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1 INTRODUZIONE
1.1 Motivazioni della tesi
L’utilizzo dei simulatori è stato oggetto di costante sviluppo negli ultimi 30 anni: partendo da applicazioni di tipo aeronautico, sono stati rapidamente realizzati simulatori di macchine, di navi e di qualsiasi altro veicolo che presuppone l’interazione con l’uomo. Proprio la necessità di un adeguato addestramento dell’utente ha portato un notevole sviluppo di sistemi interattivi man mano più sofisticati e capaci di determinare un’immersione sempre più profonda nell’ambiente virtuale in cui l’utente veniva inserito. Tale sviluppo è da imputarsi anche ai minori costi dei simulatori e della loro gestione rispetto alla costruzione vera e propria del veicolo che il simulatore cerca di riprodurre. Inoltre le condizioni di sicurezza ottenibili all’interno di un simulatore permettono ad utenti praticamente inesperti un addestramento privo di rischi sia per il mezzo sia per il pilota stesso. Un notevole miglioramento del realismo generato dai simulatori è stato introdotto con l’adozione di piattaforme mobili che, coadiuvate da un feedback visivo, forniscono all’utente un ulteriore livello di interazione dato dal movimento stesso percepito dall’utente grazie alla replica delle sensazioni reali di guida.
Ad oggi sono disponibili numerosi simulatori di guida per navi di grande dislocamento, ma non sono ancora sviluppati simulatori di barche a vela che presuppongono un’interazione fisica con l’utente. Concepire un simulatore per imbarcazioni a vela da diporto è invece una cosa più complessa in quanto è sia maggiore la sensibilità ai fenomeni di disturbo esterno (raffiche di vento, onde,…), sia più ampia la banda del sistema. Un simulatore di barche a vela potrebbe trovare un naturale utilizzo nelle numerose scuole nautiche e, pur non volendo sostituirsi alle prove sul campo, potrebbe integrarsi divenendo un ausilio all’insegnamento delle principali nozioni e comunque essere intensivamente impiegato quando le condizioni del mare non permettono l’uscita dal porto delle imbarcazioni.
Inoltre durante le fasi di progetto di una nuova imbarcazione, un simulatore di barche a vela può essere di notevole aiuto per valutare in modo preliminare le caratteristiche dinamiche della nuova imbarcazione. Un gran numero di software già esistenti sono un valido strumento di predizione delle performance utilizzato dai progettisti. Tali software forniscono, in base a parametri caratteristici dell’imbarcazione, la velocità e l’assetto che essa raggiungerà in base alla direzione del vento in forma di grafici e tabelle. Un simulatore di barche a vela può quindi fornire un notevole valore aggiunto alla progettazione perché, tramite una veloce modifica dei parametri descrittivi dello scafo, può simulare direttamente sullo skipper le sensazioni che verranno percepite quando la barca sarà costruita e messa in opera. Ciò permetterà una veloce, poco costosa e più consapevole verifica della stabilità e dell’assetto delle nuove soluzioni costruttive.
1.2 Obiettivo della tesi
L’obiettivo della tesi è stata la realizzazione di un simulatore interattivo della dinamica di una barca a vela dedicato a scopi didattici. Benché l’utilizzo di simulatori sia ormai sempre più diffuso in diversi ambiti, da quello militare all’intrattenimento, non sono presenti attualmente simulatori interattivi di conduzione di una barca a vela. Il possibile utilizzo di tali simulatori in scuole di vela non vuole sostituirsi all’apprendimento sul campo delle numerose conoscenze necessarie per la conduzione dell’imbarcazione, ma si presenta come un sussidio e un supporto agli insegnamenti teorici necessari ad un corretto apprendimento di tali abilità.
E’ stato sviluppato un modello matematico completo della dinamica dell’imbarcazione adatto ad un’implementazione in tempo reale partendo dallo stato dell’arte della letteratura
7 attualmente esistente ed è stato creato un supporto grafico utilizzato per la visualizzazione e verifica dei risultati ottenuti.
In un simulatore con finalità didattiche è necessario trovare un compromesso fra l’accuratezza della dinamica simulata e la possibilità che essa possa essere integrata in una struttura interattiva. Inoltre, sempre in termini di addestramento è opportuno lavorare in condizioni complesse facendo percepire le azioni di inerzia a cui una barca a vela è sottoposta durante la navigazione e lo scenario virtuale deve prevedere ostacoli, moto ondoso e vento variabile cercando di ricreare un ambiente sufficientemente realistico fondamentale per un compito di addestramento. Per un maggior coinvolgimento dell’utente nella simulazione, tale modello è stato poi integrato con una piattaforma mobile preesistente con lo scopo di replicare i movimenti e le angolazioni presenti all’interno di una imbarcazione a vela in mare aperto e in presenza di moto ondoso.
L’infrastruttura utilizzata per la trasmissione all’utente di tali sensazioni è una piattaforma di Stewart messa a disposizione dalla sede IDD del laboratorio PERCRO (Lucca, Viale R. Piaggio,2). Il riscontro visivo proiettato su uno schermo solidale all’abitacolo posto sopra la piastra della piattaforma ha permesso un’immersione nell’ambiente virtuale. L’utilizzo del timone e delle leve presenti nel suddetto abitacolo hanno permesso una verifica delle manovre presenti in una moderna imbarcazione da diporto, fra cui le manovre delle vele e il timone.
