دانلود پایان نامه مهندسی کامپیوتر: ارتباط بین ربات های شبکه ای در موقعیت های جستجوی زیر آب

دانشگاه شاهرود

پایان نامه کارشناسی ارشد رشته مهندسی کامپیوتر

گرایش هوش مصنوعی

عنوان:

ارتباط بین ربات های شبکه ای در موقعیت های جستجوی زیر آب

استاد راهنما:

دکتر علی اکبر پویان

نام نگارنده و استاد راهنما داخل فایل اصلی موجود است

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

فهرست مطالب:

فصل اول: مقدمه و کلیات.. 1

1-1- مقدمه ای بر شبکه های حسگر بیسیم زیرآب.. 2

1-1-1- چالش های طراحی شبکه های حسگر بیسیم زیر آب.. 3

1-2- تعاریف ، فرضیات و ضرورت مسئله. 3

1-2-1- تعاریف… 4

1-2-2- فرضیات تحقیق.. 4

1-2-3- ضرورت تحقیق.. 5

1-3- هدف و نحوه رویکرد پژوهش…. 7

1-4- ساختار پایان نامه. 8

فصل دوم: ادبیات موضوع و بررسی پژوهش های مرتبط.. 11

2-1- مقدمه. 12

2-2- امواج صوتی و محدویت های آن.. 12

2-3- اجزاء شبکه حسگر بیسیم زیرآب.. 16

2-4- معماری های ارتباطی شبکه های حسگر بیسیم زیرآب.. 18

2-4-1- شبکه های حسگر زیرآبی دوبعدی ایستا برای نظارت کف اقیانوس… 18

2-4-2- شبکه های حسگر زیرآب سه بعدی ایستا برای نظارت ستونی اقیانوس… 19

2-4-3- شبکه سه بعدی با استفاده از زیرآبی های خود مختار. 20

2-5- کنترل توپولوژی.. 21

2-6- پوشش شبکه. 22

2-6-1- پوشش سراسری.. 22

2-6-2- پوشش مانعی.. 23

2-6-3- پوشش جاروبی.. 24

2-7- اتصال شبکه. 25

2-8- دستیابی همزمان به پوشش و اتصال شبکه. 26

2-9- الگوریتم ژنتیک و کاربرد آن در کنترل توپولوژی.. 28

2-9-1- مفاهیم اولیه در الگوریتم ژنتیک… 28

2-9-2- کاربرد الگوریتم ژنتیک در شبکه حسگر و کنترل توپولوژی.. 30

فصل سوم: روش پیشنهادی.. 33

3-1- مقدمه. 34

3-2- کنترل توپولوژی با هدف پوشش سراسری.. 34

3-2-1- ساختار کروموزوم ها 35

3-2-2- تابع برازندگی.. 37

3-2-3- عملگر انتخاب.. 39

3-2-4- عملگر تلفیق.. 41

3-2-5- عملگر جهش…. 42

3-2-6- تحلیلی آماری برای محاسبه میانگین درجه ی همسایگی.. 42

3-2-7- روند کلی.. 44

3-3- کنترل توپولوژی با هدف پوشش حفاظتی از یک شئ.. 45

3-3-1- تابع برازندگی.. 45

3-3-2- تحلیل آماری برای محاسبه میانگین درجه ی همسایگی.. 46

3-4- کنترل توپولوژی با هدف حفاظت از یک ورودی.. 46

3-4-1- تابع برازندگی.. 47

3-4-2- تحلیل آماری برای محاسبه میانگین درجه ی همسایگی.. 47

فصل چهارم: پیاده سازی و ارزیابی نتایج.. 49

4-1- مقدمه. 50

4-2- معرفی شبیه ساز Aqua-Sim.. 50

4-3- معرفی معیارهای بررسی کارایی سیستم.. 51

4-3-1- پوشش حجمی نرمال شده. 52

4-3-2- میانگین مسافت طی شده (ADT) 52

4-3-3- میانگین درجه ی همسایگی  (AND) 53

4-3-4- زمان استقرار (DT) 53

4-4- نتایج کنترل توپولوژی با هدف پوشش سراسری.. 54

4-4-1- آزمایش اول (به دست آوردن تعداد مناسب AUVها برای حداکثرسازی پوشش سراسری) 54

