AREE DI APPLICAZIONE IN CAMPO CIVILE Studi di itticoltura e mappatura dell’habitat marino

Gli Auv trovano in ambito civile un uso sostanziale in diversi ambiti come il tracciamento delle specie ittiche mondiali, l’impatto della pesca intensiva, o il grado di distruzione degli habitat marittimi per mano dell’uomo, o ancora il livello di polluzioni e tossine nelle acque di studio, ed allo stesso modo si cerca di determinare in quale quantità cresce la popolazione ittica.

Acquacoltura

L'acquacoltura o acquicoltura, è l'allevamento di organismi acquatici, principalmente pesci, crostacei e molluschi, ma anche la produzione di alghe, in ambienti confinati e controllati dall'uomo. A seconda del tipo di allevamento, questi ambienti vengono denominati: peschiere, vivai, valli da pesca, anche chiamati gabbie marittime14

Queste avanzate strumentazioni (gli AUV) sono senza alcun dubbio di grande aiuto nel procedere ad un accurato monitoraggio dell’ambiente marino in cui determinate specie di allevamento crescono e si riproducono, in questo modo i parametri di interesse sono costantemente sotto osservazione, così da garantire maggiori sicurezze ai futuri consumatori

14 _{acquicoltura in Vocabolario - Treccani,}

https://www.treccani.it/vocabolario/acquicoltura/#:~:text=acquicoltura%20(o%20aquicoltura%3B%20anche%20acquac oltura,la%20mitilicoltura%2C%20ecc.).

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Cambiamenti climatici

E’ indubbio come gli oceani siano segnati dal cambiamento climatico. Quindi possedere degli strumenti che sono in grado di operare in zone climaticamente difficoltosi (basta pensare ai climi rigidi dei poli) risulta un ottimo aiuto ai fini della ricerca, così attraverso la raccolta di una abbondanza di informazioni ed attraverso monitoraggio continuo, si può avere una immagine veritiera e constante di quella che è la situazione climatica mondiale.

AUV a confronto con sistemi trainati

La capacità di operare in acque profonde è una delle applicazioni di maggior coinvolgimento per quanto riguarda la sfera degli AUV, ed è il motore del crescente interesse che negli anni questi strumenti hanno suscitato, in particolare questa sua peculiarità viene sfruttata essenzialmente per motivi economici.

Attualmente nelle operazioni di scansione dei fondali sotto i 1000 m, si utilizzano sistemi di sonar trainati in cui, per ovvi motivi, il cavo ne domina le dinamiche, riducendo notevolmente la velocità e la manovrabilità delle navi trainanti. Di contro l’utilizzo degli AUV è dimostrato che porti essenzialmente ad un aumento della velocità di rivelamenti (soprattutto a profondità più elevate), basti pensare che nel confronto con sistemi trainati che svolgono lo stesso compito risultano essere dalle due alle quattro volte più veloci (in riferimento ad una profondità di 3000 m), a questa stima sommaria non viene considerato inoltre il tempo che impiega una nave con sistema trainato a manovrare e passere da un sito all’altro15_.

Gli AUV inoltre sono in grado di fornire dati con qualità molto più elevata, in quanto per molti sistemi sonar, la qualità della mappatura è una funzione della stabilità e della capacità della

piattaforma di mantenere un'altitudine costante rispetto il fondo, mentre gli auv totalmente immersi e dotati di propulsori autonomi non sono in alcun modo influenzati dallo stato superficiale del mare, i corrispettivi sistemi trainati possono subire variazioni sostanziale di altitudine a causa del

muoversi della piattaforma trainante (in particolare in condizioni di mare mosso), così la qualità dei rilevamenti prodotti dai corpi rimorchiati sarà nettamente inferiore rispetto ai rilevamenti degli AUV.

