Electronic design of a free – running ship model
Serbest seyir yapabilen bir geminin elektronik tasarımı
- Tez No: 959397
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖMER KEMAL KINACI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Gemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Açık Deniz Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 77
Özet
Bu tez kapsamında, dinamik konumlandırma (DP) sistemi geliştirmesine yönelik olarak, Türk Petrolleri Anonim Ortaklığı A.Ş. tarafından işletilen bir Platform Tedarik Gemisi (PSV) olan Sancar'ın gövde formu referans alınmış ve bu amaçla özgün bir elektronik sistem tasarlanmıştır. Model, önceki örneklere benzer olarak, ahşaptan inşa edilmiş ve elektronik olarak donatılmıştır. Elektronik ve mekanik parçaların bir bütün halinde çalışabilmesi için gerekli yazılımlar İTÜ Gemi İnşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesi'nde bulunan Marine Robotics Laboratory ekibi tarafından geliştirilmiş olmasına karşın bu tez kapsamının dışındadır. Gemide iki adet pervane, iki başta iki kıçta olmak üzere toplam dört adet itici motor ve iki adet dümen içeren bir sevk sistemi bulunmaktadır. Geliştirilmesi planlanan DP sistemindeki ana motorlar, Flipsky marka, tork tabanlı çalışan ve kapalı döngü kontrol yöntemine sahip fırçasız motorlardan oluşmakta ve bu motorlar VESC sürücüleri tarafından kontrol edilmektedir. Ayrıca, geminin baş ve kıç kısımlarındaki iticiler, daha düşük güce sahip motorlarla desteklenmiştir. Gemi modeli insansız olduğundan, gemi operasyonunu yönetmek için bir kara istasyonu da tasarlanmıştır. Model geminin üzerinde bulunan elektronik sistemler ile kara istasyonu arasındaki haberleşme altyapısı, güç dağıtımı ve sinyal yönetimi detaylı olarak açıklanmıştır. Gemi, kara istasyonu ile uzaktan kumanda aracılığıyla Wi-Fi modemler üzerinden haberleşir. Geminin Wi-Fi modemi, yönsüz bir anten ile donatılmış olup, kara istasyonu ise 120 derece yönlü anten kullanmaktadır. Geminin hareket kontrolü, mikrokontrolcü aracılığıyla motor sürücülerine gönderilen kontrol sinyalleriyle gerçekleştirilir. Model üzerinde konumlandırma sistemine gerçek zamanlı veri sağlamak üzere GPS ve IMU sensörleri yer almakta, bu sensörlerin verileri ise NVIDIA AGX Orin bilgisayarı tarafından işlenmektedir. Manuel kontrol ve güvenlik önlemleri için ayrıca FlySky marka uzaktan kumanda kullanılmaktadır. Güç yönetimi için gemide iki adet 6S10P konfigürasyona sahip lityum iyon batarya bulunmaktadır. Elektronik sistemlerin ihtiyaç duyduğu güç ise DC/DC dönüştürücüler üzerinden regüle ve izole edilerek sağlanmaktadır. Bütün elektronik sistemlerin güvenli ve entegre biçimde çalışmasını sağlamak üzere merkezi bir elektronik kontrol kutusu tasarlanmıştır. Geleneksel otonom gemi modelleme çalışmalarında pervane, itici ve dümen sistemleri ayrı ayrı test edilerek dinamik özellikleri analiz edilmektedir. Bu tez çalışmasında ise, dinamik konumlandırma yeteneğine sahip bir otonom yüzey aracının geliştirilmesine yönelik ilk adım olarak pervane testleri gerçekleştirilmiştir. Testler, İTÜ Gölet'inde yapılması planlanan saha denemeleri öncesinde, Ata Nutku Gemi Model Deney Laboratuvarı'nda kontrollü koşullarda yürütülmüştür. Bu testler sırasında farklı pervane hızlarındaki performansı analiz edilerek; hız, itme kuvveti ve enerji tüketimi gibi temel parametreler ölçülmüştür. Elektronik sistem, bu test süresince motor sürücüleri ile mikrodenetleyici arasındaki sinyal iletimini kararlı bir şekilde sağlamış; sistemin gerçek zamanlı çalışabilirliği başarıyla gözlemlenmiştir. Elde edilen