4-4-2- آزمایش دوم (مقایسه ی استفاده و عدم استفاده از میانگین درجه همسایگی) 56

4-4-3- آزمایش سوم (تاثیر از کار افتادن چند AUV) 61

4-4-4- آزمایش چهارم (تاثیر خطای مکان یابی گرهها) 66

4-4-5- آزمایش پنجم (تاثیر کاهش حرکت AUVها در هر گام) 69

4-4-5- آزمایش ششم (مقایسه روشهای پیشنهادی با روش قبلی) 71

4-5- نتایج کنترل توپولوژی با هدف پوشش حفاظتی از یک شئ.. 73

4-5-1- آزمایش اول (به دست آوردن تعداد مناسب AUVها برای محافظت شئ) 73

4-5-2- آزمایش دوم (محافظت از یک شئ) 75

4-6- نتایج کنترل توپولوژی با هدف پوشش حفاظتی از یک درگاه. 79

4-6-1- آزمایش اول (محافظت از یک درگاه) 79

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات.. 83

5-1- نتیجه گیری.. 84

5-2- پیشنهادات.. 85

فهرست منابع. 86

 

فهرست شکل ها

شکل 2-1- شبکه حسگر بیسیم زیر آب دوبعدی.. 19

شکل 2-2- شبکه حسگر بیسیم زیر آب سه بعدی.. 20

شکل 2-3-  شبکه حسگر بیسیم زیر آب سه بعدی با استفاده از AUVها 21

شکل 2-4- نمونه ای از پوشش سراسری حسگرها 23

شکل 2-5- پوشش مانعی الف)پوشش مانعی ضعیف ب)پوشش مانعی قوی.. 24

شکل 2-6-  نمونه ای از پوشش مانعی در فضای 3 بعدی.. 24

شکل 2-7- نمونه ای از پوشش جاروبی.. 25

شکل 2-8- طبقه بندی مسائل کنترل توپولوژی.. 26

شکل 2-9-  الگوی استقرار مبنی بر نوار برای رسیدن به پوشش و اتصال 2 تایی. 27

شکل 2-10- چهار الگوی استقرار معروف حسگرها در محیط. (a) شش گوشه، (b) مربع، (c) متوازی الاضلاع و (d) شبکه مثلثی (با مثلث متساوی الاضلاع). 27

شکل 2-11- فلوچارت الگوریتم ژنتیک… 30

شکل 3-1- محافظت چند AUV از یک ناحیه. 35

شکل 3-2- مدل حرکتی AUVها در فضای 3 بعدی.. 35

شکل 3-3- ساختار کروموزوم. 36

شکل 3-4- فاصله ی مطلوب یک گره از همسایگانش… 37

شکل 3-5- انتخاب به روش چرخ رولت.. 39

شکل 3-6- انتخاب به روش تورنتمنت.. 40

شکل 3-7- عملگر ترکیب دو نقطه ای.. 41

شکل 3-8- نمودار درجه میانگین همسایگی نسبت به محدوده ارتباطی  و تعداد گره ها 43

شکل 3-9- محافظت از یک شی توسط چند AUV.. 45

شکل 4-1- ارتباط Aqua-sim با سایر بسته ها در NS2. 51

شکل 4-2-  میانگین درصد حجمی به دست آمده نسبت به تعداد AUV ها در محیط.. 56

شکل 4-3- موضع گیری اولیه AUVها در محیط (آزمایش 1) 57

شکل 4-4- موضع گیری AUVها در محیط پس از اجرای شبیه سازی (الف) بدون کنترل درجه (ب) با کنترل درجه  58