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In alcune circostanze, le operazioni AUV possono comportare una riduzione del numero di navi necessarie per un rilevamento, questo in quanto per molte operazioni commerciali di rimorchio profondo, vengono impiegate due navi, una per procedere all’effettivo rimorchio della

strumentazione e una per determinare la posizione effettiva della strumentazione in acqua. La seconda nave è necessaria perché la resistenza del cavo può far sì che il rimorchio rimanga indietro di molte miglia rispetto alla nave che rimorchia in questo modo i sistemi di tracciamento acustico utilizzati per determinare la posizione del corpo di traino rispetto la nave non possono essere

utilizzati efficacemente dalla nave che rimorchia, così una seconda nave è necessaria per monitorate la posizione del corpo trainato.

Di contro per le operazioni AUV non ci sono vincoli di rimorchio, così la nave di supporto per le operazioni svolte da AUV può seguire da vicino il suo operato.

Un’altra caratteristica di interesse riguardante gli AUV è il potenziale utilizzo di più veicoli simultaneamente per indagini abissali, sebbene le operazioni che hanno interessato l’utilizzo in contemporanea di più AUV ad ora sia stato limitato ad acque poco profonde, in un futuro questa possibilità potrebbe diventare anche realtà grazie ai ridotti costi di attuazione e alla relatività facilità di coordinamento, ovviamente questa possibilità è pressoché impossibile in ambito di navi con corpo rimorchiato.

3.3.2 CONTROLLO

Il controllo degli AUV può essere approssimativamente suddiviso in tre livelli: controllo dinamico, controllo per task e controllo per missione.

Si riferiscono rispettivamente ai processi di controllare l'altitudine e la posizione del veicolo, il raggiungimento di compiti specifici e il raggiungimento di una serie di compiti come parte di una missione più complessa. Per i sistemi completamente autonomi, il computer di bordo deve

raggiungere tutti questi obiettivi. Quando le comunicazioni acustiche sono disponibili, possono essere disponibili anche tecniche di controllo ibrido utilizzato in cui un operatore umano fornisce alcuni controlli o a livello di task o a livello di missione, denominato controllo di supervisione. Sebbene gli sforzi dei ricercatori in materia di AUV si stiano ancora oggi dedicando in modo constante alla sfera del controllo, attualmente questi strumenti sono in grado di eseguire un'ampia varietà di missioni di perlustrazione subacquea.

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Al momento, la maggior parte degli AUV sono generalmente in grado di condurre missioni che coinvolgono traiettorie specifiche nel dominio subacqueo, queste potrebbero essere molto semplici, come una linea retta, o potrebbero coinvolgere una sequenza di lunghe rotte caratterizzate da waypoint ed escursioni in profondità a seconda del fondale. Questi strumenti per variare la profondità al quale operano e viaggiano rispetto il fondale sono dotati di potenti sonar che gli permettono non solo di evitare il fondale, ma anche posizionarsi in movimento rispetto ad esso. L'abilità di uno specifico veicolo di operare vicino al fondo dipende dal tipo di fondale, dalla manovrabilità del veicolo e le capacità di rilevamento del veicolo. In generale, attualmente le operazioni in prossimità di fondali con scogliere o scarpate è molto difficile.

Le operazioni più sofisticate consistono nel far utilizzare all’AUV i dati acquisiti durante le operazioni al fine di modificarsi nella conduzione della missione stessa, avendo così una maggiore percentuale di successo, un esempio, un veicolo immerso in una sezione della colonna d'acqua potrebbe essere programmato per seguire una specifica termoclina in modo autonomo.

Alcune delle maggiori problematiche associate alle operazioni completamente autonome possono essere evitate mettendo in collegamento un operatore umano con AUV. Tuttavia, per mettere in collegamento i due a causa della larghezza di banda relativamente bassa, permettono comunicazioni solo a brevi distanze e il ritardo intrinseco della trasmissione impedisce di potersi affidare

completamente alle comunicazioni acustiche per quanto riguarda praticamente qualsiasi tipo di missione.

Un altro fattore che influenza fortemente le prestazioni della comunicazione sono le caratteristiche ambientali dell’ambiente operativo. Ci si potrebbe aspettare di ottenere una portata di

comunicazioni pari a 0.1- 20 kbit/ s relative ad una distanza di 4 km a seconda delle proprietà acustiche del mezzo (acqua marina) tra il veicolo e la nave di supporto.

Inoltre, va considerato che si ha una degradazione di banda importante fino addirittura ad arrivare a inibire completamente la capacità di comunicazione, quando il veicolo va ad operare in acque molto meno profonde rispetto alla separazione tra la nave e l'AUV stesso16_{. Dall’altro lato le prestazioni} relative alla capacità di comunicazione aumentano in modo considerevole quando l’AUV opera in acque più profonde, con la nave di supporto sulla stessa linea verticale dell’AUV, a poca distanza dalla stessa.

Anche quando sono disponibili comunicazioni a banda larga, comunque bisogna considerare le limitazioni imposte dalla velocità del suono in acqua e allo stesso tempo dobbiamo tener presente

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che gli AUV, operanti nell’ambiente marino, devono essere in grado di gestire qualsiasi evento che può manifestarsi unito alle complesse missioni che sono soggetti a svolgere, pare ovvio quindi quanto sia necessario avere una risposta velocemente o comunque sia essenziale svolgere in modo celere una reazione, in virtù di questo si è decisi di progettare gli AUV lasciando le decisioni relative a obiettivi fondamentali e intrinsechi ( come evitare il fondo) ed il controllo dinamico al software del veicolo, che deve essere abbastanza avanzato da riuscir ad eseguirli ed in più eseguire i task che giungono ( ad una distanza di 5 km con una latenza di 6,7s) dalla nave di supporto.

3.3.3 NAVIGAZIONE

Per quanto riguarda gli AUV non è possibile utilizzare solo un singolo sistema di navigazione in qualsiasi ambiente in cui opera l’AUV, di conseguenza sono implementati una varietà di metodi di navigazione differenti che vengono utilizzati a seconda della classe di missione che, di volta in volta, va a svolgere l’AUV. Queste tecniche possono essere raggruppate in tre categorie generali: inerziale, a “long-baseline” e navigazione tracciata dalla nave17_{. Esistono altri metodi in fase di} sviluppo o che vengono utilizzati in condizioni speciali, come la navigazione relativa alle

funzionalità, ma nella maggior parte delle operazioni AUV vengono impiegate una combinazione delle seguenti tre.

La navigazione inerziale viene utilizzata principalmente su AUV più costosi, sebbene lo sviluppo continuo permetterà in futuro di rendere questa capacità economica anche per veicoli più piccoli. Solitamente il core del sistema di navigazione è costituito da un sistema di navigazione inerziale (INS), un sensore di velocità e un sistema di posizionamento globale (quindi di un dispositivo GPS).

Il GPS è necessario per inizializzare il sistema di navigazione e per la determinazione della posizione quando l'AUV è in superficie. Anche se esistono INS cono prestazioni molto elevate, quelli appropriati per AUV sono però limitati nelle prestazioni perché soggetti ad una deriva della posizione (dovuta ai moti delle correnti marine) nell'ordine di parecchi chilometri ad ogni ora in assenza di altri aiuti alla navigazione. Un sostanziale miglioramento delle prestazioni può essere ottenuto fornendo una stima della velocità relativa alla terra rispetto all'INS.

Il Doppler Velocity Log (DVL) misura la velocità rispetto a un backscatter acustico (un segnale di ritorno), tipicamente il fondo marino.

Un sistema INS-DVL ben integrato può fornire una precisione di navigazione migliore dello 0,1% rispetto la distanza percorsa (quindi un veicolo che percorre 100 km conoscerà la sua posizione con

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una precisione migliore di 100 m alla fine della corsa). Tuttavia, un DVL funziona meglio ad alte frequenze acustiche, le quali sono fortemente attenuate dall'acqua di mare. Pertanto, al giorno d’oggi il DVL viene impiegato come ausilio della navigazione quando l’AUV opera in fondali compresi tra i 20 e i 200 m.

Per le applicazioni che impongono la necessità di operare più distanti dal fondale marino, è possibile utilizzare i “correlation velocity log” al posto del DVL. I “correlation log” funzionano a basse frequenze rispetto ai sistemi di navigazione doppler e possono essere utilizzati a altitudini maggiori rispetto il fondo marino, sebbene tali sistemi siano molto meno facilmente reperibili.

I sistemi di tracciamento a long-baseline (LBL) utilizzano una ampia matrice di transponder acustici o “pingers” sincronizzati che vengono interrogati o rilevati dal veicolo. A seconda delle frequenze impiegate, le dimensioni dell'array possono variare da un centinaio di metri a frazioni significative di un bacino oceanico. I sistemi LBL più comunemente usati impiegano tra i 7,5 ai 15 kHz come frequenza dei transponder e vengono utilizzati per coprire regioni fino a poche centinaia di chilometri quadrati con precisioni fino a diversi metri. Le attrezzature e i costi logistici di navigazione LBL possono essere sostanziali, visto l’alto numero di beacon acustici che devono essere dispiegati e le cui posizione devono essere determinate.

In genere a seconda della profondità dell'acqua si determina il numero di beacon necessari, con una regola pratica comunemente impiegata affermando che i transponder devono essere distanti tra loro non più del doppio della profondità totale del tratto marino in cui si opera.

La precisione della navigazione tramite LBL è solitamente limitata dal punto di vista ambientale. Come si è già detto, le variazioni nella velocità del suono possono essere significative a seconda dell’ambiente marino in cui si opera e influisce sul tempo necessario a un impulso acustico di percorre la distanza che intercorre tra due punti e può persino provocare uno “shadowing Effect” precludendo la trasmissione efficace del suono, per esempio quando questo attraversa una termoclina (lo shadowing Effect si verifica nel momento in cui si crea una ostruzione tra il trasmettitore e il ricevitore, così il segnale di ritorno ne risulta modificato o nullo ).

Legato a quanto si è scritto precedentemente è l’effetto del Multipath, che è il fenomeno per cui un impulso trasmesso si riverbera nell'ambiente sottomarino, portando ad ambiguità nel rilevamento del ritorno del segnale e andando a complicare notevolmente il processo di correlazione del tempo rispetto la distanza, pare evidentemente come questo possa variare sostanzialmente in alcuni

ambienti rispetto ad altri . Di conseguenza, la navigazione LBL, pur fornendo la migliore precisione di navigazione di qualsiasi altro sistema sott’acqua, richiede operatori esperti e può sostenere costi notevoli.

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Esistono anche metodi di tipo “ship-tracked” che utilizzano una nave di superficie per monitorare la posizione di un AUV. Anche se questo richiede di dedicare una nave alle operazioni AUV, elimina la necessità di distribuire una moltitudine di array di trasponditori come sarebbe richiesto per la navigazione LBL. Tali sistemi possono essere più “attraenti” rispetto la navigazione LBL in quanto essi non sono limitati dalla copertura geografica di una serie di beacons acustici e inoltre questi non hanno una accuratezza di navigazione che si deteriora con il tempo come i sistemi a base inerziale. Il tracciamento di un AUV da una unità di superficie è realizzato acusticamente, sia con sistemi USBL (ultrashort-baseline) che sistemi SBL (short-baseline) i quali vengono utilizzati per fornire direzione e distanza ad un veicolo sommerso dotato di transponder. Questo sistema viene utilizzato per determinare la posizione dell’AUV che è in grado da bordo di analizzare la posizione relativa della nave così da ottenere di ritorno le proprie coordinate geografiche e la propria profondità. La precisione del tracciamento basato su USBL e SBL si deteriora quando aumenta la distanza tra la nave e l’AUV aumenta, con conseguenze significative per operazioni in acque profonde. Di conseguenza, alcune strategie di rilevamento in acque profonde con AUV utilizzano un ibrido “ship-based tracking” e navigazione inerziale.