رباتیک

چکیده

این مقاله الگوریتمی جدید برای مسئله برنامه ریزی مسیرکلی به یک هدف ، برای ربات متحرک را با استفاده از الگوریتم ژنتیک ارائه می دهد .الگوریتم ژنتیک برای یافتن مسیر بهینه برای ربات متحرک جهت حرکت در محیط استاتیک که توسط نقشه ای با گره ها و لینک ها بیان شده است ،بکار گرفته شده است.موقعیت هدف و موانع برای یافتن یک مسیر بهینه در محیط دو بعدی داده شده است .هر نقطه اتصال در شبکه ژنی است که با استفاده از کد باینری ارائه شده است.تعداد ژن ها در یک کروموزوم تابعی از تعداد موانع در نقشه (نمودار)می باشد.

بنابراین از یک کروموزوم با طول ثابت استفاده کردیم.مسیر ربات ایجاد شده ، در مفهوم کوتاهترین مسیر ،بهینه است .ربات دارای محل آغاز و محل هدف تحت فرضیه ای است که ربات از هر محل فقط یکبار می گذرد یا اصلا نمی گذرد.نتایج بدست آمده در شبیه سازی ؛قدرت الگوریتم پیشنهادی را تایید می نماید.

مقدمه

مسئله طراحی مسیر ربات متحرک را می توان بصورت ذیل بیان کرد:

داده های مسئله (محل شروع،محل هدف، نقشه ای دو بعدی مسیرهاکه شامل موانع ساکن می باشد).هدف بدست آوردن یک مسیر بدون تصادم بین دو نقطه خاص در ایفای معیار بهینه سازی با در نظر گرفتن محدودیت ها (به احتمال زیاد:کوتاهترین مسیر)می باشد. مسئله طراحی مسیر از نظر محاسباتی بسیار پر هزینه است.

با اینکه حجم زیادی از تحقیقات برای حل بیشتر این مسائل انجام شده است،با این وجود،روش های معمول ،غیر قابل انعطاف می باشند.

1.اهداف مختلف بهینه سازی و تغییرات اهداف

2. عدم قطعیت ها در محیط ها

3. محدودیت های متفاوت برای منابع محاسباتی

مرور و بازنگری روش های موجود برای حل مسئله طراحی مسیر ،در [1] ارائه شده است . روش های زیادی برای ایجاد یک مسیر بهینه از قبیل برنامه ریزی دینامیک و روش های تبدیل مسافت گزارش شده است .

در روش برنامه ریزی دینامیک اگر نقطه ی شروعSP و نقطه ی هدف GP باشد ، نقطه ی زیر هدف IP است.و روش تولید مسیر ،نحوه تعیین توالی زیر اهداف است که زیر اهداف خود از مجموعه IP (I=1,2,3,…) انتخاب می شوند.ما باید تمام مسیرهای ممکن را بررسی کرده و مسیر با کمترین مقدار هزینه را به عنوان مسیر بهینه انتخاب نمائیم.توان محاسباتی بسیار فراوانی بویژه در محیط های دارای زیر اهداف فراوان مورد نیاز است . در روش تبدیل مسافت ،کارطراحی مسیر ،محیطی را با شبکه یکنواخت می پوشاند و فواصل را از طریق فضای خالی ،از سلول هدف،منتشر می کند.قسمت پیشین موج مسافت ،حول موانع و در نهایت از طریق تمامی فضاهای آزاد در محیط جریان می یابد.برای هر نقطه شروع در محیط نمایانگر محل اولیه ربات متحرک ،کوتاهترین مسیر به مقصد،از طریق رفتن به قسمت پائین و از طریق شیب دارترین مسیر نزولی رسم شده است.با این وجود به هنگام وجود دو سلول یا بیشتر جهت گزینش با همان حداقل تبدیل فاصله ابهام مسیرهای بهینه وجود دارد. دو روش مذکور ملزم توان محاسباتی بسیار بالا در محیطی است که دارای تعداد زیاد اهداف فرعی (زیر اهداف)و موانع است.

محققان روش های فراوان را برای حل مسائل طراحی مسیر ربات های متحرک با وجود موانع ایستا و متحرک بر مبنای soft computing ،بیان کرده اند. soft computing متشکل از منطق فازی،شبکه های عصبی و محاسبات تکاملی است (الگوریتم های ژنتیک و تکاملی GA & EA).تاکنون تلاش های زیادی در استفاده از منطق فازی برای طراحی و برنامه ریزی حرکت ربات متحرک وجود داشته است .اخیرا استفاده از محاسبات تکاملی رواج فراوانی پیدا کرده و در واقع روشی است که به منظور بکارگیری در موقعیت هایی که دانش اولیه راجع حل مسئله وجود نداشته و یا اطلاعات محدود می باشد،قابلیت استفاده به گونه ای موثرتر،عمومی تر و راحت تر را داراست.

الگوریتم های ژنتیکی و تکامکلی نیازمند اطلاعات اشتقاقی یا برآوردهای فرمال اولیه از راه حل نیستند و از آنجائیکه طبیعتا تصادفی می باشند دارای قابلیت جستجوی کل فضای جواب با احتمال بیشتر پیدا کردن بهینه عمومی می باشند.

می توان تحقیق قبلی راجع طراحی مسیر را به صورت یکی از دو روش مقابل طبقه بندی کرد: مبتنی بر مدل و مبتنی بر سنسور .

