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La strumentazione per i ROV
una panoramica sulla principale strumentazione disponibile sul mercato, necessaria per dotare i Robot di un apparato sensoriale in grado di percepire l'ambiente sottomarino
di Edoardo Spirandelli
Assistente di Ricerca presso il Reparto Robotica dell'Istituto per l'Automazione Navale di Genova del Consiglio Nazionale delle Ricerche
per gentile concessione dell'editore e del curatore della rubrica l'ing. Gianmarco Veruggio
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In questo numero vorremmo rivolgere particolare attenzione alla strumentazione che normalmente viene installata su un veicolo sottomarino da lavoro (ROV per consentirne la navigazione e l'osservazione dell'ambiente. Come già visto, le difficoltà nella navigazione di un ROV nascono dal fatto che in acqua esso si muove lungo tre dimensioni, sottoposto contemporaneamente a disturbi esterni dovuti alle correnti marine, alla presenza di ostacoli e potendo contare, proprio per le condizioni ambientali, su una scarsa visibilità. E' pertanto indispensabile dotarlo di un apparato sensoriale costituito da strumenti di navigazione, sensori acustici e ottici Iniziamo dagli strumenti di navigazione quali la bussola, i vari tipi di giroscopi, gli accelerometri e gli inclinometri. La FluxGate e il modello più avanzato di bussola elettronica utilizzata dai veicoli sottomarini commerciali; il suo principio di funzionamento si basa sulla misura della distorsione che il campo magnetico terrestre induce nel proprio circuito interno. Come per tutte le bussole magnetiche, il suo grande difetto e di non essere immune ai vari campi elettromagnetici sviluppati dai propulsori e attuatori elettrici installati sul ROV nonché alla presenza di materiale ferroso nelle immediate vicinanze; nondimeno, esistono in commercio modelli digitali che, grazie alla propria elettronica di controllo o all'integrazione del segnale di un giroscopio, riescono a correggere l'errore indotto da tali disturbi. |
Gli accelerometri sono strumenti utilizzati per la misura di accelerazioni angolari e lineari e sono basati su di una tecnologia di costruzione che può essere di tipo estensimetrico o piezoelettrico. Nel primo caso viene misurata la deformazione di un sistema massa-molla mediante estensimetri che forniscono una resistenza elettrica proporzionale all'accelerazione applicata. Negli accelerometri piezoelettrici invece l'accelerazione viene misurata per mezzo di un elemento piezoelettrico, in vibrazione grazie a una frequenza di risonanza imposta da un circuito elettronico. Gli inclinometri sono strumenti per la misura di angoli di rotazione rispetto ad un asse, in questo caso impiegati per fornire la verticale del ROV. Infine i sistemi inerziali sono strumenti che contengono una certa quantità dei sensori appena descritti integrando e filtrando, sia in modalità hardware che software, le informazioni fornite da essi. Poiché in acqua, come già visto, vi è una ridotta propagazione delle onde elettromagnetiche, occorre sostituire strumenti abituali quali radar e GPS con sistemi acustici basati sulla propagazione degli ultrasuoni. Fanno parte dei sensori acustici i vari tipi di ecoscandaglio, i sonar a scansione a fascio singolo (single beam) o multiplo (multibeam) e i sonar Doppler. |
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A destra un ecoscandaglio Tritech M 200 con frequenza di lavoro 200 KHZ e range da 70 cm a 100 m. A sinistra un sonar a scansione Tritech ST-1000 con frequenza di lavoro 1.25 MHZ e range da 35 cm a 40 m |
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La velocità del suono in acqua si può ritenere quasi costante e pari circa a 1450 metri al secondo, pertanto un ecoscandaglio calcola la propria distanza da un oggetto misurando il tempo intercorso fra l'invio di un segnale acustico verso l'oggetto stesso e la ricezione del relativo eco. In commercio esistono ecoscandagli aventi differenti intervalli di funzionamento a partire da 20 cm fino a 100 m, a seconda della frequenza utilizzata, con errore di misura dell'ordine del mezzo centimetro, consumi, volumi e pesi contenuti (caratteristiche fondamentali per un ROV) e prezzi relativamente abbordabili. Tipicamente in un veicolo sottomarino gli ecoscandagli verso l'alto e verso il basso sono utilizzati rispettivamente per rilevare la distanza dalla superficie e dal fondo oppure, se puntati in avanti costituiscono un buon sistema di anticollisione. Per avere informazioni più dettagliate sull'ambiente circostante, si può utilizzare un sonar a scansione, il cui trasduttore rotante e installato su un motore passo passo. Come un radar, il sonar a scansione misura la propria distanza dagli oggetti nei 360 gradi, compiendo un angolo giro in circa 30 secondi. Uno strumento acustico tecnologicamente più avanzato rispetto al precedente e il sonar multibeam, che possiede una matrice di trasduttori che funzionano in sequenza, fornendo una risposta più veloce e completa. Per la determinazione della velocità di un veicolo sottomarino lo strumento acustico più indicato e un particolare sonar Doppler, derivato dai profilatori acustici di corrente già utilizzati da anni per lo studio sulle intensità e direzione delle correnti marine e fluviali. 11 suo principio di funzionamento e basato sull'effetto Doppler, che consiste nell'analisi della variazione della frequenza subita da un determinato segnale acustico emesso da un oggetto in movimento quando viene riflesso da un oggetto fisso dopo un definito intervallo di tempo. Fanno parte di questa grande famiglia anche i sistemi di posizionamento acustico che si distinguono in due categorie: SSBL (Super Short Base Line) e LBL (Long Base Line). I sistemi SSBL sono tipicamente costituiti da un trasduttore subacqueo di limitata dimensione e peso, installato sul ROV e da un trasduttore di superfici collegato ad una unita di bordo, installata ovviamente sulla barca di appoggio. Il trasduttore di superficie interroga ad una determinata frequenza il trasduttore installato sul ROV, che risponde con una serie di segnali acustici; la matrice di idrofoni installati sul trasduttore di superficie percepisce a sua volta la risposta e permette al calcolatore dell'unita di bordo di quantificare la posizione del ROV con ur margine di errore di circa 10 metri. I sistemi LBL rispetto ai precedenti comprendono una serie di transponder acustici da inviare sul fondale marino in modo da costituire un poligono di riferimento e fornire al sistema una correzione dell'errore di misura fino a circa 0.5 metri; nel ROV, oltre al trasduttore, viene installata un'unita simile a quella di superficie per poter calcolare direttamente la propria posizione rispetto al poligono. |
Nonostante la ridotta propagazione della luce e la torbidità rendano la visione sott'acqua molto più difficoltosa che in aria ed utile solo a corto raggio, la visione diretta dello scenario operativo di un robot resta la cosa più gradita da qualunque operatore umano. Pertanto fra la strumentazione utilizzata da un robot sottomarino non possono mancare le telecamere. Si possono anch'esse dividere in due categorie: le telecamere di bassa qualità, generalmente utilizzate in situazioni in cui non si richieda un'immagine particolarmente definita, come verificare L'esecuzione di una semplice operazione lavorativa, e quelle ad alta qualità, utilizzate per pilotare il ROV, per documentare la fauna e la flora sottomarina o per telecontrollare la manipolazione. Le telecamere di bassa qualità generalmente sono monocromatiche, a bassa risoluzione ma molto sensibili poiché utilizzate in economia di potenza elettrica. Alcune aziende producono telecamere monocromatiche aventi costi contenuti di ridottissime dimensioni con diodi led ad alta luminosità installati attorno all'obiettivo in modo da generare una quantità di luce sufficiente ad avere un'immagine accettabile pur avendo assorbimenti di potenza molto contenuti. Le telecamere subacquee monocromatiche tecnologicamente più avanzate utilizzano la tecnologia HyperHAD (Hole Accumulated Diode) che consiste nell'uso di un CCD ad alta risoluzione molto sensibile alla luce (10-4 lux ), dove per ogni pixel e installata sul chip una lente microscopica Alla seconda categoria sopra considerata, appartengono le telecamere digitali a colori ad alta risoluzione; per sfruttare al massimo le caratteristiche di questi dispositivi occorre illuminare la scena il più possibile. In commercio troviamo telecamere sottomarine con regolazione remota di focus, iris, zoom e pan-tilt (brandeggio e alzo), ma con ottiche aventi risoluzione e sensibilità non del tutto eccezionali. Nel caso siano richieste riprese di livello televisivo può convenire la costruzione di uno strumento personalizzato intorno a una telecamera professionale. Le macchine fotografiche infine sono un dispositivi altrettanto indispensabili per la documentazione scientifica. Possiamo citare le classiche macchine subacquee per ROV a pellicola corredate da lampade Flash con controllo remoto, però negli ultimi tempi stanno avendo un notevole sviluppo le macchine digitali, oramai vicine alle classiche come caratteristiche generali e in grado di fornire il risultato in tempo reale, direttamente nella postazione di controllo del robot. Per concludere, osserviamo che questa breve panoramica non esaurisce, ovviamente, la strumentazione disponibile, e tanto meno quella ancora in via di sviluppo, ma è comunque sufficiente a far comprendere la molteplicità di aspetti e tecnologie coinvolte nella costruzione e nell'esercizio dei ROV e l'ampiezza dell'indotto, sia dal punto di vista finanziario sia in termini di risorse umane, che si sta sviluppando di pari passo con lo sviluppo del settore della Robotica Sottomarina. |
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