ENERGIA E PRESTAZIONI DEL VEICOLO

L'energia è un fattore limitante per molte applicazioni AUV, che porta alla limitazione della portata a cui possono operare e andando a inibire l'uso di alcune tecnologie che sono particolarmente dispendiose dal punto di vista energetico. Sebbene alcuni AUV siano in grado di percorre in

autonomo distanze di diverse centinaia di chilometri, ad oggi i veicoli più piccoli vengono utilizzati per “corse” inferiori ai 100 km.

La propulsione in genere consuma una grande parte della potenza a disposizione per far funzionare correttamente un AUV. La quantità di energia necessaria per muovere un veicolo sott’acqua è funzione sia della resistenza del veicolo, che dell'efficienza del sistema di propulsione.

Le caratteristiche di resistenza di un veicolo dipendono da fattori quali la dimensione del veicolo, la forma, la superficie e le appendici. I sistemi di propulsione perdono efficienza come qualsiasi altro motore elettrico, inefficienza del riduttore, attrito della tenuta meccanica, perdite viscose e

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velocità tendono ad avere scafi aerodinamici minimizzando appendici e rientranze e ad avere un singolo efficiente sistema di propulsione a poppa.

Si preferisce avere un singolo sistema di propulsione a poppa per le perdite di efficienza che si possono riscontrare a causa dell’interazione tra la scia prodotta dall’andamento del veicolo e l’afflusso creato dal sistema di propulsione.

In figura si può vedere l’andamento grafico di carichi elettrici differenti che possono gravare sul veicolo in funzione di velocità differenti e a distanze differenti. Computer, sonar, altimetro, sensori di carico utile, sensori di profondità, sensori di assetto e navigazione sono tutti sistemi che

contribuiscono al carico elettrico dell’AUV.

La direzione che si sta prendendo riguardo alla spesa elettrica è la riduzione sostanziale di essa grazie ai continui progressi della scienza che permette essenzialmente la creazione di computer che sono in grado di performare sempre meglio la relazione tra potenza di calcolo e energia consumata. Tuttavia, non è insolito per alcuni sistemi, ad esempio sonar o sistemi di optical immagining di richiedere illuminazione per il funzionamento, così da determinare un alto consumo di energia. Questo a sua volta ha un impatto sostanziale su uno dei fondamentali per i trade-off ( scelta in questo caso in campo ingegneristico nel quale l’aumento di una proprietà diminuisce l’altra, in quanto legate da una correlazione inversa, nello specifico velocità e portata ) nella progettazione dei veicoli, che è il compromesso tra velocità e portata. In termini più semplici, si evince dal grafico in figura come per un dato AUV all’aumento del consumo energetico si ha che la velocità specifica del veicolo al quale performa meglio (ossia ha la maggiore autonomia in termini di portata) aumenta.

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Un numero crescente di tecnologie per batterie è disponibile, con energie specifiche (energia per peso della batteria) che variano più di un ordine di grandezza tra loro. Le batterie composte da piombo-acido sono le più basse per energia specifica, circa 30W*h/kg, ma sono molto economiche, facili da usare e possono essere ricaricate molte volte.

Altre batterie disponibili in commercio includono quelle a base chimica di argento-zinco, agli ioni di litio e ai polimeri di litio. Le prime (argento-zinco) sono state ampiamente utilizzate per i veicoli subacquei, in grado di fornire una energia specifica maggiore di tre volte rispetto le batterie al piombo e acido, mentre le ultime due sono state rese disponibili per questa tipologia di scopi solo da poco tempo è quindi da poco che si stanno utilizzando per gli UAV. Le batterie primarie vengono impiegate occasionalmente, ad esempio le batterie alcaline di biossido di manganese, per

l’alimentazione dei veicoli, e poi esistono alcune batterie primarie al litio che sono in grado di offrire la più alta energia specifica, questa può considerarsi una fonte con energia specifica di circa dieci volte maggiori rispetto quelle di piombo e acido.

Un’altra branca della ricerca relativa all’energia di alimentazione per gli AUV si sta dedicando alla creazione di batterie a combustibile e di batterie semi carburanti apposite per gli UAV, così da poter offrire potenzialmente sia elevata capacità energetica che elevata potenza di erogazione di energia

3.3.5 HUGIN

Kongsberg Simrad (KS) ha sviluppato i suoi primi prototipi di AUV alla fine del 1980. Dall'inizio del 1990, c'è stata una stretta cooperazione con il Norwegian Defence Research Establishment (FFI) sugli sviluppi di HUGIN e sulle attività sul campo. L'obiettivo principale è stato rivolto sia verso le applicazioni civili e sia per il possibile uso militare di AUV, come ad esempio per impiegarlo per ampliare le capacità di contromisure mine .