شکل 4-5- نمودار پوشش حجمی نرمال شده (الف) بدون کنترل درجه (ب) با کنترل درجه. 58

شکل 4-6- میانگین درجه همسایگی نسبت به گام زمانی (الف) بدون کنترل درجه (ب) با کنترل درجه. 59

شکل 4-7- میانگین مسافت طی شده نسبت به گام زمانی (الف) بدون کنترل درجه (ب) با کنترل درجه. 60

شکل 4-8- میانگین بهترین برازندگی گره ها نسبت به گام زمانی (الف) بدون کنترل درجه (ب) با کنترل درجه  61

شکل 4-9- قرارگیری AUVها در محیط پس از شبیه سازی  (از کار افتادن چند AUV) 63

شکل 4-10-  نمودار پوشش حجمی نرمال شده نسبت به گام زمانی ( از کار افتادن چند AUV) 64

شکل 4-11- میانگین مسافت طی شده گره ها نسبت به گام زمانی ( از کار افتادن چند AUV) 64

شکل 4-12- میانگین درجه همسایگی گره ها نسبت به گام های زمانی ( از کار افتادن چند AUV) 65

شکل 4-13-  قرارگیری AUVها در محیط پس از شبیه سازی )خطای مکان یابی( 66

شکل 4-14- نمودار پوشش حجمی نرمال شده نسبت به گام زمانی  (خطای مکان یابی) 67

شکل 4-15- میانگین مسافت طی شده گره ها نسبت به گام زمانی (خطای مکان یابی) 68

شکل 4-16- میانگین درجه همسایگی گره ها نسبت به گام های زمانی (خطای مکان یابی) 68

شکل 4-17-  میانگین مسافت طی شده نسبت به گام زمانی در دو حالت ، 1=Pm و 0.7=Pm.. 71

شکل 4-18-  پوشش حجمی نرمال شده نسبت به گام زمانی زمانی در دو حالت ، 1=Pm و 0.7=Pm.. 71

شکل 4-19-  میانگین مسافت طی شده نسبت به گام زمانی (مقایسه ی روش ها) 72

شکل 4-20-  پوشش حجمی نرمال شده نسبت به گام زمانی زمانی  (مقایسه ی روش ها) 72

شکل 4-21- میانگین درصد حجمی به دست آمده نسبت به تعداد AUV ها در محیط  (محافظت از یک شئ) 75

شکل 4-22- موضع گیری AUVها در محیط پس از اجزای شبیه سازی (محافظت از یک شئ) 76

شکل 4-23- پوشش حجمی نرمال شده نسبت به گام زمانی (محافظت از یک شئ) 77

شکل 4-24-  میانگین مسافت طی شده گره ها نسبت به گام زمانی (محافظت از یک شئ) 77

شکل 4-25-  میانگین درجه همسایگی گره ها نسبت به گام های زمانی (محافظت از یک شئ) 78

شکل 4-26- بهترین برازندگی گره ها نسبت به گام زمانی (محافظت از یک شئ) 79

شکل 4-27- موضع گیری AUVها در محیط پس از اجزای شبیه سازی (محافظت از یک درگاه). الف- نمای سه بعدی ب- نمای دو بعدی   80

شکل 4-28- پوشش حجمی نرمال شده نسبت به گام زمانی (محافظت از یک درگاه) 81

شکل 4-29- میانگین مسافت طی شده گره ها نسبت به گام زمانی (محافظت از یک درگاه) 81

شکل 4-30- میانگین درجه همسایگی گره ها نسبت به گام های زمانی (محافظت از یک درگاه) 82

 

فهرست جداول

جدول 2-1- مقایسه ی سه تکنولوژی برای ارتباطات زیر آب.. 13

جدول 2-2- تاثیر فاصله پهنای باند در امواج صوتی.. 16

جدول 4-1- پارامترهای مورد نیاز در الگوریتم ژنتیک… 54

جدول 4-2- پارامترها  (به دست آوردن تعداد مناسب AUVها برای حداکثرسازی پوشش سراسری) 55