veriler, pervane devri ile gemi hızı arasındaki ilişkiyi ortaya koymuş ve elektronik kontrol altyapısının güvenilirliğini test etmek açısından önemli bir temel oluşturmuştur. Bu veriler, ileri aşamalarda geliştirilecek olan konumlandırma ve yönlendirme sistemlerinin hem elektronik entegrasyonu hem de kontrol algoritmalarına yönelik yapıların kalibrasyonu için değerli girdiler sunmaktadır. Böylece bu çalışma, sadece hareket performansı değil, aynı zamanda elektronik tasarımın doğrulanması açısından da bütünsel bir değerlendirme imkânı sağlamıştır. Gelecek çalışmalarda, sistemin dümen dinamiklerini ortaya çıkarmak amacıyla kontrollü deneysel ortamlarda dümen testleri yapılacaktır. Bu testlerin sonucunda, pervane sistemi için tasarlanan kontrolörden bağımsız olarak dümen sistemi için özel bir kontrolör tasarımı gerçekleştirilecek; bu kontrolörün yapısı ve kazanç değerleri dümen performansına göre ayrı ayrı belirlenecektir. Tahrik ve dümen sistemi kontrolünün beraber sağlandığında, zor deniz durumlarında dahi yol izleme ve manevra kabiliyetinde etkili sonuçlar vermesi beklenir. Bu çalışmada elde edilen bulguların, küçük ölçekli gemi modelleri için tam otonom kontrol mimarisinin modüler ve yinelemeli geliştirilmesine önemli katkılar sağlayacağı düşünülmektedir. Bu çalışma, otonom gemi sistemlerinin temelini oluşturan elektronik altyapının tasarımına odaklanmakta olup, geliştirilen sistem; yalnızca mevcut kontrol ve haberleşme ihtiyaçlarını karşılamakla kalmayıp, aynı zamanda gelecekteki ileri seviye yapay zekâ uygulamalarına da entegre edilebilecek esnek bir yapı sunmaktadır. Bu sayede, daha gelişmiş sensör entegrasyonları ile birlikte Pekiştirmeli Öğrenme, Bulanık Mantık ve Yapay Sinir Ağları gibi modern yapay zekâ algoritmalarının uygulanmasına uygun bir elektronik ortam hazırlanmaktadır. Sistem, dinamik çevre koşullarına uyum sağlayabilecek, çoklu veri kaynaklarından anlamlı bilgi çıkarımı yapabilecek ve karar destek mekanizmalarını akıllı hale getirebilecek bir donanımyazılım bütünlüğü sağlamaktadır. Böylece, yalnızca konumlandırma ve yön kontrolü değil, aynı zamanda çevresel farkındalık, engel tespiti ve adaptif görev yönetimi gibi yüksek seviye otonom fonksiyonların elektronik olarak desteklenmesine olanak tanımaktadır. Tasarımı yapılan elektronik sistem, modüler yapısıyla farklı görev senaryolarına ve sensör ihtiyaçlarına kolaylıkla adapte olabilmekte, böylece sistemin genişletilebilirliğini ve uzun vadeli kullanılabilirliğini artırmaktadır. Donanım katmanında kullanılan mikrodenetleyici tabanlı yapı, yüksek hassasiyetli veri alımı ve gerçek zamanlı işleme kapasitesiyle yapay zekâ algoritmalarının hızlı ve doğru çalışmasına zemin hazırlamaktadır. Bu kapsamda, haberleşme arayüzleri, güç yönetim devreleri ve sensör entegrasyon modülleri gibi alt bileşenler sistemin performansını artıracak şekilde optimize edilmiştir. Elektronik sistemin genel tasarımı, hem enerji verimliliğini gözetmekte hem de çevresel dayanıklılığı artıracak şekilde arttıracak şekilde yapılandırılmıştır. Ayrıca, sistemde kullanılan modüllerin yazılım ile senkron çalışması, hata toleransını yükselterek kararlılığı sağlamaktadır. Sonuç olarak, bu elektronik altyapı yalnızca günümüz ihtiyaçlarına cevap vermekle kalmayıp, aynı zamanda gelecekte geliştirilecek otonom deniz araçları için ölçeklenebilir, güvenilir ve yüksek performanslı bir temel oluşturmaktadır. Gerek akademik araştırmalar gerekse endüstriyel uygulamalar açısından değerlendirildiğinde, bu sistemin otonom denizcilik teknolojilerinde sürdürülebilir ve stratejik bir çözüm sunduğu