در حالت مبتنی بر مدل ،مدل های منطقی از موانع شناخته شده ،برای تولید تصادم بدون مسیر بکار گرفته می شوند.در حالیکه در روش مبتنی بر سنسور ، کشف و اجتناب از موانع ناشناخته است.در این مقاله الگوریتمی جدید جهت بدست آوردن مسیر بهینه بر مبنای مدل پیشنهاد شده است.

ادامه مطالب مقاله بصورت ذیل مرتب شده اند :

در بخش 2 ،مقدمه ای مختصر راجع الگوریتم ژنتیک ارائه شده است .در بخش 3 ،فرمول سازی مسئله مورد بررسی واقع شده،در بخش 4 الگوریتم پیشنهادی ، معرفی و در بخش 5 نتایج شبیه سازی نشان داده شده است.

1.مسیریابی

مسئله مسیریابی ربات در چند حالت قابل بررسی است :

در یک مفهوم می توان مسیریابی روبات را در قالب تعقیب خط (عموما مسیری از پیش تعیین شده با رنگ متفاوت از زمینه ) معرفی نمود.روبات هایی با این کاربرد تحت عنوان مسیریاب شناخته می شوند . یکی از کاربرد های عمده این ربات ، حمل و نقل وسایل و کالاهای مختلف در کارخانجات ، بیمارستان ها ، فروشگاه ها ، کتابخانه ها و ... میباشد .

ربات تعقیب خط تا حدی قادر به انجام وظیفه کتاب داری کتابخانه ها می باشد . به این صورت که بعد از دادن کد کتاب ، ربات با دنبال کردن مسیری که کد آن را تعیین میکند ، به محلی که کتاب در آن قرار گرفته می رود و کتاب را برداشته و به نزد ما می آورد .مثال دیگر این نوع ربات در بیمارستان های پیشرفته است ، کف بیمارستان های پیشرفته خط کشی هایی به رنگ های مختلف به منظور هدایت ربات های مسیریاب به محل های مختلف وجود دارد . (مثلا رنگ قرمز به اتاق جراحی یا آبی به اتاق زایمان.) بیمارانی که توانایی حرکت کردن و جا به جا شدن را ندارند و باید از ویلچر استفاده کنند ، این ویلچر نقش ربات تعقیب خط را دارد ، و بیمار را از روی مسیر مشخص به محل مطلوب می برد .

با توجه به وجود موانع (استاتیک و دینامیک) در محیط ،مسیریابی روبات در مفهومی کاربردی تر ،پیمودن مسیر مبدا تا مقصد بدون برخورد با موانع می باشد.مسلما با وجود تعداد زیاد موانع ،تعداد مسیرهای قابل عبور روبات بسیار زیاد خواهد بود و یقینا انتخاب کوتاه ترین مسیر توسط روبات برای حرکت از مبدا به مقصد ،دارای ارزش اجرایی بالایی خواهد بود.در این مقاله چنین مسئله ای مورد بررسی واقع شده است.نقاط مبدا و مقصد و نیز محل موانع به عنوان ورودی داده شده است ،نیز می دانیم موانع ایستا می باشند (در حالت وجود موانع پویا در عین نزدیکی بیشتر به شرایط واقعی ،روش های مورد استفاده بسیار پیچیده خواهند بود)و مسئله در حالت دو بعدی بررسی می شود (روبات بر روی صفحه حرکت می نماید). برای این منظور الگوریتم های مسیریابی با هدف انتخاب کوتاهترین مسیر قابل استفاده می باشند ،الگوریتم هایی که به منظور مسیریابی در شبکه ها قابلیت استفاده دارند.با این وجود در این بررسی از الگوریتم ژنتیک استفاده شده است . همچنین الگوریتم های ژنتیک و نیز دیگر روش های مشابه به منظور بهینه سازی مصرف انرژی روبات ،مسیر تغییر زاویه ازوی روبات ،زمان حرکت روبات و... قابل استفاده می باشند .

2.الگوریتم ژنتیک

GA در سال 1975 توسط Holland بر پایه تقلیدی از تکامل طبیعی یک جمعیت پایه ریزی شد به نحوی که کروموزوم ها به منظور خلق نسل جدید اجازه تولید مجدد داشته و جهت بقاء در نسل آینده به رقابت می پردازند.با گذشت زمان ،بر روی نسل ها ، fitness بهبود می یابد و در نهایت بهترین راه حل قابل حصول است .اولین جمعیت p(0) به طور تصادفی با 0و1 کد می شود در هر نسل ،t، مناسبترین عناصر برای حضور در mating pool انتخاب می شوند و با سه عملگر پایه ای ژنتیک ؛ تولید مثل،ادغام و جهش ؛ جهت تولید نسل جدید تکامل می یابند .بر پایه بقاء بهترین هامی توان نتیجه گرفت کروموزوم های بدست آمده با استفاده از روشی منتخب بهترین کروموزوم ها قابل حصول می باشند.

از جمله مزایای GA که این روش را جهت بکارگیری آن در مورد انتخاب متغیر مناسب می نماید می توان به توانایی پیدا کردن بهینه عمومی با سرعت بالا،امکان جستجو موازی چند نقطه و نیز فرار از بهینه های محلی اشاره نمود.

نحوه ارسال اطلاعات در مدل OSI

سیگنال ها و پروتکل ها

کامپیوتر های موجود در یک شبکه به طرق مختلفی می توانند با همدیگر ارتباط برقرار کنند اما بخش بزرگی از این فرآیند ربطی به ماهیت داده هایی که از طریق رسانه شبکه عبور می کند ندارد . قبل از اینکه داده هایی که کامپیوتر فرستنده تولید کرده است به کابل یا نوع دیگری از رسانه برسد به سیگنال هایی که متناسب با آن رسانه می باشد تجزیه می شود.این سیگنال ها ممکن است مثلا برای سیم های مسی ولتاژهای الکتریکی برای فیبر نوری پالس های نور و در شبکه های بی سیم امواج رادیویی و مادون قرمز باشند.این سیگنال ها کدی را تشکیل می دهند که رابط شبکه هر کامپیوتر گیرنده ای ٬آنرا به داده های باینری قابل درک با نرم افزار در حال اجرای روی آن کامپیوتر تبدیل می کند .

بعضی از شبکه ها متشکل از کامپیوتر های مشابهی هستند که دارای سیستم عامل و برنامه های یکسانی می باشند در صورتی که شبکه هایی هم وجود دارند که دارای سکوهای (platform) متفاوتی هستند و نرم افزارهایی را اجرا می کنند که کاملا با یکدیگر تفاوت دارند . ممکن است اینطور به نظر آید که برقراری ارتباط بین کامپیوترهای یکسان ساده تر از بین کامپیوتر های متفاوت است و البته در بعضی از موارد این نتیجه گیری صحیح می باشد. صرفنظر از نرم افزارهایی که در یک شبکه روی کامپیوترها اجرا می شود و صرفنظر از نوع آن کامپیوترها ، باید زبان مشترکی بین آنها وجود داشته باشد تا برقراری ارتباط میسر شود . این زبان مشترک پروتکل نامیده می شود و حتی در ساده ترین نوع تبادل اطلاعات ، کامپیوترها از تعداد زیادی از آنها استفاده می کنند.در واقع همانطور که برای اینکه دو نفر بتوانند با یکدیگر صحبت کنند باید از زبان مشترکی استفاده کنند کامپیوترها هم برای تبادل اطلاعات نیاز به یک یا چند پروتکل مشترک دارند .

یک پروتکل شبکه می تواند نسبتا ساده یا کاملا پیچیده باشد .در بعضی موارد پروتکل فقط یک کد است (مثلا الگویی از ولتاژهای الکتریکی ) که مقدار دودویی یک بیت را نشان می دهد و همانطور که می دانید این مقدار می تواند 0 یا 1 باشد. پروتکل های پیچیده تر شبکه می توانند سرویس هایی را ارائه دهند که بعضی از آنها در اینجا نام برده شده است:

اعلام دریافت بسته (packet acknowledgment) :که ارسال یک پیغام از طرف گیرنده به فرستنده مبنی بر دریافت یک یا چند بسته می باشد. یک بسته جزء بنیادی اطلاعات فرستاده شده روی یک شبکه محلی (LAN) می باشد.

بخش بندی (segmentation) : که در واقع به تقسیم کردن یک جریان داده طولانی به بخش های کوچکتر می باشد به صورتی که بتوان آنرا در داخل بسته ها ، روی یک شبکه انتقال داد .

کنترل جریان (flow control) : شامل پیغام هایی می باشد که از طرف گیرنده به فرستنده مبنی بر بالا یا پایین بردن سرعت انتقال داده فرستاده می شود .

تشخیص خطا (error detection) : شامل کدهای بخصوصی می باشد که در یک بسته وجود دارد و سیستم گیرنده از آنها برای اطمینان از اینکه داده های آن بسته سالم به مقصد رسیده است یا نه استفاده می کند .

تصحیح خطا (error correction) : پیغام هایی که توسط سیستم گیرنده تولید می شود و به اطلاع فرستنده می رسانند که بسته های معینی آسیب دیدند و باید دوباره فرستاده شوند .

فشرده سازی (data compression) : مکانیزمی است که در آن با حذف اطلاعات اضافه، مقدار داده ای را که باید از طریق شبکه فرستاده شود در حد امکان کم می کنند .

کدگذاری داده (data encryption) : مکانیزمی است برای محافظت از داده هایی که قرار است از طریق شبکه منتقل شود و در آن توسط کلیدی که سیستم گیرنده از آن مطلع است داده ها کد گذاری می شوند.

اغلب پروتکل ها بر مبنای استاندارد های عمومی می باشند که توسط یک کمیته مستقل تولید شده اند نه یک تولید کننده بخصوص. بدین صورت این تضمین وجود دارد که سیستم های مختلف می توانند از آنها به راحتی استفاده کنند .

معهذا هنوز تعدادی پروتکل وجود دارد که اختصاصی هستند و هرگز در بین عموم معرفی نشده اند مسئله مهمی که همیشه باید در نظر داشت این است که همه ی کامپیوتر های موجود در یک شبکه در طول فرآیند برقراری ارتباط و تبادل اطلاعات از پروتکل های گوناگون استفاده می کنند .کارهایی که پروتکل های مختلف در یک شبکه انجام می دهند در بخش هایی به نام لایه تقسیم می شوند که مدل OSI را تشکیل می دهند .

