرگاه لنگر می گیرد، بهینه کند (۱۰).

اجرای یک سیستم هدایت شونده ی اتوماتیک بر پایه ی قیاسِ ملوان در استفاده از اطلاعات تصویری در حین نزدیک شدن و لنگرگیری، به استفاده از تکنیک های پردازش تصویر احتیاج دارد تا تصاویرِ هدف ها را، که جمعا مسیر حرکت را مشخص می کنند، دریافت کند. تکنیک های پردازش تصویر به طور گسترده در رشته های مختلف استفاده می شوند، مانند بینایی کامپیوتری، تشخیص چهره، احساس از راه دور و غیره… و قابلیت های زیادی برای استفاده در حوزه های ناوبری، هدایت و کنترل دارد (۱۱). به طور مثال، یک سیستم real-time (زنده) بر پایه ی بینایی برای انجام فرود خودکار هلیکوپتر بدون سرنشین در مرجع (۱۲) آمده است، در حالی که در در مرجع (۱۳) روشی پیشنهاد شده که برای قادر ساختن یک گلایدر برای پرواز در طول یک مسیر مشخص با استفاده از تنها یک حسگر بینایی استفاده شده است. تحقیقات مختلفی، امکان استفاده از سیستم های طراحی شده بر پایه ی بینایی را به همراه تکنیک های پیچیده ی پردازش تصویر برای تحقق بخشیدن به وسایل نقلیه ی جاده ای هوشمند (۱۴) یا سیستم های کنترل از راه دور (ROVs) (15) بررسی کرده اند.

Autopilot System Based on Color Recognition Algorithm and Internal Model Control Scheme for Controlling Approaching Maneuvers of a Small Boat