1.3 Risorse disponibili
Un affidabile modello dinamico è necessario per la simulazione di un qualsiasi veicolo. Tale banale considerazione è oltremodo vincolante nella simulazione della conduzione di una barca a vela. L’interazione dell’imbarcazione con due fluidi contemporaneamente porta, come sarà spiegato nel seguito, alla formulazione di un complesso modello matematico in cui molti fattori devono essere considerati. In questi ultimi anni sono stati molti gli sforzi da parte delle scienze fluidodinamiche per ottenere una dettagliata descrizione delle forze e delle sollecitazioni a cui sono sottoposte le vele e lo scafo di una barca a vela. Inoltre la progettazione delle imbarcazioni risente fortemente dei recenti sviluppi della aerodinamica che, attraverso l’utilizzo delle crescenti capacità di calcolo degli elaboratori, sta sviluppando software che danno utili consigli sulla progettazione e le ottimizzazioni necessarie per la costruzione di barche sempre più performanti. Pur essendo un notevole strumento di sviluppo per i moderni progettisti, tali software non sono però adatti ad applicazioni in tempo reale, causa la grande complessità dei problemi che devono risolvere.
Nel lavoro di tesi è stato quindi necessario trovare un compromesso fra accuratezza del modello matematico e la sua integrazione in una struttura adatta ad una implementazione di tipo real-time. Un ottimo compromesso è stato offerto dalle campagne di misurazioni effettuate presso l’Università di Delft in Olanda che attraverso modelli in scala di barche a vela hanno reso disponibili espressioni polinomiali per l’approssimazione delle forze idrodinamiche in base alle caratteristiche geometriche della barca. Analoghe misurazioni sono state fatte per quanto riguarda la parte aerodinamica di una barca a vela. In particolare presso la Technischen Universität di Berlino è stata sviluppata una galleria del vento dedicata allo studio e all’analisi della velatura delle barche a vela.
Uno scenario virtuale articolato ma da un punto di vista computazionale non troppo complesso si è reso necessario consentire l’esecuzione real-time del modello matematico. Un’ottima soluzione è stato l’utilizzo del l’ambiente di sviluppo XVR che permette la creazione di ambienti virtuali tridimensionali non richiedendo tuttavia eccessive risorse computazionali.
8 L’infrastruttura hardware è derivata dalla modifica del precedente progetto INDICA riguardante lo sviluppo di un simulatore di un carrello elevatore finalizzato all’addestramento di personale. La scelta di utilizzare una struttura esistente ha permesso di poter testare il modello matematico della barca su un’infrastruttura già affidabile e funzionante, ma ha reso necessaria una serie di compromessi per poter adattare i tipici comandi presenti nell’abitacolo di un muletto a quelli presenti nel pozzetto di un’imbarcazione.
1.4 Struttura del lavoro
La tesi presenta una breve descrizione dello stato dell’arte dei simulatori “Motion based” attualmente utilizzati per la conduzione virtuale di veicoli terrestri e marini. Condizione necessaria per un buon realismo del veicolo simulato è una precisa conoscenza della dinamica dell’oggetto da simulare. Sono pertanto descritte le più recenti ricerche sulla formulazione di modelli fisici per un modello di conduzione di una barca a vela, con particolare interesse per applicazioni adatte ad una implementazione in tempo reale. Nel terzo capitolo viene analizzato il problema della formulazione di un modello matematico per la descrizione della dinamica di una barca a vela. Dopo una breve illustrazione della terminologia fondamentale e dei principi di conduzione, si definisce il sistema di riferimento utilizzato. Si ha poi una descrizione qualitativa delle forze che agiscono su una barca a vela: partendo dalla statica dell’imbarcazione si passa poi all’analisi delle forze idrodinamiche che nascono dall’interazione dell’imbarcazione con l’acqua e delle forze aerodinamiche ovviamente prodotte dal vento sulla velatura. Una volta descritto il modello matematico sono espresse le problematiche inerenti alla visualizzazione e ai requisiti in tempo reale nelle simulazioni di veicoli. L’architettura dell’intero sistema, consistente nel modello fisico, la visualizzazione e l’interfacciamento con la piattaforma di Stewart è quindi presentata. Nel capitolo 4 viene descritta in dettaglio l’implementazione dell’intero sistema. Dopo la descrizione dei vari ambiti di sviluppo, si passa allo sviluppo delle singoli parti. Le varie componenti del modello matematico adottato vengono descritte in modo particolareggiato e viene descritta l’implementazione della grafica. Si passa poi all’integrazione con il Motion Platform ed alla logica di controllo necessaria sia da un punto di vista funzionale che da un punto di vista della sicurezza. Nel capitolo 5 sono presentati i test effettuati per la verifica del realismo del simulatore di barche a vela proposto. Infine nel capitolo 6 sono riportate le conclusioni e i futuri sviluppi.