رابطه ی بین پروتکل ها

اغلب به مجموع پروتکل هایی که در لایه های مختلف مدل OSI وجود دارد پشته پروتکل اطلاق می شود .این مجموعه پروتکل ها به کمک همدیگر سرویس هایی را که یک برنامه بخصوص ممکن است نیاز داشته باشد ، ارائه می کنند و هیچ یک از آنها قابلیت انجام کار دیگری را ندارند به عنوان مثال اگر پروتکلی در یک لایه سرویس خاصی را ارائه می کند ، پروتکل های موجود در لایه های دیگر دقیقا آن سرویس خاص را ارائه تامین نمی کنند . نسبت به جهت جریان داده ها ، پروتکل های لایه های کنار همدیگر سرویس هایی را برای همدیگر تامین می کنند در یک شبکه ، اطلاعات از یک برنامه که در لایه بالایی پشته پروتکل قرار دارد سرچشمه می گیرد و متعاقبا لایه ها را به سمت پایین طی می کند .

پایین ترین بخش پشته پروتکل را رسانه شبکه تشکیل می دهد که وظیفه انتقال داده ها به کامپیوتر های دیگر موجود در شبکه را دارد .

وقتی داده ها از طریق شبکه به مقصد می رسند ، کامپیوتر گیرنده دقیقا عکس عملیاتی را که کامپیوتر فرستنده انجام داده است باید انجام دهد .

اطلاعات از لایه پایینی پشته به سمت برنامه گیرنده که در لایه بالایی قرار دارد عبور می کند و در هر لایه عملیاتی مشابه با آنچه در فرستنده در همان لایه انجام شده است ،اعمال می شود به عنوان مثال اگر پروتکلی در لایه سوم فرستنده مسئول کد گذاری اطلاعات می باشد ، همان پروتکل در لایه سوم گیرنده مسئول کد گشایی اطلاعات می باشد .به این صورت پروتکل های موجود در لایه های مختلف سیستم فرستنده با پروتکل های معادل خود که در همان لایه اولی در بخش گیرنده وجود دارند ارتباط بر قرار می کنند .شکل 2 این مطلب را نمایش می دهد.

تاریخچه پیدایش شبکه

در سال 1957 نخستین ماهواره، یعنی اسپوتنیک توسط اتحاد جماهیر شوروی سابق به فضا پرتاب شد. در همین دوران رقابت سختی از نظر تسلیحاتی بین دو ابرقدرت آن زمان جریان داشت و دنیا در دوران رقابت سختی از نظر تسلیحاتی بین دو ابر قدرت آن زمان جریان داشت و دنیا در دوران جنگ سرد به سر می برد. وزارت دفاع امریکا در واکنش به این اقدام رقیب نظامی خود، آژانس پروژه های تحقیقاتی پیشرفته یا آرپا (ARPA) را تاسیس کرد. یکی از پروژه های مهم این آژانس تامین ارتباطات در زمان جنگ جهانی احتمالی تعریف شده بود. در همین سال ها در مراکز تحقیقاتی غیر نظامی که بر امتداد دانشگاه ها بودند، تلاش برای اتصال کامپیوترها به یکدیگر در جریان بود. در آن زمان کامپیوتر های Mainframe از طریق ترمینال ها به کاربران سرویس می دادند. در اثر اهمیت یافتن این موضوع آژانس آرپا (ARPA) منابع مالی پروژه اتصال دو کامپیوتر از راه دور به یکدیگر را در دانشگاه MIT بر عهده گرفت. در اواخر سال 1960 اولین شبکه کامپیوتری بین چهار کامپیوتر که دو تای آنها در MIT، یکی در دانشگاه کالیفرنیا و دیگری در مرکز تحقیقاتی استنفورد قرار داشتند، راه اندازی شد. این شبکه آرپانت نامگذاری شد. در سال 1965 نخستین ارتباط راه دور بین دانشگاه MIT و یک مرکز دیگر نیز برقرار گردید.

در سال 1970 شرکت معتبر زیراکس یک مرکز تحقیقاتی در پالوآلتو تاسیس کرد. این مرکز در طول سال ها مهمترین فناوری های مرتبط با کامپیوتر را معرفی کرده است و از این نظریه به یک مرکز تحقیقاتی افسانه ای بدل گشته است. این مرکز تحقیقاتی که پارک (PARC) نیز نامیده می شود، به تحقیقات در زمینه شبکه های کامپیوتری پیوست. تا این سال ها شبکه آرپانت به امور نظامی اختصاص داشت، اما در سال 1927 به عموم معرفی شد. در این سال شبکه آرپانت مراکز کامپیوتری بسیاری از دانشگاه ها و مراکز تحقیقاتی را به هم متصل کرده بود. در سال 1927 نخستین نامه الکترونیکی از طریق شبکه منتقل گردید.

در این سال ها حرکتی غیر انتفاعی به نام MERIT که چندین دانشگاه بنیان گذار آن بوده اند، مشغول توسعه روش های اتصال کاربران ترمینال ها به کامپیوتر مرکزی یا میزبان بود. مهندسان پروژه MERIT در تلاش برای ایجاد ارتباط بین کامپیوتر ها، مجبور شدند تجهیزات لازم را خود طراحی کنند. آنان با طراحی تجهیزات واسطه برای مینی کامپیوتر DECPDP-11 نخستین بستر اصلی یا Backbone شبکه کامپیوتری را ساختند. تا سال ها نمونه های اصلاح شده این کامپیوتر با نام PCP یا Primary Communications Processor نقش میزبان را در شبکه ها ایفا می کرد. نخستین شبکه از این نوع که چندین ایالت را به هم متصل می کرد Michnet نام داشت.