söylenebilir. Sistem mimarisinin modüler yapıda tasarlanmış olması, yeni sensörlerin, yazılımların ve kontrol algoritmalarının entegrasyonunu kolaylaştırmaktadır. Bu yönüyle, hem araştırma laboratuvarlarında deneysel çalışmalara hem de endüstriyel ürün geliştirme süreçlerine entegre edilebilecek esnekliğe sahiptir. Sistemin açık donanım ve açık yazılım mimarilerine uyumlu olacak şekilde tasarlanmış olması, günümüz teknoloji ekosisteminde oldukça önemli bir avantaj sunmaktadır. Bu tür açık yapılar, sistemin yalnızca belirli markalara veya tescilli teknolojilere bağımlı kalmadan çalışabilmesini sağlamakta, farklı donanım platformları ve yazılım altyapılarıyla sorunsuz entegrasyonunu mümkün kılmaktadır. Söz konusu mimari esneklik, özellikle farklı ölçeklerdeki projelerde, araştırmalarda veya endüstriyel uygulamalarda sistemin kolayca yeniden yapılandırılmasına imkân tanımaktadır. Donanım ve yazılım bileşenlerinin modüler şekilde tasarlanmış olması, kullanıcıların kendi ihtiyaçlarına uygun olarak belirli birimlerde değişiklik yapabilmesine ve sistemin fonksiyonelliğini artırmasına olanak vermektedir. Bu yapının sağladığı teknik esneklik, özellikle üniversiteler ve araştırma kurumları için büyük bir fırsat oluşturmaktadır. Akademisyenler ve araştırmacılar, sistemin açık yapısı sayesinde kendi özgün algoritmalarını entegre edebilmekte, deneysel çalışmalarını doğrudan gerçek donanım üzerinde gerçekleştirme şansına sahip olmaktadır. Bu durum, hem yüksek lisans ve doktora düzeyindeki projelerde hem de ulusal ve uluslararası Ar-Ge faaliyetlerinde özgürlük ve yaratıcılığı desteklemekte, akademik üretkenliği artırmaktadır. Ayrıca, açık kaynaklı sistemlerin geniş kullanıcı toplulukları sayesinde oluşan bilgi paylaşımı ortamı, yazılım geliştirme ve sistem entegrasyonu süreçlerini hızlandırmakta ve kullanıcıların karşılaştığı sorunlara daha hızlı çözümler bulunabilmesine olanak tanımaktadır. Sanayi açısından bakıldığında, açık mimariye sahip sistemler ürün geliştirme süreçlerinde önemli ölçüde esneklik sağlamaktadır. Özellikle küçük ve orta ölçekli işletmeler (KOBİ'ler), bu sistemleri kullanarak yüksek maliyetli tescilli çözümler yerine, daha erişilebilir ve özelleştirilebilir platformlar üzerinde Ar-Ge çalışmalarını sürdürebilmektedir. Böylece, firmalar hem ürün çeşitliliğini artırmakta hem de daha kısa sürede pazara çıkabilecek prototipler ve nihai ürünler geliştirme imkânı bulmaktadır. Bu da rekabet gücünün artmasına, teknolojik yeniliklerin hızla endüstriyel uygulamalara dönüştürülmesine ve ticarileşme sürecinin hızlanmasına katkı sağlamaktadır. Sistemin bu açık ve modüler yapısı, üniversite-sanayi iş birliklerinin güçlenmesinde de stratejik bir rol oynamaktadır. Akademik kurumların sahip olduğu teorik bilgi birikimi ile sanayi kuruluşlarının uygulama deneyiminin bir araya gelmesi, yerli ve milli teknoloji üretimini destekleyen sinerjik projelerin hayata geçirilmesini mümkün kılmaktadır. Ayrıca, bu tür iş birlikleri sayesinde yüksek teknolojiye dayalı ürünlerin geliştirilmesi sürecinde, ortak platformların kullanımıyla maliyetler düşürülmekte ve zaman yönetimi daha etkin yapılabilmektedir. Sonuç olarak, sistemin açık mimarilere uyumlu tasarımı; akademi, sanayi ve ticarileşme süreçlerinde önemli avantajlar sunar. Bu yaklaşım, inovasyonu teşvik eden ve teknolojik bağımsızlığı destekleyen stratejik bir adımdır. Aynı zamanda, farklı paydaşlar arasında bilgi ve kaynak paylaşımını kolaylaştırarak sürdürülebilir kalkınmaya da katkı sağlar. Açık sistemler, geleceğin iş birliğine dayalı teknoloji ekosistemlerinde kilit rol oynayacaktır.
Özet (Çeviri)
Within the scope of this thesis, the hull form of Sancar, a Platform Supply Vessel (PSV) operated by Turkish Petroleum Corporation, was taken as a reference for the development of a dynamic positioning (DP) system and an original electronic system was designed for this purpose. The model, similar to the previous examples, was constructed from wood and equipped with electronics. Although the software required for the electronic and mechanical parts to work as a whole was developed by the Marine Robotics Laboratory team at ITU Faculty of Naval Architecture and Ocean Sciences, it is outside the scope of this thesis. The ship has a propulsion system consisting of two propellers, total of four thrusters, two at the bow and two at the stern, and two rudders. The main engines in the planned DP system consist of Flipsky brand, torque-based, brushless motors with a closed-loop control method, and these motors are controlled by VESC drives. In addition, the thrusters at the bow and stern of the ship are supported by lower-power motors. Due to the ship model is unmanned, a land station is also designed to manage the ship operation. The communication infrastructure, power distribution and signal management between the electronic systems on the model ship and the land station are explained in detail. The ship communicates with the land station via Wi-Fi modems via remote control. The ship's Wi-Fi modem is equipped with a omnidirectional antenna, while the land station uses a 120-degree directional antenna. The ship's motion control is carried out by control signals sent to the motor drivers via a microcontroller. The model includes GPS and IMU sensors to provide real-time data to the positioning system, and the data from these sensors is processed by the NVIDIA AGX Orin computer. A FlySky brand remote control is also used for manual control and security measures. There are two lithium-ion batteries with 6S10P configuration on the ship for power management. The power required by the electronic systems is provided by regulating and isolating them via DC/DC converters. A central electronic control box has been designed to ensure the safe and integrated operation of all electronic systems. The designed electronic system can easily adapt to different mission scenarios and sensor needs with its modular structure, thus increasing the expandability and longterm usability of the system. The microcontroller-based structure used in the hardware layer prepares the ground for fast and accurate operation of artificial intelligence algorithms with its high-precision data acquisition and real-time processing capacity. In this context, subcomponents such as communication interfaces, power management circuits and sensor integration modules have been optimized to increase the performance of the system. The overall design of the electronic system has been structured to both consider energy efficiency and increase environmental durability. In addition, the synchronous operation of the modules used in the system with the software increases fault tolerance and ensures stability. Thanks to its modular architecture, the system allows easy upgrades and modifications without requiring a complete redesign, making it adaptable to different mission profiles and hardware configurations. This flexibility also facilitates the integration of additional sensors, control units, or communication protocols depending on the specific requirements of future applications. Moreover, the use of industry-standard components and communication protocols improves interoperability and simplifies the transition from prototype-level implementations to real-world deployments. As a result, this electronic infrastructure not only meets today's need, but also prodives scalable, reliable and high performance foundation for autonomous marine vehicles to be developed in the future. When evaluated in terms of both academic research and industrial applications, it can be said that this system offers a sustainable and strategic solution in autonomous marine technologies.
Benzer Tezler
- Gemilerde artık ısı sistemlerinin optimum işletilmesi
Optimum operation of waste heat recovery systems
ERDAL GÜLLÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN KAMİL SAĞ
- Bilgisayar ortamında tasarlanmış planlar için otomatik olarak cephe üretilmesi
Başlık çevirisi yok
BURHAN BAHÇECİOĞLU
- GPU üzerinde yazılım tabanlı anten gerçeklenmesi
Realization of software-defined antenna on GPU
ABDULLAH BAKIRTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELÇUK PAKER
- Çeşitli büyüklüklerdeki alışveriş mekanlarını aydınlatma sistemleri tasarım ilkeleri
Designing principles of lighting systems in store designs of various types
HALE İKİZLER
Yüksek Lisans
Türkçe
1996
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET Ş. KÜÇÜKDOĞU
- Characterization and commercialization of silicon and InGaAs-based single photon detectors
Silikon ve InGaAs tabanlı tek foton dedektörlerinin karakterizasyonu ve ticarileştirilmesi
ALPER ÖZÜLKER
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ KADİR DURAK