Implantable e-compass for fish tracking field research

Abstract

Endringer i et miljø kan ha store konsekvenser på fauna. Derfor å overvåke det før og etter menneskelig omforming, kan redusere risiko av negative konsekvenser i området. Negative konsekvenser kan inkludere reduksjon i dyrebestander, ødeleggelse av natur og reduksjon i matforsyninger fra fisking.

Kompass retning vil være nyttig i forskning på effekten av forandringer i miljøet. Forandringer i atferd av fisken etter ingeniør prosjekter, som dammer, utfyllinger, broer, etc. Den kan også bli brukt til å studere fisk i dens naturlige habitat, som hvordan de navigerer det, eller i oppdretsnæringen.

Denne oppgaven inneholder arbeid i retning målet å implementere et tilt-kompensert kompass retning, på en ultra lav-effekt fiskemerke. Som bruker en 16-bit mikrokontroller uten en flyttallenhet, og et kombinert MEMS akselerometer / magnetometer.

Hovedbidragene er å finne mulige magnetiske forstyrrelser på sensoren, og mulige løsninger på disse problemene. Som spolen som brukes i overføring, forårsaker den med sin ferrittkjerne myke jernforvrengninger hvis den plasseres nær sensoren. Dette kan avhjelpes ved å multiplisere visse retninger med en faktor funnet under kalibrering. Det er også problemet med at spolen under overføring av akustiske meldinger vil bli magnetisert i umiddelbar nærhet til sensoren, siden taggen er eksepsjonelt liten, med bare noen få millimeter ledig plass. Dette betyr at magnetiske målinger ikke bør være en under overføring for å unngå ugyldige data; Heldigvis er ikke feltet sterkt nok til å forårsake permanent magnetisering av komponentene, noe som ville ha krevd at kalibreringen skulle finne sted etter en overføring. Det er også problemet med at taggen startes og stoppes med en magnet, som lett kan magnetisere komponenter som gjør kalibrering nødvendig etter bruk; Dette er upraktisk, så andre start/stopp-metoder må kanskje utvikles.

Videre må det finnes en løsning på problemet med at merket ikke er på linje med retningen til fisken; På grunn av at den er løs i magehulen til fisken. Denne rapporten presenterer en løsning ved å bruke foroverakselerasjonen til fisken, basert på akselerasjonsdata fra gjedder, for å korrigere små avvik for å være mer på linje med fisken. En orienteringspresisjon på ±4,5° ble funnet, men siden det ikke er noen hard referanse å sammenligne med, kan nøyaktigheten ikke bestemmes, kun den relative presisjonen.

Ved å kombinere dette med magnetometerresultatene funnet i forprosjektrapporten på ±3°, bør det komplette kompasssystemet ha en kursnøyaktighet på ca. ±7,5°, høy nok til å være nyttig i forskning.

Changes in an enviroment can have a huge effect on wildlife. Therefore monitoring it before and after a human alteration, can reduce the risk of negative effects caused in the area. Negative effects can be reduction in wildlife populations, destruction of nature, and reduction in food supply from fishing.

The compass direction will be useful in research on the effect of changes in an enviroment. Changes in pattern of the fish after engineering projects, such as dams, innfills, bridges, etc. It can also be used for studying fish in the natural enviroment, like how they navigate it, or in the fish farming industry.

This thesis contains work towards the goal of implementing a tilt-compensated compass heading, on an ultra low-power fish tag. Using a 16-bit microcontoller with no floating point unit, and a combined MEMS accelerometer / magnetometer.

The main contributions are finding possible magnetic disturbances on the sensor, and possible solutions to those problems. Like the coil used in transmission, with its ferrite core it causes soft iron distortions, if placed near the sensor. This can be remedied by multiplying certain directions by a factor found during calibration. There is also the problem of during transmission of acoustic messages the coil will be magnetised in close proximity to the sensor, since the tag is exeptionally small, with only a few millimeters of space available. Meaning magnetic measurements should not be one during transmission to avoid invalid data; Luckily the field is not strong enough to cause permanent magnetisation to the components, which would have required the calibration to take place after a transmission. There is also the problem of the tag being started and stopped with a magnet, which can easily magnetise components making calibration necesary after use; This is impractical so other start/stop methods may need to be devised.

Furthermore solution to the problem of the tag not being inline with the direction of the fish, must be found; Due to it being loose in the stomach cavity of the fish. This report presents a solution using the forward acceleration of the fish, based on acceleration data from pikes, to correct small deviation to be more inline with the fish. A orientation precision of ±4.5° was found, but since there is no hard reference to compare aginst the accuracy can not be determined, only the relative precision.

Combining this with the magnetometer results found in the pre-project report of ±3°, the complete compass system should have a heading accuracy of ca. ±7.5°, high enough to be useful in research.