روش اتصال کاربران به کامپیوتر میزبان در آن زمان به این صورت بود که یک نرم افزار خاص بر روی کامپیوتر مرکزی اجرا می شد. و ارتباط کاربران را برقرار می کرد. اما در سال 1976 نرم افزار جدیدی به نام Hermes عرضه شد که برای نخستین بار به کاربران اجازه می داد تا از طریق یک ترمینال به صورت تعاملی مستقیما به سیستم MERIT متصل شوند.این، نخستین باری بود که کاربران می توانستند در هنگام برقراری ارتباط از خود بپرسند: کدام میزبان؟

از وقایع مهم تاریخچه شبکه های کامپیوتری، ابداع روش سوئیچینگ بسته ای یا Packet Switching است. قبل از معرفی شدن این روش از سوئیچینگ مداری یا Circuit Switching برای تعیین مسیر ارتباطی استفاده می شد. اما در سال 1974 با پیدایش پروتکل ارتباطی TCP/IP از مفهوم Packet Switching استفاده گسترده تری شد. این پروتکل در سال 1982 جایگزین پروتکل NCP شد و به پروتکل استاندارد برای آرپانت تبدیل گشت. در همین زمان یک شاخه فرعی بنام MILnet در آرپانت همچنان از پروتکل قبلی پشتیبانی می کرد و به ارائه خدمات نظامی می پرداخت. با این تغییر و تحول، شبکه های زیادی به بخش تحقیقاتی این شبکه متصل شدند و آرپانت به اینترنت تبدیل گشت. در این سال ها حجم ارتباطات شبکه ای افزایش یافت و مفهوم ترافیک شبکه مطرح شد.

مفهوم شبکه

هسته اصلی سیستم های توزیع اطلاعات را شبکه های کامپیوتری تشکیل می دهند. مفهوم شبکه های کامپیوتری بر پایه اتصال کامپیوتر ها و دیگر تجهیزات سخت افزاری به یکدیگر برای ایجاد امکان ارتباط و تبادل اطلاعات استوار شده است. گروهی از کامپیوتر ها و دیگر تجهیزات متصل به هم را یک شبکه می نامند.

ساده ترین نوع شبکه با متصل کردن چند کامپیوتر به وسیله کابل های خاصی به وجود می آید . ممکن است یک چاپگر به یکی از کامپیوترها متصل باشد و با استفاده از این سیستم شبکه ٬ این چاپگر به اشتراک بقیه کامپیوترها نیز گذاشته شود . همچنین ممکن است چاپگر مستقیما به شبکه متصل شده باشد . سایر تجهیزات جانبی کامپیوتر نیز می توانند برای استفاده همه کاربران در یک شبکه به اشتراک گذاشته شوند . هر دستگاه با یک کابل به شبکه اتصال می یابد و دارای یک آدرس یگانه و منحمصر به فرد است ٬ که در شبکه با آن آدرس شناخته می شود . به همین دلیل اطلاعات دقیقا به همان کامپیوتری که مد نظر است فرستاده می شود و خطایی رخ نمی دهد . دسترسی به منابع به اشتراک گذاشته دارای ارزش بسیار زیادی است . یک منبع می تواند یک فایل ٬ متن ٬ چاپگر ٬ دیسک سخت ٬ مودم یا دسترسی به اینترنت باشد و حتی توانایی پردازش کامپیوترها نیز می تواند به اشتراک گذاشته شود . به اشتراک گذاشتن منابع بیان شده نوعی قابلیت سیستم عامل تحت شبکه است که به کاربر امکان دسترسی به اطلاعات موجود در سایر کامپیوترهای شبکه را می دهد . نکته مهم در این سیستم این است که سیستم عامل باید دارای امنیت باشد و باید بتواند در دسترسی به اطلاعات (به خصوص داده ها ) محدودیت ایجاد کند.

فهرست

فصل اول ....................................................................................... 1

سیگنال ها و پروتکل ها ................................................................

فصل دوم ...................................................................................... 39

مدل OSI

فصل سوم..................................................................................... 54

پروتکل TCP/IP

فصل چهارم..................................................................................... 81

لایه اینترنت

فصل پنجم..................................................................................... 121

ارسال اطلاعات با استفاده از TCP/IP

فصل ششم..................................................................................... 129

مسیریابی

منابع انرژی فسیلی و هسته ای

فصل اول

مقدمه

فصل دوم

استفاده از انرژی باد

فصل سوم

معرفی انواع توربین های بادی- ساختار الکتریکی مکانیکی

فصل چهارم

ژنراتور نیروگاه بادی

فصل پنجم

بررسی سیستم های مبدل باد به انرژی الکتریکی

فصل ششم

سیستم آسنکرون

فصل هفتم

مبدلهای الکتریکی

مقدمه

استفاده از منابع انرژی فسیلی و هسته ای، مستلزم هزینه زیاد و افزایش آلودگی محیط زیست و عوارض مخرب ناشی از آن است، از این رو با بروز پدیده بحران انرژی در دنیا و از طرف دیگر پیشرفت تکنولوژی تبدیل انرژی باد، به انرژی الکتریکی که به کاهش قیمت آنها منجر شده، استفاده از انرژی باد اجتناب ناپذیر شده است. سیستم های مبدل انرژی باد، به انرژی الکتریکی از سال 1975 به شکل تجاری و در سطح وسیع در دنیا مورد استفاده قرار گرفته اند. هم اکنون با پیشرفت تکنولوژی میکروکامپیوترها و نیمه هادیهای قدرت امکان استفاده از سیستم کنترلی مدرن و در نتیجه تولید قدرت الکتریکی با کیفیت بالا از نیروی باد ایجاد شده است. تجربه نصب و راه اندازی نیروگاههای بادی در کشورهای صنعتی، به خصوص آمریکا و دانمارک نشان داده است که هزینه این سیستم ها قابل مقایسه با هزینه روش های سنتی و متداول تولید انرژی الکتریکی می باشد.

