pubblicata su "TECNOLOGIE TRASPORTI MARE" nel numero di novembre
del 2000
per gentile concessione dell'editore e del curatore della rubrica
Ing. Gianmarco Veruggio
Translate with Babel Fish:
Il compito fondamentale di un ROV (Remotely Operated Vehicle)
è quello di consentire ad un operatore in superficie di
interagire con l'ambiente sottomarino.
Un compito così complesso è in realtà
scomponibile in molte attività estremamente differenti.
Possiamo qui elencare le principali attività, andando da
quelle più "primitive" o fondamentali a quelle più
"evolute" o accessorie:
- controllare il funzionamento dei propulsori, mantenendo per
ciascuno di questi la spinta impostata;
- acquisire i dati dei sensori di bordo e filtrarli, per ottenere
informazioni affidabili sull'ambiente circostante il veicolo;
- gestire l'impiantistica di bordo, effettuando commutazioni di
alimentazioni o segnali e verificando il buon funzionamento degli
apparati;
- controllare l'assetto ed il movimento del veicolo, utilizzando
le letture dei sensori per stabilire le spinte da richiedere ai
propulsori. L'assetto e il movimento da mantenere sono comandi
ricevuti dai livelli superiori;
- integrare i dati dei sensori per stimare la posizione del
veicolo rispetto all'ambiente circostante;
- determinare, sulla base della posizione stimata e dei comandi
ricevuti dai livelli superiori, una sequenza di assetti e movimenti
da fare assumere al veicolo.
Non tutte queste attività sono necessariamente svolte dal
ROV, anche se la sua capacità di svolgerle fornisce un
parametro di valutazione della "qualità" del veicolo.
I compiti non eseguibili dal sistema di elaborazione del robot
rimangono a carico dell'operatore umano.
Questi dovrà, nel caso ottimale, definire il piano della
missione da svolgere, nel caso intermedio fornire orientazioni e
velocità del veicolo durante l'intera missione e, nel caso
meno evoluto, fornire in continuazione indicazioni delle spinte da
esercitare dai vari propulsori.
La potenza di elaborazione dei sistemi di calcolo attualmente
presenti sul mercato è tale che tutti i compiti descritti in
precedenza potrebbero essere svolti da un singolo calcolatore, ma
l'architettura di un ROV è per sua natura distribuita.
Infatti, essendo il veicolo lontano dall'operatore, non è
conveniente raggruppare tutte le funzioni di controllo né sul
veicolo né in superficie, perché in entrambi i casi
sarebbe necessario portare un numero enorme di connessioni lungo il
cavo.
Nel primo caso (operatore lontano dal calcolatore), bisognerebbe
far giungere all'elemento lontano dal sistema di elaborazione tutti i
collegamenti necessari ad acquisire i comandi, nel secondo (veicolo
lontano dall'unità di calcolo), i collegamenti necessari ad
attuare i comandi e acquisire i sensori.
Occorre pertanto suddividere il sistema di elaborazione,
collocandone una parte a bordo del veicolo ed una parte in superficie
e collegando i due sottosistemi con un adeguato impianto di
comunicazione.
Schema dell'architettura di un ROV
La divisione dei compiti fra il sistema sottomarino e
quello di superficie è abbastanza elastica.
Infatti se è certo che il sistema sottomarino si deve
occupare di controllare i propulsori, acquisire i sensori e
controllare gli impianti di bordo ed è altrettanto assodato
che il sistema di superficie deve acquisire i comandi dell'operatore
e presentargli la situazione del veicolo, i vari compiti di controllo
della guida (mantenimento delle grandezze cinetiche e dinamiche) e di
controllo della navigazione (raggiungimento dei punti della
traiettoria) possono risiedere sia nell'unità sottomarina sia
in quella di superficie.
Un parametro che orienta nella decisione sulla distribuzione dei
compiti è la capacità del sistema di comunicazione
adottato: se il canale è veloce, si può scegliere di
tenere un maggior numero di compiti nell'unità di superficie,
in quanto molte attività in superficie implicano molti comandi
da inviare lungo il cavo; se invece il canale è lento conviene
allocare più attività sul sistema sottomarino, inviando
solo pochi comandi di alto livello dalla superficie.
Tratteremo ora il sistema sottomarino e il sistema di
comunicazione, mentre il sistema di superficie costituirà
materia di un prossimo articolo.
Il sistema sottomarino viene generalmente realizzato
utilizzando sistemi di elaborazione di tipo industriale, su schede
singole raccolte su un "bus".
I tipi di processore più utilizzati sono i Motorola (68000
e Power PC), gli Intel (Pentium vari) ed i processori Sparc della
SUN.
Le famiglie Motorola utilizzano in prevalenza il bus VME, mentre
per gli Intel si usa una combinazione di ISA e PCI (come i PC da
scrivania) o il più robusto ed affidabile Compact PCI.
Una certa preferenza viene data alla combinazione Motorola/VME,
non tanto per ragioni di velocità di elaborazione, quanto per
il fatto che tale sistema offre una maggior possibilità di
collegamento dei vari dispositivi di ingresso/uscita, caratteristica
molto apprezzabile quando si ha, come nel caso di un ROV, un gran
numero di attuatori e sensori da controllare.
Qualunque sia l'architettura di elaborazione scelta, il sistema
sarà comunque dotato di ingressi e uscite sia analogiche che
digitali, di linee di comunicazione seriali e, quasi sicuramente, di
una interfaccia di rete.
I programmi che si utilizzano nell'unità sottomarina,
così come nelle altre unità di superficie, sono
sviluppati direttamente dai costruttori del ROV: non esistono
"pacchetti software" per il controllo di un robot sottomarino!
Questi programmi girano su sistemi operativi di tipo "real-time",
quali Vx Works, Linx OS o Solaris.
Decisamente inadeguati sono invece sia Unix che Windows, in quanto
entrambi mancano della dote principale del "real-time", cioè
la capacità di reagire ad un evento esterno in un tempo
ridotto e garantito: chiunque ha avuto occasione di sperimentare le
momentanee "assenze" di Windows, momenti in cui il calcolatore si
attarda per eseguire compiti non direttamente collegati ai comandi
dell'utente e non dà risposta agli ingressi di mouse e
tastiera.
Sarebbe sicuramente poco piacevole se uno di questi momenti di
"assenza" si verificasse mentre il veicolo si sta dirigendo verso uno
scoglio o peggio, mentre sta risalendo in prossimità delle
eliche della nave appoggio!
Il sistema di superficie, molto spesso viene ulteriormente
ripartito su più calcolatori.
Vedremo nel prossimo articolo i motivi e le modalità di
questa divisione.
Alla luce della molteplicità di unità di
elaborazione presenti nel sistema di controllo di un ROV, il sistema
di comunicazione acquista un'importanza notevole.
Le varie unità di superficie sono connesse tra loro da una
LAN (Local Area Network), normalmente Ethernet, e così quelle
interne al veicolo.
Il collegamento tra le due reti è ovviamente legato al tipo
di cavo utilizzato per la connessione.
Una prima distinzione si può fare tra collegamento seriale
e collegamento LAN.
Nel primo caso sarà sufficiente una coppia di doppini in
rame, su cui trasmettere un segnale seriale.
Tranne i casi più semplici di veicoli per basse
profondità, il cavo avrà comunque una lunghezza minima
di alcune centinaia di metri, per cui sarà necessario
l'utilizzo di una coppia di modem in banda base.
Una restrizione legata al collegamento seriale è che questo
si realizza tra una coppia di calcolatori, per cui bisognerà
identificare i due elaboratori agli estremi del cavo responsabili
delle comunicazioni e poi dotarli di programmi dedicati alla
distribuzione dei dati trasmessi alle altre unità presenti in
superficie o nel veicolo.
Nel caso invece si utilizzi una LAN, le comunicazioni possono
diventare più "democratiche": le varie unità possono,
se necessario, comunicare liberamente, stabilendo connessioni tra una
qualsiasi unità di elaborazione di superficie ed una qualsiasi
unità sottomarina.
Realizzare però una LAN attraverso il cavo richiede, nel
caso di doppini in rame, l'aggiunta ai modem in banda base, comunque
necessari, di una coppia di bridge/router che realizzino il trasporto
dei pacchetti di rete attraverso il cavo, in maniera analoga alla
connessione di due uffici di una stessa organizzazione attraverso una
linea telefonica.
Le velocità ottenibili con questa soluzione sono al massimo
di 2 MBps.
Volendo ottenere maggiori velocità sulla comunicazione, si
rende necessario il passaggio alla fibra ottica.
In questo caso alla fibra ottica va collegata una coppia di
multiplexer che realizza, dal punto di vista LAN, una connessione a
10 MBps, completamente compatibile con le tipiche connessione tra
computer di ufficio o laboratorio.
