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
Yazar: DENİZ KORKMAZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ CAFER BAL
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Akıllı denetim = Intelligent control ; Bulanık denetim = Fuzzy control ; Hareket denetimi = Motion control ; Hareketli robotlar = Mobile robots ; Robot denetim = Robot control ; Yapay sinir ağları = Artificial neural networks

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.

Abstract:
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.