تامین انرژی الکتریکی برای بارهای شبکه با کیفیت بالا و تولید وقفه نیروی برق هدف اصلی یک سیستم قدرت می باشد. برای بالا بردن کیفیت انرژی الکتریکی نیاز است. کمیت های مختلف سیستم قدرت مانند راه اندازی از مدار خارج نمودن، بهره برداری در شرایط توان ثابت و…. کنترل شود. با توجه به ماهیت تغییرات سرعت باد در زمان های مختلف ایجاد شرایط کنترل برای سیستم های قدرت شامل مبدل های انرژی باد به الکتریکی حائز اهمیت می گردد. اجزاء مختلف یک سیستم قدرت بادی شامل: توربین بادی، ژنراتور، کنترل کننده زاویه گام پره و سیستم تحریک می باشد. که هر یک از این اجزاء انواع مختلف داشته و در مدل های مختلف براساس نیاز ساخته می شوند. لذا با توجه به موقعیت جغرافیایی ایران و اهمیت انرژی‌های تجدیدپذیر به این موضوع پرداخته می شود.

باد رایگان است بشر از عهد باستان این نکته را به خوبی دریافته است و آسیاب بادی را ساخته است تا آب چاهها را بیرون بکشد و غلات را آرد کند. امروزه آسیابهای بادی دیگر منسوخ شده اند و جای خود را به مولدهای بادی داده اند که الکتریسته تولید می کنند. بهترین جا برای تاسیس مولدهای بادی سواحل دریا و تپه ها هستند. در این نقاط باد شدیدتر و منظم تر از نقاط دیگر می‌وزد. (برای تولید الکتریسته سرعت باد باید به طور متوسط 5 متر بر ثانیه، یعنی 18 کیلومتر در ساعت باشد.) اما باد این عیب بزرگ را دارد که فقط بعضی روزها و بعضی ساعات می وزد. اگر فقط به انرژی باد اتکا کنیم، به سرعت دچار کمبود الکتریسته
می شویم. پس راه حل چیست؟ راه حل این است که با استفاده از باتریها الکتریسته ای را که در ساعات بادخیز تولید شده است، ذخیره کنیم. راه دوم این است که مولد بادی را با موتوری که با سوخت کار می کند همراه سازیم. و در واقع یک گروه الکترون بوجود می آوریم. به این ترتیب می توانیم وقتی که باد نیست از الکتریسته ای که ماشین دوم تولید می کند استفاده کنیم. در حال حاضر در بسیاری از کشورهای در حال توسعه یا نقاط دور افتاده ای که برق رسانی به آنها ممکن نیست ازجمله در آرژانتین، استرالیا، آفریقای جنوبی … موادهای بادی می توانند نیاز یک مزرعه، چند خانه یا روستا را به برق تامین کنند. در اوایل قرن 14 میلادی بهره برداری گسترده از آسیابهای بادی در اروپا رایج گردید. اروپائیان بعدها روتور آسیابها را به بالای برجی انتقال داده اند که از چندین طبقه تشکیل می شود. نکته حائز اهمیت درباره آسیابهای مذکور آنست که پره ها بطور دستی در جهت باد قرار داده می شوند و این امر به کمک اهرم بزرگی در پشت آسیاب صورت می گرفت. بهینه سازی انرژی خروجی و حفاظت آسیاب در برابر آسیب دیدگی ناشی از بادهای شدید با جمع کردن پره های آن صورت می گرفت. نخستین مولدهای بزرگ به منظور تولید الکتریسته سال در اوهایو توسط چارلز براش ساخته شد. در سال 1888 ابداع انواع مولدهای بادی در مقیاس وسیع در 1930 در روسیه با ساخت ژنراتور بادی 100 کیلو واتی آغاز شد. طراحی روتورهای پیشرفته با محور عمودی در فرانسه توسط داریوس در دهه 1920 آغاز شد. از میان طرحهای پیشنهادی داریوس مهمترین طرح، روتوری است با پره های ایرفویل و انحنا دار که از بالا و پایین به یک محور عمودی متصل می شوند. در این زمینه، ابداعات دیگری صورت نگرفت و این طرح در سالهای اخیر به نام توربین داریوس مورد توجه قرار گرفته است. توسعه صنعت توربین های بادی، بسیار سریع بوده و در حال پیشرفت است. از ابتدای دهه 1980 تاکنون ظرفیت متوسط توربین بادی از 15 کیلو وات تا 8 مگا وات ارتقاء یافته است. مجموع ظرفیت نصب شده توربین های بادی در جهان به بیش از 25000 مگا وات بالغ می گردد. بنا بر محاسبات انجام شده، از باد در جهان
می توان 105-Ej (هر Ej ژول) برق گرفت و آنچه در عمل بدست می آید. 110Ej است و پیش بینی شده است تا 2020 میلادی 10 درصد از برق کل جهان از انرژی باد تولید خواهد شد. این صنعت همچنین باعث ایجاد 7/1 میلیون شغل می شود.

