Design and development of a robotic fish tracking vehicle

Abstract

Posisjonering av akustiske fiskemerker (tags) over tid er ønsket til bruksområder som å spore fiskers vandring gjennom fjorder. Bruken av autonome fartøy utstyrt med akustiske mottakere har i de senere årene dukket opp i forskning som et lovende alternativ for å samle inn slik data. Denne avhandlingen beskriver utviklingen av et system bestående av flere små overflatefartøy som er designet for å kunne spore enkeltfisk over tid. Konseptet er basert på å sammenligne tidspunktene hvert fartøy detekterer et signal sendt fra fiskemerket, og ved det gi et estimat på dets posisjon. Ved å plassere fiskemerket på fisken blir dette dermed et estimat av fiskens posisjon. Videre skal fartøygruppen i formasjon følge estimatet for å spore fiskens vandring over tid.

For å kunne operere autonomt må fartøyet ha kunnskap om miljøet det opererer i. Dette blir i denne avhandlingen løst ved implementasjonen av et system basert på elektroniske sjøkart og offentlig tilgjengelige dybdemålinger. Videre blir dette systemet implementert i middelvaren DUNE som kjører på fartøyet. Den tilgjengelige dataen brukes så i designet av en global stifinner og et system for å unngå grunnstøting.

Kommunikasjon mellom fartøyene i gruppen og til systemets operatør skjer gjennom et mobilt bredbåndmodem og en 5GHz AirMax radioløsning. Dette systemet blir ferdigstilt og beskrevet i denne avhandlingen, sammen med oppsettet av et virtuelt privat nettverk (VPN). Dette blir innført for å forenkle kommunikasjonen med fartøyene over Internett.

For å gjøre den innsamlede dataen lettere tilgjengelig for andre forskere, blir det så designet et nettbasert visualiseringssystem. Dette består av tre hoveddeler: En tidsseriedatabase, en applikasjon som fyller telemetri i databasen og visualiseringsløsningen Grafana. Ved å kombinere dem kan systemet visualisere all telemetri fra fartøyet i nesten sanntid gjennom et passordbeskyttet og brukervennlig grensesnitt.

Det blir også gjort forbedringer i programvareintegrasjonen til hydrofonen, sammen med beskrivelsen av oppgraderingen til den nye akustiske mottakeren fra Thelma Biotel, TB Live.

Positioning of acoustic fish tags over an extent of time is desired for purposes such as monitoring the migration of fish in fjords. The use of autonomous vehicles equipped with acoustic receivers has in recent studies been shown to be promising candidates for obtaining such data. This thesis describes the development of a multi-vessel system designed to track individual fish over extended time periods. The concept is based on using the time-difference-of-arrivals (TDOA) to provide an estimate of an acoustic fish tags position. Because the tag is attached to the fish, this can be seen as the fish position. The vessels can then follow the estimated position to track the fish over time.

To be able to operate autonomously, knowledge about vehicle surroundings is paramount. To increase the situational awareness of the vessel, a system using electronic navigational charts in combination with available depth soundings is developed. The system is then implemented in the middleware DUNE that is running on-board the vessel. Based on this system, two functions is implemented on the vessel: an anti-grounding monitor and a path planning algorithm.

For communication between vessels, and from vessel to operator, a cellular modem and a 5GHz wireless AirMax radio has been integrated to the vessel. The design is discussed and completed in this thesis, along with the addition of a virtual private network (VPN). This aims to simplify communication with the vessels over Internet.

The data collected by the Otters are made accessible by the development of an online visualization system consisting of three parts: A time-series database, a database ingester, and the Grafana online monitoring solution. Combined, they make near real-time monitoring of vessel telemetry available in a password protected online interface.

Lastly, the hydrophone software is improved upon, along with the upgrade to the new Thelma Biotel TB Live hydrophone.