Identificazione e controllo di
veicoli sottomarini
La messa a punto di un preciso ed efficiente
Controllo Automatico richiede la miglior conoscenza possibile del
modello idrodinamico del veicolo sottomarino
pubblicata su "TECNOLOGIE TRASPORTI MARE" nel numero di Settembre
del 2000
per gentile concessione dell'editore e del curatore della rubrica
Gianmarco Veruggio
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I veicoli sottomarini, siano essi ROV (Remotely Operate Vehicle) o
AUV (Autonomous Underwater Vehicle), al fine di svolgere le mansioni
richieste, devono poter percorrere transetti in linea retta e a
velocità, profondità o altezza dal fondale costanti,
navigando in un ambiente difficile come quello marino. Raggiunta
un'area operativa prestabilita, devono potervi rimanere in assetto di
volo a punto fisso, come un elicottero (hovering).
Tali operazioni richiedono una grande precisione nel controllo del
moto del veicolo: per esempio, i ROV utilizzati per ricerche bentiche
(il benthos è il complesso degli organismi animali e vegetali
che vivono a contatto del fondo del mare) devono operare a pochi
centimetri di altezza dal fondale senza alterare le caratteristiche
della zona di interfaccia tra l'acqua marina ed il sedimento.
Tali elevate prestazioni nel controllo del moto devono essere
ottenute tenendo conto di moltissime variabili, che deriva no non
solo dalle caratteristiche di grande incertezza dell'ambiente
operativo marino- notoriamente difficili da modellare matematicamente
- ma anche dalle interazioni tra il processo di modellazione ed
identificazione del robot stesso altri sistemi come il suo sistema di
propulsione e le misure dei sensori.
In particolare, lo sviluppo di metodologie avanzate di
modellazione ed identificazione, avvenuto negli ultimi anni ha
consentito di ridurre l'incertezza nella conoscenza delle reazioni
del robot alle azioni propulsive esercitate. Vediamo come.
Nei ROV da lavoro il sistema di propulsione è generalmente
costituito da un insieme di propulsori ad elica distribuiti in modo
da consentire il controllo della quota e del moto del veicolo, che
deve avvenire sul piano orizzontale. Il beccheggio ed il rollio sono
spesso minimizzati dalla stabilità stessa del ROV, la cui
struttura meccanica è caratterizzata da un centro di spinta
idrodinamica situato ben al di sopra del centro di massa del
veicolo.
In generale, la spinta esercitata da un'elica è legata alla
sua velocità di rotazione da leggi fisiche ben note, ed i
coefficienti caratteristici del propulsore sono misurabili mediante
prove in tunnel di cavitazione.
Occorre notare che il rendimento di un'elica è maggiore
quando lavora in acqua libera (ovvero senza alcun ostacolo in alcuna
direzione) piuttosto che quando spinge il getto liquido contro un
qualunque oggetto, quale, ad esempio, il corpo del motore o lo scafo
del veicolo.
In questo senso, è necessario conoscere anche le
interazioni tra l'elica ed il corpo del motore, che possono essere
anch'esse misurate tramite prove in tunnel di cavitazione e che, per
particolari applicazioni, possono essere minimizzate progettando
opportunamente la meccanica del sistema.
Prove statiche in piscina per la misura della
massima forza di propulsione verticale dal basso verso
l'alto
Molto più complesso è invece modellare ed
identificare le interazioni tra i vari propulsori e tra questi e lo
scafo, quando siano montati nell'affollato telaio di un ROV.
Tali interazioni possono produrre una riduzione di spinta dei
propulsori rispetto a quella nominale anche superiore al 40%. Nelle
figure vengono mostrati alcuni momenti di un esperimento, realizzato
dal Reparto Robotica del CNR-L~N di Genova, teso a calcolare la
riduzione di spinta citata in precedenza e le correzioni necessarie
da applicare al modello dei propulsori.
Nel corso dell'esperimento, sulla base delle caratteristiche
nominali identificate in tunnel di cavitazione, i propulsori
avrebbero dovuto applicare al ROV una forza verticale di circa 40 Kgf
sia verso l'alto sia verso il basso. Come indicano le misure del
dinamometro in figura, invece, le interazioni con lo scafo hanno
provocato una riduzione di spinta di circa il 40% nella direzione
verso l'alto.