2-1- تاریخچه انرژی باد در جهان

انرژی باد از انواع قدیمی انرژی است که از بدو پیدایش کره زمین در آن وجود داشته و با پیشرفت جوامع انسانی مورد استفاده قرار گرفته است. کهن ترین دستگاههای مبدل باد در خاورمیانه، برای تهویه منازل بکار رفت که هنوز هم در بعضی شهرهای کویری ایران نظیر یزد بنام بادگیر از آن استفاده می شود. اولین توربین های بادی یا مبدل های انرژی باد به انرژی جنبشی در ایران شکل گرفت و کمی بعد در عصر حمورابی پادشاه بابل در عراق نیز گسترش یافت. نمونه های اولیه این توربین ها از محور عمودی استفاده
می کردند و دارای 4 پره بودند.

استفاده اصلی این توربین ها در آرد کردن غلات بود در 3 قرن قبل از میلاد، مصریها نمونه ای از توربین با محور افقی و 4 پره را ابداع کردند و بوسیله آن، هوای فشرده جهت ساختن ارگ در مراسم مذهبی را تامین کردند. آسیاب بادی در قرون وسطی در ایتالیا، پرتغال و اسپانیلا ظاهر شد و کمی بعد در انگلستان، هلند و آلمان نیز بکار برده شد. این ماشین ها می خواستند آب را به ارتفاع 5 متر پمپ نمایند. حتی از آن برای استخراج روغن از دانه های روغنی نیز استفاده کردند و بعدا انرژی باد علاوه بر خشکی در دریا نیز برای پیشبرد کشتی ها استفاده شد.

3-1- تلاش برای تسخیر دریا

در اروپا مولدهای بادی بیشتر برای تولید الکتریسته «پاک» که در شبکه های سراسری تزریق می شود مورد استفاده قرار می گیرند. تاسیس مولدهای بادی در خشکی گاهی سبب اعتراض هایی می شود (حمایت از پرندگان و محیط زیست) برای اجتناب از این گونه دردسرها، بهتر است که پیش از نصب مولد های بادی مطالعات لازم را انجام دهیم.

همچنین بایستی موقعیت نصب مولدهای بادی، در معرض راه پرندگان مهاجر قرار نگیرد. حال که نصب این مولدها در خشکی مشکلاتی دارد، پژوهشگران متوجه دریاها شدند. مثلا کشور دانمارک با نصب مولدهای بسیار عظیم در مناطق کم عمق سواحل خود نمونه بسیاری خوبی را ارائه داده است (دکل این مولدهای بادی 90 متر و طول متغیرهایش 40متر است.) آلمان، بلژیک، ایرلند هم به پیروی از دانمارک قصد دارند که با ایجاد پارک های بزرگ و نصب ژنراتورهای بادی در آنها به اندازه نیروگاه های معمولی الکتریسته تولید کنند. امروزه مولدهای بادی را در مناطق کم عمق دریاها کار می گذارند.

4-1- وضعیت کنونی بهره برداری از انرژی باد در جهان

نیروگاههای بادی در سراسر جهان به سرعت در حال گسترش می باشند. به طوریکه انرژی باد در میان دیگر منابع و گزینه های انرژی عنوان سریع الرشدترین صنعت را به خود اختصاص داده اند. نرخ رشد این صنعت در سال 2001 میلادی سالانه 35 درصد و در سال 2002 میلادی سالانه 28 درصد گزارش شده است. در پایان سال 2002 میلادی کل ظرفیت نصب شده جهان به 22400 مگاوات رسیده که در این میان آلمان، اسپانیا، آمریکا، دانمارک و هند سهم بیشتری دارند. تا پایان 2002 میلادی این 5 کشور روی هم 26000 مگا وات یعنی 84 درصد از ظرفیت نصب شده در جهان را در اختیار داشته اند.

کل سرمایه در گردش صنعت انرژی باد در سال 2002 میلادی 7 میلیارد یورو بوده است. هر کیلو وات برق 1000 دلار هزینه دارد که 750 دلار آن به هزینه تجهیزات و مابقی به هزینه های آماده کردن سایت، نصب، راه اندازی و نگهداری مربوط می شود. در چند سال اخیر با بزرگ شدن سایز، توربین های تجاری، قیمت سرمایه گذاری آنها کاهش یافته است. صنعت انرژی باد منافع اقتصادی و اجتماعی مختلفی دارد که مهمترین آنها عبارتند از:

1-4-1 نداشتن هزینه اجتماعی:

این هزینه ها در تمام گزینه های متعارف انرژی (مانند منابع فسیلی) وجود دارند، اما با وجود هزینه های قابل توجه در بررسی های اقتصادی لحاظ نمی شود. انجمن انرژی باد در جهان (W.W.E.A) هزینه ها را به کوه یخی تشبیه کرده است. که حجم عظیم آن زیر آب است! کاهش اتکا به منابع انرژی وارداتی: در کشورهایی مثل ایران که می توان به این موضوع از جنبه افزایش صادرات نفت نگاه کرد.

2-4-1 اثرات زیست محیطی:

در جوامع بشری توسعه با بکار گیری انرژی بیشتر، میسر می گردد و بدین ترتیب انسان خصوصیات فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی اجتماعی و سنتی محیط زیست و منطقه ای نقش مهمی را به عهده دارد و کسب اطلاع از میزان اثر بخشی انواع مختلف انرژیهای مورد استفاده بر سلامت محیط زیست و موجودات زنده، وضع مقررات و استانداردهای زیست محیطی جهت کاهش آثار زیانبار همچنین استفاده از تکنولوژی و فن آوری مناسب جهت کنترل آلودگی و از همه بهتر جایگزینی انرژی تجدید شوند و پاکیزه به جای انرژی های آلاینده و تجدید ناشونده شاید بتوان آینده ای پاک را برای انسانها به ارمغان آورد.

با پیدایش نوآوریهایی در زمینه تولید انرژی مناسب برای هر کار خاص می توان مانع از ضایعات زیست محیطی و آلودگی هوا و … شد. احتراق سوختهای فسیلی موجب ورود حجم عظیمی از اکسیدهای سولفور، نیتروژن، مونوکسیدکربن و دی اکسید کربن در هوا می شود. میزان انتشار آلاینده ها فوق به ترتیب به نوع سوخت و همچنین مکانیزم های بکار گرفته شده در کنترل آلودگی بستگی دارد. آلودگی هوا می تواند به شکل مه- دود، باران اسیدی و ذرات معلق پدیدار گردد. واکنش های هیدروکربن ها و اکسیدهای نیتروژن در حضور تشعشعات فرابنفش موجب تولید ترکیبات سمی می گردد که در نهایت سلامتی و حیات انسان، جانوران و به طور کلی اکوسیستم را در معرض خطر قرار خواهد داد.

3-4-1- اثرات گلخانه ای

از بعد دیگر سوختهای فسیلی موجب بالا رفتن درجه حرارت اتمسفر و افزایش میزان در دراز مدت شاهد افزایش درجه حرارت کره زمین، ذوب یخهای قطبی، بالا آمدن سطح آبها، به زیر آب رفتن مناطق ساحلی خواهیم بود. چنانچه گفته شد در دهه های اخیر همگام با صنعتی شدن جوامع پیشرفت های سریع تکنولوژی به علت استفاده بیش از حد از منابع انرژی تجدید ناپذیر (سوختهای فسیلی)، بشر به فکر دستیابی به منابع بهتر و مطلوبتر انرژی افتاده است. در این بخش ما به انرژی تجدید پذیر باد می پردازیم.

5-1 اهمیت و لزوم بکارگیری انرژی باد از بعد اقتصادی

بازارانرژی یک بازار رقابتی است که در آن تولید برق در نیروگاههای بادی در مقایسه با نیروگاه های سوختهای فسیلی برترهای نوینی را پیش روی کاربران قرار داده است. از برتریهای نیروگاه بادی اینست که در طول مدت زمان، عمر خود، سالهای زیادی را بدون نیاز به هزینه سوخت، تولید خواهد کرد. در حالیکه هزینه دیگر منابع تولید انرژی در طول این سالها افزایش خواهند یافت. فعالیت های گسترده بسیاری از کشورهای جهان برای تولید الکتریسته از انرژی باد، سرمشقی برای دیگر کشورهایی است که در این زمینه راه درازی را در پیش دارند. بسیاری از مناطق اقتصادی در حال رشد در منطقه آسیا واقع شده اند. و اقتصاد رو به رشد کشورهای آسیایی از جمله ایران باعث شده تا این کشورها بیش از پیش به تولید الکتریسته احساس نیاز کرده و اقدام به تولید الکتریسته از منابع غیر فسیلی کند. افزون بر این موارد؛ نبود شبکه برق سراسری در بسیاری از بخش های روستایی نیز مهر تاییدی بر سیستم های تولید انرژی زده است. پس در خصوص دورنمای آینده اقتصادی استفاده از انرژی باد در ایران می بایست گفت استفاده از این انرژی موجب صرفه جویی فرآورده های نفتی به عنوان سوخت می شود. صرفه جویی حاصل در درجه اول موجب حفظ فرآورده های نفتی گشته که امکان صادرات و مهم تر اینکه تبدیل آن به مشتقات بسیار زیاد پتروشیمی با ارزش افزوده بالا را فراهم می سازد. در درجه دوم تولید الکتریسیته از این انرزی فاقد هر گونه آلودگی زیست محیطی بوده که همین عامل کمک شایانی به حفظ طبیعت سالم محیط زیست بشری کرده و در نتیجه مسیر برای نیل به توسعه پایدار اقتصادی اجتماعی فراهم می گردد. گسترش نیروگاه های بادی در راستای کاهش بهای تمام شده برق تولیدی افزایش چشم گیری نشان می دهد. به گونه ای که بهای هر کیلووات ساعت برق تولیدی از 40 سنت در سال 1990 به حدود 6 سنت در سال 2002 رسیده است. عدم مصرف سوخت، هزینه کم راهبری، تعمیر و نگهداری و آلوده نکردن محیط زیست از مزایای نیروگاه های بادی است. لازم به ذکر است به طور متوسط برای هر کیلووات ساعت برق تولیدی نیروگاه بادی حدودا 28/0 متر مکعب گاز طبیعی با آهنگ جهانی 4 سنت بر متر مکعب صرفه جویی می شود.