Gli sviluppi in tipologia “dual” sono stati indirizzati verso diverse principali applicazioni: - Analisi di rotte commerciali offshore

- Contromisure mine e in generale nell’ impiego di carattere militare - Ricerca e monitoraggio ambientale

La strategia di sviluppo in ambito duale ( sia in ambito civile che militare) ha consentito di

concentrare sia in ambito di finanziamenti, che in ambito di ricerca e sviluppo delle tecnologie una perfetta integrazione tra ambito civile e militare, portando così a trovare le capacità abilitanti chiave

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degli auv, come la gestione dell’alimentazione, navigazione, controllo dei veicoli, integrazione del carico utile, ecc. ,

Per soddisfare i requisiti delle varie applicazioni che potevano andare a svolgere al servizio del mondo civile o militare, gli AUV HUGIN hanno integrato un'ampia gamma di sensori avanzati nel loro “payload”: ecoscandagli multibeam (MBE), profiler sub-bottom (SBP), sonar a scansione laterale (SSS), sonar ad apertura sintetica (SAS) e sonar per la ricerca sulla pesca.

Dotati di un sistema di navigazione inerziale integrato all'avanguardia, gli AUV HUGIN forniscono dati di alta qualità e ad alta risoluzione con un'eccellente precisione di posizione.

Gli HUGIN AUV sono dotati di due tecnologie avanzate di batterie resistenti alla pressione, vale a dire batterie a combustibile ossigenato in alluminio e polimero di litio ricaricabile, che consentono resistenza e alto assorbimento di potenza del carico utile. Inoltre, un sistema di lancio e recupero collaudato consente un funzionamento sicuro ed efficiente in stati di alto mare.

La tecnologia Hugin anche grazie a questi interessanti sistemi, è stata utilizzata per esaminare la maggior parte dei principali giacimenti di petrolio e di gas offshore in acque profonde di tutto il mondo. La possibilità di attuare un posizionamento preciso di uno strumento così, dotato di sensori all’avanguardia e capace di fornire rilevamenti stabili, che può essere azionato in prossimità del fondo marino e che può inoltre svolgere il tutto in tempi molto brevi (grazie alla sua propulsione), ha rivoluzionato il mondo dei rilevamenti in acque profonde sia per quanto riguarda l'efficienza del rilevamento che la qualità dei dati. Grazie ai dati prodotti da HUGIN, si rivoluziona concretamente la progettazione di importanti sistemi sottomarini in acque profonde e terreni subacquei accidentati, diventando così più fattibile la costituzione sia grazie alla diminuzione del costo , che grazie a una maggior precisione dei dati pervenuti .

L'utilizzo di HUGIN nelle applicazioni navali per le contromisure (MCM) e per la valutazione ambientale rapida (REA) ha introdotto un nuovo livello di efficienza delle prestazioni e nella sicurezza. I dati ad alta risoluzione del sonar ad apertura sintetica (HISAS) utilizzato nelle prossimità del fondale marino migliorano significativamente le prestazioni di rilevamento e classificazione degli oggetti.

Inoltre, la possibilità di azionare questo strumento in modo autonomo e a distanza fornisce un elevato livello di sicurezza per la nave madre e il suo personale.

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Meccanica Hugin

La forma del corpo HUGIN AUV è progettata per una bassa resistenza all'acqua, combinando poi questa sua proprietà con un'elevata stabilità idrodinamica, si ottiene un'elevata manovrabilità e un basso rumore acustico prodotto.

- La carrozzeria del veicolo è realizzata in materiale laminato in fibra di carbonio e schiuma sintetica.

- Grazie ai sensori di navigazione e ai sensori per lo scandagliamento del fondale questo strumento garantisce una mappatura più che accurata del fondale marino

- I contenitori a pressione sono realizzati in titanio o alluminio resistente all'acqua di mare a seconda dei requisiti di profondità.

- Il motore di propulsione è progettato per trasmissione diretta a bassa velocità e alta efficienza. L'elica a pala grande è ottimizzata per un'elevata efficienza e un basso rumore acustico.