جدول 4-3- میانگین درصد پوشش حجمی نرمال شده نسبت به تعداد AUV ها در محیط.. 55

جدول 4-4- پارامترهای مورد استفاده (مقایسه ی استفاده و عدم استفاده از میانگین درجه همسایگی) 56

جدول 4-5- مقادیر حاصل از ارزیابی آزمایش مقایسه کنترل و عدم کنترل درجه همسایگی.. 60

جدول 4-6- پارامترها (تاثیر از کار افتادن چند AUV ) 62

جدول 4-7- مقادیر حاصل از ارزیابی آزمایش سوم  (از کار افتادن 4 AUV) 65

جدول 4-8- مقادیر حاصل از ارزیابی آزمایش چهارم (خطای مکان یابی) 69

جدول 4-9- پارامترها (به دست آوردن تعداد مناسب AUVها برای محافظت شئ ) 73

جدول 4-10-  میانگین درصد پوشش حجمی نرمال شده نسبت به تعداد AUV ها در محیط.. 74

جدول 4-11- پارامترها (محافظت از یک شئ) 75

جدول 4-12- مقادیر حاصل از ارزیابی آزمایش پوشش حفاظتی.. 78

جدول 4-13- پارامترها (محافظت از یک درگاه) 79

جدول 4-14-  مقادیر حاصل از ارزیابی آزمایش پوشش حفاظتی.. 82

چکیده

در سال­های اخیر استفاده از شبکه­ ­های حسگر بی­سیم زیر آب (UWSN)[1] برای بدست آوردن اطلاعات دقیق از دریاها و اقیانوس­ها توجه بسیاری از محققان را به خود جلب نموده است. در انجام ماموریت­های زیرآبی می­توان از تیمی از زیرآبی­های خودمختار[2](AUVs) استفاده نمود. این تجهیزات مجهز به انواع حسگرها جهت جمع­آوری داده در محیط زیر آب می­باشند. با استفاده از تکنیک­های هوش مصنوعی می­توان آن­ها را هوشمند نمود تا بدون نیاز به دخالت و کنترل انسانی عملیات مورد نظر خود را انجام دهند. ماموریت اصلی شبکه­های حسگر بی­سیم نظارت اهداف و کشف وقوع رویداد است. به واسطه­ی خاصیت تصادفی رویدادها و پارامترهای محیط، نقاط مورد توجه[3] در محیط، باید توسط حسگرها پوشش داده شود تا رویدادها مشاهده و گزارش داده شوند. کنترل توپولوژی مشخص­کننده­ی نحوه­ی ارتباطات حسگرها در شبکه و میزان پوشش ناحیه­ی مورد سنجش توسط حسگرها است. محیط زیر آب به صورت پویا تغییر می­کند. بنابراین در محیط­ زیرآب استفاده از رویکرد متمرکز برای کنترل توپولوژی مناسب نیست. پهنای باند ارتباطی محدود و نرخ خطای بیتی بالا در ارتباطات زیر آب می­تواند منجر به محدودیت اطلاعات کسب شده توسط آن­ها از محیط اطرافشان گردد.

