Geri Dön

Robotic fish for monitoring water pollution

Su kirliliğini denetlemek için robotik balık

PDF İndir

  1. Tez No: 714640
  2. Yazar: MOHAMMED JAVED ANSARI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MUSTAFA DOĞAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 57

Özet

Dünya yüzeyinin büyük çoğunluğu sularla kaplıdır. Okyanusun bazı kısımları o kadar derindir ki Everest Dağı bile sanki hiç yokmuş gibi o derinliklerde kaybolur. Su kaynakları, tatlı veya tuzlu, büyük veya küçük fark etmeksizin, hepsi en eşsiz ekosistemlerden bazılarına ev sahipliği yapıyor. İnsanoğlunun çok eski zamanlardan beri okyanuslara yelken açtığı bilinmektedir. Ancak son yıllarda HOV'lar, ROV'ler ve AUV'ler gibi teknolojinin gelişmesi ile birlikte robotik araçlarla okyanusun derinlerine ulaşılmak mümkün olmuştur. Bu teknolojik gelişmelere rağmen okyanusların çoğu hâlâ keşfedilmemiş durumdadır. Gerek tek hücreli bir amipten gerekse Antarktika mavi balinalarına kadar her canlı, hatta her bir bitki de dahil olmak üzere hayatta kalabilmek için suya ihtiyaç duyar. Eğer su olmasaydı, dünyamızda da şimdiye kadar bilinen diğer gezegenler gibi yaşam olmazdı. Yeryüzünde yaşamın var olduğunun anahtarı sudur. Ancak ne yazık ki su kaynaklarına atılan her bir çöp kirliliğe sebep olmakta ve uzun vadede dünya üzerindeki canlıları olumsuz etkilemekte ve tehlikeye atmaktadır. Varlığımız suya bağlı olduğundan, su kalitesini bu doğrultuda izlemek ve korumak için gerekli adımları atmak vazgeçilmezdir. Su sadece karada yaşayanlar için sürdürülebilir bir koşul sağlamakla kalmaz, aynı zamanda içindeki çok sayıda canlılar için bir yaşam alanıdır. Bu su canlıları arasında en çok bilinen türlerden biri balıktır. Bu çalışmada, yüzgeçleriyle suda nasıl ilerlediklerini ve yüzdüklerini izleyerek esinlendiğimiz balık türlerinin kısa bir incelemesi yapıldıktan sonra biyomimetik olarak suda gezebilen ve dahili sensörler ile belirli okumalar yapabilecek robotik bir balık tasarlanmıştır ve su kirliliği ölçmek için kullanılmıştır. Bu şekilde elde edilen sensör okumaları suyun kalitesini ve durumunu izlemek için kullanılabilir. Buradaki robotik balık, bir balığın hareket davranışlarını taklit ederek suda yüzmeye çalışmaktadır. Bu çalışma 5 farklı bölümden oluşmaktadır. Bölüm 1, tüm fikrin kısa bir girişini ve balıkların yüzme davranışlarına göre sınıflandırılmasını sağlamaktadır. Balıklar yüzgeçlerini kullanarak suda yüzerler. Yüzgeçlerini, kendilerini ileriye doğru iten bir itici güç üretmek için kullanırlar. Yüzmek için balığın hangi kısmını kullandığı ve nasıl titreştiğine bağlı olarak balıklar farklı sınıflara ayrılabilir. Bu sınıflandırmalar balıkları daha iyi bir şekilde incelemeye yardımcı olur. Çeşitli gerekçeler temelinde ayrıntılı bir sınıflandırma bu bölümde daha ayrıntılı olarak tartışılmaktadır. Balıkları sınıflandırmak için yaygın bir yaklaşım, bir balığın yüzerken uyguladığı itme modlarına, yani itici kuvvetler oluşturmak için dalgalı veya salınımlı yöntemlere dayanmaktadır. Bu iki balık yüzme modu kategorisi, BCF (vücut ve/veya kuyruk yüzgeci) hareketi ve MPF (orta ve/veya çift yüzgeç) hareketidir. Bu tahrik modlarında ortak olan bir şey, itici kuvvet üretiminde en önemli rolü kuyruk yüzgeçlerinin oynamasıdır. Bu çalışmada“Carangiform & Fusiform”modeli taklit edilmektedir. Birinci bölüm ayrıca, çeşitli alanlardaki bazı popüler uygulamalarıyla birlikte“Biyomimetik”hakkında kısa bir açıklama vermektedir. Bu bölümün ilerleyen kısımlarında, bu çalışmanın genel uygulamasından bahsedilmiştir.Bölüm 2, benzer türden çalışmaları tartışır. Aynı zamanda diğer benzer çalışmalarda kullanılan yöntemleri de içermektedir. Kuyruk yüzgeci tahrik mekanizması tekli, çoklu veya uyumlu tipte olabilir. Kuyruk yüzgecinin yüzme ve manevra yapmada en önemli rolü oynadığı zaten biliniyor. Kuyruk yüzgecini balığın gövdesine bağlayan eklemin sertliği de verimli yüzme için eşit derecede önemlidir. Diğer benzer çalışmalardan farklı olarak Turfi, yumuşak kuyruk yüzgeci ile tek eklem yöntemi kullanır. Turfi'nin dış gövdesi SolidWorks kullanılarak tasarlanmıştır. Tasarlanmış 3D model daha sonra bir 3D yazıcı kullanılarak basılmıştır. Turfi'nin dış gövdesi tasarlanırken 2 aşamalı yapılmıştır. İlk aşamada tüm elektronik komponentler (SD kart modülü, pil, sensörler, işlemci ve sürücü devreleri dahil) ve motorlar birlikte çalışacak şekilde entegre edilmiştir. Göğüs yüzgeçleri, Turfi'nin manevra yapmasına yardımcı olan mikro servo motorlar kullanılarak kontrol edilir ve kuyruk yüzgeci, bir indirgeme mekanizmasına bağlı bir DC motor kullanılarak tahrik edilir. Turfi'nin diğer yarısı ise arka kuyruğu ve bunun dc motor vasıtasıyla kuyruk yüzgecinde salınım hareketini yaratan mekanizmasıdır. Kuyruk yüzgeci tahrik mekanizması, DC motorun dönme hareketini salınımlı harekete dönüştürür. Ön muhafaza parçası, sertliği nedeniyle Polilaktik Asit (PLA) kullanılarak 3D olarak basılmıştır. Arka, yani kuyruk yüzgeci, Termoplastik Poliüretan (TPU) kullanılarak yapılmıştır. TPU en iyi esneklik ile bilinir. Kuyruk yüzgecinin TPU ile yapılması, kuyruk yüzgecine yumuşak ve esnek bir yapı kazandırarak, tahriki dalgalı ve pürüzsüz hale getirir. İşlemci olarak kullanılan ESP32 de bir WiFi modülü ile gömülüdür. ESP32, bir Async WiFi sunucusu oluşturmak üzere programlanmıştır. Eşzamansız sunucu, Turfi'nin okumaları almasına ve çevrimdışıyken bile bir SD kartta saklamasına izin verir. Su üstünde bağlandığında, toplanan tüm verileri bir kerede teslim edebilir. Bu, Turfi'nin baz istasyonuna olan bağlantısından bağımsız olarak gezinmesine ve veri toplamasına yardımcı olur. Turfi, su altında gezinirken sensör okumalarını alır ve bir SD karta kaydeder. Navigasyonun tamamlanmasından sonra Turfi yeniden yüzeye çıkar ve WiFi kullanarak baz istasyonuna bağlanır ve navigasyon sırasında yapılan tüm okumaları gönderir. Turfi daha sonra. Bu okumalara ESP32 tarafından sağlanan bir IP kullanılarak erişilebilir. Bu ayrıntılar Bölüm 3'te tartışılmaktadır. Bu çalışma ilerledikçe, Turfi'nin farklı görevleri yerine getirmek için çeşitli şekillerde programlanabileceği görüldü. 4. Bölümde iki farklı testin sonuçlarına yer verilmiştir. İlk testte Turfi, belirli bir derinlikte (yani 20 cm) okumalar alacak şekilde programlandı. Derinlik sensöründen alınan okumalara dayalı olarak derinliği izlemek için Brett Beauregard'ın PID Kitaplığını kullanan bir PID denetleyicisi kullanıldı. İkinci test, Turfi'nin sola ve sağa dönüşler yapması talimatının verilmesi dışında birincisine benzerdi. 5. Bölüm, su altında çok kanatlı hareketin karmaşıklığını tanımlayarak bu çalışmayı sonlandırıyor. Ayrıca, daha fazlasını başarmak için Turfi'nin nasıl geliştirilebileceğini de kısaca açıklar. Turfi'ye su altında kayıt yapmak için kamera, pH, oksijen seviyesi, tuzluluk vb. ölçmek için sensörler gibi yükseltmeler eklenebilir. Bu sensörler Turfi'nin su altında daha detaylı izlemesine yardımcı olabilir. Bu bölümde ayrıca bir çıkış mekanizması önerilmiştir. Çıkış mekanizması, pilin belirli bir seviyenin altında olması durumunda veya navigasyon tamamlandığında Turfi'nin yeniden yüzeye çıkmasına yardımcı olacaktır. Bir kez tepesinde, Turfi'nin nerede olduğu GPS kullanılarak bilinebilir. Daha önce de benzer nitelikte çalışmalar yapılmıştır. Ancak çoğu, bir balığın yüzme davranışının tanımlayıcı bir analizine ve ardından onu uygulamaya odaklanma eğilimindedir. Bu çalışmada, gerekli okumaları yapmak için sensörler eklenerek kapsam biraz genişletildi. Bu proje üzerinde çalışırken, önceki çalışmalardakine benzer büyük bir engel, yani kablosuz olarak iyi iletişim kurma kısıtlaması yaşandı. Bu yaklaşımda Turfi'ye belirli bir navigasyon rotasını izlemesi talimatı verilir. Turfi, su altında seyrederken sensör okumalarını da bir SD kartta saklar. Bu veriler WiFi üzerinden Turfi'den kablosuz olarak alınabilir. Böylece elde edilen veriler daha sonraki işlemler için kullanılabilir.

Özet (Çeviri)

The vast majority of the earth's surface is covered by water. Some parts of the ocean are so deep that even Mount Everest would be lost into them as if it never existed. Water bodies, irrespective of fresh or salty, big or small, all of them host some of the most unique ecosystems. Mankind is known to have set its sails into the oceans for time immemorial now. But it has only been possible in recent years that they have dived inside by the means of HOVs, ROVs, and AUVs. And still, most of it remains unexplored. Every living thing from a unicellular amoeba to Antarctic blue whales including every single plant needs water to survive. Otherwise, the earth would be as barren as any other planet known so far. The key to fact that life exists on the earth is water. But unfortunately, the amount of garbage of all kinds being dumped into the sources of water pollutes them and in a long run adversely affects and endangers the living things on planet earth. As our very existence depends on water, it's indispensable to monitor and take essential steps to preserve the water quality accordingly. Not only does water avail a sustainable condition for the terrestrial inhabitants, but also is a habitat to a huge number of species within. One of the most well-known species among these aquatic animals is fish. In this work, a brief study of types of fishes along with their structural definition is carried out to determine how they propel and swim in the water with their fin and then eventually use the discoveries to biomimetically design and implement a robotic fish capable of exploring water and taking certain readings with inbuilt sensors. The thus obtained readings can be used to monitor water. The robotic fish here tries moving in the water replicating the motion behaviors of a fish. This study consists of 5 different parts. Chapter 1 provides a brief introduction of the whole idea and the classification of fish according to their swimming behavior. Fishes swim in the water using their fins. They use their fins to produce a propulsive force that pushes them forward. Depending upon which part of the fish and how it pulsates fishes can be categorized into different classes. These classifications help study fishes better. A detailed categorization on the basis of various grounds is further discussed in this chapter. A common approach to classify fishes is based on the modes of propulsion that a fish applies while swimming i.e. whether undulatory or oscillatory methods of generating propulsive forces. These two categories of fish swimming modes are BCF (body and/or caudal fin) locomotion, and MPF (median and/or paired fin) locomotion. A thing common in these modes of propulsion is that the caudal fins play the most important role in producing the propulsive force generation. In this study, a“Carangiform & Fusiform”model has been adapted for replication. The first chapter also gives a brief description of“Biomimetics”along with some of its popular applications in various fields. Later in this chapter, the overall implementation of this work has been mentioned. Chapter 2 discusses works of a similar kind. It also comprises the methods used in other similar works. The caudal fin drive mechanism can be of single, multiple, or compliant type. It is already known that the caudal fin plays the most important role in swimming and maneuvering. And the stiffness of the joint that connects the caudal fin to the body of the fish is equally important for efficient swimming. Unlike other similar works, Turfi uses a single joint method with a soft caudal fin. The outer cover of Turfi was designed using SolidWorks. The 3D model was later printed using a 3D printer. The outer body of Turfi was divided into 2 halves while designing. The first half enclosed all the electronics (including the SD card module, battery, sensors, processor, and driver circuits) and the motors. The pectoral fins are controlled using micro servo motors that help Turfi in maneuvering and the caudal fin is driven using a dc motor attached to a reduction mechanism. The other half of Turfi is the caudal tail and its mechanism that creates the oscillatory motion in the caudal fin by the means of the dc motor. The caudal fin drive mechanism converts the rotary motion of the dc motor to oscillatory motion. The front enclosure part was 3D printed using Polylactic Acid (PLA) because of its stiffness. The posterior i.e., the caudal fin was made using Thermoplastic Polyurethane (TPU). TPU is best known for flexibility. Making the caudal fin with TPU gives the caudal fin a soft and flexible structure thus making the propulsion wavy and smooth. The ESP32 used as the processor is also embedded with a WiFi module. ESP32 is programmed to create an Async WiFi server. The asynchronous server allows Turfi to take the readings and store them on an SD card even when offline. And when connected can deliver all the data collected at once. This helps Turfi to navigate and collect data irrespective of its connection to the base station. Turfi while navigating underwater takes the sensor readings and stores them into an SD card. After the completion of navigation, Turfi resurfaces and connects with the base station using WiFi and sends all the readings made during the navigation. Turfi later. These readings can be accessed using an IP provided by ESP32. These details are discussed in Chapter 3. As this study progressed further it was seen that Turfi can be programmed in various ways to accomplish different tasks. In the 4th Chapter, the results of two different tests are included. In the first test, Turfi was programmed to take readings at a certain depth (i.e., 20cm). A PID controller using PID Library by Brett Beauregard was used to track the depth based on the readings from the depth sensor. The second test was similar to the first one except that Turfi was instructed to take left and right turns. 5th Chapter concludes this work by describing the complexity of multi-fin locomotion underwater. It also briefly explains how Turfi can be developed in order to accomplish further. Upgrades such as a camera to record underwater, sensors to measure pH, oxygen level, salinity, etc. can be attached to Turfi. These sensors can help Turfi monitor underwater in a more detailed way. An exit mechanism is also proposed in this section. The exit mechanism would help Turfi resurface in case the battery is below a certain level or once the navigation is complete. Once atop, the whereabouts of Turfi can be known using GPS. There have been works of similar nature done priorly. But most of them tend to focus on a descriptive analysis of the swimming behavior of a fish and then replicating it. In this work, the scope has been slightly widened by adding the sensors to make required readings. One major hindrance similar to the ones of previous works i.e., limitation to wirelessly communicate well is experienced while working on this project as well. Thus, a different approach is applied in this study. In this approach, Turfi is instructed to follow a certain navigation route. While navigating underwater, Turfi also stores the sensor readings on an SD card. These data can be retrieved wirelessly from Turfi over WiFi. Thus, obtained data can be used for further processing.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    726370

    Robotik kedi ve betta balık terapilerinin hemodiyaliz hastalarında fizyolojik ve psikolojik etkilerinin incelenmesi

    Investigation of physiological and psychological effects of robotic cat and betta fish therapies in hemodialysis patients

    HATİCE DEMİRAĞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    HemşirelikKaradeniz Teknik Üniversitesi

    Hemşirelik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEVİLAY HİNTİSTAN

  2. Tez No

    305574

    On the kinematic modelling of undulating fin ray for fish robots

    Balık robotların yüzgeç hareketinin kinematik modellemesi üzerine

    MELEK ERDOĞDU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    MatematikDokuz Eylül Üniversitesi

    Matematik Bölümü

    YRD. DOÇ. DR. İLHAN KARAKILIÇ

  3. Tez No

    301146

    Uzaktan kontrollü bir robot balığın tasarımı ve gerçeklemesi

    Design and implementation of a remote?controlled robotic fish

    DENİZ KORKMAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiFırat Üniversitesi

    Elektronik-Bilgisayar Eğitimi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. Z. HAKAN AKPOLAT

  4. Tez No

    804915

    Su altı yaşamının incelenmesi amacıyla kullanılacak bir robot balığın tasarımı ve üretimi

    Design and production of a robotic fish to be used for underwater research

    ÇİĞDEM DURU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Makine MühendisliğiEge Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. UTKU ŞENTÜRK

  5. Tez No

    509545

    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

    DENİZ KORKMAZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiFırat Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ CAFER BAL

Geri Dön