Sulla base di questi risultati .sperimentali abbiamo definito un
modello del sistema di propulsione dei ROV che include coefficienti
di installazione dei propulsori in grado di tenere conto delle
interazioni tra i propulsori e lo scafo, così come delle
riduzioni di efficienza dovute al fatto che, in particolari
configurazioni, alcuni propulsori lavorano con acqua resa turbolenta
dai loro vicini.
Per quanto riguarda quest'ultimo fenomeno sono state identificate
riduzioni di spinta rispetto a quella nominale dell'ordine del
10-20%.
Una volta note le caratteristiche del sistema di propulsione,
occorre definire ed identificare un modello delle forze idrodinamiche
agenti sul veicolo.
Nel caso dei ROV, la bassa velocità consente l'utilizzo di
modelli semplificati che descrivono il comportamento del veicolo
lungo i propri assi principali.
In ciascuna direzione di moto il modello è caratterizzato
da termini di attrito, che fanno sì che il ROV raggiunga una
velocità limite se sottoposto ad una forza costante, e da un
termine di massa aggiunta, che tiene conto del fatto che quando
accelera il veicolo non varia soltanto la propria velocità ma
anche quella della massa d'acqua che lo circonda.
Tradizionalmente i coefficienti di questi modelli vengono
calcolati a partire da quelli misurati in vasca navale su un
modellino del veicolo in scala, così come nel caso delle navi,
ma la forma non sagomata dei ROV introduce errori considerevoli
nell'operazione di scalamento.
Poiché effettuare una misura diretta dei parametri del
modello dinamico di un ROV in vasca navale comporta una logistica
molto complessa e risulta molto costoso, la ricerca si è
focalizzata sullo sviluppo di metodologie per la stima di tali
parametri (coefficienti idrodinamici e di installazione dei
propulsori) utilizzando le misure dei sensori disponibili a bordo del
veicolo durante l'esecuzione di manovre definite ad hoc.
Misura mediante sensori inclinometrici ed
accelerometrici delle prestazioni di roll e pitch del
veicolo
Ora vediamo, in maniera intuitiva, come il modello dinamico del
veicolo possa essere utilizzato al fine di controllarne il moto in
termini di precisione di manovra e rapidità di risposta ai
comandi del pilota.
Abbiamo detto che applicandovi una forza costante il veicolo
raggiunge una velocità di regime in un tempo che è
funzione dei coefficienti di attrito e della sua inerzia.
Nel caso in cui si richieda che il veicolo si muova ad una
particolare velocità, è possibile calcolare, sulla base
del modello, la forza corrispondente alla velocità di regime
desiderata.
Tale forza sarà poi distribuita sui propulsori del veicolo
tenendo conto della geometria della loro dislocazione e dei
coefficienti di installazione
In questo modo il ROV raggiungerà una velocità pari
a quella desiderata in un tempo determinato dalle proprie
caratteristiche dinamiche intrinseche.
Al fine di eliminare gli effetti degli errori di modellazione e
dei disturbi ambientali nonché ottenere una maggiore
rapidità di risposta ai comandi, è necessario
aggiungere all'azione di controllo predittiva così calcolata
una componente di retroazione, funzione dell'errore di
velocità, cioè della differenza tra la velocità
desiderata e quella misurata.
Si tratta cioè di sintetizzare un regolatore, basandosi su
una delle diverse metodologie del Controllo Automatico, in modo da
ridurre gli effetti dei disturbi e dell'incertezza nella conoscenza
del modello.
In questa sede è importante sottolineare che un modello
più preciso consente di minimizzare la componente di
retroazione dell'azione di controllo riducendo drasticamente i
consumi e la perturbazione dell'ambiente circostante a causa delle
minori variazioni nel movimento delle
eliche. Una volta disponibile un insieme di controllori delle
velocità lineari del ROV lungo i suoi assi principali e della
sua velocità angolare attorno all'asse verticale, è
possibile controllarne automaticamente l'orientazione, la
profondità o l'altezza dal fondale, e la velocità
orizzontale nonché, se le misure disponibili lo consentono, la
posizione sul piano orizzontale.
Quella brevemente descritta è pertanto una metodologia
rapida ed economica di identificazione che permette di ritoccare il
modello ogni volta che il veicolo cambia payload, od anche di
ritoccare modello nel corso della missione se cambia configurazione
del veicolo (posa o recupero strumenti, variazione di configurazione
nel corso della missione, guasto) permettendo di avere elevate
prestazioni sempre e non solo nel caso ideale previsto dal
progettista e verificato nei test di collaudo e certificazione.