در این پایان نامه، یک الگوریتم کنترل توپولوژی توزیع شده با هدف حداکثرسازی پوشش  POIها توسط AUVها، در محیط سه بعدی زیر آب ارائه شده است. این الگوریتم هر AUV را توانمند می­سازد که به صورت مستقل سرعت و جهت حرکت خود را بر اساس اطلاعاتی که از همسایگانش به دست می­آورد، تعیین نماید. کنترل توپولوژی ارائه شده بر مبنای الگوریتم ژنتیک است. هر AUV بهترین حرکت بعدی را در هر گام با اجرای الگوریتم ژنتیک به صورت مستقل به دست می­آورد. در تابع برازندگی این الگوریتم، از یک تحلیل آماری برای میانگین درجه­ی همسایگی با هدف تعیین حد بالای تعداد همسایگان یک AUV استفاده شده است. نتایج این پایان نامه نشان می­دهد، با محدود کردن تعداد همسایگان AUVها در محیط، POIها به میزان بیشتری پوشش داده می­شوند. موثر بودن الگوریتم ارائه شده با معیارهای مختلفی مانند میزان پوششPOIها، زمان استقرار[4]، میانگین مسافت طی شده [5]و میانگین درجه­ی همسایگی [6]مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج نشان می­دهد که الگوریتم ارائه شده در زمان کوتاهی به میزان مطلوبی از پوشش POIها در محیط می­رسد. همچنین نشان داده شده، شبکه­ی متشکل از AUVها، می­توانند به صورت پویا خود را با شرایط از دست دادن چند AUV وفق دهند و به حداکثر پوشش مطلوب POIها در محیط دست یابند. همچنین ابهام در تشخیص دقیق موقعیت AUV مانع همگرایی و پوشش مناسب در محیط نشده است و تنها نیاز است آنها مسافت بیشتری را تا رسیدن به همگرایی طی نمایند.

1-1- مقدمه­ ای بر شبکه های حسگر بی­سیم زیرآب
شبکه­های حسگر بی­سیم زیر آب[1](UWSN)، شبکه­ای متشکل از حسگرها هستند. این حسگر­ها در محیط زیرآب به منظور جمع­آوری داده­های محیطی قرار می­گیرند و از امواج صوتی برای برقراری ارتباط استفاده می­کنند. شبکه­ی حسگر بی­سیم زیر آب جهت بررسی آلودگی­های اقیانوس­ها، بررسی مناطق محتمل برای وجود نفت و گاز، بررسی زمین لرزه­های زیرآب، بررسی وجود ماهی­ها و مراقبت بر عبور زیردریایی­ها و شناور­ها استفاده می­شود. استفاده تیمی از زیرآبی­های خودمختار­­[2](AUVs) مجهز به حسگر، برای پیدا کردن منابع و دستیابی به اطلاعات جایگاه خود را در بسیاری از کاربرد­ها یافته است [1]، [2]، [3]. AUVها توانایی حرکت در همه­ی جهات در محیط سه بعدی زیر آب را دارند [4]. جهت دست­یابی به عملیات مورد نظر، آن­ها می­توانند برطبق برنامه­ریزی از قبل مشخص­شده عمل نمایند. این روش محدودیت­هایی از جمله عدم توانایی در روبرو شدن با حالات پیشبینی نشده، دارد. با استفاده از تکنیک­های هوش مصنوعی می­توان آن­ها را هوشمند نمود تا بدون نیاز به دخالت و کنترل انسانی عملیات مورد نظر خود را انجام دهند [5] و محدویت­های فوق را برطرف نمایند. مزایای زیادی برای استفاده از تیمی از AUVها در انجام عملیات مشخص در مقایسه با استفاده از یک AUV وجود دارد. تیم تحت تاثیر از کار افتادن یک AUV نمی­شود و یا حداقل عملکرد سیستم به تدریج کاهش خواهد یافت. زمان کلی ماموریت کاهش خواهد یافت و باعث صرفه­جویی در هزینه خواهد بود [6]. در شبکه­های حسگر بی­سیم زیر آب رسانه انتقال آب است. مناسب­ترین شیوه ارتباطی در محیط زیرآب استفاده از امواج صوتی[3] است [7]. امواج صوتی در زیرآب قابلیت شنیده شدن را دارند. صدای موج­ها، قایق­ها، کشتی­ها و غیره با وضوح مشخصی حتی در فواصل دور قابل شنیده ­شدن است. صوت در آب بسیار موثرتر از هوا حرکت می­کند. امواج صوتی برای ارتباطات زیرآب گزینه­ی بهتری نسبت به امواج الکترومغناطیسی و نوری هستند. در این شبکه­ها چالش­هایی وجود دارد که در ادامه به بررسی اجمالی آن خواهیم پرداخت.

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *