Merkezi örüntü üreteci ile robot balığın üç boyutlu hareketinin akıllı denetimi
Intelligent control of three-dimensional motion of the robotic fish with central pattern generator
- Tez No: 509545
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ CAFER BAL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Fırat Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 209
Özet
Balıklar hızlı yüzebilme, ani ivmelenme ve üstün hareket kabiliyeti gibi özellikleri ile doğadaki en iyi yüzücülerdir. Balık türü bir sualtı robotu ürettiği tahrik kuvveti ile klasik pervaneli bir sualtı aracına göre daha hızlı, sessiz ve düşük güç tüketimi ile yüzebilmektedir. Bahse konu olan özellikler göstermektedir ki, çok eklemli kuyruk mekanizmasına sahip bir sualtı robot tasarımı için balıklar uygun bir biyolojik örnek olarak kullanılabilir. Bu tez çalışmasında, iki eklemli esnek kuyruk mekanizmasına sahip, üç boyutlu olarak otonom bir şekilde yüzebilen, Carangiform türü biyomimetik bir robot balık prototipi geliştirilmiş ve önerilen biyomimetik denetim yapısıyla robot balığın üç boyutlu hareketlerinin akıllı denetimi gerçekleştirilmiştir. Prototipin benzetim çalışmalarını yapmak ve denetim algoritmalarını tasarlamak amacıyla robot balığın üç boyutlu 6 Serbestlik Dereceli (SD) doğrusal olmayan matematiksel modeli elde edilmiştir. 6-SD model, robot balığın üç boyutlu uzayda hareketini tanımlamaktadır. Matematiksel modeli elde etmek için Lagrange yöntemi kullanılmış ve suyun etkilerini gerçekçi bir şekilde modellemek için kuyruğa etki eden hidrodinamik kuvvetler bulunmuştur. Robot balık prototipi gerçek bir Carangiform türü sazan balığının morfolojik özellikleri dikkate alınarak tasarlanmıştır. Prototipin hareket denetimi için Lamprey türü balıkların omurilik sinir hücrelerinden esinlenilerek tasarlanan Merkezi Örüntü Üreteci (MÖÜ) modeli kullanılmıştır. Sinirsel Lamprey MÖÜ modeli tek yönlü zincir bağlı osilatör dizilerinden oluşturulmuştur. Bu model ile robot balığın eklemlerindeki servo motorlar için gereken sürekli salınımlı, ritmik, sinüzoidal sinyaller elde edilmiştir. Robot balığın kapalı çevrim denetim yapısını oluşturmak için Lamprey duyusal sinir hücresi modeli kullanılmış ve tasarlanan iki farklı bulanık denetleyici ile prototipin Merkezi Sinir Sistemi (MSS) modeli geliştirilmiştir. Önerilen yöntemlerin doğruluğunu sınamak için robot balık prototipinin hem benzetim ortamında hem de deneysel bir havuzda açık ve kapalı çevrim analizleri yapılmıştır. Açık çevrim deneylerde, prototipin ileri yön ve dönüş hareketleri analiz edilerek robot balığın karakteristik özellikleri belirlenmiştir. Kapalı çevrim denetim yapısı ile sapma açısı, engellerden sakınarak otonom yüzüş ve engellerden sakınarak sapma açısı denetimleri için deneyler gerçekleştirilmiştir. Böylece, robot balık prototipinin karakteristik özelliklerine bağlı ileri yön ve dönüş hareketlerinin duyusal geri beslemeli kapalı çevrim denetimleri sağlanmıştır. Ayrıca, robot balığın ağırlık merkezi denetim mekanizması ile yukarı/aşağı hareketlerini sağlayan yunuslama açısının denetimi gerçekleştirilmiştir. Yapılan benzetim ve deneysel çalışmalar ile tasarlanan robot balık prototipinin üç boyutlu hareket denetimlerinin etkinliği ve başarımı gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
In nature, fish are the best swimmers with their fast swimming, instantaneous acceleration and high motion abilities. A fish-like underwater robot can swim faster, quieter and lower power consumption than a conventional propeller underwater vehicle with generated thrust force. When these features are considered, it is seen that fish have very suitable biological structure for underwater robot design with multi-link tail mechanism. In this thesis, a Carangiform type biomimetic robotic fish prototype with two-link flexible tail mechanism, which has three dimensional autonomous swimming ability, was developed and intelligent control of three-dimensional motion of the robotic fish was performed with the proposed biomimetic control structure. In order to carry out simulation studies and design control algorithms, three-dimensional 6 Degrees of Freedom (DoF) nonlinear mathematical model of the robotic fish was obtained. 6-DoF model describes the three-dimensional motion of the robotic fish. Lagrange method was used to obtain this model and hydrodynamic forces acting on the tail were calculated to derive the realistic effects of water. For the design procedure of the robotic fish prototype, morphological characteristics of a real Carangiform carp fish was adapted. Central Pattern Generator (CPG) model inspired by the spinal cord neurons of Lamprey was applied to perform locomotion control of the robotic fish. The neural Lamprey CPG model was composed of unidirectional and chain linked oscillator series. Rhythmic, oscillatory and sinusoidal output signals were obtained with this model to drive servo motors of the tail. A sensory feedback mechanism based on Lamprey neuron and two different fuzzy controllers were established to achieve the closed loop control structure of the robotic fish and Central Nervous System (CNS) was developed. In order to validate the proposed methods, open and closed loop analyzes of robotic fish prototype were performed both in the simulation environment and experimental pool. In the open loop experiments, forward and turning motions of the prototype were analyzed and characteristic features of the robotic fish were determined. In the closed loop experiments, controls of the yaw angle, autonomous swimming avoiding the obstacles and yaw angle avoiding the obstacles were performed. Thus, sensory feedback closed loop forward and turning motion controls were achieved depending on the characteristic features of the robotic fish. In addition, pitch angle was controlled to provide up/down motions with center of gravity control mechanism of the robotic fish. The effectiveness and performance of the three dimensional motions of the designed robotic fish prototype were shown with the simulation and experimental studies.
Benzer Tezler
- Biyomimetik bir yılansı robotun tasarımı ve gerçeklemesi
Design and implementation of a biomimetic serpentine robot
SERKAN KARAÇÖL
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Mekatronik MühendisliğiFırat ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ GONCA ÖZMEN KOCA
DR. ÖĞR. ÜYESİ DENİZ KORKMAZ
- Control and system identification of legged locomotion with recurrent neural networks
Tekrarlayan sinir ağları ile bacaklı lokomosyonun kontrolü ve sistem tanımlanması
BAHADIR ÇATALBAŞ
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER MORGÜL
- Dört ayaklı hidrolik tahrikli bir robotun modellenmesi ve uygulaması
Modelling and implementation of a hydraulic actuated quadruped robot
VELİ BAKIRCIOĞLU
Doktora
Türkçe
2019
Makine MühendisliğiKonya Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METE KALYONCU
- Eksik tahrikli iki bacaklı bir robotun tasarımı ve yürüyüş kontrolünün gerçekleştirilmesi
Design and gait control of an underactuated bipedal robot
ERMAN SELİM
Doktora
Türkçe
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiEge ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSA ALCI
- Çırpan Kanatlı İnsansız Hava Aracı Tasarımı ve uzaktan kontrolü
Design and remote control of a Flapping Wing Unmanned Aerial Vehicle
YALÇIN OLGAÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Savunma ve Savunma TeknolojileriFırat ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞEGÜL UÇAR