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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

di Massimo Caccia

Ricercatore del Reparto Robotica dell'Istituto Automazione Navale di Genova del Consiglio Nazionale delle Ricerche

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.

 

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