Sistema di alimentazione

I generatori HUGIN si basano su due diversi modelli di batterie resistenti alla pressione. Le batterie resistenti alla pressione eliminano la necessità di contenitori a pressione e quindi eliminano anche il rischio intrinseco di esplosioni causate dalla pressione espressa sulla batteria. Soprattutto in acque più profonde, il design che permette un’alta resistenza alla pressione consente anche una maggiore energia della batteria.

Le due tecnologie di batteria in uso per gli AUV HUGIN sono:

- Batteria ai polimeri di litio

La batteria ai polimeri di ioni di litio è ricaricabile elettricamente e altamente resistente alla pressione. La batteria è costituita da batterie commerciali suddivise in celle organizzate in blocchi di batteria che vengono assemblati in batterie complete per HUGIN. Vengono implementati significativi sistemi di sicurezza incorporati per evitare qualsiasi rischio correlato a sovraccarico, scarica e utilizzo in generale. I blocchi batteria sono progettati e qualificati per il trasporto aereo secondo le normative UN per il trasporto aereo di materiale pericoloso.

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- Cella semi-combustibile a ossigeno in alluminio (batteria ALHP FC) ALHP FC è una fonte di energia unica che produce energia elettrica da alluminio e ossigeno. Nessun'altra fonte di alimentazione può alimentare un AUV come l'HUGIN 3000 con tutti i sistemi di carico utile in funzione per 60 ore a 4 nodi. L'ALHP FC è sviluppato da FFI (Norwegian Defence Research Establishment)

Controllo e comunicazione Gli AUV HUGIN possono operare in tre modalità:

- Modalità con supervisione

Fornisce la supervisione dell'operatore, la capacità di riprogrammare una missione e una precisione della posizione impareggiabile tramite aggiornamenti di posizione USBL.

- Modalità autonoma

HUGIN opera in modo autonomo e indipendente da una nave appoggio.

- Modalità semi-autonoma

Combina modalità di funzionamento supervisionate e autonome.

I sistemi di navigazione e controllo dei veicoli estremamente robusti e precisi si basano sui molti anni di esperienza sul campo con gli AUV HUGIN in ambienti offshore difficili e in operazioni militari impegnative. La sostenibilità operativa è ottenuta attraverso:

- Design robusto

- Ridondanza del sistema

- Controllo dell'integrità integrato

- Test e simulazione hardware-in-the-loop pre-missione estesi.

Il sistema di comunicazione HUGIN è costituito da una rete Ethernet interna direttamente collegata al sistema di controllo di superficie quando si trova sul ponte della nave madre. Durante il

funzionamento il veicolo può essere controllato acusticamente, tramite collegamento radio o WLAN, o tramite comunicazione satellitare Iridium.

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Navigazione “aided” e inerziale

HUGIN è dotato di un avanzato sistema di navigazione inerziale assistita in tempo reale (AINS), il sistema HUGIN NavP.

Il sistema di navigazione inerziale (INS) calcola posizione, velocità e assetto del veicolo utilizzando i dati di accelerazione e velocità angolare da un'unità di misura inerziale (IMU).

Un filtro Kalman utilizza, in modo matematico ottimale, i sensori di navigazione del veicolo per aiutare l'INS. Il filtro di Kalman si basa su un modello di stato di errore e fornisce una prestazione di navigazione totale molto più elevata di quella ottenuta dai soli sensori di navigazione

indipendenti.

La struttura del sistema di navigazione inerziale assistita è mostrata in figura.

Sebbene il log (registro) della velocità Doppler sia molto efficiente nel limitare la deriva dell'errore, sono necessari aggiornamenti di posizione regolari per limitare la deriva dell'errore di posizione nel sistema di navigazione.

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Quando l'AUV sta operando vicino alla nave madre (modalità supervisionata), l'AINS riceve regolarmente misurazioni GPS-USBL combinate dalla nave madre sul collegamento di comando acustico. In modalità autonoma, il GPS fornisce misurazioni della posizione quando l'AUV è in superficie. In alcune applicazioni AUV, i fix di superficie GPS non sono un'opzione, a causa della segretezza o dell'efficienza nelle missioni in acque profonde.

HUGIN viene fornito opzionalmente con un sistema di navigazione con riferimento al terreno per gli aggiornamenti della posizione sommersa. Il sistema di navigazione del terreno confronta le misurazioni batimetriche con una mappa preimpostata. In immersione, gli aggiornamenti di

posizione possono essere ottenuti anche misurando la distanza su uno o più transponder subacquei. Questa funzione è chiamata NavP UTP (ossia che si basa sul posizionamento del transponder subacqueo) e funziona in modo simile a un sistema di tipo long base-line (LBL), tranne per il fatto che non è necessario più di un transponder subacqueo per trovare l’errore di posizione. Qualsiasi numero di transponder adottato viene utilizzato in modo ottimale e ovviamente maggiore è il numero di trasponder che viene usato di e maggiore è la precisione e l’integrità del segnale.

Payload system

SUBSEA PAYLOAD SYSTEM

I payload possono essere integrati da Kongsberg Maritime, dal cliente o da un fornitore di terze parti. Il sistema di payload è costruito attorno al Payload Processor. Il kernel Payload Processor fornisce servizi di base come la sincronizzazione dell'ora, la georeferenziazione dei dati del

payload, l'archiviazione centralizzata dei dati e l'interfaccia con il processore di controllo HUGIN e il sistema di navigazione.

Il collegamento tra la Payload Operator Station superiore e il plug-in del payload è generico, ovvero è possibile aggiungere nuovi payload senza la necessità di modificare alcun software di sistema di base. HUGIN 3000 e HUGIN 4500 hanno uno slot di payload versatile per una facile integrazione meccanica dei sensori di payload. L'interfaccia del segnale standard permette l’integrazione di vari sistemi includendo le linee seriali Ethernet e RS-232 e RS-422. Nella sua composizione standard HUGIN include:

- Ecoscandaglio multibeam

- Sonar a scansione laterale o ad apertura sintetica

- Una sonda in grado di misurare la densità , la temperatura e la conduttività (CTD) - Sensore di torbidità

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- Un sistema in grado di profilare la corrente tramite l’effetto Doppler (ADCP – Acoustic doppler current profiler)

TOPSIDE PAYLOAD SYSTEM

Il sistema di carico utile di tipo “topside” consente all'operatore di inizializzare i sensori integrabili prima della missione e di azionare e supervisionare i sensori durante il rilievo. In modalità

supervisionata, i dati compressi del sensore integrato vengono trasmessi acusticamente dal veicolo in tempo reale per la supervisione dell'operatore e la garanzia della qualità dei dati. La maggior parte dei sensori di payload è dotata di una Payload Operator Station (POS) dedicata.

Un tipico POS include:

- Interfaccia grafica utente (GUI) per l'invio di comandi al payload

- elementi per la visualizzazione di errori, eventi e risposte ai comandi dal plug-in del payload - Visualizzazione delle informazioni sullo stato del payload

POST-MISSION ANALYSIS

Il veicolo HUGIN genera una grande quantità di dati che possono essere elaborati in vari modi a seconda delle esigenze dell'utente.

Alcuni utenti dispongono di un software di elaborazione di payload personalizzato. Per altri utenti, Kongsberg Maritime offre il sistema di analisi post-missione (PMA) HUGIN. La suite software PMA fornisce una vasta gamma di opzioni:

- Post-elaborazione della navigazione per una maggiore precisione della posizione (NavLab) - Elaborazione batimetrica, controllo di qualità, mosaici, stratificazione su carte, generazione di viste

3D

- Elaborazione sia della traccia fornita dal sonar Sidescan che dal Sonar ad apertura sintetica - Riconoscimento automatico del bersaglio e altre funzioni specializzate per contromisure navali e

applicazioni di valutazione ambientale rapida

Il file Management system di HUGIN memorizza tutti i dati rilevanti sui server, sia i dati grezzi che elaborati, in formati di file standardizzati e rende i dati disponibili agli utenti autorizzati attraverso protocolli di

trasferimento file standardizzati. Ciò rende possibile l'integrazione, ad esempio, con un comando navale e ne risulta un sistema di gestione dei dati semplice e diretta.

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Launch and recovery

Una delle principali sfide per le operazioni AUV è il recupero in mare aperto e agitato. Il sistema di messa a mare e recupero per gli HUGIN AUV è basato su un sistema di tipo “stinger” ideato per installazioni a poppa della nave. Questo sistema ha dimostrato la sua efficienza e affidabilità in diverse migliaia di lanci e recuperi nel corso degli anni. Quando viene attivato, lo “stinger”, azionato idraulicamente, permette di inclinare l'HUGIN verso il basso (diretto verso l’acqua) e successivamente il veicolo viene rilasciato da un meccanismo di scollegamento mentre la nave si dirige contro vento con una velocità di 2-3 nodi. Durante il recupero, la nave è posizionata a 50-100 metri da dove affiora l'AUV. Il “drop nose” del veicolo è agganciato con la linea di recupero e collegato al verricello del sistema L / R. Il veicolo viene quindi tirato su dallo “stinger” e lo stesso viene sollevato e retratto. Durante il recupero la nave procede a velocità compresa da 1 ai 2 nodi.

The Hugin mine reconnaissance system (HMRS)

Il programma norvegese per l'uso militare di veicoli subacquei autonomi (AUV) ha raggiunto un'importante "milestone” nel dicembre 2001, quando il concetto di caccia alle mine basato su AUV e valutazione ambientale rapida (REA) è stato provato utilizzando HUGIN a bordo di KNM Karmøy, una delle Navi MCM di classe Oksøy. In un solo giorno di esercitazione, HUGIN è stato programmato e lanciato dall'MCMV, ha eseguito un rilevamento acustico supervisionato, ha proceduto a svolgere un rilevamento autonomo di ricognizione di un'area con oggetti fittizi simili a

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mine ed è tornato all'MCMV per il recupero. Tramite algoritmi automatici di rilevamento e classificazione delle mine, è stato stabilito un elenco di contatti simili a mine e i dati di questi contatti sono stati valutati manualmente. Il risultato finale è stato che quattro mine fittizie su quattro sono state rilevate, classificate ed è stato in grado di determinarne la loro posizione con precisione. Quattro mesi dopo le dimostrazioni che hanno riscosso molto successo, la Royal Norwegian Navy ha approvato un progetto per sviluppare il sistema HUGIN Mine Reconnaissance System (HMRS), il primo sistema HUGIN sviluppato specificamente per applicazioni militari.

Evoluzione storica del mezzo - AUV DEMO VEHICLE

L'AUV Demo Vehicle è stato sviluppato da FFI all'inizio del 1990 per testare i principi AUV di base, ovvero l'idrodinamica, la navigazione e il controllo del veicolo. Comprendeva anche lo sviluppo e il test di una nuova tecnologia per le batterie ad acqua di mare.

- HUGIN I

L'HUGIN I è stato il primo veicolo sviluppato per applicazioni di rilevamento offshore. È stato utilizzato con successo per il rilevamento di percorsi commerciali di condotte offshore, a partire dal 1997. Era in grado di sostenere missioni di durata massima di 6 ore, questo era dovuto

all’alimentazione di cui era fornito: batterie NiCd ricaricabili. Attualmente l’alimentazione di questo veicolo è basata su batterie ricaricabili di ioni al litio. Oggi HUGIN I viene utilizzato come piattaforma di test generale per lo sviluppo e la valutazione di nuove tecnologie. Dal 2002, il veicolo è gestito dalla Marina norvegese per acquisire esperienza sulle contromisure

- HUGIN 3000

Questo AUV è in grado di operare perfettamente fino a profondità di 3000 metri, da questa sua peculiarità prende il nome. La fonte di alimentazione è una batteria di tipo semi fuel cell in grado di fornire più di 60 ore di autonomia a quattro nodi di velocità con ecoscandaglio multibeam, sonar a scansione laterale e dotato di sonde CTD. Nel novembre 2002 due sistemi HUGIN 3000 erano in uso per fini commerciali operanti in tratte offshore. Il primo HUGIN 3000 è stato consegnato alla fine del 2000 a C&C Technologies Inc. Da allora C&C ha gestito con grande successo il veicolo

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nel Golfo del Messico, a largo della costa occidentale dell'Africa, al largo del Brasile e nel Mediterraneo. Le principali società di indagine utilizzano HUGIN 3000 per la mappatura dettagliata dei fondali marini per le compagnie petrolifere e del gas offshore. Il veicolo è stato utilizzato a diverse profondità, in particolare è stato utilizzato fino ad un massimo di 2850 metri. Sono stati coperti con successo un totale di oltre 18.000 km scandagliati. Il secondo HUGIN 3000 è stato consegnato nell'agosto 2002 alla società norvegese Geoconsult AS. L'azienda ha iniziato a lavorare con HUGIN nel Mare del Nord.

- HUGIN 1000

Questo è un veicolo dedicato alle applicazioni navali (MCM / REA). Il veicolo è più piccolo rispetto all'HUGIN 3000, ha un diametro di 75 cm ed è disponibile con valori nominali di 1000 m e 3000 m di profondità. Questo AUV è costruito con una struttura a tre moduli: sezioni anteriori e posteriori standard e una o due sezioni centrali modulari. La sezione centrale può essere